土壤-黎药系统中重金属的迁移富集特征及健康风险评价

张登新，唐少霞，吴 丹，庄亚呢，高家凤，陈珂珂

（1.海南师范大学 地理与环境科学学院，海南 海口 571158；2.海南省热带海岛地表过程与环境变化重点实验室，海南 海口 571158）

土壤既是陆地生态系统的重要组成部分[1]，也是人类赖以生存的物质基础。随着工业污染物的超标排放及农用化学物质的滥用，重金属对土壤环境所造成的污染日益严重，已成为全球最为关注的环境问题之一[2]。当下对土壤重金属污染的研究主要集中于土壤重金属的形态转换及生物有效性研究[3-4]、土壤重金属污染的修复研究和土壤-作物系统中重金属的污染特征及风险研究3个方面，涉及水稻[5-6]、小麦[7]等粮食作物和茶树[8]、蔬菜[9]、水果[10]等经济作物，研究内容包括探究污染源的时空格局、分析重金属的迁移富集规律和评价系统生态健康风险等。已开展的研究主要侧重于重金属在土壤-作物系统中迁移、富集规律的探究及其系统生态风险评价，而对重金属在土壤-黎药系统中的迁移富集规律及其健康风险评价关注不足。

黎药是黎族人民在长期医疗实践中不断积累的宝贵经验的总结，是中国传统医学的重要组成部分[11]，常以药用植物的根、茎、叶等入药。土壤中的重金属受植物蒸腾作用所产生的拉力及通过扩散作用进入黎药根部，再通过共质体途径和质外体途径到达黎药的茎和叶，完成在土壤-黎药系统中的迁移与分配[12-13]。而蓄积在黎药中的重金属可通过直接暴露途径（经口摄入、皮肤接触和呼吸吸入）进入人体，并产生生物放大作用，对人体健康构成威胁[14-15]。目前对于黎药的研究主要集中于分析具体药物的质量标准[16-17]和药理作用[18-19]、探究黎药资源的开发与利用[20-21]等方面，尽管赖伟勇等对4种黎药的重金属含量进行过初步测定[22]，但并未分析重金属在土壤-黎药系统中的迁移富集规律以及系统性评价其健康风险。

本研究以生长在不同类型样地的大沙叶、益智、五指毛桃、草豆蔻、豆蔻和砂仁等6种黎药为研究对象，利用地累积指数法、单因子污染指数法、生物富集系数及迁移系数法评价黎药样地土壤重金属污染程度，分析重金属铜（（Cu）、铬（Cr）、铅（Pb）和镉（Cd）在上述6种黎药根、茎、叶中的含量特征及其在土壤-黎药系统中的迁移富集规律，并使用靶标危害系数法评估土壤-黎药系统中富集的重金属对人体的潜在健康风险，以期为黎药的健康风险评价及监督管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

海南岛地处北回归线以南的热带北缘，属热带季风气候区，光温充足，雨水充沛，适宜多种药用植物的生长发育，素有“天然药库”之称。本研究以海南省文昌市、乐东黎族自治县和儋州市的黎药生长地为研究靶区，选取生长在蔬菜地、天然林地、橡胶林地和植物园样地中的6种黎药为研究对象，4种样地所在市（县）及其土壤基本特性见表1。每个样地按“S”形采样法采集样品，各样地至少选3个样方。在文昌市蔬菜地内分别采集大沙叶根系土壤样品与茎部、叶部样品共12个样（4×3），在乐东黎族自治县天然林地中分别采集大沙叶根系土壤样品与茎部、叶部样品共9个样（3×3），在海南热带植物园内分别采集益智、草豆蔻、豆蔻、砂仁根系土壤样品与根部、茎部、叶部样品共48个样（4×3×4），在中国热带农业科学院（儋州院区）的橡胶林套种地内分别采集益智、五指毛桃、草豆蔻根系土壤样品与根部、茎部、叶部样品共36个样（3×3×4）。

