吳涵，何忠俊*，孟溪，陸春圍，梁社往

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明 650201）

三七[Panax notoginseng（Bruk）F.H.Chen]為五加科人參屬多年生草本植物，始載于《本草綱目》，是我國享譽(yù)中外的傳統(tǒng)名貴中藥材，素有“金不換”、“南國神草”之美譽(yù)，三七具有止血、活血化瘀、抗疲勞、抗衰老、耐缺氧、降血糖和提高機(jī)體免疫力等功效，人們對三七功用的認(rèn)識也從活血化瘀、消腫定痛延伸到整個心腦血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、代謝系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。云南文山州是公認(rèn)的三七道地產(chǎn)區(qū)，由于三七嚴(yán)重的連作障礙，文山州適合種植三七的地塊越來越少，三七種植區(qū)開始向周邊其他州市轉(zhuǎn)移[2]。目前，在云南除怒江、迪慶州和昭通外，其余13個州市均有三七種植。

近年來，隨著采礦區(qū)域的無序擴(kuò)張以及含重金屬農(nóng)藥的大量使用，三七種植區(qū)土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，已對三七藥材安全及國際貿(mào)易產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2]。林龍勇等[3]研究發(fā)現(xiàn)云南文山三七種植區(qū)的土壤重金屬污染問題較為嚴(yán)重，其中Cd、Cr、Cu 的超標(biāo)率高達(dá)75.0%、38.0%、50.0%。閆秀蘭等[4]發(fā)現(xiàn)文山三七種植區(qū)土壤中As 含量的超標(biāo)率占樣品總數(shù)的48.0%。韓小麗等[5]對多種中藥材的污染現(xiàn)狀進(jìn)行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)三七中Cd 的超標(biāo)率為50.0%、Cu 為25.0%、Pb 為5.70%、As 為12.7%，并且結(jié)果表明在其所研究的多產(chǎn)地多種藥材中Cd超標(biāo)最為嚴(yán)重。然而目前關(guān)于三七中重金屬的研究僅限于土壤和三七藥材或“土壤-三七”系統(tǒng)，而缺乏對“土壤-三七-人體”進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。本文對云南三七種植區(qū)土壤的重金屬污染狀況，三七中的重金屬特征及其對人體造成的健康風(fēng)險進(jìn)行系統(tǒng)性研究，以期為三七種植地的選擇和安全性評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省地勢為西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降。氣候基本屬于亞熱帶高原季風(fēng)型，立體氣候顯著，干濕分明，每年5—10 月為雨季，雨季集中了85.0%的降雨量，旱季則為11 月至次年4 月，降雨較少，僅占全年降雨量的15%。云南中藥材種植面積和產(chǎn)量連年保持全國第一位，其中以三七面積和產(chǎn)量最高。云南地質(zhì)現(xiàn)象種類繁多，成礦條件優(yōu)越，礦產(chǎn)資源極其豐富，被譽(yù)為“有色金屬王國”，因此云南省的重金屬地質(zhì)背景較高。

1.2 樣品的采集與制備

根據(jù)云南三七種植面積布置樣點，最少布置4 個樣點，采集3年生三七樣品及對應(yīng)的土壤樣品共60個（圖1），其中文山州18 個樣點、紅河州10 個樣點、大理市4 個樣點、保山市4 個樣點、玉溪市7 個樣點、昆明市6 個樣點、曲靖市11 個樣點。土壤、植物樣品采用隨機(jī)多點采樣法，土壤采樣深度為0~20 cm。將土壤自然風(fēng)干后，挑出植物殘體，過0.149 mm 篩，裝入自封袋備用。三七植株帶回實驗室，先用自來水沖洗、其次用滴加洗潔精的自來水清洗、再用含1%檸檬酸的蒸餾水漂洗，以去除表面的泥土和附著的重金屬，最后用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。將三七攤開晾去附著的水分后分為莖葉、蘆頭、塊根、筋條、須根5 個部位，60 ℃烘干，粉碎過100 目篩，裝入自封袋備用。

