赵国强，盛晓磊

(1.陕西地建土地综合开发有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

1 引言

烟草是我国重要的经济作物，现有种植面积146.1万hm2。近年来，随着工业化和城市化快速发展，我国土壤环境安全问题日益严重。大气沉降、污灌、污泥农用等因素使镉污染土壤面积不断增加，根据我国现行的《土壤环境质量标准》统计，目前我国镉污染的土壤面积已达20万km2，占总耕地面积的1/6。镉是生物非必需的、毒性较强的重金属元素，在环境中移动性大，容易通过食物链的富集作用危及人类健康。国内外通过饮食途径摄入镉对人体造成危害的研究较多，在国家《食品中污染物限量标准》中明确规定各类食品镉限量指标来提高食品安全性、保护人体健康，但标准中并未涉及烟草产品。烟草是镉富集植物，吸收的镉主要积累于叶片中，张艳玲等[1]对全国各烟区烟叶重金属调查发现烟叶镉平均含量为2.95 mg/kg，最大值达19.35 mg/kg。由于镉的燃烧点低于其他重金属元素[2]，在吸烟时镉向侧流烟气及烟气粒相的转移率最高，分别为79.77%、3.17%[3]，因此吸烟成为人体摄入镉的又一重要途径。有研究报道一个具有20年烟龄的吸烟者通过吸烟摄取镉总量达61.2 mg，占饮食摄取的近40%[4]；每天吸40支香烟所吸收的镉相当于饮食摄取的2倍[5]。镉的生物半衰期为13.6～23.5 年[6]，在体内长期积累可引起人体器官不良效应甚至引发癌变。因此，随着人们健康意识的不断提高，降低烟草镉含量逐渐成为烟草和健康等领域关注的焦点。

2 烟草镉有效性控制技术

2.1 土壤原位钝化技术

原位钝化即向土壤中添加钝化剂改变镉在土壤中的存在形态，降低镉的生物有效性，进而减少烟草镉吸收。根据其化学性质可分为无机钝化剂和有机钝化剂两类。

2.1.1 无机钝化剂

粘土矿物类。粘土矿物具有比表面积大，吸附性、离子交换性强等特征，当污染物进入土壤后，可以吸附固定带有相反电荷的离子和络合物，使污染物的活性和扩散性大大减弱，从而抑制了污染物进入土壤—植物系统。胡钟胜等[7]发现凹凸棒石可减少烟草各部位镉含量，增加烟草生物量，提高产量。海泡石、膨润土、蒙脱石等粘土矿物在土壤重金属镉污染修复中也有类似报道。我国粘土资源丰富，能够为治理土壤重金属污染提供丰富的粘土矿物材料，但从资源的角度分析是不利的，因此无害化处理的工业副产品(赤泥、飞灰、磷石膏和粉煤灰等)是比较理想的土壤原位钝化剂[8]。赤泥作为分布较广的工业副产品，它对镉等重金属具有很高的吸附容量，吸附固定的镉在其表面发生化学反应，显著降低重金属的可交换态含量、迁移性和生物毒性[17]；丁琼等[9]向镉污染的石灰性土壤中加入赤泥后，显著降低了豇豆对镉的吸收。郝双龙等[10]发现粉煤灰用量是土重8%时，粉煤灰对镉污染土壤修复效果最好，土壤镉由交换态向碳酸态和铁锰氧化态转化，其浸提量较对照降低了71.61 %。

纳米材料。随着环境科学和材料科学的快速发展，纳米材料因具有巨大的比表面积和微界面特征，成为污染环境修复中中的新热点。通过向污染土壤加入纳米颗粒可提高吸附污染重金属离子能力，降低土壤中重金属生物有效性。钱翌等[11]向镉污染土壤加入5 %的纳米羟基磷灰石，有效态镉的含量降低了49 %。王萌[12]研究发现4种不同纳米修复材料(羟基磷灰石、赤泥、Fe3O4、胡敏酸-Fe3O4)可显著增加胡萝卜植株生物量，降低植株Cd含量，且施用浓度越大植株Cd浓度降低越显著。但纳米材料制作工艺复杂、成本较高，目前多用于室内探索阶段。另外由于纳米材料具有尺度超小、易扩散等特性可能会对环境造成二次污染进而危害人体健康，工程实践应用中需科学论证[13]。

2.1.2 有机钝化剂

有机物料因具有特殊的功能团可以吸附、络合土壤中交换态镉，促使其向有机结合态、铁锰氧化态转化，进而降低了土壤镉的有效性。Tejada[14]发现施用有机废弃物可增加镉吸附能力并提高土壤生物学指标。Mulligan等[15]向镉镍污染的砂土中加入鼠李糖脂表面活性剂后镉吸附效率是清水处理的4倍，达73.2%。施加富含巯基的植物残体钝化剂如油菜秸秆和大蒜秸秆等较富含纤维素的禾本科秸秆，显著降低了土壤镉有效性，秸秆巯基化处理在控制成本条件下可以用于镉污染的原位钝化修复。秸秆富含有机官能团，能够与重金属形成具有一定稳定程度的金属有机络合物，从而降低重金属污染物的生物可利用性以及植物的吸收，另外油菜秸秆含有丰富的巯基化合物，可与镉发生螯合作用，降低可交换态镉的含量[16]。

