磷對土壤-煙草系統(tǒng)鎘有效性及生物累積的影響研究進展

王志軍，邰孟雅，翟夜雨，袁岐山

（1.三門峽市煙草公司盧氏縣分公司，河南三門峽 472200；2.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，河南鄭州 450002；3.河南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，河南鄭州 450000）

隨著科技不斷發(fā)展進步，我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化程度越來越高，社會的發(fā)展為人們帶來便利生活的同時，也帶來了一系列問題，如工業(yè)三廢的排放、采礦和冶煉的增加及農(nóng)藥化肥的濫用，都加劇了環(huán)境污染。鎘是一種非氧化還原金屬，在自然界中濃度較低，但在造成土壤污染的重金屬中毒性相對較強[1]。雖然目前對煙草提取物的開發(fā)利用已取得較大成果，但葉片仍是煙草的主要收獲對象[2]。伴隨人們環(huán)境風險意識的提高，煙葉鎘污染已然成為科研工作者們不得不關注的問題。

磷在自然界中廣泛存在，適量的磷素供應可提高植物的抗逆性和對外界不良環(huán)境的適應能力[3]。研究表明，磷對植煙土壤中鎘的有效性及煙草對鎘的吸收累積有一定影響，但具體情況因土壤特性及施磷水平等因素的不同而存在差異。

基于鎘污染加劇現(xiàn)狀，本文著重討論了不同施磷條件對鎘在土壤中的有效性和煙草生物累積的影響，探究土壤中鎘和磷的相互關系，嘗試通過調(diào)節(jié)土壤中磷元素的含量來降低土壤鎘的有效性及煙株對鎘的吸收積累，為土壤-煙草系統(tǒng)鎘污染防治提供一定參考。

1 鎘污染的來源和危害

鎘于1817年被德國的斯特羅邁爾發(fā)現(xiàn)并制得，是有色重金屬元素之一，被確認為動植物生長發(fā)育的非必需元素。

1.1 鎘污染的來源

土壤-煙草系統(tǒng)的鎘污染是多方面因素綜合作用的結(jié)果，污染物主要來自土壤、水體和大氣。

土壤中的鎘大致有兩種來源。1）自然情況下重金屬在土壤母質(zhì)中普遍存在。一般來說，黏土因具有吸附金屬離子的能力，鎘含量相對較高，但不超標時不會產(chǎn)生較大危害。2）因采礦、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)污染、固體廢棄物及交通污染等人類活動而引入的鎘[4]。礦石是天然存在的礦物，過度的礦體開采產(chǎn)生了較多的污染廢物，通過風或水的輸送污染了礦山周圍的土壤，這是土壤中鎘的重要來源。生產(chǎn)磷肥的磷礦石富含重金屬鎘，在為作物補充生長所必需的磷元素時，不可避免地將鎘帶入土壤[5]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度加快，固體廢棄物的隨意丟棄、金屬的腐蝕均會導致土壤鎘污染。高速公路兩側(cè)的土壤較其他位置而言鎘污染情況更嚴重，主要是因為機動車行駛過程中的尾氣和機械部件磨損均會排放一定的鎘。

污水、污泥是處理生活和工業(yè)廢水的殘留物，含有大量的金屬元素，來自工業(yè)區(qū)的污水通常比來自住宅區(qū)的污水金屬元素含量更高，因此污水灌溉是土壤鎘污染的主要來源之一?？諝庵械逆k污染主要來自人類活動，如工廠冶煉含重金屬礦物排放的煙塵、工業(yè)企業(yè)廢氣的排放和化石燃料的燃燒等都會導致重金屬擴散，鎘被排放至空氣中或積累在灰燼里，通過大氣沉降污染土壤和水源[6]。

1.2 鎘污染的危害

重金屬污染具有長期性、累積性、潛伏性和損害不可逆等特點，治理成本高、周期長[7]。鎘在環(huán)境中一般以無機離子的形態(tài)存在，在土壤中可穩(wěn)定存在1～3 年，進入動植物體后大部分鎘可與巰基或其他小分子物質(zhì)絡合形成有機態(tài)鎘，在人體內(nèi)保留時間可超過20 年，具有較長的生物半衰期[8-9]。鎘的生態(tài)毒性主要是由于該元素及其化合物不能被生物降解，且鎘的遷移能力很強，極易溶于水被植物吸收，還可通過呼吸道進入動物體內(nèi)[10]。

