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我国金银花主产区花和土壤重金属污染特征及风险评价

花匠小妙招
2024-09-14 22:27

金银花(Lonicera japonica Thunb.),又名忍冬,是我国传统的中药材。金银花性微寒、味甘,具有抗菌、消炎、抗病毒、护肝、增强免疫力等药理活性,可用于治疗如咽喉肿痛、热毒疮痈、发疹、风热感冒等多种病症[1,2]。我国金银花资源丰富,主产于山东、河南、河北等地[3]。金银花属于药食两用农产品,不仅广泛应用于各种中药处方,而且还应用于功能性食品、饮料和化妆品中[4],如金银花茶常用于绿色健康功能饮料中。

金银花含有多种重金属元素,其中Zn、Cu、Mn、Fe、Ni、Cr等元素是人体必需微量元素[5,6]。若改变微量元素浓度或存在状态,也可能产生毒害作用[7]。如缺乏Zn会影响食欲、味觉,造成皮肤粗糙[8],严重时会影响骨骼生长发育,降低免疫功能等[9];而Zn摄入过量则会使人出现发热、恶心、呕吐、腹痛、腹泻等症状[5]。金银花中还含有一些有毒有害的重金属元素,2015年版《中华人民共和国药典》[10]对金银花中Pb、Cd、As、Hg、Cu元素含量做出了限定。有研究表明,金银花中Pb、As、Hg、Cd的超标率分别达到了21.57%、35.71%、13.64%、23.91%[11]。

中药材中重金属元素含量与其生长的环境,尤其是土壤密切相关,但目前对金银花中各元素之间、金银花与土壤中各元素之间的关系,以及金银花土壤的污染风险评价少有系统研究。因此,有必要对主产区金银花及其土壤重金属元素污染现状和风险水平进行科学评价,以期为金银花土壤的合理利用和修复治理提供科学依据,从源头上保证金银花产品的质量和安全。

本研究通过对主产区金银花和土壤重金属元素含量的对比分析,探讨金银花与土壤的重金属元素含量关系,评估土壤污染水平,并进行健康风险评估,以期为农业生产提供理论参考,保障金银花产业的健康安全发展。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与制备

于2016年收获季节(5—8月)从我国三个金银花主产区采集84份金银花样品(河南封丘27份、山东平邑30份、河北巨鹿27份)及金银花对应地块168份土壤样品(深度分别为0~20 cm,20~40 cm)。金银花采收未开放的花蕾,土壤利用采土器采用五点取样法取样。金银花样品60℃干燥至恒重,土壤样品混匀后风干备用。干燥后的金银花和土壤样品粉碎后过100目筛保存备用。

1.2 主要仪器与设备

Mars 5微波消解仪,美国CEM公司;240Z原子吸收光谱仪,美国Agilent公司;AFS-9800原子荧光光度计,北京海光仪器公司;Optima 5300DV电感耦合等离子体光谱仪(inductively coupled plasma spectrometer,ICP),美国PerkinElmer公司;iCAP Qc电感耦合等离子体质谱仪(inductively coupled plasma mass spectrometer,ICP-MS),美国Thermo Fisher公司;RA915测汞仪,俄罗斯LUMEX公司。

1.3 元素测定方法

称取金银花样品0.2 g于微波消解罐中,加入3 mL硝酸溶液浸泡过夜,再加入1 mL 30% H2O2溶液,摇匀后置于微波消解仪中消解,采用ICP和ICP-MS对金银花中的元素Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu和Zn进行分析,以国家标准物质芹菜[2](GBW10048)验证测定结果的准确性。

土壤中As元素采用原子荧光法测定[12,13];土壤中Cd采用石墨炉原子吸收分光光度法测定[14];土壤中Hg元素采用测汞仪测定[15];土壤中Pb、Cr、Ni、Mn、Cu、Zn元素采用ICP进行测定[16,17],以国家标准物质GBW07419[18]和GSS-2[19]验证测定结果的准确性。

1.4 富集系数

重金属元素富集系数(biological concentration factor,BCF) 计算公式如下[20,21] :

式中,Cp为金银花中某元素的含量;Cs为耕作层(0~20 cm)土壤中某元素的含量。

1.5 地质累积指数

采用地质累积指数(geoaccumulation index, Igeo)[22]评价金银花土壤中重金属污染程度,计算公式如下:

