桓仁地區(qū)林下參土壤中重金屬空間變異分析

孫海，嚴(yán)珺，劉惠軍，金橋，張淋淋，左湘西，呂林，劉政波，李躍雄※，張亞玉,3※

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林長春130112；2.上海上藥神象健康藥業(yè)有限公司，上海200336；3.成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川成都610106；4.樺甸市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，吉林樺甸132400）

林下參（Panax ginseng C.A.Mey）是1998年“天保工程”實施以來發(fā)展起來的人參護育模式，由于林下參是一種仿野山參生長環(huán)境的護育模式，護育過程中人為干擾少、生長周期長等特點使其具備野山參的外部形態(tài)和內(nèi)在的品質(zhì)特征，完全可以和野山參“媲美”，2020版《中華人民共和國藥典》正式將人參分為園參和林下山參兩類[1]。林下參是一種高品質(zhì)人參產(chǎn)品，其藥用價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)田栽培人參?；溉士h地處長白山余脈，是林下參適宜生長的區(qū)域之一。

土壤是人類賴以生存的自然資源之一，不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，而且是人類生態(tài)環(huán)境的重要組成部分[2-3]。在原環(huán)境保護部和原國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》中明確指出，我國整體耕地土壤環(huán)境質(zhì)量下降，特別以重金屬造成的污染最為嚴(yán)重[4]。土壤重金屬污染成因復(fù)雜，既有來自區(qū)域地球化學(xué)過程的內(nèi)源因素，又有工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等人為因素，最終導(dǎo)致大部分土壤受到不同程度的重金屬污染[5-7]。隨著工業(yè)化進(jìn)程加快，環(huán)境受到不同程度的污染，土壤重金屬安全成為全社會關(guān)注的焦點[8]，土壤中重金屬污染一般毒性強、污染時間長、移動難[9-10]。重金屬污染造成土壤正常營養(yǎng)供應(yīng)功能紊亂，影響植物正常生長發(fā)育，通過食物鏈最終影響人體健康[11]。目前，有關(guān)重金屬對土壤的污染研究多集中在重金屬從土壤到植物的遷移轉(zhuǎn)化，但重金屬的任何遷移轉(zhuǎn)化過程均以一定的形態(tài)進(jìn)行，從土壤化學(xué)角度考慮，土壤中不同形態(tài)重金屬穩(wěn)定性不同，穩(wěn)定性不同決定了重金屬在土壤中遷移轉(zhuǎn)化能力，進(jìn)而決定了重金屬的生物有效性和對生態(tài)環(huán)境的污染風(fēng)險[12]。土壤重金屬污染及評價是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點。目前，重金屬評價方法較多，常用的有單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法[13-14]。但是生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果存在眾多不確定因素，實際評價中需要考慮生物對特定重金屬毒性的響應(yīng)特征，鑒于此，Hakanson提出的基于土壤重金屬性質(zhì)及其環(huán)境效應(yīng)的潛在生態(tài)指數(shù)評價方法，綜合考慮土壤重金屬含量及其生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和生物毒理學(xué)效應(yīng)，是目前常用的綜合性評價方法[15-16]。

藥用植物安全是保障療效和中醫(yī)發(fā)展的前提，而中藥材重金屬污染不僅影響其安全入藥，而且已成為制約中藥材走向國際市場的首要問題[17]。人參是藥食兩用資源，土壤中重金屬是其植物中重金屬主要來源渠道。本研究對桓仁地區(qū)不同區(qū)域林下參土壤重金屬〔鎘（Cd）、砷（As）、鉛（Pb）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鎳（Ni）和鋅（Zn）〕含量及空間分布進(jìn)行研究，以期為該地區(qū)林下參土壤污染風(fēng)險評估及安全護育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

