不同種植年限下山銀花產地土壤及花蕾重金屬污染特征

顏秋曉，何騰兵，高安勤，2，林昌虎，3，4

（1.貴州大學，貴陽550025；2.六盤水市土肥站，貴州 六盤水553000；3.貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室，貴陽550001；4.貴州科學院，貴陽550001）

山銀花（Lonicera Flos）為忍冬科（Caprifoliaceae）植物，主要是灰氈毛忍冬（Lonicera macranthoidesHand.Mazz.）的花蕾或初開的花［1］。含有的綠原酸、異綠原酸是目前公認的金銀花有效成分，并作為金銀花藥材及其制劑的質量控制指標之一［2－3］。但是重金屬的污染阻礙了山銀花GAP的生產，并直接影響到患者的安全［4］。重金屬能通過食物鏈向人體內積累而產生不可逆性的危害，直接或間接地危害人體健康［5］。王錦芳等在金銀花藥材中重金屬鉛、鎘含量分析中表示，金銀花藥材中的鉛、鎘含量雖沒有超標，但均有檢出，表明重金屬對中藥材的污染相當普遍［6］。楊春等在黔東南州9種藥材重金屬污染評價中指出金銀花未受到Hg和As的污染，但是受到Cd 的中度污染［7］。

有關研究表明，隨著種植年限的增加，土壤的重金屬含量增加。由于作物的吸收以及外來污染源的輸入，土壤重金屬 Cu，Pb，Zn，Cd，Hg，As，Cr和 Ni含量均隨種植年限的長短而有所差異，而且大多數重金屬質量分數與種植年限有顯著或極顯著的相關性，隨種植年限的增加呈顯著的增加趨勢。由此可知，年限的延長也是影響重金屬污染的主要因素之一［8－10］。目前關于山銀花產地土壤及山銀花重金屬含量的研究不少，但對年限的有關研究尚少見報道。重金屬元素對山銀花的影響存在動態變化，植物群落經歷的時間變化漫長，本文利用空間序列代替時間序列進行群落演替研究，著重研究不同種植年限下土壤和山銀花重金屬含量特征，以期為貴州山銀花的科學種植提供基礎資料和決策依據。

1 研究區概況

貴州以其得天獨厚的自然條件，讓黔產中藥材聞名國內外。2011年，中藥材種植總面積已達191 673.33hm2。但由于土地用養不均勻，地力降低，加上周邊污染源增多，阻礙了山銀花的GAP生產［11］。貴州遵義市綏陽縣是貴州灰氈毛忍冬主要生產地之一，其中又以綏陽縣小關鄉和蒲場鎮種植最多，研究區屬亞熱帶濕潤季風氣候，海拔872～1 231 m，平均氣溫10～15℃，平均降水量900～1 250mm，溫暖濕潤，雨熱同季，適宜山銀花的生長。出露地層以下古生界寒武系最廣，白云巖、碳酸鹽巖遍及全區，部分碎屑間歇相布，第四系沉積物以沖積、洪積為主，坡積、殘積物次之。土壤類型主要為由砂頁巖風化物發育酸黏黃壤，地形地貌復雜多樣［12］。小關鄉金銀花種植達30a之久，據統計2011年全鄉山銀花種植面積3 850.07hm2，干花產量1 065t［13］。隨著經濟發展，山銀花產業已成為貴州的主導產業和優勢產業，許多地區將大面積種植和引進金銀花項目作為“十二五”期間調整當地產業機構，實現農民增收的主要途徑。

2 材料與方法

2.1 材料采集與制備

根據綏陽山銀花開花的實際情況，于2012年5—6月，采用GPS定位，在研究區土壤成土母質、海拔、種植年限、坡度和坡向基本一致的情況下，在山銀花種植基地均勻選取具有代表性的不同種植年限的山銀花樹，每株樹上均勻地、有代表性地采集未開放的山銀花花蕾樣品，分別裝袋標識。同時在選取的花樹下利用木制工具采集0—20cm的根區（距樹干0.2～0.5m）土壤樣品。共采集0—20cm耕層土樣30個（27個根區土壤、3個荒地土壤）；山銀花樣品27份，具體采樣情況見表1。

