華山松-三七種植模式下礦質元素分布特征及重金屬污染評價

楊仁貴，王美玲，芮蕊，趙小艷，張馨藝，熊冰杰，何霞紅，王澍，

(1. 西南林業大學園林園藝學院，云南昆明 650224；2. 西南林業大學土木工程學院，云南昆明 650224；3. 西南林業大學西南山區森林資源保護與利用教育部重點實驗室，云南昆明 650224)

礦質元素含量是土壤質量和健康評價的重要指標[1-4]。 土壤礦質元素包括大中量元素Al、Fe、Ca、Na、K、Mg 和微量重金屬元素Zn、Cu、Mn、Pb、Cr、Cd 等，其中K、Ca、Mg、Na 在植物體內含量較高，而Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr、Cd 等在植物體內含量較低。 也有人根據植物需要將礦物元素分為必需和非必需元素，但不論劃分形式如何，礦質元素在生態系統中都不可缺少[3-6]。 土壤礦質元素含量的差異可由多種因素(土地利用方式、土壤性質、工業污染、覆蓋物種類等)造成，外界環境的改變會導致土壤有害礦質元素的富集，進一步對環境造成污染[7-10]。 Zhang 等[7]研究表明，裸地土壤礦質元素含量大小為Fe ＞Na ＞K ＞Ca ＞Mg ＞Mn＞Zn＞Cu、林地為K＞Fe＞Ca＞Na＞Mg＞Mn＞Zn＞Cu，草地為Fe＞K＞Ca＞Na＞Mg＞Mn＞Zn＞Cu，而攔壩地為Fe＞Ca＞K＞Na＞Mg＞Mn＞Zn＞Cu，其中K、Na、Mn、Cu 和Zn 的平均含量均超過土壤背景值，且4種不同土地利用方式下微量重金屬元素(Mn、Zn、Cu)均存在不同等級的污染。 Shen 等[11]的研究表明，礦區主要污染區土壤礦質元素含量為Fe＞Ca＞Mg＞K＞Mn＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd，次要污染區為Fe＞Ca＞K＞Mg＞Mn＞Pb＞Cu＞Zn＞Cd，其中土壤Cu 和Pb 污染較為嚴重。 而Ma 等[12]研究表明，火山土壤礦質元素為K＞Na＞Fe＞Al＞Mg＞Ca＞Mn＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu，其中土壤Zn 污染嚴重。

土壤礦質元素在植物生長發育過程中發揮著重要作用，但含量過高會造成植物中毒甚至死亡[1，13]。 植物因自身生長的土壤環境和特性不同，對重金屬的轉移富集能力也會有差異[11，14，15]。有研究表明，對于富集重金屬元素強的非食用植物，可用來有效治理土壤重金屬污染而恢復生態環境[15，16]；而對于可食用的植物，其元素含量需維持在一定范圍，避免因食物鏈循環而危害人體健康[17-20]。 目前，國內外對土壤-植物系統礦質元素含量、轉移富集以及污染評價的研究已有很多[3，9-11，14]，對常規農田中三七土壤、主根以及各器官礦質元素的含量和健康風險也有報道[21-23]。但是對林下三七礦質元素的研究尚未見報道。

林-藥種植模式是以可開發的商用林地資源和林下生態環境為依托，充分發揮林地優勢，模仿原生態讓藥材回歸自然的一種種植方式[24，25]。林下三七種植為三七道地產區連作障礙問題提供緩解的途徑，華山松-三七林藥種植是堅持以有機、生態、可持續種植為宗旨，以提高藥材品質和藥效為目的可持續生態種植模式，種植過程中不使用化肥、農藥[26-28]。 本研究測定分析了華山松根、三七根及其根際土壤礦質元素含量與分布特征，并分析了這兩種植物轉移富集礦質元素的能力、土壤重金屬的污染狀況以及各元素之間的相關關系，以期為華山松-三七可持續生態種植提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

分光光度計(島津AA-7000)，石墨消煮爐(萊伯泰科EHD36)，烘箱(日本UE400)，網篩。

國標溶液(濃度為1000 μg/mL):鉀(K)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鉛(Pb)、鉻(Cr)和鎘(Cd)稀釋配置而成的一系列標準品；濃硝酸、濃鹽酸、高氯酸、氫氟酸(優級純)、過氧化氫(分析純)、去離子水(超純)。

