不同品种烟草对轻度污染耕地土壤中镉的累积特征与减量修复潜力

2023-11-04范婉仪涂晨王顺扬吴昕优李烜桢骆永明

生态环境学报 2023年8期

范婉仪，涂晨，王顺扬，吴昕优，李烜桢，骆永明*

1. 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室（南京土壤研究所），江苏南京 210008；2. 中国科学院大学，北京 100049，3. 河南农业大学林学院，河南郑州 450002

随着工业化和城市化进程的加快，中国农田土壤的镉（Cd）污染已成为影响粮食安全和人体健康的重要环境问题（Wang et al.，2019）。植物吸取修复因具有绿色、原位、经济等优点，在Cd 污染农田的修复技术中占据重要地位。当前，国内外研究者在Cd 超积累植物的育苗扩繁、修复效果、修复机理、田间示范等方面已开展了大量的研究工作（Li et al.，2018），但Cd 超积累植物的种质资源仍非常有限，亟需继续筛选对Cd 具有高积累特征的植物资源。

烟草是中国的重要经济作物之一，具有生物量大、适应性强、栽培面积广、栽种技术成熟等特点，在作为Cd污染农田的潜在修复材料中备受关注（孔祥方等，2021；Jia et al.，2022）。Cd 在烟草中的累积特征主要与土壤Cd 质量分数、土壤性质和烟草品种及生长期有关。刘登璐等（2016）比较了93 份烟草材料对镉的耐性和积累能力，获取了多个对镉具有高累积特征的烟草种质资源，这些高积累烟草地上部Cd 质量分数最高可达162.84 mg·kg-1。Liu et al.（2019）比较了10 个中国主栽烟草品种对Cd的吸收富集潜力，发现云烟87 对重度污染土壤上Cd 的吸取量最高可达7 390.56 μg。目前国内外学者已有利用烟草开展田间试验修复Cd 污染农田土壤的研究。Keller et al.（2003）在HNO3提取态Cd 质量分数为2.5 mg·kg-1的土壤上进行田间试验，发现烟草（N.tabacumcv. Badischer Geudertheimer）对Cd移除量为41.7 g·hm-2。Chen et al.（2022）利用菊苣（Cichorium intybusL.）-烟草-花生（Arachis hypogaeaL.）轮作修复Cd 质量分数为0.33 mg·kg-1的农田，发现烟草对镉的提取量最高，其地上部的Cd 积累量达37.47 g·hm-2，植物提取效率为4.50%。烟草对Cd 的吸收与土壤中Cd 的生物有效性密切相关。植物最易吸收水溶态Cd，可交换态Cd 次之（Duplay et al.，2014）。Lu et al.（2018）发现烟草Cd质量分数与土壤有效态Cd质量分数呈显著正相关。王浩朴等（2017）发现，当土壤中有效态Cd 质量分数分别降低14.1%和37.0%时，烟叶中的Cd 质量分数则分别降低74.7%和87.0%，表明烟叶中的Cd质量分数受到土壤有效态Cd 质量分数的影响。然而，当前国内外报道的Cd 高积累烟草品种大多采用水培试验或者种植在人为老化的中重度Cd 污染土壤，对适用于轻度Cd 污染土壤的高积累烟草品种的累积特征和吸取减量修复潜力仍需进一步研究。开展高积累烟草品种的筛选和积累特征研究，既可以为Cd 轻度污染土壤的安全利用提供替代种植方案，也可以为Cd 中重度污染土壤的植物修复提供高积累植物种质资源。

因此，本研究以2 种不同品种的烟草（云烟87和K326）为供试材料，通过盆栽试验比较这两种烟草在不同类型轻度Cd 污染土壤上的生长状况和对Cd 的吸收转运能力，探讨了烟草收获后盆栽土壤中有效态Cd 质量分数（CaCl2和NH4OAc 提取态）和总Cd 质量分数变化，估算了两种烟草对土壤中Cd的减污净化潜力，以期为实现轻度Cd 污染农田土壤的安全利用和减量修复提供烟草种质资源和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤分别采自浙江省台州市路桥区（121°21′52.17″E，28°32′0.43″N）和江苏省徐州市新沂市（118°29′48.66″E，34°21′34.45″N），在各个地点农田中划定100 m2范围内取0－20 cm 表层土约100 kg。采集的新鲜土样挑剔除杂质后自然晾干，再磨碎用2 mm 孔径尼龙网筛筛出试验用土样。供试土壤主要理化性质见表1。供试烟草品种为云烟87 和K326，均由河南农业大学提供。

