广西宜州龙江河沿岸桑树种植的重金属污染风险分析

覃勇荣 罗志勇 陆素芬 李宏森 刘旭辉

(河池学院化学与生物工程学院，广西宜州 546300)

土壤是植物栽培的基质和载体，可以为植物生长发育提供良好的理化环境及营养物质，但当土壤中的重金属等有害物质的含量超过一定限度时，也会对植物的生长发育造成严重不良影响，在不良环境因子的胁迫下，很容易造成植物个体受害、种群衰退、群落结构改变，从而引起大面积的植被退化[1]。

土壤-植物系统是陆地生态系统最基本的结构单元[2]。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点[3]。在农业生产中，土壤重金属污染，不仅影响地表作物的产量与品质，而且还影响大气和水环境的质量，并通过食物链的逐级富集而累积在各种生物体内，从而危及人类健康。

桑树(MorusalbaL)是我国重要的经济作物之一，桑叶不仅可以养蚕，也可以作为饲料[4]，还可以加工成桑叶茶或其他天然有机食品，具有一定的保健功效[5]。随着东桑西移和我国农业产业结构的调整，蚕桑产业已发展成为广西壮族自治区乡村经济的重要支柱产业及农民收入的主要来源[6]。宜州区地处桂西北，现有桑园面积超过2.2万hm2，是目前我国最大的县(区)级蚕桑产业基地，2016年农民养蚕收入超过25亿元人民币，占当地农民年均纯收入的1/3以上[7]。同时，桂西北也被称为“中国有色金属之乡”，长期以来，矿物开采和金属冶炼加工是其重要的支柱产业，但是重金属污染问题也比较突出[8]。学者们对我国矿区周边重金属污染农田桑树种植的相关问题进行了一些调查研究[9-11]，对重金属元素的形态及其在不同品种桑树中的分布和富集规律，环境污染对蚕桑产业的影响[12-14]，重金属在桑叶、家蚕幼虫及茧壳中的迁移情况也进行了一些分析探讨[15]，但专门针对广西河池市宜州区龙江河沿岸桑园土壤及桑叶中锰、铜、锌、砷、汞、硒等重金属元素含量的系统研究鲜有报道。本研究用氢化物发生-原子荧光光谱法和火焰原子吸收光谱法，分别测定了广西河池市宜州区龙江河沿岸的怀远、叶茂、大湾、洛东4个调查点的桑园根际土壤及桑树叶片中的锰、铜、锌、砷、汞、硒6种重金属元素含量，以期可以丰富桂西北地区土壤重金属问题研究的内容，并为宜州区蚕桑产业在发展过程中如何有效地规避土壤重金属污染的环境风险提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 主要仪器和设备 AFS-9900型全自动四通道氢化物发生原子荧光光度计(HG-AFS)，北京海光仪器公司产品；KY-1型锰、锌、铜空心阴极灯，AS-2型砷、汞、硒编码空心阴极灯，断续流动自动进样系统，AAS-7020型原子吸收光谱仪，均为北京东西分析仪器有限公司产品；MP200A型电子分析天平，上海精密科学仪器有限公司产品；101-2-BS型电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗器械厂产品；艾柯DZG-303A型纯水仪，台湾艾柯成都康宁试验专用纯水设备厂产品；HYP-1040型四十孔消化炉，上海纤检仪器有限公司产品；FZ-102型微型植物粉碎机，天津市泰斯特仪器有限公司产品；消化管，50 mL，嘉兴市方圆氟塑制品有限公司产品；比色管，50 mL，武汉华威化工仪器有限公司产品。

1.1.2 主要试剂 硝酸、盐酸、抗坏血酸、氢氧化钠、硼氢化钾，分析纯(AR)，均为西陇化工股份有限公司产品；高氯酸，分析纯，天津政成化工制品有限公司产品；硫脲，分析纯，广州化学试剂厂产品；锰、铜、锌、砷、汞标准储备液(1 000 μg/mL)，硒标准储备液(100 μg/mL)，均为国家标准物质研究中心产品。

