白及不同种植年限下土壤－植株系统重金属含量及富集特征研究

戚燕强，张家春，孙超，周颖，王永，熊鹏飞

（1.贵州省植物园，贵州 贵阳 550004；2.中国科学院贵州省天然产物化学重点实验室，贵州 贵阳 550002）

白及（Bletilla striata（Thunb.）Reichb.f.）系兰科白及属多年生草本植物［1］，以干燥块茎入药。白及性微寒，味苦、甘、涩，具有止血收敛、消肿生肌之功效。研究表明，白及主要化学成分包括白及多糖、挥发油、甾类、萜类、醚类等，其中发挥药效的主要成分为白及多糖，且白及多糖作为一种优良的高分子材料，已广泛应用于生物医药、食品保健和日用化工等领域［2－4］。现白及已发展成为一种兼具药、食、工业、保健与观赏的特殊经济植物，具有巨大的利用空间［5，6］。随着对白及认识的逐渐加深，市场对白及的开发利用日趋增多。为了满足市场不断增加的需求量和保护白及野生资源的需求，人工栽培种植成为白及商品的直接来源。

中药材生产讲求道地性，地质、气候及生物等因子组合的“地质背景系统”制约着中药材的分布、生长及产量品质［7］。中药材药效成分的形成和积累与地质背景系统有密切关系，随地质条件的不同表现出产量、外观及药效成分的差异，具体表现为气候、土壤和生物等的差异性［8］。中药材生长所需养分主要来源于土壤，同时土壤的水、肥、气、热会影响中药材的生长［9－12］。土壤养分在促进中药材生长和药效成分的形成与累积的同时，土壤质量也对中药材的重金属及农药残留等有一定的影响［13，14］。目前，针对白及主要集中于其化学成分与药理、种质资源等方面研究［15－17］，而对白及种植中土壤－植株（块茎）系统重金属含量的研究尚未见报道。本研究以白及不同种植年限土壤及其块茎为对象，分析检测其重金属含量，对土壤及块茎中重金属污染进行评价，探讨白及块茎重金属的富集特征及相关性，为生产高品质白及中药材提供参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

施秉县位于贵州省中东部，黔东南苗族侗族自治州西北部（107°52′37″～108°28′47″E，26°46′46″～27°20′16″N），平均海拔526 m，地势起伏大，地貌类型多，岩溶地貌发育。气候属亚热带湿润季风气候区，具有季风性、高原性特点。夏无酷暑，冬无严寒，温暖湿润，太阳辐射弱，日照时数少，年总辐射3 538 MJ／m2，日照时数1 197 h，年平均气温14～16℃，年总积温5 500℃，无霜期225～294 d，年降水量1 060～1 200 mm，常年主导风为东北风。土壤以黑色石灰土居多，黄壤次之，兼有黄棕壤、紫色土和潮土。

1.2 样品采集与制备

本研究采用GPS定位，样区分布于施秉县双井镇和杨柳塘镇。其中双井镇地理坐标为108°24′10″E、26°53′4″N，海拔935 m；杨柳塘镇地理坐标为108°8′31″E、26°55′15″N，海拔826 m。采集白及不同种植年限0～20 cm耕层土壤样品13个，其中种植年限1年的3个、2年的5个、3年的5个。土样采集以梅花形布点方法进行，每个样区采集5个样点充分混合后用四分法反复取舍，最后保留1 kg作为该样区样品。

将采集的土样装入干净布袋，编号后带回实验室，倒在干净的塑料膜上，均匀铺开，自然晾晒一段后把土块压碎，并除去石砾、残根等杂物，再置于阴凉通风处自然晾干。然后将样品充分混匀，按对角线四分取土法分取一半样品保存备用，另一半样品研磨后过2 mm尼龙网筛，再取20 g经研钵研细过0.15 mm尼龙网筛，充分混匀待用。

采集土样时，对应采集不同种植年限白及块茎植株样品共计12个，其中种植年限1年的3个、2年的5个、3年的4个。白及块茎用自来水清洗并带回实验室后，再用去离子水冲洗干净，去除须根。将洗净的白及块茎用沸水煮至无白心后取出自然风干，后用粉碎机粉碎，过60目筛充分混匀备用。

不同种植年限土壤基本理化性状见表1。

表1 不同种植年限土壤有机质含量及pH值

1.3 样品测定方法

本研究分析测试的重金属元素包括Pb、Cr、Cu、As和Cd共5种。所用试剂均为优级纯、二次去离子水。重金属均采用六点标准曲线外标法定量，各指标标准曲线r值大于0.99，测定过程中严格按照国家标准，采用平行样和标准参考物质来控制准确度。