2.1.3 有机无机联合钝化

目前，利用工农业废弃物作为钝化剂来进行土壤污染的钝化修复研究报道增多，同时，在单独施用发挥其钝化效果基础上，尝试有机无机钝化剂联合再辅以锌肥处理将会获得更为理想的控制效果。重金属污染土壤中添加钝化剂可显著降低重金属对镉污染烟草的毒害作用，提高产量，赤泥、油菜秸秆、玉米秸秆及其组合并配施硫酸锌可使烟叶增产7.0%～32.1%，经济效益提高6.6%～31.3%，且以赤泥油菜秆复合钝化剂配施锌肥效果最佳[25]。锌作为一种与镉有着相似地球化学行为的元素，在土壤-植物系统中互作机制研究报道表明施锌可以抑制植物对镉的吸收，锌肥与土壤改良剂配合使用降低植物镉吸收效果更显著。镉锌拮抗机制可能与Cd和Zn在根部具有共同吸收转运蛋白ZIP和HMA4有关，锌浓度增加抑制了镉的吸收和转运。

2.2 蒸腾抑制剂控制技术

目前蒸腾抑制剂主要用于抗旱节水农业，蒸腾抑制剂施用可以调节气孔运动，降低植物水分蒸散，提高水分利用效率[18，19]。植物根部从土壤中吸收镉，在蒸腾拉力作用下，通过木质部导管以集流形式运输到地上部各器官[20]。进入木质部的Cd可以通过自由离子态、无机络合态(CdClx)及低分子有机酸络合态(如柠檬酸络合态等)进行运输的。Vogeli-Lange等[21]发现黄花烟暴露在40 μM镉溶液中培养3 h后在烟叶中检测到镉。孙仲秧等[22]通过加入脱落酸水培水稻，地上部的镉含量和镉毒害较对照明显降低。钱海胜等[23]发现外源脱落酸处理显著增加不结球白菜根系镉含量，降低镉向地上部转运，而且不结球白菜地上部镉含量占总镉含量百分比与叶片蒸腾速率呈显著正相关。具有拮抗作用的锌，除在根吸收竞争吸收位点外，还可以竞争镉木质部运输载体减少向地上部迁移[24]。烟草叶面积大，蒸腾作用强，因此外源喷施蒸腾抑制剂降低蒸腾作用，减少镉向地上部迁移可能是控制烟草镉有效性的又一途径。但蒸腾抑制剂是逆境激素，使用不当会影响植物生理代谢，影响烟草产量和品质。

3 烟草镉毒害控制技术

植物吸收积累镉达到一定限度后，会产生毒害作用。植物镉毒害主要变现在抑制生长，降低光合特性，抑制酶活性，干扰矿质离子吸收,降低品质。王树会等研究发现低浓度镉(1～8 mg/L)虽对发芽影响较小，但降低了种子活力，高浓度明显抑制种子发芽。在烟草镉急性毒性试验中烟草根伸长量随着镉浓度升高受到明显抑制。高家合等研究发现镉会抑制烟株生长和水分吸收，且抑制强度虽镉浓度升高而加强。结合叶片超微结构进一步发现镉浓度升高降低叶绿素含量，破坏叶绿体结构。目前，研究重金属毒害多采用根伸长试验，其具有简单、快速、易表现、可量化等优点。王学东等和李波等利用大麦根伸长试验分别构建了关于铜和镍毒害的预测模型—生物配体模型，充分考虑重金属离子存在状态和环境介质(K+,Na+,Mg2+,Ca2+,pH值)对生物毒害影响。锌与镉在根部存在相同的结合位点，锌浓度增加能够降低镉毒性；烟草镉含量与pH 值负相关，镉含量增加可产生毒害，因此pH值影响烟草镉毒害。雷丽萍等水培溶液pH值从4.52增加到8.1时，烟草根伸长的EC50增加了6.73 倍。根据生物配体模型理论pH值降低镉毒害存在两种机制：一改变镉在溶液中的存在形态；二氢离子竞争镉在根部的吸收位点。

4 展望及建议

烟草作为国内主要的经济作物，其产量与人民的生活息息相关，而通过烟草进入人体的镉污染严重影响着人类的健康。环境中镉元素通过土壤污染转移进入烟草，进而通过烟叶进入人体，在人体内富集进而影响人类健康。通过物理、化学手段等技术控制镉元素的污染迁移，将镉污染元素吸附、固持在原有的土壤中，禁止其转移、吸收。通过探讨和研究其转移的过程和机理，减少镉污染元素的迁移转化，为人类的健康幸福生活提供绿色途径。尽管众多科技工作者已从多方位多角度的研究来控制烟草中重金属的含量，避免对人体造成的威胁和伤害，但还是希望从以下几个方面作出努力。

4.1 建立健全的烟草环境保护和监测体系

通过检测检测体系，避开重金属污染区，特别是禁止在重金属重度污染区域种植烟草，将烟草种植于无污染的区域，并设立长效监测体系，合理划分种植区域。

4.2 育种能力培养，改良烟草品种

通过遗传育种、转基因育种、生物技术等，培育并筛选不利于重金属富集的烟草植株，从而减少或杜绝烟草对土壤重金属的吸收。

4.3 科学制定施肥方案

不合理的以及不合格的肥料除了自身将重金属污染物带入土壤外，有可能将土壤原有的固结到土壤颗粒中的重金属污染物激活从而造成烟草植株的吸收。通过科学合理的施肥，制定合理的施肥计划，最大限度的减少由于肥料原因带来的重金属污染问题。

4.4 合理利用土壤改良和修复技术

通过培育种植有利于重金属富集的植物去除土壤中的重金属，或者通过增施有机肥等技术进行土壤改良，不断培肥和改良土壤，减少土壤中重金属的污染物含量，从源头杜绝重金属的污染。