將樣品帶回實驗室風干，剔除雜質，按四分法取出一半樣品，用木棍碾壓研磨，全部過0.25mm的孔徑篩。將過篩樣品置于密封袋中，作好標簽備用。植株樣品經90℃殺青，60～70℃烘干至恒重，粉碎備用。

表1 土壤樣點的分布情況

2.2 測定方法

土壤及植株的重金屬分析主要依據《土壤農化分析》［14］以及中華人民共和國農業行業標準［15］進行測定。土壤pH采用土水比為1∶2.5的電位法測定；土壤Cr，Pb，Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；土壤Hg采用冷原子吸收法測定；土壤As采用原子熒光分光光度法；土壤和植株的Cu采用火焰原子吸收光譜法；山銀花Cr，Cd，Hg，As，Pb采用ICP－MS測定。測試過程均加入中國土壤標樣（GSS2－GSS5）進行檢測樣品的準確度監控，以空白值控制誤差和污染，平行數為30%。

2.3 數據處理

根據統計學的方法，將試驗數據剔除異常值后，用Excel，DPS軟件對土壤及植物重金屬元素等進行統計分析，并將計算結果匯總繪制成總數據表。再對各指標數據進行平均，計算標準偏差、誤差等，進行相關性分析。

2.4 評價方法

2.4.1 評價標準 土壤質量評價標準參照我國1995年頒布施行的《土壤環境質量標準》（GB15618—1995）［16］（表2）。山銀花重金屬污染評價參照我國頒布的《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》（WM2—2004）［17］（表3）。

表2 土壤環境質量指標（GB15618—1995）

表3 藥用植物重金屬含量限量指標

2.4.2 評價因子 參照國標《土壤環境標準（GB15618—1995）》［16］和《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》［17］要求，選取對土壤質量及山銀花品質關系密切的6種重金屬（Cr，Cd，Cu，As，Pb，Hg）作為山銀花根區土壤和山銀花品質的評價因子。

2.4.3 評價方法 本文采用綜合評價方法，此方法能較全面地將各污染物對土壤的污染程度反映出來，突出高濃度重金屬對土壤環境質量的影響［18］。本試驗采用N.L.Nemerow綜合指數法進行評價。計算方法如下：

單因子指數法：

式中：Pi——環境中污染物i的單項污染指數；Ci——環境中污染物i的實測數據；Si——污染物i的評價標準。當Pi＞1時，為污染。

綜合污染指數法：

根據綜合污染指數對土壤重金屬進行評價并對土壤重金屬污染進行等級劃分（表4）。山銀花花蕾重金屬評價方法亦如此，只是評價標準不同。

表4 土壤環境質量等級

3 結果與分析

3.1 不同種植年限下土壤重金屬含量特征

3.1.1 山銀花產地土壤中重金屬含量與分布 研究區土壤pH范圍在4.76～6.01之間，低于荒地6.22，并隨年限增加逐漸降低（圖1）。土壤樣品中重金屬Cu，Cr，Cd和As隨種植年限的增加逐漸遞增，所有年限中最高含量分別為37.50，51.27，0.28，30.53 mg／kg；Hg含量差異不明顯；Pb隨種植年限的增加而降低（表5），這可能與土壤的環境有關，如腐殖質物質的螯合，植物的吸收以及土壤微生物的固定等導致了土壤中Pb含量的下降。由于黃壤母質特性，決定了重金屬活性較高，貴州土壤中Cd背景值比全國平均水平高3.78倍［19］。劉周莉等［20］研究證明金銀花對Cd有超富集能力，低濃度的Cd對金銀花株高和葉綠素有促進作用，但會造成高齡銀花品質降低。土壤中Cu，As，Cr，Cd和Hg均未超標，除Cd和Hg逼近警戒線，其余元素在長時間內不會造成威脅。影響重金屬元素的原因很多，如土壤酸堿度、有機質和土壤質地等均能影響重金屬元素的活性，而年限越長，對土壤的這些理化性質影響越大［21］。研究區土壤重金屬變異系數在1%～44%之間，為弱變異和一般變異。各年限中荒地Cd變異最強（變異系數CV為44%），1～5a的Cu強度次之（變異系數CV為35%），其余變異系數較低，說明Cd和Cu分布不均勻，這可能與砂頁巖風化物母質有關。

