白及不同種植年限下土壤－植株系統重金屬含量及富集特征研究

戚燕強，張家春，孫超，周穎，王永，熊鵬飛

（1.貴州省植物園，貴州 貴陽 550004；2.中國科學院貴州省天然產物化學重點實驗室，貴州 貴陽 550002）

白及（Bletilla striata（Thunb.）Reichb.f.）系蘭科白及屬多年生草本植物［1］，以干燥塊莖入藥。白及性微寒，味苦、甘、澀，具有止血收斂、消腫生肌之功效。研究表明，白及主要化學成分包括白及多糖、揮發油、甾類、萜類、醚類等，其中發揮藥效的主要成分為白及多糖，且白及多糖作為一種優良的高分子材料，已廣泛應用于生物醫藥、食品保健和日用化工等領域［2－4］。現白及已發展成為一種兼具藥、食、工業、保健與觀賞的特殊經濟植物，具有巨大的利用空間［5，6］。隨著對白及認識的逐漸加深，市場對白及的開發利用日趨增多。為了滿足市場不斷增加的需求量和保護白及野生資源的需求，人工栽培種植成為白及商品的直接來源。

中藥材生產講求道地性，地質、氣候及生物等因子組合的“地質背景系統”制約著中藥材的分布、生長及產量品質［7］。中藥材藥效成分的形成和積累與地質背景系統有密切關系，隨地質條件的不同表現出產量、外觀及藥效成分的差異，具體表現為氣候、土壤和生物等的差異性［8］。中藥材生長所需養分主要來源于土壤，同時土壤的水、肥、氣、熱會影響中藥材的生長［9－12］。土壤養分在促進中藥材生長和藥效成分的形成與累積的同時，土壤質量也對中藥材的重金屬及農藥殘留等有一定的影響［13，14］。目前，針對白及主要集中于其化學成分與藥理、種質資源等方面研究［15－17］，而對白及種植中土壤－植株（塊莖）系統重金屬含量的研究尚未見報道。本研究以白及不同種植年限土壤及其塊莖為對象，分析檢測其重金屬含量，對土壤及塊莖中重金屬污染進行評價，探討白及塊莖重金屬的富集特征及相關性，為生產高品質白及中藥材提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

施秉縣位于貴州省中東部，黔東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，地勢起伏大，地貌類型多，巖溶地貌發育。氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候區，具有季風性、高原性特點。夏無酷暑，冬無嚴寒，溫暖濕潤，太陽輻射弱，日照時數少，年總輻射3 538 MJ／m2，日照時數1 197 h，年平均氣溫14～16℃，年總積溫5 500℃，無霜期225～294 d，年降水量1 060～1 200 mm，常年主導風為東北風。土壤以黑色石灰土居多，黃壤次之，兼有黃棕壤、紫色土和潮土。

1.2 樣品采集與制備

本研究采用GPS定位，樣區分布于施秉縣雙井鎮和楊柳塘鎮。其中雙井鎮地理坐標為108°24′10″E、26°53′4″N，海拔935 m；楊柳塘鎮地理坐標為108°8′31″E、26°55′15″N，海拔826 m。采集白及不同種植年限0～20 cm耕層土壤樣品13個，其中種植年限1年的3個、2年的5個、3年的5個。土樣采集以梅花形布點方法進行，每個樣區采集5個樣點充分混合后用四分法反復取舍，最后保留1 kg作為該樣區樣品。

將采集的土樣裝入干凈布袋，編號后帶回實驗室，倒在干凈的塑料膜上，均勻鋪開，自然晾曬一段后把土塊壓碎，并除去石礫、殘根等雜物，再置于陰涼通風處自然晾干。然后將樣品充分混勻，按對角線四分取土法分取一半樣品保存備用，另一半樣品研磨后過2 mm尼龍網篩，再取20 g經研缽研細過0.15 mm尼龍網篩，充分混勻待用。

采集土樣時，對應采集不同種植年限白及塊莖植株樣品共計12個，其中種植年限1年的3個、2年的5個、3年的4個。白及塊莖用自來水清洗并帶回實驗室后，再用去離子水沖洗干凈，去除須根。將洗凈的白及塊莖用沸水煮至無白心后取出自然風干，后用粉碎機粉碎，過60目篩充分混勻備用。

不同種植年限土壤基本理化性狀見表1。

表1 不同種植年限土壤有機質含量及pH值

1.3 樣品測定方法

本研究分析測試的重金屬元素包括Pb、Cr、Cu、As和Cd共5種。所用試劑均為優級純、二次去離子水。重金屬均采用六點標準曲線外標法定量，各指標標準曲線r值大于0.99，測定過程中嚴格按照國家標準，采用平行樣和標準參考物質來控制準確度。

