南丹縣油茶土壤和植株中重金屬含量分析

陳林強(qiáng)，吳國(guó)文，陳夢(mèng)秋，張 幸，夏瑩瑩，譚桂菲

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院 廣西特色經(jīng)濟(jì)林培育與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530002）

油茶（Camellia）是我國(guó)特有的木本油料樹種，其主產(chǎn)品茶油有“東方橄欖油”之稱。茶油具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，其不飽和脂肪酸含量高，能起到降低血脂和血壓及增強(qiáng)記憶力和思維能力的作用；茶油中還含有人體必需的氨基酸和對(duì)人體有益的生物活性物質(zhì)，如茶多酚、角鯊烯和酚類化合物等[1-4]。隨著生活水平提高，人們對(duì)茶油品質(zhì)的要求不斷提高。油茶產(chǎn)地土壤環(huán)境安全是茶油品質(zhì)安全的基礎(chǔ)。土壤中重金屬的累積和污染己成為普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)農(nóng)田、城市和礦區(qū)等地的土壤重金屬含量、空間分布和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行研究[5-8]。油茶屬于重金屬富集型植物，植株中錳（Mn）、鉛（Pb）和鎘（Cd）的含量均較高，主要分布在地上部分[8]。油茶不同器官中相同重金屬的含量不同；其中，Pb在莖、葉和根中的含量均較高；汞（Hg）在各器官中的含量表現(xiàn)為由下往上遞減；砷（As）在各器官中的含量表現(xiàn)為葉>仁>根>莖；Cd 在各器官中的含量表現(xiàn)為由下往上遞增；鉻（Cr）在各器官中的含量表現(xiàn)為莖>根>仁>葉[9]。

南丹縣擁有豐富的金屬礦產(chǎn)資源，開采有色金屬礦歷史悠久，被譽(yù)為“中國(guó)的錫都”和“有色金屬之鄉(xiāng)”，以錫（Sn）、銻（Sb）、鋅（Zn）、金（Au）、銀（Ag）和銅（Cu）等金屬礦產(chǎn)為主。礦產(chǎn)資源開發(fā)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但由于開采技術(shù)的限制，其對(duì)礦區(qū)及其周邊環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，對(duì)人體健康具有潛在風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。研究表明，南丹縣玉米（Zeamays）地土壤中Cd達(dá)到重度污染水平，土壤重金屬總體屬于輕度污染水平；玉米籽粒中Cd、Pb、As 和Zn 含量均存在不同程度超標(biāo)[12]。南丹大廠礦區(qū)農(nóng)田土壤受到不同程度的重金屬污染，污染程度最嚴(yán)重的為Cd，其次為As[13]。南丹縣土壤Pb 和Cd 的背景值均顯著高于全國(guó)和廣西土壤背景值；耕地土壤中Sb、As和Cd含量均超標(biāo)較嚴(yán)重[10]。以上研究表明，南丹縣土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)較高。

云水谷高山油茶產(chǎn)業(yè)核心示范區(qū)（位于南丹縣礦產(chǎn)資源集中區(qū)域的大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)的正北方向約50 km 處）于2019 年9 月開工建設(shè)，是廣西首個(gè)“兩山”理論主體實(shí)踐基地——世界白褲瑤（南丹）大健康旅游扶貧產(chǎn)業(yè)園的重要組成部分。本研究以云水谷高山油茶產(chǎn)業(yè)核心示范區(qū)的油茶林為研究對(duì)象，分析土壤和油茶植株中重金屬的分布和富集特征，為南丹縣油茶的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和生態(tài)安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西河池市南丹縣云水谷高山油茶產(chǎn)業(yè)核心示范區(qū)（107°54′E，22°22′N）。目前，示范區(qū)種植油茶約4 萬(wàn)畝，種植品種主要為岑軟2 號(hào)（CamelliaoleiferaCenruan 2）和岑軟3 號(hào)（Camellia oleiferaCenruan 3）等良種；每年冬季施有機(jī)肥1 次。示范區(qū)土壤基本性質(zhì)見(jiàn)表1，土壤平均pH值為4.9。

表1 土壤基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of soil

1.2 土壤、植株樣品采集與測(cè)定

2022年11月（果實(shí)采收期），采集土壤和植株樣品；設(shè)置6 個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。分別在上坡、中坡和下坡采集60 cm 深土壤混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨和過(guò)篩，共18份土壤樣品；分別采集5 株油茶的葉片、枝條和果實(shí)組成1 個(gè)混合樣品，共18 個(gè)植株樣品。分別測(cè)定Cd、Cr、Pb、As 和Hg 的含量。采用原子熒光法測(cè)定土壤As、Hg 含量[14-15]；采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定土壤Cr含量[16]；采用石墨爐原子吸收分光光度法測(cè)定土壤Pb、Cd 含量[17]。植株樣品中各重金屬含量均按照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定》（GB 5009.268—2016）[18]測(cè)定。

