貴州無籽刺梨果實與種植基地土壤重金屬污染評價

楊蕎安，張澤東，李朝嬋，李婕羚，黃先飛，蘭雪，潘延楠

貴州師范大學，貴州省山地環(huán)境信息系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，貴陽 550001

無籽刺梨(RosasterilisS.D. Shi)為貴州特有刺梨種，屬薔薇科薔薇屬的多年生落葉攀緣類果樹[1]。無籽刺梨單株產(chǎn)量高，果實成熟時呈橙黃色，與普通刺梨比較，無籽刺梨成熟時果刺脫落，無果核或少許果核，口感酸甜適中。現(xiàn)代醫(yī)學研究證明，其果肉富含類黃酮、三萜、維生素和氨基酸等多種對人體有益的微量元素[2-3]，具有抗氧化、抗衰老和增強免疫力等功效，是珍貴的營養(yǎng)保健果品，極具開發(fā)價值[4]。目前，無籽刺梨果實除鮮食以外還用于食品開發(fā)如果醋、果醬、果酒、果汁飲料和酸奶含片等產(chǎn)品。無籽刺梨因其獨特的生態(tài)適應性，如抗干旱耐瘠薄等特性，不僅為種植示范區(qū)帶來經(jīng)濟效益，也帶來客觀的生態(tài)效益和社會效益，是貴州石漠化地區(qū)植被恢復和發(fā)展經(jīng)濟的理想樹種之一。

隨著人們生活品質(zhì)和經(jīng)濟條件的不斷提高，食用安全健康的綠色有機果品已成為一種必然趨勢。近年來，種植戶為尋求農(nóng)產(chǎn)品的更大的產(chǎn)量和產(chǎn)值，盲目施用化肥、農(nóng)藥，以及當?shù)氐V山開采等活動造成農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量增加[5]。在綠色健康果品的檢測指標中，重金屬含量是重要指標之一。重金屬的含量超標將會影響農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，在植物體內(nèi)富集，在生物放大作用下產(chǎn)生毒性，這將對生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生極大危害[6-8]。目前無籽刺梨的研究主要集中在果實揮發(fā)性物質(zhì)、種植土壤理化性質(zhì)、果實品質(zhì)以及無籽刺梨物種和營養(yǎng)成分等方面[9-14]。對無籽刺梨果實與土壤重金屬的相關(guān)性聯(lián)系研究較少，尤其是無籽刺梨果實對重金屬元素的富集性研究。因此，本文對無籽刺梨基地果實和土壤樣品中的Cu、As、Pb、Cd和Hg含量進行測定分析，以期為基地種植管理和無籽刺梨產(chǎn)品開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

無籽刺梨果實和土壤分別采自貴州省貴陽市、安順市和黔西南布依族苗族自治州的10個種植基地，分別為貴陽市的HF基地、黔西南州的HL、YZ基地、安順市的SC、NG、SC、LG、QYQ、SP和XY這7個基地。種植基地位于貴州省中西部，屬于喀斯特高原與丘陵地貌，貴陽市和安順市石漠化程度以輕度為主，黔西南州以中度石漠化程度為主；氣候類型屬于中亞熱帶高原季風濕潤氣候，土壤類型為紅、黃壤。具體情況如表1所示。

1.2 樣品采集

于2018年10月中下旬在貴州省10個無籽刺梨種植基地采集土壤和果實樣品。選取長勢良好的植株為中心然后向四周擴散，形成4 m×4 m的網(wǎng)格，再以此網(wǎng)格為中心向四周擴散形成10 m×10 m的網(wǎng)格區(qū)域，用五點法采集土壤和果實并編號，土壤選擇根系周圍土層，深度為0～30 cm，隨機抽取3～7個土樣，混合均勻，選取適量土壤帶回實驗室，去除土壤中石粒和生物體等雜質(zhì)，經(jīng)過研磨后過篩，自然風干，供分析用。無籽刺梨果實采自5年生健康植株且與采集土壤的植株相同，每份樣品選擇20～30株，在向陽處和背陽處采集成熟果實150～200個，及時保鮮處理，帶回實驗室分析。