白及樣品采用HNO3－HClO4加熱消解，土樣采用HCl－HF－HNO3－HClO4加熱消解。土壤與白及中As采用原子熒光光譜法，以雙道原子熒光光度計測定；白及中其它重金屬元素以ICPMS測定。土壤中Cr采用火焰原子吸收分光光度法測定；Cd采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Pb采用石墨爐原子吸收分光光度法測定；Cu采用電感耦合等離子體質譜法［18，19］測定。

1.4 評價方法

1.4.1 單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數法 本研究采用單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法對白及不同種植年限下土壤重金屬污染進行評價。單因子污染指數法能夠分別反映各個污染物的污染程度，表達式為：

式中：Pi為農作物中污染物i的環境質量指數；Ci為污染物i的實測濃度值；Si為i種污染物的評價標準。

根據單因子指數值的大小來判斷農作物中某種重金屬的污染程度，若Pi≤1.0，則未受到污染；若Pi＞1.0，已受到污染，指數越大則表明農作物污染物累積程度越高。

單因子污染指數法只能評價各個污染物的污染程度，評價某個區域重金屬污染程度時需應用綜合污染指數法進行評價。綜合污染評價采用兼顧單元素污染指數平均值和最大值的內梅羅綜合污染指數法。計算公式：

式中：P綜為土壤綜合污染指數；Pi（max）為土壤中單項污染物的最大污染指數。根據內梅羅綜合污染指數的大小對農作物質量進行分級，農作物污染分級的評價標準見表2。

表2 農作物污染分級標準

1.4.2 地累積指數法 地累積指數（index of geo-accumulation，Igeo）計算公式［20］如下：

式中：Cn為實測土壤重金屬含量，mg／kg；B為當地沉積物重金屬含量背景值，mg／kg；K為考慮成巖作用可能引起背景值波動而設定的常數，K＝1.5。

地累積指數的分級與污染程度的劃分標準見表3。

表3 土壤環境質量等級

1.4.3 富集系數法 富集系數（enrichment factor EF）是評價人類活動對土壤重金屬富集程度影響的重要參數，其可區分人類活動和自然因素對土壤重金屬富集的影響，計算公式［21］：

式中：（Ci／Cn）s為土壤中元素i的實測含量與參比元素n的實測含量之比值；（Ci／Cn）b為自然背景中元素i的含量與參比元素n的含量之比值。

富集系數法分級標準［22］見表4。

表4 富集系數與富集程度

1.4.4 潛在生態危害指數法 潛在生態危害指數法不僅可以反映單一重金屬元素對環境的影響，還能綜合評價重金屬對生態環境的潛在影響，是常用且具有代表性的基于評價重金屬總量的生態風險評價的方法之一［23］。其計算公式：

潛在生態風險指數評價標準見表5。

表5 潛在風險評價指標

1.5 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2007軟件統計，去除異常值后，對各數據進行平均值、標準差及變異系數分析。采用SPSS 19.0軟件進行相關性和差異顯著性分析。采用Origin 9.1軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 白及不同種植年限土壤重金屬元素特征

由表6看出，白及不同種植年限土壤中重金屬含量存在顯著差異。其中種植1年的土壤中Cr含量顯著高于種植2、3年的；種植3年的土壤中Cd、Pb、Cu含量顯著高于其他兩個種植年限，且隨種植年限的變化表現為：3年＞1年＞2年；As含量隨種植年限的增加而顯著增加。本試驗結果表明，除Cr外，重金屬Cd、Pb、As及Cu含量的最大值均出現在種植3年的土壤中，特別是Cd和As，隨種植年限的增加出現了累積效應。

表6 白及不同種植年限土壤重金屬含量（mg／kg）

種植年限不同土壤各重金屬含量亦存在差異：種植1年和2年的土壤中重金屬含量表現為Pb＞Cu＞Cr＞As＞Cd，種植3年的表現為Pb＞Cu＞As＞Cr＞Cd。參照貴州省土壤背景值，白及不同種植年限下土壤重金屬含量均低于背景值。參照貴州省表生沉積物背景值，種植3年土壤中Cd含量、種植1年和3年土壤中Pb含量超過背景值。根據《綠色食品——產地環境質量》（NY／T 391—2013）土壤質量要求，種植3年的土壤中Cd含量超過標準值，其余種植年限下土壤重金屬含量未超標準值。參照《土壤環境質量——農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GT 15618—2018），種植3年的土壤中Cd含量超過篩選值，其余種植年限下各重金屬含量均未超過篩選值。