圖1 采樣點示意圖Figure 1 Distribution of sampling points

現(xiàn)場測定經(jīng)度、緯度、海拔，氣象資料來自中國醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院藥用植物研究所TCM-GIS系統(tǒng)。

1.3 樣品測定方法

土壤Cd、Pb 總含量根據(jù)《土壤質(zhì)量 鉛、鎘的測定 石墨爐原子吸收分光光度法》（GB/T 17141—1997）測定，土壤Cu、Zn 總量根據(jù)《土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定 火焰原子吸收分光光度法》（HJ 491—2019）測定，土壤As 含量采用《土壤和沉積物汞、砷、硒、鉍、銻的測定 微波消解/原子熒光法》（HJ 680—2013）測定。三七中Cu、Zn、Cd、Pb、As 含量采用《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》（GB 5009.268—2016）的第一法——電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP?MS）測定。在分析過程中，采用空白樣、平行樣和國家標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品（GSS-2）進(jìn)行過程質(zhì)量控制，測定平行樣品誤差控制在5%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)樣品中重金屬的加標(biāo)回收率在93.4%~104.5%之間，滿足質(zhì)量控制要求。

1.4 土壤重金屬污染評價方法

（1）單項污染指數(shù)法

單項污染指數(shù)是一種評價土壤污染程度的無量綱指數(shù)，可反映超標(biāo)倍數(shù)和污染程度，計算公式為：

式中：Pi為土壤中重金屬的單項污染指數(shù)；Ci為土壤中重金屬i的實測值，mg·kg?1，Si為《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中農(nóng)用地土壤污染管控中的土壤重金屬風(fēng)險篩選值，mg·kg?1。Pi≤0.7 表示土壤清潔；0.73 表示土壤有重度污染。而且當(dāng)Pi的數(shù)值越大，土壤的污染程度越嚴(yán)重。

（2）內(nèi)梅羅指數(shù)法

內(nèi)梅羅指數(shù)法（Nemerowindex）是常用的綜合污染評價方法之一，該方法能夠較全面地評價整個區(qū)域土壤重金屬的污染程度[6]，計算公式為：

式中：PC是采樣區(qū)域內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)；Pimax是所有重金屬單項污染指數(shù)最大值；Piave是所有重金屬單項污染指數(shù)的平均值。PC≤0.7 表示土壤清潔；0.73 表示土壤受到重度污染。

1.5 人體健康風(fēng)險評估

本文主要采用美國環(huán)保署（USEPA）提出的健康風(fēng)險評價模型[7-9]，結(jié)合我國人體健康的實際情況，對研究區(qū)三七藥材重金屬引起的人體健康非致癌風(fēng)險與致癌風(fēng)險進(jìn)行評價。其評價模型為：

式中：EDI 表示三七重金屬每日攝入量，mg·kg?1·d?1；EF 為暴露頻率，365 d·a?1；Ed 為暴露持續(xù)時間，為40 a；FIR 為三七攝入量，2020 版《中國藥典》[10]規(guī)定三七每日最大攝入劑量為3~9 g·人?1·d?1，本研究取最大數(shù)據(jù)9 g·人?1·d?1；C 為三七重金屬含量，mg·kg?1；AT 為平均壽命，365×70=25 550 d；W 為人體質(zhì)量，一般按63 kg計算[11]；10?3為將g換算為kg的數(shù)量級比例。HQ是非致癌風(fēng)險指數(shù)；HI 為綜合非致癌風(fēng)險指數(shù)；RFD為每日攝入?yún)⒖加嬃?，USEPA 的技術(shù)報告顯示，Cu、Zn、Cd、Pb、As 的RFD 分別為3×10?4、4×10?2、1×10?3、3.5×10?3、3×10?4mg·kg?1·d?1；n為重金屬種類數(shù)。HQ或HI<1 表明攝入某種或某幾種重金屬無非致癌風(fēng)險；HQ 或HI≥1 表明攝入某種或某幾種重金屬存在非致癌風(fēng)險。CR 代表致癌風(fēng)險指數(shù)；TCR 為綜合致癌風(fēng)險指數(shù)；SF 為致癌物斜率因子，指致癌物對人群終生暴露帶來的致癌風(fēng)險，根據(jù)USEPA 的技術(shù)報告，Cd、Pb、As 的SF 分別為6.1、8.5×10?3、1.5 mg·kg?1·d?1。在USEPA的技術(shù)報告中有Cd、Pb、As的攝入?yún)⒖加嬃亢椭掳┬甭室蜃?，但沒有Cu、Zn 的致癌斜率因子，說明這兩種元素不是致癌物。當(dāng)CR（TCR）≤10?6時，致癌風(fēng)險可以忽略；當(dāng)10?610?4時，致癌風(fēng)險較大[9]。

