龙胜县丘陵山区土壤与罗汉果重金属含量及潜在生态危害评价

张德楠 周龙武 段春燕 陈霞霞 何文 滕秋梅 孙英杰 张中峰 徐广平

摘要：桂林市龍胜县作为罗汉果的三大主产区之一，种植区土壤重金属含量及罗汉果质量影响到该区罗汉果产业的健康发展。为探索龙胜县丘陵山区典型贫困村罗汉果园的安全性，该文研究了宝赠村典型罗汉果园土壤及罗汉果果实中砷、铜、锌、铅、镉、铬、汞7种重金属含量，并采用Hankanson指数法分析了其潜在生态风险。结果表明：（1）龙胜丘陵山区罗汉果园土壤（0～10 cm，10～20 cm）重金属含量均达到国家农业用地土壤筛选值标准（GB156182018），其中0～10 cm土壤中砷、铜、锌、铅、镉、铬、汞的含量分别为3.67、18.00、58.39、17.01、0.10、28.57、0.08 mg·kg1，10～20 cm土壤中砷、铜、锌、铅、镉、铬、汞的含量分别为1.93、12.56、21.47、10.51、0.04、17.09、0.02 mg·kg1。（2）在0～10 cm和10～20 cm土层中，重金属的生态风险状况总体上处于轻微生态风险等级，综合生态风险指数分别为105.29和38.96;0～10 cm土层不同重金属潜在的生态风险顺序为汞>镉>铅>铜>砷>锌>铬，汞、镉的生态风险分别为50.16、42.05，在总重金属风险中贡献率分别占所有重金属的47.6%和39.9%，已达中等生态风险等级;在10～20 cm土层中，7种重金属的生态风险大小关系为镉>汞>铜>铅>砷>铬>锌。（3）研究区罗汉果果实中砷、铜、锌、铅、镉、铬、汞的含量分别为0.000 24、0.273、1.10、0.001 6、0.000 13、0.000 13、0.000 12 mg·kg1，其生态风险状况均处于轻微风险等级，7种重金属的生态风险顺序为汞>铜>镉>锌>铅>砷>铬，综合生态风险指数为0.211 93，几乎不存在生态风险。因此，在龙胜县丘陵山区典型贫困村——乐江镇宝赠村推广种植的罗汉果达到了安全质量标准。

关键词： 罗汉果， 土壤， 重金属， 生态风险评价

中图分类号：Q948.1

文献标识码：A

文章编号：10003142（2021）02024308

Abstract：Longsheng County is one of the three main producing areas of Siraitia grosvenorii in Guilin City， the contents of heavy metals in soil and S. grosvenorii might affect the healthy development of S. grosvenorii in this area. To explore the safety of S. grosvenorii orchard， heavy metals （As， Cu， Zn， Pb， Cd， Cr， Hg） in the soil（0-10 cm，10-20 cm） and fruit of S. grosvenorii in the hilly region in Longsheng were measured， and their potential ecological risks were evaluated through Hankanson method. The results were as follows： （1） The average content of the heavy metals in the soil（0-10cm，10-20 cm） of S. grosvenorii orchard reached the EcoSSLs standard request of the national agricultural land evaluation criterion （GB156182018）， with the average values in soil（0-10 cm） of As， Cu， Zn， Pb， Cd， Cr， Hg were 3.67， 18.00， 58.39， 17.01， 0.10， 28.57， 0.08 mg·kg1， and in soil（10-20 cm） were 1.93， 12.56， 21.47， 10.51， 0.04， 17.09， 0.02 mg·kg1， respectively. （2） The ecological risk status of heavy metals in soil （0-10 cm） of S. grosvenorii orchard in the hilly region of North Guangxi was a low ecological risk generally. The average ecological risk index values at different points were 105.29， which represented a low ecological risk. The potential ecological risk decreased with the sequence of Hg， Cd， Pb， Cu， As， Cr and Zn， and all the metals except for Hg and Cd had a low ecological risk. The potential ecological risk index caused by Hg and Cd reached 50.16 and 42.05， representing a moderate ecological risk， which contributed around 47.6% and 39.9% of the total potential ecological risk. The ecological risk status of heavy metals in soil （10-20 cm） of S. grosvenorii orchard was a low ecological risk. The average ecological risk index values at different points were 38.96， which had a low ecological risk. The potential ecological risk decreased following the sequence of Cd， Hg， Cu， Pb， As， Cr and Zn. （3） The average content of the heavy metals in the fruit of S. grosvenorii orchard with the values of As， Cu， Zn， Pb， Cd， Cr， Hg were 0.000 24， 0.273， 1.10， 0.001 6， 0.000 13，0.000 13 and 0.000 12 mg·kg1， respectively， which represented a low ecological risk. The potential ecological risk decreased with the sequence of Hg， Cu， Cd， Zn， Pb， As and Cr. It was showed that the average ecological risk index values of different samples were 0.211 93， with little ecological risk. Therefore， the S. grosvenorii planted at Baozeng Village reached the safety and quality standard.