白及样品采用HNO3－HClO4加热消解，土样采用HCl－HF－HNO3－HClO4加热消解。土壤与白及中As采用原子荧光光谱法，以双道原子荧光光度计测定；白及中其它重金属元素以ICPMS测定。土壤中Cr采用火焰原子吸收分光光度法测定；Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Pb采用石墨炉原子吸收分光光度法测定；Cu采用电感耦合等离子体质谱法［18，19］测定。

1.4 评价方法

1.4.1 单因子污染指数和内梅罗综合污染指数法 本研究采用单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法对白及不同种植年限下土壤重金属污染进行评价。单因子污染指数法能够分别反映各个污染物的污染程度，表达式为：

式中：Pi为农作物中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的实测浓度值；Si为i种污染物的评价标准。

根据单因子指数值的大小来判断农作物中某种重金属的污染程度，若Pi≤1.0，则未受到污染；若Pi＞1.0，已受到污染，指数越大则表明农作物污染物累积程度越高。

单因子污染指数法只能评价各个污染物的污染程度，评价某个区域重金属污染程度时需应用综合污染指数法进行评价。综合污染评价采用兼顾单元素污染指数平均值和最大值的内梅罗综合污染指数法。计算公式：

式中：P综为土壤综合污染指数；Pi（max）为土壤中单项污染物的最大污染指数。根据内梅罗综合污染指数的大小对农作物质量进行分级，农作物污染分级的评价标准见表2。

表2 农作物污染分级标准

1.4.2 地累积指数法 地累积指数（index of geo-accumulation，Igeo）计算公式［20］如下：

式中：Cn为实测土壤重金属含量，mg／kg；B为当地沉积物重金属含量背景值，mg／kg；K为考虑成岩作用可能引起背景值波动而设定的常数，K＝1.5。

地累积指数的分级与污染程度的划分标准见表3。

表3 土壤环境质量等级

1.4.3 富集系数法 富集系数（enrichment factor EF）是评价人类活动对土壤重金属富集程度影响的重要参数，其可区分人类活动和自然因素对土壤重金属富集的影响，计算公式［21］：

式中：（Ci／Cn）s为土壤中元素i的实测含量与参比元素n的实测含量之比值；（Ci／Cn）b为自然背景中元素i的含量与参比元素n的含量之比值。

富集系数法分级标准［22］见表4。

表4 富集系数与富集程度

1.4.4 潜在生态危害指数法 潜在生态危害指数法不仅可以反映单一重金属元素对环境的影响，还能综合评价重金属对生态环境的潜在影响，是常用且具有代表性的基于评价重金属总量的生态风险评价的方法之一［23］。其计算公式：

潜在生态风险指数评价标准见表5。

表5 潜在风险评价指标

1.5 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2007软件统计，去除异常值后，对各数据进行平均值、标准差及变异系数分析。采用SPSS 19.0软件进行相关性和差异显著性分析。采用Origin 9.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 白及不同种植年限土壤重金属元素特征

由表6看出，白及不同种植年限土壤中重金属含量存在显著差异。其中种植1年的土壤中Cr含量显著高于种植2、3年的；种植3年的土壤中Cd、Pb、Cu含量显著高于其他两个种植年限，且随种植年限的变化表现为：3年＞1年＞2年；As含量随种植年限的增加而显著增加。本试验结果表明，除Cr外，重金属Cd、Pb、As及Cu含量的最大值均出现在种植3年的土壤中，特别是Cd和As，随种植年限的增加出现了累积效应。

表6 白及不同种植年限土壤重金属含量（mg／kg）

种植年限不同土壤各重金属含量亦存在差异：种植1年和2年的土壤中重金属含量表现为Pb＞Cu＞Cr＞As＞Cd，种植3年的表现为Pb＞Cu＞As＞Cr＞Cd。参照贵州省土壤背景值，白及不同种植年限下土壤重金属含量均低于背景值。参照贵州省表生沉积物背景值，种植3年土壤中Cd含量、种植1年和3年土壤中Pb含量超过背景值。根据《绿色食品——产地环境质量》（NY／T 391—2013）土壤质量要求，种植3年的土壤中Cd含量超过标准值，其余种植年限下土壤重金属含量未超标准值。参照《土壤环境质量——农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GT 15618—2018），种植3年的土壤中Cd含量超过筛选值，其余种植年限下各重金属含量均未超过筛选值。

