大氣沉降對煙葉重金屬含量的影響及溯源分析

翟 振，張艷玲*，楊 欣，王愛國，戴華鑫

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

2.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州市荔灣區(qū)中山七路333號 510000

農(nóng)產(chǎn)品安全性問題，尤其是重金屬含量日益成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點。目前科研工作者圍繞重金屬從土壤向農(nóng)產(chǎn)品遷移開展了諸多研究［1-3］，但在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，由于重金屬種類和不同區(qū)域作物重金屬來源差異等，導(dǎo)致一些以土壤、灌溉水控制為主的重金屬控制措施效果不明顯。有研究表明［4-7］，隨著近年來大氣污染源的多樣性和環(huán)境污染物的復(fù)雜性不斷增加、大氣污染范圍和程度的不斷擴(kuò)大，大氣沉降已成為我國一些地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品重金屬積累的重要來源之一。在工業(yè)活動密集的區(qū)域大氣沉降往往成為作物中某些重金屬（如Pb、Cd、As、Hg等）的主要來源［8］，一些產(chǎn)區(qū)對作物籽粒重金屬的貢獻(xiàn)甚至超過90%［9］，這些產(chǎn)區(qū)通過土壤措施控制作物重金屬含量的效果十分有限，因此加強大氣沉降對農(nóng)產(chǎn)品重金屬富集風(fēng)險評估十分必要。煙草作為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，又是一種特殊的吸食品，與消費者健康息息相關(guān)，明確大氣沉降對煙葉重金屬的影響尤為重要［10-12］。而目前針對煙葉重金屬的研究較少且所關(guān)注煙田類型過于單一，缺乏對不同生態(tài)類型煙田煙葉重金屬富集風(fēng)險的對比分析。同時，大氣沉降對煙葉重金屬的貢獻(xiàn)率亦不明確，而加強煙葉重金屬的溯源分析是對重金屬污染源頭控制的重要前提，目前針對糧食作物、蔬菜等重金屬的來源分析均已開展了相關(guān)研究［13-15］。而大氣沉降對煙葉重金屬的影響，以及降低煙葉重金屬富集風(fēng)險、提高煙葉安全性方面尚未見報道。為此，以黃淮煙區(qū)某地具有不同大氣污染環(huán)境類型煙田（一般農(nóng)區(qū)、公路兩側(cè)、廠礦周邊）為研究對象，采用薄膜覆蓋法研究了不同污染特征環(huán)境下大氣沉降對煙葉重金屬積累的影響；同時采用Ti元素關(guān)聯(lián)分析方法，分析了不同農(nóng)區(qū)大氣沉降對煙葉主要重金屬積累的影響，旨在明確典型植煙環(huán)境中大氣沉降對煙葉重金屬積累的貢獻(xiàn)，為煙葉產(chǎn)區(qū)因地制宜進(jìn)行煙葉種植布局優(yōu)化和制定重金屬防控措施提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于我國黃淮平原某傳統(tǒng)煙葉種植縣，當(dāng)?shù)責(zé)煵葜髟云贩N為中煙100。當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?92.4 mm，6～8月份降雨量占全年的53%左右，氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。研究區(qū)域煙葉大田生育期內(nèi)主導(dǎo)風(fēng)向為東南風(fēng)，平均風(fēng)速1.9 m/s。研究區(qū)域不同農(nóng)區(qū)類型（一般農(nóng)區(qū)、公路兩側(cè)、廠礦周邊）土壤重金屬含量如表1所示。

表1 不同類型農(nóng)區(qū)土壤重金屬含量①Tab.1 Heavy metal contents in soils from tobacco-planting areas of different types （mg·kg-1）

