通化农田栽培人参土壤养分和重金属分布及其生物有效性研究

张淋淋，孙海，刘宁，王秋霞，张亚玉,2※

（1.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112；2.成都大学药学与生物工程学院，四川 成都 610106）

人参（Panax ginseng C.A.mey）是五加科多年生草本植物，为主要大宗道地中药材，我国人参产量占世界的70%左右[1]，是世界人参主产国，而吉林省人参总产量占全国的52%左右，因此，人参产业作为吉林省的特色与支柱产业，对于地方经济发展具有重要作用。

土壤为植物生长的物质基础，随着工业和农业的快速发展，人们向土壤中输入的重金属不断增加，使得土壤中重金属污染的风险加大，土壤重金属污染不仅会导致土壤肥力降低、土壤功能丧失，而且还将严重影响农产品的产量与品质，并最终通过食物链危及人类健康与生命安全[2]。由于土壤重金属污染具有来源广、污染范围大、生物不可降解性以及相对稳定等特点，导致土壤中重金属污染易产生而难治理，不但威胁人类健康，也限制了我国人参的出口。随着人们生活水平的提高，人参产业由片面地追求产量逐渐向追求高品质转变，因此，针对人参产地进行土壤重金属形态特征的分析与污染风险的评价对于人参品质的控制极为重要[3]。

分析化学只能测定元素总量，但土壤-植物系统中重金属元素的生物有效性与积累能力，不仅与元素总量有关，很大程度上是由其形态分布决定，直接影响重金属的毒性与迁移转化[4-5]，因此确定重金属的活性形态以及对人参安全生产的影响成为研究的重点。本研究从土壤中重金属的空间分异和形态特征入手，检测不同空间区域土壤的重金属含量，并利用国际Tisser五步连续提取法对不同深度的重金属形态进行分析，旨在明确土壤-植物系统中重金属的存在形态，探索其迁移转化机理，评估人参生长地的风险状况并预测相应人参是否重金属超标，为生产绿色人参提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选择通化县金斗乡作为采样点（125°17'32.41''E、41°50'04.23''N），按照五点法进行采样，采集时先将整个人参完整挖出，再利用取样器分别采集 0～4 cm（T1）、4～10 cm（T2）、10～20 cm（T3）、20～30 cm（T4）深度的土壤并装袋标记，采集20 个样点分别混合，带回实验室，除去土壤中枯枝及大的砂粒，自然风干，分别过20 目和100 目土壤筛待测。

1.2 样品处理

1.2.1 土壤理化性状分析 土壤 pH 值按照土水比1.0∶2.5 的比例，采用pH 值计进行测定，利用元素分析仪测定土壤全碳与全氮含量，采用碳酸氢钠浸提-钼锑比色法测定速效磷含量，采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定速效钾含量，采用氯化钙浸提——AA3 连续流动分析仪测定铵态氮、硝态氮含量，采用NaOH 熔融-钼锑比色法测定全磷含量，采用NaOH熔融——火焰光度计法测定全钾含量，采用三酸（HCl-HNO3-HClO4）法消解-电感耦合等离子体发射光谱仪测定土壤、人参中全量重金属含量，具体测定方法参见土壤农化分析[6]。

1.2.2 土壤中重金属各形态分级提取分析 以Tessier法为基础的五步连续逐级提取法具体步骤：

①可交换态 于50mL 离心管中准确称取1.0000g（15 目）风干土壤样品，加入1 mol/L MgCl2 溶液8 mL（用稀 HCl 调节至 pH=7.0），（25±1）℃（220 r/min）下连续振荡1 h；4 000 r/min 离心 10 min，于 50 mL 容量瓶中过滤出上清液，加入5 mL 去离子水洗涤残余物，再于4 000 r/min下离心10min，过滤出上清液，定容，测定重金属浓度。

②碳酸盐结合态 向上一步的残渣中加入1.0mol/L NaAc 溶液 8 mL（用 HAc 调节至至 pH=5.0），（25±1）℃（220 r/min）下连续振荡 5 h；4 000 r/min 离心 10 min，于50 mL 容量瓶中过滤出上清液，加入5 mL 去离子水洗涤残余物，再于4 000 r/min 下离心10 min，过滤出上清液，定容，测定重金属浓度。

③铁锰氧化物结合态 向上一步残渣中加含0.04 mol/L NH2OH HCl 的 25% HAc 溶液 20 mL，（96±3）℃水浴下不断搅拌反应 6 h，4 000 r/min 离心10 min，于50 mL 容量瓶中过滤出上清液，加入5 mL 去离子水洗涤残余物，再于4 000 r/min 下离心10 min，过滤出上清液，定容，测定重金属浓度。

④有机物结合态 向上一步的残渣中加入3 mL 0.02 mol/L HNO3 溶液，5 mL 30%的H2O2 溶液，稀HNO3 调节至 pH=2.0，（85±2）℃水浴条件下加热并搅拌反应2 h，再加30%的H2O2溶液3 mL（稀HNO3调节至pH=2.0），在（85±2）℃的水浴中继续加热并间歇搅拌反应 3 h，冷却到（25±1）℃，加 5 mL 含 3.2 mol/L NH4OAc的20%HNO3溶液，加去离子水稀释到20mL，常温下连续振荡30 min。4 000 r/min 离心10 min，于50 mL容量瓶中过滤出上清液，加入5 mL去离子水洗涤残余物，再于4 000 r/min 下离心10 min，过滤出上清液，定容，测定重金属浓度。

