土壤-川芎系统重金属富集规律研究

王 芬，彭国照

(1.双流县气象局，四川成都610200;2.中国气象局成都高原气象研究所，四川成都610072)

川芎(Ligusticum chuanxiong Hort)为伞形科(Umbellifera)槁本属植物，以干燥的根茎入药，是四川道地中药材之一。川芎产品中重金属元素主要来自土壤、施用灌溉的肥料及水分，它是植物对重金属元素有选择性吸收的结果，称之为重金属元素的富集。重金属会在土壤-植物体系中迁移[1－3]，最终通过食物链来危害人体健康。因而，研究土壤中重金属在植物中不同部位的迁移转化规律对研究土壤中重金属污染的毒害程度以及中药用药的安全性有着重要意义。并且能为生产上控制川芎重金属富集提供科学依据，对促进川芎产业的健康、稳定、可持续发展，对气象部门拓展服务领域，深化农业环境监测服务具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 样品采集

采用大田试验的方法，在川芎播种出苗1个月后，每月采集川芎样品和土壤样品。每月(除去2月份)到四川川芎道地产区都江堰市柳街镇、徐渡乡和彭州市庆兴镇三地同一地块以对角线法采集川芎样品及其生长土壤样品。

1.2 样品测试

土壤及川芎样品中均测试重金属Cu、Hg、Pb和As。Cu运用微波消解-火焰原子吸收光谱法测定;Hg、Pb和As运用微波消解-氢化物发生双道原子荧光法测定。

2 结果与分析

2.1 川芎各生育期土壤重金属含量分析

从图1至图3可以看出，在川芎整个生命周期中，3个研究区土壤中Cu、Hg、Pb、As的变化均不大。

图1 柳街镇土壤重金属含量

图2 徐渡乡土壤重金属含量

图3 庆兴镇土壤重金属含量

2.2 成熟期川芎根、茎、叶对重金属的吸收富集特征

3个采样点土壤pH值在5.5～5.9，呈弱酸性。由表1可见，土壤重金属在区域上含量变化比较大，有一定程度的分异(20%≤变异系数≤50%)。同时选择土壤重金属元素含量的中位值参照表2国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)进行比较分析得知，研究区重金属含量符合国家二级土壤环境质量标准，除Hg元素外，其他元素达到国家一级土壤环境质量标准。

表1 成熟期研究区土壤重金属含量/mg/kg

表2 土壤环境质量标准值(GB15618-1995)/mg/kg

将不同采样区成熟期川芎不同部位中重金属的含量进行汇总，并将入药的块根中的重金属含量与中国《药用植物及制剂进出口绿色标准》进行比较，结果见表3。

表3 川芎成熟期植株各部位重金属含量/mg/kg

从表3可以看出:Cu在川芎植株不同部位的含量为叶＞茎＞根。川芎植株各部位在成熟期对Hg和Pb的吸收具有相似的特征:叶＞根＞茎。而川芎植株各部分在成熟期对As的吸收量呈现出与其他3种元素不一样的规律:根＞叶＞茎。在成熟期，川芎根对4种元素吸收富集能力不同。Cu在川芎根、茎、叶中的平均含量最高，而Hg的含量最低。土壤中重金属的活性和植物有效性很大程度上决定于重金属在土壤溶液中的可溶性。根际特殊环境会影响重金属在土壤中的生物有效性，林琦等发现小麦根际存在着残渣态铅的活化现象[4]。根分泌物可以通过改变根际pH值、Eh等条件而影响重金属的活性。有机酸、氨基酸、多肽等根分泌物能够与重金属螯合，改变重金属在土壤中的结合形态以及活性[5]。另外，根际微生物的种群变化，微生物与根系的相互作用以及微生物分泌物等，都有可能对土壤重金属的生物有效性带来深刻影响。也因此作为根系对重金属的吸收差异原因之一[6]。尽管如此，较之《药用植物及制剂进出口绿色标准》，Hg的最大允许浓度为0.20 mg/kg，川芎根中Hg含量均达到或超过该绿色标准。同样的，川芎根对As的吸收也超出该标准，平均超标2.5倍。川芎根茎中Cu和Pb含量符合药用植物标准。该结论与易桂花等研究结果相似[7]。

图4 成熟期各采样区川芎植株Cu含量

从图4可见，成熟期，Cu在川芎植株不同部位的含量为叶＞茎＞根。由于川芎的器官生长发育有其特殊的生物性。不同器官在同一生育期的生长发育各有其特点。川芎是须根系植物，其根具有吸收、贮藏功能，是川芎的药用部位。根茎膨大期，根发挥了最大的贮藏作用。川芎根在苗期发生最快，以后的几个生育期根的发生缓慢。川芎茎的数量在各生育期各不相同，川芎茎的长度在各个生育期差异更大，茎的高度收获时达到最高。在川芎茎生长期及根茎膨大期，叶片数最多，一般可达60多片，收获时川芎叶片最多的可达100片左右。可见茎叶在根茎膨大成熟期生长旺盛。铜作为生长必需的微量营养元素，在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大，而营养储存器官如块根蓄积量较少[8]。再也可能由于植物地上部分的生物量大，其对重金属积累的绝对量仍然比地下部分要多[9]。

