南丹縣油茶土壤和植株中重金屬含量分析

陳林強，吳國文，陳夢秋，張 幸，夏瑩瑩，譚桂菲

（廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院 廣西特色經濟林培育與利用重點實驗室，廣西南寧 530002）

油茶（Camellia）是我國特有的木本油料樹種，其主產品茶油有“東方橄欖油”之稱。茶油具有較高的營養(yǎng)價值，其不飽和脂肪酸含量高，能起到降低血脂和血壓及增強記憶力和思維能力的作用；茶油中還含有人體必需的氨基酸和對人體有益的生物活性物質，如茶多酚、角鯊烯和酚類化合物等[1-4]。隨著生活水平提高，人們對茶油品質的要求不斷提高。油茶產地土壤環(huán)境安全是茶油品質安全的基礎。土壤中重金屬的累積和污染己成為普遍關注的焦點，許多學者對農田、城市和礦區(qū)等地的土壤重金屬含量、空間分布和風險評價等進行研究[5-8]。油茶屬于重金屬富集型植物，植株中錳（Mn）、鉛（Pb）和鎘（Cd）的含量均較高，主要分布在地上部分[8]。油茶不同器官中相同重金屬的含量不同；其中，Pb在莖、葉和根中的含量均較高；汞（Hg）在各器官中的含量表現(xiàn)為由下往上遞減；砷（As）在各器官中的含量表現(xiàn)為葉>仁>根>莖；Cd 在各器官中的含量表現(xiàn)為由下往上遞增；鉻（Cr）在各器官中的含量表現(xiàn)為莖>根>仁>葉[9]。

南丹縣擁有豐富的金屬礦產資源，開采有色金屬礦歷史悠久，被譽為“中國的錫都”和“有色金屬之鄉(xiāng)”，以錫（Sn）、銻（Sb）、鋅（Zn）、金（Au）、銀（Ag）和銅（Cu）等金屬礦產為主。礦產資源開發(fā)帶來可觀的經濟效益，但由于開采技術的限制，其對礦區(qū)及其周邊環(huán)境產生不同程度的影響，對人體健康具有潛在風險[10-11]。研究表明，南丹縣玉米（Zeamays）地土壤中Cd達到重度污染水平，土壤重金屬總體屬于輕度污染水平；玉米籽粒中Cd、Pb、As 和Zn 含量均存在不同程度超標[12]。南丹大廠礦區(qū)農田土壤受到不同程度的重金屬污染，污染程度最嚴重的為Cd，其次為As[13]。南丹縣土壤Pb 和Cd 的背景值均顯著高于全國和廣西土壤背景值；耕地土壤中Sb、As和Cd含量均超標較嚴重[10]。以上研究表明，南丹縣土壤重金屬污染風險較高。

云水谷高山油茶產業(yè)核心示范區(qū)（位于南丹縣礦產資源集中區(qū)域的大廠鎮(zhèn)、車河鎮(zhèn)的正北方向約50 km 處）于2019 年9 月開工建設，是廣西首個“兩山”理論主體實踐基地——世界白褲瑤（南丹）大健康旅游扶貧產業(yè)園的重要組成部分。本研究以云水谷高山油茶產業(yè)核心示范區(qū)的油茶林為研究對象，分析土壤和油茶植株中重金屬的分布和富集特征，為南丹縣油茶的生產經營和生態(tài)安全提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西河池市南丹縣云水谷高山油茶產業(yè)核心示范區(qū)（107°54′E，22°22′N）。目前，示范區(qū)種植油茶約4 萬畝，種植品種主要為岑軟2 號（CamelliaoleiferaCenruan 2）和岑軟3 號（Camellia oleiferaCenruan 3）等良種；每年冬季施有機肥1 次。示范區(qū)土壤基本性質見表1，土壤平均pH值為4.9。

