土壤-川芎系統(tǒng)重金屬富集規(guī)律研究

王 芬，彭國照

(1.雙流縣氣象局，四川成都610200;2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川成都610072)

川芎(Ligusticum chuanxiong Hort)為傘形科(Umbellifera)槁本屬植物，以干燥的根莖入藥，是四川道地中藥材之一。川芎產(chǎn)品中重金屬元素主要來自土壤、施用灌溉的肥料及水分，它是植物對重金屬元素有選擇性吸收的結(jié)果，稱之為重金屬元素的富集。重金屬會(huì)在土壤-植物體系中遷移[1－3]，最終通過食物鏈來危害人體健康。因而，研究土壤中重金屬在植物中不同部位的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律對研究土壤中重金屬污染的毒害程度以及中藥用藥的安全性有著重要意義。并且能為生產(chǎn)上控制川芎重金屬富集提供科學(xué)依據(jù)，對促進(jìn)川芎產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展，對氣象部門拓展服務(wù)領(lǐng)域，深化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測服務(wù)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

采用大田試驗(yàn)的方法，在川芎播種出苗1個(gè)月后，每月采集川芎樣品和土壤樣品。每月(除去2月份)到四川川芎道地產(chǎn)區(qū)都江堰市柳街鎮(zhèn)、徐渡鄉(xiāng)和彭州市慶興鎮(zhèn)三地同一地塊以對角線法采集川芎樣品及其生長土壤樣品。

1.2 樣品測試

土壤及川芎樣品中均測試重金屬Cu、Hg、Pb和As。Cu運(yùn)用微波消解-火焰原子吸收光譜法測定;Hg、Pb和As運(yùn)用微波消解-氫化物發(fā)生雙道原子熒光法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 川芎各生育期土壤重金屬含量分析

從圖1至圖3可以看出，在川芎整個(gè)生命周期中，3個(gè)研究區(qū)土壤中Cu、Hg、Pb、As的變化均不大。

圖1 柳街鎮(zhèn)土壤重金屬含量

圖2 徐渡鄉(xiāng)土壤重金屬含量

圖3 慶興鎮(zhèn)土壤重金屬含量

2.2 成熟期川芎根、莖、葉對重金屬的吸收富集特征

3個(gè)采樣點(diǎn)土壤pH值在5.5～5.9，呈弱酸性。由表1可見，土壤重金屬在區(qū)域上含量變化比較大，有一定程度的分異(20%≤變異系數(shù)≤50%)。同時(shí)選擇土壤重金屬元素含量的中位值參照表2國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)進(jìn)行比較分析得知，研究區(qū)重金屬含量符合國家二級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，除Hg元素外，其他元素達(dá)到國家一級土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 成熟期研究區(qū)土壤重金屬含量/mg/kg

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值(GB15618-1995)/mg/kg

將不同采樣區(qū)成熟期川芎不同部位中重金屬的含量進(jìn)行匯總，并將入藥的塊根中的重金屬含量與中國《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 川芎成熟期植株各部位重金屬含量/mg/kg

從表3可以看出:Cu在川芎植株不同部位的含量為葉＞莖＞根。川芎植株各部位在成熟期對Hg和Pb的吸收具有相似的特征:葉＞根＞莖。而川芎植株各部分在成熟期對As的吸收量呈現(xiàn)出與其他3種元素不一樣的規(guī)律:根＞葉＞莖。在成熟期，川芎根對4種元素吸收富集能力不同。Cu在川芎根、莖、葉中的平均含量最高，而Hg的含量最低。土壤中重金屬的活性和植物有效性很大程度上決定于重金屬在土壤溶液中的可溶性。根際特殊環(huán)境會(huì)影響重金屬在土壤中的生物有效性，林琦等發(fā)現(xiàn)小麥根際存在著殘?jiān)鼞B(tài)鉛的活化現(xiàn)象[4]。根分泌物可以通過改變根際pH值、Eh等條件而影響重金屬的活性。有機(jī)酸、氨基酸、多肽等根分泌物能夠與重金屬螯合，改變重金屬在土壤中的結(jié)合形態(tài)以及活性[5]。另外，根際微生物的種群變化，微生物與根系的相互作用以及微生物分泌物等，都有可能對土壤重金屬的生物有效性帶來深刻影響。也因此作為根系對重金屬的吸收差異原因之一[6]。盡管如此，較之《藥用植物及制劑進(jìn)出口綠色標(biāo)準(zhǔn)》，Hg的最大允許濃度為0.20 mg/kg，川芎根中Hg含量均達(dá)到或超過該綠色標(biāo)準(zhǔn)。同樣的，川芎根對As的吸收也超出該標(biāo)準(zhǔn)，平均超標(biāo)2.5倍。川芎根莖中Cu和Pb含量符合藥用植物標(biāo)準(zhǔn)。該結(jié)論與易桂花等研究結(jié)果相似[7]。

