三七中药材种植产地土壤重金属污染特征及风险评价

黄珍华，沈智达，施辉能，龙光强，邓维萍，范 伟,3① (.云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 6500；.云南农业大学理学院，云南 昆明 6500；3.云南农业大学西南中药材种质创新与利用国家地方联合工程研究中心，云南 昆明 6500)

近年来，中药材重金属污染问题已成为影响我国中药材安全和绿色出口的重要因素之一。据不完全统计，2008—2013年我国中药材镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)、汞(Hg)和铜(Cu)超标率分别为9.66%、26.35%、13.00%、9.32%和16.09%[1]。分析255种中药材重金属的相关文献后发现，药材类型中超标率最高的为草本类，其中，Hg超标率最高，为23.08%；药用部位中超标率最高的为叶类，其中，Pb超标率最高，为37.67%；青藏高原、华南和西南地区是我国中药材重金属残留风险最高的地区[2]。此外，279种中药材重金属检测结果发现，Pb和Cd在大多数中药材中存在较大污染风险，少量食用后可能有非致癌性健康风险[3]。可见，需重视中药材重金属超标的潜在安全风险。

三七(Panaxnotoginseng)为五加科人参属多年生草本植物，以其干燥主根入药，是治疗心脑血管类疾病的重要中药材。当前以三七为原料的中成药品种有520个，年需求量近2万t[4]。云南省是三七道地产区，市售三七药材的95%以上产自云南[4]。同时，云南省是我国主要金属矿区，有色金属矿产资源分布广、种类多、开发利用程度高。矿体赋存及开发过程中废石、尾矿堆存和冶炼烟尘导致云南农田土壤重金属背景值较高，其中，Pb、锌(Zn)、Cu、Cd、铬(Cr)和Hg污染尤为严峻[5-6]。较高的地质背景、连作障碍导致的频繁更换土地以及大量农药、化肥的投入使三七在种植过程中极易受到重金属污染。

目前研究发现，三七种植土壤和植株中Cd、As、Pb、Hg、Cu和Cr 6种重金属均存在不同程度超标，其中，Cd和As相关报道较多[7-11]，但对不同重金属在土壤-三七系统中的整体分布规律和人体健康风险进行系统评估的报道鲜见。因此，对云南省文山州、红河州和昆明市等主要三七种植基地耕层土壤(0～20 cm)、表下层土壤(>20～40 cm)和三七不同部位重金属含量、超标率、危害指数和转运能力等进行系统评价研究。研究结果可为揭示云南三七土壤重金属总体污染特征、药材安全性和科学指导三七安全种植提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

三七土壤和植株样品采集于传统三七产区文山和新产区昆明、蒙自和石屏等地，覆盖面积为41.66 hm2，共布置25个采样地。每个采样地分别采集耕层(0～20 cm)和表下层(>20～40 cm)土壤样品。为使样品更具代表性，将每个采样地分层采集的6个样点土壤样品混合作为1个采样地土壤样品，同时，每个采样地取6株三七，共采集50个土壤样品和150个三七植株样品。采样地具体信息见表1。

表1 采样地信息

土壤样品经自然风干后，剔除样品中枯枝落叶、碎石和有机残渣，采用木质工具碾碎，分别过0.85和0.15 mm孔径尼龙筛，待测。三七植株经自来水和去离子水冲洗干净后，分成主根、须根、芦头、茎和叶5个部位，在110 ℃条件下杀青30 min后于60 ℃条件下烘干24 h至恒重，并采用玛瑙研钵磨碎后置于自封袋中保存，待测。

1.2 重金属含量测定

采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法对土壤和植物样品Cd、As、Pb、Hg、Cu、Cr、Ni和Zn进行检测。仪器参数：射频功率为1 400 W，冷却气(氩气)流速为13.02 L·min-1，辅助气(氩气)流速为0.64 L·min-1，雾化气流速为0.97 L·min-1，进样泵转速为30 L·min-1，数据采集方式为跳峰，扫描次数为3次[12]。

标准品溶液制备：分别量取适量各元素标准溶液，采用w=10%硝酸稀释成0.25、0.5、1、10 μg·mL-1溶液作为标准品贮备液。然后，精密量取标准品贮备液适量，采用w=5%硝酸稀释成Cd质量浓度为0、0.5、2.5、5、10和25 ng·mL-1，As和Pb质量浓度为0、1、5、10、20和50 ng·mL-1，Cr、Ni、Zn和Cu质量浓度为0、10、50、100、200和500 ng·mL-1的系列溶液。另量取适量Hg标准品贮备液，采用w=10%硝酸稀释成0、0.2、0.5、1、2和3 ng·mL-1的系列溶液(需临用新制)。