表1 土壤基本性質Tab.1 Basic properties of soil

1.2 土壤、植株樣品采集與測定

2022年11月（果實采收期），采集土壤和植株樣品；設置6 個采樣點，每個采樣點設置3 個重復。分別在上坡、中坡和下坡采集60 cm 深土壤混合樣品，帶回實驗室風干、研磨和過篩，共18份土壤樣品；分別采集5 株油茶的葉片、枝條和果實組成1 個混合樣品，共18 個植株樣品。分別測定Cd、Cr、Pb、As 和Hg 的含量。采用原子熒光法測定土壤As、Hg 含量[14-15]；采用火焰原子吸收分光光度法測定土壤Cr含量[16]；采用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤Pb、Cd 含量[17]。植株樣品中各重金屬含量均按照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）[18]測定。

1.3 重金屬污染評價

采用單項污染指數法評價土壤重金屬污染程度[19-20]。

式中，Pi為某污染物的污染指數；Ci為某污染物的實測數值；Si為某污染物的評價標準，即風險值。Si以《土壤環(huán)境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）[21]中的農用地土壤污染風險篩選值為評價標準。Pi≤1為清潔無污染；1

在計算單項污染指數的基礎上，采用內梅羅綜合污染指數對土壤重金屬污染程度進行評價[19-20]。

式中，P綜合為綜合污染指數；Pimax為所有單項污染指數的最大值；Piave為所有單項污染指數的平均值。P綜合≤0.7 代表土壤環(huán)境清潔，為安全級；0.73.0 代表土壤環(huán)境為重度污染。

油茶葉片、枝條和果實對重金屬的富集能力采用富集系數表示。

富集系數越大，富集能力越強。對于木本植物來說，富集系數>0.4 表示其對土壤重金屬的吸收能力強；0.1≤富集系數≤0.4 代表其對土壤重金屬有一定吸收能力；富集系數<0.1 代表其對土壤重金屬的吸收能力低[22]。

1.4 數據處理

采用WPS Office 軟件繪制圖表；采用SPSS 19.0軟件進行數據統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 土壤環(huán)境質量分析

5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr>Pb>As>Cd>Hg，分別為50.78、14.29、5.45、0.39 和0.15mg/kg；參照GB 15618—2018中農用地土壤污染風險篩選值，Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于農用地土壤污染風險篩選值（表2）。5 種重金屬的平均污染指數表現(xiàn)為Cd>Cr>Pb>As>Hg，分別為1.30、0.34、0.21、0.13和0.11；其中，Cr、Pb、As 和Hg 的平均污染指數均小于1，為清潔無污染；Cd 的平均污染指數在1～2 之間，為輕度污染。示范區(qū)土壤重金屬綜合污染指數為0.97，處于警戒級。

表2 土壤重金屬含量、單項污染指數和綜合污染指數Tab.2 Contents of heavy metals in soils,single-factor contamination indexes and comprehensive contamination index

2.2 植株中重金屬分布及其對重金屬的富集能力

不同重金屬在油茶葉片、枝條和果實中的含量不同；葉片中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr>Pb>As>Cd>Hg，分別為2.53、1.82、1.39、0.14 和0.04 mg/kg；枝條中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Pb>As>Cr>Cd>Hg，分別為14.29、5.45、2.30、0.39 和0.15 mg/kg；果實中，As 的含量最高（0.04 mg/kg），其次為Cd（0.02 mg/kg），其他重金屬均未檢出（表3）。Cr 含量表現(xiàn)為葉片>枝條>果實，Pb、Cd、As 和Hg 含量均表現(xiàn)為枝條>葉片>果實。

表3 葉片、枝條和果實中的重金屬含量Tab.3 Contents of heavy metals in leaves,branches and fruits（mg/kg）

5 種重金屬在油茶植株中的平均富集能力表現(xiàn)為Cd>As>Pb=Hg>Cr，富集系數分別為0.45、0.16、0.14、0.14 和0.04（表4）。同一重金屬在不同器官中的富集能力不同。Cd 在枝條中的富集系數為0.95，表明枝條對Cd 的吸收能力強；Cd 在葉片中的富集系數為0.34，表明葉片對Cd有一定的吸收能力；Pb、As和Hg在葉片和枝條中的富集系數均在0.1～0.4之間，表明葉片和枝條對Pb、As和Hg均有一定的吸收能力；Cr 在葉片和枝條中的富集系數均小于0.1，表明葉片和枝條對Cr 的吸收能力均較低；5 種重金屬在果實中的富集系數均低于0.1，表明果實對5 種重金屬的吸收能力均較低。

