吳志偉 朱 芩 楊 萍

(浙江農(nóng)林大學(xué)省部共建亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300)

早竹(Phyllostachys violascens)，禾本科竹亞科剛竹屬竹種，是我國優(yōu)良的筍用散生竹種之一，富含多種營養(yǎng)物質(zhì)，可直接鮮食或加工成各類筍制品，頗受消費(fèi)者的歡迎[1-2]。享有“中國竹子之鄉(xiāng)”美譽(yù)的浙江省德清縣是我國早竹的主產(chǎn)區(qū)之一[3]。隨著早竹高效栽培技術(shù)的建立，早竹的出筍時(shí)間得以提前，產(chǎn)量也明顯提高[4]。但由傳統(tǒng)的粗放經(jīng)營模式向集約經(jīng)營模式轉(zhuǎn)變的過程中，竹農(nóng)增加了施肥、用藥、覆蓋等措施，由于缺乏相關(guān)的科學(xué)技術(shù)支撐，導(dǎo)致當(dāng)?shù)刂窳值慕?jīng)營水平普遍低下，地力衰退嚴(yán)重，同時(shí)也引發(fā)了土壤養(yǎng)分富集、酸化以及重金屬污染物不斷積累等一系列問題[5]。此外，土壤重金屬通過污染大氣、水體等途徑造成了潛在的生態(tài)危害，并通過日常攝食在人體內(nèi)富集，對(duì)人類健康構(gòu)成了極大威脅[6-10]。因此，為提高竹林地的生產(chǎn)環(huán)境和食用筍質(zhì)量，明確不同經(jīng)營方式帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)竹林地土壤和竹筍進(jìn)行重金屬含量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯得尤為重要[11]。

目前，由于集約經(jīng)營而帶來的竹林地退化問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。劉亞迪等[12]和姜培坤等[13]發(fā)現(xiàn)造成早竹林植被退化的因素主要有竹林自身生理代謝和經(jīng)營措施兩個(gè)方面，而長(zhǎng)期的覆蓋經(jīng)營會(huì)嚴(yán)重影響林地的土壤理化性狀和酶活性，加劇植被退化，使竹林的生產(chǎn)能力逐年下降。以往關(guān)于土壤改良的技術(shù)研究主要在土壤改良劑和農(nóng)藝措施兩方面，常用的土壤改良劑有石灰、生物質(zhì)炭和土壤調(diào)理劑等，但均存在污染物吸附不徹底，易造成二次污染等問題，而不恰當(dāng)?shù)霓r(nóng)藝措施也會(huì)使土壤狀況進(jìn)一步惡化[14-15]。

石灰氮通用名為氰氮化鈣，分子式為CaCN2，含50%～60%的石灰成分，是一種由氰氨化鈣、氧化鈣和其他不溶性雜質(zhì)構(gòu)成的混合物，常用于土壤消毒和培肥地力。相關(guān)研究表明，施用生石灰可以有效緩解土壤酸化，減少鋁毒和其他重金屬毒害，改善土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，提高土壤生物活性和養(yǎng)分循環(huán)能力，使作物的產(chǎn)量和品質(zhì)得到進(jìn)一步提升，但長(zhǎng)期施用會(huì)造成土壤出現(xiàn)再次酸化問題[16]。石灰氮作為一種無污染、低殘留的緩效氮肥，可以在為土壤提供氮素的同時(shí)提高土壤pH值，從而降低土壤中的有效態(tài)重金屬含量，提高土壤中的鈣素和有機(jī)質(zhì)含量，減輕鹽漬化現(xiàn)象，是理想的土壤改良劑[17-19]。近年來，在農(nóng)業(yè)上對(duì)石灰氮的研究較多[17-20]，但鮮有關(guān)于石灰氮在林業(yè)生產(chǎn)上尤其是在竹林重金屬污染改善方面的報(bào)道。