圖4 成熟期各采樣區(qū)川芎植株Cu含量

從圖4可見，成熟期，Cu在川芎植株不同部位的含量為葉＞莖＞根。由于川芎的器官生長發(fā)育有其特殊的生物性。不同器官在同一生育期的生長發(fā)育各有其特點(diǎn)。川芎是須根系植物，其根具有吸收、貯藏功能，是川芎的藥用部位。根莖膨大期，根發(fā)揮了最大的貯藏作用。川芎根在苗期發(fā)生最快，以后的幾個(gè)生育期根的發(fā)生緩慢。川芎莖的數(shù)量在各生育期各不相同，川芎莖的長度在各個(gè)生育期差異更大，莖的高度收獲時(shí)達(dá)到最高。在川芎莖生長期及根莖膨大期，葉片數(shù)最多，一般可達(dá)60多片，收獲時(shí)川芎葉片最多的可達(dá)100片左右。可見莖葉在根莖膨大成熟期生長旺盛。銅作為生長必需的微量營養(yǎng)元素，在新陳代謝旺盛的器官蓄積量較大，而營養(yǎng)儲(chǔ)存器官如塊根蓄積量較少[8]。再也可能由于植物地上部分的生物量大，其對重金屬積累的絕對量仍然比地下部分要多[9]。

川芎植株各部位在成熟期對Hg和Pb的吸收具有相似的特征(圖5、圖6):葉＞根＞莖。Hg和Pb，不僅通過根的吸收，莖輸送至葉，葉還從大氣中吸收。大氣中的汞化合物、噴施的有機(jī)汞農(nóng)藥、雨水和塵埃，使用含鉛汽油的汽車尾氣是環(huán)境中Pb的重要來源，關(guān)于城市植物葉片金屬元素含量與大氣污染的關(guān)系已有不少報(bào)道[10－12]。從植物細(xì)胞對重金屬的絡(luò)合和區(qū)域化作用分析，葉片較莖桿和根具有更高比例的活細(xì)胞，其代謝強(qiáng)度也高于莖桿和根，因而其Hg和Pb含量應(yīng)該高。

圖5 成熟期各采樣區(qū)川芎植株Hg含量

圖6 成熟期各采樣區(qū)川芎植株P(guān)b含量

圖7 成熟期各采樣區(qū)川芎植株As含量

由圖7可以看出，川芎植株各部分在成熟期對As的吸收量呈現(xiàn)出與其他3種元素不一樣的規(guī)律:根＞葉＞莖。植物對土壤中重金屬的吸收取決于重金屬的種類、含量、土壤及植物特性。植物中重金屬元素在不同組織中的分布主要由植物自身的特點(diǎn)決定。由于大量微生物集聚在植物根部，增強(qiáng)了根部對重金屬的富集和吸收能力，這就是植物的“根際效應(yīng)”。植物根部是分布在土壤中的主要吸收器官，重金屬污染物通過根部進(jìn)入植物體。砷進(jìn)入植物體后首先沉積在根的皮層細(xì)胞壁和表層細(xì)胞壁，通過非共質(zhì)體通道或共質(zhì)體通道遷移到植物體內(nèi)的各器官并沉積下來，其具體遷移方式和沉積部位由植物的特性及重金屬的特點(diǎn)所決定[13]。這可能就是造成根部含量較高的原因。