1.3 測定指標與方法

果實和土壤中重金屬含量測定：Pb、Cd和Cu，采用全消解法，Pb和Cd參照《土壤質(zhì)量》GB/T 17141—1997、Cu參照《土壤質(zhì)量》GB/17138—1997，采用火焰原子吸收光譜儀測定(德國耶拿ZEEnit700P型)；Hg和As采用硝酸-鹽酸混合試劑加熱消解法，Hg參照《土壤質(zhì)量》GB/T 22105.1—2008、As參照《土壤質(zhì)量》GB/T 22105.2—2008，采用原子熒光光譜儀測定(北京吉天AF933型)；土壤pH值，采用PHTESTER30筆式pH計測定(四川天成)。

1.4 評價方法

1.4.1 基地土壤重金屬風險評價

參照Muller[15]的方法，利用地質(zhì)累積指數(shù)(Igeo)來評價無籽刺梨種植基地土壤重金屬的污染狀況。

式中：Igeo為地質(zhì)累積指數(shù)；Cn是基地土壤中所含重金屬元素含量(mg·kg-1)；Bn是貴州土壤重金屬背景值(mg·kg-1)。

1.4.2 基地果實重金屬風險評價

目標危害系數(shù)(THQ)是2000年美國環(huán)保局(US EPA)根據(jù)人體每日通過食物攝取的重金屬來評估人體健康風險的一種方法[16]。THQ<1，說明人體攝入重金屬含量處于安全水平?jīng)]有明顯的健康風險，反之，則存在健康風險。

式中：EF為人群接觸頻率，按全年365 d計算；ED為暴露年數(shù)，以人群平均壽命70歲取值；FIR為食物攝入量，貴州水果每日攝入量54.9 g，兒童27.4 g；C為無籽刺梨果實中重金屬含量(mg·kg-1)；RFD為美國環(huán)保局提供的參考劑量，Cu、Pb、As、Cd和Hg分別為0.04、0.0035、0.0003、0.001和0.0005 mg·kg-1·d-1。；WAB為人體平均體重(成人體重55.9 kg，兒童體重為32.7 kg)；TA為平均接觸時間(365 d·a-1×暴露年數(shù))；

居民食物攝入重金屬量(DI)，計算公式：DI=RFD×C。

1.4.3 基地果實重金屬元素的生物富集系數(shù)

富集系數(shù)(BCF)是反應無籽刺梨將土壤中的重金屬元素吸附到植物體內(nèi)的能力，富集系數(shù)越大，表明無籽刺梨吸收重金屬能力越強，抗土壤污染能力就越弱。參照Zhuang等[17]方法，計算出無籽刺梨果實的生物富集系數(shù)。

式中：X果實表示為無籽刺梨果實中重金屬含量(mg·kg-1)，X土壤為基地土壤中相同元素重金的含量(mg·kg-1)。

1.4.4 隨機森林算法

隨機森林算法是運用分類回歸樹來提高模型的精準預測性以解決分類和回歸問題[18]，因其算法可以根據(jù)變量因子的重要性數(shù)值對特征變量進行重要性排序。得到的變量因子重要值，值越大表明該變量因子越重要，對樣本影響也最大。利用隨機森林算法，采用R(版本號3.4.1)調(diào)取“Random Forest”包[19]對無籽刺梨種植基地土壤重金屬含量數(shù)據(jù)和刺梨果實重金屬含量數(shù)據(jù)進行模型變量選擇之后，分別對所得的5個重金屬變量因子進行重要性排序。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016和SPSS19.00對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理，利用Canoco5、Origin2017及R語言(版本號3.4.1)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計和繪圖。

表1 貴州省無籽刺梨采樣點位置及研究區(qū)域背景信息Table 1 Sampling site and background information of R. sterilis in Guizhou Province

