吳娟娟，朱 斌，史 娟,2，岳思羽,2，劉智峰,2，宋鳳敏,2

(1 陜西理工大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,陜西 漢中 723001；2 陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 漢中 723001)

藥用植物作為中華民族對(duì)抗疾病的有力武器，歷史悠久，長(zhǎng)期以來廣受關(guān)注。我國(guó)具有世界上最豐富的中藥資源，其總數(shù)已達(dá)12 807種，其中植物類藥物11 146種，是世界上最大的藥用植物生產(chǎn)國(guó)[1]。近年來，中藥的養(yǎng)生之道越來越受歡迎，但隨之出現(xiàn)的藥用植物中重金屬超標(biāo)問題也引起了大家的關(guān)注[2-3]。據(jù)報(bào)道，有些中藥中可能含有鉛、鎘、鉻、汞等重金屬，長(zhǎng)期服用會(huì)破壞細(xì)胞的基本功能及新陳代謝，引發(fā)人體機(jī)能損傷[4-6]。而研究表明，種植環(huán)境對(duì)藥用植物的生長(zhǎng)及其體內(nèi)的重金屬含量有直接影響[7-8]，因而研究藥用植物土壤環(huán)境對(duì)藥用植物質(zhì)量控制具有重大意義。

地處秦嶺以南、陜西南部的漢中地區(qū)具有優(yōu)越的地理位置和氣候條件，適宜各類植物生長(zhǎng)，藥用植物資源相當(dāng)豐富，是全國(guó)的傳統(tǒng)中藥產(chǎn)地之一[9]。但漢中地區(qū)藥用植物多為個(gè)人小規(guī)模種植或野生資源，規(guī)范化種植的藥用植物以及符合農(nóng)業(yè)部制定的GAP標(biāo)準(zhǔn)的藥用植物種植基地較少[10]，而GPA標(biāo)準(zhǔn)藥用植物種植基地的條件中對(duì)于藥用植物種植的土壤條件有一定的要求。近年來大多數(shù)研究者更多關(guān)注于各藥用植物質(zhì)量，尤其是對(duì)藥用植物中重金屬含量研究的比較多[11]，對(duì)藥用植物種植地和加工生產(chǎn)地土壤中重金屬的狀況報(bào)道較少。本試驗(yàn)以陜西漢中地區(qū)的藥用植物種植地和加工地土壤及水樣為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)土壤及水樣基本理化性質(zhì)和重金屬含量狀況，以期為漢中地區(qū)藥用植物質(zhì)量控制和GAP基地的建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢中市位于陜西省西南部，北倚秦嶺山脈、南屏巴山山地、漢水橫貫其中，東、北與安康市、西安市、寶雞市接壤，西南與甘肅省、四川省毗鄰，境內(nèi)漢江縱貫東西。地理坐標(biāo)為東經(jīng)105°30′-108°17′，北緯32°09′-33°53′，下轄9縣2區(qū)。全年雨量充沛，氣候溫暖濕潤(rùn)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，全區(qū)總面積約27 246 km2，約占全省土地的13%，適合藥用植物種植與生產(chǎn)[12-13]。

1.2 樣品采集及制備

選擇漢中各縣區(qū)8個(gè)典型藥用植物種植地(S1.漢臺(tái)區(qū)漢王鎮(zhèn)丹參種植地、S2.洋縣牡丹種植地、S3.城固縣元胡種植地、S4.留壩縣西洋參種植地1、S5.留壩縣西洋參種植地2、S6.略陽縣天麻種植地、S7.鎮(zhèn)巴縣大黃種植地、S8.南鄭縣芍藥種植地)和8個(gè)藥用植物加工基地(S9.南鄭綠葉藥材有限公司、S10.洋縣志健藥業(yè)科技有限公司、S11.城固縣白云制藥有限公司、S12.城固天然谷藥業(yè)、S13.城固振華生物科技有限公司、S14.陜西漢江藥業(yè)、S15.陜西漢王藥業(yè)、S16.寧強(qiáng)天洋制藥有限責(zé)任公司)為采樣點(diǎn)，具體采樣點(diǎn)分布見圖1。在每個(gè)藥用植物種植地采用單對(duì)角線取樣法取一個(gè)混合土樣，在藥用植物加工基地外圍下風(fēng)向農(nóng)地中隨機(jī)取1個(gè)土樣，共采集土壤樣品16個(gè)。在S9、S11、S12和S16 4個(gè)藥用植物加工基地外采地表水樣4份。土壤樣品鋪于塑料板，除雜后室內(nèi)自然風(fēng)干，經(jīng)研缽磨細(xì)過孔徑0.147 mm尼龍篩，裝袋備用。水樣經(jīng)定性濾紙過濾后低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土樣和水樣的測(cè)定與分析

