陈 征， 宋鹏飞， 朱金峰， 黄五星， 许自成*， 马一琼

1.河南农业大学烟草学院，郑州 450002;

2.红塔烟草(集团)有限责任公司，云南玉溪 653100;

3.河南省烟草公司漯河市公司，河南漯河 462000

镉(Cd)是一种对人体非必需且毒性较大的重金属元素，由于其对人体和环境具有较大的毒害性，一直备受人们的关注，是美国环境保护局重点监控的金属元素之一，并作为烟草有害成分列入 Hoffmann 名单中［1］。研究表明［2，3］，镉进入人体后主要分布在肝脏和肾脏，镉在人体内的半衰期长达10～30年之久，当人体内的镉含量积累至一定程度时会引发多种疾病，对免疫系统、神经系统、心血管系统和生殖系统均有极大危害性，甚至导致基因错乱和癌变［3］。近年来，各种重金属向环境中的排放态势逐年加剧，其中有关镉污染的问题受到了社会各界人士的重视。

烟草是我国最重要的经济作物，也是富镉作物，吸烟已成为镉进入人体的主要途径之一。我国在《食品中污染物限量标准》［4］中明确规定了各类食品的镉限量值，但有关烟草制品却未涉及。另外，镉元素的沸点相对于其他金属元素较低，在抽吸卷烟的过程中，镉在烟气中的迁移率则相应较高。Malgorzata等［5］检测到有33%的镉元素在卷烟燃烧时进入烟气，且烟气镉含量与卷烟中镉的总量呈显著正相关，而其他重金属在烟气中的迁移率相对较低，如铅的转移率只有11%，吸烟导致人体内镉积累量明显高于卷烟中其他重金属元素。对国内多种品牌卷烟主流烟气的微量元素含量进行测定，结果显示，镉元素的平均转移率达10%，而铜、镍、砷等其他元素还不足1%［6］。基于此，有关烟草镉的富集规律及防控措施研究逐渐成为国内外的研究热点，并受到烟草企业和相关部门高度重视。本文就近年来有关烟草镉研究所取得的成果进行了综述，以期为烟草控镉提供参考。

1 烟草中重金属镉的含量

重金属对烟草的影响主要取决于其浓度和种类，低浓度镉对烟草并无损害作用，反而有刺激其生长发育的效果，较高浓度的镉则不利于其发育过程，损害烟叶的品质和安全性。

1.1 烟草中镉的来源

烟草中镉的来源可归纳为2类:一是由根部吸收土壤中的镉进入烟株体内，二是由烟叶表面吸入大气沉降的部分镉。一般认为，烟叶中的镉含量主要来自于植烟土壤，烟叶中镉含量与土壤中镉含量及其有效态含量的正相关系数达到极显著水平，一旦植烟土壤受到镉污染，烟叶中镉含量明显增加［7］。随着研究的深入，大气环境中的镉也引起了部分学者的关注，Stephens和 Miele等［8，9］认为烟叶中的镉主要来自于大气环境的沉降，夏季降雨可能还对大气和中上部叶中的镉有冲洗作用。尽管前人研究结论不完全一致，但这些结论均表明，大气沉降也是影响烟叶中镉积累的重要因子。

1.2 不同烟草品种间镉含量的差异

前人研究发现，对于镉的吸收多数作物在品种间存在着一定差异，但涉及烟草此方面的研究尚未得到完全统一的结论。例如Delpano［10］比较了不同品种烟草的镉含量，认为烟叶镉含量在品种间存在显著差异，但Miele等［9］却认为大多情况下烟叶镉含量在不同品种间的差异并不明显。国内学者张艳玲［11］选用了我国主推烤烟品种中的K326、云烟87、云烟85和中烟100进行比较发现，这些品种对烟叶中镉含量的影响表现一致，处理之间无显著差异。但石杰等［12］的品种比较试验结果却显示，云烟87中的烟叶镉含量明显低于K326。基于此，镉在不同烟草品种间的含量差异尚缺乏权威认证，有待深入研究。