本研究在浙江省德清縣3 個(gè)主要竹筍生產(chǎn)基地進(jìn)行取樣，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)測(cè)定了竹林土壤及竹筍在不覆蓋、覆蓋和覆蓋后施用石灰氮這3種不同的處理方式下重金屬含量的變化，以探究石灰氮在解決由集約經(jīng)營引起的竹林土地退化問題上的效用，并通過生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和人體攝入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)德清縣早竹林土壤的重金屬污染狀況和竹筍的質(zhì)量安全進(jìn)行評(píng)估，旨在為調(diào)整優(yōu)化早竹林經(jīng)營方式提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)當(dāng)?shù)毓S產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于浙江省德清縣的城山村、郭肇村和龍勝村。試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)處理，分別為未覆蓋、覆蓋栽培5年以上(以下簡(jiǎn)稱為覆蓋處理)、覆蓋栽培后施用石灰氮。在3 個(gè)村分別選擇未覆蓋的早竹林樣地(10 m×10 m)3 塊；覆蓋栽培5年以上的早竹林樣地(10 m×10 m)6 塊；在覆蓋樣地中隨機(jī)選取3 塊，在當(dāng)年覆蓋之前施用600 kg·hm-2石灰氮，將石灰氮均勻拋撒于林地表面，自然潮解入土。2017年開春以后，按S 型取樣法在各試驗(yàn)點(diǎn)選擇10 個(gè)采樣點(diǎn)，采集表層(0 ～20 cm)土樣，充分混合后取部分作為該試驗(yàn)點(diǎn)的土壤樣品，每村每個(gè)處理分別采集3 份樣品，共采集27 份早竹林土壤樣品。土樣經(jīng)風(fēng)干過100 目尼龍篩去除雜物，用于pH 值和重金屬含量的測(cè)定；同時(shí)在每個(gè)土樣采集點(diǎn)15 cm 直徑范圍內(nèi)用筍鍬采集筍樣，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)采筍約1 kg，共27 份樣品。筍樣經(jīng)去殼、清洗、殺青、烘干、研磨、過篩后用于重金屬含量的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

參照NY/T 1121.2-2006[21]測(cè)定試驗(yàn)點(diǎn)土壤pH值；采用ICP-MS 法測(cè)定土壤和竹筍重金屬(Cr、As、Hg、Ni、Cd 和Pb)含量[22]。試驗(yàn)中每個(gè)樣品平行測(cè)定3 次。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 單項(xiàng)污染指數(shù)法 采用單因子指數(shù)法評(píng)價(jià)試驗(yàn)點(diǎn)的土壤環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀。按照公式計(jì)算土壤單項(xiàng)污染指數(shù)(Pi)[23]:

式中，Pi為土壤中污染物i的單項(xiàng)污染指數(shù)；Ci為土壤污染物i 含量的實(shí)測(cè)值；Si為《食用林產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境通用要求》(LY/T 1678-2014)[24]中污染物i的限值。Pi＜1 為清潔，1≤Pi＜2 為輕度污染，2≤Pi＜3 為中度污染，Pi≥3 為重度污染。Pi越大，受污染程度越重。

1.3.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法 通過計(jì)算毒性相應(yīng)系數(shù)Ti與重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)Pi的乘積來評(píng)價(jià)污染程度[25]。根據(jù)公式計(jì)算重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)(risk index，RI):

重金屬RI 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[26]。

表1 重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表Table1 Standards for the grading potential ecological risk index of heavy metals

1.3.3 潛在健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法 健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是對(duì)能夠給人體造成威脅的有毒有害物質(zhì)的定量評(píng)價(jià)[27-28]。本研究通過此類方法對(duì)攝入筍造成的人體健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[29]，并針對(duì)重金屬對(duì)兒童和成人產(chǎn)生的危害不同采用不同計(jì)算公式進(jìn)行目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)(target hazard quotient，THQ)評(píng)估[30-32]:

式中，EF、EDa、EDc、Cf、BW、ATnc、ATca的含義與取值參考任傳義等[30]關(guān)于食用筍健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的報(bào)道。IR為竹筍日攝入量，g·d-1；RfD0為參考劑量，μg·g-1·d-1，其中，Hg、Ni、Cr、Cd、Pb、As 對(duì)應(yīng)的RfD0取值參考美國環(huán)保署(US Environmental Protection Agency，US EPA)推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型目標(biāo)危險(xiǎn)系數(shù)[32]。