桓仁滿族自治縣地處遼寧東部山區(qū)，隸屬于本溪市，位于40°54′~41°32′N，124°27′~125°40′E的長白山南麓，東與吉林省集安市相接，南與丹東市寬甸滿族自治縣相連，西與本溪市和撫順市新賓滿族自治縣相依，北與吉林省通化市毗連。屬于中溫帶大陸濕潤季風(fēng)氣候，年平均日照2 685.6 h，年平均降水量610.6 mm，年平均氣溫7.4℃，無霜期156 d左右，境內(nèi)山多林密，雨量適中，氣候溫涼潮濕，土壤松軟肥沃，具有得天獨厚的適宜人參生長的自然條件。

1.2 樣品采集與分析

1.2.1 樣品采集2016年9月對桓仁地區(qū)林下參基地進(jìn)行實地考察，結(jié)合林下參伴生樹種、坡度坡位和人為干預(yù)條件等環(huán)境因素，選取15年生左右林下參的19個基地，進(jìn)行林下參及其根區(qū)土壤樣品的采集，根據(jù)采樣區(qū)面積不同采集3~12個樣點，共獲取70個樣品。根據(jù)林下參生長特點收集根區(qū)土壤，將蘆頭以上的土壤剝?nèi)ィ杉瘏⒏苓呁寥溃?~10cm），邊挖參邊取土，直至參被挖出后將所取土樣混合。將土壤樣品帶回實驗室風(fēng)干，除去枯枝落葉及砂礫，利用木質(zhì)工具和瓷研缽研磨，分別過20目和100目尼龍篩，保存在自封袋中備用。

1.2.2 樣品處理土壤有效養(yǎng)分測定采用常規(guī)農(nóng)化分析方法[18]，有機質(zhì)測定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法；堿解氮測定采用堿解擴散法；速效磷測定采用碳酸氫鈉法；速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法。

土壤中金屬元素全量消煮：稱取土樣1.000 0 g置于50 mL三角瓶中，加入混酸〔HCl∶HNO3=3∶1（v∶v）〕10 mL，加上小漏斗，放置過夜。次日于加熱板上加熱，開始溫度控制在80℃約1 h，升高溫度至180℃，加熱3~4 h（土壤消煮液呈清澈透亮）加以回流，同時停止加熱，冷卻后向三角瓶中加入HClO4 2.5 mL，在加熱板上繼續(xù)加熱，溫度控制在120℃左右，加熱至土壤顏色呈灰白色。冷卻后，用去離子水沖洗小漏斗的內(nèi)外壁，將三角瓶內(nèi)液體以及洗小漏斗的液體一并過濾并定容至50 mL，同時做空白對照。

1.2.3 樣品分析As含量利用氰化物發(fā)生原子熒光光譜法測定[19]；其他重金屬含量采用安捷倫公司的Varian ICP 710ES測定，工作條件：功率為0.9 kW，等離子體氣流量為15.0 L/min，輔助器流量為2.25 L/min，霧化氣流量為0.8 L/min，泵速為15 r/min，樣品間清洗時間10 s，分析所用混合標(biāo)準(zhǔn)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）。試驗中所用的藥品均為優(yōu)級純，水為超純水。為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，試驗過程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)土壤校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)土壤為國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)提供的松嫩平原土壤〔GBW07424（GSS－10）〕。

1.3 評價指標(biāo)的選擇

本研究采用單因子指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法對桓仁地區(qū)林下參土壤重金屬生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法綜合考慮了重金屬毒性、在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及評價區(qū)域土壤中背景值的差異等，可綜合反映土壤重金屬對生態(tài)環(huán)境的影響潛力，適用于大區(qū)域范圍內(nèi)不同土壤之間進(jìn)行評價比較。各評價指標(biāo)計算公式及判別標(biāo)準(zhǔn)如下。

（1）單因子污染法：是目前國內(nèi)進(jìn)行單項土壤重金屬污染評價采用的普遍方法，計算公式如下：

式中，Pi為土壤中單一重金屬的污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬的實測濃度；Si為土壤中重金屬的評價標(biāo)準(zhǔn)限值。Pi判定標(biāo)準(zhǔn)：Pi＜1，無污染；1＜Pi≤2，輕度污染；2＜Pi≤3，中度污染；Pi＞3，重度污染。

