三七中5 種重金屬的風險評價及累積特征*

宋昕儒，耿繼成，徐 杰，陳建軍，陳 軍，鄧維萍，梅馨月**

(1.云南農業大學 資源與環境學院，云南 昆明 650201；2.云南農業大學 植物保護學院，云南 昆明 650201；3.中國冶金地質總局 昆明地質勘查院測試中心，云南 昆明 650201；4.云南農業大學 理學院，云南 昆明 650201)

三七[Panax notoginseng(Burk.) F.H.Chen]為五加科(Araliaceae)人參屬(Panax)多年生草本植物，是中國珍貴的中藥材，有悠久的栽培和藥用歷史，具有散瘀止血、消腫定痛的功效[1]。云南獨特的自然環境造就了生物醫藥產業發展的資源優勢，三七種植、加工及相關配套產業已成為云南省富民強省的重要支柱產業之一。據統計，云南省三七種植面積占中國種植面積的90%以上，在文山、昆明、曲靖、紅河、臨滄等地有廣泛的人工種植區，是中國主要的三七產區之一[2]。但由于三七部分種植區與錫、鋅、銻、鋁等金屬礦區高度重疊，再加上密集型農業化肥農藥投入量大等問題導致三七種植土壤存在不同程度的重金屬污染風險[3]。

云南地區地質多樣，土壤條件和重金屬污染風險也存在差異。黃珍華等[4]對云南省硯山、丘北、蒙自、石屏和石林不同土層和三七植株中的8 種重金屬污染特征及風險進行評價發現：三七種植土壤污染程度較高的重金屬為Cd、Cu 和Cr，但均對人體健康無風險。劉源等[5]研究發現：曲靖、文山、昆明和紅河的三七種植土壤中Cu、Cd 和As 超標率依次為64.7%、62.7%和35.3%，且三七塊根中重金屬累積量與土壤重金屬濃度呈線性正相關。許多藥用植物在生長過程中可能會積累重金屬Cd、Pb、As 等，這些有毒元素的過量累積會對人體健康造成威脅[6]。因此，如何在保證三七生長品質的同時降低植株對重金屬的吸收累積、免受重金屬毒害、提升藥效和降低相關風險，已成為三七種植乃至醫藥行業亟待解決的問題。本研究采集種植于云南省10 個三七種植地的三七植株，測定植株及其根際土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cr 的重金屬含量，參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[7]評價三七根際土壤以及三七植株地上部和地下部5 種重金屬元素的污染風險，進一步比較5 種重金屬的超標率，評價三七對5 種重金屬的累積特征差異，篩選三七種植地及植株中有潛在污染風險的重金屬元素，以期為田間合理阻控三七對重金屬的吸收提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

三七植株及根際土壤的采集地主要信息見表1，各采樣地的土壤類型均為紅壤。

表1 供試三七采樣地信息Tab.1 Information of Panax notoginseng sample fields for testing

1.2 供試材料

1.2.1 供試三七

采用五點采樣法隨機采集種植于云南硯山、維摩、師宗、石林、曲靖、臨滄、丘北、羊街種植地的三七植株，每個采樣點采集25 株，共250株。新鮮三七采集后用自來水沖洗干凈，洗去根部土壤，并用細毛刷清洗，再用去離子水沖洗；將三七植株分成地上部和地下部，于105 ℃殺青處理30 min，然后于60 ℃下烘干至恒質量，磨碎后過60 目篩，置于封口袋中保存備用[8]。

1.2.2 供試土壤

采集三七植株根系周圍0～2 cm 的土壤，每個采樣點采集5 個土壤樣品，混合并自然風干，共50 個土壤樣品。剔除樣品中的植物根系和有機殘渣，碾碎并研磨過篩，裝入自封袋中密封保存，待測。其中，過60 目篩的樣品用于測定土壤pH 值及有機質含量，過100 目篩的樣品用于測定土壤重金屬含量。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤pH 值及有機質含量的測定

參照中華人民共和國農業行業標準NY-T 1377—2007 和NY-T 1121.6—2006[9-10]測定。

1.3.2 土壤和植株重金屬含量的測定

土壤Hg 和As 含量的測定采用原子熒光法[11]；土壤Cd、Pb 和Cr 含量的測定采用《區域地球化學樣品分析方法》中的電感耦合等離子質譜法[12]。三七植株Hg 含量的測定參照GB 5009.17—2014[13]；植株As、Cd、Pb 和Cr 含量的測定參照GB 5009.268—2016[14]。

