柳文廣

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福建 福州 350013)

前 言

畬族是我國一個古老的少數(shù)民族，多居住于我國東南部的山區(qū)中，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，冬暖春早，無霜期長，雨量充沛，自然條件有利于藥用植物生長繁殖。畬族藥用植物種類繁多，資源豐富，畬藥研究團隊曾收集畬藥1600個品種，病名450個、處方1016個[1]，其中常用畬藥植物520種，主要分布在我國東南部海拔200～1500 m，畬族特有藥用植物11種，分屬于144個科，312個屬、494種、2個亞種、17個變種、3個類型和1個栽培變種。

中華畬藥種植培育基地位于寧德市北山村，背靠“八仙境”和上金貝景區(qū)，蓮花山北坡，海拔130～240 m，奇峰異石林立，生態(tài)環(huán)境優(yōu)美，畬族傳統(tǒng)中草藥資源豐富。2010年以來，利用山地種植30多種中草藥，面積200多畝，同時建立了多達200多種的畬藥盆景培育基地，目前基地實現(xiàn)規(guī)?；N植的中草藥品種主要有牛奶樹、六月雪、黃梔、鐵皮石斛等。

土壤質(zhì)量是指土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，維持生物的生產(chǎn)能力、保護環(huán)境質(zhì)量及促進動植物健康的能力[2]，土壤質(zhì)量無法直接測量，但可通過某些重要影響因子反映其優(yōu)劣[3]。本文從土壤養(yǎng)分與環(huán)境地球化學(xué)兩個可量化的指標上評價土壤質(zhì)量。而中草藥重金屬等微量元素的生物學(xué)作用、生理功能和臨床應(yīng)用研究逐漸成為新的課題。開展中華畬藥種植培育基地的土壤養(yǎng)分和環(huán)境指標含量特征研究，科學(xué)量化土壤地球化學(xué)質(zhì)量，旨在服務(wù)于畬藥的種植培育、臨床功效、開發(fā)利用等研究。在種植培育時，通過研究土壤質(zhì)量、調(diào)節(jié)土壤環(huán)境條件，以改良畬藥的藥理藥性，為我國畬藥事業(yè)的傳承與發(fā)展提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

本次研究選取的樣品有：均勻分布于面積約0.54 km2種植基地的表層土壤樣品10個(圖1)，規(guī)?；N植地的中草藥、茶葉等農(nóng)作物7個，配套根際土壤樣品7個，采樣時間安排在無風(fēng)晴天，避開病蟲害及農(nóng)藥化肥施用期，農(nóng)作物為生長成熟期。

1.1 采樣背景

1.1.1地質(zhì)背景 主要發(fā)育早白堊世肉紅色少斑中細粒正長花崗巖(K1Mξγ)，巖石風(fēng)化強烈，風(fēng)化帶厚度大于2 m。據(jù)1∶25萬福州市幅區(qū)調(diào)報告：屬瑪坑超單元寧德巖體，巖石主要由鉀長石(45～55%)、斜長石(15～25%)、石英(25～33%)組成，不含或少含黑云母(0～2%)，瑪坑超單元中Pb的平均含量為32.84×10-6，相比酸性巖維氏值20×10-6較富集，Cr為16.94×10-6，相對略低。

1.1.2土壤類型 耕種黃壤位于低山緩坡地上，黃壤土耕層較深厚，質(zhì)地較粘重，土壤脫硅富鋁化和生物富集兩個過程較弱，土壤粘粒(<0.002 mm)部分的硅鋁率和硅鐵率較高。周邊根際土壤樣品測試結(jié)果：pH為4.46，有機質(zhì)23.7 g·kg-1，全氮1.20 mg·kg-1，全鉀14.30 mg·kg-1，全磷401.75 mg·kg-1，全鐵30.7 mg·kg-1，速效鉀128.63 mg·kg-1，有效磷11.49 mg·kg-1，堿解氮117.58 mg·kg-1。

1.2 樣品布設(shè)與采集方法

1.2.1農(nóng)作物樣品 重金屬的富集達到一定程度不僅降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且嚴重威脅生態(tài)系統(tǒng)和人類的安全[4]。因此本次采集規(guī)?；N植的白牛奶、紅牛奶、滿天星三種代表性的藥用植物進行測試，其中規(guī)模最大的白牛奶選用2個樣品，另在基地周邊環(huán)繞的茶園、果園采集茶葉樣品1個，臍橙1個，蜜柚1個作為對比。

按中草藥種植區(qū)規(guī)模等分三個采樣區(qū)，多點隨機采樣法采集，隨機選擇無檢疫性病蟲害的植株10個以上，摘取果實、葉、根等藥理部位，組合成1個樣品，用清水清洗污物及灰塵，濕重大于2 kg，保鮮袋包裝后當日送達實驗室。茶葉、臍橙和蜜柚則采集茶葉與果實部位，其余方法與中草藥相同。

