王爱国，戴华鑫，杨 欣，张仕祥，梁太波，张晓娟，张艳玲*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2.广东中烟工业有限责任公司，广州市海珠区赤岗路62 号 510000

3.河南省烟草公司平顶山市公司，河南省平顶山市建设路西段 467000

近年来大气污染物的环境效应已引起研究者和社会的广泛关注。随着我国工业化的快速发展，煤和石油等燃料的燃烧、建筑扬尘、汽车尾气等人类活动产生污染物的排放所导致的大气污染已对工业区和城市周围农作物的食用安全性产生了明显的影响［1-2］，包括重金属在内的大气污染物主要以干湿沉降的形式转移到土壤—植物系统中［3-6］，其中湿沉降对清除大气中的污染物并将大气污染物向植物—土壤系统中转移发挥了主要作用［7-9］。植物对于大气湿沉降中的养分元素和微量元素有截留作用，大气湿沉降甚至成为森林生态系统的重要养分来源［10-11］。有研究者对人工林内外雨水中的重金属进行分析，根据林内雨水和林外雨水中重金属含量的变化判断雨水对林木冠层重金属的影响。如文仕知等［10］分析了枫香人工林内外降水中重金属含量，发现枫香林内穿透的雨水中Fe、Zn 和Cd 等元素含量明显低于林外雨水中这些元素含量，说明枫香林冠层对于雨水中的Fe、Zn 和Cd 有明显的截留作用。然而对于一些粉尘较大的区域如矿区附近，降雨则对林木冠层重金属有一定的冲刷作用，可以降低林木冠层某些重金属含量。刘凯等［12］分析了栾树林内雨水中的重金属，发现林中穿透的雨水中Fe、Mn、Cu和Zn 等金属元素含量明显高于林外雨水，仅有Pb元素含量低于林外雨水。说明雨水可以冲刷栾树林树冠中的Fe、Mn、Cu 和Zn 等金属元素，同时雨水中的Pb 也会被树冠层截留。雨水pH 是大气湿沉降对植物重金属积累的重要影响因素，研究显示对于多数重金属，较低的雨水pH 更容易使植物吸收和积累重金属［13-14］。烟草叶面积大，且叶片布满绒毛和黏性分泌物，极易截留环境中的污染物。降雨一方面可对沉降于烟叶表面的大气污染物产生冲刷作用，可能会降低烟叶中包括重金属在内的污染物含量；另一方面雨水中也含有一定量的重金属，可能会增加烟叶对重金属的积累。然而目前有关降雨对烟叶重金属影响的研究甚少，降雨对于烟叶重金属会产生何种影响尚不清楚。豫中烟区是我国重要的浓香型烟叶产区，同时也是大气污染较为严重的地区之一，为此选取豫中烟区作为研究区域，探讨降雨对烟叶重金属含量的影响，旨在明确烟叶重金属来源以及为烟草种植布局调整提供依据。

1 材料与方法

1.1 “半叶法”烟叶清洗试验

试验于2017 年在豫中某植烟县进行，在上部烟叶采收前，选取13 块烟田，每块烟田随机采集8片新鲜上部烟叶，随即带回实验室进行处理。处理方法：将烟叶主脉去除，并沿主脉分为左右两个半叶，一半烟叶不处理，用烘箱（Memmert Beschicking-Loading Modell 100-800，德国美墨尔特公司）于105 ℃杀青20 min，60 ℃烘干，密封保存备用；另一半烟叶用去离子水清洗3 次后，用同样方法杀青、烘干。分别分析两个半片叶的重金属含量（质量分数）。