式中,Cn为土壤中某元素的含量;Bn为当地土壤中某元素的背景值。

1.6 潜在生态风险评价

采用Hakanson潜在生态风险指数(potential ecological risk index,RI)法[23]对土壤进行重金属潜在生态风险评价,RI能反映出不同重金属对某一区域的影响,同时可以综合反映多种重金属的影响,计算公式如下:

式中, 为重金属i的潜在生态风险系数; 为重金属i的毒性响应因子(Pb、Cd、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu、Zn分别为5、30、2、10、40、5、1、5、1)[24]; 为重金属i的污染系数, 为重金属i的测定值, 为当地重金属i的背景值。潜在生态风险危害评价指标见表1。

表1 重金属污染潜在生态风险指数等级[23]

Table 1 Grades of potential ecological risk index of heavy metal pollution[23]

污染系数
Contamination
factor ( ) 污染水平
Contamination
lever 潜在生态风险系数
Potential ecological
risk factor ( ) 潜在生态风险指数
Potential ecological
risk index(RI) 生态风险水平
Ecological risk lever <1 低 <40 RI<150 低 1≤ <3 中 40≤ <80 150≤RI<300 中等 3≤ <6 高 80≤ <160 300≤RI<600 强 ≥6 极高 160≤ <320 600≤RI<1 200 很强 ≥320 RI≥1200 极强

1.7 健康风险评价[25]

土壤中重金属元素进入人体主要分为三种途径:经口摄入、皮肤接触、呼吸途径。

CDI表示人体每千克体重每天摄入污染的量,mg·kg-1·d-1。

经口摄入暴露量计算公式如下:

CDIing=C×IR×CF×FI×EFing×ED/BW/AT

(4)

皮肤接触暴露量计算公式如下:

CDIderm=C×AF×CF×SA×ABS×EFderm×ED/BW/AT

(5)

呼吸途径暴露量计算公式如下:

CDIinh=C×PM10×DAIR×PIAF×FSPO×CF×EFinh×ED/BW/AT

(6)

式中,C为重金属的含量,mg·kg-1;IR为每天摄取量,取值100 mg·d-1;CF为转换因子,取值1×10-6 kg·mg-1;FI为摄入分数,取值1;EF为暴露频率,其中EFing/derm=365 d·a-1,EFinh=91 d·a-1;ED为暴露时间,取值30 a;BW为平均体重,取值70 kg;AT为平均接触环境的时间,其中AT致癌=365×70 d,AT非致癌=365×30 d;AF为吸附系数,取值0.2 mg·d-1;SA为皮肤接触面积,取值1 150 cm2;ABS为皮肤对外界的吸附系数,取值0.01;PM10为可吸入颗粒物含量,取值0.3 mg·m-3;DAIR为日空气吸入量,取值15 m3·d-1;PIAF为人类吸进的土壤颗粒物在人体体内停留的百分比,取值0.75;FSPO为大气中含有的土壤颗粒物的比例,取值0.5。

非致癌性健康风险(hazard quotient, HQ)计算公式如下:

RFD为重金属元素健康风险的参考剂量(表2);

表2 各重金属元素健康风险的参考剂量及斜率因子

Table 2 Health risk assessment of risk reference dose and slope coefficient

摄入途径
Intake pathway 参考剂量
Risk assessment of risk reference dose/(mg·kg-1·d-1) 斜率因子
Slope factcr/(kg·d·mg-1) Pb Cr Ni Cu Zn As Hg Cd Mn[26,27] As Cd 经口摄入Oral ingestion 3.5×10-3 3.0×10-3 0.020 0 0.040 0.30 3×10-4 3.0×10-4 1×10-3 4.60×10-2 1.5 0.38 皮肤接触Skin contact 5.2×10-3 2.7×10-5 0.005 4 0.012 0.06 6×10-5 3.0×10-4 1×10-5 1.84×10-3 7.5 6.10 呼吸途径Inhalation 3.5×10-3 2.7×10-5 0.020 6 0.042 0.06 3×10-4 8.6×10-5 1×10-3 1.43×10-4 1.5 0.38

非致癌总危害指数(hazard index, HI)值计算公式如下:

致癌性健康风险(cancer risk, Cnr)计算公式如下:

SF为重金属元素致癌因素的斜率因子(表2);

致癌总危害指数(lifetime cancer risk, LCR)计算公式如下:

LCR=ΣCnr=Cnring+Cnrinh+Cnrderm

(10)

所有重金属暴露的总风险(RISK)计算公式如下:

