ABSTRACT

Zhaotong is one of the earliest areas for artificial cultivation of Gastrodia elata in China and an important producing area of Gastrodia elata in China. This study from Zhaotong of Yunnan area four planting base (mark, male, YanJin, YiLiang town) to collect soil samples, using inductively coupled plasma emission spectrometry to soil samples As, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni were determined. The results show that heavy metal element content in different planting base difference to be markedly, the overall performance of heavy metal content is higher than the roots of heavy metal content; on the surface of principal component analysis shows that the factor loading quantity in the main composition of Pb in the largest, reflecting the Pb of Gastrodia elata surface soil enrichment of heavy metals in the impact assessment index plays a main influence factors.

Keywords:Gastrodia elata Soil, Heavy Metal Elements, Principal Component Analysis, Contribution

云南昭通地区天麻种植土壤中重金属元素差异性分析

徐建家，曾静，董维俊，陈金磊，胡亚东，徐应垚，高旭红^*

云南师范大学能源与环境科学学院，云南 昆明

收稿日期：2018年9月19日；录用日期：2018年10月10日；发布日期：2018年10月17日

摘 要

云南昭通具有得天独厚的自然地理条件，所产天麻质量优良，是中国人工种植天麻最早地区之一和全国天麻重要产地。本研究从云南昭通地区大关、镇雄、盐津、彝良四个种植基地采集天麻种植土壤样品，采用电感耦合等离子发射光谱(ICP)法对土壤样品中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni 6种重金属元素进行了测定与分析。结果表明：不同种植基地中重金属元素含量差异明显，总体表现出根部重金属含量高于表面重金属含量，主成分分析说明Pb的因子载荷量在主成分中最大，体现出Pb在影响天麻表面土壤重金属元素富集评价的指标中起主要影响因子。

关键词 :天麻土壤，重金属元素，主成份分析，贡献率

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1. 引言

天麻为兰科植物天麻(Gastrodia elata blel.)的干燥块茎，具有息风止痉、平抑肝阳、祛风通络的功效，临床上主要用于头痛眩晕、肢体麻木、小儿惊风、癫痫抽搐、破伤风等的治疗 [1] 。近年来的研究发现，天麻还具有增智、健脑、延缓衰老的作用，对老年性痴呆症有一定的疗效 [2] 。现代研究证明天麻具有显著的抗惊厥、催眠和扩张血管的作用，临床主要用于神经衰弱及其综合症、血管神经性头痛、经前期等病症 [3] 。例如天麻素可预防乙醇引起的肝损伤和肝细胞凋亡 [4] ；LEA蛋白增强大肠杆菌的低温耐受性 [5] [6] 。天麻资源主要分布在吉林、辽宁、河北、河南、安徽、湖北、甘肃、四川、贵州、云南、陕西、西藏等地，其中云南、四川、贵州为主要产区 [7] 。昭通位于乌蒙山区，云南省东北部，地势西南高、东北低，属典型的山地构造地形，山高谷深，土壤以黄壤、红壤、紫色土为主，土壤肥力明显高于其他天麻产区 [8] ，具备种植优质天麻的地貌类型和土壤类型条件。昭通得天独厚的自然条件，所产天麻质量优良，是中国人工种植天麻最早地区之一和全国天麻重要产地 [9] 。《中华道地药材》记载：天麻主产于四川、云南、湖北、陕西、贵州等省，东北及华北亦产。现以四川、贵州、云南产为道地药材 [10] 。云南省昭通天麻特有的品质如描述的“个大、肥厚、椭圆、略匾、表面黄白至深棕色，点状环纹、鹦鹉嘴、脐眼明显、质坚、体实、无空心、特异气味浓” [11] 。

因此，以不同产地种植天麻的土壤为对象，通过测定包括上述元素在内的6种重金属元素，并采用湿法消解法、电感耦合元素光谱法和主成份分析，对天麻土壤中重金属元素的分析来更好地选择天麻优质种植产区，以提高天麻产量和品质，来增加经济效益。目前国内较少找到有关天麻土壤重金属元素富集的报道。

2. 材料和方法

2.1. 地理位置

昭通市位于云贵高原云南省东北部，云南，四川，贵州三省交界处，地理位置在东经102˚52′~105˚19′，北纬26˚34′~28˚40′之间，地势西南高，东北低。海拔267~4040米。总面积23,021平方公里。