1.2 田间人工模拟降雨试验

试验于2016 年7—8 月在河南中部（豫中）植烟区进行。选择长势一致的植烟田块，根据该地区烟叶生长中后期降水实际情况，设置不同降雨量和不同降雨次数对烟叶重金属含量的影响试验，试验设计见表1。试验田块总面积为1.334 hm2，每处理设置3 次重复，试验中降雨量处理的降雨间隔时间为7 d，降雨次数试验中4×25 和2×50 处理间隔分别为7 和14 d。模拟降雨试验日期及试验期间当地降雨情况见图1。第1 次人工模拟降雨至最后1 次人工模拟降雨期间，发生8 次自然降雨，降雨量共计25.1 mm，见图1。模拟降雨采用地下水水源，地下水中Cr、Ni、As、Cd 和Pb 含量分别为2.09、0.17、0.44、0.03 和2.08 μg/L。在烟垄间铺设喷淋管道，地下水从管道中呈细粒状向上喷雾，降落于烟叶上，以模拟自然降雨。除人工模拟降雨处理外，其他田间管理按当地优质烟叶生产技术规范实施。于中部烟叶成熟时，采集新鲜中部烟叶样品，烘干粉碎后用于测定Cr、Ni、As、Cd 和Pb 含量（质量分数）。

图1 田间模拟降雨试验处理时间及试验期间自然降雨情况Fig.1 Dates of simulated rainfall experiments in fields and natural precipitation during field experiments

1.3 温室模拟降雨试验

试验于2017 年在河南农业大学试验基地进行，供试品种为云烟87。烟苗在苗盘上长至6 叶1心时，移栽入规格为直径10 cm、高15 cm 的盆钵中，以营养土和蛭石为基质继续培养30 d 后进行模拟降雨试验。设置3 个降雨量水平和2 个雨水pH 水平，在12 h 内模拟降雨量分别为0（对照）、5、20 和40 mm，雨水pH 分别为5.5 和6.5，共8 个处理。每处理设3 次重复，每2 盆为1 次重复。依据文献［15-20］的自然雨水重金属含量设置模拟雨水中Pb 含量为10 μg/L，Pb 以Pb（NO3）2加入去离子水中，使用HCl 溶液和NaOH 溶液分别调节pH至5.5 和6.5。

具体操作：将待处理的烟苗置于日光温室中，采用喷壶喷洒的方式进行不同雨水pH 和降雨量的模拟降雨试验。每5 d 处理1 次，共处理2 次，处理结束后第5 天收获烟株，依次用自来水和去离子水冲洗烟株，分别取茎和叶，取样后杀青，粉碎，用于测定样品Pb 含量。

1.4 烟叶重金属含量测定

烟叶样品烘干后，粉碎混匀，使用HNO3-H2O2体系微波消解［21］。雨水样品经浓缩后用HNO3-H2O2体系微波消解，使用电感耦合等离子体质谱分析法（ICP-MS 7900，美国安捷伦公司）测定烟叶样品和雨水中的Pb、Cd、As、Ni 和Cr 等含量［21-23］。

1.5 数据处理

使用MS Excel 2010 软件进行数据处理和作图，使用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析（ANOVA），Duncan’s 新复极差法进行差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 “半叶法”清洗对烟叶重金属含量的影响

“半叶法”清洗处理后未清洗和清洗的烟叶重金属含量见图2。从图中可以看出，用去离子水清洗田间采集的成熟期烟叶后，5 种重金属含量均有不同程度降低，平均降低幅度在6.67%～18.19%之间，其中As、Pb 和Ni 较未清洗烟叶显著降低；13块烟田As、Pb 和Ni 降低幅度分别在0.9%～46.5%、8.6%～37.7%和1.2%～25.6%之间，平均降幅分别为18.19%、16.67%和15.62%；清洗后烟叶Cr 和Cd 含量较未清洗烟叶降低幅度在1.0%～26.8%和4.6%～33.4%之间，平均降低12.20%和10.26%，但差异未达到显著水平。

图2 “半叶法”清洗处理后清洗和未清洗烟叶的重金属含量比较Fig.2 Comparison of heavy metal accumulation in tobacco leaves before and after washing with deionized water