⑤残余态 王水消解，遵循ISO 规范（11466），测定重金属浓度。

1.3 上机测试条件

主要试剂：试验中所用的药品均为优级纯，水为去离子水；测试仪器：美国瓦里安中国公司的VistaPROICP；工作条件：功率0.9 kW，等离子体气流量15 L/min，辅助器流量2.25 L/min，雾化气流量0.8 L/min，泵速15 r/min，样品间清洗时间10 s；ICP分析用混合标准溶液（GNM-M 261141-2013）由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供。

1.4 重金属的主要评价方法

以《土壤环境质量标准》（GB15618-2018）为评价标准（土样pH 值均在5.5～6.5），采用重金属生物活性系数进行土壤环境质量的评价。重金属的生物活性（MF）计算公式：MF=（F1+F2）/（F1+F2+F3+F4+F5）。式中，F1 为可交换态；F2 为碳酸盐结合态；F3 为铁锰氧化物结合态；F4 为有机物结合态；F5 为残余态。

1.5 数据统计和分析

试验数据采用Excel 2010 和SAS 9.4 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同深度土壤理化性状

由表1 可知，土壤中的全氮、全磷、有机质含量以及pH 值随土壤深度增加逐渐降低，速效磷、有效钾、铵态氮含量随土壤深度增加表现为先升高后降低的趋势，均在T2 达到最高值，在T4 达到最低值。硝态氮含量也随土壤深度增加表现为先升高后降低的趋势，但在T3 为最高值，T1 为最低值。

表1 不同深度人参土壤理化性状Table 1 Physical and chemical properties of ginseng soil at different depths

2.2 不同深度土壤重金属全量

由表2 可知，人参土壤中5 种金属元素含量均低于农用地土壤污染风险筛选值。不同深度土壤重金属含量不同，总体表现为随土壤深度增加重金属含量呈降低的趋势。全量Zn 含量表现为T2 ＞T1 ＞T3 ＞T4，全量 Cu 含量为 T2 ＞ T3 ＞ T1 ＞ T4，全量 Pb 含量为T1 ＞T3 ＞T2 ＞T4，全量As 含量为 T4 ＞ T3＞ T1 ＞ T2，全量 Ni 含量为 T2 ＞ T4 ＞ T1 ＞ T3。

表2 不同深度人参土壤全量重金属含量Table 2 Content of heavy metal in ginseng soil at different depths （mg/kg）

2.3 不同深度土壤各形态重金属含量及重金属的生物活性

利用Tisser 连续逐级提取法得到可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残余态，将5 步提取的各形态重金属量加和作为重金属总量，不同深度人参土壤各形态重金属含量见图1。由图1 可知，5 种重金属元素的形态分布存在差异，但均为残余态含量最高，其中，Pb、Zn、Ni和Cu主要以残余态与有机物结合态形式存在，As各形态平均百分比含量表现为残余态（52.34%）＞铁锰氧化物结合态（17.74%）＞有机物结合态（15.41%）＞可交换态（9.2%）＞碳酸盐结合态（5.31%），随深度增加，总体表现为表层含量大于深层。

图1 不同形态重金属的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution characteristics of different forms of heavy metals

由表3 可知，5 种重金属元素生物活性表现为As＞ Zn ＞ Cu ＞ Pb ＞ Ni，随深度增加，Pb 生物活性无显著差异，Ni生物活性逐渐增加，其中T4 与T1、T2 间差异显著（P＜ 0.05），As、Zn 和Cu 生物活性均为中间层 T2、T3 大于 T1、T4，但差异不显著。

表3 不同深度土壤中重金属的生物活性Table 3 Biological activity of heavy metals in soil at different depths （%）

2.4 人参中重金属含量及富集系数

人参中重金属的富集系数为人参根中重金属的含量与其对应土壤中含量的比值。由表4 可知，人参中5种重金属含量均符合药典标准，人参对Cu 的富集作用最强，富集系数为0.414，其次为Zn和Pb，富集系数分别为0.321 和0.320，最后为Ni，富集系数为0.166，人参中未检测出As 含量。

3 讨论

前期研究表明[9]，不同深度土壤的重金属含量与空间分布特征，除与成土母质、地质风化作用以及土壤成土过程相关外，还与元素自身的迁移能力、土壤因素以及工农业活动有关。本研究结果表明，随土壤深度不同，重金属含量也不同，多数表现为随深度增加，重金属含量降低。胡利娜等[7]研究发现，鄱阳湖底泥DW柱状采样点重金属含量随深度变化呈锯齿状多峰分布特征，且形状相似，总体呈下降趋势。孙波等[8]研究了江西铜冶炼厂区域稻田 Cu、Cd 重金属在不同深度（0～15、15～40、40～60 cm）的分布规律，结果显示，无论是Cu、Cd，表层（上层）土壤的重金属含量明显高于下层，说明二者均具有“表聚性”，本研究与上述研究结果相似，这可能与施肥和农业耕作有关。另外，本研究结果还发现，各形态重金属中均为残余态含量最高，这与大多数研究结果相一致[9]。

Cu 和Zn 是植物生长必需的微量营养元素，参与植物新陈代谢，是多种酶的激活剂或抑制剂，在植物生长过程中起着重要作用，也是人体的必需元素，但过量则会造成毒害作用，2 种元素维持在适宜的比例是人参特有功效的体现[4,10]。本研究结果表明，5 种金属元素中，人参对Cu 富集作用最强，其次为Zn 和Pb。Cacador 等[11]研究认为，Zn、Cu、Pb 在非根际中是以可迁移的化学形态存在，而根际中可能存在碳酸盐结合态、交换态向铁锰氧化物结合态转化机制，钟晓兰等[12]认为，Zn与Cu的生物有效性与成土母质密切相关，说明人参的母质土壤Zn 与Cu 含量较高是导致人参对这2 种元素富集的主要原因，这也是其道地性的关键。