贵州无籽刺梨果实与种植基地土壤重金属污染评价

杨荞安，张泽东，李朝婵，李婕羚，黄先飞，兰雪，潘延楠

贵州师范大学，贵州省山地环境信息系统与生态环境保护重点实验室，贵阳 550001

无籽刺梨(RosasterilisS.D. Shi)为贵州特有刺梨种，属蔷薇科蔷薇属的多年生落叶攀缘类果树[1]。无籽刺梨单株产量高，果实成熟时呈橙黄色，与普通刺梨比较，无籽刺梨成熟时果刺脱落，无果核或少许果核，口感酸甜适中。现代医学研究证明，其果肉富含类黄酮、三萜、维生素和氨基酸等多种对人体有益的微量元素[2-3]，具有抗氧化、抗衰老和增强免疫力等功效，是珍贵的营养保健果品，极具开发价值[4]。目前，无籽刺梨果实除鲜食以外还用于食品开发如果醋、果酱、果酒、果汁饮料和酸奶含片等产品。无籽刺梨因其独特的生态适应性，如抗干旱耐瘠薄等特性，不仅为种植示范区带来经济效益，也带来客观的生态效益和社会效益，是贵州石漠化地区植被恢复和发展经济的理想树种之一。

随着人们生活品质和经济条件的不断提高，食用安全健康的绿色有机果品已成为一种必然趋势。近年来，种植户为寻求农产品的更大的产量和产值，盲目施用化肥、农药，以及当地矿山开采等活动造成农产品重金属含量增加[5]。在绿色健康果品的检测指标中，重金属含量是重要指标之一。重金属的含量超标将会影响农产品品质，在植物体内富集，在生物放大作用下产生毒性，这将对生态环境和人体健康产生极大危害[6-8]。目前无籽刺梨的研究主要集中在果实挥发性物质、种植土壤理化性质、果实品质以及无籽刺梨物种和营养成分等方面[9-14]。对无籽刺梨果实与土壤重金属的相关性联系研究较少，尤其是无籽刺梨果实对重金属元素的富集性研究。因此，本文对无籽刺梨基地果实和土壤样品中的Cu、As、Pb、Cd和Hg含量进行测定分析，以期为基地种植管理和无籽刺梨产品开发提供基础数据和理论指导。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

无籽刺梨果实和土壤分别采自贵州省贵阳市、安顺市和黔西南布依族苗族自治州的10个种植基地，分别为贵阳市的HF基地、黔西南州的HL、YZ基地、安顺市的SC、NG、SC、LG、QYQ、SP和XY这7个基地。种植基地位于贵州省中西部，属于喀斯特高原与丘陵地貌，贵阳市和安顺市石漠化程度以轻度为主，黔西南州以中度石漠化程度为主；气候类型属于中亚热带高原季风湿润气候，土壤类型为红、黄壤。具体情况如表1所示。

1.2 样品采集

于2018年10月中下旬在贵州省10个无籽刺梨种植基地采集土壤和果实样品。选取长势良好的植株为中心然后向四周扩散，形成4 m×4 m的网格，再以此网格为中心向四周扩散形成10 m×10 m的网格区域，用五点法采集土壤和果实并编号，土壤选择根系周围土层，深度为0～30 cm，随机抽取3～7个土样，混合均匀，选取适量土壤带回实验室，去除土壤中石粒和生物体等杂质，经过研磨后过筛，自然风干，供分析用。无籽刺梨果实采自5年生健康植株且与采集土壤的植株相同，每份样品选择20～30株，在向阳处和背阳处采集成熟果实150～200个，及时保鲜处理，带回实验室分析。

1.3 测定指标与方法

果实和土壤中重金属含量测定：Pb、Cd和Cu，采用全消解法，Pb和Cd参照《土壤质量》GB/T 17141—1997、Cu参照《土壤质量》GB/17138—1997，采用火焰原子吸收光谱仪测定(德国耶拿ZEEnit700P型)；Hg和As采用硝酸-盐酸混合试剂加热消解法，Hg参照《土壤质量》GB/T 22105.1—2008、As参照《土壤质量》GB/T 22105.2—2008，采用原子荧光光谱仪测定(北京吉天AF933型)；土壤pH值，采用PHTESTER30笔式pH计测定(四川天成)。