1.6 聚類分析

本研究采樣點分布相對密集，且人為按照行政區(qū)域進(jìn)行劃分，因此有可能忽略各采樣點之間的關(guān)系，影響分析結(jié)果。故本研究將已測得的數(shù)據(jù)，即經(jīng)度、緯度、濕度、日照（濕度和日照是三七生長周期的平均值）等作為變量，進(jìn)行聚類分析，將其分成4 個片區(qū)。聚類分析的方法為組間聚類法，距離為歐式平方距離。片區(qū)聚類圖見圖2，圖中縱向的縮寫為三七采樣點的年份、地點，如19ws-qb1 代表2019 年文山丘北的采樣點，20ws-qb1 代表2020 年文山丘北的采樣點。

圖2 三七種植地聚類分析圖Figure 2 Cluster analysis of Panax notoginseng plantation

由聚類圖可以看出，從譜系圖橫向數(shù)字10 處的虛線進(jìn)行分區(qū)，聚類分析與行政區(qū)的劃分基本相同，第一片區(qū)為文山片區(qū)，第二片區(qū)為大理?保山片區(qū)，第三片區(qū)為紅河?玉溪片區(qū)，第四片區(qū)為昆明?曲靖片區(qū)。第一片區(qū)中包括了文山州的所有采樣點；第二片區(qū)中包括了大理市和保山市的所有采樣點；第三片區(qū)中包括了紅河州和玉溪市的所有采樣點，還包括了昆明市石林縣的采樣點（19km-sl1）、昆明市晉寧區(qū)的采樣點（19km-jn1）和曲靖市師宗縣的采樣點（19qjsz1）；第四片區(qū)中包括了昆明市和曲靖市的所有采樣點。按生態(tài)氣候劃分更符合實際。

2 結(jié)果與討論

2.1 云南三七種植地土壤重金屬污染評價

2.1.1 土壤重金屬含量

因為采樣區(qū)土壤的pH 范圍在4.17~7.23 之間，所以選取《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中pH<7.5的標(biāo)準(zhǔn)。

三七種植地重金屬分布情況詳見表1，可見60個土壤樣品的重金屬平均含量為Zn>As>Cu>Pb>Cd，其值分別為116、76.5、70.9、49.3、0.87 mg·kg?1，樣品超標(biāo)率最高的是Cd元素，超標(biāo)率為80.0%，其次是As、Cu、Zn 和Pb，超標(biāo)率分別為65.0%、51.7%、10.0%、8.33%，說明云南三七種植區(qū)存在較為嚴(yán)重的Cu、Cd、As 污染問題。變異系數(shù)可以反映區(qū)域重金屬元素的分布差異，種植區(qū)5 種重金屬的變異系數(shù)大小為Pb>Cd>As>Cu>Zn，均屬于中等程度變異（0.10