1.8 数据分析

采用SPSS 22.0软件进行方差分析和相关性分析,采用@RISK7.5软件进行风险评估。

2 结果与分析

2.1 金银花和土壤中元素含量分析

我国三个主产区的金银花和土壤(0~20 cm和20~40 cm)元素含量测定结果见表3,同时各标准物质(GBW10048、GBW07419和GSS-2)中相关9种元素的测定值均在其标准参考值范围内,保证了测定数据的准确性。三个地区金银花中Cu、Zn元素平均含量差异不显著,其他元素平均含量均存在地区间显著差异。山东平邑金银花中Cd、Cr、Ni、Mn和Zn元素的平均含量高于河南封丘、河北巨鹿;河南封丘金银花中Pb、As、Hg、Cu元素的平均含量均高于山东平邑、河北巨鹿;河北巨鹿金银花中Pb、Cd、Cr、As、Zn元素平均含量居中,Hg、Ni、Mn、Cu元素平均含量最低。

表3 不同地区金银花和土壤中重金属含量统计表

Table 3 Statistics of heavy metal concentrations in honeysuckle and soil from different regions/(mg·kg-1)

元素
Element 金银花 Honeysuckle 土壤 Soil (0~20 cm) 土壤 Soil (20~40 cm) 河南封丘山东平邑河北巨鹿河南封丘山东平邑河北巨鹿河南封丘山东平邑河北巨鹿铅Pb 4.04±2.19bB 1.09±0.49aA 1.32±1.60aA 18.56±3.14aA 19.00±10.55aA 18.84±3.26aA 17.06±3.38aA 15.39±7.49aA 16.96±4.33aA 镉Cd 0.10±0.07aA 0.35±0.190bB 0.12±0.05aA 0.23±0.06cB 0.18±0.06bA 0.15±0.02aA 0.19±0.043cB 0.14±0.05bA 0.12±0.02aA 铬Cr 5.65±4.88aA 10.44±5.90bB 10.18±5.36bB 61.76±6.03aA 62.93±16.16aA 61.52±5.83aA 62.45±6.61aA 59.55±19.34aA 62.20±8.70aA 砷As 0.50±0.35bB 0.17±0.14aA 0.23±0.16aA 9.70±1.54bB 5.14±2.37aA 9.19±0.92bB 9.96±1.77bB 5.28±2.88aA 9.75±1.63bB 汞Hg 0.030±0.016bB 0.006±0.007aA 0.004±0.003aA 0.021±0.005bA 0.015±0.007aA 0.035±0.015cB 0.017±0.006bA 0.012±0.007aA 0.027±0.013cB 镍Ni 2.27±0.74aA 5.71±2.75bB 2.16±0.59aA 22.57±2.91bB 16.89±5.36aA 22.51±2.30bB 23.25±3.37bB 17.45±6.83aA 23.36±3.72bB 锰Mn 42.29±11.50aA 64.64±20.82bB 38.73±8.01aA 472.56±73.98aA 570.60±113.18bB 475.74±63.26aA 467.07±78.11aA 572.73±152.32bB 488.89±87.82aA 铜Cu 22.22±5.71aA 21.39±10.64aA 18.23±5.80aA 22.29±8.28aA 31.75±10.75bB 20.04±2.58aA 20.83±5.01aA 29.78±11.80bB 20.51±3.96aA 锌Zn 30.40±8.03aA 34.33±10.45aA 32.79±18.94aA 55.30±11.31aA 62.95±23.41bA 53.58±6.55aA 50.76±7.87aA 55.77±16.46aA 49.86±7.88aA 注:数据表示为平均值±标准偏差。不同地区同类样品间不同小写和大写字母分别表示在0.05和0.01水平差异显著。Note:Datas are represented as mean ± standard deviation. Different lowercase and captial letters indicate significant difference among different regions at 0.05 and 0.01 level, respectively.