1.2 试验方法

1.2.1 溶液配制 (1)硝酸-高氯酸(6∶1)的配制。量取360 mL硝酸和60 mL高氯酸，于500 mL烧杯中，充分混匀。(2)王水(1∶3)的配制。量取50 mL硝酸和150 mL盐酸于烧杯中充分混匀，于棕色瓶中避光保存。(3)还原剂的配制。称取25.0 g硫脲和25.0 g抗坏血酸溶解于200 mL去离子水中，充分混匀，再将其定容于500 mL的容量瓶中，现配现用。(4)载流液(5%盐酸)的配制。量取50 mL盐酸定容于1 L容量瓶中。(5)硼氢化钾溶液的配制。称取2.5 g 氢氧化钠溶解于200 mL去离子水中，溶解后加入10.0 g 硼氢化钾，定容于500 mL容量瓶中，现配现用。(6)6 mol/L盐酸的配制。量取495 mL盐酸定容于1 L的容量瓶中。

1.2.2 样品的采集及处理 本研究的样品采自广西河池市宜州区龙江河沿岸桑树的叶片(60 cm×40 cm)及其对应的根系土壤，按照龙江河河流上下游的顺序选定4个采样点，分别为怀远、叶茂、大湾和洛东。

2015年4月中旬至5月中旬，分别在4个采样点的龙江河相同一侧，根据其桑园与龙江河沿岸垂直距离的远近，以河岸线为参照点，每隔20 m随机采集5株桑树的成熟叶片样品，并用不锈钢采样器采集其根系土壤。在每个采样点，分别采集4个混合土样和4个桑叶样品。土壤样品采集的具体方法见参考文献[16]和[17]。

土壤样品采集后，带回实验室自然风干，用研钵研磨，过100目尼龙筛，用聚乙烯密封袋封装，于干燥处保存(因实验中消解称样前会对样品进行烘干处理，故土壤样品平时保存在干燥处即可)，备用。将采集的桑叶样品带回实验室，先用水清洗，将其表面的泥沙等杂质洗涤干净，再用去离子水清洗3次，置80 ℃电热恒温鼓风干燥箱中烘12 h，待质量恒定后，用微型植物粉碎机粉碎，过100目尼龙筛，用聚乙烯密封袋封装，于干燥器中保存，备用。

1.2.3 标准工作液的配制 (1)锰、铜、锌标准工作液的配制。移取锰、铜、锌标准储备液，根据表1的标准工作液系列浓度进行配制，移取好相应浓度的标准储备液后，加入5 mL硝酸，用去离子水定容至50 mL，用火焰原子吸收光谱法(FAAS)[18-19]进行测定。

表1 锰、铜、锌标准工作液浓度梯度 μg/mL

(2)砷、汞、硒标准工作液的配制。移取砷、汞、硒标准储备液，根据表2的标准工作液系列浓度进行配制，移取好相应浓度的标准储备液后，加入5 mL盐酸(其中，砷的标准工作液需加入10 mL的还原剂)，用去离子水定容至50 mL，静置30 min后用氢化物发生-原子荧光光谱法(HG-AFS)[20-22]进行测定。

表2 砷、汞、硒标准工作液浓度梯度 ng/mL

1.2.4 常压湿法消化法制备样品溶液 (1)桑叶样品的消化。称取粉碎后的桑叶样品约0.500 0 g，将其置于硬质玻璃消化管中，加入10 mL硝酸-高氯酸(6∶1)放置过夜，让其缓慢氧化，同时以不加桑叶样品的溶液作为空白对照。次日在通风橱中用消化炉进行消解，将温度升高至160 ℃，恒温持续加热直至冒白烟为止，取下冷却至室温，然后加入5 mL 6 mol/L的盐酸，煮沸，取下冷却。将消解液无损地移到50 mL容量瓶中，用去离子水定容至50 mL，摇匀，用微孔滤膜过滤到聚乙烯瓶中，待测。(2)土壤样品的消化。准确称取经过粉碎后的土壤样品0.500 0 g，置于50 mL磨口比色管中，加入新配制的王水10 mL，加塞振荡均匀后，置于沸水浴中加热2 h(期间摇匀2～3次)，同时以不加土壤样品的溶液作为空白对照。取下自然冷却，用去离子水定容至50 mL，摇匀，用微孔滤膜过滤到聚乙烯瓶中，待测。

1.2.5 重金属元素测定条件的设置 本试验用FAAS法测定桑叶和土壤中的重金属元素锰、铜、锌的含量，仪器的工作条件见表3；用HG-AFS法测定桑叶和土壤中的重金属元素砷、汞、硒含量，仪器的工作条件见表4。