2.3 塊根-土壤重金屬含量相關(guān)性分析

川芎的塊根是主要藥用部分，其內(nèi)的重金屬含量直接影響川芎的品質(zhì)和質(zhì)量。而川芎植物體內(nèi)的元素含量主要通過根系的吸收，由土壤進(jìn)入植物體內(nèi)。土壤中的重金屬含量與根莖中重金屬含量之間的相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果如表4所示。

表4 川芎塊根重金屬含量y與土壤重金屬含量x的關(guān)系

4種元素在川芎塊根及土壤中的相關(guān)系數(shù)分別為:Cu:0.9747;Hg:0.8891;Pb:0.9656;As:0.9343。Cu和Pb通過1%檢驗(yàn)，Hg和As通過5%檢驗(yàn)。由此可以看出4種重金屬元素在川芎塊根和土壤中的含量呈正相關(guān)，相關(guān)性好，隨著土壤中重金屬含量的增加，川芎中的累積量也相應(yīng)增加，表明重金屬在從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)的遷移轉(zhuǎn)化過程中，常常伴有重金屬元素在介質(zhì)中的累積和殘留。土壤的 Cu、Hg、Pb、As等重金屬在隨植物的生長移出土體的同時(shí)，又在植物體內(nèi)進(jìn)行累積。相關(guān)學(xué)者也注意到重金屬吸收富集作用不僅影響著動(dòng)植物本身健康的生物學(xué)特性，同時(shí)也通過進(jìn)入食物鏈影響到其他生物，而使長期食用或藥用者的健康直接受到威脅。

結(jié)果表明，川芎塊根中的 Cu、Hg、Pb、As含量與土壤中 Cu、Hg、Pb、As含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.4 成熟期川芎根與各生長期莖葉相關(guān)性分析

研究成熟期川芎根與其他各生長期川芎莖葉之間的重金屬含量相關(guān)性，可以得到與商品芎(即成熟期川芎根)中重金屬含量存在關(guān)系的時(shí)期，有針對性采取措施控制該時(shí)期塊根中的重金屬含量。分別對川芎各生長期根莖、根葉之間重金屬含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5、表6。

由表5可以看出，商品芎(即5月份成熟期收成的川芎塊根)中重金屬含量與12月(莖發(fā)生與生長期)，4月(抽莖期)，5月(成熟期)的莖中重金屬含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(通過0.1%檢驗(yàn))。并且通過表6，還可以得到商品芎重金屬含量與4月(抽莖期)葉中重金屬含量顯著正相關(guān)(通過5%檢驗(yàn))和5月(成熟期)葉中重金屬含量極顯著正相關(guān)(通過0.1%檢驗(yàn))。當(dāng)然，從表5、表6還可以分別得到莖、葉各生長期間的關(guān)系:基本上不論是莖還是葉均受到各自上一生長期中重金屬含量的影響，存在正相關(guān)關(guān)系(通過顯著性檢驗(yàn))。

表5 各生長期川芎根與莖相關(guān)性

表6 各生長期川芎根與葉相關(guān)性

因此，該相關(guān)性分析可以為GAP生產(chǎn)和控制重金屬富集提供科學(xué)依據(jù)，以此提出相應(yīng)的措施來減少商品芎中重金屬含量，如:可以在12月份相應(yīng)地剪去莖葉，4月和5月時(shí)適當(dāng)?shù)販p少葉片的數(shù)量等等。

3 結(jié)束語

文中只研究了川芎對 Cu、Hg、Pb、As 4種重金屬元素的吸收富集規(guī)律，其實(shí)對于川芎品質(zhì)有影響的無機(jī)元素還有很多，故如能盡量多的研究其他元素，將更有利于優(yōu)質(zhì)川芎的栽培。

對川芎植株中重金屬含量研究只是針對3個(gè)川芎道地產(chǎn)區(qū)，如能多增加些采樣點(diǎn)，將更有助于分析川芎生長過程中重金屬在“土壤-作物”系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

植物對土壤中重金屬的吸收取決于重金屬的種類、含量、土壤及植物特性。植物中重金屬元素在不同組織中的分布主要由植物自身的特點(diǎn)決定，其具體原因有待進(jìn)一步研究。

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