甘青地区药用植物土壤重金属的累积特征及生态风险评价
2020-11-16王高烽王琳璇马永贵
王高烽 王琳璇 马永贵
摘 要：目的：测定甘肃和青海不同药材生境土壤中Cu、As、Hg、Pb共4种重金属元素的含量，并对该地区土壤重金属元素污染程度进行评价。方法：利用火焰原子吸收光谱法和原子荧光光度计法测定不同地区土壤中Cu、Pb、As、Hg重金属元素的含量。结果：从土壤单污染物潜在生态风险（Eir）来看，研究区土壤中Cu、As、Pb为轻微风险，Hg为轻微风险或中等风险;从单因子污染指数（Pi）上看，4种重金属元素都存在着轻微污染。结论：两地土壤已经出现轻度、中度和重度污染状况，属于轻微生态风险，并存在着潜在的中等生态风险。
关键词：土壤重金属;污染评价;污染风险
中图分类号 S567文獻标识码 A文章编号 1007-7731（2020）20-0128-05
Accumulation Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Medicinal Plant Soil in Gansu and Qinghai Regions
WANG Gaofeng et al.
（School of Life Sciences，Qinghai Normal University/Key Laboratory of Medicinal Animal and Plant Resources on Qinghai-Tibet Plateau，Qinghai 810008，China）
Abstract：Objective：To determine the contents of Cu，As，Hg and Pb in the soil of different medicinal plant areas in Gansu and Qinghai，and to evaluate the pollution degree of heavy metal elements in the soil.Methods：In this study，the contents of Cu，Pb，As and Hg in soils from different regions were determined by flame atomic absorption spectrometry and atomic fluorescence spectrometry.Results：According to the potential ecological risk（Eir）of soil single pollutant，Cu，As and Pb in the soil of the study area are minor risks.Hg has slight or moderate risks;Judging from the single factor pollution index（Pi），these four heavy metal elements are slightly polluted.Conclusion：The soil in the two places has been produced and there are mild，moderate and severe pollution in the two places，which is a slight ecological risk.However，there are still potential medium ecological risks.
Key words：Soil heavy metals;Pollution assessment;Pollution risk
土壤是生态系统的重要组成部分之一，土壤元素与药材的品质和产量有着密切关系[1，2]。不同类型的土壤所含的元素有着显著差异，且通过药材进入人体后会产生一定的影响[3-11]。本文以青海省果洛州的玛沁县、达日县、班玛县、久治县4个县野生药材生境和甘肃省岷县、宕昌县、临洮县、漳县、渭源县5个道地药材种植产区的土壤为研究对象，进行重金属元素含量的测定分析，以迭代剔除法等确定甘青两地药材种植地背景值（Cu：9.0786、Hg：0.0574、As：0.0886、Pb：48.2776，单位：mg/kg）为评价标准[12]，参考土壤环境质量标准（GB 15618-2018），对青海、甘肃在野生与种植地药材土壤中重金属累积特征进行了探讨，并对其生态风险进行评价，以期为青海与甘肃道地药材产区野生与种植地土壤环境现状、生态保护提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料 以药材生长地为中心，方圆30m为半径内随机选择8个点采集表层10cm，然后把各点所采的土壤等量地均匀混合起来组成混合样品[13]。将采自于甘肃及青海等地的土壤样品在实验室中自然晾干，粉碎过筛制成粉末，备用。土样具体信息见表1。
