不同樹種下林下參土壤重金屬含量差異分析

李騰懿, 孫 海, 楊 振, 張亞玉

(中國農(nóng)業(yè)科學 院特產(chǎn)研究所, 長春 130112)

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不同樹種下林下參土壤重金屬含量差異分析

李騰懿, 孫 海, 楊 振, 張亞玉

(中國農(nóng)業(yè)科學 院特產(chǎn)研究所, 長春 130112)

為解不同樹種下林下參土壤中重金屬含量的差異，以林下參護育中的胡桃楸、榆樹、松樹和楊樹為研究對象，分析林下土壤中Al，Cd，Cr，Cu，F(xiàn)e，Mn，Pb，V，Zn九種重金屬含量。結果表明：不同樹種下林下參土壤中重金屬含量差別較大；重金屬全量的變異系數(shù)以Cu最大，為0.33，而有效態(tài)含量的變異系數(shù)以Fe最大，達到了0.57；土壤中Cd的總量為0.390 mg/kg，大于國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準，值得引起注意；土壤中有效態(tài)Cd，Cu，F(xiàn)e，Pb，V，Zn含量均以胡桃楸下為最高，有效態(tài)Al，Cr含量以松樹下最高，楊樹下有效態(tài)Cd，Cu，F(xiàn)e的含量為各樹種間最低；林下參重金屬富集系數(shù)以Zn，Cu，Cr為最高，分別為0.445，0.473和0.279；林下參紅皮病的發(fā)病指數(shù)以胡桃楸下最高而以楊樹下最低，并與土壤中有效態(tài)鐵含量呈顯著正相關，與有效態(tài)錳含量呈顯著負相關(p<0.01)，相關系數(shù)分別為0.796和0.76。

林下參; 土壤; 重金屬; 樹種; 紅皮病

人參(PanaxginsengC．A．Mey.)系五加科人參屬多年生草本植物，素有“百草之王”的美譽，是第三紀幸存下來的極其珍貴的植物活化石，具有滋補強壯、安神益智之功效，在國內(nèi)外中藥領域占有極其重要的地位目前，人參的生產(chǎn)模式主要有兩種，一種是栽培人參，一種是林下護育人參(林下參)，林下參是一種仿野山參生長環(huán)境進行的人工護育人參，其產(chǎn)品藥用價值和經(jīng)濟價值均高于栽培人參。2005年中國藥典增補版正式將林下參歸為野山參項下。林下參的發(fā)展不僅為市場提供了高品質(zhì)的人參產(chǎn)品，還對野山參資源的恢復和保護起到了非常積極的作用。林下參作為一種珍貴的中藥材，其重金屬含量是關系到林下參藥用價值和經(jīng)濟價值的非常重要的因素。

土壤是林下參賴以生存的物質(zhì)基礎，其重金屬含量與存在形態(tài)將會直接影響林下參中重金屬的含量和富集系數(shù)。土壤中重金屬的污染會造成其正常供給功能的紊亂，進而會影響到植物的正常生長發(fā)育，最終通過食物鏈影響到人體健康[2]。土壤中所含的重金屬，有的對林下參的生長具有毒害作用，并且具有長期性和難移動等特點，如鎘和鉛等；有的像銅和鋅等在適量時有益于植物的生長而過量時則會造成污染[3-5]。樹種作為林下參生長環(huán)境中主要的影響因素之一，可以通過其根系分泌物、林木凋落物等直接或間接的影響土壤中重金屬含量以及存在狀態(tài)，因此，本研究以吉林省撫松縣新屯子鎮(zhèn)白石崗村林下參標準化護育基地為研究區(qū)域，選擇基地內(nèi)的四種常見樹種胡桃楸、榆樹、松樹和楊樹，對其樹下的土壤重金屬全量和有效態(tài)含量以及樹下生長的林下參重金屬含量進行了測試分析，以期明確不同樹種下土壤中重金屬含量及存在狀態(tài)的差異，為今后林下參護育提供理論參考和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

