南丹县油茶土壤和植株中重金属含量分析

陈林强，吴国文，陈梦秋，张 幸，夏莹莹，谭桂菲

（广西壮族自治区林业科学研究院 广西特色经济林培育与利用重点实验室，广西南宁 530002）

油茶（Camellia）是我国特有的木本油料树种，其主产品茶油有“东方橄榄油”之称。茶油具有较高的营养价值，其不饱和脂肪酸含量高，能起到降低血脂和血压及增强记忆力和思维能力的作用；茶油中还含有人体必需的氨基酸和对人体有益的生物活性物质，如茶多酚、角鲨烯和酚类化合物等[1-4]。随着生活水平提高，人们对茶油品质的要求不断提高。油茶产地土壤环境安全是茶油品质安全的基础。土壤中重金属的累积和污染己成为普遍关注的焦点，许多学者对农田、城市和矿区等地的土壤重金属含量、空间分布和风险评价等进行研究[5-8]。油茶属于重金属富集型植物，植株中锰（Mn）、铅（Pb）和镉（Cd）的含量均较高，主要分布在地上部分[8]。油茶不同器官中相同重金属的含量不同；其中，Pb在茎、叶和根中的含量均较高；汞（Hg）在各器官中的含量表现为由下往上递减；砷（As）在各器官中的含量表现为叶>仁>根>茎；Cd 在各器官中的含量表现为由下往上递增；铬（Cr）在各器官中的含量表现为茎>根>仁>叶[9]。

南丹县拥有丰富的金属矿产资源，开采有色金属矿历史悠久，被誉为“中国的锡都”和“有色金属之乡”，以锡（Sn）、锑（Sb）、锌（Zn）、金（Au）、银（Ag）和铜（Cu）等金属矿产为主。矿产资源开发带来可观的经济效益，但由于开采技术的限制，其对矿区及其周边环境产生不同程度的影响，对人体健康具有潜在风险[10-11]。研究表明，南丹县玉米（Zeamays）地土壤中Cd达到重度污染水平，土壤重金属总体属于轻度污染水平；玉米籽粒中Cd、Pb、As 和Zn 含量均存在不同程度超标[12]。南丹大厂矿区农田土壤受到不同程度的重金属污染，污染程度最严重的为Cd，其次为As[13]。南丹县土壤Pb 和Cd 的背景值均显著高于全国和广西土壤背景值；耕地土壤中Sb、As和Cd含量均超标较严重[10]。以上研究表明，南丹县土壤重金属污染风险较高。

云水谷高山油茶产业核心示范区（位于南丹县矿产资源集中区域的大厂镇、车河镇的正北方向约50 km 处）于2019 年9 月开工建设，是广西首个“两山”理论主体实践基地——世界白裤瑶（南丹）大健康旅游扶贫产业园的重要组成部分。本研究以云水谷高山油茶产业核心示范区的油茶林为研究对象，分析土壤和油茶植株中重金属的分布和富集特征，为南丹县油茶的生产经营和生态安全提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西河池市南丹县云水谷高山油茶产业核心示范区（107°54′E，22°22′N）。目前，示范区种植油茶约4 万亩，种植品种主要为岑软2 号（CamelliaoleiferaCenruan 2）和岑软3 号（Camellia oleiferaCenruan 3）等良种；每年冬季施有机肥1 次。示范区土壤基本性质见表1，土壤平均pH值为4.9。

表1 土壤基本性质Tab.1 Basic properties of soil

1.2 土壤、植株样品采集与测定

2022年11月（果实采收期），采集土壤和植株样品；设置6 个采样点，每个采样点设置3 个重复。分别在上坡、中坡和下坡采集60 cm 深土壤混合样品，带回实验室风干、研磨和过筛，共18份土壤样品；分别采集5 株油茶的叶片、枝条和果实组成1 个混合样品，共18 个植株样品。分别测定Cd、Cr、Pb、As 和Hg 的含量。采用原子荧光法测定土壤As、Hg 含量[14-15]；采用火焰原子吸收分光光度法测定土壤Cr含量[16]；采用石墨炉原子吸收分光光度法测定土壤Pb、Cd 含量[17]。植株样品中各重金属含量均按照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268—2016）[18]测定。

1.3 重金属污染评价

采用单项污染指数法评价土壤重金属污染程度[19-20]。

式中，Pi为某污染物的污染指数；Ci为某污染物的实测数值；Si为某污染物的评价标准，即风险值。Si以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）[21]中的农用地土壤污染风险筛选值为评价标准。Pi≤1为清洁无污染；1

在计算单项污染指数的基础上，采用内梅罗综合污染指数对土壤重金属污染程度进行评价[19-20]。

式中，P综合为综合污染指数；Pimax为所有单项污染指数的最大值；Piave为所有单项污染指数的平均值。P综合≤0.7 代表土壤环境清洁，为安全级；0.73.0 代表土壤环境为重度污染。

油茶叶片、枝条和果实对重金属的富集能力采用富集系数表示。

富集系数越大，富集能力越强。对于木本植物来说，富集系数>0.4 表示其对土壤重金属的吸收能力强；0.1≤富集系数≤0.4 代表其对土壤重金属有一定吸收能力；富集系数<0.1 代表其对土壤重金属的吸收能力低[22]。

1.4 数据处理

采用WPS Office 软件绘制图表；采用SPSS 19.0软件进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 土壤环境质量分析

5 种重金属的平均含量表现为Cr>Pb>As>Cd>Hg，分别为50.78、14.29、5.45、0.39 和0.15mg/kg；参照GB 15618—2018中农用地土壤污染风险筛选值，Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于农用地土壤污染风险筛选值（表2）。5 种重金属的平均污染指数表现为Cd>Cr>Pb>As>Hg，分别为1.30、0.34、0.21、0.13和0.11；其中，Cr、Pb、As 和Hg 的平均污染指数均小于1，为清洁无污染；Cd 的平均污染指数在1～2 之间，为轻度污染。示范区土壤重金属综合污染指数为0.97，处于警戒级。