2.2. 土壤样品采集

用于研究分析的样品土壤分别采集于云南昭通(大关、镇雄、盐津、彝良)四个不同的天麻主要种植基地内生长良好的天麻的种植土壤距表面深2厘米(表面)处及距表面15厘米(根部)处土壤。采样方法：采用系统布点法，每个采样点的取土深度及采样量均匀一致，土样上层与下层的比例相同，取样器垂直于地面入土，深度相同；采样时间位置：2016年7月于云南昭通(大关基地、镇雄基地、盐津基地、彝良基地)；采样土层：表面2 cm和天麻根际15 cm。所收集天麻土壤(编号S1~S8)样品，见表1。

2.3. 试剂和仪器

盐酸(HCl)，硝酸(HNO3)，高氯酸(HClO₄)，将准备好的待测样品溶液在ICP-MS上用原装进口100 μg/ml：As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni100ml6种多元素混合标准溶液进行测定。LWY-84B型控温式远红外消煮炉(中国吉林)，Optima8300型电感耦合等元素原子发射光谱仪(美国)，ME204E型电子分析天平(中国上海)。

2.4. 土壤样品溶液制备

采用国标(GB/T17141-1997)中的湿法消解法进行土壤样品制备，具体方法如下：将取自不同地方的天麻种植土壤样品在干燥的环境条件下晾干至恒重，过100目筛。使用电子天平精密称取各土壤样品0.5 g (每种样品称取两份用于对照实验)，置于洁净的试管中并贴上标签，加入混酸(硫酸:硝酸:高氯酸 = 1:1:1) 3 ml，混合消化液湿法消化，加酸顺序为加入硫酸1 ml，密闭。将试管放入红外消解仪中，消解仪在100摄氏度的工作环境下，消解30 min后加入硝酸1 ml，消解30 min后加入高氯酸1 ml，继续消解60 min后消解完毕，待充分冷却后过滤得到消解液，将消解液定量转移至100 ml容量瓶中，加蒸馏水至刻度线即得。标准参照物与空白采用同样方式消解。

2.5. 土壤样品溶液测定

使用电感耦合等离子原子发射光谱仪进行样品测定分析，具体测定步骤见图1。

表1. 样品信息

图1. 土壤样品检测步骤

注意：如果试验时间长，水循环机的气水分离瓶需要拆开晾干，下次使用前再安装上去；样品/标液浓度从低到高可以接着测，不用硝酸清洗液或超准水清洗。

3. 结果与分析

土壤样品中重金属含量原数据采用Excel2010和SPSS20.0软件进行处理，云南昭通地区天麻土壤中重金属元素含量分析，见(表2，表3)。

3.1. 四个种植基地中天麻种植土壤的重金属元素差异分析

采用Excel2010制作所检测到六种重金属元素：As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni在不同地区呈现出的相关图，见(图2)。① 其中As元素在镇雄根际土壤表现较为明显，在彝良根际土壤含量较低，可忽略不计，见图2(a)；② Cd元素主要在盐津根际土壤含量最高，而在大关地区土壤，镇雄表面和盐津表面则无明显，见图2(b)；③ Cr元素在彝良地区土壤的含量明显高于其他检测地区，见图2(c)；④ Cu元素比重在大关和彝良地区普遍高于其他检测地区，见图2(d)；⑤ Pb元素在大关地区的比重高于其他检测地区，见图2(e)；⑥ Ni元素在彝良地区的含量最高，在盐津的含量最低，可忽略不计，见图2(f)。因此，初步分析重金属元素主要在彝良，大关这两个检测地区较为明显。主要在彝良，大关这两个检测地区较为明显。

表2. 各地样品表面土壤中重金属元素的含量(mg∙kg⁻¹)

表3. 各地样品根际土壤中重金属元素的含量(mg∙kg⁻¹)

(a) (b)