不同樹種土壤及林下參樣品采自于吉林省撫松縣新屯子鎮(zhèn)白石崗村林下參標準化護育基地。該區(qū)位于東經(jīng)127°34′，北緯42°55′，海拔660～670 m，屬山區(qū)濕潤氣候，土壤屬暗棕壤，年平均氣溫在3.1℃左右，年均降水量799 mm左右，年均日照時數(shù)2 200～2 500 h，年均無霜期130 d左右。

1.2 采樣方法

選擇同一坡度、同一坡向、同一坡位生長的不同樹種下的林下參土壤，按照張亞玉等[6]采挖野山參時采集土壤的方法進行，每個樹種選擇5～6株林下參，在樹下采集三份根區(qū)土壤混合均勻作為一個樣品。將采集到的土壤樣品裝入塑料自封袋中，及時帶回實驗室，除去植物根系和石塊等，風干后研磨，分別過20目和100目篩，裝袋密封待測。將采集到的人參帶回實驗室，首先用清水刷洗干凈人參表面殘留的土壤，之后用去離子水沖洗人參表面2～3次，稱重，用粉碎機粉碎，過100目篩，裝入塑料自封袋中備用。

1.3 測試方法

土壤有效養(yǎng)分測定采用常規(guī)農(nóng)化分析方法進行測定。土壤中重金屬消煮采用土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準中規(guī)定方法。土壤有效態(tài)重金屬采用0.1 mol/L HCl 浸提。重金屬測定采用美國瓦里安中國公司的Vista PRO ICP進行。

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗過程進行標準土壤較準，標準土壤為國家標準物質(zhì)網(wǎng)提供的松嫩平原土壤[GBW07424(GSS-10)]，其中鎘和鉛的相對誤差(RE)分別為2.9%和3.7%，相對標準偏差(RSD)分別為0.97%和1.35%。

表1 不同樹種下土壤基礎理化性狀

對不同樹種下林下參紅皮病的發(fā)病情況進行了統(tǒng)計，并結合林下參紅皮病的發(fā)病指數(shù)計算公式，得出了不同樹種下林下參紅皮病的發(fā)病指數(shù)(SHBI)。

林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)計算公式：

林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)：0級：無紅皮?。?級：須根局部略變紅或有零星紅斑；2級：根部有個別明顯病斑，占表面積的1/5以下，參形正常；3級：紅皮病斑明顯，占表面積的1/5～1/2，影響外觀；4：病斑大而多，占表面積的1/2以上，2/3以下，外觀受嚴重影響；5：病斑占參根表面積的2/3以上，或完全變紅，須根基本沒有，喪失商品價值。

表2 不同樹種下林下參紅皮病發(fā)病情況

1.4 上機測試條件

主要試劑:試驗中所用的藥品均為優(yōu)級純，水為超純水；測試儀器：安捷倫公司的Varian ICP710 ES；工作條件：功率0.9 kW，等離子體氣流量15.0 L/min，輔助器流量2.25 L/min，霧化氣流量0.8 L/min，泵速15 r/min，樣品間清洗時間10 s；ICP分析用混合標準溶液(GSB04—1766—2004)由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)處理和相關分析。