1.3.1 理化性質(zhì) 土壤有機(jī)質(zhì)(OM)含量采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化法測(cè)定；pH值(土與水的質(zhì)量比為1∶2.5)采用pH計(jì)(PHS-3C，上海雷磁儀器廠)測(cè)定；總磷(TP)含量測(cè)定采用CaCl2溶液浸提分光光度計(jì)(722E，上海光譜儀器有限公司)法測(cè)定；測(cè)定總氮(TN)含量時(shí)，先采用CaCl2浸提法處理土樣，然后將浸提液在堿性過硫酸鉀條件下經(jīng)高壓消煮，最后用紫外分光光度計(jì)(Cary5000，安捷倫，美國(guó))測(cè)定。水樣pH經(jīng)定性濾紙過濾后采用pH計(jì)測(cè)定。

1.3.2 重金屬含量 按照國(guó)家地質(zhì)試驗(yàn)測(cè)試中心標(biāo)準(zhǔn)Q/GD 001-2002測(cè)定土樣的重金屬含量。稱取0.5000 g土壤樣品，采用硝酸-鹽酸-高氯酸高溫消解后，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，NexION 2000B，PE，美國(guó))測(cè)定消解液中的重金屬(V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb)含量。水樣經(jīng)定性濾紙過濾后直接采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定重金屬(V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb)質(zhì)量濃度。

1.4 藥用植物種植地與生產(chǎn)地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

采用地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)土壤中重金屬污染狀況及存在的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.4.1 地累積指數(shù)法 采用地累積指數(shù)法[14-15]評(píng)價(jià)漢中地區(qū)藥用植物種植和生產(chǎn)地土壤重金屬污染特征，按公式(1)計(jì)算地累積指數(shù)：

(1)

式中：Igeo為地累積指數(shù)；Ci為沉積物中元素i的實(shí)測(cè)含量，mg/kg;Bi為元素i的沉積物背景值，mg/kg，本研究采用陜西省黃棕壤重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)的背景值[16]和土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)[17]；k為常數(shù)，考慮各地巖石或土壤背景值變動(dòng)系數(shù)，本研究中k=1.5。

按照Igeo將污染級(jí)別分為7級(jí)：①Igeo≤0，污染級(jí)別為0級(jí)(表示無污染)；②05，污染級(jí)別為6級(jí)(極強(qiáng)污染)。

1.4.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法由瑞典科學(xué)家 Hankanson[18]提出，該方法將土壤或沉積物中重金屬相對(duì)于背景值的比值與重金屬的生物毒性系數(shù)及生態(tài)效應(yīng)聯(lián)系在一起，來評(píng)價(jià)水體沉積物和土壤重金屬的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)

Ei=Ti×Ai，

(3)

(4)

式中：Ai為土壤中第i種重金屬元素相對(duì)于環(huán)境背景值的污染指數(shù)；Ei為土壤中第i種重金屬元素的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Ti為第i種重金屬元素的毒性響應(yīng)系數(shù)，因?yàn)槟壳瓣P(guān)于Fe、Se的Ti還未見報(bào)道，故本研究?jī)H對(duì)目前文獻(xiàn)中已有研究的V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Pd、Cd 10種元素進(jìn)行分析，其Ti分別為2，2，1，5，5，5，1，10，5，30[19-21]；R為土壤中多種重金屬元素的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)。

生態(tài)污染程度共分為5級(jí)，其中以Ei為基礎(chǔ)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：①Ei<40為輕度污染；②40≤Ei<80為中度污染；③80≤Ei<160為偏重污染；④160≤Ei<320為重度污染；⑤Ei≥320為極重污染。以R為基礎(chǔ)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：①R<150為輕度污染；②150≤R<300為中度污染；③300≤R<600為偏重污染；④600≤R<1 200為重度污染；⑤R≥1 200為極重污染。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016、Origin 9.0、SPSS 22以及Canoco 5等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析并繪圖。應(yīng)用相關(guān)性分析法、冗余分析法(RDA)[22-23]，分析土壤樣品理化性質(zhì)與重金屬的的關(guān)系；基于相關(guān)性分析結(jié)果，采用主成分分析法[24]對(duì)12種重金屬元素的來源進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 藥用植物種植地與生產(chǎn)地土壤理化性質(zhì)與重金屬含量