表3 锰、铜、锌含量测定的工作条件

表4 砷、汞、硒含量测定的工作条件

1.2.6 样品的测定 在表3和表4所示工作条件下，分别用锰、铜、锌、砷、汞、硒的标准系列工作液制作标准曲线，在相同的条件下测定待测溶液中各元素的含量，记录仪器所测元素的分析浓度，3次重复，取平均值，数据以“平均值±标准误差”表示。重金属含量计算公式：M(mg/kg)=C×V/M1[C为从标准曲线中查得的所测重金属质量浓度(ng/mL)，V为样品消化后定容溶液的体积(mL)，M1为干样品的质量(g)]。

1.3 数据处理与分析

用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin 8.0等数理统计软件进行试验数据的处理及相关分析。

2 结果与分析

2.1 校准曲线及回归方程

在本次试验中，参考表1和表2配制的标准工作液浓度进行测试，得出各重金属元素浓度(C)与对应吸光度值(A)的回归方程及相关系数(表5)。

表5 不同重金属元素浓度与对应吸光度值的回归方程及相关系数

A表示吸光度，C表示各元素的浓度，其中锰、铜、锌的浓度单位为μg/mL，砷、汞、硒的浓度单位为ng/mL。

从表5可以看出，各元素回归方程相关系数均达到0.999以上，达到了试验分析测试的要求。

2.2 桑叶及土壤中的重金属含量

2.2.1 桑叶中的重金属含量 从宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑叶中的重金属含量(表6)可以看出：不同地段采样点桑叶中的重金属元素含量差异显著；在同一采样点的所测元素中，锰的含量最高，锌的含量次之，铜的含量居第3位，砷和硒的含量相对较少，汞的含量最低；除叶茂采样点以外，其余3个采样点桑叶样品中的重金属元素含量由大到小的顺序均为锰锌铜硒砷汞。

表6 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑叶中的重金属含量 mg/kg

表中同列数据后的不同小写英文字母表示差异显著(P<0.05)；表7相同。

2.2.2 桑园土壤中的重金属含量 从宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤中的重金属含量(表7)可以看出，龙江河沿岸的怀远、叶茂、大湾、洛东4个采样点桑园土壤中的重金属含量差异显著，所测的重金属元素含量由高到低依次为锰锌铜砷硒汞。除了砷和硒2种元素外，4个采样点桑园土壤中其余元素的排序与桑叶中的重金属含量大小排序相一致。

表7 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤中的重金属含量 mg/kg

2.2.3 桑树对土壤中不同重金属的富集系数 从宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑树对土壤中不同重金属元素的富集系数(表8)可以看出，宜州区龙江河沿岸不同采样点的桑园土壤及桑叶中的重金属含量有明显差异，但并没有表现出一定的规律性。在龙江河沿岸的怀远、叶茂、大湾、洛东4个采样点中，桑园土壤的重金属含量均明显高于桑叶的重金属含量。从桑叶重金属含量的测定结果来看，在龙江河沿岸不同地段的各个采样点中，桑树对不同重金属元素的富集系数(enrichment coefficient，EC)差异较大，其平均值的变化范围分别为锰7.31%～62.84%，铜22.92%～61.99%，锌35.08%～60.78%，砷0.90%～8.43%，汞29.17%～65.00%，硒26.23%～48.82%。也就是说，桑树对锰、铜、锌和汞的富集系数相对较大，对硒的富集系数次之，对砷的富集系数最小。

表8 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑树对土壤中不同重金属元素的富集系数 %

续表8

富集系数(%)=植物体内重金属含量(mg/kg)/土壤中的重金属含量(mg/kg)×100。

2.2.4 桑叶与桑园土壤重金属含量的相关性 为了说明土壤重金属污染对桑树生长及桑叶质量的影响，根据试验所得的数据，对桑园土壤(根际土)与桑叶重金属含量的相关性进行了分析(表9)。从表9可以看出，桑树叶片中的砷含量与土壤中的硒含量呈显著正相关，与土壤中的汞、铜、锌含量呈正相关但不显著，与土壤中的锰含量呈负相关但不显著；桑叶中的汞含量与其叶片中的锌含量呈显著正相关，与土壤中的硒、铜、锰、锌含量有一定的相关性但不显著；桑叶中的硒含量与其叶片中的锌含量呈显著负相关，与土壤中的铜和锌以及叶片中的铜和锰含量呈负相关但不显著，与土壤中的锰含量呈正相关但不显著；桑叶中的铜含量与土壤及叶片中的锌含量呈正相关但不显著；桑叶中的锰含量与土壤中的硒含量呈极显著负相关，与土壤中的锌含量也呈负相关但不显著。