表1 研究区域土壤基本特性Table 1 Basic characteristics of soil in the studied area

1.2 样品采集及预处理

样品采集时间为2020年12月中旬，分别采集黎药植株根部（大沙叶未采集根部样品）、茎部、叶部样品及植株根系周围的土壤（0～20 cm）。在野外采集土壤样品时，现场手工挑出碎石、杂物、动植物残体，随后将土壤样品放置于实验室阴凉干燥处自然风干，后研磨过200目筛，密封于聚乙烯袋中。使用去离子水清洗黎药样品4遍以去除吸附在样品上的附着物，用滤纸吸干样品表面水分，剪细后将其置入65 ℃烘箱中烘干（48 h以上），研磨过200目筛后密封于聚乙烯袋中。

1.3 土壤理化性质及重金属含量的检测方法

使用土壤墒情测定仪FK-Q05检测土壤pH，使用多参数土壤肥料养分测定仪FK-G02检测土壤速效养分。参照《中华人民共和国药典》收录的电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定样品的重金属元素残留量[23]，测定仪器采用ICP-MS 7700（Agilent Technologies Inc，美国），检测项目为镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、铅（Pb）4项。分析测试过程中按规范要求加10%空白样与平行样进行质量控制，各测试项目标准品的相对标准偏差（RSD）＜0.1%；加标回收率为73%～101%，均在国家标准参比物质的允许范围内。

重金属含量检测的具体步骤：准确称取0.100 g样品置于微波消解罐中，土壤样品添加8 mL硝酸，黎药样品依次添加5 mL 硝酸和3 mL 过氧化氢，旋紧瓶盖，置于微波消解仪中（Milestone，意大利）按既定程序消解，消解完成后冷却至室温，将消解液转移至50 mL容量瓶中，使用去离子水洗涤消解罐瓶盖与内壁3次，洗涤液合并于容量瓶中，最后定容至刻度，静置24 h后上机测定。

1.4 数据处理与分析方法

1.4.1 单因子污染指数

单因子污染指数是对某一重金属污染物的污染程度进行评价的方法。其计算公式为

式中，Pi表示重金属i的单因子污染指数，Pi＞1表明存在重金属污染风险；Ci为重金属i的平均含量；Li为重金属i的评价标准值，分别参考海南省土壤重金属含量背景值[24]、《土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准（试行）》（GB 15618-2018）中的风险筛选值[25]、《中华人民共和国药典》[23]及《欧洲药典9.0版》[26]中部分植物药重金属的规定值。

1.4.2 地累积指数地累积指数法被广泛应用于评价土壤以及其他物质中重金属的污染程度。其计算公式为

式中，Igeo为地累积指数，Ci为土壤中重金属i的含量，Bi为土壤中重金属i的背景值，1.5是考虑到自然因素可能引起的背景值变动而取的系数。本研究中重金属的土壤背景值参照海南省土壤重金属含量背景值。地累积指数分级标准见参考文献[27]。

1.4.3 生物富集系数及迁移系数

使用生物富集系数（bioconcentration factors，BCF）评价黎药不同部位富集重金属的能力，富集系数越大说明其富集能力越强。其计算公式为

式中，C土为黎药根系周围土壤重金属含量，C根为黎药根部重金属含量，C茎为黎药茎部重金属含量，C叶为黎药叶部重金属含量。

迁移系数（translocation factor，TF）反映的是重金属元素在黎药体内根间—茎间、茎间—叶间的迁移能力，迁移系数越大说明黎药根—茎间、茎—叶间运输重金属的能力越强。其计算公式为

1.4.4 健康风险评价

基于最大限量理论，采用靶标危害系数法（Target hazard quotients，THQ）对黎药中的重金属被人体摄取后潜在的健康风险进行评价[28]。THQ是某种污染物的摄入剂量与参考剂量的比值，THQ＜1表明重金属摄入水平低于安全限值。其计算公式为