图2. 四个种植基地中天麻种植土壤的重金属元素含量

3.2. 同一种植基地中天麻种植土壤的重金属元素差异分析

同一种植基地中天麻种植土壤的重金属元素含量采用Excel2010制图，见图3，结果表明：① 在大关地区Cu元素在表面土层占较大比重，而Pb元素在根际土层占较大比重，大关表面金属含量由低到高：Cd < Cr < Ni < As < Cu < Pb，大关根际金属含量由低到高：Cd < As < Ni < Cr < Pb < Cu，总体表现出表面土层重金属元素富集比根际土层重金属元素富集多，见图3(a)；② 镇雄地区无论表面土层还是根际土层Pb元素所占比重高于其它元素，总体的富集情况类似,金属含量由低到高：Cd < Ni < Cu < As < Cr < Pb，见图3(b)；③ 盐津地区同样出现表面土层和根际土层Pb元素所占比重高于其它元素，大致趋势相同，金属含量由低到高：Cd < Ni < Cu < Cr < As < Pb，见图3(c)；④ 彝良地区Cu元素表现出表面土层和根际土层均占有较大比重，属于优势元素，Cd元素和As元素含量几乎可以忽略不计，而综合来看，彝良地区的重金属元素富集在根际土层较为明显，彝良表面金属含量由低到高：Cd < As < Ni < Cr < Pb < Cu，彝良根际金属含量由低到高：Cd < As < Pb < Ni < Cr < Cu，见图3(d)。

3.2.1. 四个种植基地中天麻表面种植土壤的重金属元素差异分析

根据天麻表面种植土壤原数据采用Excel2010制图，见图4，结果表明：大关表面土壤中Pb元素含量高于其他种植基地表面土壤中Pb元素含量；彝良表面土壤中Cu元素含量高于其他种植基地表面土壤中Cu元素含量；总体表现出重金属含量：大关表面 > 彝良表面 > 盐津表面 > 镇雄表面。

3.2.2. 四个种植基地中天麻根际种植土壤的重金属元素差异分析

根据天麻根际种植土壤原数据采用Excel2010制图，见图5，结果表明：大关根际土壤中Cu元素含

图3. 同一种植基地中天麻种植土壤的重金属元素含量

图4. 四个种植基地中天麻表面种植土壤的重金属元素含量

量高于其他种植基地表面土壤中Cu元素含量；彝良表面土壤中Cr元素含量高于其他种植基地表面土壤中Cr元素含量；总体表现出重金属含量：大关根际 > 彝良根际 > 盐津根际 > 镇雄根际。

3.3. 四个种植基地天麻种植土壤中的重金属元素主成分分析

主成分分析是识别重金属来源的有效办法之一 [12] 。本研究利用SPSS软件对表层和深层土壤重金属元素进行主成分分析，并Kaiser-Harris准则保留特征值大于1的主成分 [13] 。

图5. 四个种植基地中天麻根际种植土壤的重金属元素含量

为寻找昭通各地种植园中天麻土壤重金属物质富集分布的规律，对重金属物质：As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni这六种元素进行主成分分析，结果见表4~6；以及图6。由表5可知：前两个特征根均大于1，说明前2个因子在影响天麻表面土壤重金属元素富集评价的指标中起主导地位，2个主成分的累计贡献率达86.511%，能够客观地反映天麻表面土壤重金属元素富集情况，故选取前2个主成分进行分析。由表6可知，第一主成分包含的各因子其载荷系数综合反映了Cr、Ni、Cu等元素对第一主成分的影响，Cr > Ni > Cu > Pb > As。其中，Cr的因子载荷量在第一主成分中最大，说明其对天麻表面土壤质量的影响最大。第二主成分分析反映了Pb、Cu、Ni等对元素天麻表面土壤质量的影响，Pb > Cu > Ni > As > Cr。其中，Pb的因子载荷量在第二主成分中最大。通过图形能够更直观的看出各种重金属元素的分布规律，便于实验研究和讨论。由图6分析，在第一主成分中Cr、Ni、Cu元素均大于0，而Pb和As均小于0，Cr > Ni > Cu > Pb > As；在第二主成分中，Pb > Cu > Ni > As > Cr；综合看出Cr、Pb两种重金属元素偏离坐标轴原点最远，说明Cr、Pb两种重金属元素对云南昭通天麻种植土壤重金属富集的贡献率最大，也是主要影响天麻种植土壤质量的元素。

4. 讨论

4.1. 土壤中重金属含量及富集现状评价

参照中华人民共和国环境保护行业标准(HJ/T1662004)《土壤环境监测技术规范》。

单项富集指数公式为：

$Pi=\frac{Ci}{Si}$ (1)