Key words： Siraitia grosvenorii， soil， heavy metal， ecological risk assessment

龙胜县地处广西北部、南岭山系的西南部，平均海拔低，气候温和，光照充足，四季分明，气候条件优越，土层深厚，耕作性好，宜发展各种旱地作物特别适合罗汉果种植。桂北地区做为罗汉果的栽培起源中心，在我国民间已有300多年的历史（白先达等，2009），其种植面积、产量占全国的95%，全球90%的罗汉果产自于桂北地区（曾其国，2012）。罗汉果作为药食两用及桂北地区重要进出口商品，其质量安全直接影响该地区的生态产业发展。开展土壤环境质量调查与评估等研究，有助于推进土壤潜在污染防治工作，从而促进区域农田生态系统健康、稳定和可持续发展（陈卫平等，2018）。因此，加强对罗汉果种植区土壤及罗汉果重金属元素等的研究，对于评价罗汉果质量安全和产地环境都至关重要。

环境中的重金属具有来源广、残毒时间长、不易被微生物分解等特点，会引起严重的环境问题（Loizidous et al.， 1991;Savvides et al.， 1995;范成新等，2002）。环境中的重金属通过各种方式在生态系统中迁移循环，最终可进入人体中，产生严重危害（文湘华，1993;贾振邦等，2001;徐争启等，2004a，b;王晓等，2006;丁振华等，2006）。国内学者对罗汉果的研究主要集中在种质资源（常放筝等，1981;李锋等，2008）、生态环境（彭云滔等，2005）、药理（周欣欣和宋俊生，2004;陈全斌等，2005a，b）、栽培技术（范承彪，2008）、化学成分（刘金磊等，2007）和开发利用（黎霜等，2003）等方面。近年来，在桂林市龙胜县中高海拔的丘陵山地也逐渐推广和试种罗汉果，在典型贫困村——乐江镇宝赠村，已建立“企业+科研院所+农户”的罗汉果种植模式，但该村有关土壤和罗汉果果实中重金属的污染及潜在生态危害评价方面的研究尚不清楚。因此，通过研究宝赠村罗汉果种植区土壤及罗汉果果实中的重金属含量，运用Hakanson指数法等对重金属的潜在生态危害进行评价，旨在为该地区的罗汉果产业的安全发展提供理论依据。

1研究区概况

研究区位于广西北部罗汉果的主产区——桂林市西北部的龙胜县。该区总面积2 538 km2，109°43′—110°21′ E、25°29′—26°12′ N，东、南、北三面高而西部低，高、低海拔垂直高差1 777 m，山峰与山坡呈阶梯状倾斜（陈建设等，2019）。选择的研究区域属于丘陵山地，基岩裸露，土壤比较贫瘠，生态环境比较脆弱;属于亚热带季风气候，年平均气温18～19 ℃，大于或等于10 ℃的积温为5 064～6 383 ℃;年均日照时数1 237.3～1 626.4 h，全年无霜期308～314 d;雨量充沛，年均降雨量为1 500～2 400 mm之间。罗汉果主要种植于海拔300～800 m丘陵、坡地，土壤多由碳酸盐发育而来，由砂壤土和粘土组成红壤（曾其国，2012）。

2材料与方法

2.1 采样方法

在广西桂林龙胜县乐江镇宝赠村罗汉果种植地（109°50′14″ E、25°59′13″ N，海拔523～650 m），选择具有代表性的不同海拔高度的3块种植地，每块地1 hm2，按照0～10 cm，10～20 cm土层采样，运用“五点采样法”，各采集同层5个点的土壤合并为1份樣品，每份土壤样品1.5 kg，每样地采集土样3份。土壤样品经过前处理、风干、磨细过0.150 mm土壤筛备用。在土壤采样点，选取100 cm × 100 cm的样方进行罗汉果采样，选取生长期为90～100 d，果柄泛黄，果皮青黄色的成熟青皮果罗汉果果实，每种植地采集3份罗汉果，每份罗汉果9个（大、中、小果各3个），将采集好的罗汉果样品保存于保鲜袋中带回实验室后放入烘箱恒温65 ℃下烘烤制成干燥果实样品，备后续实验分析用。