1.2 仪器和试剂 仪器：AA-6300型原子吸收分光光度计（日本岛津）;铜、铅单元素空心阴极灯（上海汉尧仪器设备有限公司）及As（HAF-2型）和Hg（AF-2型）原子荧光空心阴极灯（北京有色金属研究总院）;MD8H型微波消解仪及GS25型萃取仪（奥谱勒仪器有限公司）;AFS-933型原子荧光光度计（北京吉天仪器有限公司）。试剂：硝酸（HNO3）、氢氟酸（HF）、盐酸（HCl）均为优级纯;试验用水为超纯水;铅（Pb）、铜（Cu）、砷（As）、汞（Hg）标准储备液1000μg/mL（北京国家标准物质研究中心），使用时逐级稀释。
1.3 样品消化 称取土壤0.3 g（精确到0.0001）于消解管中，然后在通风橱中分别依次加入6mL硝酸、3mL盐酸和4mL氢氟酸并充分摇匀，置微波消解仪内进行消解，待消解完全后将消解液移入试管内，置萃取仪内加热（温度控制到135℃）浓缩至约1mL，冷却后用体积分数为1%的硝酸溶液定容到100mL的容量瓶内备用。同法制得样品空白液（参照《土壤和沉积物金属元素总量的测定 微波消解法》（HJ832-2017））。其中As和Hg采用原子荧光光度计法测定（参照GB/T22105-2008）。Cu和Pb采用原子吸收分光光度计法测定。
1.4 分析方法
1.4.1 统计分析 根据SPSS22.0进行数据统计分析，结果以平均值±标准偏差（Mean±SD）表示。
1.4.2 地累积指数 地累积指数又称Muller指数[14]，是一种定量评价重金属污染的分析方法。其计算方法见公式（1）[15]：
Igeo=log2（Ci/KBi） （1）
式中：Ci为评价金属元素的实测含量，mg/kg;Bi为对应评价金属元素的背景值（本研究中为甘青两地药材种植地背景值），mg/kg;K为修正系数，一般取值1.5。
结果共分成1级：无污染（Igeo≤0）、2级：轻度污染（0
1.4.3 潜在生态危害指数 潜在生态危害指数（Potential ecological risk index，RI），引入了毒性响应系数，将重金属的环境生态效应与毒理学联系起来，使评价更侧重于毒理方面，对重金属潜在的生态危害进行评价，不仅可以为环境的改善提供依据，还能够为人们的健康生活提供科学参照[17]。其计算见公式（2）：
RI=ΣEir=Σ（Tri·Cir）=Σ（Ti r·C im/C in） （2）
式中：RI为采样点多种重金属综合潜在生态危害指数;Eir为某单个重金属的潜在生态危害系数;Tri为对应重金属的毒性响应系数（As=10、Cu=Pb=5、Hg=40）[17];Cir为该元素的污染系数;C im为该元素的实测含量，mg/kg;C in为该元素的评价标准（甘青两地药材种植地背景值），mg/kg。潜在生态风险评价法风险等级标准[18]见表2。
1.4.4 内梅罗综合污染指数法评价 单项指数法是国内通用的一种评价土壤、水文、大气和河流沉积物重金属污染的方法，也是开展其他环境质量指数、环境质量分级和综合评价的基础。在进行土壤重金属污染评价研究时，通常以土壤背景值作为评价标准[19]。一般情况下，单项指数是指土壤中污染元素的实测浓度与相应的评价标准的比值。内梅罗综合污染指数法是在进行单项指数评价后展开的，是一种兼顾极值或体现最值的计权型环境质量指数评价法[20]。内梅罗综合污染指数法在进行污染评价是考虑到各种影响参数的平均情况，同时也突出了高浓度污染物具有的影响，同时弥补了平均值法中各种污染物分担的不足，能充分反映出污染物对土壤环境产生的影响。其计算见公式（3）和（4）：
Pi=Ci/Si （3）
P综合=（（（P平均）^2+（Pm）^2）/2）^（1/2） （4）
式中：Ci为该元素的实测含量，mg/kg;Si为该元素的评价标准（甘青两地药材种植地背景值），mg/kg;Pi为土壤中污染物i的环境质量指数;P综合为土壤的综合污染指数;P平均为土壤中各种污染物指数的平均值;Pm为土壤中单个污染物的最大污染指数。
根据《全国土壤污染状况评价技术规定》（环法[2008]39号）的规定将单项指数划分为5个等级;根据2004年国家环境保护总局发布的《土壤环境监测技术规范》（HJ/T166-2004）的相关规定，将内梅罗综合污染指数划分为5个等级[21]，具体等级划分见表3。