1.2 樣品采集

林下三七整個生長周期為3 年，第1 年大棚育苗，第2 年移栽至林下，第3 年林下采收。 本研究于三七種植第3 年采收前期，即2021 年10 月20 日在昆明市尋甸縣大滴水村林下三七種植示范基地(103°12＇E，25°28＇N) 采集樣品，分別在3個小區內隨機選擇健康且長勢一致的三七，采集其根及根際土壤，每小區取3 株混合成一個樣品；同樣在3 個小區內隨機選擇健康且長勢一致的華三松，采集其根及根際土壤，每小區3 株混合成一個樣品，樣品密封貼好標簽帶回實驗室。 將三七根和華山松根清洗干凈，放入65℃烘箱烘至恒重，之后研磨過0.4 mm 網篩保存備用[23]。 土壤樣品混勻后取0.5 kg，自然風干后去除石塊、植物殘體，研磨過0.16 mm 網篩保存備用[15，21]。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品測定 土壤各元素含量采用石墨-火焰原子分光光度法測定[29，30]。 稱取制備好的土樣0.5 g，用少量去離子水將消煮管內壁粘附的土壤沖洗到管底。 常溫下加入鹽酸6 mL 和硝酸4 mL，將石墨加熱到105℃，維持60 min；冷卻至常溫，再加入高氯酸2 mL 和氫氟酸1 mL，加熱至170℃，維持150 min，當消煮管中溶液冒盡白煙，且內容物呈粘稠狀時消解完畢。 冷卻至室溫后，用去離子水反復沖洗消煮管，轉移過濾后定容至50 mL 容量瓶[31]。 土壤消煮液經0.45 μm 微孔濾膜過濾后4℃冰箱保存，待上機測定。 同時做空白對照。

1.3.2 植物樣品測定 植株礦質元素含量同樣采用石墨-火焰原子分光光度法測定。 稱取研磨保存的植物樣品0.5 g，常溫下加入混合酸(硝酸與高氯酸體積之比為4∶1) 15 mL，靜置過夜，將石墨加熱到105℃，維持60 min；冷卻約10 min 至常溫，再加過氧化氫1 mL，加熱至170℃，維持2.5 h，當消煮管中溶液冒盡白煙，且溶液近干時消解完畢。 冷卻至室溫后，用去離子水反復沖洗消煮管，轉移過濾后定容至50 mL 容量瓶[14，32]。

1.3.3 礦質元素含量 計算公式:

式中，M 為土壤和植物各元素的質量濃度(mg/kg)，C 為測定濃度與空白濃度之差(mg/L)，V 為定容體積(L)，m 為樣品質量(kg)。

1.3.4 轉移富集系數 轉移富集系數(BCF)是描述化學物質在植物體內累積趨勢的重要指標，在一定程度上反映了沉積物向植物體內轉移富集的難易程度。 BCF ＜1 表示僅存在轉移，1 ≤BCF≤100 相對富集，BCF＞100 超強富集[15，33，34]。

式中，C根表示植物根部的元素含量(mg/kg)；C土表示土壤中的元素含量(mg/kg)。

1.3.5 土壤重金屬污染評價 參照文獻[11]計算地累積污染指數:

式中，Igeo為重金屬地累積污染指數，Ci是土壤中重金屬i 的實測質量濃度(mg/kg)，Bi為云南地區0 ～20 cm 土層各元素的環境背景濃度值(mg/kg)[35]。

地累積污染指數共分為7 個等級[11]，Igeo＜0無污染、0≤Igeo＜1 無-中度污染、1≤Igeo＜2 中度污染、2≤Igeo＜3 中度-嚴重污染、3≤Igeo＜4 嚴重污染、4≤Igeo＜5 嚴重-極嚴重污染、Igeo≥5 極嚴重污染。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2003 進行數據整理，SPSS 22.0 進行單因素方差和相關性分析，用Origin 2021 作圖。