三个地区金银花土壤(0~20 cm)中Pb、Cr元素平均含量差异不显著。山东平邑金银花土壤中Pb、Cr、Mn、Cu、Zn元素平均含量高于河南封丘、河北巨鹿;河南封丘金银花土壤中Cd、As、Ni元素平均含量高于其他两地区;河北巨鹿金银花土壤中Hg元素含量显著高于山东平邑、河南封丘。

三个地区金银花土壤(20~40 cm)中Pb、Cr、Zn元素平均含量差异不显著。山东平邑金银花土壤中Mn、Cu、Zn元素平均含量高于河南封丘、河北巨鹿;河南封丘金银花土壤中Pb、Cd、Cr、As元素平均含量高于其他两地区;河北巨鹿金银花土壤中Hg、Ni元素平均含量高于山东平邑、河南封丘。

与三个地区9种元素的背景值[28]对比发现,三个地区多数土壤样品中Cd和Cu元素含量高于当地土壤背景值;多数土壤样品中Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Zn元素含量低于当地土壤背景值(图1)。与GB 15618-2018 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》[29]对比发现,除Mn元素外(标准中未规定),Pb、Cr、As、Hg、Ni、Cu、Zn均未超过农用地土壤风险筛选值(6.5<pH值≤7.5),4.76%的土壤(0~20 cm)中Cd含量超过农用地土壤风险筛选值,Pb、Cd、Cr、As、Hg均未超出农用地土壤污染风险管制值(Pb 700 mg·kg-1、Cd 3.0 mg·kg-1、Cr 1 000 mg·kg-1、As 120 mg·kg-1、Hg 4.0 mg·kg-1)。

图1 河南、山东、河北省土壤中九种元素含量和背景值

Fig.1 Nine elemental contents in soils and the background value for Henan, Shandong, and Hebei province

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2.2 元素间的相关性分析

由表4可知,金银花中Pb与Ni,Cr与Hg,Hg与Ni呈显著负相关;As与Hg,Cu与Zn呈显著正相关;Pb与As、Hg、Zn,Cd与Cr、Ni、Mn,Cr与Mn,Ni与Mn呈极显著正相关;Cd与Hg,As与Ni呈极显著负相关。结果表明,金银花中多种元素间具有不同程度的协同或拮抗作用。

表4 金银花中各元素间的相关性分析

Table 4 Correlation analysis of elements in honeysuckle

铅Pb 镉Cd 铬Cr 砷As 汞Hg 镍Ni 锰Mn 铜Cu 锌Zn 铅Pb 1 镉Cd -0.210 1 铬Cr -0.121 0.284** 1 砷As 0.594** -0.164 0.070 1 汞Hg 0.498** -0.323** -0.258* 0.268* 1 镍Ni -0.279* 0.841** 0.061 -0.297** -0.266* 1 锰Mn -0.135 0.809** 0.281** -0.195 -0.164 0.768** 1 铜Cu 0.012 0.052 0.071 0.031 0.086 0.146 0.116 1 锌Zn 0.280** 0.182 0.157 0.025 -0.156 0.165 0.104 0.232* 1 注:**表示在0.01水平上显著相关;*表示在0.05水平上显著相关。下同。Note:** indicates significant correlation at 0.01 level. * indicates significant correlation at 0.05 level. The same as following.

由表5可知,土壤中Cd与金银花中Pb,土壤中As与金银花中As,土壤中Mn与金银花中Cd、Mn,土壤中Cu与金银花中Ni均呈显著正相关;土壤中Cd与金银花中Cd、Cr,土壤中Cr与金银花中Cd,土壤中Mn与金银花中Pb、As均呈显著负相关。土壤中Cd与金银花中Hg,土壤中As与金银花中Pb、Hg均呈极显著正相关;土壤中As、Ni分别与金银花中Cd、Cr、Ni、Mn以及土壤中Hg与金银花中Cd、Ni、Mn均呈极显著负相关。结果表明,金银花与土壤元素含量的关系比较复杂,土壤中部分元素在植物吸收、运输过程中存在协同或拮抗作用。

表5 金银花与土壤元素间的相关性分析

Table 5 Correlation analysis of elements between honeysuckle and soil

土壤Soil
(0~20 cm) 金银花 Honeysuckle 铅Pb 镉Cd 铬Cr 砷As 汞Hg 镍Ni 锰Mn 铜Cu 锌Zn 铅Pb -0.009 -0.177 0.098 -0.010 0.014 -0.193 -0.093 0.052 -0.085 镉Cd 0.274* -0.245* -0.221* 0.109 0.407** -0.200 -0.113 0.145 -0.069 铬Cr -0.042 -0.265* -0.107 -0.024 -0.055 -0.101 -0.197 -0.031 -0.086 砷As 0.307** -0.550** -0.303** 0.252* 0.286** -0.507** -0.521** 0.098 -0.089 汞Hg 0.028 -0.296** 0.058 0.009 -0.124 -0.413** -0.304** -0.079 -0.097 镍Ni 0.207 -0.524** -0.303** 0.120 0.137 -0.434** -0.501** -0.032 -0.096 锰Mn -0.126* 0.232* -0.056 -0.258* -0.153 0.178 0.218* 0.039 -0.033 铜Cu -0.200 0.192 0.015 -0.178 -0.120 0.228* 0.184 0.092 -0.014 锌Zn -0.094 -0.088 -0.080 -0.146 -0.043 -0.063 -0.048 0.138 -0.027

