云南三七種植區(qū)土壤重金屬分布特征及其與三七塊根、葉片內(nèi)含量的關系

劉 源，楊牧青，汪 泰，趙 宏，張乃明

(云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南昆明650201)

三七為五加科人參屬植物，為臨床常用的貴重中藥材之一，傳統(tǒng)功效為散瘀止血，消腫定痛［1］。三七起源于2 500萬年前第三紀古熱帶殘遺植物，生理生態(tài)上對環(huán)境適應能力很低，僅局限于23.5°N附近的中高海拔地區(qū)，主要分布于我國云南文山州境內(nèi)［2］。由于云南文山州具有低緯度高海拔地區(qū)的氣候條件，有利于三七干物質和有效成分的積累，形成了文山三七產(chǎn)量高、品質好的特點，是公認的三七“道地產(chǎn)區(qū)”［3］。三七忌地性極強，連作障礙嚴重。為此，云南很多三七種植戶已將種植地由文山州移到了云南其他相對適合三七生長的州(市)種植［4］。

目前，三七研究主要集中于藥用活性領域，其重金屬污染研究仍處于起步階段［2］。江濱等首次提出，三七中的重金屬主要來源于附著在表面的浮土［5］。馮光泉等通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，三七中砷(As)、鎘(Cd)等污染可能主要來源于其特殊的重金屬吸收、累積機制［3，6］。于冰冰等通過長期定點監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，三七主產(chǎn)區(qū)植株各部位均存在較為嚴重的砷污染問題，超標率達14% ～81%［7］。三七作為中成藥制劑的重要原料，其重金屬污染問題可能會影響其藥物安全［8］。近年來，隨著采礦區(qū)域的無序擴張以及含重金屬農(nóng)藥的大量使用，三七種植區(qū)土壤重金屬污染問題日益嚴重，已對三七藥品安全及國際貿(mào)易產(chǎn)生了嚴重威脅［6］。因此，三七中的重金屬含量測定是保證其質量的一個重要內(nèi)容。

本研究通過調(diào)查云南文山、紅河、曲靖、昆明4個三七種植區(qū)土壤及三七中的銅(Cu)、砷、鎘、鉛(Pb)4種重金屬污染現(xiàn)狀，為有效解決三七的重金屬污染問題、保障三七的藥物安全提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 三七種植區(qū)概況

三七的道地產(chǎn)區(qū)為云南省文山州，但在云南省的昆明、曲靖、紅河以及廣西壯族自治區(qū)等地均有廣泛人工種植。藥材中的微量元素常常作為評價道地藥材的特征指標之一，眾多研究表明，不同產(chǎn)地三七的重金屬元素等微量元素含量具有明顯的差異［9］。

1.2 布點與采樣

三七土壤樣品于2015年采集自云南文山、昆明、曲靖、紅河共51個產(chǎn)地的3年期三七植物及土壤樣品，具體采樣布點情況見圖1。在每個地塊隨機采集三七樣品10～15株，同時采集相對應的0～20 cm表層土壤，取樣點以全球定位系統(tǒng)(GPS)精確定位。

1.3 樣品處理與測試方法

1.3.1 樣品處理 采集新鮮三七后用自來水沖洗干凈，洗去根部泥土，并用細毛刷清洗，再用去離子水沖洗。將三七植株分成主根、須根、莖、葉等不同部位，于105℃下殺青處理30 min，然后于60℃條件下烘干24 h至恒質量，烘干后的三七樣品經(jīng)瑪瑙研缽磨碎后置于封口袋中保存。將土壤樣品自然風干后，剔除樣品中植物根系、有機殘渣以及可見侵入體，用木質工具碾碎并用瑪瑙研缽研磨，分別過20、100目尼龍篩，待測［10］。

1.3.2 測試方法 儀器:WFX－120原子吸收分光光度計，AFS－820雙道原子熒光分光光度計，鉛、鎘空心陰極燈，砷、銅編碼空心陰極燈。

試劑:砷、鉛、銅、鎘標準液均為1 mg/mL(由中國計量科學研究院化學計量與分析科學研究所提供)，其余所用試劑均為優(yōu)級純，水為去離子水。

測定方法:用原子吸收法測鉛、鎘含量;用原子熒光法測砷、銅含量［11－12］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件進行統(tǒng)計分析，用ArcGIS軟件繪制采樣布點圖。

本研究用《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—1995)的土壤重金屬二級標準對云南三七種植區(qū)土壤Cd、As、Cu、Pb環(huán)境質量進行評價。用《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標準》(WM/T 2—2004)對云南三七種植區(qū)植株 Cd、As、Cu、Pb環(huán)境質量進行評價。

綜合污染指數(shù)計算公式［10］:

式中:P綜合為Nemerow綜合污染指數(shù);Pmax為單項污染指數(shù)最高值;Pave為各單項污染指數(shù)的算術平均值。P綜合＜0.7表示清潔，P綜合為0.7～1.0 屬警戒限，P綜合為1.0 ～2.0 屬輕度污染，P綜合為2.0～3.0屬中度污染，P綜合＞3為重度污染。