1.2 試驗設(shè)計

選擇具有不同大氣污染代表性的生態(tài)環(huán)境類型煙田（一般農(nóng)區(qū)、公路兩側(cè)、廠礦周邊）作為研究對象，利用薄膜覆蓋設(shè)置田間小區(qū)試驗。試驗于2015年6月15日開始，在不同生態(tài)類型區(qū)煙田布置集塵缸裝置，見圖1。將垂直高度2.0 m、安放集塵缸的支架放置于煙田便于操作且不易遭損壞的地方，將集塵缸穩(wěn)妥固定其上（此時集塵缸口距離地面2.3 m），防止被風(fēng)吹倒或搖擺。采集不同生態(tài)類型區(qū)大氣沉降樣品及相應(yīng)耕層土壤（0～20 cm）和煙葉樣品。其中，一般農(nóng)區(qū)選擇與主要污染源（公路交通污染和廠礦企業(yè)污染）保持適當(dāng)距離的煙田，與縣3級公路距離5 km以上，與廠礦企業(yè)距離25 km以上；公路兩側(cè)即為縣級3級公路兩側(cè)煙田，在主導(dǎo)風(fēng)向下風(fēng)口一側(cè)煙田距離公路0.2 km，距離水泥廠30 km以上；工廠周邊在主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)口一側(cè)煙田30°扇形區(qū)域內(nèi)選擇距離廠、礦區(qū)邊緣直線距離為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 km處的煙田設(shè)置采樣點。在上述3個試驗區(qū)，選擇具有代表性的田塊，分別設(shè)置薄膜覆蓋（M）和不覆蓋（CK）兩個處理，處理小區(qū)的規(guī)格長×寬為20 m×4 m，每處理重復(fù)3次，其他管理措施相同。煙苗移栽后30 d左右，在田間用透明農(nóng)膜搭建簡易棚體遮擋降水，棚體各側(cè)面底部地面以上40 cm留空以便通風(fēng)，灌溉采用壟溝漫水的方式進(jìn)行，見圖1。于煙葉成熟期分別采集中部和上部新鮮煙葉，抽梗、殺青、烘干、粉碎，待測。

圖1 薄膜覆蓋及田間集塵缸設(shè)置Fig.1 Film mulching and atmospheric dust collecting tank in a tobacco field

1.3 樣品采集和處理方法

在3種不同生態(tài)環(huán)境類型煙田對應(yīng)不同試驗處理，隨機選擇生長正常的煙株20株，按照葉位(下部：6～7葉位；中部：11～12葉位；上部：16～17葉位）掛牌標(biāo)示不同部位煙葉。煙葉正常成熟度采收時，采集所有掛牌新鮮煙葉，去梗，葉片105℃殺青20 min，60℃烘干，密封，測定煙葉中Cr、Ni、As、Cd、Pb和Hg 6種重金屬的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.4 測定方法

采用微波法對煙葉樣品進(jìn)行消解，消解用微波消解儀為ETHOS ONE（意大利Milestone公司），使用電感耦合等離子體-質(zhì)譜法（ICP-MS 7900，美國Agilent公司）對煙葉重金屬組成進(jìn)行測定，煙葉樣品Hg含量使用直接測汞儀（DMA-80，意大利Milestone公司）測定。元素測定均使用優(yōu)級純級別試劑（德國Merck公司），使用水均為超純水（Q-POD element級，德國Millipore公司）。具體方法：稱取粉碎煙葉樣品到聚四氟乙烯消解罐中，用HNO3-H2O2（5∶2/V∶V）體系微波消解，冷卻，定容至30 mL。利用ICP-MS 7900（美國 Agilent公司）測定Cr、Ni、As、Cd和 Pb元素含量［16-18］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013和SPSS19.0軟件進(jìn)行整理和統(tǒng)計分析，采用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生態(tài)類型區(qū)煙葉重金屬含量的差異分析

圖2 不同生態(tài)類型區(qū)對上部煙葉重金屬含量的影響Fig.2 Effects of different ecological areas on heavy metal contents in upper tobacco leaves