日常生活中，食品中往往不只含有一種有害物，重金屬和其他污染物之間產(chǎn)生的各種相互作用可能會(huì)增強(qiáng)其對(duì)人體造成的健康風(fēng)險(xiǎn)[33-34]。因此，計(jì)算多種重金屬復(fù)合污染所導(dǎo)致的人體潛在健康危害更具實(shí)際意義。本研究采用健康危害指數(shù)(hazard index，HI)來評(píng)價(jià)多種有害物質(zhì)對(duì)人體的危害，公式計(jì)算如下:

當(dāng)HI 大于1 時(shí)說明食用竹筍有潛在健康風(fēng)險(xiǎn)，重金屬HI 數(shù)值越大說明食用筍的潛在風(fēng)險(xiǎn)越大。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究采用SPSS 22.0 與Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理早竹林土壤的pH 值

由表2可知，試驗(yàn)中3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤均呈酸性。與未覆蓋處理相比，覆蓋處理后土壤pH 值顯著降低，分別下降了11.1%～18.3%，說明覆蓋栽培會(huì)使竹林地的土壤酸化；而覆蓋后施用石灰氮處理顯著提高了土壤的pH 值，3 個(gè)村的土壤pH 值分別較覆蓋提高了29.4%、38.0%和35.9%。

表2 不同處理的早竹林土壤pH 值Table2 pH value of Phyllostachys violascens stands soil with different treatments

2.2 不同處理早竹林土壤中的重金屬含量

由表3可知，未覆蓋與覆蓋條件下各試驗(yàn)點(diǎn)土壤中重金屬含量排序均為Cr>Pb>Ni>As>Cd>Hg，平均值均低于食用林產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境通用要求(LY/T 1678-2014)[24]的限量值。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)未覆蓋土壤中的As、Pb含量均超過了浙北平原土壤背景值[35]，說明近年來試驗(yàn)竹林地土壤可能受到As 和Pb 污染，致使土壤中該重金屬含量升高。與未覆蓋處理相比，覆蓋處理3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤的Cd、Pb 含量均顯著升高，其中Cd 含量為未覆蓋處理的1.5 ～2.4 倍，Pb 含量則分別上升了29.6%、20.6%、13.7%。與覆蓋處理相比，覆蓋后施用石灰氮處理3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤的Cd 含量顯著降低了25.5%～29.7%，此外，Pb、Cr、As、Ni、Hg 含量也有所降低。

2.3 早竹筍的重金屬分析

由表4可知，覆蓋栽培后3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)筍中Cr、As、Hg、Ni、Cd、Pb 6 種重金屬含量最大值分別是0.23、0.06、0.006、0.65、0.04、0.10 mg·kg-1，均未超出《食用林產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境通用要求》(LY/T 1678-2014)[24]和食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》(GB 2762-2012)[36]中的限值，說明各試驗(yàn)點(diǎn)筍質(zhì)量狀況良好。需要注意的是，覆蓋處理筍中重金屬含量均表現(xiàn)出不同程度的上升，特別是Cd 含量，其中龍勝村在覆蓋處理后Cd 含量達(dá)到0.04 mg·kg-1(限量值為0.25 mg·kg-1)，應(yīng)當(dāng)重視Cd 的污染情況。與未覆蓋處理相比，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)筍中As、Hg 和Pb 含量在覆蓋處理后顯著上升；覆蓋后施用石灰氮，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)筍中Pb 含量均較覆蓋處理顯著下降，其余重金屬含量也有所下降。結(jié)果表明，覆蓋后施用石灰氮，可有效降低筍中的Cr、As、Hg、Ni、Cd、Pb 含量，緩解覆蓋栽培所帶來的重金屬富集問題。

2.4 土壤重金屬污染評(píng)價(jià)