1.4 評價方法

1.4.1 土壤重金屬污染評價

農用地土壤重金屬限量評價標準參照《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)[7]。采樣區域的重金屬污染評價采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法[15-16]。單因子指數評價法的計算公式為Pi=Ci/Si。式中：Pi為i污染物的污染指數；Ci為i污染物的實際測量值；Si為i污染物的評價標準。內梅羅綜合污染指數法的計算公式為。式中：P綜合為內梅羅綜合污染指數；Pmax為單項污染指數最大值。根據單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數可將土壤重金屬污染分別劃分為4 個和5 個等級(表2)。

表2 土壤重金屬污染評價分級標準Tab.2 Evaluation classification standard of soil heavy metal pollution

1.4.2 植株重金屬污染評價

三七植株地上部重金屬限量標準參考DBS 53/024—2017[17]；三七植株地下部重金屬限量標準參考《中國藥典》(2020 年版)；Cr 元素限量標準參考GB 2762—2017[18]。

1.4.3 植株重金屬吸收轉運能力評價

采用生物富集系數(bio-enrichment coefficient，BEC)和轉運系數(transport coefficient，TC)進行評價。BEC 為植物中不同部位重金屬濃度與土壤重金屬濃度之比，用于評價植物吸收和富集某種重金屬的能力，BEC＞1 表明具有富集能力，BEC值越大，表明其重金屬富集能力越強[19]。TC 為植物地上部重金屬含量與地下部重金屬含量之比，用于評估化學物質在植物體內的遷移轉運能力。

1.5 數據處理與統計分析

采用Excel 和SPSS 26 分析和處理數據。

2 結果與分析

2.1 三七根際土壤的重金屬含量

由表3 可知：三七根際土壤中Hg、As、Cd、Pb 和Cr 的平均含量分別為0.15、31.73、0.51、31.80 和122.05 mg/kg。其中As、Cd 和Cr 含量均超過篩選值，但并未超過管控值，超標率依次為Cd＞As＞Cr。Cd 平均含量為0.10～1.35 mg/kg，超標率為75.56%，超出限量標準101.02%；As 平均含量為4.87～87.67 mg/kg，超標率為40.23%，超出限量標準107.88%；Cr 平均含量為63.91～280.00 mg/kg，超標率為8.89%，超出限量標準65.06%?？梢?，本研究中三七采樣地土壤Cd 污染最嚴重。

表3 三七根際土壤中5 種重金屬的含量Tab.3 Contents of five heavy metals in P.notoginseng rhizosphere soil

2.2 三七根際土壤的重金屬污染指數

由表4 可知：10 個采樣地的根際土壤重金屬污染指數依次為Cd＞As＞Cr＞Pb＞Hg；10 個采樣地中，1 個采樣地處于重度污染，1 個采樣地處于中度污染，4 個采樣地處于輕度污染，2 個采樣地處于警戒級，2 個采樣地處于安全。

表4 三七根際土壤中5 種重金屬的污染指數Tab.4 Pollution index of five heavy metals in P.notoginseng rhizosphere soil

2.3 三七植株中的重金屬含量

由表5 可知：三七地上部5 種重金屬的超標率由高到低依次為Cd (67.90%)＞Cr (22.22%)＞Pb(10.84%)，3 種元素的平均含量分別為0.72、1.41和0.95 mg/kg，分別超出限量標準篩選值85.10%、62.69%和16.35%；Hg 和As 含量未超標。地下部重金屬超標率依次為Cr (49.43%)＞Cd (32.05%)＞As (23.46%)＞Pb (3.70%)，4 種元素的平均含量分別為3.42、1.15、1.19 和1.50 mg/kg，分別超出限量標準篩選值97.92%、125.53%、30.33%和74.22%；Hg 未超標。除了Hg，三七植株中其他4 種重金屬超出限量標準的百分比均表現為地下部＞地上部，且地下部和地上部均超標的重金屬為Cd、Cr 和Pb。

表5 三七植株中5 種重金屬的含量及超標率Tab.5 Contents and exceeded rate of five heavy metals in P.notoginseng plants