2.2 不同种植年限白及块茎中重金属元素特征分析

由表7看出，种植1年的白及块茎中重金属As含量显著高于其他两个种植年限。白及块茎中重金属Cd含量随种植年限的增加先显著增加后显著降低；重金属Cr和Pb含量随种植年限的增加逐渐增加；重金属Cu含量随种植年限的增加逐渐降低，且种植1年的白及块茎中Cu含量显著高于其它两个种植年限。

表7 不同种植年限下白及块茎重金属含量（mg／kg）

参照《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》（WM／T 2—2004），除种植2年和3年下白及块茎中Cd含量超过限量标准值，其余各种重金属在不同种植年限的白及块茎中含量均未超过标准值。WM／T 2—2004规定中药材重金属含量不能超过20 mg／kg，白及块茎中重金属总含量随种植年限的增加逐渐增加，且种植2年和3年的白及块茎中重金属总量超过20 mg／kg。其原因可能是，本研究选择了As、Cd、Cr、Cu和Pb共五种，但WM／T 2—2004中未对重金属Cr做出限定，此重金属总量的标准不含Cr的值。

2.3 白及不同种植年限土壤重金属污染评价

采用单因子指数法（Pi）和内梅罗综合指数法（P综）对贵州省不同种植年限土壤重金属污染进行评价。结果（表8）表明，种植3年的土壤中重金属Cd的单因子污染指数大于1，其余种植年限下土壤中重金属单因子污染指数均小于1，表明种植3年的土壤受到Cd的污染，其余种植年限土壤均未受到重金属污染。

表8 白及不同种植年限土壤重金属污染的评价

种植1年和2年白及土壤的重金属综合污染指数小于0.7，污染等级为安全；种植3年的综合污染指数为1.20，属于轻度污染。参照《土壤环境质量——农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，白及种植1年和2年的土壤重金属综合污染指数小于0.7，污染等级为安全；种植3年的土壤综合污染指数为0.78，污染等级为警戒线。

以贵州省表生沉积物背景值，采用地积累指数法，对贵州白及不同种植年限土壤重金属污染状况进行评价（图1），计算结果为正值，说明土壤被污染，负值说明土壤没被污染。从图1可知，白及种植3年土壤中Cd地积累指数为正值，其余重金属在不同种植年限下地积累指数都是负值，表明贵州省种植白及3年的土壤受到重金属Cd的污染。

图1 白及不同种植年限土壤重金属地积累指数

表9 白及不同种植年限土壤重金属单因子生态危害系数和潜在生态危害指数

2.4 不同种植年限白及块茎重金属富集特征及相关性分析

重金属富集系数反映植物将土壤中重金属元素转移到体内的能力，系数值越大，则植物对该种重金属从土壤向体内的迁移能力越强［26］。由图2看出，不同种植年限白及块茎对不同重金属的富集能力不同，种植2年的Cd富集系数最大，其次是种植3年的Cr富集系数，种植2年的Cd、种植2年和3年的Cr及种植1年的As富集系数均大于1，其他不同种植年限下白及块茎重金属的富集系数小于1。白及块茎中重金属Cr和Pb的富集系数随种植年限的增加而增加，但重金属As的富集系数随种植年限的增加而减少。从富集系数来看，不同种植年限重金属Cr容易从土壤迁移到白及块茎中。

图2 不同种植年限白及块茎重金属富集系数

对白及不同种植年限土壤重金属、有机质、pH值及块茎中重金属含量之间进行相关性分析，结果如表10所示。种植年限与土壤重金属As呈极显著正相关，与土壤pH值呈显著正相关。土壤pH值与土壤重金属Cd、Pb呈极显著正相关，与重金属As、Cu呈显著正相关。土壤有机质与土壤重金属Cu、Pb呈极显著负相关，与土壤重金属Cr为显著负相关。土壤重金属Cd与As、Cu与Pb之间为极显著正相关。

