鎘在土壤-辣椒體系的遷移富集規(guī)律

劉青棟 劉鴻雁 周顯勇 李政道 顧小鳳 涂宇

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）污染嚴重，存在鎘的食物鏈風險。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種類型辣椒進行盆栽試驗，研究不同鎘濃度水平下鎘的遷移富集規(guī)律，結果顯示：辣椒果實鎘與土壤總鎘和有效態(tài)鎘呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別是0.80和076，果實鎘含量為0.01 mg·kg-1至0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標準限值（GB 2762-2017）辣椒限值（0.05 mg·kg-1）進行評價，超標率為38.89%;黃壤中朝天椒根、莖、葉、果實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，石灰（巖）土上為根、葉>莖、果實;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，在黃壤上表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運，具有更高的食物鏈風險。

關鍵詞：地帶性土壤;鎘;辣椒;遷移系數(shù);富集系數(shù)

中圖分類號：S153.6

文獻標識碼： A

碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)土壤多存在鎘的地球化學高背景現(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異常區(qū)[2-3]，土壤及沉積物中鎘的地球化學背景值高于全國平均水平，為0.31 mg·kg-1，是中國地球化學豐度值的2.5～3.5倍[4]。對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)存在一定安全風險，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]，其對鎘的富集能力尚存在爭議。有學者認為辣椒果實對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)辣椒對鎘富集能力并不強[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：本試驗采用貴州廣泛種植并具有代表性的三個辣椒類型：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。

本試驗采集四份土壤，酸性黃壤和石灰土各兩個，均為一份超過農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（GB15618-2018），一份未超標，將未超標的土壤作為低濃度對照，以超標土壤為中等鎘濃度水平，同時在其基礎上，通過外源添加設置土壤總鎘約為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 試驗設計

本試驗采用盆栽試驗，多因素不等水平隨機設計。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）。每個處理設置3個重復，具體試驗設置見表2。試驗用盆高為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比例約為1：1時采摘。采集后裝于塑料袋中帶回實驗室，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、果實進行拆分，并將果實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 測定項目及方法

1.4.1 土壤基本理化性質(zhì)

土壤有機質(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（果實鎘含量/莖鎘含量）表示鎘在辣椒莖-果實間的遷移能力，TF3（果實鎘含量/根鎘含量）表示鎘在辣椒根-果實間的遷移能力。富集系數(shù)BCF（果實鎘含量/土壤總鎘含量）表示辣椒果實相對于土壤的鎘富集能力[5]。

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel、DPS軟件進行統(tǒng)計分析，Origin軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 辣椒果實鎘含量及影響因素

2.1.1 辣椒果實鎘含量及超標率

根據(jù)含水率將鎘含量換算成鮮樣鎘含量，各處理下果實鎘含量平均值和標準差見圖1，果實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0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標準限值（GB 2762-2017）中辣椒的限值（0.05 mg·kg-1）進行評價，在18個試驗處理中有7個處理超標，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），果實中鎘含量是限值標準的1.51～5.97倍，超標率為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全部超標，中、低鎘水平下，只有一個處理超標，并且三個類型辣椒果實鎘含量基本無顯著差異。

2.1.2 影響辣椒果實鎘含量的因素

為明確土壤鎘與辣椒果實鎘含量的關系及影響果實富集鎘的因素，對辣椒果實鎘，土壤總鎘，土壤有效鎘和土壤pH進行相關性分析，結果如表3所示，辣椒果實鎘與土壤總鎘和有效鎘的相關系數(shù)分別為0.80**和0.76**，呈極顯著正相關關系，同時土壤總鎘與有效鎘呈極顯著正相關關系（相關系數(shù)為0.60**），說明隨著總鎘的上升，有效鎘含量增加，從而促進了辣椒果實對鎘的富集。土壤pH與土壤有效鎘和辣椒果實鎘的相關系數(shù)分別為-051**和-0.25**，呈負相關關系，說明隨著土壤pH的升高，能降低土壤有效鎘含量，進而降低辣椒果實的鎘含量。

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為高鎘水平>中鎘水平>低鎘水平，各部位含量大致為根>莖、葉>果實。

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為高鎘水平>中鎘水平、低鎘水平，辣椒各部位含量大致為根、葉>莖、果實。

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（果實鎘含量/莖鎘含量），TF3（果實中鎘含量/根鎘含量）和富集系數(shù)BCF（果實鎘含量/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，有更高的鎘安全風險。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)會對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）土上辣椒對鎘表現(xiàn)為低富集，高轉(zhuǎn)運，在黃壤上表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運，辣椒在黃壤上富集能力更強，具有更高的食物鏈風險。

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性質(zhì)和Cd2+的存在形態(tài)，對于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+，也會抑制鎘的有效性。Anderson[12]等認為， Ca2+可以與Cd2+競爭植物根系上吸收位點。孫琴等[13]試驗結果也表明， 缺Ca2+會加重小麥受Cd2+脅迫的毒害， 增Ca2+會顯著的緩解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Cd2+向地上部分轉(zhuǎn)運[14]，從而使辣椒在石灰（巖）土上對鎘表現(xiàn)出了低富集，高轉(zhuǎn)運。

3 結論

（1）辣椒果實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0.30 mg·kg-1，以國家食品安全標準限值（GB 2762-2017）中辣椒的限值（0.05 mg·kg-1）進行評價，在18個試驗處理中有7個處理超標，超標率為38.89%。

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

（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，石灰（巖）土上表現(xiàn)為根、葉>莖、果實。

（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，黃壤上則表現(xiàn)為高富集，低轉(zhuǎn)運，酸性黃壤種植辣椒具有更高的鎘食物鏈風險。

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