云南三七种植区土壤重金属分布特征及其与三七块根、叶片内含量的关系

刘 源，杨牧青，汪 泰，赵 宏，张乃明

(云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201)

三七为五加科人参属植物，为临床常用的贵重中药材之一，传统功效为散瘀止血，消肿定痛［1］。三七起源于2 500万年前第三纪古热带残遗植物，生理生态上对环境适应能力很低，仅局限于23.5°N附近的中高海拔地区，主要分布于我国云南文山州境内［2］。由于云南文山州具有低纬度高海拔地区的气候条件，有利于三七干物质和有效成分的积累，形成了文山三七产量高、品质好的特点，是公认的三七“道地产区”［3］。三七忌地性极强，连作障碍严重。为此，云南很多三七种植户已将种植地由文山州移到了云南其他相对适合三七生长的州(市)种植［4］。

目前，三七研究主要集中于药用活性领域，其重金属污染研究仍处于起步阶段［2］。江滨等首次提出，三七中的重金属主要来源于附着在表面的浮土［5］。冯光泉等通过野外调查发现，三七中砷(As)、镉(Cd)等污染可能主要来源于其特殊的重金属吸收、累积机制［3，6］。于冰冰等通过长期定点监测发现，三七主产区植株各部位均存在较为严重的砷污染问题，超标率达14% ～81%［7］。三七作为中成药制剂的重要原料，其重金属污染问题可能会影响其药物安全［8］。近年来，随着采矿区域的无序扩张以及含重金属农药的大量使用，三七种植区土壤重金属污染问题日益严重，已对三七药品安全及国际贸易产生了严重威胁［6］。因此，三七中的重金属含量测定是保证其质量的一个重要内容。

本研究通过调查云南文山、红河、曲靖、昆明4个三七种植区土壤及三七中的铜(Cu)、砷、镉、铅(Pb)4种重金属污染现状，为有效解决三七的重金属污染问题、保障三七的药物安全提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 三七种植区概况

三七的道地产区为云南省文山州，但在云南省的昆明、曲靖、红河以及广西壮族自治区等地均有广泛人工种植。药材中的微量元素常常作为评价道地药材的特征指标之一，众多研究表明，不同产地三七的重金属元素等微量元素含量具有明显的差异［9］。

1.2 布点与采样

三七土壤样品于2015年采集自云南文山、昆明、曲靖、红河共51个产地的3年期三七植物及土壤样品，具体采样布点情况见图1。在每个地块随机采集三七样品10～15株，同时采集相对应的0～20 cm表层土壤，取样点以全球定位系统(GPS)精确定位。

1.3 样品处理与测试方法

1.3.1 样品处理 采集新鲜三七后用自来水冲洗干净，洗去根部泥土，并用细毛刷清洗，再用去离子水冲洗。将三七植株分成主根、须根、茎、叶等不同部位，于105℃下杀青处理30 min，然后于60℃条件下烘干24 h至恒质量，烘干后的三七样品经玛瑙研钵磨碎后置于封口袋中保存。将土壤样品自然风干后，剔除样品中植物根系、有机残渣以及可见侵入体，用木质工具碾碎并用玛瑙研钵研磨，分别过20、100目尼龙筛，待测［10］。

1.3.2 测试方法 仪器:WFX－120原子吸收分光光度计，AFS－820双道原子荧光分光光度计，铅、镉空心阴极灯，砷、铜编码空心阴极灯。

试剂:砷、铅、铜、镉标准液均为1 mg/mL(由中国计量科学研究院化学计量与分析科学研究所提供)，其余所用试剂均为优级纯，水为去离子水。

测定方法:用原子吸收法测铅、镉含量;用原子荧光法测砷、铜含量［11－12］。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010软件进行统计分析，用ArcGIS软件绘制采样布点图。

本研究用《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)的土壤重金属二级标准对云南三七种植区土壤Cd、As、Cu、Pb环境质量进行评价。用《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》(WM/T 2—2004)对云南三七种植区植株 Cd、As、Cu、Pb环境质量进行评价。

综合污染指数计算公式［10］:

式中:P综合为Nemerow综合污染指数;Pmax为单项污染指数最高值;Pave为各单项污染指数的算术平均值。P综合＜0.7表示清洁，P综合为0.7～1.0 属警戒限，P综合为1.0 ～2.0 属轻度污染，P综合为2.0～3.0属中度污染，P综合＞3为重度污染。