表2 土壤重金属含量、单项污染指数和综合污染指数Tab.2 Contents of heavy metals in soils,single-factor contamination indexes and comprehensive contamination index

2.2 植株中重金属分布及其对重金属的富集能力

不同重金属在油茶叶片、枝条和果实中的含量不同；叶片中5 种重金属的平均含量表现为Cr>Pb>As>Cd>Hg，分别为2.53、1.82、1.39、0.14 和0.04 mg/kg；枝条中5 种重金属的平均含量表现为Pb>As>Cr>Cd>Hg，分别为14.29、5.45、2.30、0.39 和0.15 mg/kg；果实中，As 的含量最高（0.04 mg/kg），其次为Cd（0.02 mg/kg），其他重金属均未检出（表3）。Cr 含量表现为叶片>枝条>果实，Pb、Cd、As 和Hg 含量均表现为枝条>叶片>果实。

表3 叶片、枝条和果实中的重金属含量Tab.3 Contents of heavy metals in leaves,branches and fruits（mg/kg）

5 种重金属在油茶植株中的平均富集能力表现为Cd>As>Pb=Hg>Cr，富集系数分别为0.45、0.16、0.14、0.14 和0.04（表4）。同一重金属在不同器官中的富集能力不同。Cd 在枝条中的富集系数为0.95，表明枝条对Cd 的吸收能力强；Cd 在叶片中的富集系数为0.34，表明叶片对Cd有一定的吸收能力；Pb、As和Hg在叶片和枝条中的富集系数均在0.1～0.4之间，表明叶片和枝条对Pb、As和Hg均有一定的吸收能力；Cr 在叶片和枝条中的富集系数均小于0.1，表明叶片和枝条对Cr 的吸收能力均较低；5 种重金属在果实中的富集系数均低于0.1，表明果实对5 种重金属的吸收能力均较低。

表4 叶片、枝条和果实重金属富集系数Tab.4 Enrichment coefficients of heavy metals in leaves,branches and fruits

3 讨论与结论

土壤是植物生长的基础，土壤-植物系统是生物圈的基本结构单元，可提供强大的生产力[23]。研究表明，我国目前的土壤重金属污染严重[24]。南方丘陵地区是我国油茶的主要栽培区域，土壤也存在重金属污染情况，且不同油茶林地中存在污染风险的重金属不同；广东云浮市油茶林地土壤Cu污染程度最高[25]；本研究中，南丹县云水谷油茶产业核心示范区土壤有Cd 污染风险，与浙江油茶个别产区（常山、建德）[26]和贵州望漠县石屯镇油茶基地土壤个别采样点[27]研究结果一致。Cd 作为农业活动的标志元素，普遍存在于化肥和农药中[28]，农药和化肥的施用会增加土壤Cd的累积；杀虫剂的使用和排水沟污水灌溉均会增加Cd 在土壤中的富集[29]。研究区为平均海拔800 以上的旱地梯田，排除部分农用地水质污染因素，其Cd 的富集可能是因为化肥、农药和地膜等参与生产过程，形成Cd的累积性污染[30]。

本研究中，油茶植株不同部位重金属含量不同，Cr、Pb、As、Cd和Hg主要分布于油茶叶片和枝条中，在果实中未被检出或含量很低；Cr 在叶片中含量较高，其他重金属均在枝条中含量较高，与何天[31]研究结果相似。

富集系数可反映植物对土壤重金属的积累能力，富集系数越小，植物吸收重金属的能力越差，抗土壤重金属污染的能力越强。本研究结果显示，Cd为最容易在油茶植株各器官中富集的重金属。孙姣辉等[32]研究结果显示，Cd 为最容易在玉米根、茎和叶中富集的重金属；周彦珍[33]研究结果显示，Cd为最容易在小麦（Triticumaestivum）根和叶中富集的重金属，Zn 为最容易在茎和籽粒中富集的重金属。植物对重金属的富集能力与自身遗传和生物学特性相关，气候、土壤养分和植物种类及重金属间的相互作用也会对其产生影响。油茶植株，特别是油茶果实中的重金属与土壤中的重金属及植株各器官间重金属的相关性等均需进一步研究。

土壤中5 种重金属的平均含量表现为Cr（50.78 mg/kg）>Pb（14.29 mg/kg）>As（5.45 mg/kg）>Cd（0.39 mg/kg）>Hg（0.15 mg/kg），Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于农用地土壤污染风险筛选值；Cd的平均污染指数为1.30，属于轻度污染；土壤重金属综合污染指数为0.97，处于警戒级。不同重金属在油茶叶片、枝条和果实中的含量不同；Cr 含量表现为叶片>枝条>果实，Pb 含量表现为枝条>叶片>果实，As 含量表现为枝条>叶片>果实，Cd含量表现为枝条>叶片>果实，Hg 含量表现为枝条>叶片>果实。枝条对Cd的吸收能力强；叶片对Cd 有一定的吸收能力；叶片和枝条对Pb、As 和Hg 均有一定的吸收能力，对Cr的吸收能力均较低；果实对5 种重金属的吸收能力均较低。

利益冲突：所有作者声明无利益冲突。

作者贡献声明：陈林强负责试验调查、数据收集和论文撰写；吴国文负责试验调查和数据收集；陈梦秋负责数据分析和论文撰写；张幸、夏莹莹负责数据收集和文献检索；谭桂菲负责试验方案设计和试验调查。