圖2為不同生態(tài)類型區(qū)上部煙葉重金屬含量分析結(jié)果，廠礦周邊環(huán)境下上部煙葉中Cr、As和Pb 3種重金屬元素明顯高于公路兩側(cè)及一般農(nóng)區(qū)環(huán)境，其中As和Pb元素均顯著高于公路兩側(cè)和一般農(nóng)區(qū)（P＜0.05），分別提高48.6%、61.8%和79.4%、134.6%，而廠礦周邊環(huán)境Cr元素較公路兩側(cè)環(huán)境煙葉中含量提高49.2%且達(dá)顯著水平（P＜0.05），但與一般農(nóng)區(qū)相比差異不顯著。因此，廠礦周邊環(huán)境下Cr、As和Pb 3種元素對煙葉污染風(fēng)險較高，且風(fēng)險程度依次為Pb＞As＞Cr；公路兩側(cè)環(huán)境下煙葉中Ni和Cd兩種重金屬元素均顯著高于廠礦周邊及一般農(nóng)區(qū)環(huán)境（P＜0.05）。表明不同重金屬元素在不同生態(tài)類型區(qū)上部煙葉中的含量差異顯著，這是由于煙葉中重金屬含量受土壤中重金屬元素背景值和人為活動的綜合影響［19］。不同生態(tài)類型區(qū)煙葉重金屬含量的差異一方面可能是不同生態(tài)類型區(qū)成土母質(zhì)的重金屬背景值存在差異；另一方面可能是相應(yīng)生態(tài)類型區(qū)工農(nóng)業(yè)活動及其大氣污染造成的［20］，戴華鑫等［11］研究發(fā)現(xiàn)廠礦周邊土壤顯示出重金屬Cr元素富集特征，同時廠礦周邊As、Pb元素的沉降通量顯著高于公路兩側(cè)和一般農(nóng)區(qū)。

2.2 薄膜覆蓋對煙葉重金屬含量的影響

采用薄膜覆蓋法評估大氣沉降對煙葉重金屬含量的影響結(jié)果見表2。表2表明，采用薄膜覆蓋后，廠礦周邊、公路兩側(cè)及一般農(nóng)區(qū)3種環(huán)境條件下，M處理上部煙葉6種重金屬含量均明顯低于CK，其平均降低幅度分別為37.2%、24.8%和41.4%。說明薄膜覆蓋明顯降低了大氣沉降對上部煙葉的重金屬污染風(fēng)險。有研究表明［21-22］，不同生態(tài)類型區(qū)域大氣沉降中重金屬含量存在差異，本研究結(jié)果顯示，對于廠礦周邊，M處理上部煙葉Cr、Ni、As和Pb 4種元素較CK顯著降低（P＜0.05），降低幅度在54.9%～64.2%，但Cd和Hg兩種元素?zé)o顯著差異；與廠礦周邊煙田不同，一般農(nóng)區(qū)和公路兩側(cè)M處理上部煙葉Ni、As和Pb顯著低于CK（P＜0.05），其他重金屬元素處理間差異不明顯，說明不同生態(tài)類型區(qū)大氣沉降對煙葉中不同種類重金屬含量的影響程度不同。

對于中部煙葉，廠礦周邊、公路兩側(cè)及一般農(nóng)區(qū)3種環(huán)境條件下，M處理6種重金屬含量較CK亦有所降低，但平均降低幅度均低于30.0%，明顯小于上部煙葉處理間的差異，說明大氣沉降對上部葉重金屬含量的影響與中部葉有所不同，這是由于棚體各側(cè)面底部地面以上40 cm留空以便通風(fēng)，增加了大氣沉降對中部煙葉的重金屬污染風(fēng)險，也進(jìn)一步說明大氣沉降對煙葉重金屬含量的影響較大。

表2 薄膜覆蓋對煙葉重金屬含量的影響①Tab.2 Effects of film mulching on heavy metal contents in tobacco leaves （mg·kg-1）

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，廠礦周邊、公路兩側(cè)及一般農(nóng)區(qū)3種環(huán)境條件下，CK中部煙葉6種重金屬含量均明顯高于上部煙葉，6種重金屬含量的平均增幅分別為31.1%、29.7%和49.5%，其中廠礦周邊和一般農(nóng)區(qū)環(huán)境，中部葉Cr、As、Cd、Pb和Hg 5種元素顯著高于上部葉（P＜0.05），公路兩側(cè)環(huán)境中部葉As、Pb和Hg 3種元素顯著高于上部煙葉（P＜0.05）。這可能與中部煙葉生長周期長、葉面積大、接受大氣沉降影響時間長等因素有關(guān)，也可能與重金屬元素在烤煙不同部位葉片中分配的固有特征有關(guān)，尚需進(jìn)一步試驗。