表1 供试土壤主要理化性质Table 1 The main physico-chemical properties of the two soils tested

1.2 试验设计

于2022 年4－6 月在中国科学院南京土壤研究所温室内开展盆栽试验。试验变量包含两种土壤即台州土壤、徐州土壤和两个烟草品种，以未种植烟草的土壤作为对照（CK），每个处理重复4 次，共计6 个处理24 个试验盆。试验所用盆为高21 cm、直径23 cm 的塑料盆，每盆装入过筛土壤4.0 kg，并种入长势均匀一致的烟苗（四叶一芯）1 株。烟苗移栽前，各盆中施加基肥0.5 g·kg-1NH4NO3、0.2 g·kg-1KH2PO4和0.4 g·kg-1K2SO4。烟草种植试验期间用去离子水将土壤田间持水量保持在60%左右。

1.3 测定指标与方法

试验进行至50 d 时，收获旺长期烟草的地上地下部整株样品。把烟草样品叶、茎、根分离后，分别用自来水冲洗，再用去离子水冲洗3－4 次使表面清洁，晾干水分后置于牛皮信封内放入烘箱在105 ℃条件下杀青30 min，再75 ℃下烘干至质量恒定。烘干后的样品用植物粉碎机粉碎后测定镉质量分数。烟草收获后采集盆钵中土壤样品，风干、磨细过尼龙筛（孔径2 mm 和0.154 mm）测定有效态和全镉质量分数。

土壤样品测定参照《土壤农化分析》（鲁如坤，1999）进行。土壤总量Cd 采用HCl-HNO3-HF-HClO4酸消解法用半自动石墨消解仪（DTI-30ST）消解。土壤有效态Cd 采用0.01 mol·L-1CaCl2和1 mol·L-1NH4OAc（pH=7）（Rauret，1998）。样品消解后采用电感耦合等离子体质谱仪（PE Nexion 2000，美国）测定镉元素质量分数。

烟草株高、叶茎根干质量的测定方法参考国家标准YC/T 142—2010（国家烟草专卖局，2010）。粉碎后的烟草样品经HCl-HNO3-HClO4湿法消解，定容后用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定Cd 质量分数（杨远等，2013）。

烟草对Cd 的转移系数（translocation facors，TF）、生物富集系数（bioconcentration facors，BCF）、Cd 吸取量和去除率通过以下公式计算：

上述公式中：

VTF——烟草转移系数；

VBCF——烟草生物富集系数；

Utobacco——烟草各部位Cd 吸取量；

Rtobacco——烟草各部位去除率；

wshoot、wroot、wstem和wleaf——烟草地上部、根、茎和叶的Cd 质量分数，单位为mg·kg-1（干质量）；

wCd——土壤Cd 质量分数，单位为mg·kg-1（干质量）；

wtobacco——烟草各部位Cd 质量分数，单位为mg·kg-1（干质量）；

mtobacco——烟草各部位生物量，单位为g（干质量）；

msoil——土壤质量，单位为kg。

1.4 数据处理与分析

数据采用Microsoft Excel 2019 整理统计，使用SPSS 27.0 进行差异显著性分析（独立样本t检验，P＜0.05），在Origin 2022 软件中作图。

2 结果

2.1 污染土壤上不同品种烟草的生长状况

由图1 可知，同一品种在台州土壤中的株高、根和茎干质量显著高于徐州土壤（t=2.481，P=0.048；t=2.939，P=0.026；t=2.686，P=0.036），但同一土壤上的两种烟草之间在株高、地上部鲜质量和干质量等指标方面均无显著性差异。

图1 两种土壤中不同品种烟草移栽50 d 后的生长状况Figure 1 The growth of different tobacco species after transplantation for 50 days in two soils