不同植物對鎘的耐受程度存在差異，少量鎘對植物的生長發(fā)育影響不大，當鎘含量超過一定限度時，植物生長減慢，產(chǎn)量和品質(zhì)都有不同程度降低。鎘在植物中的積累也是它進入食物鏈的主要途徑。鎘可通過增強膜脂過氧化作用、破壞細胞的抗氧化系統(tǒng)進而誘導組織氧化損傷，還可通過破壞各種酶系統(tǒng)進而影響正常代謝活動，對人體的危害主要集中在眼睛、肝腎、肺、骨組織和其他器官，長期的鎘積累還會誘發(fā)骨質(zhì)疏松、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腎功能障礙及癌癥等急性或慢性疾病，如日本富山縣曾出現(xiàn)因長期飲用鎘污染水而導致的慢性鎘中毒——“痛痛病”[11-13]。鎘對其他動物的影響與人體類似。

2 磷的功能和施用方法

磷在生物圈內(nèi)分布廣泛，其含量在地殼中位于前十，海水中位于第二，大量存在于動植物組織中，也是人體含量較多的元素之一。

2.1 磷的功能

含磷物質(zhì)種類很多，主要以磷酸鹽的形式存在于自然界中[14]。除植酸等形式的磷之外，大都能被機體吸收利用，是動植物生長發(fā)育必不可少的大量元素之一。

在植物中，磷是許多重要化合物的組成成分之一：1）磷是核蛋白、核酸和磷脂的重要組成成分，對植物的生長發(fā)育和遺傳變異有重要作用；2）磷是多種酶的組成成分，幾乎參與所有生理生化反應，其中三磷酸腺苷（ATP）與能量的形成和釋放有關，參與多條能量代謝途徑；3）磷還是植物體內(nèi)碳水化合物、脂肪等物質(zhì)的合成、代謝和能量釋放過程的參與者。

在動物體中磷大多存在于骨骼和牙齒，還有一部分在體液中，是維持動物生理功能的必要物質(zhì)[15]。適量磷在維持心臟跳動、腎臟機能正常和傳達神經(jīng)刺激等方面發(fā)揮重要作用。

2.2 磷的施用方法

磷肥是以磷為主要養(yǎng)分的肥料，肥效受磷肥中有效五氧化二磷含量、土壤性質(zhì)、作物種類和施肥方法等因素影響。磷肥的施用包括磷肥類型、施磷水平和施磷方式等。1）磷肥類型。按照所含磷酸鹽的溶解性能劃分，磷肥主要包括水溶性和枸溶性兩種。常用磷肥有過磷酸鈣、重過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷酸二氫鉀和磷酸一銨等。2）施磷水平。不同施磷水平即為磷肥的不同施用量。一般來說，在一定限度內(nèi)，施肥效果隨施磷量的增加而增加。3）施磷方式。施肥方式包括磷肥施用時間、基肥和追肥比例等，可在植物的不同生育期采取不同的施肥方式和比例。

3 施磷對植煙土壤鎘生物有效性的影響

土壤的基本性質(zhì)包括土壤類型、土壤質(zhì)地、有機質(zhì)含量、酸堿度及養(yǎng)分狀況等多個方面。磷肥經(jīng)過不同的施用方法施入不同性質(zhì)的土壤對不同種類植物會產(chǎn)生不同影響。我國土壤有效磷含量普遍偏低，是因為磷在土壤中極易被固定。施磷對土壤鎘有效性的影響存在爭議，目前對于磷降低或增加鎘活性的論斷都有相關研究成果支持[16]。

土壤中鎘含量的高低并不能完全代表其危害性，只有有效態(tài)鎘才會被植物吸收，并造成重金屬損害。磷肥可以直接和土壤中的鎘相互作用，也可通過改善土壤性質(zhì)間接影響鎘的有效性。土壤中的重金屬可直接被磷吸附，也可通過磷酸根離子等被間接吸附；部分磷肥（如過磷酸鈣等）可與鎘絡合形成沉淀，降低土壤中鎘的有效性；磷酸氫二銨施入土壤后水解產(chǎn)生NH4+與鎘絡合，但此過程會使水溶態(tài)鎘含量增加；磷肥中解離出的陽離子能與鎘競爭土壤吸附位點，部分陰離子也可與鎘發(fā)生絡合反應影響有效態(tài)鎘含量。

施磷會影響土壤有機質(zhì)含量，進而影響鎘活性。有機質(zhì)不僅代表土壤的營養(yǎng)狀況，還可與鎘離子發(fā)生物理或化學反應。一般來說，有機質(zhì)可與鎘絡合，降低土壤鎘的有效性，減少植物對重金屬鎘的吸收和轉(zhuǎn)運。但吸附和解吸是一個復雜的過程，涉及多個方面，不能一概而論。