1.2.2土壤樣品 土壤樣品分為均勻分布的10個樣品和7個根際配套土壤樣品。前者按照網(wǎng)格劃分法等密度采集，即將0.54 km2面積9等分后，以土地利用類型中果園、耕地為重點進行部署，后者與農(nóng)作物采樣點相同。

配套土壤樣品在采樣植株根際附近采集，去除地表雜物，自地表垂直向下20 cm連續(xù)均勻采樣，剔除動植物殘留體、礫石等，將多點采集的子樣等份組合為1個樣品，混合均勻后在日光下曬、晾干，碾壓至自然粒級狀態(tài)，充分過20目尼龍篩，干重大于0.5 kg送至實驗室[5]。均勻分布的土壤樣品采用“S”或“X”型分別采集4～6個子樣后進行等份組合。

1.3 測試方法

1.3.1土壤樣品 樣品性狀為干粉狀，各指標使用的儀器主要有：pH使用pHS-3C酸度計，F(xiàn)使用PXSJ-216離子計，有機質(zhì)、N使用瑞士Mettle-200天平，B、Mo使用光柵攝譜儀，Hg使用XGY-1011A原子熒光光度計，Se、As使用原子熒光光譜儀，Cd、Co使用XSeriesⅡ等離子質(zhì)譜儀，其余元素使用菲利普PW2440 XRF。測試質(zhì)量監(jiān)控pH執(zhí)行LY/T 1239-1999、其余均執(zhí)行DD2005-01的相關(guān)規(guī)定。

1.3.2農(nóng)作物樣品 Hg元素選用的測試儀器為XGY-1011A原子熒光光度計，其余元素采用XSeriesⅡ等離子質(zhì)譜儀，測試質(zhì)量監(jiān)控均執(zhí)行DD2005-03中的相關(guān)規(guī)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 測試結(jié)果

將實驗室測定的結(jié)果統(tǒng)計分析：以各指標平均值為基準，各指標均未偏離±3倍的標準離差范圍，17個土壤樣品和7個農(nóng)作物樣品未出現(xiàn)極端異常，表明采樣代表性良好，測試誤差較小，數(shù)據(jù)可靠，土壤樣品測試成果如表2，農(nóng)作物樣品如表3。

表1 土壤樣品測試成果統(tǒng)計表Tab.1 Result of soil sample test

注：指標均為全量，pH無量綱，其余單位均為mg/kg，下同。

表2 農(nóng)作物樣品測試成果統(tǒng)計表Tab.2 Result of crop sample test

2.2 土壤成分含量特征

2.2.1養(yǎng)分指標 全部土壤樣品的pH值均小于6.5，其中小于5.0的占比82.35%，5.0～6.5之間的占比17.65。將所有樣品的12個養(yǎng)分指標進行計算評價，根據(jù)規(guī)定的分等定級標準，其豐缺等級標準劃分為五級，1～5級分別對應(yīng)豐富、 較豐富、中等、較缺乏和缺乏，評價結(jié)果顯示：有機質(zhì)為總體稍缺(表3)，大量元素中N為適中、P為較缺乏、K為豐富。微量元素Mo、Cu豐富，Se、Zn較豐富，Mn較缺乏，F(xiàn)、B、Fe缺乏。

表3 土壤養(yǎng)分指標分等定級統(tǒng)計表Tab.3 Soil nutrient index grading

注：分等定級標準采用規(guī)范DZ/T 0295-2016。Cu、Zn、F同屬養(yǎng)分與環(huán)境評價指標。

表4 部分二級標準值一覽表Tab.4 List of Some Second Level Standard Values

注：二級標準值采用GB 15618-1995。

2.2.2環(huán)境指標 根據(jù)現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標準的二級標準值(表4)，采用內(nèi)梅羅指數(shù)法計算，評價指標小于1的樣品為一、二等，低于限值，滿足“保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、維護人體健康”的要求。土地利用方式分為耕地和果園兩類，全部為旱地，且pH小于6.5的酸性土壤。

本次采樣有6個土壤樣品位于耕地中，占比35.30%，11個位于園地，占比65.7%。其中耕地部分土壤樣品Cu超限，其中清潔、輕微污染與輕度污染各2個，分別占比11.76%，無中度和重度污染，總體為輕微污染；園地土壤樣品全部為清潔。