2.2 烟草不同组织中镉的吸收、分布与转运特征

两种土壤上不同品种烟草的不同部位Cd 质量分数如图2 所示。对于相同的污染土壤，两个品种烟草根中的Cd 质量分数之间无显著性差异；但在不同土壤上，同一品种烟草根部的Cd 质量分数有所差异，如，台州土壤上云烟87 的根中Cd 质量分数（7.42 mg·kg-1）显著高于徐州土壤（6.87 mg·kg-1），但台州土壤上烟草K326 的根中Cd 质量分数却低于徐州土壤（t=2.663，P=0.037）。烟草茎中的Cd 质量分数分布特征与根中有所不同，在台州Cd 污染土壤上，烟草K326 茎中的Cd 质量分数（6.17 mg·kg-1）显著高于云烟87（4.44 mg·kg-1）；而在徐州土壤上，两个品种烟草茎中的Cd 质量分数无显著性差异；对于不同土壤，徐州土壤中云烟87 的茎中Cd 质量分数显著高于台州土壤（t= -6.313，P＜0.001），烟草K326 也呈现同样的规律但差异不显著。烟叶中的Cd 质量分数特征与茎相似，对于相同的土壤，烟草K326 叶片中的Cd 质量分数均显著高于云烟87；而对于不同的土壤，徐州土壤中云烟87 和K326 两种烟草叶中的Cd 质量分数均显著高于台州土壤中烟草叶片Cd 质量分数。从烟草不同组织中Cd 的质量分数分布来看，两种烟草的根和茎中Cd 质量分数相差不大，烟草中的Cd 主要富集在叶片组织中，变幅在11.7－25.3 mg·kg-1。

图2 两种土壤中不同品种烟草不同部位Cd 质量分数Figure 2 The Cd contents in different parts of different tobacco species in two soils

不同品种烟草对Cd 的生物富集系数（BCF）和转移系数（TF）见表2。由表可知，在两种土壤上，云烟87 和K326 的根部生物富集系数（VBCF(root)）和地上部生物富集系数（VBCF(shoot)）均大于1，表明两种烟草的根和地上部对土壤中的Cd 都具有富集作用。同时，对于两种烟草，VBCF(shoot)均显著高于VBCF(root)，表明两种烟草的地上部对Cd 的富集能力显著高于根部。此外，两种污染土壤上，烟草K326的VBCF(shoot)均大于云烟87，但两者的VBCF(root)比较接近，表明烟草K326 地上部对Cd 的富集能力强于云烟87。对于不同土壤，徐州土壤上两种烟草的VBCF(shoot)均显著大于台州土壤，但两者的VBCF(root)比较接近。与VBCF相似，在两种土壤上，云烟87 和K326 的VTF(root-shoot)均大于1，表明两种烟草都具有较强的将Cd 从根部向地上部转运的能力；且对于同一土壤，K326 的VTF(root-shoot)于云烟87，对于同一烟草品种，徐州土壤上的VTF(root-shoot)大于台州土壤。进一步将烟草地上部分解为茎和叶部，发现Cd 从茎向叶部的转移能力大于从根向茎部的转移能力（VTF(stem-leaf)＞TF(root-stem)）；对于不同土壤，徐州Cd 污染土壤生长的烟草品种VTF(stem-leaf)大于台州土壤。

表2 不同品种烟草的生物富集系数和转移系数Table 2 Bioaccumulation factors (BCF) and transfer factor(TF) of different tobacco species

