甘青地區(qū)藥用植物土壤重金屬的累積特征及生態(tài)風險評價

王高烽 王琳璇 馬永貴

摘 要：目的：測定甘肅和青海不同藥材生境土壤中Cu、As、Hg、Pb共4種重金屬元素的含量，并對該地區(qū)土壤重金屬元素污染程度進行評價。方法：利用火焰原子吸收光譜法和原子熒光光度計法測定不同地區(qū)土壤中Cu、Pb、As、Hg重金屬元素的含量。結(jié)果：從土壤單污染物潛在生態(tài)風險（Eir）來看，研究區(qū)土壤中Cu、As、Pb為輕微風險，Hg為輕微風險或中等風險;從單因子污染指數(shù)（Pi）上看，4種重金屬元素都存在著輕微污染。結(jié)論：兩地土壤已經(jīng)出現(xiàn)輕度、中度和重度污染狀況，屬于輕微生態(tài)風險，并存在著潛在的中等生態(tài)風險。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬;污染評價;污染風險

中圖分類號 S567文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2020）20-0128-05

Accumulation Characteristics and Ecological Risk Assessment of Heavy Metals in Medicinal Plant Soil in Gansu and Qinghai Regions

WANG Gaofeng et al.

（School of Life Sciences，Qinghai Normal University/Key Laboratory of Medicinal Animal and Plant Resources on Qinghai-Tibet Plateau，Qinghai 810008，China）

Abstract：Objective：To determine the contents of Cu，As，Hg and Pb in the soil of different medicinal plant areas in Gansu and Qinghai，and to evaluate the pollution degree of heavy metal elements in the soil.Methods：In this study，the contents of Cu，Pb，As and Hg in soils from different regions were determined by flame atomic absorption spectrometry and atomic fluorescence spectrometry.Results：According to the potential ecological risk（Eir）of soil single pollutant，Cu，As and Pb in the soil of the study area are minor risks.Hg has slight or moderate risks;Judging from the single factor pollution index（Pi），these four heavy metal elements are slightly polluted.Conclusion：The soil in the two places has been produced and there are mild，moderate and severe pollution in the two places，which is a slight ecological risk.However，there are still potential medium ecological risks.

Key words：Soil heavy metals;Pollution assessment;Pollution risk

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，土壤元素與藥材的品質(zhì)和產(chǎn)量有著密切關(guān)系[1，2]。不同類型的土壤所含的元素有著顯著差異，且通過藥材進入人體后會產(chǎn)生一定的影響[3-11]。本文以青海省果洛州的瑪沁縣、達日縣、班瑪縣、久治縣4個縣野生藥材生境和甘肅省岷縣、宕昌縣、臨洮縣、漳縣、渭源縣5個道地藥材種植產(chǎn)區(qū)的土壤為研究對象，進行重金屬元素含量的測定分析，以迭代剔除法等確定甘青兩地藥材種植地背景值（Cu：9.0786、Hg：0.0574、As：0.0886、Pb：48.2776，單位：mg/kg）為評價標準[12]，參考土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB 15618-2018），對青海、甘肅在野生與種植地藥材土壤中重金屬累積特征進行了探討，并對其生態(tài)風險進行評價，以期為青海與甘肅道地藥材產(chǎn)區(qū)野生與種植地土壤環(huán)境現(xiàn)狀、生態(tài)保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料 以藥材生長地為中心，方圓30m為半徑內(nèi)隨機選擇8個點采集表層10cm，然后把各點所采的土壤等量地均勻混合起來組成混合樣品[13]。將采自于甘肅及青海等地的土壤樣品在實驗室中自然晾干，粉碎過篩制成粉末，備用。土樣具體信息見表1。

1.2 儀器和試劑 儀器：AA-6300型原子吸收分光光度計（日本島津）;銅、鉛單元素空心陰極燈（上海漢堯儀器設(shè)備有限公司）及As（HAF-2型）和Hg（AF-2型）原子熒光空心陰極燈（北京有色金屬研究總院）;MD8H型微波消解儀及GS25型萃取儀（奧譜勒儀器有限公司）;AFS-933型原子熒光光度計（北京吉天儀器有限公司）。試劑：硝酸（HNO3）、氫氟酸（HF）、鹽酸（HCl）均為優(yōu)級純;試驗用水為超純水;鉛（Pb）、銅（Cu）、砷（As）、汞（Hg）標準儲備液1000μg/mL（北京國家標準物質(zhì)研究中心），使用時逐級稀釋。

1.3 樣品消化 稱取土壤0.3 g（精確到0.0001）于消解管中，然后在通風櫥中分別依次加入6mL硝酸、3mL鹽酸和4mL氫氟酸并充分搖勻，置微波消解儀內(nèi)進行消解，待消解完全后將消解液移入試管內(nèi)，置萃取儀內(nèi)加熱（溫度控制到135℃）濃縮至約1mL，冷卻后用體積分數(shù)為1%的硝酸溶液定容到100mL的容量瓶內(nèi)備用。同法制得樣品空白液（參照《土壤和沉積物金屬元素總量的測定 微波消解法》（HJ832-2017））。其中As和Hg采用原子熒光光度計法測定（參照GB/T22105-2008）。Cu和Pb采用原子吸收分光光度計法測定。