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 無籽刺梨種植基地土壤污染程度評價

無籽刺梨種植基地土壤Cu、As、Pb、Cd和Hg平均含量分別是79.215、1.236、25.637、4.438和0.793 mg·kg-1。與貴州背景值相比[20]，平均含量是背景值的2.45倍、0.07倍、0.75倍、22.19倍和5.56倍。按照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》(GB15618—2018)，種植基地土壤重金屬As、Pb含量均未超過風險篩選值，重金屬Cd平均含量是風險篩選值的14.79倍，基地土壤存在Cd污染。重金屬Cu、Hg含量除YZ基地外，其余基地Cu、Hg含量均未超過風險篩選值。YZ基地Hg、Cu含量是風險篩選值的1.24倍和1.17倍，存在Hg和Cu污染。地質(zhì)累積指數(shù)按照污染程度共分7個級別[14]，污染程度由無污染到極強污染。通過計算，無籽刺梨種植基地土壤重金屬污染程度和各元素Igeo指數(shù)(表2)。根據(jù)Igeo指數(shù)評價，Cu為輕-中污染，As、Pb為無污染，Cd為強污染，Hg為輕-中污染。

表2 無籽刺梨種植基地土壤重金屬污染程度Table 2 Heavy metal pollution in soil of R. sterilis plantation bases

2.2 無籽刺梨果實重金屬含量狀況和健康風險評價

無籽刺梨果實作為藥食兩用的果品，根據(jù)《藥用植物及制劑進出口綠色行業(yè)標準》和《中國藥典(2015版)》限定的重金屬含量標準[21-22]，基地果實重金屬含量均未超出相關(guān)標準；《食品安全國家標準：食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中規(guī)定重金屬Pb、Cd含量限定值分別為Pb≤0.2 mg·kg-1、Cd≤0.05 mg·kg-1[23]，據(jù)此標準，只有JC基地果實超出Pb限定值，是限定值的1.52倍，HF、YZ、SC、JC、LG和XY基地果實超出Cd限定值，分別是限定值的13.82倍、3.22倍、2.08倍、2.14倍、2.46倍和3.1倍。無籽刺梨果實重金屬Pb、Cd超標率分別為10%和60%。

根據(jù)成人和兒童每日攝入量和目標危害系數(shù)分析，貴州地區(qū)成人的重金屬每日攝入量和危害系數(shù)均大于兒童，說明成人每日通過食用果實攝入的重金屬健康風險高于兒童。居民每日食物攝入重金屬量排序為Cu>As>Cd>Pb>Hg；目標危害系數(shù)分析結(jié)果顯示，成人攝入As的THQ值大于1，說明成人存在一定的As健康風險，其余重金屬元素對于成人和兒童均處于安全級別。THQ指數(shù)排序為As>Cd>Cu>Pb>Hg(表3)。

表3 貴州省每日重金屬攝入量(DI)和目標危害系數(shù)(THQ)值Table 3 Daily intake (DI) and target hazard quotient (THQ) of heavy metals in Guizhou Province

2.3 基地土壤重金屬對果實重金屬富集系數(shù)的影響

由表4可知，無籽刺梨果實對土壤中的As富集作用較強，As富集系數(shù)最大，達到0.28；Hg次之達到0.11，其余幾種重金屬的富集能力較弱。無籽刺梨果實對5種重金屬的富集能力排序為As(0.28)>Hg(0.11)>Cd(0.07)>Cu(0.04)>Pb(0.01)。因此，5種重金屬中，As容易被無籽刺梨果實吸收并富集。

表4 無籽刺梨果實對5種重金屬的生物富集系數(shù)(BCF)Table 4 Bioaccumulation factor (BCF) of 5 heavy metals in R. sterilis fruit