2.3 不同品种烟草对Cd 的减污净化效果比较

烟草收获后，不同处理土壤中CaCl2提取态和NH4OAc 提取态Cd 质量分数的变化如图3 所示。在台州土壤中，未种植烟草的对照组土壤中CaCl2提取态Cd 质量分数为0.21 mg·kg-1，种植云烟87和K326 后，土壤CaCl2提取态Cd 质量分数均降低至0.18 mg·kg-1，显著低于对照组。对照组土壤中，NH4OAc 提取态Cd 质量分数为0.27 mg·kg-1，种植云烟87 和K326 后，土壤NH4OAc 提取态Cd 质量分数均显著降低至0.23 mg·kg-1，与CaCl2提取态Cd 质量分数的变化趋势相似。在徐州土壤中，对照组土壤CaCl2提取态Cd 质量分数为0.30 mg·kg-1，种植云烟87 和K326 后，土壤CaCl2提取态Cd 质量分数分别降低至0.24 和0.23 mg·kg-1，相较于对照组显著降低了 19.3%和 23.1%（t= -5.468，P=0.002；t= -20.368，P＜0.001）。对照组土壤NH4OAc 提取态Cd 质量分数为0.42 mg·kg-1，种植云烟87 和K326 后，土壤NH4OAc 提取态Cd 质量分数分别显著降低至0.37 mg·kg-1和0.35 mg·kg-1（t= -4.316，P=0.005；t= -8.085，P＜0.001）。值得注意的是，在所有不同处理中，土壤中NH4OAc 提取态Cd 质量分数均显著高于CaCl2提取态Cd 质量分数；此外，徐州土壤中CaCl2提取态和NH4OAc 提取态Cd 质量分数均显著高于台州土壤，但在每种土壤中，种植两种不同品种烟草后，土壤有效态Cd质量分数的差异并不显著。

图3 不同品种烟草移除后两种土壤中有效态Cd质量分数Figure 3 Available Cd contents in two soils after the removal of different tobacco species

烟草收获后，土壤中总Cd 质量分数的变化如图4 所示。在台州土壤中，种植云烟87 和K326 后，土壤总Cd 质量分数比对照组分别显著降低了11.4%和11.8%，但两种烟草之间无显著性差异；而在徐州土壤中，种植云烟87 和K326 后，土壤总Cd质量分数比对照组也有所降低，但各处理间均无显著性差异。

图4 不同品种烟草移除后土壤中的总Cd 质量分数Figure 4 Total Cd contents in two soils after the removal of different tobacco species

由烟草各部位的生物量和Cd 质量分数计算得到烟草各部位对Cd 的吸取量，由表3 可知，在两种土壤上，烟草K326 的Cd 吸取总量（285.0－310.2 μg·pot-1）显著高于云烟87（254.8－261.2 μg·pot-1），且两种烟草叶片中的Cd 的吸取量（216.5－252.6 μg·pot-1）远大于茎部（20.8－45.0 μg·pot-1）和根中的Cd 吸取量（9.3－19.8 μg·pot-1）。对于不同土壤，台州土壤上云烟87 和K326 的根部和茎部Cd 吸取量均显著大于徐州土壤；但叶部的规律与之相反，徐州土壤上两种烟草的叶部Cd 吸取量均大于台州土壤。两种土壤中，云烟87 和K326 对Cd 的总去除率最高分别达8.4%和9.4%，其中叶片对Cd 的去除率（6.5%－8.3%）均远大于茎部（0.7%－1.4%）和根部（0.3%－1.6%）的Cd 去除率。对于两种不同的烟草，K326 对Cd 的去除率（9.3%－9.4%）大于云烟87（7.9%－8.4%），但同种烟草在不同土壤上对Cd 的去除率之间没有显著性差异。

表3 两种土壤上不同品种烟草各部位的Cd 吸取量和Cd 去除率Table 3 Plant uptake and Cd removal rate by different parts of tobacco species in two soils

3 讨论

3.1 不同品种烟草吸收累积镉的差异及影响因素

植物生物量和重金属富集能力是影响植物吸取修复效果的重要因素（汪洁等，2014）。对于重金属污染土壤，超富集植物有较高的重金属耐性以及较好的富集效果，但其植株生物量普遍偏小，吸收总量无法达到较高的水平而影响了吸取修复效果。近年来，研究人员开始筛选生物量大、适应性强且栽种技术成熟的高积累植物资源，以期通过提高吸取总量而达到理想的植物修复效果（吴仁杰等，2021）。已有研究表明，烟草对镉具有很强的富集能力，且烟草的生物量大、环境适应性强，有望成为理想的修复植物。由图1 可知，本研究的2 种供试烟草品种云烟87 和K326 的生物量最高分别可达26.7 g·pot-1和26.3 g·pot-1，远超过柏佳等（2020）报道的在0.55 mg·kg-1的Cd 污染土壤上生长的超积累植物伴矿景天生物量（10.5 g·pot-1）。此外，本研究为盆栽试验，烟草生长期为50 d，其生物量小于大田生长的烟草。罗杰等（2020）研究表明，在大田条件下，云烟87 和K326 的产量（干质量计）可达1851.6 kg·hm-2和1940.1 kg·hm-2。

