鎘在土壤-辣椒體系的遷移富集規(guī)律

摘 要：喀斯特碳酸鹽巖區(qū)具有典型的重金屬地質(zhì)高背景特征，土壤鎘（Cadmium）污染嚴(yán)重，存在鎘的食物鏈風(fēng)險(xiǎn)。辣椒（Capsicum frutescens L.）是貴州省的特色農(nóng)產(chǎn)品，鎘在土壤-辣椒體系的遷移富集規(guī)律值得探討。選擇貴州地帶性土壤黃壤（Yellow earth）與石灰（巖）土（Limestone soil），朝天椒、線椒及雜交椒3種類型辣椒進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，研究不同鎘濃度水平下鎘的遷移富集規(guī)律，結(jié)果顯示：辣椒果實(shí)鎘與土壤總鎘和有效態(tài)鎘呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.80和076，果實(shí)鎘含量為0.01 mg·kg-1至0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值（GB 2762-2017）辣椒限值（0.05 mg·kg-1）進(jìn)行評(píng)價(jià)，超標(biāo)率為38.89%;黃壤中朝天椒根、莖、葉、果實(shí)各部位鎘含量范圍是0.21～17.10 mg·kg-1，線椒0.11～33.71 mg·kg-1，雜交椒0.17～8.58 mg·kg-1，石灰（巖）土中朝天椒0.17～2.03 mg·kg-1，線椒0.14～2.81 mg·kg-1，雜交椒0.22～2.31 mg·kg-1，三種類型辣椒間沒有表現(xiàn)出明顯的差異，黃壤上辣椒鎘表現(xiàn)為根>莖、葉>果實(shí)，石灰（巖）土上為根、葉>莖、果實(shí);在相同土壤鎘濃度下黃壤中辣椒鎘含量普遍高于石灰（巖）土，鎘在石灰（巖）土-辣椒體系的富集系數(shù)和遷移系數(shù)分別是黃壤-辣椒體系的0.35～0.56倍和1.33～3.89倍，石灰（巖）土上辣椒鎘表現(xiàn)為低富集，高轉(zhuǎn)運(yùn)，在黃壤上表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運(yùn)，具有更高的食物鏈風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：地帶性土壤;鎘;辣椒;遷移系數(shù);富集系數(shù)

中圖分類號(hào)：S153.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)土壤多存在鎘的地球化學(xué)高背景現(xiàn)象[1]。貴州省碳酸鹽巖面積大，分布廣，占全省國土面積的73%，約是1.1×105 km2，屬于典型的鎘地球化學(xué)異常區(qū)[2-3]，土壤及沉積物中鎘的地球化學(xué)背景值高于全國平均水平，為0.31 mg·kg-1，是中國地球化學(xué)豐度值的2.5～3.5倍[4]。對(duì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)，是貴州突出的環(huán)境問題[3]。

辣椒作為貴州的特色農(nóng)產(chǎn)品，在種植面積、加工規(guī)模和市場集散方面均是全國第一[5]，其對(duì)鎘的富集能力尚存在爭議。有學(xué)者認(rèn)為辣椒果實(shí)對(duì)鎘的富集高于其他重金屬[6]，是高富集類蔬菜[7]，也有研究發(fā)現(xiàn)辣椒對(duì)鎘富集能力并不強(qiáng)[8-9]。因此，本研究選擇貴州具有代表性的黃壤和石灰（巖）土為供試土壤，并設(shè)置不同鎘濃度梯度，種植不同類型辣椒，探討鎘在土壤-辣椒體系中的遷移、累積規(guī)律，以期為辣椒的安全生產(chǎn)，超標(biāo)土壤合理利用提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：本試驗(yàn)采用貴州廣泛種植并具有代表性的三個(gè)辣椒類型：朝天椒（H13）、線椒（Z2）及兩者的雜交椒（Z2×H13），由貴州省農(nóng)科院辣椒所培育并提供幼苗。