由圖1可知，土壤重金屬Hg對果實Cd的富集系數(shù)影響最大，相對重要值達到0.61；土壤重金屬Cd對果實Cu、Pb的富集系數(shù)影響次之，相對重要值分別達到0.35和0.32；土壤重金屬Pb對果實Cu的富集系數(shù)影響次之，相對重要值分別達到0.34；土壤重金屬Cd對果實Cu的富集系數(shù)影響較小，相對重要性達到0.11。土壤重金屬Cu對果實Pb的富集指數(shù)影響較小，相對重要性達到0.11。

圖1 土壤重金屬對果實重金屬富集的相對重要性Fig. 1 The relative importance of soil heavy metals contents to fruit heavy metals bioaccumulation

2.4 隨機森林算法對基地土壤和果實重金屬變量因子的重要性排序

隨機森林算法中的平均準確率降低度(Mean Decrease Accuracy)是對樣本整體性的預測，該數(shù)值越大表明變量因子重要性也越大，對樣本整體影響也越大。將Cu、As、Pb、Cd和Hg這5種重金屬作為變量因子分別對土壤和果實的重金屬污染程度進行排序。由圖2(a)可知，Cu對基地土壤重金屬污染影響最大，Cd變量因子影響次之，其余變量因子影響程度逐漸下降，這說明，基地土壤受到Cu、Cd污染幾率最大。由圖2(b)可知，Pb對果實重金屬污染影響最大，Cd變量因子影響次之，其余變量因子影響程度逐漸下降，說明基地果實受到Pb、Cd污染幾率最大。

圖2 隨機森林對無籽刺梨種植基地土壤和果實重金屬變量的重要性排序Fig. 2 Importance of heavy metal variables of Random Forest for soil and fruit in R. sterilis plantation bases

2.5 無籽刺梨種植基地土壤與果實重金屬主成分分析

對基地土壤5種重金屬含量進行主成分(PCA)分析，第一排序軸的系數(shù)為0.497，第二排序軸系數(shù)為0.298，第一和第二排序軸解釋了重金屬總量的79.5%。由圖3(a)可知，Cd、Pb和Cu這3種重金屬向量最長，說明其對種植基地土壤污染最大。從圖3中可看出，對基地土壤重金屬Cd影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是NG>YZ>SC>XY>JC；對基地土壤重金屬Pb影響較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是SC>XY>JC>NG；對基地土壤重金屬Cu和Hg影響較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是YZ>NG；對基地土壤重金屬As和土壤pH影響較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是SC>XY>NG>YZ>JC。而重金屬As和土壤pH夾角最小，相關(guān)性最高；重金屬Hg與重金屬Cu存在相關(guān)性；重金屬As與重金屬Cd、Pb存在較高相關(guān)性；重金屬Hg與重金屬Cd存在一定相關(guān)性。重金屬之間存在相關(guān)性表示該元素間存在一定的同源關(guān)系或存在交叉污染，種植基地土壤重金屬As與Cd、Pb，重金屬Hg與Cu、Cd之間在很大程度上可能存在交叉污染或復合污染。

對種植基地無籽刺梨果實中5種重金屬含量進行主成分(PCA)分析，第一排序軸系數(shù)為0.563，第二排序軸系數(shù)為0.217，第一和第二排序軸解釋了重金屬總量的78.1%。由圖3(b)可知，重金屬Cd和As向量最長，說明對果實的影響最大。對重金屬Cd影響最大的是HF鄉(xiāng)鎮(zhèn)；對重金屬As影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是LG>HL>SC>SP；對重金屬Pb影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是HF>XY>YZ；對重金屬Hg影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是NG>QYQ>XY>YZ；對重金屬Cu影響最大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)排序是HL>SP>LG>SC。由兩重金屬之間夾角大小可知，重金屬Cd與Pb之間存在較強相關(guān)性，As與Cu之間存在較強相關(guān)性。從各采樣基地之間看，鄉(xiāng)鎮(zhèn)JC污染較少或者無污染；鄉(xiāng)鎮(zhèn)LG、SC與鄉(xiāng)鎮(zhèn)HL、SP，鄉(xiāng)鎮(zhèn)YZ、XY與鄉(xiāng)鎮(zhèn)QYQ、NG兩兩之間距離較近，具有相互影響的可能性。重金屬Cu與As、Hg以及重金屬Pb與Hg、Cd之間存在同源污染或復合污染。