2.1.1 土壤理化性質(zhì) 土壤pH值會(huì)影響土壤中各種重金屬元素的形態(tài)分布狀況和重金屬元素的生物有效性[25]。由表1可見，所采樣點(diǎn)土壤pH值在5.39～8.39，平均值為7.43，其中樣點(diǎn)鎮(zhèn)巴縣大黃種植地(S7)和南鄭縣芍藥種植地(S8)土樣的pH值均較小，分別為5.56和5.39，說明這2個(gè)藥用植物種植地土壤偏酸性。

表1 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soil in planting and production area of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

由表1可見，研究地區(qū)土壤OM含量為20.06～315.00 g/kg，平均值為145.53 g/kg，其中留壩縣西洋參種植地1(S4)OM含量最高，南鄭縣芍藥種植地(S8)土壤OM含量最低。

土壤中的總磷(TP)、總氮(TN)的含量影響土壤的肥力水平，肥力水平越高，植物產(chǎn)量越高[26]。由表1可見，研究區(qū)土壤TP含量為0.07～6.68 mg/kg，平均值為1.76 mg/kg，其中城固縣白云制藥有限公司(S11)土樣的TP含量最大，陜西漢江藥業(yè)(S14)TP含量最小。研究區(qū)TN含量為27.02～109.75 mg/kg，平均值為68.01 mg/kg，其中寧強(qiáng)天洋制藥有限責(zé)任公司(S16)土樣TN含量最小，南鄭綠葉藥材有限公司(S9)土樣TN含量最大。

綜上可知，8個(gè)藥用植物種植地的OM、TP和TN的含量有明顯差異，而且8個(gè)種植地所種藥用植物也不同，各種藥用植物對(duì)于土壤的肥力要求也不同。

2.1.2 土壤重金屬含量 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬含量及其總量的測(cè)定結(jié)果如表2和表3所示。

表2 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬含量Table 2 Heavy metal contents in soil of planting and production sites of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

表3 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬總量Table 2 Total soil heavy metals in planting and production areas of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

Se對(duì)人體健康產(chǎn)生著重要影響，土壤中微量Se對(duì)藥用植物的中藥藥性有利，但當(dāng)土壤中的Se含量高于3.00 mg/kg時(shí)，可能會(huì)有Se中毒的風(fēng)險(xiǎn)[27]。表2顯示，南鄭綠葉藥材有限公司(S9)土壤Se含量最高，為1.83 mg/kg，未超過中毒風(fēng)險(xiǎn)值，Se中毒風(fēng)險(xiǎn)較低；略陽縣天麻種植地(S6)土壤Mn、Fe、Zn 3種重金屬含量均最高；城固縣元胡種植地(S3)土壤Cr、Ni和Cu 3種重金屬含量均最高；城固天然谷藥業(yè)(S12)土壤As、Cd和Pb 3種重金屬含量均最高；漢臺(tái)區(qū)漢王鎮(zhèn)丹參種植地(S1)土壤Co含量最高；鎮(zhèn)巴縣大黃種植地(S7)土壤V含量最高。

表2顯示，南鄭縣芍藥種植地(S8)土壤Se含量最低；略陽縣天麻種植地(S6)土壤V、Cr 2種元素含量均最低；洋縣牡丹園種植地(S2)土壤Co、Ni、Cu、Zn和Cd含量均最低；漢臺(tái)區(qū)陜西漢王藥業(yè)有限公司(S15)土壤Mn含量最低，為165.06 mg/kg；在鎮(zhèn)巴縣大黃種植地(S7)土壤Fe含量最低，為7 700.06 mg/kg；漢臺(tái)區(qū)漢江制藥廠(S14)土壤Pb含量最低，為5.16 mg/kg；南鄭綠葉藥材有限公司(S9)土壤As含量最低，為1.48 mg/kg。