（2）內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法：采用綜合因子污染指數(shù)法對土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評價，計算公式如下：

式中，Pz為采樣點的綜合污染指數(shù)；Pimax為i采樣點單項污染指數(shù)P的最大值；Piave為采樣點污染元素單項污染指數(shù)P的平均值。Pz判定標(biāo)準(zhǔn)：Pz≤0.7，安全，土壤處于清潔水平；0.7＜Pz≤1，警戒線，土壤處于尚清潔水平；1＜Pz≤2，輕污染，土壤輕度污染、作物開始受到污染；2＜Pz≤3，中污染，土壤和作物均受到污染；Pz＞3，重污染，土壤和作物受到重度污染，且已相當(dāng)嚴(yán)重。

（3）潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）法，計算公式為：

1.4 數(shù)據(jù)分析及制圖

采用Excel和SAS 9.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、描述性統(tǒng)計及相關(guān)性分析。利用ArcGIS 10.2軟件繪制樣點分布圖及評估結(jié)果圖。

空間插值法：本研究中的潛在生態(tài)風(fēng)險危害系數(shù)及潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)采用空間插值法進(jìn)行繪圖，空間插值法基于反距離權(quán)重（inverse distance weighted，IDW）計算，其計算公式通常表示為：值。本研究中，Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的毒性系數(shù)分別為30、8、5、10、5、5和1[20-21]。潛在生態(tài)風(fēng)險危害系數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)：E＜40，低污染水平；40≤E＜80，中等污染水平；80≤E＜160，較高污染水平；160≤E＜320，高污染水平；E≥320，很高污染水平。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)判定標(biāo)準(zhǔn)：RI＜150，低風(fēng)險水平；150≤RI＜300，中等風(fēng)險水平；300≤RI＜600，較高風(fēng)險水平；600≤RI＜1 200，高風(fēng)險水平；RI≥1 200，很高風(fēng)險水平。

式中，Z表示待插值點要素的估計值；n是鄰域范圍內(nèi)的插值參考樣本數(shù)；zi表示第i個樣本要素的觀測值；di表示待插值點與第i個樣本空間位置之間的歐式距離；P表示冪指數(shù)，通常情況下默認(rèn)P=2。

從上式可以看出，IDW僅與待插值點及其鄰域范圍內(nèi)樣本點之間的空間距離有關(guān)，空間距離越小，其對待插值點的貢獻(xiàn)度越大。IDW插值的基本假設(shè)是樣點在插值區(qū)呈均勻分布，當(dāng)樣點在各方向較均勻分布時，該插值算法十分可靠；因此，樣本點的選擇至關(guān)重要。本研究采取的方案是，給定搜索半徑設(shè)置點數(shù)為12，環(huán)境設(shè)置中處理范圍選擇與地圖面積相同，柵格分析掩膜選擇與地圖面積一致，其他選項為默認(rèn)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 林下參土壤重金屬元素全量總體特征