2 結果與分析

2.1 林下參土壤重金屬全量和有效態(tài)含量總體特征

參照國家環(huán)保局南京環(huán)境科學研究所撰寫的中華人民共和國土壤環(huán)境質(zhì)量標準GB15618—1995[7]，取置信度95%，對采樣地不同樹種下的林下參土壤重金屬全量和有效態(tài)含量分別進行描述性統(tǒng)計，結果如表3所示。不同樹種下的林下參土壤重金屬全量變異系數(shù)以Cu和Mn最大，分別為0.33和0.26，重金屬有效態(tài)含量變異系數(shù)以Fe和Pb最大，分別為0.54和0.47，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能有：一是林木根系會向土壤中分泌一些以有機酸為主的小分子物質(zhì)，能明顯改善根際土壤的化學過程，促進難溶性物質(zhì)的溶解[8]，而不同樹種根系分泌物的含量和組成均存在一定的差異，從而導致了其對土壤中重金屬解吸的快慢反應速率不同[9]；二是不同樹種下的林木凋落物的組成與分解速率不同，導致林下土壤化學性質(zhì)如pH值、有機質(zhì)和N，P，K等含量的不同[10]，而土壤化學性質(zhì)對重金屬含量起著重要作用[11]。其中鎘(Cd)的含量為0.390 mg/kg，超過國家土壤環(huán)境質(zhì)量二級標準規(guī)定的限制值，其最大含量達到0.496 mg/kg，超過國家三級標準，這與一般土壤中鎘的污染概率較高的研究相一致[12],需要引起人們注意。除鎘外，林下參土壤中其他金屬元素的含量均低于國家一級標準規(guī)定的限制值，說明林下參土壤中的重金屬含量基本保持在自然背景水平。但是土壤中銅(Cu)和鋅(Zn)的最大含量分別達到了29.35，87.86 mg/kg，接近一級標準的限制值，值得引起注意。總體而言，重金屬有效態(tài)含量的變異系數(shù)比重金屬總量的變異系數(shù)大，這可能與其在不同形態(tài)中的含量和化學組成不同有關[13]。

土壤中重金屬生物有效性系數(shù)指的是土壤中重金屬有效態(tài)含量與重金屬全量的比值，可以用來更好的評估土壤重金屬風險以及生物的累積作用，測定的林下參土壤重金屬中以鎘(Cd)和錳(Mn)的生物有效性最高，分別為33.85%和24.17%，說明鎘和錳的生物活性比較強，易于被植物吸收，而鐵(Fe)和鉻(Cr)的生物有效性最低，僅為0.30和0.55。