内标溶液制备：精密量取锗(Ge)、铟(In)和铋(Bi)单元素标准液适量，加水稀释成质量浓度均为20 ng·mL-1的混合溶液作为内标溶液，测定时在线加入内标溶液。

供试品溶液制备：精密称取样品0.3 g置于微波消解管中，加入6 mLw=65%硝酸，待反应停止后加入2 mL双氧水密闭进行微波消解，消解结束冷却后，将消解液转入50 mL容量瓶中，用水洗涤消煮管3次，合并洗涤液于容量瓶中，加入金元素标准液(1 μg·mL-1)200 μL，加水定容，摇匀后离心，取上清液进行测定。供试品溶液如果超出标准曲线上限，则用水稀释至标准曲线范围内再进行测定。

测定时选取同位素65Cu、75As、52Cr、60Ni和66Zn以72Ge作为内标，111Cd以115In作为内标，202Hg和208Pb 以209Bi作为内标。线性关系、方法检出限、重复性试验和加标回收率试验结果见表2。

表2 基于ICP-MS重金属检测方法的建立

1.3 重金属污染评价方法

1.3.1土壤重金属污染评价方法

土壤重金属限量标准参考GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》。采用单项污染指数(Pi)、内梅罗综合污染指数(NIPI)和潜在生态风险指数(PERI)评估土壤重金属污染水平。Pi主要体现单一重金属元素污染水平，计算公式为Pi=Xi/Si。其中，Pi为重金属i污染指数；Xi为重金属i实测值，mg·kg-1；Si为重金属i评价标准值，mg·kg-1。Pi分级标准：Pi≤0.7，安全(清洁级)；0.73，重度污染[9]。

NIPI考虑了单因素污染指数平均值和最高值，可以综合反映土壤中各种污染物平均污染水平。计算公式为

(1)

式(1)中，INIP为内梅罗综合污染指数；(Ci/Si)max为污染物中污染指数最大值；(Ci/Si)ave为污染指数平均值；Ci为重金属i实测浓度，mg·kg-1；Si为重金属i评价标准值，mg·kg-1。INIP分级标准：INIP≤0.7，安全(清洁级)；0.73，重度污染[7]。

PERI主要基于元素丰度和释放能力的潜在生态风险来评价土壤重金属污染程度，计算公式为

(2)

Eij=Tn，i×Cij，

(3)

Cij=Ci/Cn，i。

(4)

式(2)～(4)中，IPER为潜在生态风险指数；Eij为样点j重金属i单项潜在生态风险指数；Cij为样点j重金属i污染因子；Ci为样品中重金属i实测浓度，mg·kg-1；Cn，i为重金属i背景值，mg·kg-1；n为重金属种类，n=8；Eij为样点j重金属i潜在生态风险指数；Tn，i为重金属i生物毒性反应因子，Cd、As、Pb、Hg、Cu、Cr、Ni和Zn毒性反应因子分别为30、10、5、40、5、2、6和1。Eij分级标准：Eij<40，低风险；40≤Eij<80，中风险；80≤Eij<160，高风险；160≤Eij<320，非常高风险；Eij≥320，极高风险。IPER分级标准：IPER<150，低风险；150≤IPER<300，中风险；300≤IPER<600，高风险；IPER>600，极高风险[9,13]。

1.3.2药材重金属污染评价方法

采用2020版《中国药典》规定的Cd、As、Pb、Hg和Cu限量值(Cd、As、Pb、Hg和Cu分别为1、2、5、0.2和20 mg·kg-1)评价三七主根和芦头中重金属超标率；采用云南省食品安全地方标准DBS 53/029—2020《三七须根》(Cd、As、Pb和Hg分别为0.5、1.0、1.5和0.1 mg·kg-1)和DBS 53/024—2017《干制三七茎叶标准》(Cd、As、Pb和Hg分别为0.5、1.5、2.0和0.1 mg·kg-1)中规定的Cd、As、Pb和Hg限量值评价三七须根、茎和叶中重金属超标率，并采用估计每日摄入量(EDI)、目标危害商(THQ)和危害指数(HI)分析非致癌健康风险。

重金属EDI取决于三七中重金属浓度和消费水平，其计算公式为

(5)