1.3 重金屬污染評(píng)價(jià)

采用單項(xiàng)污染指數(shù)法評(píng)價(jià)土壤重金屬污染程度[19-20]。

式中，Pi為某污染物的污染指數(shù)；Ci為某污染物的實(shí)測(cè)數(shù)值；Si為某污染物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即風(fēng)險(xiǎn)值。Si以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）[21]中的農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Pi≤1為清潔無(wú)污染；1

在計(jì)算單項(xiàng)污染指數(shù)的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對(duì)土壤重金屬污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)[19-20]。

式中，P綜合為綜合污染指數(shù)；Pimax為所有單項(xiàng)污染指數(shù)的最大值；Piave為所有單項(xiàng)污染指數(shù)的平均值。P綜合≤0.7 代表土壤環(huán)境清潔，為安全級(jí)；0.73.0 代表土壤環(huán)境為重度污染。

油茶葉片、枝條和果實(shí)對(duì)重金屬的富集能力采用富集系數(shù)表示。

富集系數(shù)越大，富集能力越強(qiáng)。對(duì)于木本植物來(lái)說(shuō)，富集系數(shù)>0.4 表示其對(duì)土壤重金屬的吸收能力強(qiáng)；0.1≤富集系數(shù)≤0.4 代表其對(duì)土壤重金屬有一定吸收能力；富集系數(shù)<0.1 代表其對(duì)土壤重金屬的吸收能力低[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用WPS Office 軟件繪制圖表；采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤環(huán)境質(zhì)量分析

5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr>Pb>As>Cd>Hg，分別為50.78、14.29、5.45、0.39 和0.15mg/kg；參照GB 15618—2018中農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值，Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值（表2）。5 種重金屬的平均污染指數(shù)表現(xiàn)為Cd>Cr>Pb>As>Hg，分別為1.30、0.34、0.21、0.13和0.11；其中，Cr、Pb、As 和Hg 的平均污染指數(shù)均小于1，為清潔無(wú)污染；Cd 的平均污染指數(shù)在1～2 之間，為輕度污染。示范區(qū)土壤重金屬綜合污染指數(shù)為0.97，處于警戒級(jí)。

表2 土壤重金屬含量、單項(xiàng)污染指數(shù)和綜合污染指數(shù)Tab.2 Contents of heavy metals in soils,single-factor contamination indexes and comprehensive contamination index

2.2 植株中重金屬分布及其對(duì)重金屬的富集能力

不同重金屬在油茶葉片、枝條和果實(shí)中的含量不同；葉片中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr>Pb>As>Cd>Hg，分別為2.53、1.82、1.39、0.14 和0.04 mg/kg；枝條中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Pb>As>Cr>Cd>Hg，分別為14.29、5.45、2.30、0.39 和0.15 mg/kg；果實(shí)中，As 的含量最高（0.04 mg/kg），其次為Cd（0.02 mg/kg），其他重金屬均未檢出（表3）。Cr 含量表現(xiàn)為葉片>枝條>果實(shí)，Pb、Cd、As 和Hg 含量均表現(xiàn)為枝條>葉片>果實(shí)。

表3 葉片、枝條和果實(shí)中的重金屬含量Tab.3 Contents of heavy metals in leaves,branches and fruits（mg/kg）

5 種重金屬在油茶植株中的平均富集能力表現(xiàn)為Cd>As>Pb=Hg>Cr，富集系數(shù)分別為0.45、0.16、0.14、0.14 和0.04（表4）。同一重金屬在不同器官中的富集能力不同。Cd 在枝條中的富集系數(shù)為0.95，表明枝條對(duì)Cd 的吸收能力強(qiáng)；Cd 在葉片中的富集系數(shù)為0.34，表明葉片對(duì)Cd有一定的吸收能力；Pb、As和Hg在葉片和枝條中的富集系數(shù)均在0.1～0.4之間，表明葉片和枝條對(duì)Pb、As和Hg均有一定的吸收能力；Cr 在葉片和枝條中的富集系數(shù)均小于0.1，表明葉片和枝條對(duì)Cr 的吸收能力均較低；5 種重金屬在果實(shí)中的富集系數(shù)均低于0.1，表明果實(shí)對(duì)5 種重金屬的吸收能力均較低。