表3 林下參土壤中重金屬全量和有效態(tài)含量描述性統(tǒng)計

2.2 不同樹種下林下參土壤重金屬有效態(tài)含量及生物有效性差異分析

土壤中重金屬含量、有效性等受到土壤理化性質(zhì)、生物類型、重金屬特征以及根際環(huán)境等綜合作用的影響[14]，不同樹種由于其根系分泌物的組成與含量以及林木凋落物的組成等方面存在差異，會在不同程度上改變土壤的理化性質(zhì)如pH值、離子組成及存在狀態(tài)等，進而在不同程度上影響林下參土壤中重金屬含量及存在狀態(tài)。由表4可知，不同樹種下土壤中重金屬有效態(tài)含量表現(xiàn)差別較大。鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，約占地殼總質(zhì)量的7%～8%，在酸性土壤中鋁含量超標將會對植物根系產(chǎn)生傷害，嚴重限制植物的生長發(fā)育[15]，由表4可知，有效態(tài)Al含量在松樹下土壤中最高，為1 049 mg/kg，比最低的胡桃楸下的含量高出3.1倍，不同樹種下的鋁含量表現(xiàn)為松樹下>榆樹下>楊樹下>胡桃楸下，這與其樹下土壤中pH值的表現(xiàn)是相一致的，這是因為土壤中的交換態(tài)和水溶態(tài)鋁含量會隨土壤pH值的降低而增加[16]；土壤中的鎘是植物非必須元素，被視為毒性最強的重金屬元素之一，易被植物吸收并通過食物鏈進入人體，對人體健康產(chǎn)生極大危害[17]，不同樹種下有效態(tài)Cd含量以胡桃楸下最高而楊樹下最低，兩者相差0.071 mg/kg，大小表現(xiàn)為胡桃楸下>松樹下>榆樹下>楊樹下；土壤中鉻含量超標會引起土壤貧瘠，導致植物枯萎，并通過食物鏈累積最終危害人體健康[18]，不同樹種下有效態(tài)Cr表現(xiàn)為松樹下最高，為0.253 mg/kg，比最低的胡桃楸下含量高出2.8倍，大小表現(xiàn)為松樹下>榆樹下>楊樹下>胡桃楸下，松樹下土壤有效態(tài)鉻(Cr)含量顯著高于其他樹種，這可能是與松樹下土壤pH值較低有關，土壤pH值較低時會促進土壤中鉻水溶態(tài)和交換態(tài)含量的增加，進而提高其生物有效性[19]；銅是一種對人體有益的微量元素，在許多生物化學過程中都有重要作用，但是一旦攝入過量就會產(chǎn)生危害[20]，土壤中過量的銅會減弱植物的光合作用，使根系受損，最終影響植物的正常生長發(fā)育，由表4可知，不同樹種下有效態(tài)Cu含量表現(xiàn)為胡桃楸下>松樹下>榆樹下>楊樹下，且各樹種間表現(xiàn)呈顯著性差異(p<0.05)；土壤中過量的鐵離子會對人參產(chǎn)生毒害作用，引起人參紅皮病的發(fā)生[21]，有效態(tài)Fe含量以胡桃楸下最高，比最低的楊樹下的有效態(tài)鐵含量高出3.3倍，不同樹種下的有效態(tài)鐵含量表現(xiàn)為胡桃楸下>榆樹下>松樹下>楊樹下，且相互之間呈顯著性差異(p<0.05)；不同樹種下的有效態(tài)Mn含量以楊樹下最高而胡桃楸下最低，表現(xiàn)為楊樹下>松樹下>榆樹下>胡桃楸下，且相互之間呈顯著性差異(p<0.05)；鉛是重金屬環(huán)境激素物質(zhì)之一，能對人體內(nèi)的正常激素功能施加影響，可以導致人體生殖功能的下降，并引起各種生理異常，尤其對兒童危害最大[22]，由表4可以看出，有效態(tài)Pb含量以胡桃楸下最高，達到了0.760 mg/kg，顯著高于其他樹種兩倍以上，榆樹下、松樹下和楊樹下的鉛含量差異不顯著(p<0.05)，這可能與土壤中重金屬之間存在復合效應有關，不同重金屬之間往往會出現(xiàn)復合效應，表現(xiàn)為加和效應、拮抗效應和協(xié)同效應三種，陳懷滿等在研究Cd，Pb，Cu，Zn和As等五種元素間的交互作用時發(fā)現(xiàn)，各種金屬之間的相互作用促進了Cd，Pb，Zn的活化，對As反而會有抑制作用[23]，可見土壤中的重金屬之間的復合作用也會影響其各自的含量以及生物有效性；不同樹種下有效態(tài)V含量以胡桃楸下最高而榆樹下最低，而有效態(tài)Zn含量則表現(xiàn)為胡桃楸下和楊樹下顯著高于榆樹下和松樹下。綜合來看，胡桃楸下多數(shù)重金屬含量顯著高于其他樹種，這可能與其屬下土壤有機質(zhì)和有效態(tài)養(yǎng)分含量有關(表1)，土壤有機質(zhì)含量是影響土壤中重金屬含量和生物有效性等最主要的因素之一，主要可以通過兩方面影響土壤中重金屬的存在狀態(tài)：一是土壤有機質(zhì)可以給土壤溶液提供合適的螯合劑，從而影響土壤重金屬的活性；二是土壤有機質(zhì)可以通過吸附重金屬而形成比較穩(wěn)定的復合物[24-25]。Covelo 等研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機物可以通過螯合、吸附等作用固定土壤中的重金屬，同時因為有機質(zhì)分解所形成的還原性條件有利于土壤中CdS 沉淀的形成，從而降低土壤中Cd的有效態(tài)含量及其生物有效性[26]。

相比較于土壤中重金屬總量和有效態(tài)含量，土壤重金屬生物有效性能夠更清楚的指示環(huán)境污染對土壤的影響[27]。如表4所示，不同樹種下林下參土壤重金屬生物有效性系數(shù)表現(xiàn)的規(guī)律和有效態(tài)含量表現(xiàn)基本一致，但銅(Cu)的有效態(tài)含量在各樹種間表現(xiàn)呈顯著性差異而生物有效性系數(shù)相互間沒有明顯差異；雖然楊樹下有效態(tài)鎘(Cd)的含量均為各樹種間最低，但其生物有效性卻為各樹種間最高。