式中，FIR（food ingestion rate）为每日摄取药材量（根据《黎族医药》[29]，五指毛桃用药量为成人20 g/d、儿童6 g/d，其余5 种药物皆按成人10 g/d、儿童5 g/d 计），ED（exposure duration）为暴露于含重金属黎药的年数（成人为70 a，儿童为30 a），EF（exposure frequency）为每年暴露于含重金属黎药的天数（取值为365 d/a），Ci为黎药中重金属i的质量分数（mg/kg），WAB（average body weight）为人体平均体重（采用国际通用标准，成人为55.9 kg，儿童为32.7 kg[30]），TA（average exposure time for non-carcinogens）为平均接触含重金属黎药的时间（为平均寿命70 a×EF），RFD（oral reference dose）为参考剂量[31]（RFD（Cd）=1×10-3mg/kg，RFD（Cr）=3×10-3mg/kg，RFD（Cu）=4×10-2mg/kg，RFD（Pb）=3.5×10-3mg/kg）。

2 结果与讨论

2.1 4种黎药样地土壤重金属残留及污染评价

4种黎药样地的土壤重金属平均含量及单因子污染指数见表2。由表2可知，4种样地土壤中的Cr和Cd含量都超过了海南省土壤背景值[24]，其中蔬菜地土壤中的Cr含量是背景值的10.8倍，蔬菜地和植物园地土壤中的Cd含量超过背景值的13倍。土壤中的Cu含量方面，只有天然林地未超过海南省土壤背景值，是背景值的0.5倍。土壤中的Pb含量方面，只有蔬菜地超过了海南省土壤背景值，是背景值的1.1倍。与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准（试行）》（GB 15618-2018）中风险筛选值相比，蔬菜地土壤中的Cr 和Cd含量超过了风险筛选值，分别是风险筛选值1.1倍和2.2倍；植物园地土壤中的Cd含量也超过了风险筛选值，是风险筛选值的2.3倍。可见，土壤中部分重金属已存在不同程度的富集，存在污染风险。

表2 4种黎药样地的土壤重金属平均含量及单因子污染指数Table 2 Average contents of heavy metal in the sample soil of 4 Li medicines

4种黎药样地中各重金属的含量多少次序为：Cr含量方面，蔬菜地＞植物园地＞橡胶林地＞天然林地；Cu含量方面，蔬菜地＞橡胶林地＞植物园地＞天然林地；Cd含量方面，植物园地＞蔬菜地＞天然林地＞橡胶林地；Pb含量方面，蔬菜地＞植物园地＞橡胶林地＞天然林地。由此可见，Cr、Cu、Pb含量多少次序均为蔬菜地＞植物园地＞天然林地。

根据式（2），参照海南省土壤重金属含量背景值计算4种黎药样地的土壤重金属地累积指数，并评价其污染程度，结果见表3。由表3可知，蔬菜地土壤呈现Cd重度污染，Cr、Cu较重度污染，Pb轻度污染；天然林地土壤呈现Cr、Cd中度污染，无Cu、Pb污染；橡胶林地土壤呈现Cr、Cd中度污染，Cu轻度污染，无Pb污染；植物园地土壤呈现Cd重度污染，Cr较重度污染，Cu轻度污染，无Pb污染。

表3 4种黎药样地的土壤重金属地累积指数及污染程度Table 3 Igeo and pollution degree in the sample soil of 4 Li medicines

2.2 黎药重金属残留评价

对6 种黎药根、茎、叶中的重金属含量进行测定并参照黎药标准限值计算其单因子污染指数，结果见表4。

表4 6种黎药根、茎、叶中重金属的平均含量及单因子污染指数Table 4 Average contents of heavy metal in the 6 Li medicines