1.3 不同烟草类型间镉含量的差异

镉含量在不同类型烟草间也存在一定程度的差异。如Tsotsolis等［13］将香料烟和烤烟两种烟草类型进行比较，发现香料烟对镉的富集量比烤烟低。同时，白肋烟与烤烟对于镉的吸收也存在差异，石杰等［12］对我国五大烟区烟叶重金属含量进行检测得知，同一地区中白肋烟的镉含量均明显高于烤烟。另外，不同烟草类型对镉的吸收在不同生长时期也表现出差异。张仕祥等［14］采用盆栽试验研究了烤烟和白肋烟的镉含量差异，发现未施加外源镉时，从团棵期至初花期白肋烟与烤烟中的镉含量均持续降低，而到盛花期又升高;施加外源镉后，相比于烤烟，白肋烟中镉含量变化更为复杂，先是从团棵期到旺长后期持续升高，而后至初花期镉含量反而下降，烟株初花期到盛花期间含量又升高，镉含量的变化呈现出波浪状的变化趋势。

1.4 不同地域环境间镉含量的差异

烟叶镉含量在不同地域环境间也表现出明显差异。有研究报道［11，15］，在我国不同产区间，烟叶镉含量的差异最高可达10倍以上，如烟叶含镉量在个别烟区接近5 mg/kg，但另一些烟区烟叶镉含量还不足0.5 mg/kg;并且我国南方烟叶镉含量及其变异幅度明显高于北方，这可能是由于南方酸性土壤环境使得烟株可吸收的有效态镉含量较多，说明不同产区之间烤烟镉含量存在显著差异，地域环境是影响烟叶重金属含量的重要因素。同时，这种镉含量地域差异还存在于更大范围内，不同产烟国家的烟叶镉含量也存在较大差异。

2 烟草镉的富集及其影响因素

2.1 烟草对镉的吸收转运

烟草对镉元素的吸收能力十分突出，以烤烟为例，烤烟对镉的富集系数可达到5～10，这远远高于其他重金属元素。虽然烟草镉的富集机理仍在研究中，但现有成果证实［16］，根系是影响烟株对镉吸收与转运的首要因素，其中根际反应就明显影响了烟株对于镉元素的吸收。据Mench等［17］报道，水培条件下烟草根系分泌物可以显著提高镉元素在土壤中的溶解性，从而促进烟株对镉的吸收富集。土壤中的镉由根部进入烟株后，有一部分被储存在根部，另一部分镉被转运至茎、叶等部位。进入根毛表皮后的镉元素先由共质体或质外体运输进行木质部装载，随后由木质部转运至地上部各个器官，镉在木质部中的转运十分迅速，将黄花烟草置于40 μmol/L镉溶液中培养，3 h后便可测定到烟叶镉含量显著增加［18，19］。

2.2 镉在烟株体内的累积分布

国内外烟草学者对重金属镉在烟株中的分布特征做了大量研究工作。不同烟草类型对镉的积累分布存在明显差异，普通烟草的镉主要储存在叶片和根部，而黄花烟所吸收的镉主要被储存在根系，这可能是其特殊的根系形态所决定的［20］。根系所吸收的镉向烟株地上部的转移能力很强，由此造成了镉元素在不同器官中的分布存在差异，前人关于镉元素在烟株各器官中的分配情况存在着不同说法，一般认同叶＞茎＞根这一分布趋势，但有说法与该观点相悖，认为镉在各器官中的累积表现应为叶或茎＞根＞种子［21］。基于此，当烟株遭受重金属镉污染时，各个器官表现的受污程度是存在差异的，叶部比其他器官表现出更强的耐镉能力。

一般认为，镉在烟株不同叶位间的分布表现为下部叶＞中、上部叶。黄鹂等［22］采用盆栽对添加外源镉和对照2个处理进行比较，发现下部叶镉含量分别比上部和中部叶高出13%和10%，当向土壤中施加6 mg/kg镉后，检测出下部叶镉含量分别比上部和中部叶高出129%和130%。吴玉萍等［21］也有相似的报道，镉在各叶位间的累积量表现出下部叶＞中部叶＞上部叶的明显差异，且处理间的差异均达到极显著水平。