1.4 分析方法

1.4.1 統(tǒng)計分析 根據(jù)SPSS22.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果以平均值±標準偏差（Mean±SD）表示。

1.4.2 地累積指數(shù) 地累積指數(shù)又稱Muller指數(shù)[14]，是一種定量評價重金屬污染的分析方法。其計算方法見公式（1）[15]：

Igeo=log2（Ci/KBi） （1）

式中：Ci為評價金屬元素的實測含量，mg/kg;Bi為對應(yīng)評價金屬元素的背景值（本研究中為甘青兩地藥材種植地背景值），mg/kg;K為修正系數(shù)，一般取值1.5。

結(jié)果共分成1級：無污染（Igeo≤0）、2級：輕度污染（05）7個等級[16]。

1.4.3 潛在生態(tài)危害指數(shù) 潛在生態(tài)危害指數(shù)（Potential ecological risk index，RI），引入了毒性響應(yīng)系數(shù)，將重金屬的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)與毒理學聯(lián)系起來，使評價更側(cè)重于毒理方面，對重金屬潛在的生態(tài)危害進行評價，不僅可以為環(huán)境的改善提供依據(jù)，還能夠為人們的健康生活提供科學參照[17]。其計算見公式（2）：

RI=ΣEir=Σ（Tri·Cir）=Σ（Ti r·C im/C in） （2）

式中：RI為采樣點多種重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù);Eir為某單個重金屬的潛在生態(tài)危害系數(shù);Tri為對應(yīng)重金屬的毒性響應(yīng)系數(shù)（As=10、Cu=Pb=5、Hg=40）[17];Cir為該元素的污染系數(shù);C im為該元素的實測含量，mg/kg;C in為該元素的評價標準（甘青兩地藥材種植地背景值），mg/kg。潛在生態(tài)風險評價法風險等級標準[18]見表2。

1.4.4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價 單項指數(shù)法是國內(nèi)通用的一種評價土壤、水文、大氣和河流沉積物重金屬污染的方法，也是開展其他環(huán)境質(zhì)量指數(shù)、環(huán)境質(zhì)量分級和綜合評價的基礎(chǔ)。在進行土壤重金屬污染評價研究時，通常以土壤背景值作為評價標準[19]。一般情況下，單項指數(shù)是指土壤中污染元素的實測濃度與相應(yīng)的評價標準的比值。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法是在進行單項指數(shù)評價后展開的，是一種兼顧極值或體現(xiàn)最值的計權(quán)型環(huán)境質(zhì)量指數(shù)評價法[20]。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法在進行污染評價是考慮到各種影響參數(shù)的平均情況，同時也突出了高濃度污染物具有的影響，同時彌補了平均值法中各種污染物分擔的不足，能充分反映出污染物對土壤環(huán)境產(chǎn)生的影響。其計算見公式（3）和（4）：

Pi=Ci/Si （3）

P綜合=（（（P平均）^2+（Pm）^2）/2）^（1/2） （4）

式中：Ci為該元素的實測含量，mg/kg;Si為該元素的評價標準（甘青兩地藥材種植地背景值），mg/kg;Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù);P綜合為土壤的綜合污染指數(shù);P平均為土壤中各種污染物指數(shù)的平均值;Pm為土壤中單個污染物的最大污染指數(shù)。

根據(jù)《全國土壤污染狀況評價技術(shù)規(guī)定》（環(huán)法[2008]39號）的規(guī)定將單項指數(shù)劃分為5個等級;根據(jù)2004年國家環(huán)境保護總局發(fā)布的《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T166-2004）的相關(guān)規(guī)定，將內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)劃分為5個等級[21]，具體等級劃分見表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤重金屬含量 由表4可知，青海和甘肅采樣地4種元素均未超過規(guī)定的土壤污染風險篩選值和管控值，結(jié)合甘青藥材種植地土壤重金屬背景值可知，兩地重金屬元素均有不同比例超過藥材種植地土壤重金屬背景值?？傮w來看，青海超背景率的排序為Cu>P>As>Hg;甘肅超背景率的排序為Cu=Pb

2.2 土壤重金屬污染及生態(tài)風險評價 地累積指數(shù)評價（表6）顯示，從整體上看，Pb和Hg在青海和甘肅藥材種植地中沒有偏中度級別及以上程度的污染;Cu有51.11%處于無污染，14.44%處于輕度污染，34.44%為偏中度污染或中度污染;As有93.33%為輕度污染或無污染，2.22%為偏中度污染，4.45%為中度污染或偏重度污染。這些污染出現(xiàn)在岷縣、渭源縣、班瑪縣和宕昌縣。As元素的來源很可能與成土因素有關(guān)[22-23]。從土壤單污染物潛在生態(tài)風險（Eir）來看，這4種元素處于輕微風險或中等風險，Cu、As和Pb主要處于輕微風險，Hg有53.33%已達到中等風險;從風險指數(shù)（RI）上看都屬于輕微風險。