圖3 無籽刺梨種植基地土壤與果實重金屬的主成分分析(PCA)分析圖注：a. 基地土壤，b. 果實。Fig. 3 Principal Component Analysis (PCA) of heavy metals in soils and fruits of R. sterilis plantation basesNote: a. soil; b. fruits.

圖4 土壤重金屬與果實重金屬之間RDA分析Fig. 4 RDA analysis of heavy metals in soil and fruit

2.6 無籽刺梨基地土壤對果實重金屬含量的冗余分析

冗余分析(RDA)將基地土壤重金屬作為變量因子對果實重金屬含量影響進行分析。在第一軸上土壤重金屬與果實重金屬的相關(guān)系數(shù)為0.980，第二軸上為0.623。排序圖中第一、二軸共解釋74.3%的重金屬信息(圖4)。果實As與土壤Cd存在較強負相關(guān)、果實Cu與土壤Pb存在較強負相關(guān)；土壤Cu與pH存在較強正相關(guān)；果實Cu、As、Cd與土壤As存在正相關(guān)性；果實Cd、Pb與土壤Hg存在一定相關(guān)性；果實Pb、Hg與土壤Pb具有一定相關(guān)性；果實Hg與土壤Pb、Cd存在較強正相關(guān)性。土壤重金屬As(P=0.04,F=0.32)和Pb(P=0.03,F=0.15)與果實重金屬顯著相關(guān)，其余土壤重金屬Cu、As和Hg對果實影響則不顯著。各重金屬之間存在一定的拮抗和協(xié)同作用，前人研究認為，農(nóng)作物中重金屬的含量與土壤的重金屬含量存在一定的相關(guān)性，土壤中重金屬可能會促進農(nóng)作物重金屬含量的累積[24]；但也有研究表明，土壤重金屬含量與果實中重金屬相關(guān)性不明顯[25]。造成這種差異的原因一方面可能是農(nóng)作物品種遺傳特征存在差異，導致果實對重金屬的吸收和富集能力不同，另一方面是每個種植區(qū)域污染程度和污染源不同，導致區(qū)域間存在差異性。

3 討論(Discussion)