Co、V元素未見相關(guān)限制標準，其余Zn、Mn、Ni、As、Cd、Cr、Hg、Pb等指標全部為一等，評價均為清潔。

2.3 土壤質(zhì)量評價

土壤質(zhì)量是指土壤肥力質(zhì)量、土壤環(huán)境質(zhì)量及土壤健康質(zhì)量三方面的綜合量度[2]，其好壞取決于土地利用方式、生態(tài)系統(tǒng)類型、地理位置、土壤類型、以及土壤內(nèi)部各種特征的相互作用。本次采用土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范(DZ/T 0295-2016)，從土壤本身的養(yǎng)分與環(huán)境兩類指標進行評價。

以土地利用現(xiàn)狀圖的圖斑為評價單元，有樣品的圖斑采用圖斑內(nèi)所有樣品含量平均值作為該指標的取值，無樣品的圖斑采用類比法賦值，參照對象為周邊具有相似地質(zhì)背景、土壤成因、土地利用現(xiàn)狀等條件的圖斑。養(yǎng)分評價依照公式①，采用N、P、K指標等級(表3)的權(quán)重之和劃分5個等級(表5)，得出每個評價單元的養(yǎng)分等級。環(huán)境評價采用單指標最差等級賦值法，評價指標同樣劃分為5個等級(表5)。最后在MAPGIS系統(tǒng)中將各評價單元的評價結(jié)果分別進行投影，分別繪制土壤養(yǎng)分地球化學(xué)評價略圖(圖2)和土壤環(huán)境地球化學(xué)評價略圖(圖3)，統(tǒng)計表明：土壤養(yǎng)分評價總體中等，環(huán)境評價總體清潔(表6)。

①

式中：f養(yǎng)—養(yǎng)分評價指數(shù)；ki—N、P、K權(quán)重系數(shù)，分別為0.4、0.4、0.2；fi—單指標等級得分。

表5 土壤養(yǎng)分與環(huán)境等級劃分標準Tab.5 Standard for classification of soil nutrients and environment

注：評價等級標準采用規(guī)范DZ/T 0295-2016。

表6 各等級評價面積占比一覽表Tab.6 List of rating areas of each level

以土壤養(yǎng)分等級和土壤環(huán)境等級為基礎(chǔ)，以環(huán)境評價等級權(quán)重占優(yōu)將兩者疊加分析，按照一定的表達式進行評價[6]，得出各評價單元的土壤質(zhì)量地球化學(xué)綜合等級，在MAPGIS系統(tǒng)中投影后繪制土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價圖(圖4)。統(tǒng)計顯示：研究區(qū)以優(yōu)質(zhì)土壤為主，其次為良好，無劣等土壤(表6)。

2.4 中草藥重金屬富集特征

由于藥用植物中重金屬元素的作用尚無定論，國家并未制定統(tǒng)一的限量標準，本文僅研究中草藥對土壤中重金屬元素的富集作用。植物從土壤中吸收、富集的重金屬，可以用富集系數(shù)來反映植物對重金屬富集程度的高低或富集能力的強弱[7]。富集系數(shù)的計算方法：將每個元素在中草藥中的含量除以土壤中該元素的含量，即為各重金屬的富集系數(shù)。

注：1耕地；2園地；3建設(shè)用地；4林地；5土壤樣品；6農(nóng)作物及根際土壤樣品圖1 研究區(qū)采樣位置圖Fig1 DrawingofSamplingLocationinResearchRegion 注：1較豐富；2中等；3較缺乏；4缺乏圖2 研究區(qū)土壤養(yǎng)分地球化學(xué)評價略圖Fig2 SketchofSoilNutrientGeochemicalAssessmentinResearchRegion 注：1清潔；2輕微污染；3輕度污染；4中度污染圖3 研究區(qū)土壤環(huán)境地球化學(xué)評價略圖Fig3 SketchofSoilEnvironmentalGeochemicalAssessmentinResearchRegion 注：1優(yōu)質(zhì)；2良好；3中等；4差等圖4 研究區(qū)土壤質(zhì)量地球化學(xué)評價略圖Fig4 SketchofSoilQualityGeochemicalAssessmentinResearchRegion

表7 農(nóng)作物重金屬含量一覽表Tab.7 Crop Heavy Metal Content List

2.4.1重金屬含量特征 測試結(jié)果顯示(表7)：①各重金屬含量中草藥普遍最高，茶葉其次，水果中最低，且中草藥多高出水果10倍。②Hg含量均為最低，中草藥、茶葉為(3～6)×10-9，而水果均小于0.5×10-9。③中草藥滿天星的重金屬含量普遍高于白牛奶和紅牛奶，尤其是Pb含量高出2～40倍。

2.4.2富集特征 計算結(jié)果顯示(表8)，土壤中6種重金屬元素在農(nóng)作物中的富集系數(shù)由高到低為：茶葉、水果：Cd>Hg(Se)>Se(Hg)>Cr>Pb>As；中草藥：Cd>Se(Pb)>Pb(Se)>Hg>Cr>As。