由表7可知，研究區(qū)土壤Cu、Hg、As、Pb 4種重金屬點位總污染率分別為78.89%、83.33%、71.11%和62.22%，污染程度Hg>Cu>As>Pb。研究區(qū)有輕微污染、輕度污染及以上不同程度污染，Hg無中度污染和中度污染，Pb有3.33%處于輕度污染。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法（表7）顯示，從整體上看，研究區(qū)土壤已受到不同程度的污染，其中有7.78%處于輕度污染，36.67%處于中度污染，55.55%處于重度污染，在岷縣、渭源縣、臨洮縣及果洛的瑪沁縣和達日縣部分處于輕度污染。

3 討論

現(xiàn)階段，國家對食品安全重視程度越來越高，這就不得不提藥材種植地土壤重金屬是否達標這個問題。土壤重金屬元素含量情況及其分布對藥材的安全性至關(guān)重要這與報道相一致[24-26]。本研究分別采用火焰原子吸收光譜法和原子熒光光度計法測定了甘肅道地藥材種植地及青海土壤中重金屬元素Cu、Pb、As和Hg的含量，比較青海地區(qū)土壤相對于道地藥材產(chǎn)區(qū)土壤重金屬元素方面的差異特征，并探討重金屬的累積特征及潛在生態(tài)風險評價。Cu和Hg的地累積指數(shù)和潛在生態(tài)風險顯示，采樣區(qū)土壤的Hg和甘肅的Cu處于無污染狀態(tài)，采樣區(qū)土樣的Cu屬于輕微生態(tài)風險，有53.33%土樣的Hg處于中等風險;基于單因子污染指數(shù)評價，21.11%土樣的Cu屬于無污染，分布在甘肅省臨洮縣和渭源縣，53.33%土樣已經(jīng)遭受到Hg的污染。這可能與該地區(qū)人口活動，當?shù)爻鞘谢M程發(fā)展較快有關(guān)，可能造成含有重金屬的廢棄物中的重金屬元素進入土壤而導致周圍環(huán)境土壤元素含量升高，這與馮玲等[27]和王立輝等[28]的研究結(jié)果相似。

很多研究[27，29-31]表明，土壤重金屬來源于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣排放和成土等因素;土壤類型的不同，其土壤中各項微量元素的含量也存在一定的差異[32]。然而，甘肅土樣采樣地已經(jīng)種植多年，有的還是靠近公路的農(nóng)田，所以可能是受公路來往車輛尾氣以及歷史時期農(nóng)民使用某些化肥所致。根據(jù)宋澤鋒[33]和譚和平[34]等研究表明，土壤中Hg的主要來源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，該地區(qū)應(yīng)加強土壤污染監(jiān)控力度，科學合理地處理生活廢物，以免使該地區(qū)土壤污染狀況加劇。采樣區(qū)土壤As的地累積指數(shù)有6.67%的土樣屬于偏中度或中度或偏重度污染，分布在宕昌縣、岷縣、渭源縣和班瑪縣等，Pb的地累積指數(shù)大都集中在臨洮縣和漳縣屬于輕度污染;As和Pb屬于輕微生態(tài)風險;基于單因子污染指數(shù)評價，63.33%土樣的As及62.22%土樣的Pb已經(jīng)遭受到污染，這些污染地主要分布在甘肅采樣區(qū)和果洛州的瑪沁縣?；趦?nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法重金屬污染程度顯示，研究區(qū)土壤已經(jīng)遭受到輕度污染及以上不同程度污染;從生態(tài)風險評價（RI）來看，研究區(qū)土壤屬于輕微生態(tài)風險。

4 結(jié)論

甘肅和青海藥材種植地土壤重金屬污染評價結(jié)果表明，兩地已經(jīng)出現(xiàn)有輕度、中度和重度污染狀況，屬于輕微生態(tài)風險。地累積指數(shù)評價法表明，兩地土壤大都處于無污染狀態(tài)。單項指數(shù)法評價結(jié)果表明，甘青兩地土壤重金屬已經(jīng)有一定程度的累積，但基本上以輕度污染為主;內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法評價結(jié)果表明，兩地土壤處于中度污染及以上等級的土壤重金屬樣本數(shù)量占全部樣本數(shù)量的92.31%，兩地土壤已經(jīng)產(chǎn)生很嚴重的污染;潛在生態(tài)危害指數(shù)法的評價結(jié)果表明，兩地土壤生態(tài)危害風險以輕微風險為主，但還存在著中等生態(tài)風險，如甘肅采樣區(qū)和果洛州的瑪沁縣、班瑪縣和久治縣。因此，今后兩地土壤須加強污染的治理和控制力度，避免土壤繼續(xù)惡化。

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（責編：張宏民）