表9 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑叶重金属含量与桑园土壤重金属含量的相关性

*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)；砷土、汞土、硒土、铜土、锰土、锌土为桑树根际土壤中该重金属的含量；砷叶、汞叶、硒叶、铜叶、锰叶、锌叶为桑树叶片中该重金属的含量。

2.3 宜州区龙江河段桑树种植的重金属污染风险

2.3.1 桑园土壤与背景值比较 为了说明本研究样地各采样点的土壤是否受到重金属污染，以及土壤重金属污染的基本状况，根据国家专业环境监测和研究机构发布的权威数据[23-24]，将测定结果与相关区域的土壤背景值进行比较。从表10可以看出，在宜州区龙江河沿岸4个采样点的桑园土壤中，锰的含量均低于我国的背景值，但有3个点高于河池地区和宜山县(宜州区)的背景值，2个点高于广西的背景值；铜和砷含量均低于中国、广西、河池市及宜山县的背景值；除洛东采样点土壤锌的含量略高于广西背景值外，其余3个采样点土壤的锌含量均高于中国、广西、河池市及宜山县的背景值；洛东采样点土壤的汞含量与我国的背景值相当，所有采样点土壤的汞含量均低于广西、河池市及宜山县的背景值；4个采样点土壤的硒含量均高于我国和河池市的背景值，3个采样点高于广西的背景值，1个采样点高于宜山县的背景值，说明宜州区龙江河沿岸不同地段桑园土壤的硒含量较高。

2.3.2 桑园土壤富集因子 为了说明各样地土壤重金属的来源，可将宜州区龙江河沿岸不同地段桑园土壤重金属元素的测定值与当地(河池市及宜山县)土壤的背景值进行比较，计算宜州区龙江河不同河段采样点桑园土壤重金属的富集因子(enrichmentfactor，EF)。从表11可以看出，宜州区怀远和洛东2个采样点桑园土壤中的锰，其富集因子均大于1.5，说明其主要为人为来源。叶茂采样点土壤中的硒，若以河池地区的背景值进行计算，富集因子为1.84；若以宜山县的土壤背景值计算，其富集因子为1.07(0.5<富集因子<1.5)，说明其主要还是来源于成土母岩或自然风化过程，而非人类活动引起。

表10 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤重金属含量与相关地域背景值的比较情况 mg/kg

中国、广西、河池地区、宜山县的土壤背景值是根据参考文献[23]整理而得；怀远、叶茂、大湾、洛东的数据为宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤重金属含量的实测值；宜山县即是现在的宜州区。

表11 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤重金属元素的富集因子

富集因子(enrichment factor，EF)=土壤中金属元素的实测值/背景值。当EF<0.5，表明重金属主要来源于地壳；当0.5≤EF≤1.5，表明重金属可能完全来源于成土母岩或自然风化过程；当EF1.5，表明重金属主要为人为来源[25]。表中“/”前后的数据，分别为以河池地区和宜山县2地土壤背景值计算所得的结果。

2.3.3 桑园土壤地累积指数 地累积指数(Igeo)可以作为判断土壤污染程度的重要指标。根据MÜLLER[26]提出的判断标准，在宜州区龙江河沿岸的4个采样点中，除锰以外的其余5种重金属元素的Igeo均为负数，属于无污染；而在怀远和洛东2个采样点中，桑园土壤锰的Igeo值分别在1～2和0～2之间，属于轻度至中度污染(表12)。

表12 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤重金属元素的Igeo值

续表12

Igeo=Log2(实测值/1.5背景值)，其中Igeo值≤0、0～1、1～2、2～3、3～4分别表示无污染、无污染～中度污染、中度污染、中度污染～强度污染、强度污染的污染程度。

2.3.4 桑园土壤综合污染指数 为了进一步说明宜州区龙江河不同地段桑园土壤是否存在重金属污染风险，以及验证上述研究结果的可靠性，可以利用单因子污染指数和内梅罗综合污染指数对宜州区不同河段桑树种植的重金属污染风险进行比较分析[27]。从表13可以看出，除锰无法计算外，宜州区龙江河沿岸所有采样点桑园土壤其余5种重金属元素的单因子污染指数均小于1，属于无污染。从每个采样点所有重金属元素的复合污染情况来看，内梅罗综合污染指数均小于1，属于无污染。由此可见，各种不同评价方法的结果是一致的。