2.2 不同種植年限白及塊莖中重金屬元素特征分析

由表7看出，種植1年的白及塊莖中重金屬As含量顯著高于其他兩個種植年限。白及塊莖中重金屬Cd含量隨種植年限的增加先顯著增加后顯著降低；重金屬Cr和Pb含量隨種植年限的增加逐漸增加；重金屬Cu含量隨種植年限的增加逐漸降低，且種植1年的白及塊莖中Cu含量顯著高于其它兩個種植年限。

表7 不同種植年限下白及塊莖重金屬含量（mg／kg）

參照《藥用植物及制劑進出口綠色行業標準》（WM／T 2—2004），除種植2年和3年下白及塊莖中Cd含量超過限量標準值，其余各種重金屬在不同種植年限的白及塊莖中含量均未超過標準值。WM／T 2—2004規定中藥材重金屬含量不能超過20 mg／kg，白及塊莖中重金屬總含量隨種植年限的增加逐漸增加，且種植2年和3年的白及塊莖中重金屬總量超過20 mg／kg。其原因可能是，本研究選擇了As、Cd、Cr、Cu和Pb共五種，但WM／T 2—2004中未對重金屬Cr做出限定，此重金屬總量的標準不含Cr的值。

2.3 白及不同種植年限土壤重金屬污染評價

采用單因子指數法（Pi）和內梅羅綜合指數法（P綜）對貴州省不同種植年限土壤重金屬污染進行評價。結果（表8）表明，種植3年的土壤中重金屬Cd的單因子污染指數大于1，其余種植年限下土壤中重金屬單因子污染指數均小于1，表明種植3年的土壤受到Cd的污染，其余種植年限土壤均未受到重金屬污染。

表8 白及不同種植年限土壤重金屬污染的評價

種植1年和2年白及土壤的重金屬綜合污染指數小于0.7，污染等級為安全；種植3年的綜合污染指數為1.20，屬于輕度污染。參照《土壤環境質量——農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，白及種植1年和2年的土壤重金屬綜合污染指數小于0.7，污染等級為安全；種植3年的土壤綜合污染指數為0.78，污染等級為警戒線。

以貴州省表生沉積物背景值，采用地積累指數法，對貴州白及不同種植年限土壤重金屬污染狀況進行評價（圖1），計算結果為正值，說明土壤被污染，負值說明土壤沒被污染。從圖1可知，白及種植3年土壤中Cd地積累指數為正值，其余重金屬在不同種植年限下地積累指數都是負值，表明貴州省種植白及3年的土壤受到重金屬Cd的污染。

圖1 白及不同種植年限土壤重金屬地積累指數

表9 白及不同種植年限土壤重金屬單因子生態危害系數和潛在生態危害指數

2.4 不同種植年限白及塊莖重金屬富集特征及相關性分析

重金屬富集系數反映植物將土壤中重金屬元素轉移到體內的能力，系數值越大，則植物對該種重金屬從土壤向體內的遷移能力越強［26］。由圖2看出，不同種植年限白及塊莖對不同重金屬的富集能力不同，種植2年的Cd富集系數最大，其次是種植3年的Cr富集系數，種植2年的Cd、種植2年和3年的Cr及種植1年的As富集系數均大于1，其他不同種植年限下白及塊莖重金屬的富集系數小于1。白及塊莖中重金屬Cr和Pb的富集系數隨種植年限的增加而增加，但重金屬As的富集系數隨種植年限的增加而減少。從富集系數來看，不同種植年限重金屬Cr容易從土壤遷移到白及塊莖中。

圖2 不同種植年限白及塊莖重金屬富集系數

對白及不同種植年限土壤重金屬、有機質、pH值及塊莖中重金屬含量之間進行相關性分析，結果如表10所示。種植年限與土壤重金屬As呈極顯著正相關，與土壤pH值呈顯著正相關。土壤pH值與土壤重金屬Cd、Pb呈極顯著正相關，與重金屬As、Cu呈顯著正相關。土壤有機質與土壤重金屬Cu、Pb呈極顯著負相關，與土壤重金屬Cr為顯著負相關。土壤重金屬Cd與As、Cu與Pb之間為極顯著正相關。

表10 土壤pH值、有機質、土壤－植株系統重金屬間相關性分析

塊莖中Pb與土壤As為顯著正相關，塊莖Cd和土壤Cr之間為顯著負相關。白及塊莖重金屬Cd與Cu為顯著負相關。

3 討論與結論

3.1 種植年限對土壤和白及塊莖中重金屬空間分布的影響

變異系數可反映各樣點重金屬含量的平均變異程度，若變異系數大于50%，說明重金屬含量空間分布不均勻，存在點源污染可能，有外源物質進入所致［27］。本研究中，白及不同種植年限土壤中重金屬Cd和As的變異系數均大于50%，變異比較明顯，表明Cd和As含量的空間分布不均勻且受某些局部污染源的影響。其中，Cd的變異系數在種植1、2、3年時分別為60.22%、71.28%、69.83%；As的變異系數在種植1、2、3年時分別為54.46%、70.32%、81.79%，且其變異系數隨種植年限增加逐漸增加，表明土壤重金屬As含量隨種植年限增加其空間分布越不均勻。種植1年土壤重金屬Cr、種植1年和2年的土壤重金屬Cu的變異系數處于25%～50%之間，呈現中等變異，表明人為因素對Cr和Cu積累的影響較大。其余種植年限土壤重金屬的變異系數均小于25%，呈現弱變異，說明其含量受外界的影響較小。