施用不同類型磷肥會對土壤的酸堿度產(chǎn)生不同影響，可通過調(diào)節(jié)土壤酸堿度來影響鎘的溶解度和鎘不同形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，進而影響鎘活性[17]。王朋超等研究發(fā)現(xiàn)，施用過磷酸鈣和鈣鎂磷肥的土壤pH 值分別表現(xiàn)為降低和升高，與對照相比兩種肥料均可降低有效鎘含量，但鈣鎂磷肥效果更好，可能是酸性條件更有利于鎘的活化和遷移，使其在土壤中的溶解度增加，導致土壤的潛在毒性增大[18]。但周佚群等的研究表明，過磷酸鈣和磷酸二氫鉀的施用對土壤pH 值并沒有顯著影響，鎘有效性主要受速效磷含量的調(diào)控，施磷后土壤速效磷含量越高，鎘活性就越弱[19]。但需注意的是，磷肥自身在一定程度上即為鎘污染的來源之一，因此施磷量并非越多越好，用量過多時不僅會造成資源浪費和環(huán)境污染，還會加重鎘脅迫。

4 施磷對煙株吸收積累鎘的影響

磷對煙草鎘積累的研究不多，大多是對其他植物的研究，但由于這些植物都是以葉片為主要結(jié)構(gòu)的植物，一定程度上可作參考。目前，施磷對植物吸收積累鎘的影響結(jié)論也不一致。劉芳等研究表明，一定磷肥濃度下，施磷明顯降低煙草中的鎘含量；但由于鎘磷交互作用具有復雜性，隨著施磷量的增加，土壤鎘的有效性不僅沒有降低，反而促進了煙草對鎘的吸收積累[20]。何小林研究發(fā)現(xiàn)，缺磷處理可減少擬南芥的鎘積累，降低氧化損傷[21]；而帥祖蘋等對小白菜的研究則表明適量施用磷肥可抑制鎘在小白菜中的積累[22]。

增加土壤中的磷含量在一定程度上可促進煙株的生長發(fā)育，增加煙草根、莖、葉的生物量。在一定范圍內(nèi)，隨著施磷量的增加，煙草生物量也呈增加趨勢[23]。煙株生物量增加，鎘積累量也會隨之增加，但增加的是鎘總量而并非鎘濃度，因此生物量增加存在一定的稀釋效應，可降低鎘脅迫對煙株的損傷。

施磷還能提高煙株抗逆性。鎘主要通過氧化作用損傷影響煙草的正常生長發(fā)育，煙株自身抗性增強可在一定程度上緩解鎘毒害。與土壤類似，鎘積累量并不能代表煙株受損傷程度，因為并不是所有鎘都會對生長代謝產(chǎn)生影響，有效鎘含量才是研究人員關注的重點。例如，部分植物體內(nèi)鎘含量極高，但并沒有影響其正常生長發(fā)育和生理代謝。據(jù)王嵐等對白骨壤幼苗的研究，外源磷可促進鎘向植物液泡轉(zhuǎn)運，同時提升幼苗抗氧化能力[24]；楊志敏等研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下提高磷肥水平可減少小麥對鎘的積累，并將大部分鎘轉(zhuǎn)移至細胞壁[25]。以上研究表明，液泡和細胞壁固存是植物降低鎘生物有效性的重要途徑，但關于磷肥對煙草體內(nèi)鎘的轉(zhuǎn)運累積及生理毒性的影響還需進一步探索發(fā)現(xiàn)。

5 結(jié)語

自然環(huán)境是一個有機整體，絕對意義的單一污染是不存在的。鎘污染對植物的影響總是伴隨著其他不良因素，因此既要考慮問題的局部也要關注整體。磷肥和土壤-煙草體系之間的關系錯綜復雜，磷對鎘的影響與磷肥施用量、土壤狀況及重金屬鎘的含量等眾多因素密切相關，所產(chǎn)生的影響可能是直接的也可能是間接的。當前關于磷和土壤-煙草系統(tǒng)鎘關系的結(jié)論相對較少，其中緣由尚不能得到很好的解釋。

另外，磷肥自身就存在一定含量的鎘，磷肥的大量施用可能不利于煙株的生長發(fā)育和生理代謝。煙草的生長環(huán)境是動態(tài)變化的，因此在煙葉生產(chǎn)過程中要注意磷肥的施用情況，進一步探索不同施磷條件對土壤-煙草系統(tǒng)中鎘的調(diào)控機制，在保證效果的同時減少鎘對植株生長的副作用。