桓仁地區(qū)土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表1所示，pH值為5.79（5.59~5.99），整體呈弱酸性，符合《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的pH值閾值（5.5＜pH≤6.5）；參照生態(tài)環(huán)境部（原環(huán)境保護部）與國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》（GB15618―2018）[22]，取置信度95%，對該區(qū)域林下參不同護育基地土壤金屬元素進(jìn)行描述性統(tǒng)計（見表2），結(jié)果表明，桓仁地區(qū)不同護育基地林下參土壤中Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn的平均含量分別為0.153、2.392、18.467、1.051、10.584、23.114和95.714 mg/kg，所有重金屬元素含量均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》中Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn標(biāo)準(zhǔn)閾值（分別為0.30、40、90、150、50、70和200 mg/kg），說明桓仁地區(qū)不同基地林下參土壤總體未受到重金屬污染。土壤中重金屬來源主要包括成土母巖和人類活動兩大類，林下參生長在森林生態(tài)環(huán)境中，重金屬含量主要受成土母質(zhì)決定[23-24]，受人為活動擾動相對較少。通過桓仁地區(qū)林下參基地土壤平均值可以從整體上掌握土壤中重金屬情況，但是由于不同林下參基地所處地理位置不同、參戶管護不同，各基地重金屬含量亦有不同。根據(jù)變異系數(shù)（CV）可以粗略地估計土壤中重金屬的變異程度，CV≤10%時，屬于弱變異性，10%＜CV＜100%屬于中等變異性，CV≥100%屬于強變異性。Cd含量差異最大，為97.04%，其次為Cu（51.42%）、As（41.77%）、Zn（35.69%）、Ni（35.66%）、Pb（32.27%）和Cr（32.01%）。變異系數(shù)反映了總體樣本中各采樣點平均變異程度，變異系數(shù)大，說明不同基地間土壤重金屬含量差異較大?；溉实貐^(qū)不同護育基地林下參土壤重金屬元素變異系數(shù)均處于中等變異水平，其中Cd接近中等變異水平上限，進(jìn)一步通過最大值和最小值分析可知，有的樣點土壤中Cd未檢出，其中最大值樣點Cd含量為0.977 mg/kg，嚴(yán)重超標(biāo)。進(jìn)一步與遼寧省土壤背景值對比發(fā)現(xiàn)，桓仁地區(qū)林下參土壤中Cd和Zn超過背景值（見表2），其平均值分別是背景值的1.18和1.77倍。桓仁縣新興村林下參產(chǎn)區(qū)部分土壤Cd污染較嚴(yán)重，不適宜作為林下參種植基地。

表1土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of soil

表2桓仁地區(qū)林下參土壤中重金屬描述性統(tǒng)計Table 2 Descriptive statistics of heavy metals in understory ginseng in Huanren Area

林下參土壤中Cu、Zn元素含量超過地區(qū)背景值，而且不同區(qū)域土壤含量變異較大，說明部分區(qū)域土壤一定程度上受到人類活動的影響，推測主要是以下人為活動導(dǎo)致：一是林下參護育基地均與農(nóng)田相鄰，為了使農(nóng)田地獲得高產(chǎn)而大量使用農(nóng)藥、化肥及有機肥，而農(nóng)藥、化肥本身含有重金屬，特別是規(guī)?；B(yǎng)殖場所用的飼料中含大量重金屬[25-27]；二是密集型工業(yè)生產(chǎn)以及汽車普及導(dǎo)致大量含重金屬等氣體進(jìn)入空氣，進(jìn)一步通過空氣對流、干濕沉降等途徑最終進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加[28]。

2.2 重金屬評價

2.2.1 單因子指數(shù)法通過對桓仁地區(qū)不同林下參基地土壤重金屬含量進(jìn)行比較分析，19個基地中新興村基地中Cd的平均含量最高為0.589 mg/kg，該基地樣點中Cd最大含量為0.977 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)限制（0.30 mg/kg）。徐相德溝基地中Cd和過道嶺基地中Zn平均含量分別為0.239和160 mg/kg，但是徐相德溝基地中Cd和過道嶺基地中Zn最大含量為0.397和230 mg/kg，超過土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)限值。進(jìn)一步通過單因子分析分析發(fā)現(xiàn)新興村基地中Cd的Pi值為1.96，判定為輕度污染水平，林下參護育過程中需警惕重金屬安全風(fēng)險（圖1）。桓仁地區(qū)As、Pb、Cr、Cu和Ni在不同護育基地中最大含量分別為6.675、29.254、2.200、22.304和59.983 mg/kg，遠(yuǎn)低于土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)限值40、90、150、50和70 mg/kg，單因子指數(shù)顯示上述5種元素均處于無污染水平。