3.1 果樹種植基地土壤污染與來源

土壤理化性質(zhì)如含水率、速效磷、速效鉀、全氮和土壤質(zhì)地等是影響土壤重金屬活性的關(guān)鍵因素，土壤理化性質(zhì)與土壤重金屬形態(tài)和重金屬總量存在顯著相關(guān)性[26]。土壤中重金屬以殘渣態(tài)為主，還以有機態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、碳酸鹽態(tài)和交換態(tài)以及水溶態(tài)等多種形式分布，當外源重金屬的進入土壤導致土壤中不同形態(tài)的重金屬隨著時間和種植作物不同而發(fā)生形態(tài)和濃度變化[27]，因此，種植時間不同、種植作物不同和施用肥料的不同都將會導致土壤和農(nóng)作物中重金屬含量存在濃度、形態(tài)的變化。無籽刺梨部分基地土壤存在Cd污染，這是由于喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖母質(zhì)Cd背景值高以及酸可提取態(tài)、可還原態(tài)的Cd隨流水遷移作用的影響[28-29]。這與前人研究農(nóng)業(yè)種植用地中重金屬污染狀況的結(jié)果基本一致[30-31]。YZ基地土壤Hg、Cu含量過高，與該基地周圍煤礦開采活動存在一定關(guān)系[32]。對于基地土壤中重金屬來源，過度施肥可能導致土壤Cd、Cu污染，殺蟲劑和除草劑等農(nóng)藥過多使用會導致土壤Hg、Pb污染[33]。何夢媛等[34]的研究表明，農(nóng)田施用家畜糞肥會導致土壤中Zn、Cu含量升高，雞、豬糞肥能夠提高石灰性土壤中Zn和酸性土壤中Cu、Zn的有效性，從而增加農(nóng)田土壤污染風險。為控制或改良土壤中重金屬含量，除使用重金屬低累積或超富集植物外，還可通過鈍化劑的使用來降低土壤中重金屬的含量，起到保護農(nóng)作物的目的。吳烈善等[35]研究發(fā)現(xiàn)，使用石灰和石灰與腐殖質(zhì)結(jié)合的復合肥料相較于傳統(tǒng)施用的單一肥料對土壤中的重金屬改良更為明顯，也更容易使Cd轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定性更高的有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)。羅遠恒等[36]研究發(fā)現(xiàn)，鈣鎂磷肥和石灰的配合能夠降低小麥和水稻中Cd含量，減緩Cd的毒性而達到保護農(nóng)作物的目的。林文杰等[37]研究改良劑對礦區(qū)污染土地的改良，分析改良劑對土壤重金屬形態(tài)與農(nóng)作物影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蘿卜對重金屬的累積量與土壤可溶態(tài)重金屬含量存在顯著的相關(guān)性。使用堿石灰和堿石灰混合改良劑能夠降低土壤重金屬可溶態(tài)含量，減少農(nóng)作物對其的累積，降低重金屬在農(nóng)作物中的積累總量，達到改良污染區(qū)域的目的。貴州地區(qū)石灰?guī)r母質(zhì)突出鈍化作用明顯，配合肥料的使用能使土壤交換態(tài)Cd降低，促進土壤還原，減少水溶態(tài)有機物的形成，降低土壤Cd的溶解性從而抑制植物根系對Cd的富集和吸收。因此，通過精準控肥和灌溉、改良土壤以及鈍化劑的使用來控制和修復土壤重金屬污染，減少重金屬向植物體的遷移，降低植物對重金屬的吸收，使種植區(qū)內(nèi)受重金屬污染區(qū)域恢復到安全水平。

3.2 果樹中重金屬污染與來源

果實中的重金屬含量主要來自對土壤重金屬的富集，以及大氣沉降和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的影響。本研究中，JC基地果實重金屬含量超出限定值，可能是無籽刺梨果實對基地土壤重金屬元素具有富集性，以及靠近省道汽車尾氣中重金屬元素沉降的影響[38-39]。陶秀珍等[40]研究興仁地區(qū)受礦坑廢水影響，周邊種植的水稻中Pb、Cd含量過高。本研究中，YZ基地果實可能受工業(yè)廢水影響導致果實Pb、Cd含量過高。這說明，無籽刺梨種植果實重金屬含量超標是受到多種因素的影響，也有基地未污染、果實重金屬含量未超標的情況，說明基地果實重金屬污染程度不同源自人們生產(chǎn)生活和管理模式不同。為防治果實重金屬含量過高，應科學合理的灌溉和施肥，確保果實品質(zhì)安全。對無籽刺梨果實富集性研究發(fā)現(xiàn)，種植基地土壤As含量低于國家二級標準，土壤污染程度達到安全級別，但果實對As富集性強，說明種植無籽刺梨來修復As污染土壤具有應用前景。

綜上所述，研究結(jié)果表明：

(1)貴州的無籽刺梨基地土壤與背景值相比，Cu、Cd和Hg不同程度超背景值，與國家二級標準比較，所有基地存在Cd污染，YZ基地存在Hg、Cu污染，基地污染程度如下：Cd強污染，Cu、Hg輕-中污染，As、Pb無污染。

(2)無籽刺梨JC基地果實存在Pb污染，HF、YZ、SC、JC、LG和XY基地果實存在Cd污染。基地土壤和果實均無As污染，果實對As有較強的富集性，評價顯示As對成人健康存在一定風險。

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