2.4.1 單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià) 參照土壤二級(jí)國家標(biāo)準(zhǔn)值[37]進(jìn)行單項(xiàng)污染指數(shù)評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖1所示。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，土壤重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)依次為Cd>Pb>Cr>Hg>Ni>As，各項(xiàng)重金屬含量均處于清潔級(jí)，特別是As的污染指數(shù)均在0.25 以下。比較同一個(gè)試點(diǎn)的不同處理，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)覆蓋處理土壤Cr、Cd、Pb、Hg 的單項(xiàng)污染指數(shù)較未覆蓋處理均有所升高，而覆蓋后施用石灰氮處理又較覆蓋處理明顯降低，說明石灰氮可以有效降低覆蓋栽培后的土壤重金屬含量。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土壤中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)最大值如圖2所示，Cr、As、Hg 單項(xiàng)污染指數(shù)為龍勝村最高，Cd、Ni 含量為城山村最高，Pb 含量為郭肇村最高。6 種重金屬相比較來看，Cd 污染程度較高，故Cd 的污染情況應(yīng)受到重視。

圖1 不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)Fig.1 The individual pollution index of heavy metal in soils of different test sites

圖2 不同試驗(yàn)點(diǎn)土壤中重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)最大值Fig.2 The maximum of individual pollution index of heavy metal in soils of different test sites

2.4.2 潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià) 由圖3可知，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的RI 基本持平，其中最高值出現(xiàn)在城山村覆蓋處理，RI 達(dá)到42.0，但仍低于本研究的第一級(jí)分級(jí)界限值。城山村、郭肇村、龍勝村的竹林地在覆蓋處理后，土壤RI 雖仍處于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但均表現(xiàn)為一定程度的上升，表明覆蓋處理會(huì)給土壤帶來有限的污染風(fēng)險(xiǎn)，仍需引起重視。而在覆蓋后施用石灰氮處理3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)早竹林土壤的RI 均降低，表明石灰氮可以降低覆蓋栽培給竹林地土壤帶來的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 不同試驗(yàn)點(diǎn)各處理下土壤中重金屬綜合潛在生態(tài)危害指數(shù)Fig.3 The integrated potential ecological hazard index of heavy metals in soils of different test sites

2.5 早竹筍重金屬攝入的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

試驗(yàn)結(jié)果顯示竹筍中重金屬含量均在食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》(GB 2762-2012)[36]限量范圍內(nèi)，但食品中所含的重金屬對(duì)人體的危害是一個(gè)緩慢的過程，通常造成人體機(jī)體的慢性損傷[38]。綜合分析表5～表7，各竹林地的筍中6 種重金屬的THQ 均未超過上限值1，對(duì)人體無明顯健康風(fēng)險(xiǎn)。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明，由食用竹筍而進(jìn)入人體的6 種重金屬對(duì)成人和兒童造成的健康風(fēng)險(xiǎn)順序均為As>Cr>Pb>Cd>Ni>Hg。As 產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn)最高，郭肇村、龍勝村As的THQ 最高達(dá)到0.20。此外，比較攝入筍對(duì)成人和兒童造成的不同THQ 發(fā)現(xiàn)，多數(shù)重金屬給兒童帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)顯著高于成人。

3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的6 種重金屬THQ 累加后計(jì)算的HI存在差異，各處理重金屬積累HI 大體表現(xiàn)為對(duì)兒童顯著高于成人，各試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)成人的HI 為0.05 ～0.08，對(duì)兒童的HI 為0.19 ～0.32。HI 最大值出現(xiàn)在龍勝村，但3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的HI 均低于限值1。

比較3 種不同處理下早竹筍的HI 發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的HI 呈相同的變化趨勢(shì)，即覆蓋處理的HI 較未覆蓋處理有所升高，尤其是對(duì)兒童的HI 有顯著的升高，而覆蓋后施用石灰氮處理的HI 均出現(xiàn)了下降，尤其是對(duì)龍勝村兒童的HI 有顯著的下降。

表7 龍勝村筍中重金屬目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Table7 The THQ of heavy metals in bamboo shoots of Longsheng village