2 結果與分析

2.1 三七根、華山松根與其根際土壤中各元素的含量及分布特征

由表1 看出，三七、華山松根際土壤礦質元素含量大小均為Fe＞Na＞K＞Mg＞Mn＞Ca＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd，三七根中為K＞Ca＞Mg＞Na＞Fe＞Zn＞Mn＞Cu＞Cr＞Cd＞Pb，華山松根中為K＞Ca＞Na＞Fe＞Mn＞Zn＞Mg＞Cu＞Pb＞Cr＞Cd。 華山松根際土壤中除Ca和Cd 外，其它元素的含量均高于華山松根；而三七根際土壤中除了K 和Ca，其它元素的含量均高于三七根。 三七根中K、Ca、Mg、Fe、Zn、Cu 含量均高于華山松根；而三七根際土壤中僅Na、Cu 和Mn 含量高于華山松根際土壤。 兩種植物根際土壤中Na、Zn、Cr 和Cd 的含量均高于云南地區0 ～20 cm 土壤背景平均值[35]。 但與GB15618—1995《土壤環境質量標準》第三類土壤規定值[36]相比，重金屬元素Zn、Cr 和Cd 含量均低于該標準。

表1 三七根、華山松根及其根際土壤中各元素的含量

2.2 三七、華山松地下部對土壤化學物質的轉移富集特征

由圖1 看出，三七根轉移富集K、Ca、Mg、Zn和Cu 的能力高于華山松根，轉移富集Mn、Pb 和Cd 的能力低于華山松根，但三七根和華山松根對Na、Fe 和Cr 轉移富集能力相當。 三七根對K 和Ca 相對富集(BCF≥1)；而對Mg、Na、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr 和Cd 僅存在轉移(BCF ＜1)。 華山松根對Ca 和Cd 相對富集(BCF≥1)；而對K、Mg、Na、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb 和Cr 也僅存在轉移(BCF＜1)。 兩種植物根部均對Ca 富集最強。

圖1 植物對不同元素的轉移富集系數

2.3 根際土壤不同重金屬元素的污染狀況比較

地累積污染指數(Igeo) 常用來衡量土壤重金屬污染狀況，以重金屬總量為基礎進行評價，同時考慮自然成巖作用和人為活動對背景值和環境的影響。 由圖2 看出，三七和華山松根際土壤重金屬元素Zn、Cu、Mn、Pb、Cr 和Cd 的地累積污染指數分別為0.05、-1.46、-1.58、-0.69、0.34、1.58 和0.14、-1.49、-1.62、-0.63、0.50、1.60。 華山松根際土壤重金屬元素Zn、Pb、Cr 和Cd 污染指數高于三七根際土壤，根據地累積污染指數分級標準，在兩種土壤中，重金屬Cd 達到中度污染，重金屬Zn 和Cr 達到無-中度污染，而重金屬Cu、Mn 和Pb 均無污染。

圖2 根際土壤重金屬地累積污染指數

2.4 三七根、華山松根與對應根際土壤中元素的相關性分析

三七根-根際土壤、華山松根-根際土壤各元素之間的相關性分析結果如表2 所示。 三七根與其根際土壤中K 與Na、Cr，Na 與Cd 呈極顯著正或負相關(P＜0.01)，Mg 與Cr、Cd，Zn 與Na、Pb，Mn 與K、Pb、Cd，Pb 與K、Ca、Fe 呈顯著正或負相關(P＜0.05)。

表2 三七根、華山松根與對應根際土壤的Pearson 相關系數

華山松根與其根際土壤中Fe 與Mg，Cu、Pb與Pb 呈極顯著正相關(P＜0.01)，Na 與Mg，Fe 與Cu，Zn 與Cd，Cu、Pb 與Na，Mn 與Cr，Cr 與Cd 呈顯著正或負相關(P＜0.05)。

