三七中5 种重金属的风险评价及累积特征*

2024-04-01宋昕儒耿继成陈建军邓维萍梅馨月

云南农业大学学报(自然科学) 2024年1期

宋昕儒，耿继成，徐杰，陈建军，陈军，邓维萍，梅馨月**

(1.云南农业大学资源与环境学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学植物保护学院，云南昆明 650201；3.中国冶金地质总局昆明地质勘查院测试中心，云南昆明 650201；4.云南农业大学理学院，云南昆明 650201)

三七[Panax notoginseng(Burk.) F.H.Chen]为五加科(Araliaceae)人参属(Panax)多年生草本植物，是中国珍贵的中药材，有悠久的栽培和药用历史，具有散瘀止血、消肿定痛的功效[1]。云南独特的自然环境造就了生物医药产业发展的资源优势，三七种植、加工及相关配套产业已成为云南省富民强省的重要支柱产业之一。据统计，云南省三七种植面积占中国种植面积的90%以上，在文山、昆明、曲靖、红河、临沧等地有广泛的人工种植区，是中国主要的三七产区之一[2]。但由于三七部分种植区与锡、锌、锑、铝等金属矿区高度重叠，再加上密集型农业化肥农药投入量大等问题导致三七种植土壤存在不同程度的重金属污染风险[3]。

云南地区地质多样，土壤条件和重金属污染风险也存在差异。黄珍华等[4]对云南省砚山、丘北、蒙自、石屏和石林不同土层和三七植株中的8 种重金属污染特征及风险进行评价发现：三七种植土壤污染程度较高的重金属为Cd、Cu 和Cr，但均对人体健康无风险。刘源等[5]研究发现：曲靖、文山、昆明和红河的三七种植土壤中Cu、Cd 和As 超标率依次为64.7%、62.7%和35.3%，且三七块根中重金属累积量与土壤重金属浓度呈线性正相关。许多药用植物在生长过程中可能会积累重金属Cd、Pb、As 等，这些有毒元素的过量累积会对人体健康造成威胁[6]。因此，如何在保证三七生长品质的同时降低植株对重金属的吸收累积、免受重金属毒害、提升药效和降低相关风险，已成为三七种植乃至医药行业亟待解决的问题。本研究采集种植于云南省10 个三七种植地的三七植株，测定植株及其根际土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cr 的重金属含量，参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[7]评价三七根际土壤以及三七植株地上部和地下部5 种重金属元素的污染风险，进一步比较5 种重金属的超标率，评价三七对5 种重金属的累积特征差异，筛选三七种植地及植株中有潜在污染风险的重金属元素，以期为田间合理阻控三七对重金属的吸收提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

三七植株及根际土壤的采集地主要信息见表1，各采样地的土壤类型均为红壤。

表1 供试三七采样地信息Tab.1 Information of Panax notoginseng sample fields for testing

1.2 供试材料

1.2.1 供试三七

采用五点采样法随机采集种植于云南砚山、维摩、师宗、石林、曲靖、临沧、丘北、羊街种植地的三七植株，每个采样点采集25 株，共250株。新鲜三七采集后用自来水冲洗干净，洗去根部土壤，并用细毛刷清洗，再用去离子水冲洗；将三七植株分成地上部和地下部，于105 ℃杀青处理30 min，然后于60 ℃下烘干至恒质量，磨碎后过60 目筛，置于封口袋中保存备用[8]。

1.2.2 供试土壤

采集三七植株根系周围0～2 cm 的土壤，每个采样点采集5 个土壤样品，混合并自然风干，共50 个土壤样品。剔除样品中的植物根系和有机残渣，碾碎并研磨过筛，装入自封袋中密封保存，待测。其中，过60 目筛的样品用于测定土壤pH 值及有机质含量，过100 目筛的样品用于测定土壤重金属含量。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤pH 值及有机质含量的测定

参照中华人民共和国农业行业标准NY-T 1377—2007 和NY-T 1121.6—2006[9-10]测定。

1.3.2 土壤和植株重金属含量的测定

土壤Hg 和As 含量的测定采用原子荧光法[11]；土壤Cd、Pb 和Cr 含量的测定采用《区域地球化学样品分析方法》中的电感耦合等离子质谱法[12]。三七植株Hg 含量的测定参照GB 5009.17—2014[13]；植株As、Cd、Pb 和Cr 含量的测定参照GB 5009.268—2016[14]。