镉元素在叶片中的富集也存在一定程度差异。据报道，镉在普通烟草叶片中下部与中上部均有一定的富集效应，但其在叶片其他部分几乎呈现均匀分布;同时叶脉和叶片中的镉含量也有一定差异，据检测，叶脉中的镉含量低于叶片，且侧脉中的镉含量低于主脉［16］。在大田环境下的试验也得出了同样的结论，未添加外源镉时，烤烟叶片和叶脉中镉含量起初分别稳定在3.18 mg/kg和2.24 mg/kg的水平，而在施入富镉污泥后，叶片和叶脉中镉含量则分别升至 67.4 mg/kg和36.3 mg/kg［23］。

2.3 影响烟草镉富集的主要因素

2.3.1 土壤因素 土壤因素对烟叶中镉的积累有着明显影响，烟叶镉含量在不同土壤环境间存在显著差异，这是由土壤性质差异所造成的。土壤理化性质可显著影响烟叶对镉的吸收积累，是影响烟株对镉富集的首要因素［24］。研究认为，不同pH的土壤中烟叶镉含量存在显著差异，烟叶镉含量与土壤pH呈高度负相关，提高土壤pH可有效抑制烟草对镉的吸收［25］。腐殖酸可以降低土壤pH，据报道，向受镉污染的土壤中施加外源腐殖酸后，土壤中有效态镉含量虽未增加，但烟叶中镉含量从 30 mg/kg 升至 39 mg/kg［26］。

除土壤pH外，烟草对镉的富集还受土壤粘粒和有机质含量的影响［27］。黄爽［28］选取了我国4种典型土壤(潮土、黑土、内蒙土和红壤)为试验样本，分析了土壤粘粒质量分数、有机质等理化性质对烟叶中镉含量的影响，结果表明，土壤有机质含量对烟草镉富集有显著负作用，而土壤粘粒对镉的吸附作用还受粘粒矿物类型的影响。尚志强等［29］通过比较不同土壤类型对烟草镉含量的影响发现，未添加外源镉时，根部镉含量差异表现为红壤土＞水稻土＞紫色土，而烟茎中则为紫色土＞水稻土＞红壤土;进行施镉处理后，发现烟株镉含量表现为水稻土＞紫色土＞红壤土。

2.3.2 施肥因素 国内外研究均表明，人工施肥可显著影响烟草对重金属的吸收和积累，其中有关施加磷肥对烟叶镉含量影响的报道最多。最早的研究认为，施磷肥和不施磷肥2个处理对烟叶镉含量影响并无显著差异。但Semu等［30］采用小区试验研究了不同用量磷肥对烟株镉含量的影响，发现高磷处理烟叶镉积累量明显高于低磷处理烟叶，处理间差异达到显著水平。Miele等［31］认为，若磷肥施入量控制在160 kg/hm2内，对烟叶镉含量影响甚微。随着土壤中施磷量的增加，烟草中的镉含量呈先降后升的趋势［32］，这说明高浓度磷肥的施入量与烟叶镉含量呈现正相关关系。尽管前人结论不完全一致，但初步明确磷肥影响烟草镉吸收不仅与磷肥中存在较多镉有关，还可能与土壤中磷镉间的交互作用相关。

除磷肥外，其他肥料也会对烟叶镉积累产生较大影响。据张晓海［33］报道，施氮肥与烟叶镉含量增加存在正相关关系，随着施氮量的增加，烟叶中的镉含量显著升高。陈朝阳等［34］发现向大田土壤中施入鸡粪有机肥能够对烟草镉的富集产生抑制作用。有关施肥产生的降镉效应有很多报道，通过施用钙肥和锌肥以及硅肥均可有效抑制烟草对镉的吸收，进而降低烟叶的镉含量［35］。其施肥降镉机理可能是由于这些肥料增强了土壤对镉的固定效果。

2.3.3 其他因素 除上述两因素外，影响烟草吸收镉的因素还有气候因素和土壤重金属间的相互作用等。张艳玲［11］对不同省份烟叶样品分析发现，烟叶中镉含量在不同年份间存在较大差异，并且这种变化与环境变化一致，这说明气候因素也是影响烟草镉富集的一大因素。另外，锌、铁、钙、铅等金属元素均能影响烟草对镉的吸收，且不同元素对其影响表现不一。以锌元素为例，随着施入锌浓度的提高，烟叶中的镉含量明显上升，这说明锌和镉之间表现出一种协同效应［36］。但有些金属离子与镉共存时却表现出拮抗效应，Choit等［37］将烟草幼苗置于配比浓度为0.2 mmol/L的含镉营养液中进行处理，烟苗受到胁迫后生长被抑制，而添加外源氯化钙后明显缓解了该症状，进一步研究发现，这可能是由于钙形成碳酸钙晶体将镉包埋在其中，而后由腺毛排出体外。