表1 土壤中重金屬含量（n=60）Table 1 Concentration of heavy metals in soil（n=60）

2.1.2 土壤重金屬污染評價

以《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中的篩選值作為評價標(biāo)準(zhǔn)，云南三七種植區(qū)土壤重金屬單項污染指數(shù)和內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)果見表2。Cu 單項污染中清潔占26.7%、警戒限占21.7%、輕度污染占33.3%、中度污染占11.7%、重度污染占6.6%；Zn 單項污染中清潔占76.7%、警戒限占13.3%、輕度污染占10.0%，沒有中度污染和重度污染；Cd 單項污染中清潔占11.7%、警戒限占8.3%、輕度污染占18.3%、中度污染占21.7%、重度污染占40.0%；Pb 單項污染中清潔占71.7%、警戒限占20.0%、輕度污染占5.0%、中度污染占1.7%、重度污染占1.6%；As 單項污染中清潔占25.0%、警戒限占10.0%、輕度污染占23.3%、中度污染占20.0%、重度污染占21.7%；在Cu、Zn、Cd、Pb、As 5 種重金屬元素中，其污染水平在輕度及其以上的占比分別約為52%、10%、76%、9%、65%。內(nèi)梅羅指數(shù)的平均值為2.70，說明云南三七種植區(qū)土壤整體處于中度污染的水平。有研究表明，傳統(tǒng)產(chǎn)區(qū)文山州及紅河州三七種植區(qū)土壤存在較為嚴(yán)重的Cd、Cu、As的污染[3-4，13]，孫兆帥等[14]研究發(fā)現(xiàn)三七種植土壤Cd、Cu、As 的平均值為0.52、49.44、84.27 mg·kg-1，均高于GB 15618—2018 中的標(biāo)準(zhǔn)值。一般而言，土壤中的Cd來源于成土母質(zhì)及鋅鉛礦的歷史污染[15-16]，使用含有Cu、As 元素的殺菌劑和殺蟲劑會造成土壤中Cu、As 含量的增加[17]。在對云南三七種植區(qū)土壤重金屬污染程度的調(diào)查中，單項污染指數(shù)最大的為Cd，其次是As>Cu>Pb>Zn。GB 15618—2018 中的土壤篩選值使用方法表明，土壤中的重金屬含量超過該值時，農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全、農(nóng)作物的生長或生態(tài)環(huán)境可能存在風(fēng)險。本研究發(fā)現(xiàn)采樣點Cu、Cd、As 3 種元素的超標(biāo)率較高，建議采取改善農(nóng)藝措施、替代種植、種植點遠(yuǎn)離礦山及冶煉廠等安全措施降低Cu、As 的含量[18]。Cd 因為主要來源于成土母質(zhì)，建議施用鈍化劑等方式降低其累積[19]。

表2 各采樣點污染指數(shù)Table 2 Pollution index of each sampling point

分析內(nèi)梅羅指數(shù)可以看出在文山片區(qū)18 個采樣點中屬于清潔水平的樣點有1 個，2 個處于警戒限水平、3 個處于輕度污染水平、5 個處于中度污染水平、7個處于重度污染水平，輕度污染及其以上水平的占比為83%；大理保山片區(qū)8 個采樣點中2 個處于清潔水平、1 個輕度污染、5 個中度污染，沒有警戒限水平和重度污染水平，但是輕度污染及其以上水平的占比也達(dá)到75%，處于一個較高的水平；紅河玉溪片區(qū)20個采樣點中處于警戒限水平的樣點有1 個、9 個處于輕度污染水平、10 個處于重度污染水平，沒有中度污染水平的樣點，輕度污染及其以上水平的占比為95%；昆明曲靖片區(qū)14個采樣點中處于清潔水平的有1個、2 個處于輕度污染水平、6 個處于中度污染水平、5 個處于重度污染水平，沒有處于警戒值的樣點，處于輕度污染及其以上水平的占比為92%。本次調(diào)查云南三七種植區(qū)4 個片區(qū)的污染水平依次為紅河玉溪片區(qū)>昆明曲靖片區(qū)>文山片區(qū)>大理保山片區(qū)。云南省的地理環(huán)境復(fù)雜，各個地方的成土母質(zhì)、質(zhì)地、水質(zhì)、環(huán)境和海拔等地區(qū)的差異[20-22]，導(dǎo)致每個地區(qū)的重金屬污染程度存在一定的差異。