1.4 评价方法

1.4.1 基地土壤重金属风险评价

参照Muller[15]的方法，利用地质累积指数(Igeo)来评价无籽刺梨种植基地土壤重金属的污染状况。

式中：Igeo为地质累积指数；Cn是基地土壤中所含重金属元素含量(mg·kg-1)；Bn是贵州土壤重金属背景值(mg·kg-1)。

1.4.2 基地果实重金属风险评价

目标危害系数(THQ)是2000年美国环保局(US EPA)根据人体每日通过食物摄取的重金属来评估人体健康风险的一种方法[16]。THQ<1，说明人体摄入重金属含量处于安全水平没有明显的健康风险，反之，则存在健康风险。

式中：EF为人群接触频率，按全年365 d计算；ED为暴露年数，以人群平均寿命70岁取值；FIR为食物摄入量，贵州水果每日摄入量54.9 g，儿童27.4 g；C为无籽刺梨果实中重金属含量(mg·kg-1)；RFD为美国环保局提供的参考剂量，Cu、Pb、As、Cd和Hg分别为0.04、0.0035、0.0003、0.001和0.0005 mg·kg-1·d-1。；WAB为人体平均体重(成人体重55.9 kg，儿童体重为32.7 kg)；TA为平均接触时间(365 d·a-1×暴露年数)；

居民食物摄入重金属量(DI)，计算公式：DI=RFD×C。

1.4.3 基地果实重金属元素的生物富集系数

富集系数(BCF)是反应无籽刺梨将土壤中的重金属元素吸附到植物体内的能力，富集系数越大，表明无籽刺梨吸收重金属能力越强，抗土壤污染能力就越弱。参照Zhuang等[17]方法，计算出无籽刺梨果实的生物富集系数。

式中：X果实表示为无籽刺梨果实中重金属含量(mg·kg-1)，X土壤为基地土壤中相同元素重金的含量(mg·kg-1)。

1.4.4 随机森林算法

随机森林算法是运用分类回归树来提高模型的精准预测性以解决分类和回归问题[18]，因其算法可以根据变量因子的重要性数值对特征变量进行重要性排序。得到的变量因子重要值，值越大表明该变量因子越重要，对样本影响也最大。利用随机森林算法，采用R(版本号3.4.1)调取“Random Forest”包[19]对无籽刺梨种植基地土壤重金属含量数据和刺梨果实重金属含量数据进行模型变量选择之后，分别对所得的5个重金属变量因子进行重要性排序。

1.5 数据处理

利用Excel 2016和SPSS19.00对实验数据进行分析处理，利用Canoco5、Origin2017及R语言(版本号3.4.1)对数据统计和绘图。

表1 贵州省无籽刺梨采样点位置及研究区域背景信息Table 1 Sampling site and background information of R. sterilis in Guizhou Province

2 结果与分析(Results and analysis)

2.1 无籽刺梨种植基地土壤污染程度评价

无籽刺梨种植基地土壤Cu、As、Pb、Cd和Hg平均含量分别是79.215、1.236、25.637、4.438和0.793 mg·kg-1。与贵州背景值相比[20]，平均含量是背景值的2.45倍、0.07倍、0.75倍、22.19倍和5.56倍。按照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)，种植基地土壤重金属As、Pb含量均未超过风险筛选值，重金属Cd平均含量是风险筛选值的14.79倍，基地土壤存在Cd污染。重金属Cu、Hg含量除YZ基地外，其余基地Cu、Hg含量均未超过风险筛选值。YZ基地Hg、Cu含量是风险筛选值的1.24倍和1.17倍，存在Hg和Cu污染。地质累积指数按照污染程度共分7个级别[14]，污染程度由无污染到极强污染。通过计算，无籽刺梨种植基地土壤重金属污染程度和各元素Igeo指数(表2)。根据Igeo指数评价，Cu为轻-中污染，As、Pb为无污染，Cd为强污染，Hg为轻-中污染。

表2 无籽刺梨种植基地土壤重金属污染程度Table 2 Heavy metal pollution in soil of R. sterilis plantation bases