由表4可知，大沙叶茎、叶中的Cr、Cd、Pb、Cu含量均未超标；益智根部的Cr、Pb含量超标，而茎、叶中4种重金属含量均未超标；五指毛桃除根部的Pb含量及叶部的Cd含量超标外，其余皆未超标；草豆蔻根部的Cr、Pb含量超标，茎部的Cr含量和叶部的Pb含量也超标；豆蔻根部的Cu、Pb含量超标，其余皆未超标；砂仁根部的Cu含量超标，其余皆未超标。6种黎药中，除五指毛桃以根部入药外，其余5种黎药皆以叶入药。除以根部入药的五指毛桃和以叶入药的草豆蔻受到Pb元素的轻微污染外，其余4种黎药的药用部位皆未受到重金属污染。

2.3 土壤-黎药系统中重金属的富集特征

依据表4计算黎药根、茎、叶对重金属Cr、Cu、Cd、Pb的富集系数，结果如图1所示。根部对重金属元素的富集能力依次为Cu＞Cd＞Cr＞Pb（图1a），茎对重金属元素的富集能力依次为Cu＞Cd＞Cr＞Pb（图1b），叶对重金属元素的富集能力依次为Cd＞Cu＞Cr＞Pb（图1c）。整体来看，6种黎药对Cd、Cu具有较强的富集作用，其原因可能为Cu是作物生长发育必需的微量营养元素，适量的Cu营养对植物的新陈代谢及品质的改善具有重要意义[32]，故黎药根、茎、叶对Cu具有较强的富集作用。土壤中Cd的存在形态分为水溶性和非水溶性，其中离子态和络合态的水溶性Cd极易被植物吸收，虽然非水溶性Cd在土壤中不易迁移，但在酸性土壤环境下，Cd的溶解度增高，导致其在土壤中迁移能力增强[33]。Cd从土壤中通过植物根细胞的吸收与扩散进入植物体，经由维管束运输到叶、果实、种子等器官，进而在植物体内逐渐积累富集，因此黎药对Cd也具有较强的富集作用。黎药对Cr的富集作用较弱，且根部富集作用高于茎与叶，这是因为土壤中三价铬活性低，在酸性土壤中铬主要以六价铬为主[34]，不易迁移，因此4个样地土壤中Cr的富集不明显。黎药的茎和叶对Pb的富集作用最低，这是因为进入土壤的Pb 易与有机物和矿物质结合，极难溶解，使得Pb 易积累在土壤表层[35]，即使微量Pb进入植物组织，大部分也会集中于根部，难以向茎、叶迁移[36]。

图1 6种黎药的富集系数Figure 1 Bioconcentration factors of 6 Li medicines

2.4 黎药根、茎、叶中4种重金属的迁移特征

迁移系数（TF）常被用来评估重金属在植物器官中的迁移能力，依据表4中6种黎药根、茎、叶中重金属的平均含量分别计算不同黎药中重金属元素在根—茎间、茎—叶间的迁移系数，结果如图2。由图2可见，重金属在6种黎药中的迁移能力不同。Cr只有在砂仁根—茎间的迁移系数大于1，在其余4种黎药根—茎间的迁移系数都小于1。Cr 在茎—叶间的迁移系数除大沙叶、草豆蔻、砂仁略小于1外，其余3种黎药都大于1。Cu只有在五指毛桃根—茎间和草豆蔻茎—叶间的迁移系数大于1，表明Cu在黎药根—茎—叶间的迁移能力总体较弱。Cd在根—茎间的迁移系数除五指毛桃和砂仁大于1外，其余皆远小于1，但Cd在大沙叶、益智、五指毛桃、豆蔻4种黎药茎—叶间的迁移系数皆远大于1。Pb在6种黎药中根—茎间的迁移系数都小于1；除在益智和砂仁茎—叶间的迁移系数小于1外，在其余黎药茎—叶间的迁移系数都大于1。