2.2 三七重金屬污染評價

2.2.1 三七塊根和蘆頭中重金屬含量特征

三七以塊根和蘆頭入藥[1]，本研究三七塊根和蘆頭中重金屬的含量見表3。60 個三七樣品塊根中重金屬的平均含量大小為Zn>Cu>As>Pb>Cd，分別為12.5、3.41、0.77、0.49、0.25 mg·kg?1，蘆頭中重金屬的平均含量大小為Zn>Cu>Pb>As>Cd，分別為20.6、7.59、1.50、0.64、0.36 mg·kg?1，總體上蘆頭的重金屬含量高于塊根。本研究對三七重金屬污染的研究主要參照2020 版《中國藥典》，其Cu、Cd、Pb、As 的標(biāo)準(zhǔn)分別為20、1、5、2 mg·kg?1。本研究發(fā)現(xiàn)三七塊根中Cu、Pb 含量均低于標(biāo)準(zhǔn)，Cd、As 的超標(biāo)率分別為1.67%、5.00%。蘆 頭 中Cu、Cd、Pb、As 的 超 標(biāo) 率 分 別 為1.67%、5.00%、3.33%、1.67%。黃珍華等[23]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)三七各部位均存在不同程度的重金屬超標(biāo)現(xiàn)象，塊根中Cd 的超標(biāo)率為4.00%，蘆頭中Cd、As、Pb 和Cu的超標(biāo)率分別為24.0%、4.00%、20.0%和40.0%。趙靜等[24]研究發(fā)現(xiàn)三七塊根中存在Cd、As 超標(biāo)，超標(biāo)率分別為29.7%、32.4%。郭婷等[25]通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)三七根系部位的重金屬含量存在超標(biāo)現(xiàn)象且蘆頭部位高于塊根部位。于冰冰[26]研究發(fā)現(xiàn)，不同的植物對重金屬元素具有不同的吸收和累積特性，植株不同的器官對不同重金屬也有不同的吸收特征，這可能是造成三七塊根、蘆頭中重金屬元素含量差異的原因。王朝梁等[27]調(diào)查發(fā)現(xiàn)三七中的Cu、Zn 含量偏高，其余指標(biāo)處于正常范圍。馮光泉等[2]通過對三七和栽培土壤中重金屬元素的調(diào)查發(fā)現(xiàn)As的超標(biāo)率為14.5%，認(rèn)為殺菌劑和退菌特等農(nóng)藥的施用造成了As元素的超標(biāo)。本研究的結(jié)果與前人一致，蘆頭中的超標(biāo)率高于塊根部位，各重金屬元素有不同的超標(biāo)現(xiàn)象。