供試土壤：供試土壤選擇酸性黃壤和石灰（巖）土代表酸性土和石灰性土，兩種土壤均在貴陽市花溪區(qū)周邊農(nóng)田采集表層0～20 cm的混合土樣。

本試驗(yàn)采集四份土壤，酸性黃壤和石灰土各兩個(gè)，均為一份超過農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-2018），一份未超標(biāo)，將未超標(biāo)的土壤作為低濃度對(duì)照，以超標(biāo)土壤為中等鎘濃度水平，同時(shí)在其基礎(chǔ)上，通過外源添加設(shè)置土壤總鎘約為2 mg·kg-1的高鎘濃度土壤，添加方法為將硝酸鎘（分析純）融于純水后用噴壺噴入過篩的土壤并拌勻，裝盆后在保持土壤含水量大約在田間持水量的70%左右，靜置兩周。土壤具體基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用盆栽試驗(yàn)，多因素不等水平隨機(jī)設(shè)計(jì)。因素一為辣椒類型，分別為朝天椒（c），線椒（x）與雜交椒（z）。因素二為土壤鎘濃度梯度，分別是低（d）、中（z）、高（g）濃度水平，因素三為土壤類型，為黃壤（h）和石灰（巖）土（s）。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，具體試驗(yàn)設(shè)置見表2。試驗(yàn)用盆高為20 cm，內(nèi)徑為25 cm，每盆內(nèi)底部墊入紗網(wǎng)后裝土4 kg，放置于托盤上。

1.3 樣品采集及制備

辣椒樣品在花和果實(shí)比例約為1：1時(shí)采摘。采集后裝于塑料袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，先用自來水多次清洗干凈后再使用純水潤洗數(shù)次。將每株辣椒按根、莖、葉、果實(shí)進(jìn)行拆分，并將果實(shí)部分拭去表皮水分稱量鮮樣質(zhì)量，所有樣品于105℃下殺青5 min，再保持75℃左右烘干至恒重，稱量果實(shí)干樣質(zhì)量，所有樣品需研磨后過60目尼龍篩，裝袋保存于陰涼干燥處。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 土壤基本理化性質(zhì)

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤粘粒含量采用激光粒度分布儀（百特 BT-9300）測定;土壤pH采用電位法測定。

1.4.2 土壤鎘及植物鎘

土壤總鎘采用HNO3-HF-HClO4三酸消解法提取;土壤有效鎘采用0.01 mol·L-1 CaCl2提取法提取。植物樣品總鎘采用HNO3 -H2O2微波消解（CEM Mars6）法提取。所有提取液均使用ICP-MS （Thermo Fisher Scientific X2） 測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用遷移系數(shù)和富集系數(shù)分析鎘在土壤-辣椒系統(tǒng)遷移、富集特性。遷移系數(shù)TF1（莖鎘含量/根鎘含量）表示鎘在辣椒根-莖間的遷移能力，TF2（果實(shí)鎘含量/莖鎘含量）表示鎘在辣椒莖-果實(shí)間的遷移能力，TF3（果實(shí)鎘含量/根鎘含量）表示鎘在辣椒根-果實(shí)間的遷移能力。富集系數(shù)BCF（果實(shí)鎘含量/土壤總鎘含量）表示辣椒果實(shí)相對(duì)于土壤的鎘富集能力[5]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Origin軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 辣椒果實(shí)鎘含量及影響因素

2.1.1 辣椒果實(shí)鎘含量及超標(biāo)率

根據(jù)含水率將鎘含量換算成鮮樣鎘含量，各處理下果實(shí)鎘含量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差見圖1，果實(shí)鎘含量最低的是石灰土朝天椒的低鎘處理（scd），僅為0.01 mg·kg-1，最高為黃壤線椒的高鎘處理（hxg），鎘含量達(dá)0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值（GB 2762-2017）中辣椒的限值（0.05 mg·kg-1）進(jìn)行評(píng)價(jià)，在18個(gè)試驗(yàn)處理中有7個(gè)處理超標(biāo)，分別是hxz（0.08 mg·kg-1），szg（0.10 mg·kg-1），scg（0.10 mg·kg-1），sxg（0.16 mg·kg-1），hzg（0.17 mg·kg-1），hcg（0.18 mg·kg-1），hxg（0.30 mg·kg-1），果實(shí)中鎘含量是限值標(biāo)準(zhǔn)的1.51～5.97倍，超標(biāo)率為38.89%，黃壤和石灰（巖）土的高鎘水平，朝天椒、線椒和雜交椒的果實(shí)全部超標(biāo)，中、低鎘水平下，只有一個(gè)處理超標(biāo)，并且三個(gè)類型辣椒果實(shí)鎘含量基本無顯著差異。