2.3 金银花中元素的富集特征

由图2中金银花对各元素的BFC值可知,各主产区金银花对Cd、Cu和Zn的富集能力较强,其平均富集系数分别为1.200、0.925和0.602。山东金银花对Cd的富集能力较强,富集系数为2.266;河南金银花对Hg的富集能力较强,富集系数为1.451;各产地金银花对Pb、Cr、As、Ni、Mn的富集能力较弱。不同产地金银花对大多元素的富集系数存在差异,但各地金银花对Zn的富集系数无显著差异。

图2 不同地区金银花中重金属生物富集系数注:同元素上方不同小写字母表示在不同地区间差异显著(P<0.05)。

Fig.2 Bioconcentration factor of the heavy metal elements of honeysuckle from different regions

Note: Different lowercase letters at the top of the same element indicate significant difference at 0.05 level among different regions.

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三个地区金银花中元素的富集系数特征表明,金银花中各元素的平均富集系数趋势为As<Mn<Pb<Cr<Ni<Zn<Hg<Cu<Cd。

2.4 累积指数

金银花土壤各元素的累积指数如图3所示。根据Igeo污染指数等级标准(表6),三个地区金银花土壤(0~20 cm和20~40 cm)中Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu、Zn和河北巨鹿土壤 (20~40 cm)中Cd的累积指数Igeo≤ 0,属于清洁状态,河南封丘土壤 (0~20 cm)中Cd属于轻度污染,山东平邑土壤(0~20 cm)、河南封丘土壤(20~40 cm) 中Cd属于偏中度污染,河北巨鹿土壤 (0~20 cm)、山东平邑土壤 (20~40 cm) 中Cd达到严重污染。结果表明,Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu、Zn 8种元素未对研究区域的金银花土壤造成污染,但不同区域分别受到不同程度的Cd污染。

图3 土壤中重金属的地质累积指数(Igeo)

Fig.3 Geoaccumulation index (Igeo) of heavy metal in the soil

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表6 重金属污染的地质累积指数(Igeo)等级[22]

Table 6 Grades of geoaccumulation index Igeo of heavy metal pollution[22]

Igeo 等级Grade Igeo≤ 0 清洁 0< Igeo≤1 轻度污染 1< Igeo≤2 偏中度污染 2< Igeo≤3 中度污染 3< Igeo≤4 偏重污染 4< Igeo≤5 重污染 Igeo > 5 严重污染

2.5 潜在生态风险评价

根据潜在生态风险指数等级,金银花土壤中9种元素的污染系数 ( )见表7。三个地区土壤中Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Zn和河北巨鹿土壤中Cu的低于1,属于低污染水平;河南封丘土壤(0~20 cm) Cd的高于3,属于高污染水平。其他元素的在1~3之间,属于中等污染水平。

表7 土壤污染指数 ( )

Table 7 Contamination factors ( ) of the soils

地区
Region 土壤深度
Soil depth/cm Pb Cd Cr As Hg Ni Mn Cu Zn 河南封丘
Henan Fengqiu 0~20 0.95 3.12 0.97 0.85 0.62 0.85 0.82 1.13 0.92 20~40 0.87 2.62 0.98 0.87 0.50 0.87 0.81 1.06 0.85 山东平邑
Shandong Pingyi 0~20 0.74 2.15 0.95 0.55 0.79 0.66 0.89 1.32 0.99 20~40 0.60 1.71 0.90 0.57 0.63 0.67 0.89 1.24 0.88 河北巨鹿
Hebei Julu 0~20 0.87 1.57 0.90 0.68 0.97 0.73 0.78 0.92 0.68 20~40 0.79 1.24 0.91 0.72 0.75 0.76 0.80 0.94 0.64