川芎植株各部位在成熟期对Hg和Pb的吸收具有相似的特征(图5、图6):叶＞根＞茎。Hg和Pb，不仅通过根的吸收，茎输送至叶，叶还从大气中吸收。大气中的汞化合物、喷施的有机汞农药、雨水和尘埃，使用含铅汽油的汽车尾气是环境中Pb的重要来源，关于城市植物叶片金属元素含量与大气污染的关系已有不少报道[10－12]。从植物细胞对重金属的络合和区域化作用分析，叶片较茎杆和根具有更高比例的活细胞，其代谢强度也高于茎杆和根，因而其Hg和Pb含量应该高。

图5 成熟期各采样区川芎植株Hg含量

图6 成熟期各采样区川芎植株Pb含量

图7 成熟期各采样区川芎植株As含量

由图7可以看出，川芎植株各部分在成熟期对As的吸收量呈现出与其他3种元素不一样的规律:根＞叶＞茎。植物对土壤中重金属的吸收取决于重金属的种类、含量、土壤及植物特性。植物中重金属元素在不同组织中的分布主要由植物自身的特点决定。由于大量微生物集聚在植物根部，增强了根部对重金属的富集和吸收能力，这就是植物的“根际效应”。植物根部是分布在土壤中的主要吸收器官，重金属污染物通过根部进入植物体。砷进入植物体后首先沉积在根的皮层细胞壁和表层细胞壁，通过非共质体通道或共质体通道迁移到植物体内的各器官并沉积下来，其具体迁移方式和沉积部位由植物的特性及重金属的特点所决定[13]。这可能就是造成根部含量较高的原因。

2.3 块根-土壤重金属含量相关性分析

川芎的块根是主要药用部分，其内的重金属含量直接影响川芎的品质和质量。而川芎植物体内的元素含量主要通过根系的吸收，由土壤进入植物体内。土壤中的重金属含量与根茎中重金属含量之间的相关关系分析结果如表4所示。

表4 川芎块根重金属含量y与土壤重金属含量x的关系

4种元素在川芎块根及土壤中的相关系数分别为:Cu:0.9747;Hg:0.8891;Pb:0.9656;As:0.9343。Cu和Pb通过1%检验，Hg和As通过5%检验。由此可以看出4种重金属元素在川芎块根和土壤中的含量呈正相关，相关性好，随着土壤中重金属含量的增加，川芎中的累积量也相应增加，表明重金属在从一种介质向另一种介质的迁移转化过程中，常常伴有重金属元素在介质中的累积和残留。土壤的 Cu、Hg、Pb、As等重金属在随植物的生长移出土体的同时，又在植物体内进行累积。相关学者也注意到重金属吸收富集作用不仅影响着动植物本身健康的生物学特性，同时也通过进入食物链影响到其他生物，而使长期食用或药用者的健康直接受到威胁。

结果表明，川芎块根中的 Cu、Hg、Pb、As含量与土壤中 Cu、Hg、Pb、As含量均呈极显著正相关关系。

2.4 成熟期川芎根与各生长期茎叶相关性分析

研究成熟期川芎根与其他各生长期川芎茎叶之间的重金属含量相关性，可以得到与商品芎(即成熟期川芎根)中重金属含量存在关系的时期，有针对性采取措施控制该时期块根中的重金属含量。分别对川芎各生长期根茎、根叶之间重金属含量进行相关性分析，结果见表5、表6。

由表5可以看出，商品芎(即5月份成熟期收成的川芎块根)中重金属含量与12月(茎发生与生长期)，4月(抽茎期)，5月(成熟期)的茎中重金属含量存在极显著正相关关系(通过0.1%检验)。并且通过表6，还可以得到商品芎重金属含量与4月(抽茎期)叶中重金属含量显著正相关(通过5%检验)和5月(成熟期)叶中重金属含量极显著正相关(通过0.1%检验)。当然，从表5、表6还可以分别得到茎、叶各生长期间的关系:基本上不论是茎还是叶均受到各自上一生长期中重金属含量的影响，存在正相关关系(通过显著性检验)。

表5 各生长期川芎根与茎相关性

表6 各生长期川芎根与叶相关性

因此，该相关性分析可以为GAP生产和控制重金属富集提供科学依据，以此提出相应的措施来减少商品芎中重金属含量，如:可以在12月份相应地剪去茎叶，4月和5月时适当地减少叶片的数量等等。

3 结束语

文中只研究了川芎对 Cu、Hg、Pb、As 4种重金属元素的吸收富集规律，其实对于川芎品质有影响的无机元素还有很多，故如能尽量多的研究其他元素，将更有利于优质川芎的栽培。

对川芎植株中重金属含量研究只是针对3个川芎道地产区，如能多增加些采样点，将更有助于分析川芎生长过程中重金属在“土壤-作物”系统中的迁移转化规律。

植物对土壤中重金属的吸收取决于重金属的种类、含量、土壤及植物特性。植物中重金属元素在不同组织中的分布主要由植物自身的特点决定，其具体原因有待进一步研究。

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