表4 葉片、枝條和果實重金屬富集系數Tab.4 Enrichment coefficients of heavy metals in leaves,branches and fruits

3 討論與結論

土壤是植物生長的基礎，土壤-植物系統(tǒng)是生物圈的基本結構單元，可提供強大的生產力[23]。研究表明，我國目前的土壤重金屬污染嚴重[24]。南方丘陵地區(qū)是我國油茶的主要栽培區(qū)域，土壤也存在重金屬污染情況，且不同油茶林地中存在污染風險的重金屬不同；廣東云浮市油茶林地土壤Cu污染程度最高[25]；本研究中，南丹縣云水谷油茶產業(yè)核心示范區(qū)土壤有Cd 污染風險，與浙江油茶個別產區(qū)（常山、建德）[26]和貴州望漠縣石屯鎮(zhèn)油茶基地土壤個別采樣點[27]研究結果一致。Cd 作為農業(yè)活動的標志元素，普遍存在于化肥和農藥中[28]，農藥和化肥的施用會增加土壤Cd的累積；殺蟲劑的使用和排水溝污水灌溉均會增加Cd 在土壤中的富集[29]。研究區(qū)為平均海拔800 以上的旱地梯田，排除部分農用地水質污染因素，其Cd 的富集可能是因為化肥、農藥和地膜等參與生產過程，形成Cd的累積性污染[30]。

本研究中，油茶植株不同部位重金屬含量不同，Cr、Pb、As、Cd和Hg主要分布于油茶葉片和枝條中，在果實中未被檢出或含量很低；Cr 在葉片中含量較高，其他重金屬均在枝條中含量較高，與何天[31]研究結果相似。

富集系數可反映植物對土壤重金屬的積累能力，富集系數越小，植物吸收重金屬的能力越差，抗土壤重金屬污染的能力越強。本研究結果顯示，Cd為最容易在油茶植株各器官中富集的重金屬。孫姣輝等[32]研究結果顯示，Cd 為最容易在玉米根、莖和葉中富集的重金屬；周彥珍[33]研究結果顯示，Cd為最容易在小麥（Triticumaestivum）根和葉中富集的重金屬，Zn 為最容易在莖和籽粒中富集的重金屬。植物對重金屬的富集能力與自身遺傳和生物學特性相關，氣候、土壤養(yǎng)分和植物種類及重金屬間的相互作用也會對其產生影響。油茶植株，特別是油茶果實中的重金屬與土壤中的重金屬及植株各器官間重金屬的相關性等均需進一步研究。

土壤中5 種重金屬的平均含量表現(xiàn)為Cr（50.78 mg/kg）>Pb（14.29 mg/kg）>As（5.45 mg/kg）>Cd（0.39 mg/kg）>Hg（0.15 mg/kg），Cr、Pb、As 和Hg 的平均含量均低于農用地土壤污染風險篩選值；Cd的平均污染指數為1.30，屬于輕度污染；土壤重金屬綜合污染指數為0.97，處于警戒級。不同重金屬在油茶葉片、枝條和果實中的含量不同；Cr 含量表現(xiàn)為葉片>枝條>果實，Pb 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實，As 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實，Cd含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實，Hg 含量表現(xiàn)為枝條>葉片>果實。枝條對Cd的吸收能力強；葉片對Cd 有一定的吸收能力；葉片和枝條對Pb、As 和Hg 均有一定的吸收能力，對Cr的吸收能力均較低；果實對5 種重金屬的吸收能力均較低。

利益沖突：所有作者聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：陳林強負責試驗調查、數據收集和論文撰寫；吳國文負責試驗調查和數據收集；陳夢秋負責數據分析和論文撰寫；張幸、夏瑩瑩負責數據收集和文獻檢索；譚桂菲負責試驗方案設計和試驗調查。