2 结果与分析
2.1 土壤重金属含量 由表4可知，青海和甘肃采样地4种元素均未超过规定的土壤污染风险筛选值和管控值，结合甘青药材种植地土壤重金属背景值可知，两地重金属元素均有不同比例超过药材种植地土壤重金属背景值。总体来看，青海超背景率的排序为Cu>P>As>Hg;甘肃超背景率的排序为Cu=Pb 2.2 土壤重金属污染及生态风险评价 地累积指数评价（表6）显示，从整体上看，Pb和Hg在青海和甘肃药材种植地中没有偏中度级别及以上程度的污染;Cu有51.11%处于无污染，14.44%处于轻度污染，34.44%为偏中度污染或中度污染;As有93.33%为轻度污染或无污染，2.22%为偏中度污染，4.45%为中度污染或偏重度污染。这些污染出现在岷县、渭源县、班玛县和宕昌县。As元素的来源很可能与成土因素有关[22-23]。从土壤单污染物潜在生态风险（Eir）来看，这4种元素处于轻微风险或中等风险，Cu、As和Pb主要处于轻微风险，Hg有53.33%已达到中等风险;从风险指数（RI）上看都属于轻微风险。 由表7可知，研究区土壤Cu、Hg、As、Pb 4种重金属点位总污染率分别为78.89%、83.33%、71.11%和62.22%，污染程度Hg>Cu>As>Pb。研究区有轻微污染、轻度污染及以上不同程度污染，Hg无中度污染和中度污染，Pb有3.33%处于轻度污染。内梅罗综合污染指数法（表7）显示，从整体上看，研究区土壤已受到不同程度的污染，其中有7.78%处于轻度污染，36.67%处于中度污染，55.55%处于重度污染，在岷县、渭源县、临洮县及果洛的玛沁县和达日县部分处于轻度污染。 3 讨论 现阶段，国家对食品安全重视程度越来越高，这就不得不提药材种植地土壤重金属是否达标这个问题。土壤重金属元素含量情况及其分布对药材的安全性至关重要这与报道相一致[24-26]。本研究分别采用火焰原子吸收光谱法和原子荧光光度计法测定了甘肃道地药材种植地及青海土壤中重金属元素Cu、Pb、As和Hg的含量，比较青海地区土壤相对于道地药材产区土壤重金属元素方面的差异特征，并探讨重金属的累积特征及潜在生态风险评价。Cu和Hg的地累积指数和潜在生态风险显示，采样区土壤的Hg和甘肃的Cu处于无污染状态，采样区土样的Cu属于轻微生态风险，有53.33%土样的Hg处于中等风险;基于单因子污染指数评价，21.11%土样的Cu属于无污染，分布在甘肃省临洮县和渭源县，53.33%土样已经遭受到Hg的污染。这可能与该地区人口活动，当地城市化进程发展较快有关，可能造成含有重金属的废弃物中的重金属元素进入土壤而导致周围环境土壤元素含量升高，这与冯玲等[27]和王立辉等[28]的研究结果相似。
很多研究[27，29-31]表明，土壤重金属来源于工农业生产、汽车尾气排放和成土等因素;土壤类型的不同，其土壤中各项微量元素的含量也存在一定的差异[32]。然而，甘肃土样采样地已经种植多年，有的还是靠近公路的农田，所以可能是受公路来往车辆尾气以及历史时期农民使用某些化肥所致。根据宋泽锋[33]和谭和平[34]等研究表明，土壤中Hg的主要来源为农业生产。因此，该地区应加强土壤污染监控力度，科学合理地处理生活废物，以免使该地区土壤污染状况加剧。采样区土壤As的地累积指数有6.67%的土样属于偏中度或中度或偏重度污染，分布在宕昌县、岷县、渭源县和班玛县等，Pb的地累积指数大都集中在临洮县和漳县属于轻度污染;As和Pb属于轻微生态风险;基于单因子污染指数评价，63.33%土样的As及62.22%土样的Pb已经遭受到污染，这些污染地主要分布在甘肃采样区和果洛州的玛沁县。基于内梅罗综合污染指数法重金属污染程度显示，研究区土壤已经遭受到轻度污染及以上不同程度污染;从生态风险评价（RI）来看，研究区土壤属于轻微生态风险。
4 结论
甘肃和青海药材种植地土壤重金属污染评价结果表明，两地已经出现有轻度、中度和重度污染状况，属于轻微生态风险。地累积指数评价法表明，两地土壤大都处于无污染状态。单项指数法评价结果表明，甘青两地土壤重金属已经有一定程度的累积，但基本上以轻度污染为主;内梅罗综合污染指数法评价结果表明，两地土壤处于中度污染及以上等级的土壤重金属样本数量占全部样本数量的92.31%，两地土壤已经产生很严重的污染;潜在生态危害指数法的评价结果表明，两地土壤生态危害风险以轻微风险为主，但还存在着中等生态风险，如甘肃采样区和果洛州的玛沁县、班玛县和久治县。因此，今后两地土壤须加强污染的治理和控制力度，避免土壤继续恶化。
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（责编：张宏民）