表13 宜州区龙江河沿岸不同地段采样点桑园土壤重金属元素的单因子污染指数及内梅罗指数

在国家现有的土壤环境质量标准(GB 15618—1995)[28]中，未颁布锰的相关数据，所以锰的单因子污染指数无法计算；硒的单因子污染指数计算，参考了土壤环境质量标准(修订)(GB 15618—2008)[29]；计算内梅罗综合污染指数时，没有考虑锰的单因子污染指数。

3 小结与讨论

河池市是我国著名的有色金属之乡，有矿物学家的天堂之美称，矿物开采及金属冶炼是当地经济的重要支柱。但是，由于诸多原因，重金属污染一直是影响当地环境质量和生态安全的突出问题。由于监管的缺失以及不良业主和生产经营者的违法偷排，龙江河的部分断面和支流曾受到严重的污染[30-31]。龙江河是珠江水系西江支流柳江的最大支流，也是宜州境内最大的河流，其上游干流河段为贵州省荔波县的漳江、广西南丹县的打狗河、河池市金城江区的金城河及环江县的大小环江等[32]。南丹、金城江和环江均为河池境内有色金属矿产的集中分布区，也是河池市主要金属企业的聚集区。20世纪80年代至21世纪初，河池市部分县(区)国营和民营有色金属矿山及选矿厂随处可见，冶炼厂数量众多，高峰时冶炼厂超过50家[33]。由于部分民营企业的生产管理比较粗放，环保措施滞后；因此，矿区和冶炼厂周边的大气、水体及土壤极易受到不同程度的污染，其下游的宜州区龙江河段不可避免地受到一定程度的影响。宜州区龙江河沿岸桑园土壤重金属的来源，一方面可能与其成土母质有关(不同的成土母质，其土壤重金属的背景值不同)；另一方面，也可能与周边污染区的大气沉降、污水灌溉、化肥农药施用有一定的关系。如果水体已经受到重金属污染，污水灌溉无疑会增加土壤中的重金属含量。而事实上，宜州区龙江河沿岸桑园土壤重金属污染，是多种因素叠加作用的结果[34]。

相关研究表明，宜州区土壤背景值中，硒的含量相对较高，同时桑树具有较强的富硒能力[35]；因此，在确保粮食(生态)安全的情况下，种植富硒作物和开发富硒食品具有广阔的前景。刘旭辉等[22]曾对宜州区桑叶中的11种金属元素含量进行检测，结果发现，钙和镁的含量最高，分别为10 606.0 mg/kg和9 628.2 mg/kg，所测定的各种元素含量从大到小依次为钙镁锰铁锌铬镍铜钴铅镉。该结果与本研究中相关重金属元素含量大小排序的结果基本一致。

植物对重金属元素的吸收和富集与很多因素有关。由于不同植物具有不同的生物学特性，其对重金属元素的吸收、富集和耐受能力必定存在个体差异。此外，土壤中重金属元素的含量、形态，以及不同金属离子之间的相互作用，都会在一定程度上影响植物对重金属元素的吸收和转运[36-37]；因此，植物对同一重金属元素的吸收也会因地域差异和时空差异而有较大的差异，也就是说，在不同的土壤环境中，植物对重金属元素的吸收和富集是存在差异的。

通过以上的分析讨论，可以初步得出以下结论：(1)宜州区龙江河沿岸桑园土壤和桑叶中的重金属含量差异显著，根际土壤的重金属含量明显高于桑叶；在所调查的大部分桑园中，桑树根际土壤或者桑叶中不同重金属含量差异显著，其从大到小依次为锰锌铜硒砷汞。(2)桑树对不同重金属元素的富集能力有差异，其富集系数分别为锰7.31%～62.84%，铜22.92%～61.99%，锌35.08%～60.78%，砷0.90%～8.43%，汞29.17%～65.00%，硒26.23%～48.82%。

根据土壤质量评价的相关标准，除怀远和洛东2地的桑园存在轻度至中度的锰污染外，宜州区龙江河沿岸怀远、叶茂、大湾和洛东的桑园，目前尚未发现产生其余5种重金属污染的风险。