2.1.2 影響辣椒果實(shí)鎘含量的因素

為明確土壤鎘與辣椒果實(shí)鎘含量的關(guān)系及影響果實(shí)富集鎘的因素，對(duì)辣椒果實(shí)鎘，土壤總鎘，土壤有效鎘和土壤pH進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示，辣椒果實(shí)鎘與土壤總鎘和有效鎘的相關(guān)系數(shù)分別為0.80**和0.76**，呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)土壤總鎘與有效鎘呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)為0.60**），說明隨著總鎘的上升，有效鎘含量增加，從而促進(jìn)了辣椒果實(shí)對(duì)鎘的富集。土壤pH與土壤有效鎘和辣椒果實(shí)鎘的相關(guān)系數(shù)分別為-051**和-0.25**，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明隨著土壤pH的升高，能降低土壤有效鎘含量，進(jìn)而降低辣椒果實(shí)的鎘含量。

2.2 不同類型辣椒鎘的含量分布特征

2.2.1 黃壤中辣椒鎘的含量分布特征

三個(gè)辣椒類型在黃壤—辣椒體系下的各部位鎘含量見圖2，朝天椒在低、中、高鎘水平下各部位含量分別為0.21～0.41 mg·kg-1;0.43～2.80 mg·kg-1;3.25～17.10 mg·kg-1，線椒分別為0.11～0.44 mg·kg-1;0.70～5.47 mg·kg-1;2.75～33.71 mg·kg-1，雜交椒分別為0.17～0.44 mg·kg-1;0.47～1.20 mg·kg-1;2.25～8.58 mg·kg-1?？梢钥闯鋈N類型辣椒間沒有表現(xiàn)出明顯的差異，不同土壤鎘含量水平下辣椒的鎘含量排序?yàn)楦哝k水平>中鎘水平>低鎘水平，各部位含量大致為根>莖、葉>果實(shí)。

2.2.2 石灰（巖）土中辣椒鎘的含量分布特征

在石灰（巖）土—辣椒體系下的各部位鎘含量見圖3，朝天椒在低、中、高鎘水平下各部位含量分別為0.17～0.51 mg·kg-1;0.24～0.57 mg·kg-1;1.25～2.03 mg·kg-1，線椒分別為0.14～0.60 mg·kg-1;020～0.59 mg·kg-1;1.28～2.81 mg·kg-1，雜交椒分別為0.22～0.39 mg·kg-1;0.14～0.45 mg·kg-1;1.30～2.31 mg·kg-1?？梢钥闯鋈N類型辣椒間沒有表現(xiàn)出明顯的差異，不同土壤鎘含量水平下辣椒的鎘含量排序?yàn)楦哝k水平>中鎘水平、低鎘水平，辣椒各部位含量大致為根、葉>莖、果實(shí)。

2.3 黃壤和石灰（巖）土中辣椒鎘的遷移富集規(guī)律

2.3.1 黃壤中辣椒鎘的遷移富集規(guī)律

黃壤—辣椒體系在低、中、高鎘水平下辣椒各部位的鎘含量（圖4）為0.16～0.40 mg·kg-1;0.54～3.16 mg·kg-1;2.75～19.80 mg·kg-1，高鎘水平>中鎘水平>低鎘水平。遷移系數(shù)TF1（莖鎘含量/根鎘含量），TF2（果實(shí)鎘含量/莖鎘含量），TF3（果實(shí)中鎘含量/根鎘含量）和富集系數(shù)BCF（果實(shí)鎘含量/土壤總鎘含量）如圖5所示，在低、中、高鎘水平下辣椒的遷移系數(shù)分別為0.81～1.27;0.23～0.56;0.18～0.65，富集系數(shù)分別是2.65、0.88、1.35。

2.3.2 石灰（巖）土中辣椒鎘的遷移富集規(guī)律

2.3.4 鎘在兩類土壤-辣椒體系中的富集差異

通過圖4發(fā)現(xiàn)在低鎘水平下，兩體系各部位鎘含量沒有表現(xiàn)出一致的差異，這可能是土壤總鎘含量不同造成的，雖然都是低鎘水平，但是黃壤鎘含量（0.11 mg·kg-1）低于石灰（巖）土（0.43 mg·kg-1），而兩種類型土壤的中鎘濃度（黃壤：0.61 mg·kg-1，石灰（巖）土：0.62 mg·kg-1）和高鎘濃度（黃壤：2.03 mg·kg-1，石灰（巖）土：2.00 mg·kg-1）基本持平，說明在同一鎘濃度下辣椒在黃壤上比石灰（巖）土上更易富集鎘，有更高的鎘安全風(fēng)險(xiǎn)。造成這種現(xiàn)象的原因可能是土壤的理化性質(zhì)不同，土壤理化性質(zhì)會(huì)對(duì)植物富集鎘的能力產(chǎn)生很大的影響，有研究發(fā)現(xiàn)在同一鎘濃度下種植同一基因型水稻，籽粒中積累的鎘可能會(huì)存在很大差異，甚至可能總鎘濃度較低的土壤中水稻籽粒鎘含量會(huì)超過高鎘土壤中的水稻籽粒鎘含量[10]。

