川芎(Ligusticum chuanxiong)是四川著名的道地药材,川芎种植是彭州市现代农业发展的重要项目和农民的主要经济来源。随着川芎质量标准的进一步深化,川芎产区土壤质量和重金属污染现状成为影响川芎优质生产及产业发展的主要因素。因此,探明川芎岩石-土壤-药材的元素迁移、富集特征及来源对扩大川芎药材生产、提高川芎品质具有重要的意义。本研究按不同地质环境因子将川芎GAP种植基地划分为7个取样点,按照多目标地球化学调查方法,系统测试了川芎生产基地中岩石、土壤、大气降尘、地表灌溉水和川芎全株中的常量元素、有益元素和重金属元素的含量,研究了地球化学元素在岩石-土壤-川芎系统中的富集、迁移、分布规律。采用污染因子指数法、地积累指数法、富集因子等方法对土壤、大气、地表灌溉水进行质量评价和药材安全性、健康风险评价。利用主成分分析、相关性分析、方差分析等多元统计分析法探讨了土壤、大气、川芎中重金属的来源。在此基础上比较了不同耕作方式对川芎重金属含量的影响,就川芎中重金属对人体的健康风险进行了初步评估,为进一步采取适宜的农业生产方式和耕作措施提供理论依据。主要取得以下结论:(1)对川芎GAP基地耕作层土壤中常量元素、有益元素和重金属元素的含量测试表明:与当地土壤背景值比较,研究区N、P较为丰富,分别为1657mg/kg和1414.75mg/kg,K、Mg、Fe较缺失,是背景值的0.772-0.833倍。有益元素中Mn含量较低(498mg/kg),Se、Mo含量分别为0.34mg/kg和1.5mg/kg,高于当地背景值。耕作层重金属中,As含量为8.29mg/kg,低于国家土壤背景值而高于当地背景值,Cu含量是当地背景值的0.784倍。Cd、Zn、Cr、Pb含量正常,Hg含量为0.27 mg/kg,分别是全国、成都市、彭县土壤中Hg含量的4.154倍、6.750倍和5.400倍。耕作层土壤质量达到国家土壤环境质量二级标准,符合食用农产品产地环境质量评价的要求。运用单因子指数法、综合指数法、地积累指数法和富集因子法对耕作层土壤污染进行评价,结果表明研究区耕作层土壤存在不同程度的Cd、Pb、Zn污染。(2)在土壤全剖面上,常量元素N、P、S和有益元素钼、硼、硒以及重金属元素的含量均表现为随土壤深度(a-d)增加而降低的趋势,表明表层土壤中的上述元素主要来自人类活动。k、ca、mg、si的含量随土壤剖面深度增加而增加,主要来自成土母质。锰在土壤剖面上具有先降低后增加的趋势,可能与成土母岩类型相关。7个样点中,常量元素、有益元素和重金属元素含量均在样点Ⅶ中较高,表现出与土壤类型相关性不显著,而受人类活动、水分状况等环境因子影响较大的特征。重金属as、hg、zn、pb在川芎-土壤-岩石系统中的迁移能力较弱,而cd、cr、cu在川芎中的含量高于土壤和成土母岩,存在人为外源。川芎根茎与地上部分对cr的平均富集系数分别为1.399和1.160,较其他元素高,表现出对重金属具有选择性富集的特征:地下根茎较多富集as、cr、hg,地上部分较多富集cd、cu、pb、zn。川芎地上部分和地下根茎对有益元素的富集均为mn>b>mo>se。(3)研究结果证明,地表灌溉水质量满足农田灌溉Ⅴ类水标准,符合地表水环境质量要求,无cd、cr、pb、se、as、hg和zn的污染。大气降尘中cd、hg、se含量均超过当地土壤背景值,经地累积指数法评价后得出本区大气降尘存在cd、se轻—中等污染、hg中—强污染。(4)以gap标准作衡量,研究区川芎根茎中所有样点pb超标,川芎地上部分cd、cu、hg、zn均超标。采用靶标危害系数法(thq法)对人体健康风险评估的结果表明,川芎根茎和地上部分中cd、pb的thq值均小于1,对人体健康风险无明显影响,但样品中川芎地上和根茎的cr对人体健康影响显著,分别有42.86%和57.14%的样品thq值大于1。不同部位比较,川芎地上部分的健康风险值大于地下根茎。与都江堰川芎地理标志产品标准相比,彭州川芎根茎中除as、hg外,cd、cu、hg、pb均远超标准,重金属含量的差异成为地理标志产品主要的品质特征。(5)采用相关性分析和因子分析探讨川芎及其生长环境中重金属的来源,结果表明:表层土壤中cd、zn、pb来源主要为成土母质因素,as主要受人类耕作活动影响,cr受工业活动影响显著;大气降尘中重金属hg的来源除土壤及其母质外,还与当地燃煤、道路交通有关,cd、se的可能来源是当地工业燃煤。取样点所处环境对川芎根茎和地上部分重金属含量有显著影响。(6)通过比较蔬菜-川芎、水稻-川芎(免耕)、水稻-川芎(翻耕)和旱作-川芎四种耕作方式,得出川芎株高和根茎重量占全株重量的比值在川芎-蔬菜轮作方式中最高,分别是52.940cm和38.04%,在旱作-川芎方式中单株鲜重和单株地上鲜重最高,分别是152.820g和101.720g。四种方式在单株根茎鲜重、亩产鲜重、亩产干重上无显著差异。四种方式下川芎植株中As含量均未超标,但Cd、Pb含量在川芎-蔬菜耕作中最高,均超过食品标准和GAP标准,其重金属主要来自前茬蔬菜生产中的栽培措施如施肥、喷药等。川芎地上部分对Cd、Pb的富集较根茎强,对人体Cd、Pb摄入的风险大于地下根茎。(7)在研究区范围内,取样点环境对川芎生长土壤、大气降尘和川芎植株重金属含量影响显著:以道路交通、人群密度(活动频度)为主要影响因子,成土原因、土壤类型以及水系的丰富程度对重金属的分布影响较小,在部分样点中存在点污染源。因此,在本研究中,人类活动对川芎根茎和地上部分重金属的贡献大于地质背景因素。