2 结果与分析

2.1 云南三七种植区土壤重金属含量

对采集自云南文山、昆明、曲靖、红河共51个产地的3年期三七土壤样品中铅、镉、砷、铜4种重金属元素进行了检测及分析，三七种植区土壤重金属含量及分布见表1。由《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)的土壤重金属二级标准可知，云南三七种植区存在较为严重的土壤Cd、As、Cu污染，样品超标率分别为62.7%、35.3%、64.7%，土壤 Pb 浓度均远低于限量标准250 mg/kg。褚卓栋等认为，土壤重金属浓度概率分布若符合正态分布，则表明该元素来源于成土母质，若不符合则可能来源于人类活动［13］。本研究发现，云南三七种植区已出现比较严重的Cd、As、Cu等多种重金属污染，原因是由于云南省土壤本身背景值较高，导致Cu、Cd超标现象严重;近年来云南主要三七种植区矿产资源的不合理开发、矿业活动的无序扩张以及含重金属农药的大规模使用［9］，导致三七种植区土壤重金属的污染范围不断扩大、污染程度不断加剧。

表1 土壤中重金属Pb、Cd、As、Cu浓度

2.2 不同行政区三七土壤4种重金属含量比较

基于云南文山、昆明、曲靖、红河51个点位三七种植区土壤的铅、镉、砷、铜4种重金属元素的整体数据，笔者对各个行政区的三七种植区土壤4种重金属元素含量进行了系统分析(表2)。

表2 不同行政区三七土壤中4种重金属含量比较

从表2、表3可以看出，4个三七种植区域中的重金属含量有一定差异，能看出较为明显的产地特点，4个区域的铅均未超标，文山地区的铜、砷、镉超标率分别为50.0%、40.0%、45.0%，红河地区的铜、砷、镉超标率分别为66.7%、50.0%、66.7%，昆明地区的铜、砷、镉超标率分别为 80.0%、0%、80.0%，曲靖地区的铜、砷、镉超标率分别为 100.0%、66.7%、100.0%，4个地区铜、砷、镉元素超标情况不容乐观，污染情况很严重。潘洪君等通过电感耦合等离子体制谱(ICP－MS)法测定4种中药材中重金属含量，认为同种类中药材有害元素含量差异较大，反映出我国土壤和水质环境等因素的地区差异［11］。本研究与相关报道的不同产地药材中重金属污染程度均存在一定差别的结果相一致。

表3 不同行政区三七土壤中重金属超标率

2.2.1 不同区域污染程度分析 按照上述评价标准以及评

价方法计算云南三七各种植区单项污染指数和综合指数，从表4可以看出，就总体而言，研究区采样点土壤中重金属元素Cu、As、Cd单项污染指数大部分在1～2之间，处于轻度污染等级，重金属元素Pb单项污染指数均在0.7以下，处于清洁级别。文山、红河、昆明、曲靖4个三七种植区 P综合分别为1.27、1.31、1.76、2.16，其中文山、红河、昆明均为轻度污染等级，曲靖为中度污染等级，且4个三七种植区重金属污染程度依次表现为曲靖＞昆明＞红河＞文山。

2.2.2 三七块根、叶片的重金属含量 对采集自云南文山、昆明、曲靖、红河共51个产地的3年期三七植株样品中铅、镉、砷、铜4种重金属元素进行了检测及分析，对三七重金属污染评估主要参照《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》(WM/T2—2004)，其 Pb、Cd、As、Cu 的限量标准分别为 5.0、0.3、2.0、20.0 mg/kg。本研究结果显示，云南三七种植区植株块根、叶片部位均存在较为严重的重金属污染。从表5可以看出，块根部位 Pb、Cd、As、Cu 超标率分别为 0、76.5%、31.4%、0，叶片部位 Pb、Cd、As、Cu 超标率分别为 36.6%、58.5%、68.3%、4.9%。Cu超标率较低。冯光泉等调查发现，种植区部分三七样品出现 Cd、Pb等重金属超标的现象［14］。近年来，由于国内外对比需求量剧增、文山耕地有限、三七连作障碍等原因，使得部分重金属含量超标区域也被应用于三七种植，从而导致三七重金属污染问题凸显［15－16］。本研究结果表明，三七种植区植株已存在较为严重的As、Cd、Pb等重金属污染，对人体健康及国际贸易造成潜在威胁。