内梅罗指数 [14] 公式为：

$PN={\left[\frac{1}{2}\left(P_{最大}^2+P_{平均}^2\right)\right]}^{1/2}$ (2)

Si为第i种金属的土壤环境质量指标 [2] [3] (As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn依次为15、0.2、90、35、0.15、40、35、100 mg/kg)

以《土壤环境质量标准》(GB15618－1995)得到的结果，见表7。

表4. 天麻种植土壤中重金属元素相关性矩阵

提取方法：主成份分析。

表5. 天麻种植土壤中重金属元素特征值与贡献率

提取方法：主成份分析。

表6. 天麻种植土壤中重金属元素因子载荷矩阵^a

提取方法：主成份。^a已提取了2个成份。

图6. 天麻种植土壤中重金属元素二维成分分布图

表7. 昭通地区天麻土壤重金属元素富集等级评价

由表7可知，各种昭通天麻种植园未出现重金属元素超标现象，其中镇雄种植园表面土壤情况综合富集指数最低，但其天麻根际土壤重金属元素较高。综合来看，彝良种植园天麻土壤最优质。

4.2. 四个种植基地中天麻种植土壤重金属元素富集评价

参照《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，见(表8)，本次试验中并未出现重金属元素超标现象，其中通过综合比对分析，大关表面土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Pb，Pn = 0.087 < 0.7；大关根际土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Cu，Pn = 0.122 < 0.7；镇雄表面土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Pb，Pn = 0.0.053 < 0.7；镇雄根际土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Cd，Pn = 0.0.164 < 0.7；盐津表面土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Pb，Pn = 0.0.070 < 0.7；盐津根际土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Cd，Pn = 0.0.0.149 < 0.7；彝良表面土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Cu，Pn = 0.0.088 < 0.7；彝良根际土壤的重金属元素富集情况：主要重金属富集元素Cu，Pn = 0.0.092 < 0.7。通过总结可知，天麻种植园总体重金属元素：Cu、Pb和Cd。原因分析：作物灌溉过程以及硫酸铜杀虫剂等农药的施用也使一部分铜进入土壤和植物体内，导致Cu元素富集；Pb元素主要随污水进入土壤，很容易被土壤有机质和粘土矿物吸附，污灌区Pb的累积分布特点是离富集源近土壤含量高；富集土壤对Cd元素有很强的吸附力，特别是粘土和有机质多的土壤吸附Cd的能力较强，容易造成Cd的富集,很可能来源于电子制造业富集，如镉镍电池 [15] 、镉镀层 [16] 、颜料 [17] 等。同时，作物也对Cd有较强的富集能力；此外有机肥料来源于畜禽粪便、污泥、城镇垃圾和工业垃圾，其中含有一定量的重金属，有机物料和由此生产的商品有机肥料中重金属Cd的含量较高 [18] 。土壤中的重金属可以通过食物链进入人体累积，并最终影响人体健康 [19] 。

5. 结论

植物源中药中的元素组成、含量与其生长的气候环境、地理位置、土壤环境、种植习惯等外界因素有很大的关系，同时也与其自身品种、土壤重金属富集情况、基因以及酶等内在因素密切相关。天麻在全国的种植区域比较广，外在因素差异很大，但是也在相对接近、环境类似的一定区域形成了比较知名的、规模化的产区 [20] ，比如云贵川地区和长江三峡地区。研究表明测定了天麻中As、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni重金属元素量的方法，并应用此法对采集自云南各地的天麻样品中重金属元素量进行了测定。研究结

表8. 土壤环境质量标准(GB15618-1995) (mg∙kg⁻¹)

果可以为天麻重金属元素的快速分析、种植产区的划分、有效成分-功效-重金属元素之间相关性、质量评价等方面的研究提供技术支持和科学依据。

基金项目

国家自然科学基金项目(41661069)和云南省大学生创新创业项目2016年。

文章引用

徐建家,曾 静,董维俊,陈金磊,胡亚东,徐应垚,高旭红. 云南昭通地区天麻种植土壤中重金属元素差异性分析
Differential Analysis Heavy Metal Elements in Soil of Gastrodia elata BI. Planting in Zhaotong, Yunnan[J]. 土壤科学, 2018, 06(04): 115-124. https://doi.org/10.12677/HJSS.2018.64015

参考文献