表4 不同樹種下土壤重金屬有效態(tài)含量和生物有效性

2.3 土壤綜合污染指數(shù)

為了客觀反應不同樹種下林下參土壤的污染程度，了解其重金屬潛在風險，選用兼顧單因素污染指數(shù)平均值和最大值的內(nèi)梅羅污染指數(shù)法[28]對所測得的幾種重金屬進行評價，土壤背景值采用野山參土壤中重金屬含量[29]。評價結果見表5，結果表明，不同樹種下的林下參土壤中重金屬含量大多處于較低水平，污染指數(shù)均在1～2之間。只有松樹下和胡桃楸下土壤中的鎘含量、榆樹下的鉻含量以及胡桃楸下的鐵含量均處于較高水平，污染指數(shù)均大于2，值得注意的是榆樹下的釩含量和胡桃楸下的銅含量均接近中度污染水平，其污染指數(shù)分別為1.99和1.94，值得警醒。

表5 不同樹種下土壤重金屬污染評價結果

2.4 林下參中重金屬含量及其富集系數(shù)

表6反映了林下參根部重金屬含量極其富集系數(shù)?？梢钥闯觯窒聟⒏恳凿X(Al)和釩(V)的變異系數(shù)最高，達到了45.41%和51.97%，而只有銅(Cu)和錳(Mn)的變異系數(shù)在20%以下，這說明取樣地的不同樹種對林下參根部物質(zhì)的化學組成產(chǎn)生了一定的影響。林下參根部重金屬富集系數(shù)是指林下參根部的重金屬含量與對應的土壤重金屬全量之比，可以用來表征“土壤—林下參”體系中重金屬吸收、遷移和累積的難易程度，富集系數(shù)越大，則表明土壤中重金屬越容易被植物吸收利用。由表3可知，林下參根部重金屬的富集系數(shù)以鋅(Zn)和銅(Cu)的最高，達到了0.445和0.473，其次為鎘(Cd)，達到了0.279，表明鋅(Zn)、銅(Cu)、鎘(Cd)在林下參中的吸收、遷移和累積能力最強，其潛在風險也相應的較高，造成上述現(xiàn)象的原因可能是土壤中鋅主要被膠體吸附成代換態(tài)鋅或以Zn2+和Zn(OH)+絡合離子存在[30]，而Cd能與土壤中的Cl-和OH-形成易于移動的絡合離子[31]，更易于被林下參吸收。

2.5 林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)與土壤中重金屬全量、有效態(tài)含量及生物有效性系數(shù)間的關系

表7是對林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)與林下土壤重金屬全量、有效態(tài)含量之間做的簡單相關分析，由表我們可以看出，林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)與鐵(Fe)的總量和有效態(tài)含量均呈顯著正相關(p<0.01)而與錳(Mn)的總量及有效態(tài)含量呈顯著負相關(p<0.01)，與前人研究結果一致[32]，表明土壤中Fe2+和Mn2+在林下參紅皮病形成過程中存在拮抗作用，在酸性條件下Mn4+-Mn2+體系標準電位較高(E0)，其氧化性物質(zhì)較強，F(xiàn)e2+先被氧化，Mn2+則較穩(wěn)定的存在與土壤溶液中。同時我們也發(fā)現(xiàn)，林下參紅皮病的發(fā)病指數(shù)與鎘(Cd)的有效態(tài)含量以及銅(Cu)的全量及有效態(tài)含量呈顯著正相關(p<0.01)，而與鉛(Pb)的全量及有效態(tài)含量呈顯著負相關，說明在林下參紅皮病發(fā)病指數(shù)較高的土壤中含有較高的鎘、銅以及較低的鉛，這可能與土壤中重金屬之間存在的復合作用有關，而有關鎘、銅等與林下參紅皮病發(fā)病的具體關系則需要進一步研究。

