花椒器官中6种重金属的含量与分布研究

李联队 弥 云 谢毓芬 慈 顺 谢 斌 李孟楼

( 1. 陕西省森林保护研究所，陕西 西安 710082；2. 西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

自1999年退耕还林以来，全国开始大面积栽培花椒（Zanthoxylum bungeanum）[1]，我国现栽培花椒约200万hm2以上、陕西栽培约18.7～20万hm2[2]。花椒的价值在于食药兼用，既是木本油料、也是生物质能源和水土保持的经济树种[3]。花椒方面的研究现主要集中在果皮、种子和叶的加工利用和新产品开发等方面[4]。但有关花椒树及花椒果皮等组织器官重金属和微量元素方面的研究甚少，如魏刚才等[5]较系统的研究了锰（Mn）、铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、铅（Pb）在河南太行山区花椒、椒皮、椒籽中的含量[6]；郑雅楠等[7]对陕西花椒23种无机及重金属元素含量研究表明，花椒对Pb等重金属本身具有富集作用，多数花椒产区的花椒Pb含量超过香辛料限量标准[8-10]。陕西韩城大红袍花椒中Fe和Mn含量丰富、而 Zn和 Cu含量较少[11]，Fe、Cu、Mn在4个产地花椒中存在差异[12]，辽宁产青花椒和椒目中Cu、Zn、Fe、Mn、铬（Cr）、钴（Co）、镍（Ni）、钒（V）、硒（Se）含量差异较大[13]。此外，有文献研究了Zn、Mn、Fe、Cu、Se、碘（I）、Cr在顶坛花椒中的含量[14]及凤县等花椒及土壤中微量元素含量分析[11-15]。

花椒可食用部分包括叶和果皮，上述花椒重金属和微量元素研究包括花椒果、果皮和种子，但未涉及到花椒叶。花椒林地土壤中的重金属由根系吸收后逐步输送或积累至枝皮、叶、果皮和种子，因而进行重金属元素在花椒“枝皮—叶—果皮—种子”中的分布规律研究，能够揭示花椒叶和果皮中重金属含量与花椒枝皮中含量的关系。重金属包括对人体有毒的砷（As）、Pb、镉（Cd）、汞（Hg）、Cr，必须元素钾（K）、钙（Ca）、钠（Na）、镁（Mg）、Fe、Cu、Zn 等[7]。因此，本研究选择陕西省主要花椒产地有代表性的花椒林，采集土壤及花椒鲜果、枝条皮层和叶，分析As、Pb、Cd、Hg、Cr、Cu在花椒树体不同部位的含量和分布规律，为花椒安全生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究材料

在陕西省12个花椒主产县（市）各选取1个花椒种植村（如表1）进行取样地选取，其中在渭南市华洲区下李村选取6个花椒取样地，旨在对比同一地区不同的管理模式下花椒园的产出情况，其他县（市）种植村各选取1个取样地，在每个取样地选取面积不小于33 hm2成片花椒林地取样，共17个取样地。于2017年7月下旬，采用5点法在每块样地中设置5个样方，在每样方内花椒树4个方位剪花椒枝条剥取枝皮0.2 kg，采摘鲜花椒叶0.5 kg、花椒果实0.5 kg；再将5个样方相同样全部混合均匀，风干、去杂，将果实的果皮与种子分离，各称重0.5 kg装袋标记、待测定。

表 1 采样地概况Table 1 Sampling location

1.2 研究方法

1.2.1 金属元素含量测定

采集花椒枝皮、叶、果皮和种子样品送西北农林科技大学测试中心，采用电耦合等粒子质谱法（ICP-MS）及冷原子吸收分光光度法[12]和原子荧光光谱法[16]，测定各样品的Pb、Cd、Hg、As、Cu、Cr含量。

1.2.2 重金属含量的分布与其相关性分析

按照土壤中 Pb、Cd、Hg、As、Cr、Cu含量变换范围，对样地进行分组，然后利用Excel工作表绘制各元素含量分组分布图、及土壤与果皮中相同元素的线相关关系分析。

1.2.3 数据处理与分析

据前期研究结果发现，上述采样地土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cr、Cu 平均含量（23.229±7.275）、（0.874±1.710）、（0.133±0.144）、（12.094±1.058）、（65.876±6.006）、（21.888±2.888）mg/kg。按公式（1）～（6）计算花椒各组织重金属含量平均数（Xi）、富集系数（BCF）、花椒枝皮中金属至其他组织的转运系数（BTF*）、花椒组织中重金属占相同量土壤中重金属含量的比率、重金属在土壤及花椒各组织中的分布比例、倍数值。

式中：j为采样地数；i为重金属含量；Yi为各样地土壤重金属含量；Xi为各样地花椒组织重金属含量；X1i为花椒枝皮中重金属含量的平均值；Xni为花椒其他各组织中重金属含量的平均值。