潜在生态风险指数结果如表8所示。金银花土壤中单元素的潜在生态风险系数排序为Cd > Hg > As > Cu > Pb > Ni > Cr > Mn > Zn。Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu、Zn的均小于40,存在低生态风险。除河北巨鹿土壤(20~40 cm)的小于40存在低生态风险,河南封丘土壤(0~20 cm)的在80~160之间,存在强生态风险外,其他土壤的在40~80之间,存在中等生态风险。RI值均低于150,综合潜在生态风险较低。

表8 土壤重金属污染潜在生态风险评估

Table 8 Evaluation on potential ecological risk of heavy metals pollution in the soils

地区
Region 土壤深度
Soil depth/cm RI Pb Cd Cr As Hg Ni Mn Cu Zn 河南封丘
Henan Fengqiu 0~20 4.74 93.65 1.94 8.51 24.71 4.23 0.82 5.66 0.92 145.17 20~40 4.36 78.65 1.96 8.74 20.00 4.36 0.81 5.28 0.85 125.00 山东平邑
Shandong Pingyi 0~20 3.68 64.64 1.91 5.53 31.58 3.28 0.89 6.60 0.99 119.10 20~40 2.98 51.43 1.81 5.68 25.26 3.37 0.89 6.21 0.88 98.51 河北巨鹿
Hebei Julu 0~20 4.37 47.23 1.80 6.76 38.89 3.65 0.78 4.59 0.68 108.76 20~40 3.95 37.34 1.82 7.17 30.00 3.80 0.80 4.70 0.64 90.22 平均值Mean 4.02 62.16 1.87 7.06 28.41 3.78 0.831 5.51 0.83

2.6 健康风险评估

对金银花土壤中9种重金属浓度进行拟合,以各重金属浓度拟合为输入变量,计算摄入剂量(CDI)、非致癌性健康风险(HQ)、致癌性健康风险(Cnr),所有重金属暴露的总风险值(RISK)作为输出变量,迭代10 000次。表9为重金属摄入剂量、非致癌风险、致癌风险和总风险的统计结果。金银花土壤的HQ值均小于1,说明金银花土壤的非致癌性风险较小(HQ<1,风险较小或者可以忽略;HQ>1时,存在非致癌风险)。致癌风险值将10-4作为分界线[25],金银花土壤的致癌性风险均较低。因此,金银花土壤中重金属经口摄入、皮肤接触和呼吸途径进入人体的健康风险较低。

表9 土壤中重金属的健康风险评价

Table 9 Health risk evaluation of heavy metal in soil

评价指标
Evaluation
index 元素
Element 摄入途径
Intake pathway 经口摄入
Oral ingestion 皮肤接触
Skin contact 呼吸途径
Inhalation 摄入剂量CDI
/(mg·kg-1·d-1) Pb 1.13E-05 2.60E-07 4.76E-08 Cr 3.80E-05 8.74E-07 1.60E-07 Ni 1.26E-05 2.90E-07 5.30E-08 Cu 1.52E-05 3.50E-07 6.40E-08 Zn 3.45E-05 7.94E-07 1.45E-07 As 4.72E-06 1.09E-07 1.99E-08 Hg 1.42E-08 3.27E-10 5.98E-11 Cd 1.14E-07 2.62E-09 4.80E-10 Mn 3.11E-04 7.16E-06 1.31E-06 合计 Total 4.28E-04 9.84E-06 1.80E-06 非致癌性健康
风险值HQ Pb 3.23E-03 5.00E-05 1.36E-05 Cr 1.27E-02 3.24E-02 5.92E-03 Ni 2.52E-04 5.37E-05 2.57E-06 Cu 3.80E-04 2.92E-05 1.52E-06 Zn 1.15E-04 1.32E-05 2.42E-06 As 1.57E-02 1.81E-03 6.62E-05 Hg 4.74E-05 1.09E-06 6.95E-07 Cd 1.14E-04 2.62E-04 4.80E-07 Mn 6.77E-03 3.89E-03 9.16E-03 合计Total 3.93E-02 3.85E-02 1.52E-02 致癌性健康风
险值Cnr As 7.08E-06 8.14E-07 2.98E-08 Cd 4.34E-08 1.60E-08 1.82E-10 合计 Total 7.12E-06 8.30E-07 3.00E-08 非致癌总危害指数HI 9.30E-02 致癌总危害指数LCR 7.98E-06 总风险Risk 9.30E-02