本研究中，2 种供试烟草品种云烟87 和K326对Cd 均有较强的富集能力，且Cd 主要富集在烟草的叶中，这与其他学者研究结果类似。贺远等（2015）采用盆栽试验，在添加0.6 mg Cd·kg-1的处理下，生长45 d 的烟草叶片镉质量分数（10 mg·kg-1）显著高于茎（1.5 mg·kg-1）和根部（2 mg·kg-1）。党锋等（2006）同样采用室内盆栽方法，发现在土壤Cd 质量分数为1 mg·kg-1时，烟草叶片Cd 质量分数最高可达7.65 mg·kg-1，根部次之，茎最低。有研究发现在植物对Cd 的解毒过程中，叶片的叶肉细胞发挥主要作用，这是因为进入细胞的Cd 主要被区隔在代谢不活跃的部位（如液泡）。叶肉细胞有大型的成熟液泡，液泡中富含能与重金属结合的有机酸、巯基化合物和蛋白质等物质，Cd 可能与其中的磷酸根形成沉淀而储存在烟草叶片的液泡内，因此烟叶中的Cd 质量分数显著高于其他部位（Rascio et al.，2011；Huang et al.，2021；Yang et al.，2021）。

本研究的2 种供试烟草品种叶片富集Cd 能力存在显著差异，这可能与烟草品种不同有关。雷丽萍等（2015）研究了16 种不同烟草对Cd 吸收的敏感性，发现不同品种烟草对Cd 的吸收及Cd 耐性存在显著差异（P＜0.05）。余浩等（2018）对7 种常见烟草品种不同部位Cd 质量分数进行分析，结果显示，云烟87 的烟叶Cd 质量分数与K326 存在显著差异（P＜0.05）。不同品种烟草的根系分泌物、生物酶数量、种类及其功能不同，对土壤中微生物群落结构和功能的影响也有所差异，这些因素都会影响烟草对Cd 的吸收（李晓锋等，2022）。

富集系数是反映植物对重金属积累能力的一个关键指标，富集系数越大，说明植物吸收重金属能力越强，可用于植物吸取修复重金属污染土壤（Bake，1981；陈洁宜等，2019）。本研究中的2 种供试烟草云烟87 和K326 的地上部和根部对Cd 的富集系数均远大于1，说明这两种烟草均对Cd 有较强的吸收富集能力，且对Cd 的富集部位主要在地上部。转移系数则表征了植物对重金属的迁移能力，TF＞1 表示植物易将根部吸收的重金属运送到地上部。本研究中的2 种供试烟草品种地下部向地上部转移系数和茎向叶转移系数均大于1，说明这两种烟草对Cd 均具有较强的向上输送能力，特别是向叶片中的转运和富集，表明这两种烟草在轻度Cd 污染土壤的植物修复中具有较大的应用潜力。因此，可通过植物根部吸取重金属并将其转运至地上部，再对大量富集重金属的地上部进行刈割，达到修复去除受污染的土壤的目的（Sun et al.，2019）。

3.2 烟草种植对镉污染土壤的减量修复潜力

有研究指出，在一定的条件下，植物对Cd 的吸收与土壤中有效Cd 质量分数呈正相关（武文飞等，2013）。已有研究表明，CaCl2和NH4OAc 提取态重金属质量分数可以很好地反映土壤中重金属的生物有效性（Zhang et al.，2010）。李海涛等（2022）比较了5 种提取剂，结果表明CaCl2和NH4OAc 两种提取剂所提取的土壤Cd 质量分数能较好地表征土壤中Cd 的生物有效性和移动性。本研究中，种植云烟87 和K326 可显著降低供试土壤中CaCl2和NH4OAc 提取态Cd 的质量分数。土壤pH 是影响土壤有效Cd 质量分数的重要因素，pH 值越低，土壤有效态Cd 质量分数越高（Sun et al.，2019）。从本文表1 可见，徐州土壤和台州土壤的总镉质量分数相近，徐州土壤的pH 为5.08，低于台州土壤的（5.60），这可能是徐州土壤中CaCl2提取态和NH4OAc 提取态Cd 质量分数均显著高于台州土壤之故。同一土壤中，CaCl2提取态Cd 质量分数均低于NH4OAc 提取态，这是因为前者提取的主要为水溶态Cd，后者提取主要为水溶态Cd 和可交换态Cd（章明奎等，2006）。但土壤中CaCl2提取态Cd 的降低率均高于NH4OAc 提取态Cd 的降低率，这是因为CaCl2提取的水溶态Cd 是更容易被植物吸收并高效利用的形态（邵玉祥等，2021）。