圖1 不同種植年限山銀花土壤pH平均值

表5 不同種植年限山銀花土壤重金屬含量及變異特征

3.1.2 不同種植年限對山銀花土壤重金屬污染狀況 以研究區附近荒地土壤作為參照，計算土壤重金屬的單因子污染指數（Pi）和綜合污染指數（P綜），對土壤重金屬元素進行分析和評價（表6）。

荒地土壤的綜合污染指數為0.647，處于安全等級，屬于清潔水平；1～25a總體土壤綜合污染指數（P綜＝0.72）處于警戒線水平。除了Pb的單因子污染指數隨年限增加而減少，其余重金屬元素單因子污染指數呈上升趨勢。隨著種植年限的增加，土壤綜合污染指數不斷上升，除了1～10a的土壤綜合污染指數小于0.7，未受到污染外，其余年限的土壤重金屬綜合污染指數均大于0.7，污染等級處于警戒線。與荒地相比可知，1～5a山銀花生長旺盛，對重金屬有較好的富集作用，加上有機質分解產生有機酸與重金屬發生絡合或螯合作用，減少了土壤中重金屬有效含量。但隨著樹齡增加，樹體老化，體內重金屬含量增加，取代了Zn，Cu，Fe和 Mn與酶輔基上的結合位點，使得載體蛋白不能正常表達，降低了離子吸收速率［22］；枝落葉和有機質不斷礦化分解，重金屬元素又回到土壤。

表6 不同種植年限下土壤重金屬污染的評價

此外，長期施用磷肥也會導致土壤中鎘的積累。在美國過磷酸鈣含鎘86～114mg／kg，磷銨含鎘量7.5～156mg／kg，商品二級過磷酸鈣Cd含量一般在91mg／kg以上，比農用污泥中Cd的最高允許含量5～20mg／kg高4～8倍，長期施用，必定造成土壤Cd污染［23－24］。在我國每年因施用磷肥帶入土壤的 Cd含量在37t以上，長期施用硝酸銨、磷酸銨、復合肥，土壤砷含量達到50～60mg／kg［24］。

3.1.3 根區土壤重金屬之間相關性分析 相關性分析表明（表7），重金屬Cr，Cu，As之間存在極顯著正相關，表明這3種元素存在復合污染或者有著相同的污染源。Pb與Cr，Cu，As呈顯著負相關，相關系數分別達－0.954，－0.951，－0.981，表明它們之間可能存在拮抗作用；其余重金屬之間相關性不明顯。土壤在污染時往往不是只有一種重金屬，而是幾種重金屬潛在相互影響的結果，一個污染源可能包含了幾種重金屬，重金屬之間存在潛在的吸附行為的交互作用。

3.2 不同種植年限山銀花重金屬含量狀況

3.2.1 山銀花重金屬含量分析及評價 按照《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》［17］要求，不同種植年限花蕾中的重金屬平均含量均未超標（表8），但是Cr含量較高，24a和25a的Cr含量分別為0.709 mg／kg，0.730mg／kg，均超過限定值0.7mg／kg。隨著種植年限的增加，花蕾重金屬含量也隨之增加；但花蕾中重金屬Cd，Hg，As，Pb和Cu平均含量均低于重金屬限量值。

表7 根區土壤重金屬之間相關性分析

不同年限山銀花重金屬變異系數為7.36%～39.22%，為弱變異到一般變異，11～15a山銀花Hg變異最大（變異系數CV為39.22%），20～25a的山銀花As變異系數最小（變異系數CV為7.36%）。

表8 不同種植年限山銀花重金屬含量及安全性評價

各年限的單因子污染指數（Pi）均處于安全狀態（表9），但11～15a，16～20a，21～25a的Cr的單因子污染指數較大，接近于1，分別為0.832，0.908，0.946；Cu的單因子污染指數在21～25a達到0.726，As的單因子污染指數最高為0.612，污染指數也較大。綜合污染指數（P綜）在1～15a間小于0.7；15a以上年限的綜合污染指數均大于0.7，污染等級為警戒線，污染水平為尚清潔；從單因子污染指數對綜合污染指數的貢獻率來看，Cr是主要的影響因子，其次是Cu和As，表明山銀花的Cr污染較其他重金屬元素嚴重，且1～5a的花蕾Cr的單因子污染指數較高，為0.499。結合表6可知，土壤中Cr的單因子污染指數并不高，這可能是山銀花能較好地吸收土壤中的Cr，從而導致了Cr在山銀花中大量積累的緣故。