表6 林下參中重金屬含量極其富集系數(shù)

表7 紅皮病發(fā)病指數(shù)與土壤重金屬全量、有效態(tài)含量間的相關關系

**代表差異達到極顯著性水平，p<0.01；*代表差異達到顯著水平，p<0.05。

3 結 論

林下參土壤鎘含量超過國家二級標準限制值，可能會影響到林下參的品質(zhì)和安全。土壤中其他金屬元素含量均低于國家一級標準，但銅和鋅含量接近一級標準限制值。大多數(shù)樹下土壤重金屬含量處于輕度污染水平，松樹下和胡桃楸下土壤中的鎘含量、榆樹下的鉻含量、胡桃楸下的鐵含量、榆樹下的釩含量以及胡桃楸下的銅含量均處較高水平，能會影響林下參品質(zhì)，需要引起重視。不同樹種下林下參土壤重金屬有效態(tài)含量差異顯著，但基本都處于同一數(shù)量級水平?？偟膩碚f，胡桃楸下林下參土壤重金屬含量大多高于其他樹種下，可能會影響其林下參的正常生長，而其他樹種下重金屬含量表現(xiàn)不一致。不同樹種下林下參土壤中重金屬含量及其存在狀態(tài)的差異以及林下參特殊的吸收機制共同決定了林下參對重金屬的富集作用。取樣地林下參對土壤中銅和鋅的富集系數(shù)最高，其次為鎘。

林下參紅皮病的發(fā)病指數(shù)以胡桃楸下最高楊樹下最低，且與樹下土壤中的有效鐵含量呈顯著正相關而與有效錳含量呈顯著負相關，林下參紅皮病發(fā)生嚴重的土壤中含有較高的鎘、銅以及較低的鉛含量。

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The Difference of Heavy Metals in the Ginseng Growing in Forests Soil with Different Trees

LI Tengyi, SUN Hai, YANG Zhen, ZHANG Yayu

(InstituteofSpecialAnimalandPlantSciencesofCAAS,Changchun,Jilin130112,China)

To find out the difference of heavy metals in soils grown different trees, the contents of Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, V, Zn in the ginseng growing in soils of forests with elm, pine, poplar, and juglans, respectively, were detected and analyzed. The results are as follows. There were great differences in soil heavy metals under different trees; the CV of Cu was the greatest among between different trees with regard to total metals, which is 0.33, the CV of Fe was the greatest in terms of the available metals between different trees, which is 0.57; the content of total Cd exceeded the second level criterion of Standard of Soil Environment (GB15 618—1995), which was 0.390 mg/kg; the available contents of Cd, Cu, Fe, Pb, V, Zn were both higher in juglans soils than any soils growing the other trees, the available contents of Al, Cr were both higher in pine soils than any other trees, the available contents of Cd, Cu, Fe were both lower in poplar soils than any other trees. The enrichment factors of Zn, Cu, Cr in ginseng under forest are great, which were 0.445, 0.47 and 0.279, respectively, and the enrichment factor of V in ginseng under forest was lowest between different heavy metals; the SHBI of ginseng under forest were the greatest under juglans and the lowest under poplars. There was a significant positive correlation between the SHBI of ginseng under forest and the available Fe, the correlation coefficient was 0.796, and there was a significant negative correlation between the SHBI of ginseng under forest and the available Mn, the correlation coefficient was 0.76.

ginseng growing in forest; soil; heavy metals; species of trees; red coating root disease

2014-03-19

2014-05-17

吉林省科技廳項目(20100927;20101583;20110266;20120922)

李騰懿(1989—),男,山東泰安人,在讀碩士,主要從事藥用植物營養(yǎng)與栽培。E-mail:lty2209@163.com

張亞玉(1968—),女,吉林農(nóng)安人,研究員,主要從事藥用植物營養(yǎng)與栽培。E-mail:zyy1966999@sina.com

S567.51

1005-3409(2015)02-0310-06