由图4可知,金银花土壤的重金属最终暴露风险为0.073 9(5%)~0.112 3(95%),平均值为0.093 1。运用斯皮尔曼(Spearman)等级相关分析,按照相关性排序生成相关性龙卷风图形,如图5所示,土壤重金属暴露风险与Cr元素含量相关性最大,相关系数(r)为0.74,其次为As和Mn,r分别为0.55和0.32,与其他元素相关性较小。

图4 土壤重金属暴露风险分布

Fig.4 Distribution of heavy metal exposure risk in soil

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图5 土壤中重金属风险的敏感性分析

Fig.5 Sensitivity analysis of heavy metal risk in soil

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3 讨论

河南封丘、山东平邑和河北巨鹿研究区域金银花中Pb、As、Cd、Hg的含量均低于ISO国际标准“中草药重金属限量”(Pb<10.0 mg·kg-1,Cd<2.0 mg·kg-1,As<4.0 mg·kg-1g,Hg<3.0 mg·kg-1)[11]。

本研究发现,金银花中的多种元素间、金银花中元素与土壤元素之间具有不同程度的协同或拮抗作用。有研究表明,中药材中的重金属通常来自土壤母质[30],各元素含量的关系比较复杂,可能是因为植物中元素的含量不仅受遗传因素、土壤因素、环境条件和其他因素的影响,也受元素之间交互作用的影响[31,32]。仅从单因素相关分析结果无法判断土壤与金银花元素含量的内在关系,还需要设计多场景多变量试验进行深入的分析。

不同产地金银花对土壤中各元素的富集能力具有一定的差异,可能是因为植物对元素的吸收和积累受气候、土壤养分、自身遗传和生物学特性等多种因素的影响[33,34,35]。不同地区金银花对相同元素的富集能力也存在差异,如山东平邑金银花对Cd的富集系数明显高于河南封丘和河北巨鹿,这可能与各地区土壤中Cd生物有效态、环境条件、金银花种质等的差异有关。Cd生物有效性的驱动因子主要包括土壤 pH值、电导率、有机质含量、土壤质地和土壤水溶态、交换态、碳酸盐结合态Cd,其中,Cd富集系数与土壤pH值呈负相关[36]。而山东平邑土壤pH值约为7,低于河南封丘和河北邢台(pH 值8左右)[37,38],可能也是山东平邑金银花对Cd的富集系数偏高的一个因素。不同类型土壤上生长的相同物种对Cd的富集系数也不尽相同[39],山东平邑地貌以丘陵为主,平原较小,土壤类型为棕壤,河南封丘和河北巨鹿地貌主要以平原为主,土壤类型以潮土为主,三个地区土壤类型的差异可能也会影响金银花对Cd的富集。影响不同产区金银花富集系数差异显著的原因还需从多角度多因素进行更加深入的研究,今后可以在Cd污染水平条件相同的土壤上分别种植三个地区的优势品种,研究不同品种金银花富集能力存在差异的具体原因。

本研究发现,金银花土壤中Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、As、Hg、Cd、Mn元素均处于低潜在生态风险水平,但Cd对潜在生态风险指数影响较大,这可能是由人类活动引起的,例如猪粪的施用、磷肥的灌溉、农药的使用、汽车尾气等均会导致重金属Cd在农田土壤中的富集,进而影响潜在生态风险水平[40,41,42]。这也与部分金银花土壤(0~20 cm)中Cd含量超过农用地土壤风险筛选值的结果相呼应,因此,金银花土壤中重金属Cd的污染应引起足够的重视。

在金银花土壤重金属健康风险研究中,并未考虑对儿童的健康风险,因为在农田中耕作的多为成人。与土壤重金属暴露风险相关性较大的是土壤中Cr、As和Mn元素含量,加强控制重金属Cr、As和Mn的摄入有利于降低金银花种植人员的健康风险。

4 结论

本研究结果表明,金银花对土壤中不同元素的富集能力不同,不同产地金银花对相同元素的富集能力也存在差异。金银花对各元素的富集系数趋势为As<Mn<Pb<Cr<Ni<Zn<Hg<Cu<Cd。金银花主产区土壤除存在Cd污染外,几乎未遭受Pb、Cr、As、Hg、Ni、Mn、Cu和Zn的污染,金银花土壤重金属污染总体处于低风险水平。金银花主产区土壤中重金属经口摄入、皮肤接触和呼吸途径进入人体的健康风险较低。但在金银花种植过程中仍需高度警惕土壤中Cd带来的安全风险,加强金银花土壤中Cd污染的治理与管控,为金银花质量安全提供保障。

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