3 烟草镉的防控措施

烟草中的镉大多来源于烟叶生产过程，采用工艺加工方式难以有效去除，鉴于此，运用农业手段降低烟叶镉含量已成为烟草减害研究的热点［38，39］。三十多年来，国内外大批学者针对此方向进行了大量研究，对烟草控镉方法进行了探索挖掘，集成和推广了一些富有成效的烟草降镉技术。

3.1 控制污染源

从源头控制烟草镉污染，主要是加大对烟草专用肥、有机肥等常用肥料的重金属含量监测力度，合理控制农药施用量，为降低烟叶镉残留奠定基础。磷肥和天然硫酸钾镁肥中的镉含量相对较高，施用后会导致土壤中的镉含量升高，其中磷肥对镉含量增加的贡献率可达50%以上［32］。所以，有必要加强对烟草肥料中重金属含量的监管。除土壤外，大气环境沉降也是镉的主要来源之一。但目前烟田中大气镉沉降数据缺乏，据预测烟田大气镉沉降值低于农田，可能是由于烟田多在空气质量较好的丘陵地区。据Stephens报道［40］，即使在低沉降情况下，烟田镉输入的重要途径仍是大气沉降(67.8%)和施肥(23%)。因此，低镉沉降对于降低土壤烟草系统镉积累的作用不容忽视。

3.2 调整农艺措施

合理的农艺措施(如地膜覆盖、打顶、套种等)也可有效降低烟草镉含量。陈庆园［41，42］认为初花打顶可明显降低中下部烟叶的镉含量;地膜覆盖会抑制烟株对镉的吸收，相比于对照，覆膜栽培明显降低了上部叶的镉含量;同时发现镉含量在腋芽中积累较多，可采用调控腋芽量来减少镉的积累量。燕傲蕾等［43］在受镉污染土地上套种对镉耐性较强的植物(如马齿苋、含羞草等)，结果有效降低了烟叶的镉含量，并获得了较高的经济效益。另外，生产实践表明，通过采取调节灌水量和深耕土壤等措施，可以改善土壤理化性质并调控土壤环境介质，进而达到降低烟叶镉含量的目的。

3.3 施用土壤改良剂

施用改良剂是修复土壤镉污染和降低烟叶镉含量的有效措施，它通过离子交换、吸附、表面络合和沉淀作用来降低土壤中的有效态镉含量，减少烟株对镉的积累。现阶段，控镉土壤改良剂可大致分为2种，一种是碱性物质，土壤pH与有效态镉含量呈负相关，提高pH可以降低土壤中有效态镉含量。有文献报道，土壤施用石灰后pH升高 0.8，相比于对照烟叶镉含量下降 35%［44］。但有研究表明，提高土壤pH降镉的方法并不十分可靠。如King［45］向6种不同程度镉污染的土壤中添加石灰发现，pH虽均有所升高，但仅有3个处理的烟叶镉含量下降，其他处理的烟叶镉含量并未明显变化。值得注意的是，土壤中添加碱性物质有时可能会降低其他必需微量元素的有效性，反而有损烟株的生长发育。另一种土壤改良剂可归类为一些能与镉专性结合的物质，能够有效降低镉的生物有效性，从而减少土壤中镉的可利用态含量。胡钟胜等［46］研究了施加高岭石、凹凸棒土等物质对土壤中镉元素的影响，结果证明，土壤中有效态镉含量显著下降，显然这类物质减少了烟株对镉的富集。另外，向受镉污染土壤中添加钢渣或锰氧化物也可明显降低烟草镉含量，下降幅度最高可达60%［47］。尽管以上研究均证实，施用改良剂确可修复土壤并降低烟叶镉含量，但此类试验多在室内盆栽条件下开展，涉及大田的报道还较少，而且对改良剂稳定性以及其负作用还缺乏充分了解。因此，利用土壤改良剂抑制烟草镉富集的有效性和实用性还有待进一步验证。