式(5)中，IED为估计每日摄入量，μg·kg-1·d-1；EF为暴露频率，为365 d·a-1；ED为暴露持续时间，为40 a；FIR为三七摄入量，g·人-1·d-1；C为三七重金属浓度，mg·g-1；WAB为平均体重，为64.3 kg〔国家卫生健康委员会发布的《中国居民营养与慢性病状况报告(2020年)》显示，我国18岁及以上男性平均体重为69.6 kg，女性为59.0 kg，平均值即为64.3 kg〕；TA为非致癌物平均暴露时间，d。三七主根和芦头是其主要药用部位，故其FIR值按《中国药典》(2020版)中规定的3～9 g·人-1·d-1计算；三七须根、茎和叶FIR值分别参照DBS 53/029—2020和DBS 53/024—2017规定的每日推荐食用量，均为1 g·人-1·d-1。

THQ被用来估计污染物潜在健康风险，用污染物暴露剂量与参考剂量的比值来表征[14]。采用美国环境保护署(USEPA)开发的HI方法来评估多种元素造成的非致癌效应的总潜在风险，该方法假设同时暴露于几种化学品的亚阈值可能会导致不利的健康影响，其影响程度与亚阈值暴露和可接受暴露的比率之和有关[15]。THQ和HI计算公式分别为

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中，QTH为目标危害商；IH为危害指数；IPTW为每种元素暂定容许周摄入量，μg·kg-1·周-1；DRf为每日参考剂量，μg·kg-1·d-1。当QTH<1时，表示摄入的某种重金属对身体健康没有明显损害；当QTH>1时，表示摄入的某种重金属对身体健康有明显损害。当IH<1时，表示摄入的某几种重金属对身体健康没有明显损害；当IH>1时，表示摄入的某几种重金属对身体健康有明显损害[9]。

1.3.3重金属富集及转运能力评价方法

采用生物富集系数(BCF)和转运系数(TF)评估三七各部位对重金属的富集和迁移能力[16]。由于三七根系主要分布在耕层土壤，故计算BCF时仅采用耕层土壤重金属含量。BCF为三七某器官中某种重金属含量(mg·kg-1)与耕层土壤相应重金属含量(mg·kg-1)的比值；TF为三七地上部分某种重金属含量(mg·kg-1)与三七地下部分相应重金属含量(mg·kg-1)的比值。

1.4 数据分析

采用Excel 2010、SPSS 26.0、Graphpad Prism 8.3和Origin 2021软件进行数据分析和图表制作。显著性分析采用独立样本t检验。

2 结果与分析

2.1 土壤重金属污染评价

2.1.1土壤重金属含量

如表3所示，研究区耕层土壤Cd、As、Pb、Hg、Cu、Cr、Ni和Zn平均含量分别为0.930、42.7、123、1.09、149、359、93.4和179 mg·kg-1，而表下层土壤分别为1.03、41.4、163、1.13、173、516、110和192 mg·kg-1。其中，Cd、Pb、Cu和Cr含量表现为表下层土壤显著高于耕层土壤，而As、Hg和Zn含量无显著差异。

2.1.2土壤重金属污染评价

如表4所示，单项污染指数(Pi)分析结果表明，耕层和表下层土壤中8种重金属污染程度由高到低为Cd>Cu>Cr>Pb>Ni>As>Zn>Hg和Cu>Cd=Cr>Pb>Ni>As>Zn>Hg；综合污染指数(NIPI)分析结果显示，2个土层INIP范围为2～3，均属于中度污染，但表下层土壤污染程度高于耕层土壤。

表3 土壤重金属含量

如表5所示，耕层和表下层土壤样品Cd的Pi值以轻度和重度污染占比最高，轻度污染占比均为40%，重度污染占比分别为32%和36%；耕层土壤样品As的Pi值以清洁级占比最高，为44%，而表下层土壤中清洁级和良好等级占比均为32%；Pb的Pi值以良好和轻度污染占比最高，耕层土壤轻度污染占比为52%，表下层土壤良好和轻度污染占比分别为44%和32%；Hg的Pi值以清洁级和轻度污染占比最高，耕层土壤清洁级占比为44%，表下层土壤清洁级和轻度污染占比均为36%；耕层和表下层土壤Cu和Cr的Pi值以重度污染占比最高，其中，Cu分别为52%和56%，Cr分别为40%和48%；耕层土壤Ni的Pi值以良好和轻度污染占比最高，分别为24%和32%，表下层土壤以良好和重度污染占比最高，均为28%；耕层和表下层土壤Zn的Pi值以清洁级和良好等级占比最高，清洁级占比分别为40%和44%，良好等级占比分别为32%和32%。总体来看，三七土壤中8种重金属污染程度由高到低为Cd>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Zn。