2.2.2 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)方法特別考慮了污染最嚴(yán)重的因子，內(nèi)梅羅環(huán)境質(zhì)量指數(shù)在加權(quán)過程中避免了權(quán)重系數(shù)中主觀因素的影響，是目前土壤中重金屬污染評價應(yīng)用較多的一種環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。利用桓仁地區(qū)不同區(qū)域林下參基地中7種金屬的單因子污染最大值和平均值，依據(jù)內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)計算公式得到不同區(qū)域林下參基地重金屬內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)，并利用ArcGIS進(jìn)行繪圖，結(jié)果見圖2。由圖2可知，新興村基地Cd的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)最高，處于中污染水平（2＜Pz=2.69≤3），與單因子指數(shù)結(jié)果相吻合；大東溝和徐相德溝基地中Cd污染水平為輕度污染；轉(zhuǎn)山子和臭里頭村基地中Zn污染水平為尚清潔。

2.2.3 潛在生態(tài)風(fēng)險及空間分布格局利用Hankson潛在生態(tài)危害風(fēng)險系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險評估方法評價桓仁地區(qū)林下參土壤重金屬整體污染現(xiàn)狀，進(jìn)一步基于空間插值法利用ArcGIS進(jìn)行繪圖（圖3）?；溉实貐^(qū)19個林下參基地潛在生態(tài)風(fēng)險危害系數(shù)（E）由大到小依次為：新興村、臭里頭、過道嶺、徐相德溝、大東溝、搖錢二組、新開嶺、松樹頂子1、肖家溝1、古馬嶺村、肖家溝4、三架窩棚、肖家溝2、林家溝、轉(zhuǎn)山子、蓋家溝、松樹頂子2、搖錢一組、肖家溝3，新興村基地潛在生態(tài)危害系數(shù)最大為E=10.28＜40，處于低污染水平。潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)（RI）從大到小依次為新興村、徐相德溝、大東溝、松樹頂1、搖錢二組、臭里頭溝、新開嶺、肖家溝1、過道嶺、肖家溝4、三架窩棚、古馬嶺村、肖家溝2、蓋家溝、轉(zhuǎn)山子、林家溝、肖家溝3、松樹頂2、搖錢一組，新興村潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最高，RI值為158.95，處于中等風(fēng)險水平（150≤RI＜300）。需要注意，除新興村外，其他18個基地RI值均小于150，處于低風(fēng)險水平（RI＜150）。桓仁地區(qū)重金屬表現(xiàn)出較為明顯的空間分布格局，其中Cd在桓仁地區(qū)東南部較高、西北部較低，整體呈現(xiàn)自東南向西北遞減趨勢。

3 結(jié)論

（1）桓仁地區(qū)林下參土壤中重金屬Cd、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn平均含量未超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域土壤整體處于安全水平；但是部分樣點Cd含量高達(dá)0.977 mg/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)Cd的篩選值（0.30mg/kg），進(jìn)一步分析及評價證實了新興村基地Cd含量處于較高生態(tài)風(fēng)險水平。

（2）桓仁地區(qū)林下參土壤重金屬的空間分布特征呈現(xiàn)一定程度的相似性，東南區(qū)含量較高、西北區(qū)較低，特別是重金屬Cd含量呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減趨勢。

（3）總的看來，桓仁地區(qū)林下參土壤質(zhì)量良好，但是桓仁縣新興村部分樣點Cd污染風(fēng)險等級較高，警惕在該樣點區(qū)域發(fā)展林下參。

圖1桓仁地區(qū)不同基地單因子污染指數(shù)Fig.1 Single-factor pollution index in different in Huanren Area

圖2桓仁地區(qū)不同基地內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)Fig.2 Nemero composite pollution index in different bases in Huanren Area

圖3桓仁地區(qū)林下參基地潛在生態(tài)風(fēng)險危害系數(shù)和潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)Fig.3 The potential ecological risk hazard coefficient()and potential ecological risk index()in understory ginseng bases in Huanren Area