1.4 评价方法

1.4.1 土壤重金属污染评价

农用地土壤重金属限量评价标准参照《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618—2018)[7]。采样区域的重金属污染评价采用单因子指数法和内梅罗综合污染指数法[15-16]。单因子指数评价法的计算公式为Pi=Ci/Si。式中：Pi为i污染物的污染指数；Ci为i污染物的实际测量值；Si为i污染物的评价标准。内梅罗综合污染指数法的计算公式为。式中：P综合为内梅罗综合污染指数；Pmax为单项污染指数最大值。根据单因子污染指数和内梅罗综合污染指数可将土壤重金属污染分别划分为4 个和5 个等级(表2)。

表2 土壤重金属污染评价分级标准Tab.2 Evaluation classification standard of soil heavy metal pollution

1.4.2 植株重金属污染评价

三七植株地上部重金属限量标准参考DBS 53/024—2017[17]；三七植株地下部重金属限量标准参考《中国药典》(2020 年版)；Cr 元素限量标准参考GB 2762—2017[18]。

1.4.3 植株重金属吸收转运能力评价

采用生物富集系数(bio-enrichment coefficient，BEC)和转运系数(transport coefficient，TC)进行评价。BEC 为植物中不同部位重金属浓度与土壤重金属浓度之比，用于评价植物吸收和富集某种重金属的能力，BEC＞1 表明具有富集能力，BEC值越大，表明其重金属富集能力越强[19]。TC 为植物地上部重金属含量与地下部重金属含量之比，用于评估化学物质在植物体内的迁移转运能力。

1.5 数据处理与统计分析

采用Excel 和SPSS 26 分析和处理数据。

2 结果与分析

2.1 三七根际土壤的重金属含量

由表3 可知：三七根际土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cr 的平均含量分别为0.15、31.73、0.51、31.80 和122.05 mg/kg。其中As、Cd 和Cr 含量均超过筛选值，但并未超过管控值，超标率依次为Cd＞As＞Cr。Cd 平均含量为0.10～1.35 mg/kg，超标率为75.56%，超出限量标准101.02%；As 平均含量为4.87～87.67 mg/kg，超标率为40.23%，超出限量标准107.88%；Cr 平均含量为63.91～280.00 mg/kg，超标率为8.89%，超出限量标准65.06%。可见，本研究中三七采样地土壤Cd 污染最严重。

表3 三七根际土壤中5 种重金属的含量Tab.3 Contents of five heavy metals in P.notoginseng rhizosphere soil

2.2 三七根际土壤的重金属污染指数

由表4 可知：10 个采样地的根际土壤重金属污染指数依次为Cd＞As＞Cr＞Pb＞Hg；10 个采样地中，1 个采样地处于重度污染，1 个采样地处于中度污染，4 个采样地处于轻度污染，2 个采样地处于警戒级，2 个采样地处于安全。

表4 三七根际土壤中5 种重金属的污染指数Tab.4 Pollution index of five heavy metals in P.notoginseng rhizosphere soil

2.3 三七植株中的重金属含量

由表5 可知：三七地上部5 种重金属的超标率由高到低依次为Cd (67.90%)＞Cr (22.22%)＞Pb(10.84%)，3 种元素的平均含量分别为0.72、1.41和0.95 mg/kg，分别超出限量标准筛选值85.10%、62.69%和16.35%；Hg 和As 含量未超标。地下部重金属超标率依次为Cr (49.43%)＞Cd (32.05%)＞As (23.46%)＞Pb (3.70%)，4 种元素的平均含量分别为3.42、1.15、1.19 和1.50 mg/kg，分别超出限量标准筛选值97.92%、125.53%、30.33%和74.22%；Hg 未超标。除了Hg，三七植株中其他4 种重金属超出限量标准的百分比均表现为地下部＞地上部，且地下部和地上部均超标的重金属为Cd、Cr 和Pb。