不同濃度水平中兩個(gè)體系下鎘在辣椒中的遷移系數(shù)、富集系數(shù)如圖5所示，低鎘水平中黃壤上辣椒的遷移系數(shù)和富集系數(shù)都更高，分別是石灰（巖）土-辣椒體系的1.15～2.10倍和6.31倍。在中、高鎘水平中石灰（巖）土上辣椒的遷移系數(shù)更高，分別是黃壤-辣椒體系的1.33～1.91倍和1.64～3.89倍，富集系數(shù)是黃壤-辣椒體系的0.35倍和0.56倍。石灰（巖）土上辣椒對(duì)鎘表現(xiàn)為低富集，高轉(zhuǎn)運(yùn)，在黃壤上表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運(yùn)，辣椒在黃壤上富集能力更強(qiáng)，具有更高的食物鏈風(fēng)險(xiǎn)。

石灰（巖）土和黃壤的有效鎘含量如圖6所示，低鎘黃壤的總鎘高于低鎘石灰（巖）土，其有效鎘卻高于低鎘石灰（巖）土，是其5.57倍，土壤總鎘含量相同的中、高鎘水平中差異更大，黃壤的有效鎘分別是石灰（巖）土的186.84倍和244.92倍。造成有效鎘含量差異如此大的原因主要是兩類土壤間的pH不同，石灰（巖）土有較高的pH，酸堿環(huán)境能夠決定土壤顆粒表面電荷的正負(fù)性質(zhì)和Cd2+的存在形態(tài)，對(duì)于pH值較高的土壤，Cd2+的遷移能力較低[11]，不容易被植物吸收。除此之外，石灰（巖）土中通常含較高的Ca2+，也會(huì)抑制鎘的有效性。Anderson[12]等認(rèn)為， Ca2+可以與Cd2+競爭植物根系上吸收位點(diǎn)。孫琴等[13]試驗(yàn)結(jié)果也表明， 缺Ca2+會(huì)加重小麥?zhǔn)蹸d2+脅迫的毒害， 增Ca2+會(huì)顯著的緩解Cd2+脅迫的毒害作用， 小麥體內(nèi)鎘含量在高Ca2+下顯著降低。因此石灰（巖）土中的有效鎘含量更低，另一方面低Cd2+環(huán)境能促進(jìn)Cd2+向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)[14]，從而使辣椒在石灰（巖）土上對(duì)鎘表現(xiàn)出了低富集，高轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 結(jié)論

（1）辣椒果實(shí)鎘含量最低的是石灰（巖）土中朝天椒的低鎘處理（scd），僅為0.01 mg·kg-1，最高為黃壤中線椒的高鎘處理（hxg），鎘含量達(dá)0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)限值（GB 2762-2017）中辣椒的限值（0.05 mg·kg-1）進(jìn)行評(píng)價(jià)，在18個(gè)試驗(yàn)處理中有7個(gè)處理超標(biāo)，超標(biāo)率為38.89%。

（2） 辣椒果實(shí)鎘與土壤總鎘和有效鎘的相關(guān)系數(shù)分別為0.80（plt;0.01）和0.76（plt;0.01），呈極顯著正相關(guān)。土壤pH與辣椒果實(shí)鎘，土壤有效鎘的相關(guān)系數(shù)分別為-0.25和-0.51（plt;0.01），土壤pH、鎘總量及有效性對(duì)辣椒果實(shí)鎘的影響較大。

（3） 三種類型辣椒鎘含量沒有表現(xiàn)出明顯差異，黃壤中辣椒鎘含量普遍高于石灰（巖）土，黃壤上辣椒鎘表現(xiàn)出根>莖、葉>果實(shí)，石灰（巖）土上表現(xiàn)為根、葉>莖、果實(shí)。

（4）鎘在石灰（巖）土-辣椒體系的富集系數(shù)和遷移系數(shù)分別是黃壤-辣椒體系的0.35～0.56倍和1.33～3.89倍，石灰（巖）土上辣椒鎘表現(xiàn)為低富集，高轉(zhuǎn)運(yùn)，黃壤上則表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運(yùn)，酸性黃壤種植辣椒具有更高的鎘食物鏈風(fēng)險(xiǎn)。

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