我国金银花主产区花和土壤重金属污染特征及风险评价

范丽霞 张丙春 陈 璐 苑学霞 邵明俊 董燕婕 王 磊 赵善仓

(1山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/山东省食品质量与安全检测技术重点实验室，山东 济南 250100；2费县农业农村局，山东 临沂 273400)

金银花(Lonicera japonicaThunb.)，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，Eir为重金属i的潜在生态风险系数；Tir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]；Cif为重金属i的污染系数，Cin为重金属i的测定值，C0i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]

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:

皮肤接触暴露量计算公式如下:

呼吸途径暴露量计算公式如下:

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1×10－6kg·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)；

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:

所有重金属暴露的总风险(RISK)计算公式如下:

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

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]

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(Cif)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(Cif)Table 7 Contamination factors (Cif) of the soils

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

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

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

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

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[33－35]。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[40－42]。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