2.2.2 三七重金屬風(fēng)險評價

如表4 所示，從單一元素來看，塊根和蘆頭中的Zn、Cd、Pb、As 的非致癌風(fēng)險指數(shù)均小于1，但是Cu在蘆頭中的非致癌風(fēng)險指數(shù)高達(dá)2.07，在塊根中也達(dá)0.93，趨近于1。從單元素來看，塊根和蘆頭中的綜合非致癌風(fēng)險指數(shù)分別為1.20 和2.33，說明可能存在由重金屬引起的綜合非致癌風(fēng)險。塊根和蘆頭中Cd 的致癌風(fēng)險指數(shù)均大于1×10?4，存在致癌風(fēng)險，Pb、As 的致癌風(fēng)險指數(shù)均小于1×10?4，不存在致癌風(fēng)險。從多元素來看塊根和蘆頭的綜合致癌指數(shù)為2.21×10?4、2.39×10?4，均大于限量標(biāo)準(zhǔn)，說明食用塊根和蘆頭存在致癌風(fēng)險。對于塊根和蘆頭，不同重金屬元素對人體健康風(fēng)險的貢獻(xiàn)相似。非致癌風(fēng)險指數(shù)的主要貢獻(xiàn)因子為Cu 和As，塊根中的貢獻(xiàn)率分別為77.5%、17.5%，蘆頭中的貢獻(xiàn)率分別為88.8%、6.88%。蘆頭和塊根中重金屬元素致癌風(fēng)險指數(shù)的貢獻(xiàn)率大小均為Cd>As>Pb，其中最大為蘆頭中的Cd，貢獻(xiàn)率為69.4%。Huang 等[28]研究發(fā)現(xiàn)消費者食用三七存在潛在的健康風(fēng)險。林龍勇等[3]的研究結(jié)果也表明，種植區(qū)三七也存在較高的Pb、Cd 攝入風(fēng)險。綜合本研究結(jié)果，提示食用三七存在潛在的重金屬攝入風(fēng)險，長期攝入會引發(fā)一系列急慢性中毒反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)控制三七的攝入量或以提取藥效成分服用。但由于三七是保健用品非主要膳食，因此按《中國藥典》規(guī)定食用即可。

表4 三七中不同重金屬的致癌和非致癌風(fēng)險指數(shù)及貢獻(xiàn)率Table 4 Carcinogenic and non-carcinogenic risk indexes and contribution rates of different heavy metals in Panax notoginseng

通過圖3 可以看出，在大理保山片區(qū)和文山片區(qū)，塊根部位中的Cu 的非致癌風(fēng)險指數(shù)均大于1，且大理保山片區(qū)>文山片區(qū)。Cd 元素的致癌風(fēng)險指數(shù)為昆明曲靖片區(qū)最高，As 元素僅在昆明曲靖片區(qū)存在致癌風(fēng)險。由圖4 可以看出，在4 個片區(qū)中，蘆頭部位的Cu 元素的非致癌風(fēng)險指數(shù)均大于1，且文山片區(qū)>大理保山片區(qū)>紅河玉溪片區(qū)>昆明曲靖片區(qū)。4 個片區(qū)中Cd 元素的致癌風(fēng)險指數(shù)大于1×10?4，表現(xiàn)為昆明曲靖片區(qū)>紅河玉溪片區(qū)>文山片區(qū)>大理保山片區(qū)。

圖3 云南4個片區(qū)三七塊根中非致癌指數(shù)和致癌指數(shù)Figure 3 Non-carcinogenic index and carcinogenic index of Panax notoginseng root tuber in four area of Yunnan

圖4 云南4個片區(qū)三七蘆頭中非致癌指數(shù)和致癌指數(shù)Figure 4 Non-carcinogenic index and carcinogenic index of Panax notoginseng rhizoma in four area of Yunnan

3 結(jié)論

（1）云南三七種植區(qū)土壤處于中度污染的水平，并且已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的Cu、Cd、As 污染問題，4個種植片區(qū)的污染水平依次為紅河玉溪片區(qū)>昆明曲靖片區(qū)>文山片區(qū)>大理保山片區(qū)。

（2）三七塊根部位中的Cu、Pb 含量低于限量標(biāo)準(zhǔn)，Cd、As含量超標(biāo)。蘆頭部位中的Cu、Cd、Pb、As含量均超標(biāo)，且蘆頭部位的污染程度高于塊根部位。

（3）塊根和蘆頭兩個部位的綜合非致癌風(fēng)險指數(shù)均大于1，主要的貢獻(xiàn)因子為Cu、As 兩種元素；綜合致癌風(fēng)險指數(shù)大于1×10?4，主要貢獻(xiàn)因子為Cd、As 兩種元素。食用三七塊根和蘆頭存在潛在的健康風(fēng)險。