2.3 基于Ti元素關(guān)聯(lián)的煙葉重金屬來源分析

采用Ti元素關(guān)聯(lián)分析法對2016年上部煙葉中重金屬來源進(jìn)行分析［7］。Ti元素作為自然界中廣泛存在的一種金屬元素，在土壤中含量較高，但由于其化合物的溶解度比較低，因此溶解態(tài)的Ti元素很少，植物通過根系從土壤中吸收的Ti元素亦非常少，因此，可以認(rèn)為植株地上部吸收的Ti主要來自于大氣沉降和土壤揚塵［23-24］。

對上部煙葉中各重金屬含量與Ti元素含量進(jìn)行相關(guān)分析（圖3）發(fā)現(xiàn)，2016年上部煙葉中Cr、As和Pb含量與Ti含量均顯示出極顯著正相關(guān)關(guān)系，R2分別為0.795 2、0.459 8和0.345 3；煙葉中Ni、Cd和Hg含量則與Ti含量間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。一般認(rèn)為，植物中重金屬含量與Ti元素含量的相關(guān)性越強，植株中重金屬來源于植物表面的概率越大，相反重金屬吸收自土壤的可能性則越?。?］。因此，2016年上部煙葉中的Cr、As和Pb可能主要來源于大氣降塵和土壤揚塵。戴華鑫等［11］對煙葉重金屬含量與大氣沉降重金屬含量的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，上部煙葉As和Pb含量與大氣沉降通量呈顯著正相關(guān)，與本研究結(jié)果一致。這進(jìn)一步驗證了大氣沉降是煙葉中部分重金屬元素的重要來源。

圖3 上部煙葉重金屬含量與Ti含量的相關(guān)性Fig.3 Correlation between heavy metal contents and Ti content in upper tobacco leaves

2.4 大氣降塵理論貢獻(xiàn)率分析

根據(jù)煙葉樣品中與Ti含量關(guān)系密切的3種重金屬元素與Ti元素含量的線性回歸方程，計算得到沉降對煙葉Cr、As和Pb 3種元素的理論貢獻(xiàn)率。假設(shè)煙葉中的Ti元素完全來源于大氣降塵，則大氣沉降對各元素的理論貢獻(xiàn)率計算公式［7］：

式中：P為大氣沉降對煙葉重金屬的理論貢獻(xiàn)率；X為煙葉Ti含量；Y為煙葉中的元素含量；K為煙葉中Ti元素含量與各重金屬含量相關(guān)關(guān)系曲線斜率，K值越大表明揚塵和大氣沉降對煙葉中相應(yīng)重金屬含量貢獻(xiàn)越大。

大氣沉降和土壤揚塵對試驗地上部煙葉樣品Cr、As和Pb的平均貢獻(xiàn)率分別為80.82%、72.92%和73.09%。其中Cr元素大氣沉降貢獻(xiàn)率最高，分別較As和Pb元素提高10.83%和10.58%，見圖4。說明選取適宜的生態(tài)環(huán)境區(qū)進(jìn)行煙葉種植，以降低大氣沉降對煙葉重金屬含量的影響十分必要。

圖4 大氣沉降對上部煙葉中Cr、As、Pb的平均貢獻(xiàn)率Fig.4 Average contribution rates of atmospheric deposition to Cr,As and Pb in upper tobacco leaves

3 結(jié)論

大氣沉降對煙葉中重金屬含量有重要影響，且不同污染特征環(huán)境下各重金屬污染風(fēng)險不同，廠礦周邊環(huán)境下Cr、As及Pb 3種元素對煙葉污染風(fēng)險較高，公路兩側(cè)環(huán)境下Ni、Cd元素污染風(fēng)險高；不同污染特征環(huán)境下的煙田中，中部煙葉重金屬含量明顯高于上部煙葉；薄膜覆蓋后，大氣沉降對上部煙葉重金屬含量的影響顯著降低；Ti元素關(guān)聯(lián)分析表明，大氣沉降對上部煙葉樣品Cr、As和Pb的平均貢獻(xiàn)率分別為80.82%、72.92%和73.09%。因此，選取適宜的生態(tài)環(huán)境區(qū)進(jìn)行煙葉種植，同時對不合理的煙葉種植布局進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以降低大氣沉降對煙葉重金屬含量的影響。