由表3可以看出，研究區(qū)Se含量平均值高于當(dāng)?shù)赝寥辣尘爸?，為?dāng)?shù)赝寥辣尘爸档?.79倍；V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb含量平均值分別為當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘俦尘爸档?.21，0.08，0.55，0.40，0.46，0.18，0.09，0.09，0.10，0.43，0.06倍，均未超出當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘俦尘爸?，即未受污染?/p>

土壤重金屬元素含量的最大值與最小值均相差較大，其中Cd含量最大值與最小值相差約236.67倍，其變異系數(shù)最高，達(dá)到了30.77%；其次是V和Zn含量，其最大值與最小值相差11.05和10.25倍，這說明16個(gè)樣地中Cd、V和Zn元素的含量差異很大。這可能與不同樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)及人類活動(dòng)影響有關(guān)[28]。

2.2 藥用植物生產(chǎn)地水樣的pH及重金屬質(zhì)量濃度

采集S9、S11、S12和S16 4個(gè)藥用植物加工生產(chǎn)場(chǎng)地外地表水流，對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)定。其中Cu、Zn、Se、As、Cd、Cr和Pb質(zhì)量濃度采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，標(biāo)準(zhǔn)分別為1.0，1.0，0.05，0.01，0.005，0.05和0.05 mg/L；Ni、V、Fe、Mn和Co質(zhì)量濃度按照集中式生活飲用水地表水源地特定項(xiàng)目限值(GB 3838-2002)評(píng)價(jià)[29]，限值分別0.02，0.05，0.30，0.10和1.00 mg/L。表4顯示，4個(gè)采樣點(diǎn)水樣pH在6.78～7.52，平均值為7.15。

表4 陜西漢中藥用植物生產(chǎn)地水樣pH與重金屬質(zhì)量濃度Table 4 pH and contents of heavy metals in water samples from medicinal plant production area in Hanzhong,Shaanxi

表4還顯示，除了部分采樣點(diǎn)水樣Mn、Fe和Ni質(zhì)量濃度超標(biāo)外，其余9種金屬質(zhì)量濃度均無超標(biāo)現(xiàn)象，其中Zn在4個(gè)樣點(diǎn)中均未檢出，Cu在3個(gè)樣點(diǎn)未檢出，Cr、Cd和Pb也有1～2個(gè)樣點(diǎn)未檢出，說明這些重金屬元素質(zhì)量濃度低于檢出限。S16樣點(diǎn)水樣重金屬M(fèi)n質(zhì)量濃度超過標(biāo)準(zhǔn)限值1.80倍，在S12樣點(diǎn)為0.090 mg/L，接近標(biāo)準(zhǔn)限值0.10 mg/L，其余2個(gè)樣點(diǎn)水樣Mn質(zhì)量濃度均未超標(biāo)。Fe質(zhì)量濃度在S16樣點(diǎn)處超標(biāo)近4倍，其余3個(gè)樣點(diǎn)水樣Fe質(zhì)量濃度均低于標(biāo)準(zhǔn)限值。4個(gè)樣點(diǎn)水樣Ni質(zhì)量濃度均超標(biāo)，其中S12樣點(diǎn)水樣超標(biāo)最多，為標(biāo)準(zhǔn)限值的95.95倍，其次是S11樣點(diǎn)水樣，超標(biāo)65.40倍，S16樣點(diǎn)水樣超標(biāo)11.65倍，S9樣點(diǎn)水樣超標(biāo)1.40倍。4個(gè)水樣點(diǎn)采集點(diǎn)周邊和上游均無其他污染源，說明水體Ni元素的來源與4個(gè)藥用植物加工生產(chǎn)地的三廢排放有一定的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)引起注意。

2.3 藥用植物種植地與生產(chǎn)地土壤重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 地累積指數(shù)法 地累積指數(shù)法在評(píng)價(jià)過程中較側(cè)重于從自然角度評(píng)價(jià)[30]。通過地累積指數(shù)法對(duì)漢中地區(qū)藥用植物種植和生產(chǎn)地土壤重金屬污染程度進(jìn)行分析，12種重金屬的平均Igeo值的箱線圖見圖2。

圖2顯示，土壤重金屬Igeo的平均值由大到小排列如下：Mn(-1.53)>Co(-1.76)>Se(-1.89)>Fe(-1.96)>Cd(-2.94)>V(-3.03)>Ni(-3.11)>As(-3.94)>Cu(-4.18)>Zn(-4.30)>Cr(-4.49)>Pb(-4.66)。