與水果、茶葉相比，中草藥重金屬富集程度主要呈現(xiàn)以下特征：①中草藥各重金屬富集普遍最高，茶葉其次，水果中最低。②Cd富集均為最高，As均為最低，但不同類型作物相差較大。其中Cd中草藥為2～8，茶葉其次，水果僅0.1～0.3；As中草藥(3～10)×10-3，茶葉其次，水果僅(0.4～0.6)×10-3。③除Cd和As外，其他元素富集系數(shù)相差較大，中草藥多為0.02～0.20，水果多為0.001～0.03。④富集系數(shù)超過1的僅有中草藥中的Cd元素。

表8 土壤重金屬元素在農(nóng)作物中的富集系數(shù)Tab.8 Enrichment Coefficient of Soil Heavy Metal Element in Crops

2.4.3富集因素分析 從生物地球化學(xué)角度看，植物中重金屬元素的積累，與元素的地球化學(xué)分布、遷移、地質(zhì)背景及土壤母質(zhì)的化學(xué)成分、性質(zhì)有關(guān)[7]。中草藥Cd元素的富集系數(shù)均大于1，表明中草中Cd元素的含量超過土壤中的含量，該元素在植物體內(nèi)具有生物積累作用，且紅牛奶的積累作用大于白牛奶。所有農(nóng)作物的As元素的富集程度均最低，值域小于0.01，表明土壤中的As元素較少進入植物體內(nèi)。

Cd、Pb等重金屬元素是植物體不需要的元素，但許多植物都能從水和土壤中攝取并在體內(nèi)積累，積累量取決于成土母巖含量、根際環(huán)境的元素形態(tài)與植物的吸附能力。土壤中重金屬以水溶態(tài)、交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)及結(jié)晶態(tài)等多種形態(tài)存在，其中水溶態(tài)和可交換態(tài)是普通植物吸收重金屬的主要來源[8]，而影響有效態(tài)含量的環(huán)境條件主要有根際pH、Eh、微生物群系等。如降低pH值可以增加土壤重金屬的溶解與釋放，提高重金屬(Cd、Zn、Ni、Mn、Pb、Cu)的生物有效性，而堿化作用能提高As、Cr、Mo、Se等移動性[9]。氧化還原地位影響著土壤中變價金屬元素如Mn、Hg、Cr、As的溶解與固定，進而影響吸附其表面的其他重金屬生物可利用性，如在缺Fe和Cu條件下，豌豆植物的根系通過專性原生質(zhì)膜結(jié)合的金屬還原酶還原Fe和Cu，增加植物對Fe、Cu、Mn、Mg的吸收[10]，植物對土壤中重金屬元素的吸附主要通過根系完成，其積累作用的適應(yīng)能力也通過根系得以體現(xiàn)，根系的活化與解毒機制決定了植物體內(nèi)重金屬元素的種類、含量高低、吸附能力、遷移速度等[11]。藥用植物根際的固氮菌、解磷菌、鐵細菌和硫細菌等微生物可促進植物轉(zhuǎn)化和吸收各種元素[12]，而改變根際微生物生態(tài)，從而影響根際營養(yǎng)循環(huán)，也可以妨礙植物的生長和發(fā)育[13]，根際微生物群落結(jié)構(gòu)失調(diào)及病原菌數(shù)量增加還能造成藥用植物連作障礙[14]。因此，研究植物的根際土壤環(huán)境條件有助于改良中草藥對重金屬元素的吸附能力，在種植培育上優(yōu)勝劣汰。

3 結(jié) 論

中華畬藥基地土壤總體呈酸性、有機質(zhì)稍缺、N適中、P較缺乏、K豐富，微量元素Mo、Cu豐富，Se、Zn較豐富，Mn較缺乏，F(xiàn)、B、Fe缺乏。養(yǎng)分等級中等，環(huán)境等級清潔，土壤質(zhì)量以優(yōu)質(zhì)為主，無劣等，適宜規(guī)?；N植中草藥，發(fā)展優(yōu)勢特色農(nóng)業(yè)，推動“福建省級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)”畬藥的傳承與發(fā)展。

茶葉、水果的富集系數(shù)由高到低為：Cd>Hg(Se)>Se(Hg)>Cr>Pb>As；中草藥：Cd>Se(Pb)>Pb(Se)>Hg>Cr>As。部分重金屬元素在中草藥體內(nèi)的積累量取決于成土母巖含量、根際環(huán)境的元素形態(tài)與植物的吸附能力，研究土壤質(zhì)量與根際pH、Eh、微生物群系等環(huán)境條件，在中草藥種植培育時可達到減少中草藥重金屬元素含量的目的。

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