表9 不同種植年限山銀花重金屬污染狀況評價

導致綜合污染指數增加的原因有很多，種植年限長短的影響或不同區域內的重金屬背景值差異和外源污染等。此外，長期施肥也會引起重金屬的增加，如As，Cr，Cd，Hg及Cu等。土壤低pH激活了重金屬的活性，增加了植物對重金屬的吸收，導致了山銀花體內超富集。在生產過程中注重水肥一體化與有機肥配合施用，增加水分和肥料利用率，減少固體肥料的施用，減少污染來源。應調查完善污染物的時空分布特征及來源，采取有效防治措施，保證山銀花質量安全。

3.2.2 不同年限土壤與山銀花重金屬含量的相關性分析 由表10可知，土壤與山銀花大部分重金屬均有很明顯的正相關性，土壤中Cd，Cr，Cu，As與花蕾中6種重金屬元素呈顯著或極顯著正相關，其中土壤與山銀花中的Cr，Cu之間有極顯著的正相關性，土壤與花蕾中Cd和As元素間顯著正相關。表明山銀花對土壤中的重金屬Cd，Cr，Cu，As富集較強，各元素間可能存在協同作用。此外，重金屬元素來自同一污染源也可能導致這一結果。土壤中的Hg和Pb與山銀花中的各重金屬元素呈現不同程度負相關，其中與Pb山銀花的Cr，As呈顯著負相關，與山銀花中的Cd，Cu，Hg呈極顯著負相關。

土壤中Pb隨種植年限的增加是逐漸減少的，植株卻逐年增加，這可能由于年限的增加，山銀花對土壤中Pb不斷吸收而導致土壤中Pb的減少，而花蕾中含量增加；土壤微生物對Pb的固定，以及被吸附、螯合或是淋失也會導致土壤中Pb含量下降。另外，也表明了山銀花吸收重金屬時，Pb與其他元素間存在著拮抗抑制作用，山銀花對Hg和Pb存在選擇性吸收現象。

表10 土壤與山銀花重金屬元素的相關性分析

4 結 論

（1）山銀花根區土壤Cd，Cr，Cu，As含量隨種植年限增加而遞增，Hg含量差異不明顯，Pb含量逐漸降低。均未超過標準限定值。除Cd和Hg逼近警戒線外，其余元素在長時間內不會造成威脅。土壤重金屬單因子污染指數除Pb的逐漸減小外，其余重金屬的單因子污染指數均呈上升趨勢。1～10a的土壤綜合污染指數小于0.7，屬于清潔水平，10a以上的土壤綜合污染指數均大于0.7，處于警戒線。總體（1～25a）的綜合污染指數為0.72，污染等級處于警戒線。土壤重金屬Cr，Cu，As之間呈極顯著正相關，Pb與Cr，Cu，As呈顯著負相關，其余元素相關性不明顯。

（2）山銀花重金屬平均含量和污染指數隨著種植年限的增加而增加，不同年限重金屬平均含量均未超標，但24a的Cr含量為0.709mg／kg，25a的Cr含量為0.730mg／kg，超過限定值0.7mg／kg。不同重金屬的單因子污染指數順序為1＞Cr＞cu＞As＞Pb＞Hg＞Cd，均處于安全狀態。綜合污染指數在1～15a間小于0.7，為安全等級；16～20a和21～25a的綜合污染指數均大于0.7，污染等級為警戒線，尚清潔水平。

（3）土壤中的Cu，Cr，Cd和As與山銀花中6種重金屬元素均有顯著或極顯著的正相關性，土壤與花蕾中Cr，Cu之間呈極顯著正相關，Cd和As呈顯著正相關；土壤中Hg和Pb與花蕾中各重金屬元素呈不同程度負相關，其中土壤Pb與花蕾Cr，As呈顯著負相關，與花蕾中Cd，Cu，Hg呈極顯著負相關。

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