不同種植年限下白及塊莖重金屬含量的變異系數不同（表7）：As在種植1年和2年的白及塊莖中變異系數都大于50%，分別為68.02%和61.65%，呈現強變異；Cd在種植1年和3年的白及塊莖中變異系數分別為94.28%和61.50%，變異比較明顯；Cr和Cu在種植3年的白及塊莖中變異系數都大于50%，變異比較明顯；Pb在種植1、2、3年的白及塊莖中變異系數均大于50%，分別為61.19%、57.17%和65.85%，都屬于強變異。表明As在種植1年和2年、Cd在種植1年和3年、Cr和Cu在種植3年及Pb在種植1、2、3年的白及塊莖中的含量空間分布不均勻，存在點源污染可能性，有外源物質進入所致。種植2年白及塊莖中Cu的變異系數屬中等變異，其余種植年限下白及塊莖中重金屬的變異系數均小于25%，呈現弱變異。

3.2 種植年限對土壤和白及塊莖中重金屬含量的影響

白及是多年生草本植物，一般以種植或生長3年以上白及塊莖為藥材。白及塊莖采收年限的確定，不僅要考慮產量，還應該兼顧其內在品質。中藥材的內在品質對其發揮藥效的成分有要求，同時對污染物種類及數量有一定的限定［28－30］。中藥材重金屬含量超標是影響其品質的因素之一。本研究結果表明，白及塊莖中重金屬總含量隨種植年限的增加逐漸增加。其中白及塊莖中重金屬As和Cu含量以種植1年的最高，且Cu含量隨種植年限的增加逐漸降低；而Cr含量隨種植年限的增加逐漸增加；Cd含量隨種植年限的增加呈現累積效應，種植2年和3年的白及塊莖中Cd含量分別是種植1年含量的20倍和18倍，超過限量標準值。因此影響貴州白及塊莖品質的重金屬元素為Cd。

土壤是中藥材生產的基礎物質，土壤重金屬的種類和含量在很大程度上影響著中藥材中重金屬的含量［31］，因此必須加強對土壤重金屬的考查及評價［32］。本研究結果表明，土壤中As含量隨種植年限的增加逐漸增加，且種植3年的土壤中As含量約是種植1年的6倍；種植3年的土壤中Cd含量顯著高于種植1年和2年的，種植3年的土壤Cd含量是種植2年的6倍多。從白及不同種植年限土壤中重金屬含量來看，除Cr外，Cd、Pb、As及Cu含量的最大值均出現在種植3年的土壤中，特別是Cd和As，隨種植年限的增加出現累積效應。種植3年的土壤中重金屬Cd含量超過標準值。

3.3 種植年限對土壤和白及塊莖中重金屬污染的影響

中藥材產地土壤重金屬評價方法主要包括單因子與綜合因子指數法、地累積指數法、潛在生態危害指數法等［33］。本研究表明，種植3年的土壤中Cd的單因子污染指數大于1，表明土壤受到重金屬Cd的污染；從綜合污染指數來看，種植3年的土壤屬于警戒線或輕度污染水平。從地積累指數法評價結果來看，白及種植3年的土壤受到重金屬Cd的污染。

中藥材及其種植環境的重金屬研究，對解決中藥材生產過程中重金屬超標問題具有十分重要的意義。對中藥材土壤重金屬進行考查及評價過程中，還應重視中藥材自身對重金屬吸收和累積特性［34，35］。通過對中藥材重金屬富集系數的分析，周濃等［36］發現白術、木香、川芎對Pb具有較強的生物積累作用。本研究結果表明，種植2年的白及塊莖重金屬Cd富集系數最大，其次是種植3年的Cr富集系數，種植2年的Cd、種植2年和3年的Cr及種植1年的As富集系數均大于1，其他重金屬的富集系數小于1。白及塊莖中重金屬Cr和Pb的富集系數隨種植年限的增加而增加，但重金屬As的富集系數隨種植年限的增加而減少。從富集系數來看，不同種植年限下重金屬Cr容易從土壤遷移到白及塊莖中。