2.2 大田人工模拟降雨对烟叶重金属含量的影响

田间人工模拟降雨试验总降雨量为100 mm时，降雨次数对于烟叶重金属含量的影响见图3。与未进行降雨处理的对照相比，4×25.0 降雨处理的烟叶中Cr、Ni 和As 含量降低比例分别为36.4%、28.8%、20.7%，2×50.0 降雨处理的烟叶中Cr、Ni 和As 含量降低比例分别为41.3%、19.0%、15.4%，人工降雨处理对烟叶Cd 和Pb 含量影响不大。总体来看，人工降雨处理对降低烟叶Cr、Ni和As 含量有一定作用，但人工降雨处理对降低烟叶Cr、Ni 和As 含量均没有达到显著水平。

相同降雨次数条件下，不同降雨量对烟叶中重金属含量的影响见图4。从图中可以发现随着降雨量的增加（12.5 mm 至50.0 mm），烟叶Cr 和Ni含量呈现降低趋势。4×12.5、4×25.0、4×50.0 的处理烟叶Cr 含量分别比对照降低22.4%、36.4%、29.5%，Ni 含量分别比对照降低18.1%、28.8%和21.8%，但差异没有达到显著水平。

降雨量对于烟叶As 和Pb 元素的影响表现出相似的规律，随着降雨量的增加，烟叶As 和Pb 含量呈现降低趋势。4×12.5、4×25.0、4×50.0 处理烟叶，As 含量分别较对照降低15.6%、20.7%、23.8%，Pb 含量分别比对照降低6.1%、10.1%和17.4%，降低幅度也没有达到显著水平。可见，降雨处理对烟叶Cd 含量无明显影响。

图3 降雨次数对于烟叶重金属含量的影响Fig.3 Effects of rainfall frequency on heavy metal accumulation in tobacco leaves

图4 降雨量对于烟叶重金属含量的影响Fig.4 Effects of precipitation on heavy metal accumulation in tobacco leaves

2.3 温室模拟降雨对烟草Pb 含量的影响

以10 μg/L Pb 人工雨水处理时，烟叶Pb 含量随降雨量的增加呈升高趋势（图5）。当雨水pH 为5.5 时，20 mm 和40 mm 降水量处理烟叶Pb 含量显著高于对照和5 mm 降雨量处理。当人工雨水pH为6.5 时，40 mm 降水量处理的烟叶Pb 含量显著高于对照（p＜0.05）。

从图5 中还可以看出，5 mm 降水量时的两种pH 处理烟叶Pb 含量差异不大，但20 mm 和40 mm降水量处理时，pH5.5 处理烟叶Pb 含量高于pH6.5的处理，烟叶铅含量分别为后者的1.74 和1.30 倍，其中20 mm 降水量处理下不同pH 处理间的差异达到极显著水平（p＜0.01）。

烟茎中也表现出相似的结果（图6），在Pb 人工降雨处理条件下，随着降雨量的增加，烟茎Pb含量呈逐渐增加的趋势，在40 mm 降水量处理的烟茎Pb 含量达到峰值，pH5.5 和pH6.5 降水量处理条件下烟叶铅含量分别为对照的1.39 倍和2.06倍。同等降雨量条件下，pH5.5 的降水量处理烟茎Pb 含量均高于pH6.5 的降雨量处理；降水pH5.5 条件下，5 mm、20 mm 和40 mm 降雨量处理烟茎Pb含量分别为雨水pH6.5 的1.14、1.37 和1.48 倍，其中40 mm 降雨量处理时，不同pH 间差异达到极显著水平（p＜0.01）。可见，雨水pH 较低时有利于烟茎中Pb 的积累。

图5 不同pH 条件下降雨量对烟叶Pb 含量的影响Fig.5 Effects of precipitation on Pb accumulation in tobacco leaves at different pH values of rainwater

图6 不同pH 条件下降雨量对烟茎Pb 含量的影响Fig.6 Effects of precipitation on Pb accumulation in tobacco stalks at different pH values of rainwater