2.2 无籽刺梨果实重金属含量状况和健康风险评价

无籽刺梨果实作为药食两用的果品，根据《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》和《中国药典(2015版)》限定的重金属含量标准[21-22]，基地果实重金属含量均未超出相关标准；《食品安全国家标准：食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中规定重金属Pb、Cd含量限定值分别为Pb≤0.2 mg·kg-1、Cd≤0.05 mg·kg-1[23]，据此标准，只有JC基地果实超出Pb限定值，是限定值的1.52倍，HF、YZ、SC、JC、LG和XY基地果实超出Cd限定值，分别是限定值的13.82倍、3.22倍、2.08倍、2.14倍、2.46倍和3.1倍。无籽刺梨果实重金属Pb、Cd超标率分别为10%和60%。

根据成人和儿童每日摄入量和目标危害系数分析，贵州地区成人的重金属每日摄入量和危害系数均大于儿童，说明成人每日通过食用果实摄入的重金属健康风险高于儿童。居民每日食物摄入重金属量排序为Cu>As>Cd>Pb>Hg；目标危害系数分析结果显示，成人摄入As的THQ值大于1，说明成人存在一定的As健康风险，其余重金属元素对于成人和儿童均处于安全级别。THQ指数排序为As>Cd>Cu>Pb>Hg(表3)。

表3 贵州省每日重金属摄入量(DI)和目标危害系数(THQ)值Table 3 Daily intake (DI) and target hazard quotient (THQ) of heavy metals in Guizhou Province

2.3 基地土壤重金属对果实重金属富集系数的影响

由表4可知，无籽刺梨果实对土壤中的As富集作用较强，As富集系数最大，达到0.28；Hg次之达到0.11，其余几种重金属的富集能力较弱。无籽刺梨果实对5种重金属的富集能力排序为As(0.28)>Hg(0.11)>Cd(0.07)>Cu(0.04)>Pb(0.01)。因此，5种重金属中，As容易被无籽刺梨果实吸收并富集。

表4 无籽刺梨果实对5种重金属的生物富集系数(BCF)Table 4 Bioaccumulation factor (BCF) of 5 heavy metals in R. sterilis fruit

由图1可知，土壤重金属Hg对果实Cd的富集系数影响最大，相对重要值达到0.61；土壤重金属Cd对果实Cu、Pb的富集系数影响次之，相对重要值分别达到0.35和0.32；土壤重金属Pb对果实Cu的富集系数影响次之，相对重要值分别达到0.34；土壤重金属Cd对果实Cu的富集系数影响较小，相对重要性达到0.11。土壤重金属Cu对果实Pb的富集指数影响较小，相对重要性达到0.11。

图1 土壤重金属对果实重金属富集的相对重要性Fig. 1 The relative importance of soil heavy metals contents to fruit heavy metals bioaccumulation

2.4 随机森林算法对基地土壤和果实重金属变量因子的重要性排序

随机森林算法中的平均准确率降低度(Mean Decrease Accuracy)是对样本整体性的预测，该数值越大表明变量因子重要性也越大，对样本整体影响也越大。将Cu、As、Pb、Cd和Hg这5种重金属作为变量因子分别对土壤和果实的重金属污染程度进行排序。由图2(a)可知，Cu对基地土壤重金属污染影响最大，Cd变量因子影响次之，其余变量因子影响程度逐渐下降，这说明，基地土壤受到Cu、Cd污染几率最大。由图2(b)可知，Pb对果实重金属污染影响最大，Cd变量因子影响次之，其余变量因子影响程度逐渐下降，说明基地果实受到Pb、Cd污染几率最大。

图2 随机森林对无籽刺梨种植基地土壤和果实重金属变量的重要性排序Fig. 2 Importance of heavy metal variables of Random Forest for soil and fruit in R. sterilis plantation bases