土壤总Cd 质量分数通常与土壤有效态Cd 质量分数之间呈显著正相关关系。本研究中，2 种供试土壤的总Cd 质量分数亦随着有效态Cd 质量分数降低而降低，但总Cd 的降低率有所差异，这可能是因为土壤类型影响了烟草对Cd 的吸收。王卫等（2014）向11 种不同类型土壤中添加外源镉处理后，发现砖红壤和红壤中的烟草对Cd 的富集显著高于其他土壤类型，而灌漠土中烟草对Cd 的富集显著低于其他土壤类型。不同土壤类型的理化性质差异（如pH 值、有机质、阳离子交换量等）也会影响烟草对Cd 的吸收富集能力，导致土壤总Cd 质量分数去除效果的差异（曹晨亮等，2015）。本研究中，两种供试土壤的颗粒组成相似（见表1），其矿物组成同属于硅质混合型，主要为蒙脱石、伊利石、水化云母（黄标等，2017；麻万诸等，2017），但台州土壤属于铁聚水耕人为土，其有机质质量分数和总氮质量分数均明显高于徐州土壤，这有助于促进烟草的生长和增加烟草的生物量（图1）。

植物对土壤中Cd 的去除率是评估植物修复Cd污染土壤能力的重要指标。杨勇等（2009）采用盆栽试验，比较了超富集植物遏蓝菜和3 种高生物量植物（印度芥菜、向日葵和烟草）对土壤中Cd（2.87 mg·kg-1）的去除率，发现烟草对Cd 的去除率（1%）高于遏蓝菜（0.6%）和印度芥菜（0.5%）。余浩等（2018）在总Cd 质量分数为9.4 mg·kg-1的土壤上种植不同品种的烟草，发现烟草长脖黄对Cd 去除率最高（3.48%）。本研究中，烟草云烟87 和K326 的总Cd 去除率分别可达8.4%和9.4%，远高于上述报道结果，这可能与供试土壤的理化性质、总Cd 质量分数以及烟草品种有关。此外，烟草还具有适应性更强、种苗价格更低、栽种技术成熟等优点。田间修复应用时，修复植物离田后能否得到安全处置或资源化利用也是判定植物修复技术应用潜力的关键指标之一。当前，修复后的植物一般可通过堆肥法、焚烧法、压缩填埋等方法对富集有重金属的植物地上部进行安全处置，也可通过植物冶金、热液改质、合成金属纳米材料等方法进行资源化利用（王敏捷等，2021）。烟叶是烟草制品的主要原料，同时也是Cd 的主要富集器官。对于经植物修复后的含Cd 烟叶，可通过盐酸与乙醇混合液提取分离实现叶片中的重金属脱毒和烟碱回收，剩余部分可作为饲料蛋白原料（Yang et al.，2019），或可用于提取茄尼醇等在抗菌、消炎、抗癌以及制备辅酶Q10等方面均有较高应用价值的医药中间体（陆颖昭等，2021）。因此，本研究中的供试烟草品种云烟87和K326 在对Cd 污染土壤的减量修复中具有明显的优势。在后续研究中，需结合物理和化学修复、农艺调控和转基因技术等，以提高烟草吸取减量修复Cd 污染土壤的效率，同时进一步阐明烟草对Cd的吸收、转运与富集机理。另外，研发含Cd 烟草植株的安全无害化处理技术与装备也是今后需要研发的重要科技问题。