2 結果與分析

2.1 云南三七種植區(qū)土壤重金屬含量

對采集自云南文山、昆明、曲靖、紅河共51個產(chǎn)地的3年期三七土壤樣品中鉛、鎘、砷、銅4種重金屬元素進行了檢測及分析，三七種植區(qū)土壤重金屬含量及分布見表1。由《土壤環(huán)境質量標準》(GB 15618—1995)的土壤重金屬二級標準可知，云南三七種植區(qū)存在較為嚴重的土壤Cd、As、Cu污染，樣品超標率分別為62.7%、35.3%、64.7%，土壤 Pb 濃度均遠低于限量標準250 mg/kg。褚卓棟等認為，土壤重金屬濃度概率分布若符合正態(tài)分布，則表明該元素來源于成土母質，若不符合則可能來源于人類活動［13］。本研究發(fā)現(xiàn)，云南三七種植區(qū)已出現(xiàn)比較嚴重的Cd、As、Cu等多種重金屬污染，原因是由于云南省土壤本身背景值較高，導致Cu、Cd超標現(xiàn)象嚴重;近年來云南主要三七種植區(qū)礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)、礦業(yè)活動的無序擴張以及含重金屬農(nóng)藥的大規(guī)模使用［9］，導致三七種植區(qū)土壤重金屬的污染范圍不斷擴大、污染程度不斷加劇。

表1 土壤中重金屬Pb、Cd、As、Cu濃度

2.2 不同行政區(qū)三七土壤4種重金屬含量比較

基于云南文山、昆明、曲靖、紅河51個點位三七種植區(qū)土壤的鉛、鎘、砷、銅4種重金屬元素的整體數(shù)據(jù)，筆者對各個行政區(qū)的三七種植區(qū)土壤4種重金屬元素含量進行了系統(tǒng)分析(表2)。

表2 不同行政區(qū)三七土壤中4種重金屬含量比較

從表2、表3可以看出，4個三七種植區(qū)域中的重金屬含量有一定差異，能看出較為明顯的產(chǎn)地特點，4個區(qū)域的鉛均未超標，文山地區(qū)的銅、砷、鎘超標率分別為50.0%、40.0%、45.0%，紅河地區(qū)的銅、砷、鎘超標率分別為66.7%、50.0%、66.7%，昆明地區(qū)的銅、砷、鎘超標率分別為 80.0%、0%、80.0%，曲靖地區(qū)的銅、砷、鎘超標率分別為 100.0%、66.7%、100.0%，4個地區(qū)銅、砷、鎘元素超標情況不容樂觀，污染情況很嚴重。潘洪君等通過電感耦合等離子體制譜(ICP－MS)法測定4種中藥材中重金屬含量，認為同種類中藥材有害元素含量差異較大，反映出我國土壤和水質環(huán)境等因素的地區(qū)差異［11］。本研究與相關報道的不同產(chǎn)地藥材中重金屬污染程度均存在一定差別的結果相一致。

表3 不同行政區(qū)三七土壤中重金屬超標率

2.2.1 不同區(qū)域污染程度分析 按照上述評價標準以及評

價方法計算云南三七各種植區(qū)單項污染指數(shù)和綜合指數(shù)，從表4可以看出，就總體而言，研究區(qū)采樣點土壤中重金屬元素Cu、As、Cd單項污染指數(shù)大部分在1～2之間，處于輕度污染等級，重金屬元素Pb單項污染指數(shù)均在0.7以下，處于清潔級別。文山、紅河、昆明、曲靖4個三七種植區(qū) P綜合分別為1.27、1.31、1.76、2.16，其中文山、紅河、昆明均為輕度污染等級，曲靖為中度污染等級，且4個三七種植區(qū)重金屬污染程度依次表現(xiàn)為曲靖＞昆明＞紅河＞文山。

2.2.2 三七塊根、葉片的重金屬含量 對采集自云南文山、昆明、曲靖、紅河共51個產(chǎn)地的3年期三七植株樣品中鉛、鎘、砷、銅4種重金屬元素進行了檢測及分析，對三七重金屬污染評估主要參照《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標準》(WM/T2—2004)，其 Pb、Cd、As、Cu 的限量標準分別為 5.0、0.3、2.0、20.0 mg/kg。本研究結果顯示，云南三七種植區(qū)植株塊根、葉片部位均存在較為嚴重的重金屬污染。從表5可以看出，塊根部位 Pb、Cd、As、Cu 超標率分別為 0、76.5%、31.4%、0，葉片部位 Pb、Cd、As、Cu 超標率分別為 36.6%、58.5%、68.3%、4.9%。Cu超標率較低。馮光泉等調(diào)查發(fā)現(xiàn)，種植區(qū)部分三七樣品出現(xiàn) Cd、Pb等重金屬超標的現(xiàn)象［14］。近年來，由于國內(nèi)外對比需求量劇增、文山耕地有限、三七連作障礙等原因，使得部分重金屬含量超標區(qū)域也被應用于三七種植，從而導致三七重金屬污染問題凸顯［15－16］。本研究結果表明，三七種植區(qū)植株已存在較為嚴重的As、Cd、Pb等重金屬污染，對人體健康及國際貿(mào)易造成潛在威脅。