3 討論與結論

3.1 華山松-三七種植模式下礦質元素含量及分布特征

土壤礦質元素含量與成土母質母巖、土壤自身結構和化學組成等密切相關，不同國家和組織根據土壤特性和類型制定了不同的土壤質量標準[11，35]。 本研究區土壤Zn、Cr 和Cd 含量超出云南地區土壤背景均值，低于《土壤環境質量標準》林農業生產和植物正常生長的土壤臨界值，兩種根際土壤礦質元素含量均表現為Fe＞Na＞K＞Mg＞Mn＞Ca＞Zn＞Cr＞Pb＞Cu＞Cd。 對于藥食兩用的三七植物而言，其元素含量會影響人體的健康，因此國家限定藥用、 食用植物各元素的含量范圍[17，18]。 孫兆帥等[21]研究表明，云南省69 個種植地三七主根中Pb、Cd、As、Cu 4 種重金屬含量均低于藥用植物、綠色行業標準及中國藥典安全標準限定值。 郭婷等[22]研究表明，云南及其它兩省三七各器官中Cu、Cr、Cd、Pb 4 種重金屬含量不同程度超出《中華人民共和國藥典》的限定值，且重金屬含量均是須根中最多。 嚴華等[19]研究表明，云南省三七主根13 種元素含量中分別有Cd、As 和Al、Mn、Ni、Cr 不同程度的超標。 本研究中三七植物根部各元素含量均低于標準限定值，食用該產地三七不會對人體健康造成危害。

3.2 華山松、三七根轉移富集化學物質的特征

轉移富集化學物質是植物的特性之一，根系作為植物吸收、轉移、富集礦質元素的重要器官，在植物生長發育過程中發揮重要的作用[37，38]。本研究表明林下三七對K、Ca 元素相對富集，華山松對Ca、Cd 元素相對富集。 樊佳奇等[15]認為，不同植物對不同化學物質吸收、累積能力不同，因為植物吸收、富集能力與元素特性、植物特性和土壤環境條件有關。 Mohammadi 等[3]研究表明，伊朗9 種蔬菜富集礦質元素的趨勢為K＞Na＞P＞S＞Mo＞Hg＞Se＞Zn＞Cd＞Cu＞Mg＞Mn＞Ca＞Cr＞Co≈Fe ＝Pb。 Tudi 等[14]研究表明，新疆小麥根中微量元素的富集表現為Se＞Cr＞Cu＞Pb＞Mo＞Ni＞Zn ＞Co ＞Mn＞Cd＞Fe＞As＞Li。 Shen 等[11]研究表明，鳳丹植物因采樣點不同富集礦質元素Cu、Cd、Zn、Pb、Mn的特征不一致。

3.3 土壤重金屬污染以及元素之間的關系

目前，地累積污染指數法、單項污染指數法以及內梅羅綜合污染指數法常用來評價土壤重金屬污染狀況，且均需要參考研究區背景值或者國家標準規定值[7，11，14，20，34]。 本研究表明三七、華山松兩種植物根際土壤重金屬污染表現為Cd ＞Cr ＞Zn＞Pb＞Cu＞Mn，其中土壤Cr、Zn 為無-中度污染，Cd 存在中度污染；兩種根際土壤Zn、Cr、Cd 污染系數大于零，原因是這幾種土壤重金屬元素的實際背景值大于《中國土壤元素背景值》中的云南地區表層土壤重金屬Zn、Cr、Cd 的記載平均值，導致參考云南地區記載平均值評價污染狀況時Zn、Cr、Cd 污染系數偏大，污染等級偏高。

植物生長發育所需要的大部分營養元素均來自于土壤，土壤中礦質元素含量與植物根中礦質元素含量密切相關。 例如人類活動、土地不同利用方式、元素性質、土壤性質都會影響土壤-植物系統中元素之間的關系，此外一些特定元素誘導形成特定的鞘氨醇以及元素的跨膜運動等也會影響土壤-植物系統中元素之間的關系。 土壤-植物系統中元素之間關系比較復雜，具體影響機制有待進一步研究。 本研究中三七根K、Mg、Na、Zn、Mn 和Pb 分別與其根際土壤Na、Cr、Ca、Cd、Pb、K、Fe 等7 種元素存在顯著或極顯著相關關系；華山松根Na、Fe、Zn、Cu、Mn、Pb、Cr 分別與其根際土壤Mg、Cu、Cd、Na、Pb、Cr 等6 種元素存在顯著或極顯著相關關系。 這可能是土壤酸堿度、有機質和營養元素的含量對重金屬的活性、生態毒性、環境轉移富集等起著重要的影響。