表4 葉片、枝條和果實(shí)重金屬富集系數(shù)Tab.4 Enrichment coefficients of heavy metals in leaves,branches and fruits

3 討論與結(jié)論

土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，土壤-植物系統(tǒng)是生物圈的基本結(jié)構(gòu)單元，可提供強(qiáng)大的生產(chǎn)力[23]。研究表明，我國(guó)目前的土壤重金屬污染嚴(yán)重[24]。南方丘陵地區(qū)是我國(guó)油茶的主要栽培區(qū)域，土壤也存在重金屬污染情況，且不同油茶林地中存在污染風(fēng)險(xiǎn)的重金屬不同；廣東云浮市油茶林地土壤Cu污染程度最高[25]；本研究中，南丹縣云水谷油茶產(chǎn)業(yè)核心示范區(qū)土壤有Cd 污染風(fēng)險(xiǎn)，與浙江油茶個(gè)別產(chǎn)區(qū)（常山、建德）[26]和貴州望漠縣石屯鎮(zhèn)油茶基地土壤個(gè)別采樣點(diǎn)[27]研究結(jié)果一致。Cd 作為農(nóng)業(yè)活動(dòng)的標(biāo)志元素，普遍存在于化肥和農(nóng)藥中[28]，農(nóng)藥和化肥的施用會(huì)增加土壤Cd的累積；殺蟲劑的使用和排水溝污水灌溉均會(huì)增加Cd 在土壤中的富集[29]。研究區(qū)為平均海拔800 以上的旱地梯田，排除部分農(nóng)用地水質(zhì)污染因素，其Cd 的富集可能是因?yàn)榛省⑥r(nóng)藥和地膜等參與生產(chǎn)過(guò)程，形成Cd的累積性污染[30]。

本研究中，油茶植株不同部位重金屬含量不同，Cr、Pb、As、Cd和Hg主要分布于油茶葉片和枝條中，在果實(shí)中未被檢出或含量很低；Cr 在葉片中含量較高，其他重金屬均在枝條中含量較高，與何天[31]研究結(jié)果相似。

富集系數(shù)可反映植物對(duì)土壤重金屬的積累能力，富集系數(shù)越小，植物吸收重金屬的能力越差，抗土壤重金屬污染的能力越強(qiáng)。本研究結(jié)果顯示，Cd為最容易在油茶植株各器官中富集的重金屬。孫姣輝等[32]研究結(jié)果顯示，Cd 為最容易在玉米根、莖和葉中富集的重金屬；周彥珍[33]研究結(jié)果顯示，Cd為最容易在小麥（Triticumaestivum）根和葉中富集的重金屬，Zn 為最容易在莖和籽粒中富集的重金屬。植物對(duì)重金屬的富集能力與自身遺傳和生物學(xué)特性相關(guān)，氣候、土壤養(yǎng)分和植物種類及重金屬間的相互作用也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。油茶植株，特別是油茶果實(shí)中的重金屬與土壤中的重金屬及植株各器官間重金屬的相關(guān)性等均需進(jìn)一步研究。

土壤中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr（50.78 mg/kg）>Pb（14.29 mg/kg）>As（5.45 mg/kg）>Cd（0.39 mg/kg）>Hg（0.15 mg/kg），Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值；Cd的平均污染指數(shù)為1.30，屬于輕度污染；土壤重金屬綜合污染指數(shù)為0.97，處于警戒級(jí)。不同重金屬在油茶葉片、枝條和果實(shí)中的含量不同；Cr 含量表現(xiàn)為葉片>枝條>果實(shí)，Pb 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實(shí)，As 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實(shí)，Cd含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實(shí)，Hg 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實(shí)。枝條對(duì)Cd的吸收能力強(qiáng)；葉片對(duì)Cd 有一定的吸收能力；葉片和枝條對(duì)Pb、As 和Hg 均有一定的吸收能力，對(duì)Cr的吸收能力均較低；果實(shí)對(duì)5 種重金屬的吸收能力均較低。

利益沖突：所有作者聲明無(wú)利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：陳林強(qiáng)負(fù)責(zé)試驗(yàn)調(diào)查、數(shù)據(jù)收集和論文撰寫；吳國(guó)文負(fù)責(zé)試驗(yàn)調(diào)查和數(shù)據(jù)收集；陳夢(mèng)秋負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和論文撰寫；張幸、夏瑩瑩負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和文獻(xiàn)檢索；譚桂菲負(fù)責(zé)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)調(diào)查。