2.2 测试方法

采用IRIS1000ER/S型等离子体发射光谱仪（Therm Jerrell Ash Co.，USA）测定砷（As）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）和汞（Hg）的元素含量（沈育伊等，2012），工作参数如下：高频功率1 150 W，雾化器压力为30.06 psi （1 psi=6.89×103 Pa），辅助气流量0.5 L·min1，蠕动泵转速100 r·min1，进样清洗时间45 s，提升量1.85 mL·min1;仪器检测的最低极限值<0.000 01。微波消解仪（德国，ETHOS1）功率为1 000 W，微波消解程序：20～180 ℃，升温10 min;180 ℃保持20 min;180～20 ℃，降温30 min。所用化学试剂均为分析纯，实验室用水为超纯水（Elga purel ab Classic超纯水机系统，英国Elga公司）;ER180A万分之一全自动分析天平（日本岛津）、电热恒温干燥箱（上海实验仪器厂）等;As、Cu、Zn、Pb、Cd、Cr和Hg的标准溶液（国家钢铁材料测试中心提供）均用1% HNO3配制而成;称取试样0.500 0 g置于石英消解罐中，加

8 mL硝酸于微波消解仪中按照程序进行消解;同时做样品空白对照，待消化完全后取下，放在消解器上加热，赶酸，待溶液体积为0.5～1.0 mL时将其转移到50 mL容量瓶中，反复清洗消解罐，合并移入容量瓶中，并用超纯水定容至刻度。土壤和植物样品中元素含量以干物质中元素的质量分数表示。

2.3 单因子污染指数法（周笑白等，2015）

利用单因子污染指数法，评价土壤和罗汉果果实中重金属污染物的超标情况。具体如下：

式中：PIi为采样点的重金属i的污染指数;Ci为该样点重金属i的实测含量;Si为重金属i的评价标准含量。

2.4 土壤及罗汉果果实潜在风险评价方法（周笑白等，2015）

采用瑞典科学家Hakanson提出的潜在生态危害指数法，对土壤及罗汉果果实进行评价（徐争启等，2008）。通过分析土壤及罗汉果果实中各个重金属污染物的释放能力和生物毒性强度，将土壤及罗汉果果实中污染物的含量折算成生物毒性风险;对于多种重金属共存情况，通过加和的处理方式来衡量。计算方法如下：

式中：Ein为重金属i的潜在生态风险指数;Tir为重金属i的毒性系数（表1）（徐争启等，2008）;Sis为重金属i的实测值;Cin为重金属i的评价参考值，该研究选用广西土壤重金属背景值为参考值（表1）（杨胜香等，2006;程峰，2014;赵慧芳等，2016;王佛鹏等，2018）;RI为土壤及罗汉果果实中重金属污染物的综合潜在生态风险指数。Hakanson的潜在生态风险指数法对污染程度的划分如表2 所示。

2.5 数据处理

利用Excel 2007和SPSS19 软件进行数据统计分析，对不同重金属污染物进行方差分析，对土壤不同重金属元素含量进行Pearson 相关性分析。

3结果与分析

3.1 龙胜丘陵山区罗汉果果园土壤中重金属的含量分析

本次调查土壤样品中的7种重金属平均含量均远低于国家农业用地土壤环境质量标准限值（GB156182018），说明桂北典型丘陵山区宝赠村罗汉果果园土壤均达到国家农用地土壤筛选值标准。0～20 cm土壤中重金属含量由高至低为锌>铬>铜>铅>砷>镉>汞（表3），所有样点中土壤均可满足罗汉果培育等用地要求。

龙胜丘陵山区宝赠村罗汉果果园土壤（0～10 cm）中7种重金属的平均值均低于桂东北农业土壤中重金属含量，除汞以外的其他6种重金属含量均低于西江流域背景值和全国土壤背景值。基于桂东北农业土壤重金属含量值，符合正常标准范围内数据，说明本研究区域内土壤质量优于桂东北农业土壤。该研究土壤 （10～20 cm） 中7种重金属的平均值均低于桂东北农业土壤、西江流域背景值和全国土壤背景值，随土层深度增加其重金属含量随之减少。