2.4 三七植株的重金屬累積特征

三七植株中5 種重金屬的轉運系數由大到小依次為Hg (1.89)＞Pb (0.96)＞Cd (0.71)＞Cr (0.63)＞As (0.41)。除Hg 以外，其他4 種重金屬的轉運系數均小于1，說明三七易將Hg 轉移至地上部，而Cd、Pb、As 和Cr 主要累積在三七植株的地下部。

三七植株地上部對5 種重金屬的富集系數排序為Cd (1.70)＞Hg (0.36)＞Pb (0.03)＞As (0.02)＞Cr(0.01)，地下部對5 種重金屬的富集系數排序為Cd (2.55)＞Hg (0.18)＞As (0.06)＞Pb (0.05)＞Cr (0.03)。地上部和地下部的富集系數均為Cd 最大、Cr 最小，且對Cd 的富集系數均大于1，對Hg、Pb、As 和Cr 的富集系數均小于1，說明三七植株的地上部和地下部對Cd 均有較強的富集能力。除了Hg，三七地下部對Cd、Pb、As 和Cr 的富集能力均強于地上部。

3 討論

本研究對10 個三七種植地的土壤污染等級評價表明：4 個采樣地屬于輕度污染，僅有1 個采樣地屬于重度污染，不同采樣地不同重金屬的污染程度差異較大，與前人研究結果[2,5]一致。對根際土壤中5 種重金屬(Hg、As、Cd、Pb、Cr)含量及土壤污染情況進行評價發現：重金屬Cd、As 和Cr 含量超標，但并未超過管控值，其中Cd 超標率最高，與前人報道的云南主要種植區的重金屬超標情況[4]一致。本研究中，三七植株中超標的重金屬與土壤中超標的重金屬基本一致，超標嚴重的皆為Cd 和Cr 元素，說明三七植株的重金屬主要來源可能仍然是土壤。由于農業活動、工業活動、礦產資源開采、大氣沉降等原因可能會導致Cd 元素進入土壤導致污染，因此，在種植三七前需要加強監測與調查，合理利用農業投入產品，控制工業廢物的排放，加強環境保護措施，以降低土壤Cd 污染的風險。

三七對重金屬的吸收會因為不同生長環境、部位以及與污染源的距離而不同，通常情況下植株重金屬含量與土壤重金屬含量成正比[20-21]。本研究中，三七不同部位的重金屬含量有明顯差異，除Hg 外，其他4 種重金屬含量均表現為地下部高于地上部，與陳璐等[22]和倪中應等[23]的研究結果基本一致。其中，Cd 和Cr 的超標率和超出限量標準的占比都很高，因此，在三七生長過程中應采取適當的農藝措施阻控植株對Cd 和Cr 的吸收，在后期研究中應加強低累積重金屬三七品種的選育。

不同部位、不同生長期植株富集重金屬的能力不同[24-25]。本研究發現：三七植株對5 種重金屬的富集能力和轉運能力有所差異，其中對Cd 的富集系數大于1，表明三七對Cd 的富集能力最強。轉運系數顯示：Cd、As、Pb 和Cr 主要累積于三七地下部，Hg 主要累積于三七地上部，而三七的主要藥用部位是地下部，因此，明確三七對不同重金屬的累積特征尤為重要。引起重金屬累積差異的原因除了受采樣量、三七植株部位、生長年限等因素的特異選擇外，還可能受采樣地土壤背景值尤其是理化性質的影響。通常情況下，植株對重金屬的吸收取決于土壤中重金屬的遷移性和活性，土壤的理化性質如pH 值、有機質含量、陽離子交換量、氧化還原電位等對重金屬形態變化有重要影響[26-30]。本研究采集的樣品為大田實際種植的三七植株及根際土壤，初步探明了三七對重金屬的富集特征差異，而引起重金屬含量、積累和轉運有所差異的原因可能受植株年限和土壤背景值的影響，為得到更準確的數據，將來還需進一步設置盆栽試驗選取背景值和生育期一致的三七植株，對不同重金屬的累積特征及差異進行評價，采取農藝措施調控土壤理化性質，從而降低三七對重金屬的吸收累積。

4 結論

本研究選取的三七采樣地多屬于輕度污染等級，三七根際土壤及植株地下部Cd、As、Cr有潛在污染風險，其中Cd 風險最為嚴重。除了Hg，三七對Cd、As、Pb 和Cr 的富集能力均表現為地下部強于地上部，且對Cd 的富集能力最強。