表4 土壤重金属污染指数

表5 不同重金属污染水平的土壤样品比例

如表6所示，耕层土壤各重金属潜在生态风险指数(PERI)由高到低依次为Cd>Hg>Cu>As>Ni>Pb>Cr>Zn，表下层土壤为Cd>Hg>Cu>Pb>Ni>As>Cr>Zn，其中，Cd在2个土层中均最高，PERI均在80～160范围，属于高风险，其他7种重金属PERI均小于40，属于低风险。2个土层综合PERI均在150～300范围，表明研究区土壤重金属潜在生态风险等级均为中风险，且表下层土壤风险高于耕层土壤。

2.2 三七植株重金属污染评价

2.2.1三七植株各部位重金属分布及超标率

如图1所示，三七植株中Cd、As、Pb、Hg、Cu、Cr、Ni和Zn含量范围分别为0.03～1.47、0.04～7.30、0.08～2.55、0～1.07、0.60～136.19、0.10～6.28、0.13～5.58和1.74～110.21 mg·kg-1。但各重金属在三七植株不同部位的含量分布各异，其中，不同部位Cd含量依次为茎>芦头>主根>叶>须根，As含量为茎>叶>芦头>主根>须根，Pb含量为叶>茎>芦头>须根>主根，Hg含量为叶>茎>主根>须根>芦头，Cu含量为叶>芦头>茎>主根>须根，Cr含量为主根>茎>芦头>叶>须根，Ni含量为芦头>茎>主根>叶>须根，Zn含量为叶>茎>芦头>主根>须根。

表6 土壤潜在生态风险指数

箱图上下横线分别表示最大值和最小值，方框表示50%变异区间，方框中横线表示对应指标中位数。

三七各部位均存在不同程度重金属超标现象。其中，主根仅Cd和Hg超标，超标率分别为4.00%和20.00%；芦头Cd、As、Pb、Hg和Cu超标率分别为24.00%、4.00%、20.00%、0.95%和40.00%；须根Cd、As、Pb和Hg分别超标16.00%、4.00%、4.00%和24.00%；茎Cd、As和Hg超标率分别为54.20%、58.30%和79.20%；叶Cd、Pb和Hg超标率分别为12.50%、20.80%和100.00%。

2.2.2三七各部位重金属富集和转运能力

如表7所示，三七各部位对8种重金属的富集系数(BCF)均小于1，其中，主根对不同重金属的BCF依次为Cd>Zn>Hg>Cu>Cr>Ni>As>Pb，须根为Cd>Hg>Cu>Zn>As>Ni>Pb=Cr，芦头为Cd>Zn>Cu>Ni>Hg>Cr>As>Pb，茎为Cd>Zn>Hg>Cu>As>Ni>Cr>Pb，叶为Hg>Zn>Cd>Cu>Pb>As>Ni>Cr。可见，主根、须根、芦头和茎4个部位对Cd的富集能力最强，对Pb最弱；叶对Hg的富集能力最强，对Cr最弱。三七对不同重金属转运系数(TF)由高到低为Hg>Cu>As>Zn>Pb>Cd>Ni>Cr。

表7 三七各部位重金属富集系数(BCF)和转运系数(TF)

2.2.3三七重金属人体健康风险评价

如表8所示，三七主根、芦头、须根、茎和叶5个部位危害指数(HI)值均小于1，表明其含有的重金属对身体健康均无明显损害。但主根HI最大值为0.78，接近1，因此出于药用安全考虑，建议对三七主根的摄入量不要超过《中华人民共和国药典》规定的9 g·人-1·d-1上限。

表8 三七各部位目标危害商(THQ)和危害指数(HI)

2.3 土壤-植株重金属相关性分析

如表9所示，三七中Cd含量与土壤中Cd和Hg含量呈极显著正相关，三七中Hg与土壤中Cd和Hg呈显著正相关，其他各重金属之间相关不显著。这表明Cd和Hg存在协同关系，其在土壤中具有较强的迁移和植株富集能力。