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，與未覆蓋處理相比，覆蓋處理造成竹林地土壤酸化，重金屬富集。這與翟婉璐[39]和王波等[40]的研究結(jié)果相一致。劉紹兵等[41]研究發(fā)現(xiàn)一定量石灰氮處理能顯著提高酸性土壤的pH 值，降低污染土壤中有效態(tài)鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及水稻莖葉和糙米中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。本研究結(jié)果與之相同，覆蓋后施用石灰氮處理的試驗(yàn)地土壤酸化程度和各重金屬含量均低于覆蓋處理，其中Cd 含量下降最為顯著，說明石灰氮能有效改善土壤酸化和重金屬富集現(xiàn)象。在3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的3 種不同處理中，各重金屬單項(xiàng)污染指數(shù)大小均為Cd>Pb>Cr>Hg>Ni>As，其中受Cd 污染程度較高，這可能是因?yàn)楦采w栽培所使用的禽畜有機(jī)肥中含有較多的Cd。潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，各試驗(yàn)點(diǎn)土壤各重金屬元素RI 均未超過本研究的第一級(jí)分級(jí)界限值，屬于輕微生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，但比較不同處理發(fā)現(xiàn)，覆蓋處理較未覆蓋處理有升高的趨勢(shì)，而覆蓋后施用石灰氮能有效抑制覆蓋處理竹林地土壤重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的升高。

與未覆蓋處理相比，覆蓋處理試驗(yàn)點(diǎn)筍中重金屬含量出現(xiàn)了不同程度的上升，而覆蓋后施用石灰氮處理能在一定程度上緩解由覆蓋造成的重金屬積累加劇，其中對(duì)Pb 的緩解最明顯。劉軍等[42]在覆蓋栽培后的早竹林中施用生石灰也得到了相同的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，食用筍攝入Cr、As、Hg、Ni、Cd、Pb 6 種重金屬的HI 均低于US EPA 推薦的最大可接受水平(1.0)，對(duì)人體無明顯健康風(fēng)險(xiǎn)，但覆蓋栽培會(huì)導(dǎo)致重金屬HI 增加，且兒童比成人更易受到影響，表明通過食用筍攝入的重金屬給人體帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)有限。需要注意的是，每日食用筍的質(zhì)量在日常飲食中占比雖然不多，但通過攝入多種食物而積累的重金屬可能會(huì)使累計(jì)HI超過1[43]，且隨著覆蓋年限的增加，土壤及筍中重金屬的富集程度會(huì)進(jìn)一步提高[44]，以上因素均可能增加食用竹筍對(duì)人體造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。任傳義等[30]對(duì)食用覆蓋處理的毛竹筍進(jìn)行了健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，證明當(dāng)兒童每日食用筍過量時(shí)，可能引起急性中毒，與本研究的結(jié)果相似。綜上可知，在覆蓋栽培的基礎(chǔ)上，通過施用石灰氮能明顯降低竹筍對(duì)土壤重金屬的吸收，進(jìn)而降低食用竹筍對(duì)人體特別是對(duì)兒童造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。

因此在早竹林覆蓋經(jīng)營過程中，應(yīng)避免長(zhǎng)期連續(xù)覆蓋，建議在自然出筍后及時(shí)撤除有機(jī)覆蓋物，并在生產(chǎn)中控制有機(jī)肥的質(zhì)量與施用量[45]，同時(shí)適當(dāng)施用石灰氮來改善竹林地的土壤性質(zhì)，以達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。但石灰氮的具體施用量以及適用范圍仍需進(jìn)一步探究。

4 結(jié)論

覆蓋后施用石灰氮能改善早竹林土壤重金屬富集和筍中重金屬的積累狀況。對(duì)比3 種不同處理方式，食用竹筍的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)表現(xiàn)為覆蓋處理>覆蓋后施用石灰氮處理>未覆蓋處理，與覆蓋處理相比，覆蓋后施用石灰氮能明顯降低土壤重金屬RI 和食用竹筍對(duì)兒童造成的健康風(fēng)險(xiǎn)。本研究在前人對(duì)覆蓋早竹林退化和食用筍健康風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)上探究了可能的解決辦法，為延緩早竹林土壤退化、避免竹林土壤和竹筍質(zhì)量下降以及實(shí)現(xiàn)竹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路，并為石灰氮在林業(yè)上的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。