表4 不同區(qū)域土壤污染指數(shù)

表5 三七塊根、葉片的重金屬含量和超標率

2.3 土壤與三七塊根、葉片中重金屬含量之間的關系

2.3.1 土壤與三七塊根重金屬含量之間的關系 三七塊根是三七主要的藥用及食用部位，塊根中攜帶的重金屬也會轉入人體內(nèi)，并且對人體的新陳代謝和一些生理機能帶來巨大的威脅，所以將不同三七種植區(qū)土壤重金屬含量與三七塊根重金屬含量之間進行擬合線性分析(圖2)，分析結果表明，土壤中鉛、砷重金屬含量上升，與三七塊根中重金屬含量呈正相關，相關系數(shù)分別為0.152 2、0.236 7(圖2 －A、圖 2 －C)，隨著土壤中鉛含量的增加，三七塊根中的鉛含量基本穩(wěn)定在2.5 mg/kg以內(nèi)，變化范圍比較小;三七塊根中砷的超標率達到了31.4%。隨著土壤砷含量的增加，塊根中砷含量總體趨勢是增加的，二者呈正相關關系，但是塊根中的砷含量表現(xiàn)出比較大的波動性，這有可能是不同區(qū)域氣候環(huán)境影響造成的。不同產(chǎn)地的生態(tài)環(huán)境也對三七的化學成分試驗表明，氣候因子氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度等對三七有效成分含量具有一定影響，并且1月降水量和年溫差是影響三七化學成分的關鍵因子［17］。本研究中三七塊根中鎘、銅的擬合性較差，擬合系數(shù)分別為0.075 5、0.052 1(圖2 － B、圖 2 － D)，所以三七塊根中的鎘和銅可能不僅僅來源于土壤里，可能與重金屬形態(tài)有關，還可能來自外源礦業(yè)、交通以及農(nóng)藥化肥污染。

本研究中三七塊根鎘、砷的超標率分別達到了76.5%、31.4%，可以看出鎘和砷含量超標還是三七重金屬超標的重要元素，而銅和鉛在三七塊根里均未超標，且處于一個相對安全的范圍內(nèi)，與眾多文獻報道的三七重金屬超標累積現(xiàn)狀基本一致，表明鎘和砷超標依然是影響三七質量提高所面臨的問題。

2.3.2 土壤與三七葉片重金屬含量之間的關系 對三七葉片中鉛、鎘、砷、銅4種重金屬含量與土壤中含量分別作了擬合線性分析(圖3)，分析結果表明，鉛具有較好的擬合性，相關系數(shù)為0.226 2(圖3－C)，而鎘、砷、銅3種重金屬擬合性較差，相關系數(shù)分別為0.000 1、0.011 9、0.020 8(圖3 －B、圖3－A、圖3－D)，葉片中鎘、砷、銅3種重金屬含量與土壤重金屬含量關系不顯著。

三七葉片中鉛、鎘、砷、銅4種重金屬的超標率分別為36.6%、58.5%、68.3%、4.9%，其中，鉛、砷、銅 3 種重金屬相比較于塊根中超標率有明顯上升，在塊根中鉛、銅均未超標的前提下，葉片中的鉛、銅超標率分別達到36.6%、4.9%。表明三七葉片中的鉛、砷、銅3種重金屬來源不僅僅是土壤，可能與重金屬形態(tài)有關，也可能容易受外源因素的影響，所以三七的種植區(qū)應該遠離礦區(qū)、交通線，在管理過程中盡量適量使用含重金屬元素的殺蟲劑、殺菌劑，以降低三七中的重金屬含量。

3 結論

(1)云南省三七主要種植區(qū)土壤重金屬污染超標嚴重，其中以Cd、As、Cu 3種重金屬超標最為嚴重，樣品超標率分別為62.7%、35.3%、64.7%，Pb 未超標。(2)文山、紅河、昆明、曲靖4個三七種植區(qū)均已有不同程度的重金屬污染問題，4個三七種植區(qū)重金屬污染程度依次表現(xiàn)為曲靖＞昆明＞紅河＞文山。在三七種植區(qū)北移的過程中，要注意對重金屬污染的控制。(3)三七塊根重金屬累積量與土壤重金屬濃度呈線性正相關，以鉛、砷較為明顯;三七葉片鉛累積量與土壤鉛濃度呈線性正相關，而鎘、砷、銅3種重金屬擬合性較差，表明葉片中鎘、砷、銅3種重金屬與土壤重金屬含量關系不明顯，原因可能是與重金屬的形態(tài)有關，相關問題還需作進一步研究闡明。