2.5 无籽刺梨种植基地土壤与果实重金属主成分分析

对基地土壤5种重金属含量进行主成分(PCA)分析，第一排序轴的系数为0.497，第二排序轴系数为0.298，第一和第二排序轴解释了重金属总量的79.5%。由图3(a)可知，Cd、Pb和Cu这3种重金属向量最长，说明其对种植基地土壤污染最大。从图3中可看出，对基地土壤重金属Cd影响最大的乡镇排序是NG>YZ>SC>XY>JC；对基地土壤重金属Pb影响较大的乡镇排序是SC>XY>JC>NG；对基地土壤重金属Cu和Hg影响较大的乡镇排序是YZ>NG；对基地土壤重金属As和土壤pH影响较大的乡镇排序是SC>XY>NG>YZ>JC。而重金属As和土壤pH夹角最小，相关性最高；重金属Hg与重金属Cu存在相关性；重金属As与重金属Cd、Pb存在较高相关性；重金属Hg与重金属Cd存在一定相关性。重金属之间存在相关性表示该元素间存在一定的同源关系或存在交叉污染，种植基地土壤重金属As与Cd、Pb，重金属Hg与Cu、Cd之间在很大程度上可能存在交叉污染或复合污染。

对种植基地无籽刺梨果实中5种重金属含量进行主成分(PCA)分析，第一排序轴系数为0.563，第二排序轴系数为0.217，第一和第二排序轴解释了重金属总量的78.1%。由图3(b)可知，重金属Cd和As向量最长，说明对果实的影响最大。对重金属Cd影响最大的是HF乡镇；对重金属As影响最大的乡镇排序是LG>HL>SC>SP；对重金属Pb影响最大的乡镇排序是HF>XY>YZ；对重金属Hg影响最大的乡镇排序是NG>QYQ>XY>YZ；对重金属Cu影响最大的乡镇排序是HL>SP>LG>SC。由两重金属之间夹角大小可知，重金属Cd与Pb之间存在较强相关性，As与Cu之间存在较强相关性。从各采样基地之间看，乡镇JC污染较少或者无污染；乡镇LG、SC与乡镇HL、SP，乡镇YZ、XY与乡镇QYQ、NG两两之间距离较近，具有相互影响的可能性。重金属Cu与As、Hg以及重金属Pb与Hg、Cd之间存在同源污染或复合污染。

图3 无籽刺梨种植基地土壤与果实重金属的主成分分析(PCA)分析图注：a. 基地土壤，b. 果实。Fig. 3 Principal Component Analysis (PCA) of heavy metals in soils and fruits of R. sterilis plantation basesNote: a. soil; b. fruits.

图4 土壤重金属与果实重金属之间RDA分析Fig. 4 RDA analysis of heavy metals in soil and fruit

2.6 无籽刺梨基地土壤对果实重金属含量的冗余分析

冗余分析(RDA)将基地土壤重金属作为变量因子对果实重金属含量影响进行分析。在第一轴上土壤重金属与果实重金属的相关系数为0.980，第二轴上为0.623。排序图中第一、二轴共解释74.3%的重金属信息(图4)。果实As与土壤Cd存在较强负相关、果实Cu与土壤Pb存在较强负相关；土壤Cu与pH存在较强正相关；果实Cu、As、Cd与土壤As存在正相关性；果实Cd、Pb与土壤Hg存在一定相关性；果实Pb、Hg与土壤Pb具有一定相关性；果实Hg与土壤Pb、Cd存在较强正相关性。土壤重金属As(P=0.04,F=0.32)和Pb(P=0.03,F=0.15)与果实重金属显著相关，其余土壤重金属Cu、As和Hg对果实影响则不显著。各重金属之间存在一定的拮抗和协同作用，前人研究认为，农作物中重金属的含量与土壤的重金属含量存在一定的相关性，土壤中重金属可能会促进农作物重金属含量的累积[24]；但也有研究表明，土壤重金属含量与果实中重金属相关性不明显[25]。造成这种差异的原因一方面可能是农作物品种遗传特征存在差异，导致果实对重金属的吸收和富集能力不同，另一方面是每个种植区域污染程度和污染源不同，导致区域间存在差异性。

3 讨论(Discussion)