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2 结果与分析

2.1 花椒各器官中6种重金属的含量

2.1.1 花椒枝皮中6种重金属的含量

由表2可知，花椒枝条皮层中Cu、Cr、Pb、Cd的平均含量高，Cd、Cu、Pb的BCF分别为3.579、0.539、0.228。其中，Pb 在 T2～T6、T12含量高。Cd在T6、T15、T16含量高。Hg在6个处理中未检测出，检出的处理中含量均很低。As在 T16、T15、T6、T1含量高，T8～T13含量最低。Cr在 T1～T3、T5、T17含量较高，T8～T13含量最低。Cu在T6含量最高，T1、T4、T5、T17含量最低。可见，花椒枝条皮层对Cd的富集作用明显，对Cu的富集作用较强、对Pb则弱；但T6中Cd含量高达17.70 mg/kg，可能是检测过程中样品被污染所致。此外，在17个花椒枝条皮层样中，除个别外Hg、As含量的变化范围差异较小，除少数试样外其余样地Pb和Cu含量的变化范围差异相对较小，说明花椒枝皮对Hg、AS、Pb和Cu的吸收和积累水平与采样地无关；Cr在枝皮中含量变化范围差异较大的原因除与采样地有关外，也可能与花椒品种有关，但采样时未能对花椒品种进行标注，因而Cr含量和品种间的关系还应进一步研究。

表 2 花椒枝皮中6种重金属的含量Table 2 The content of 6 heavy metals in branch bark of Z. bungeanum mg/kg

2.1.2 花椒叶中6种重金属的含量

由表3可知，在花椒叶中Cu、Cr、Pb含量高，Cd、Cu、Hg 的 BCF 分别为 1.093、0.774、0.338，Hg、 As、 Cu、 Pb 的 BTF*分 别 为 5.000、2.351、1.436、0.410。其中，T14～T15的Pb含量高。Cd仅在T14最高，T1、T2、T17、T3含量相对最低。Hg和As在T14、T16含量相对最高，其余样地除个别外含量变化差异不大。Cr在T2、T17含量最高，其次为T5，其余样地的含量变化差别不大。Cu 在 T8～T13、T6、T3含量相对较高，在 T5、T4、T14含量相对最低。说明花椒叶对Cd富集作用明显、对Cu富集作用较强、对Hg则弱，对Hg、As、Cu积累作用较高，对Pb则甚弱。此外，除少数样地外，其余样地Pb、Cd、Hg和As在花椒叶中含量变化范围较小，Cr、Cu含量变化范围较大，其原因可能与花椒枝皮中的Cr相似。

表 3 花椒叶中6种重金属的含量Table 3 The content of 6 heavy metals in leaf of Z. bungeanum mg/kg

2.1.3 花椒果皮中6种重金属的含量

由表4可知，在花椒果皮与花椒叶中6种重金属含量的变化趋势有相似性，花椒果皮中Cd、Cu平均含量和BCF均较高，As、Hg、Cu的BTF*相对较高。其中，T14～T16的Pb、Cd、Hg含量相对较高。As在 T14～T16、T5、T1，Cr在 T6、T5、T1、T2，Cu在T5、T1含量相对较高。说明，花椒果皮对Cd有较强的富集作用，对As、Hg、Cu有较强的积累作用。此外，除少数采样地中Pb、Cd、As和Cu外，其余样地6种重金属在花椒果皮中含量变化范围均较小。

表 4 花椒果皮中6种重金属的含量Table 4 The content of 6 heavy metals in pericarp of Z. bungeanum mg/kg

续表 4

由表5可知，在花椒种子中Cu平均含量最高，Cr和 Pb次之；Cu和 Cd的 BCF，及 Cu、As及 Cr的 BTF*相对较高。Pb 在 T13～T15，Cd在 T14，Cr在 T15、T13、T17、T2，Cu 在 T14含量较高。说明，花椒种子对Cu及Cd的富集性，对As及Cr吸收和积累作用较强。

表 5 花椒种子中6种重金属的含量Table 5 The content of 6 heavy metals in seed of Z. bungeanum mg/kg

2.2 土壤与花椒各器官重金属含量的相关性分析

2.2.1 花椒Pb、Hg、As含量与土壤的相关性

由图1～3可知，Pb、Hg、As在土壤及花椒枝皮、叶、果皮和种子中含量的变化趋势基本相似，即土壤中的含量高、枝皮中的含量降低、叶中的含量相对增高、果皮和种子中的含量最低。根据3种重金属在17个采样地含量的变化，可将Pb、Hg在各样地含量变化由大到小划分为4组，As划分为3组；所有第1组的含量相对最高、最末1组的含量相对最低（图1a、图2a、图3a）。