表9 表层土壤与三七药材重金属含量相关性分析

3 讨论

三七种植土壤存在较高的重金属潜在生态风险，其重金属污染程度由高到低为Cd>Cu>Cr>Ni>Pb>As>Hg>Zn(表5～6)。研究表明，文山州三七种植土壤Cd、Cr和Cu污染严重[8]，红河州三七种植土壤As、Cu和Cd污染严重[10]；就全省范围内来看，Cd、As和Cu超标现象最为严重，超标率分别为62.7%、35.3%和64.7%[11]。笔者研究也发现，研究区土壤存在Cd和Cu污染。文山州、昆明市和红河州农田土壤Cd平均含量分别为0.115、0.555和0.373 mg·kg-1[17]，而Cu平均含量分别为43.53、62.630和17.68 mg·kg-1[18-20]，均小于笔者研究中2个土层相应平均值，表明研究区土壤中Cd和Cu可能存在其他外界输入途径。如，Cd矿、Cd和Zn冶炼厂以及含Cd废水、废气和废渣的排放，有机肥和磷肥的常年施用均会导致土壤Cd增加[21-22]，而含Cu农药(如波尔多液等)和化肥(如Cu肥等)的连续施用则会导致土壤Cu增加。此外，笔者研究中3个地区Cr平均含量也高于云南农田土壤平均水平[17]。任顺荣等[23]研究发现，长期施用氮、磷和钾肥容易导致土壤Cr含量超过土壤环境质量标准的自然背景值。谢国雄等[24]发现，土壤Cr含量会随商品有机肥施用年限和施用量增加而增加。就Hg而言，虽然研究区土壤Hg污染程度较轻，但因其毒性很强，其潜在生态风险高于As、Pb、Cu、Cr、Ni和Zn 6种重金属，故研究区土壤Hg污染也需格外引起关注(图1和表5)。综上所述，在选择三七种植地时，需要尤其关注土壤Cd、Cr、Cu和Hg含量。

笔者研究中三七主根、芦头、须根、茎和叶5个部位均存在不同程度重金属超标现象。前人研究[10,25]发现，三七主根存在Cd、As和Cr超标，须根和芦头存在As、Cd、Pb和Cr超标，茎存在As、Cd和Cr超标，而叶存在Pb、Cd、As和Cu超标。与上述研究相比，笔者发现主根、芦头、须根、茎和叶5个部位均存在Cd和Hg超标。三七植株Cd和Hg含量与土壤Cd和Hg含量呈正相关(表9)，这与CHU等[26]研究结果一致，表明Cd和Hg存在协同作用，且在三七植株具有较强的富集能力。另外，三七茎、叶Cd超标情况较严重，但是与Hg、Cu、As、Pb和Zn相比，其转运系数较小，富集系数较大，故三七茎、叶中Cd可能主要来源于根向地上部的转运。与Cd相比，其他重金属转运系数均大于1，且富集系数均小于Cd，说明植株中这些重金属可能主要来源于外界农药化肥的施用和大气沉降。比如，Hg在三七主根、须根和芦头的富集系数均小于0.150，而在茎、叶中的富集系数分别为0.212和0.480，且茎和叶Hg超标率分别为79.2%和100%(表7)。杜桂鑫等[27]研究表明，昆明和蒙自主城区气态总Hg平均浓度分别为(1.2±0.99)和(1.99±3.17) ng·m-3，因此推测三七茎、叶中Hg可能主要来源于大气沉降。另外，三七叶表面积远大于茎，且庞荣丽等[28]研究表明，Hg在茎-叶之间的迁移能力很强，迁移系数高达7.00，这导致三七叶从大气沉降和茎的迁移中富集了更多的Hg。尽管三七各部位存在不同程度重金属超标，但均无健康风险(表8)。值得注意的是，由于三七主要用于治疗心脑血管疾病，消费人群主要集中在中老年，且大多数人不会每天服用三七，故该研究根据365 d·a-1的三七暴露频率(EF)计算的三七目标危害商(QTH)可能会高于实际值。因此，为避免出现健康风险，建议人们在日常生活中只需按相关标准规定量服用三七。

为保障三七药用安全和减少健康风险，种植时应选择大气污染程度较轻的地区，并加强对三七种植地土壤重金属含量的评估，尤其注意土壤Cd、Cr、Cu和Hg含量。此外，合理施用化肥并配施有机肥、减少剧毒农药使用和施用生物源土壤改良剂可以降低重金属在土壤中的生物有效性及在植株中的富集和残留量[29-30]。

4 结论

云南主要三七种植地土壤重金属污染程度由高到低依次为Cd、Cu、Cr、Ni、Pb、As、Hg和Zn，综合污染指数均在2～3之间，属于中度污染，存在中度生态风险；三七主根、须根、芦头和茎对Cd的富集能力最强，而叶对Hg的富集能力最强。在选择三七种植地时，尤其要注意土壤Cd、Cr、Cu和Hg含量。虽然三七不同部位均存在不同程度重金属超标现象，尤其是地上部Hg超标率较高，但均不存在人体健康风险。