表5 三七植株中5 种重金属的含量及超标率Tab.5 Contents and exceeded rate of five heavy metals in P.notoginseng plants

2.4 三七植株的重金属累积特征

三七植株中5 种重金属的转运系数由大到小依次为Hg (1.89)＞Pb (0.96)＞Cd (0.71)＞Cr (0.63)＞As (0.41)。除Hg 以外，其他4 种重金属的转运系数均小于1，说明三七易将Hg 转移至地上部，而Cd、Pb、As 和Cr 主要累积在三七植株的地下部。

三七植株地上部对5 种重金属的富集系数排序为Cd (1.70)＞Hg (0.36)＞Pb (0.03)＞As (0.02)＞Cr(0.01)，地下部对5 种重金属的富集系数排序为Cd (2.55)＞Hg (0.18)＞As (0.06)＞Pb (0.05)＞Cr (0.03)。地上部和地下部的富集系数均为Cd 最大、Cr 最小，且对Cd 的富集系数均大于1，对Hg、Pb、As 和Cr 的富集系数均小于1，说明三七植株的地上部和地下部对Cd 均有较强的富集能力。除了Hg，三七地下部对Cd、Pb、As 和Cr 的富集能力均强于地上部。

3 讨论

本研究对10 个三七种植地的土壤污染等级评价表明：4 个采样地属于轻度污染，仅有1 个采样地属于重度污染，不同采样地不同重金属的污染程度差异较大，与前人研究结果[2,5]一致。对根际土壤中5 种重金属(Hg、As、Cd、Pb、Cr)含量及土壤污染情况进行评价发现：重金属Cd、As 和Cr 含量超标，但并未超过管控值，其中Cd 超标率最高，与前人报道的云南主要种植区的重金属超标情况[4]一致。本研究中，三七植株中超标的重金属与土壤中超标的重金属基本一致，超标严重的皆为Cd 和Cr 元素，说明三七植株的重金属主要来源可能仍然是土壤。由于农业活动、工业活动、矿产资源开采、大气沉降等原因可能会导致Cd 元素进入土壤导致污染，因此，在种植三七前需要加强监测与调查，合理利用农业投入产品，控制工业废物的排放，加强环境保护措施，以降低土壤Cd 污染的风险。

三七对重金属的吸收会因为不同生长环境、部位以及与污染源的距离而不同，通常情况下植株重金属含量与土壤重金属含量成正比[20-21]。本研究中，三七不同部位的重金属含量有明显差异，除Hg 外，其他4 种重金属含量均表现为地下部高于地上部，与陈璐等[22]和倪中应等[23]的研究结果基本一致。其中，Cd 和Cr 的超标率和超出限量标准的占比都很高，因此，在三七生长过程中应采取适当的农艺措施阻控植株对Cd 和Cr 的吸收，在后期研究中应加强低累积重金属三七品种的选育。

不同部位、不同生长期植株富集重金属的能力不同[24-25]。本研究发现：三七植株对5 种重金属的富集能力和转运能力有所差异，其中对Cd 的富集系数大于1，表明三七对Cd 的富集能力最强。转运系数显示：Cd、As、Pb 和Cr 主要累积于三七地下部，Hg 主要累积于三七地上部，而三七的主要药用部位是地下部，因此，明确三七对不同重金属的累积特征尤为重要。引起重金属累积差异的原因除了受采样量、三七植株部位、生长年限等因素的特异选择外，还可能受采样地土壤背景值尤其是理化性质的影响。通常情况下，植株对重金属的吸收取决于土壤中重金属的迁移性和活性，土壤的理化性质如pH 值、有机质含量、阳离子交换量、氧化还原电位等对重金属形态变化有重要影响[26-30]。本研究采集的样品为大田实际种植的三七植株及根际土壤，初步探明了三七对重金属的富集特征差异，而引起重金属含量、积累和转运有所差异的原因可能受植株年限和土壤背景值的影响，为得到更准确的数据，将来还需进一步设置盆栽试验选取背景值和生育期一致的三七植株，对不同重金属的累积特征及差异进行评价，采取农艺措施调控土壤理化性质，从而降低三七对重金属的吸收累积。