3.2 龙胜丘陵山区罗汉果果实中重金属的含量分析

表4数据表明，研究区域罗汉果果实中7种重金属含量达到了国家食品污染物限量标准，砷、铅、镉、铬和汞在果实中的含量几乎接近于零;该研究中的罗汉果果实重金属砷、铜、铅、镉和汞含量完全符合药用植物绿色行业标准（WM/T22004）。

3.3 龙胜丘陵山区罗汉果园土壤与果实中重金属的生态风险分析

表5数据显示，龙胜丘陵山区罗汉果园表层土壤（0～10 cm）中重金属的生态风险状况总体上处于轻微生态风险等级，7种重金属的生态风险顺序为汞>镉>铅>铜>砷>锌>铬。所有重金属中汞的生态风险值最高（50.16），平均生态风险达到了中等生态风险强度，镉的生态风险值次之（42.05），平均生态风险亦达到中等生态风险强度。汞和镉在重金属生态风险中的贡献率分别占所有重金属的47.6%和39.9%。汞、镉生态风险较高与汞、镉的生物毒性较高和近年来累积速度较快有关。

10～20 cm层土壤中重金属的生态风险状况均处于轻微生态风险等级，7种重金属的生态风险大小关系为镉>汞>铜>铅>砷>铬>锌。罗汉果果实中重金属的生态风险状况均处于轻微风险等级，7种重金属的生态风险大小表现为汞>铜>镉>锌>铅>砷>铬，其生态风险值非常低，几乎不存在风险。

3.4 龙胜丘陵山区罗汉果园土壤中重金属的相关性分析

相关性分析表明，土壤金属镉与铬之间相关性不顯著（P=0.527，r=0.038），镉与锌具有较好的相关性（P=0.839，r=0.002），类金属砷和汞具有较好的相关性（P=0.635，r=0.001）。重金属和类金属之间的相关性说明这些重金属和类金属有一定的同源性（张雷等，2011）。

4讨论与结论

龙胜丘陵山区宝赠村罗汉果果园土壤（0～10 cm）重金属砷、铜、锌、铬的含量相对于背景值没有明显的变化，锌、镉和汞的含量有所升高，含量达到了背景值的1.1倍，但未超过国家农用地土壤筛选值标准，汞含量低于郑武（1993）测定的桂东北地区农业土壤的汞含量。这可能与研究区域周边无汞的污染源，地处贫困深山区，土壤未受到污染有关。

本研究区域罗汉果果实中7种重金属含量远低于国家标准中食品污染物限量，砷、铅、镉、铬和汞在果实中的含量几乎已达到仪器检测的最低极限值，铜和锌远低于国家标准，仅为国标的2.73%和2.2%，这与曾其国（2012）在龙胜县开展的研究结果相似。与同属桂北罗汉果主产区临桂和永福的罗汉果果实重金属含量（李斐，2007）相比较表明，该研究中的罗汉果果实重金属砷、铜、铅、镉和汞仅为上述两地罗汉果重金属含量的1/1000、1/20、1/1000、1/2000和1/100;该研究中的罗汉果果实重金属砷、铜、铅、镉和汞含量完全符合药用植物绿色行业标准（WM/T22004），仅为此标准值的1/10000、1/100、3/10000、1/2500和3/2500。由此证明，研究区域内产的罗汉果更绿色、更安全，也表明该区域种植和发展罗汉果产业是安全和可行的。

综上所述，龙胜丘陵山区典型贫困村宝赠村罗汉果果园土壤重金属含量远低于国家农业用地土壤环境质量标准限值，该区域土壤均达到国家农用地土壤筛选值标准。表层土壤（0～10 cm）中重金属的生态风险状况总体上处于轻微生态风险等级，7 种重金属的生态风险顺序为汞>镉>铅>铜>砷>锌>铬。所有重金属中汞、镉的生态风险较高，在总重金属风险中贡献率分别占所有重金属的47.6%和39.9%，达到了中等生态风险等级。土壤（10～20 cm）中重金属的生态风险状况均处于轻微生态风险等级，7种重金属的生态风险顺序为镉>汞>铜>铅>砷>铬>锌。龙胜丘陵山区典型贫困村宝赠村罗汉果果实中重金属的生态风险状况均处于轻微风险等级，7种重金属的生态风险顺序为汞>铜>镉>锌>铅>砷>铬，几乎不存在生态风险，可放心入药和食用。因此，建议在龙胜典型丘陵山地宝赠村及周边的贫困山区，罗汉果可作为优先发展的绿色产业来种植和推广。

致谢感谢程桂霞、刘建春、蒋玉龙等在实验样品分析方面提供的帮助！

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