表4 不同区域土壤污染指数

表5 三七块根、叶片的重金属含量和超标率

2.3 土壤与三七块根、叶片中重金属含量之间的关系

2.3.1 土壤与三七块根重金属含量之间的关系 三七块根是三七主要的药用及食用部位，块根中携带的重金属也会转入人体内，并且对人体的新陈代谢和一些生理机能带来巨大的威胁，所以将不同三七种植区土壤重金属含量与三七块根重金属含量之间进行拟合线性分析(图2)，分析结果表明，土壤中铅、砷重金属含量上升，与三七块根中重金属含量呈正相关，相关系数分别为0.152 2、0.236 7(图2 －A、图 2 －C)，随着土壤中铅含量的增加，三七块根中的铅含量基本稳定在2.5 mg/kg以内，变化范围比较小;三七块根中砷的超标率达到了31.4%。随着土壤砷含量的增加，块根中砷含量总体趋势是增加的，二者呈正相关关系，但是块根中的砷含量表现出比较大的波动性，这有可能是不同区域气候环境影响造成的。不同产地的生态环境也对三七的化学成分试验表明，气候因子气温、降水量、日照时数、相对湿度等对三七有效成分含量具有一定影响，并且1月降水量和年温差是影响三七化学成分的关键因子［17］。本研究中三七块根中镉、铜的拟合性较差，拟合系数分别为0.075 5、0.052 1(图2 － B、图 2 － D)，所以三七块根中的镉和铜可能不仅仅来源于土壤里，可能与重金属形态有关，还可能来自外源矿业、交通以及农药化肥污染。

本研究中三七块根镉、砷的超标率分别达到了76.5%、31.4%，可以看出镉和砷含量超标还是三七重金属超标的重要元素，而铜和铅在三七块根里均未超标，且处于一个相对安全的范围内，与众多文献报道的三七重金属超标累积现状基本一致，表明镉和砷超标依然是影响三七质量提高所面临的问题。

2.3.2 土壤与三七叶片重金属含量之间的关系 对三七叶片中铅、镉、砷、铜4种重金属含量与土壤中含量分别作了拟合线性分析(图3)，分析结果表明，铅具有较好的拟合性，相关系数为0.226 2(图3－C)，而镉、砷、铜3种重金属拟合性较差，相关系数分别为0.000 1、0.011 9、0.020 8(图3 －B、图3－A、图3－D)，叶片中镉、砷、铜3种重金属含量与土壤重金属含量关系不显著。

三七叶片中铅、镉、砷、铜4种重金属的超标率分别为36.6%、58.5%、68.3%、4.9%，其中，铅、砷、铜 3 种重金属相比较于块根中超标率有明显上升，在块根中铅、铜均未超标的前提下，叶片中的铅、铜超标率分别达到36.6%、4.9%。表明三七叶片中的铅、砷、铜3种重金属来源不仅仅是土壤，可能与重金属形态有关，也可能容易受外源因素的影响，所以三七的种植区应该远离矿区、交通线，在管理过程中尽量适量使用含重金属元素的杀虫剂、杀菌剂，以降低三七中的重金属含量。

3 结论

(1)云南省三七主要种植区土壤重金属污染超标严重，其中以Cd、As、Cu 3种重金属超标最为严重，样品超标率分别为62.7%、35.3%、64.7%，Pb 未超标。(2)文山、红河、昆明、曲靖4个三七种植区均已有不同程度的重金属污染问题，4个三七种植区重金属污染程度依次表现为曲靖＞昆明＞红河＞文山。在三七种植区北移的过程中，要注意对重金属污染的控制。(3)三七块根重金属累积量与土壤重金属浓度呈线性正相关，以铅、砷较为明显;三七叶片铅累积量与土壤铅浓度呈线性正相关，而镉、砷、铜3种重金属拟合性较差，表明叶片中镉、砷、铜3种重金属与土壤重金属含量关系不明显，原因可能是与重金属的形态有关，相关问题还需作进一步研究阐明。