图2 6种黎药的迁移系数Figure 2 Translocation factors of 6 Li medicines

整体来看，4种重金属在黎药根—茎间的迁移能力大小顺序为Cd＞Cr＞Cu＞Pb，其中Cd的迁移系数均值为1.03，迁移能力较强；Cr和Cu的迁移系数均值分别为0.82和0.59，迁移能力一般；Pb的迁移系数均值仅为0.15，迁移能力最弱。4种重金属在黎药茎—叶间的迁移能力大小顺序为Cd＞Pb＞Cr＞Cu，其中Cd、Pb的迁移系数均值分别为3.09和3.07，迁移能力极强；Cr的迁移系数均值为1.04，迁移能力较强；Cu的迁移系数均值为0.84，迁移能力一般。综上所述，重金属Cd、Pb在黎药茎—叶间的迁移能力极强，黎药的根部对Cd、Pb的迁移阻碍较强；Cr在茎—叶间的迁移能力较强，其根—茎间的迁移受到一定阻碍；Cu在黎药体内根—茎—叶间的迁移能力一般。

6种黎药根—茎间、茎—叶间重金属迁移能力存在的差异，除与元素的基本性质及相互作用有关外，还受到土壤性质[37]、养护方式及其他污染物的影响。重金属从土壤到黎药根、茎、叶的迁移过程极其复杂，不同的影响因素具有不同的影响机制和效应，黎药容易吸收一些重金属元素而难以吸收另一些重金属，同一重金属的不同价态吸收系数也存在较大的差别，关于重金属在土壤-黎药系统内的迁移差异机制有待于进一步研究。

2.5 土壤-黎药系统中重金属的健康风险评价

除五指毛桃以根部入药外，其余5种黎药均以叶入药。6种黎药药用部位的重金属靶标危害系数（THQ）见表5。从表5中可见，6种黎药药用部位重金属的每日摄入量均低于其参考暴露剂量。4种重金属的靶标危害系数均远小于1，表明大沙叶、益智、五指毛桃、草豆蔻、豆蔻和砂仁6种黎药药用部位残留的Cd、Cr、Cu、Pb对暴露人群造成的健康影响不明显，即6种黎药药用部位残留的Cd、Cr、Cu、Pb对暴露人群无摄入风险。

表5 6种黎药药用部位的重金属靶标危害系数Table 5 THQ of heavy metal in medical part of 6 Li medicines

3 结论

（1）与海南省土壤重金属含量背景值相比，4种黎药样地中的Cd和Cr的含量皆高于背景值，蔬菜地、植物园地、橡胶林地中Cu含量及蔬菜地中Pb含量也高于背景值；与《土壤环境质量农用地土壤污染风险管制标准（试行）》（GB 15618-2018）中的风险筛选值相比，只有蔬菜样地和植物园样地中的Cd含量和蔬菜样地中的Cr含量超标；而根据地累积指数评价法，蔬菜地、天然林地、橡胶林地、植物园地等4种黎药样地中仅天然林地土壤未受到Cd污染，其余黎药样地土壤皆受到Cr、Cu、Cd不同程度的污染，Pb的污染不明显，仅蔬菜地土壤受到Pb的轻微污染；Cr、Cu、Pb含量多少次序均为蔬菜地＞植物园地＞天然林地。

（2）不同黎药对重金属的吸收量具有差异，同种黎药的不同部位对重金属的累积量也不同。除了以根部入药的五指毛桃和以叶入药的草豆蔻受到Pb元素的轻微污染外，大沙叶、益智、豆蔻和砂仁等4种黎药的药用部位皆未受到重金属污染。

（3）大沙叶、益智、五指毛桃、草豆蔻、豆蔻和砂仁等6种黎药对Cd、Cu具有较强的富集能力，对Cr的富集能力较弱，对Pb的富集能力最弱，且根部的富集能力高于茎与叶。

（4）相同重金属在6种黎药中的迁移能力存在差异。整体来看，重金属Cd、Pb在黎药茎—叶间的迁移能力极强，黎药的根部对Cd、Pb的迁移阻碍较强；Cr在茎—叶间的迁移能力较强，在根—茎间的迁移受到一定阻碍；Cu在根—茎—叶间的迁移能力一般。

（5）6种黎药药用部位残留的Cd、Cr、Cu、Pb对暴露人群均无摄入风险。