图 1 Pb在土壤及花椒各组织中的分布Fig. 1 The Pb distribution in soil and organs of Z. bungeanum

图 2 Hg在土壤及花椒各组织中的分布Fig. 2 The Hg distribution in soil and organs of Z. bungeanum

图 3 As在土壤及花椒各组织中的分布Fig. 3 The As distribution in soil and organs of Z. bungeanum

根据各重金属含量的分组，利用Excel工作表可得到土壤与果皮中相同元素的相关关系（图1b、图2b、图3b）。相关性分析表明，土壤与果皮中Pb、Hg、As含量均表现为正相关，但相关系数As＞Pb＞Hg，土壤与果皮中Hg含量的相关系数仅0.008 3。如排除果皮中Pb含量的奇点值6.910 mg/kg（T14），土壤与果皮中Pb相关系数则略大于As。说明，土壤中Pb、As含量明显影响果皮中的含量，土壤Hg对花椒果皮Hg的含量影响微弱，花椒果皮中Hg的积累近似稳定于平均值（0.007±0.005）mg/kg（如表 4）。

2.2.2 Cd、Cr含量的分布与相关性

依据Cd在各样地含量变化由大到小将其划分为3组，将Cr划分为4组，仍然是第1组含量最高、末一组含量最低。相关性分析表明土壤与花椒果皮Cd和Cr含量呈明显的正相关关系，但相关系数Cd＞Cr（图4～5）。由于部分土壤中未检测出Cd，直接影响了土壤与果皮Cd含量相关性的准确性。

图 4 Cd在土壤及花椒各组织中的分布Fig. 4 The Cd distribution in soil and organs of Z. bungeanum

图 5 Cr在土壤及花椒各组织中的分布Fig. 5 The Cr distribution in soil and organs of Z. bungeanum

2.2.3 花椒Cu含量与土壤的相关性

由图6可知，按照花椒林地土壤与花椒枝皮、叶、果皮、种子中Cu含量，可将17个样地归纳为4组，Cu在各样地与上述5种金属元素的变化规律明显不同，即Cu在土壤含量＞花椒叶和种子＞花椒枝皮＞花椒果皮。土壤与花椒果皮中Cu的含量明显呈正相关，如排除第2组的奇点值6.378 mg/kg，其相关系数更高。

图 6 Cu在土壤及花椒各器官中的分布Fig. 6 The Cu distribution in soil and organs of Z. bungeanum

2.3 土壤与花椒各器官中6种重金属含量的关系

2.3.1 土壤与花椒各器官中6种金属元素含量间的比例

由图7可知，依据土壤中Pb、Cd、Hg、As、Cr、Cu平均含量，可得到土壤与花椒各器官中6种元素间的倍数分布。由于将花椒果皮中6种重金属含量都标准化为1，因此能够清楚地反映了花椒枝皮、叶、果皮和种子对来自土壤的6种重金属积累量间的差异。其中，Pb和Cr倍数值变化均呈递减梯度趋势，花椒叶对Cd的积累或富集性明显，其次是Cu，Hg，Pb。

图 7 土壤及花椒各器官中6种元素含量间的比例Fig. 7 The content ratio of 6 heavy metals in soil and organs of Z. bungeanum

2.3.2 花椒各器官中Pb、Cd、Cr含量占土壤的比率

尽管图7反映了土壤与花椒各器官重金属元素间的分布比例，但仍不直观。由图8可知，由花椒各器官中Pb、Cd、Cr占土壤含量的比率可知，这3种元素在花椒各器官中的比率变化趋势基本相同，Cd在花椒枝皮中的含量达土壤的357.91%、在种子中的含量也达土壤的31.87%，但Pb和Cr在花椒树皮、叶、果皮和种子中明显呈递减梯度分布。说明Cd在花椒各器官中的积累或富集效应明显。

图 8 花椒各器官中Pb、Cd、Cr占土壤含量的比率Fig. 8 The ratio of Pb， Cd and Cr in organs of Z. bungeanum in soil content

由图9可知，在花椒各器官中Hg、As、Cu占土壤含量比率的变化趋势互不相同。其中，Hg在花椒叶中积累的比率较多，As在各器官中的积累比率均很少；但在花椒各器官中Cu含量比率明显较高，说明Cu有积累和富集趋向。

图 9 花椒各器官中Hg、As、Cu占土壤含量的比率Fig. 9 The ratio of Hg， As and Cu in organs of Z. bungeanum in soil content