根據(jù)表5可知，除了Cd元素有一個(gè)樣點(diǎn)(S12)土壤為無污染-中污染程度外，其余元素各樣點(diǎn)地累積指數(shù)值均小于0，即未受到污染?？芍诘乩鄯e指數(shù)法的分析結(jié)果與重金屬總量統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

表5 基于地累積指數(shù)法的陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬污染等級(jí)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of heavy metal pollution levels in soils of planting and production areas of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi based on the geo-accumulation index

2.3.2 潛在生態(tài)危害指數(shù)法 潛在生態(tài)危害指數(shù)法考慮了評(píng)價(jià)區(qū)域重金屬污染的敏感性，綜合反映了重金屬對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響潛力[31]。陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)統(tǒng)計(jì)見表6。

表6 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬潛在生態(tài)危害指數(shù)Table 6 Statistics of potential ecological hazard index of soil heavy metals in planting and production areas of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

由表6可知，16個(gè)樣點(diǎn)土壤重金屬呈現(xiàn)出不同程度的生態(tài)危害，其潛在生態(tài)危害總體上均屬于輕度危害。從單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(Ei)可以看出，元素V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd、Pb的Ei均遠(yuǎn)低于40，16個(gè)樣點(diǎn)土壤Ei總值從大到小的順序?yàn)镃d>Co>As>Ni>Mn>Zn>Cu>V>Pb>Cr。從土壤重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(R)可以看出，藥用植物種植地土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大的為鎮(zhèn)巴大黃種植地(S7)，其次是城固縣元胡種植地(S3)，樣點(diǎn)洋縣牡丹園種植地(S2)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最??；藥用植物生產(chǎn)地土壤潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大為樣點(diǎn)城固天然谷藥業(yè)(S12)，其次是城固振華生物科技有限公司(S13)；16個(gè)樣點(diǎn)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)由大到小順序?yàn)椋篠12>S7>S3>S13、S4>S9>S5>S11>S1>S6>S8>S14>S16>S10>S15>S2。同時(shí)可以看出16個(gè)樣點(diǎn)綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)主要的貢獻(xiàn)值來源于Cd元素，其中S12的Cd元素的Ei為≥40～<80，屬于中度生態(tài)污染，這說明研究區(qū)土壤樣品，不論是藥用植物種植地還是生產(chǎn)地外，整體土壤中Cd具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該在今后種植和生產(chǎn)中引起注意。

2.4 藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤理化性質(zhì)對(duì)重金屬含量影響

2.4.1 土壤重金屬元素含量與理化性質(zhì)的相關(guān)性分析 通過土壤重金屬元素間以及其與理化性質(zhì)相關(guān)性分析可以確定土壤中重金屬的來源和其含量變化的控制因素，元素之間相關(guān)性越顯著，表明其來源途徑越接近[32]。本研究對(duì)漢中地區(qū)藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤中V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Pb和pH、OM、TP以及TN相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

表7 陜西漢中藥用植物種植和生產(chǎn)地土壤重金屬含量與理化性質(zhì)之間的相關(guān)系數(shù)Table 7 Correlation coefficients between soil heavy metal contents and physical and chemical properties of planting and producton areas of Hanzhong,Shaanxi

由表7可見，土壤中重金屬元素含量與理化性質(zhì)關(guān)系密切。Co與Mn、Fe之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，Mn與Fe、Zn，Cu與Co、Zn之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，Mn與Cu、Ni，Zn與Fe、Co、Ni，Cu與Fe呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。Cd與As呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明這些重金屬元素有著相同的背景來源。V與pH呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說明在酸性土壤中，該地區(qū)V含量較高。

2.4.2 土壤理化性質(zhì)與土壤重金屬含量冗余分析 影響沉積物中重金屬分布的環(huán)境因素很多，采用冗余分析法(RDA)對(duì)影響重金屬分布的環(huán)境變量進(jìn)行研究?？紤]的環(huán)境變量包括土壤樣品的pH及OM、TP和TN含量。在RDA結(jié)果中，環(huán)境變量和重金屬之間的角度反映了它們的相關(guān)性，箭頭長(zhǎng)度代表其特征向量的長(zhǎng)度，連線越長(zhǎng)，余弦值的絕對(duì)值越大，說明影響越大，反之則影響越小[33]。如圖3所示，pH的箭頭最長(zhǎng)，因此pH對(duì)重金屬的影響最大。pH與V、Fe、Mn、Co、As和Cd之間呈負(fù)相關(guān)，與相關(guān)性分析結(jié)果一致，可知土壤酸性越強(qiáng)，重金屬含量越大。OM和TP對(duì)重金屬含量影響次之，其中土壤OM能與重金屬元素形成絡(luò)合物，從而影響土壤中重金屬元素的移動(dòng)性及其生物有效性。土壤TN對(duì)重金屬含量影響最小。