3 讨论

本试验结果表明，去离子水清洗后，5 种重金属均有不同程度降低，其中As、Pb 和Ni 较对照显著降低，与程柯等［24］对天津市东丽区某蔬菜基地的油菜、葱、空心菜和生菜4 种蔬菜的研究结果基本一致。该研究中使用去离子水清洗后发现，4 种蔬菜As、Pb、Cr 和Cd 分别降低了24.5%～84.0%、55.6%～97.5%、73.6%～98.1%和6.8%～38.2%，而本研究中烟叶经过清洗后As、Pb 和Ni 较对照分别降低18.19%、16.67%和15.62%，降低幅度明显低于天津东丽区蔬菜上的研究结果［24］。这可能与研究区域不同有关，该研究的研究区域位于城郊，大气污染较重，而本研究的区域位于一般农区，大气污染情况相对较轻。其次该研究主要关注的是较为低矮、距离地面较近的叶菜类蔬菜，这类蔬菜叶片重金属容易受到地面扬尘的影响，而本研究中烤烟植株较为高大，中部叶片受地面扬尘的影响较小。

田间人工模拟降雨试验中，相同降雨次数不同降雨量处理时，烟叶Cr、Ni、As 和Pb 含量也随着降雨量的增加呈现逐步降低的趋势，烟叶Cd含量随着降雨量的增加没有表现出下降的趋势，甚至小幅升高，可能与烟叶Cd 主要来源于土壤有关［25-26］，随着降雨量的增加，土壤水分条件改善，烟草水分蒸腾增加［27］，有研究报道植物镉吸收与水分蒸腾成正相关关系［28］，因而降雨量的增加反而可能会增加烟叶Cd 含量。

田间试验中降雨有降低烟叶Cr、Ni、As 和Pb含量的趋势，而温室试验中随着降雨量增加烟叶铅含量则显著升高，这主要由于两个试验模拟降雨中的重金属含量不同所致。田间试验中地下水作为模拟雨水，而地下水中Cr、Ni、As、Cd、Pb 含量分别为2.09、0.17、0.44、0.03 和2.08 μg/L，而同期当地雨水中上述5 种元素含量分别为2.58、0.58、2.16、0.20 和7.45 μg/L，可见模拟降雨所用雨水重金属含量低于当地雨水，也低于北方地区的雨水中重金属含量［15-17］。因此田间试验中模拟降雨对烟叶主要起冲洗作用。而温室试验中模拟降雨的雨水Pb 含量参考了国内多个地区自然降雨中Pb含量后设置为10.0 μg/L［15-20］，约为田间试验中模拟降雨雨水中Pb 含量的5 倍，因此温室试验中模拟降雨的雨水成为烟叶中Pb 的来源之一。

本研究中通过田间和温室模拟降雨试验，初步研究了降雨量、降雨次数及雨水pH 对烟叶重金属的影响，然而降雨对于烟叶重金属的影响还受大气干沉降、雨水化学成分等多种因素影响，因此降雨对烟叶重金属的影响还需要进一步的深入研究。

4 结论

大田和温室人工模拟降雨试验表明：①去离子水清洗大田采集的成熟期烟叶，可不同程度地降低烟叶As、Pb 和Ni 含量，降低幅度从大到小依次为As ＞Pb ＞Ni。②降雨雨水pH 和重金属含量以及降雨量均影响烟叶重金属含量。③使用重金属含量较低的地下水进行田间模拟降雨，相同降雨量时，不同降雨次数对烟叶重金属含量影响不大；相同降雨次数时，烟叶Cr、Ni、As 和Pb 含量随降雨量增加呈现降低的趋势。④温室模拟降雨试验中，使用接近自然降雨Pb 含量的模拟雨水处理时，降雨处理可增加烟叶Pb 含量，且随降雨量的增加烟叶Pb 含量也呈现增加趋势；较低雨水pH处理时，烟叶Pb 含量提高。