3 结论与讨论

花椒食用器官包括叶和果皮，花椒叶和果皮的重金属含量与食用安全相关。国标中限量Pb含量 ＜3 mg/kg、 As含 量 ＜0.5 mg/kg、 Hg含 量 ＜0.1 mg/kg、 Cd含 量 ＜0.5 mg/kg、 Cr含 量 ＜1.0 mg/kg[9]，Cu 含量＜50 mg/kg[17]。在本研究中，花椒叶中重金属超标的样地包括，T14～T16的 Pb 含 量 为 3.836～ 12.712 mg/kg， T14～ T16、T4和 T7的 As含量为 0.573～2.030 mg/kg，T14、T16的 Hg含量 为 0.190～ 0.270 mg/kg， T14的Cd含量4.950 mg/kg，Cr在全部样地平均含量为(2.360±1.176) mg/kg；花椒果皮中重金属超标的样地包括，T14、T15的Pb含量为3.020～6.910 mg/kg，T14的 Cd 含量为 2.400 mg/kg，T6、T5、T1、T2的Cr含量为1.020～2.570 mg/kg。虽然上述调查地部分重金属含量超标，但花椒叶和果皮的主要用途是调味料，在食品中添加量0.5%～1%，经食品稀释100～500倍后，花椒中所含的重金属当不会危害人体健康[18]。以上研究结果表明，花椒叶中Pb、As、Hg、Cd含量在部分样地超标，花椒叶中Cr含量几乎在全部样地超标，花椒果皮中Pb、Cd和Cr含量在部分样地超标[15]；为保障花椒生产和食用的安全性，还应继续对花椒产品重金属严重超标的种植地环境进行研究，揭示其原因，为调控和降低重金属含量提供基础。

本研究通过比较土壤与花椒各器官6种重金属含量，揭示出花椒枝皮中富集和积累作用Cd＞Cu＞Pb，花椒叶中 Cd＞Cu＞Hg＞As＞Pb，花椒果皮中 Cd＞As＞Hg＞Cu，花椒种子中 Cu＞Cd；通过分析花椒各器官元素占土壤的比例表明，花椒叶中Cd、Cu、Hg、Pb、As和Cr含量为土壤的109.25%、77.4%、33.83%、9.37%、4.32%、3.58%，果皮中Cd、Cu、Hg、Pb、Cr和As含量为土壤的50.36%、32.07%、4.51%、4.26%%、1.48%、1.27%；比较土壤及花椒各器官中重金属元素含量的比率，同样揭示出花椒叶和果实的积累或富集性Cd＞Cu＞Hg，Pb和Cr在花椒“枝皮—叶—果皮—种子”中呈递减梯度趋势，这类似于顺浓度梯度吸收效应[19]。花椒叶和果皮对Cd、Cu和Hg有明显的吸收、积累和富集特性，对As、Pb和Cr的富集和吸收能力弱，只要土壤不被As、Pb和Cr污染，花椒叶和果实中的含量就应在安全范围内。在本研究中发现少数样地花椒果皮中的Pb、Cd、Cu和As及花椒种子中的Pb、Cd和Cu含量高，多数样地花椒枝皮中Hg、As、Pb和Cu含量变幅较小而Cr含量变幅大，花椒叶中Pb、Cd、Hg和As含量变幅较小而Cr和Cu含量变幅较大。文献报道不同品种的植物对Pb和Cd积累特性不同[20]，因此Cr、Cu、Pb、Cd和As含量变幅大的原因是否与采样地或者花椒品种有关还待深入研究。

植物对土壤中各种元素的吸收方式或途径不同，但植物体各种元素的含量水平或多或少均与土壤中的含量有关[17，21-22]；有文献报道花椒和土壤中重金属含量没有直接关系[6]，笔者认为这可能是在数据处理当中选择的方法不同所致。土壤元素的含量水平与植物中的含量有正相关关系也在其他研究中得到证实，如小麦（Triticum aestivum）和玉米（Zea mays）中Cu、Zn、Pb和Cd含量与土壤有明显的相关关系[23]，积盐、泌盐和避盐植物中Na、Ca、K、Mg含量与土壤环境有关[24]，4种植物与土壤中Pb、Zn、Cu、Cd含量有线性相关关系[25]；高污染区树种对Cr和Pb的生态转化率大于低污染区，同一树种在不同土壤环境中对Cr和Pb的吸滞量也不相同。本研究按照各重金属元素含量变化范围对其进行分组和分析表明，所调查样地土壤与花椒果皮中金属元素含量均有正相关关系，但土壤Cd、As、Cr和Cu水平明显影响果皮中的含量，而土壤Pb和Hg对果皮中的含量影响甚弱。此外，杨桃对重金属Cd元素有很强的富集性，加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）根、根状茎、枝条、叶、花蕾对土壤营养的吸收和积累有明显差别；本研究也表明花椒枝皮、叶、果皮和种子对6种重金属的积累量有差异。因此，上述样地花椒叶和果皮中部分重金属含量超标，是否与花椒不同器官的吸收和积累特性有关还需继续研究。