2.4.3 土壤重金屬主成分分析 不同的地質(zhì)背景和環(huán)境條件下土壤中重金屬來源存在差異[34]。為進(jìn)一步確定研究區(qū)重金屬污染來源，基于相關(guān)性分析結(jié)果，通過降低觀測(cè)空間的維數(shù)，對(duì)12種重金屬元素進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果如表8所示。

表8 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬的主成分分析Table 8 Principal component analysis of heavy metals in soil samples from planting and production areas of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

由表8可知，主成分提取到4個(gè)特征值大于1的成分，其累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到76.244%，因此本研究對(duì)這4個(gè)主成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表9。由表9可知，第1主成分(PC1)中的Mn、Fe、Co、Cu、Ni和Zn為主要影響元素，這6種重金屬元素之間呈顯著或極顯著相關(guān)性，則可知這些元素的來源途徑相似，且這6種元素變異系數(shù)很小，因而沒有顯著的人為貢獻(xiàn)，即其來源于成土母質(zhì)以及自然積累。第2主成分(PC2)中，V、As和Cd為主要影響元素，V與pH之間呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，Cd與As之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而且Cd元素變異系數(shù)較大，可知這3種重金屬而受環(huán)境因素的影響較大。第3主成分(PC3)中，Pb為主要影響因素，除了成土母質(zhì)外，Pb與局地大氣沉降和工業(yè)廢水等排放相關(guān)，考慮到多土壤樣品采自于制藥廠等工廠位置，因而大氣沉降和工業(yè)廢水排放成為V、As、Cd和Pb的主要來源。第4主成分(PC4)中，Se為主要影響因素，因Se的含量超過土壤背景值3～8倍，但未超過富硒土壤的最高限值，推測(cè)Se含量受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)富硒肥料的使用影響較大。

表9 陜西漢中藥用植物種植與生產(chǎn)地土壤重金屬初始因子載荷矩陣Table 9 Initial factor loading matrix of heavy metals in soil of planting and production areas of medicinal plants in Hanzhong,Shaanxi

3 結(jié) 論

1)除了Se之外，V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb 11種金屬元素含量均低于當(dāng)?shù)赝寥乐亟饘俦尘爸?，但Se含量最大值未超過土壤中Se含量最高限值(3.0 mg/kg)，可知研究區(qū)重金屬含量無超標(biāo)現(xiàn)象。

2)地累積指數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)域中只有Cd元素在一個(gè)樣點(diǎn)(S12)土壤Igeo值為0～1，為無污染-中污染程度；其余元素在各樣點(diǎn)Igeo值均小于0，即未受到污染。潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)價(jià)顯示，研究區(qū)Cd的Ei最大，Cr最小，說明研究區(qū)土壤存在一定的Cd污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；16個(gè)樣點(diǎn)中， S12樣點(diǎn)土壤重金屬的綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(R)最大，S2樣點(diǎn)土壤重金屬R最小?？芍芯繀^(qū)重金屬總體潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低。

3)冗余分析結(jié)果顯示，土壤pH對(duì)重金屬的影響最大，OM和TP的影響次之，土壤TN的影響最小。由相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果可知，研究區(qū)土壤中V、As、Cd和Pb的來源與大氣沉降和廢水排放相關(guān)，Mn、Fe、Co、Zn、Ni和Cu主要源于成土母質(zhì)以及自然積累，Se的來源主要與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)活動(dòng)作用相關(guān)。

4)漢中地區(qū)藥用植物種植與生產(chǎn)地環(huán)境中重金屬元素總體呈無污染或輕微低污染狀態(tài)，適合藥用種植與生產(chǎn)，但在今后的種植和生產(chǎn)中注意對(duì)土壤 Cd 元素的污染控制，降低土壤重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。