表10 土壤pH值、有机质、土壤－植株系统重金属间相关性分析

块茎中Pb与土壤As为显著正相关，块茎Cd和土壤Cr之间为显著负相关。白及块茎重金属Cd与Cu为显著负相关。

3 讨论与结论

3.1 种植年限对土壤和白及块茎中重金属空间分布的影响

变异系数可反映各样点重金属含量的平均变异程度，若变异系数大于50%，说明重金属含量空间分布不均匀，存在点源污染可能，有外源物质进入所致［27］。本研究中，白及不同种植年限土壤中重金属Cd和As的变异系数均大于50%，变异比较明显，表明Cd和As含量的空间分布不均匀且受某些局部污染源的影响。其中，Cd的变异系数在种植1、2、3年时分别为60.22%、71.28%、69.83%；As的变异系数在种植1、2、3年时分别为54.46%、70.32%、81.79%，且其变异系数随种植年限增加逐渐增加，表明土壤重金属As含量随种植年限增加其空间分布越不均匀。种植1年土壤重金属Cr、种植1年和2年的土壤重金属Cu的变异系数处于25%～50%之间，呈现中等变异，表明人为因素对Cr和Cu积累的影响较大。其余种植年限土壤重金属的变异系数均小于25%，呈现弱变异，说明其含量受外界的影响较小。

不同种植年限下白及块茎重金属含量的变异系数不同（表7）：As在种植1年和2年的白及块茎中变异系数都大于50%，分别为68.02%和61.65%，呈现强变异；Cd在种植1年和3年的白及块茎中变异系数分别为94.28%和61.50%，变异比较明显；Cr和Cu在种植3年的白及块茎中变异系数都大于50%，变异比较明显；Pb在种植1、2、3年的白及块茎中变异系数均大于50%，分别为61.19%、57.17%和65.85%，都属于强变异。表明As在种植1年和2年、Cd在种植1年和3年、Cr和Cu在种植3年及Pb在种植1、2、3年的白及块茎中的含量空间分布不均匀，存在点源污染可能性，有外源物质进入所致。种植2年白及块茎中Cu的变异系数属中等变异，其余种植年限下白及块茎中重金属的变异系数均小于25%，呈现弱变异。

3.2 种植年限对土壤和白及块茎中重金属含量的影响

白及是多年生草本植物，一般以种植或生长3年以上白及块茎为药材。白及块茎采收年限的确定，不仅要考虑产量，还应该兼顾其内在品质。中药材的内在品质对其发挥药效的成分有要求，同时对污染物种类及数量有一定的限定［28－30］。中药材重金属含量超标是影响其品质的因素之一。本研究结果表明，白及块茎中重金属总含量随种植年限的增加逐渐增加。其中白及块茎中重金属As和Cu含量以种植1年的最高，且Cu含量随种植年限的增加逐渐降低；而Cr含量随种植年限的增加逐渐增加；Cd含量随种植年限的增加呈现累积效应，种植2年和3年的白及块茎中Cd含量分别是种植1年含量的20倍和18倍，超过限量标准值。因此影响贵州白及块茎品质的重金属元素为Cd。

土壤是中药材生产的基础物质，土壤重金属的种类和含量在很大程度上影响着中药材中重金属的含量［31］，因此必须加强对土壤重金属的考查及评价［32］。本研究结果表明，土壤中As含量随种植年限的增加逐渐增加，且种植3年的土壤中As含量约是种植1年的6倍；种植3年的土壤中Cd含量显著高于种植1年和2年的，种植3年的土壤Cd含量是种植2年的6倍多。从白及不同种植年限土壤中重金属含量来看，除Cr外，Cd、Pb、As及Cu含量的最大值均出现在种植3年的土壤中，特别是Cd和As，随种植年限的增加出现累积效应。种植3年的土壤中重金属Cd含量超过标准值。

3.3 种植年限对土壤和白及块茎中重金属污染的影响

中药材产地土壤重金属评价方法主要包括单因子与综合因子指数法、地累积指数法、潜在生态危害指数法等［33］。本研究表明，种植3年的土壤中Cd的单因子污染指数大于1，表明土壤受到重金属Cd的污染；从综合污染指数来看，种植3年的土壤属于警戒线或轻度污染水平。从地积累指数法评价结果来看，白及种植3年的土壤受到重金属Cd的污染。

中药材及其种植环境的重金属研究，对解决中药材生产过程中重金属超标问题具有十分重要的意义。对中药材土壤重金属进行考查及评价过程中，还应重视中药材自身对重金属吸收和累积特性［34，35］。通过对中药材重金属富集系数的分析，周浓等［36］发现白术、木香、川芎对Pb具有较强的生物积累作用。本研究结果表明，种植2年的白及块茎重金属Cd富集系数最大，其次是种植3年的Cr富集系数，种植2年的Cd、种植2年和3年的Cr及种植1年的As富集系数均大于1，其他重金属的富集系数小于1。白及块茎中重金属Cr和Pb的富集系数随种植年限的增加而增加，但重金属As的富集系数随种植年限的增加而减少。从富集系数来看，不同种植年限下重金属Cr容易从土壤迁移到白及块茎中。