3.4 镉消减新技术

3.4.1 分子生物学技术 有学者早在20世纪80年代就认识到植物螯合肽(PCs)是植物唯一的解毒物质，但限于当时的技术和认知水平，并未发现金属硫蛋白(MTs)也是植物体内重要的解毒物质。Cobbett［48］在金属硫蛋白分类综述中未发现烟草具有第二类MTs。推测烟草根细胞可能缺乏镉-MTs转运蛋白，金属硫蛋白基因导入烟草根细胞中，可增强根部镉固定，降低烟叶镉含量［49］。Koren-kov将拟南芥和黄花烟草控制CAX合成的基因转移到普通烟草中均降低了烟叶的镉含量［50，51］。Hayes等［52］介绍了一种降低 HMA 家族转运蛋白的表达水平从而阻碍镉向烟叶转移的转基因烟草获得方法。以上成果均表明，转基因技术在烟草控镉领域有着广阔的应用前景，还有待深入研究。

3.4.2 化学调控技术 植物地上部镉含量与叶片蒸腾速率呈现正相关关系［53］。Uraguchi等［54］发现添加脱落酸培养液水稻幼苗蒸腾速率降低了近70%，镉含量减少到原来的 20%。研究认为［55，56］，脱落酸降低植物镉含量可能原因有:气孔特性改变，蒸腾作用降低;胼胝质形成阻碍木质部镉转运。脱落酸是一种逆境激素，作为蒸腾抑制剂使用可能会影响植物的生理代谢，其他与脱落酸作用机制类似的蒸腾抑制剂，也能降低植物镉吸收，但至今报道较少。无论如何，使用化学调控手段来降低烟叶镉含量不失为一项新思路，将其应用到烟草降镉领域将大有可为。

4 展望

鉴于社会禁烟呼声的高涨以及人们对健康的日益关注，烟叶安全性愈发受到广大研究者的重视，并成为评价烟叶品质的重要指标。本文回顾了前人对烟草镉富集规律的研究成果，阐述了控制烟草镉含量的几点措施，大体明确了烟草降镉方向的研究主线。然而，由于我国相关研究起步较晚，现有成果对于控制国内卷烟中的镉含量仍显不足，本文针对烟草行业今后降镉工作方向提出以下策略:

①加快制订烟叶重金属含量安全标准以及无公害烟叶生产技术规程，确定烟草镉标准体系，如烟叶镉限量标准、烟草镉含量分级及控制基准、植烟土壤镉控制基准、低镉烟草生产技术标准，严格按照规程对基层生产环节进行管理，控制农业和工业污染源，通过这些顶层设计来指导烟叶安全生产。

②烟叶镉含量的控制关键在于农业，对烟田作业要进行严格管理，城市垃圾及工业废弃物未经处理严禁排入烟田，禁止使用污水灌溉烟田，减少农药、化肥盲目大量的施用;改变传统的施肥措施，根据烟田土壤肥力丰缺状况进行测土配方科学施肥，增施有机肥，从而提高土壤胶体对镉的吸附能力，最终达到在烟田这个“第一生产车间”中切断镉污染源的效果。

③对受镉污染的烟田要进行有效修复和科学改良。要有针对性地推广使用土壤改良剂来修复受污染土壤，引导烟农在烟田上选种一些对镉高效富集的作物(遏蓝菜、莴苣等)来减少烟草对镉的吸收量。另外，决策者要对烟田种植区划进行合理布局，坚决规避镉含量较高的环境，积极在低镉地区开发烟叶生产基地，从而保障烟叶原料的安全性。

④以往烟草镉的研究大多集中在宏观层面上，透过分子生物学等微观视野来研究烟草镉的富集及防控措施还较少，且现有降镉成果转化率较低，难以大范围推广。研究者应继续创新烟草降镉理论及技术，果断运用生物技术等新手段来提高烟草对镉的抗性，减少烟草对镉的富集，抢占新兴技术制高点。

⑤重金属镉可通过土壤、大气、灌溉以及农药和化肥等多种途径进入烟株体内，仅凭单一措施难以有效控制烟草镉含量。应积极利用各种防治手段来应对烟叶生产中的镉污染，集成一套烟草镉的综合防治体系;尽快建立烟草镉污染的风险检测和预报信息平台，以便为行业控镉工作提供信息指导。

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