3.1 果树种植基地土壤污染与来源

土壤理化性质如含水率、速效磷、速效钾、全氮和土壤质地等是影响土壤重金属活性的关键因素，土壤理化性质与土壤重金属形态和重金属总量存在显著相关性[26]。土壤中重金属以残渣态为主，还以有机态、铁锰氧化态、碳酸盐态和交换态以及水溶态等多种形式分布，当外源重金属的进入土壤导致土壤中不同形态的重金属随着时间和种植作物不同而发生形态和浓度变化[27]，因此，种植时间不同、种植作物不同和施用肥料的不同都将会导致土壤和农作物中重金属含量存在浓度、形态的变化。无籽刺梨部分基地土壤存在Cd污染，这是由于喀斯特地区碳酸盐岩母质Cd背景值高以及酸可提取态、可还原态的Cd随流水迁移作用的影响[28-29]。这与前人研究农业种植用地中重金属污染状况的结果基本一致[30-31]。YZ基地土壤Hg、Cu含量过高，与该基地周围煤矿开采活动存在一定关系[32]。对于基地土壤中重金属来源，过度施肥可能导致土壤Cd、Cu污染，杀虫剂和除草剂等农药过多使用会导致土壤Hg、Pb污染[33]。何梦媛等[34]的研究表明，农田施用家畜粪肥会导致土壤中Zn、Cu含量升高，鸡、猪粪肥能够提高石灰性土壤中Zn和酸性土壤中Cu、Zn的有效性，从而增加农田土壤污染风险。为控制或改良土壤中重金属含量，除使用重金属低累积或超富集植物外，还可通过钝化剂的使用来降低土壤中重金属的含量，起到保护农作物的目的。吴烈善等[35]研究发现，使用石灰和石灰与腐殖质结合的复合肥料相较于传统施用的单一肥料对土壤中的重金属改良更为明显，也更容易使Cd转换为稳定性更高的有机结合态和残渣态。罗远恒等[36]研究发现，钙镁磷肥和石灰的配合能够降低小麦和水稻中Cd含量，减缓Cd的毒性而达到保护农作物的目的。林文杰等[37]研究改良剂对矿区污染土地的改良，分析改良剂对土壤重金属形态与农作物影响关系，发现萝卜对重金属的累积量与土壤可溶态重金属含量存在显著的相关性。使用碱石灰和碱石灰混合改良剂能够降低土壤重金属可溶态含量，减少农作物对其的累积，降低重金属在农作物中的积累总量，达到改良污染区域的目的。贵州地区石灰岩母质突出钝化作用明显，配合肥料的使用能使土壤交换态Cd降低，促进土壤还原，减少水溶态有机物的形成，降低土壤Cd的溶解性从而抑制植物根系对Cd的富集和吸收。因此，通过精准控肥和灌溉、改良土壤以及钝化剂的使用来控制和修复土壤重金属污染，减少重金属向植物体的迁移，降低植物对重金属的吸收，使种植区内受重金属污染区域恢复到安全水平。

3.2 果树中重金属污染与来源

果实中的重金属含量主要来自对土壤重金属的富集，以及大气沉降和工农业生产生活的影响。本研究中，JC基地果实重金属含量超出限定值，可能是无籽刺梨果实对基地土壤重金属元素具有富集性，以及靠近省道汽车尾气中重金属元素沉降的影响[38-39]。陶秀珍等[40]研究兴仁地区受矿坑废水影响，周边种植的水稻中Pb、Cd含量过高。本研究中，YZ基地果实可能受工业废水影响导致果实Pb、Cd含量过高。这说明，无籽刺梨种植果实重金属含量超标是受到多种因素的影响，也有基地未污染、果实重金属含量未超标的情况，说明基地果实重金属污染程度不同源自人们生产生活和管理模式不同。为防治果实重金属含量过高，应科学合理的灌溉和施肥，确保果实品质安全。对无籽刺梨果实富集性研究发现，种植基地土壤As含量低于国家二级标准，土壤污染程度达到安全级别，但果实对As富集性强，说明种植无籽刺梨来修复As污染土壤具有应用前景。

综上所述，研究结果表明：

(1)贵州的无籽刺梨基地土壤与背景值相比，Cu、Cd和Hg不同程度超背景值，与国家二级标准比较，所有基地存在Cd污染，YZ基地存在Hg、Cu污染，基地污染程度如下：Cd强污染，Cu、Hg轻-中污染，As、Pb无污染。

(2)无籽刺梨JC基地果实存在Pb污染，HF、YZ、SC、JC、LG和XY基地果实存在Cd污染。基地土壤和果实均无As污染，果实对As有较强的富集性，评价显示As对成人健康存在一定风险。

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