镉在土壤-辣椒体系的迁移富集规律

刘青栋，刘鸿雁，周显勇，李政道，顾小凤，涂 宇

(贵州大学农学院，贵州贵阳550025)

碳酸盐岩发育地区土壤多存在镉的地球化学高背景现象[1]。贵州省碳酸盐岩面积大，分布广，占全省国土面积的73%，约是1.1×105km2，属于典型的镉地球化学异常区[2-3]，土壤及沉积物中镉的地球化学背景值高于全国平均水平，为0.31 mg·kg-1，是中国地球化学丰度值的2.5～3.5倍[4]。对农产品生产存在一定安全风险，是贵州突出的环境问题[3]。

辣椒作为贵州的特色农产品，在种植面积、加工规模和市场集散方面均是全国第一[5]，其对镉的富集能力尚存在争议。有学者认为辣椒果实对镉的富集高于其他重金属[6]，是高富集类蔬菜[7]，也有研究发现辣椒对镉富集能力并不强[8-9]。因此，本研究选择贵州具有代表性的黄壤和石灰(岩)土为供试土壤，并设置不同镉浓度梯度，种植不同类型辣椒，探讨镉在土壤-辣椒体系中的迁移、累积规律，以期为辣椒的安全生产，超标土壤合理利用提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物:本试验采用贵州广泛种植并具有代表性的三个辣椒类型:朝天椒(H13)、线椒(Z2)及两者的杂交椒(Z2×H13)，由贵州省农科院辣椒所培育并提供幼苗。

供试土壤:供试土壤选择酸性黄壤和石灰(岩)土代表酸性土和石灰性土，两种土壤均在贵阳市花溪区周边农田采集表层0～20 cm的混合土样。

本试验采集四份土壤，酸性黄壤和石灰土各两个，均为一份超过农用地土壤污染风险管控标准(GB15618-2018)，一份未超标，将未超标的土壤作为低浓度对照，以超标土壤为中等镉浓度水平，同时在其基础上，通过外源添加设置土壤总镉约为2 mg·kg-1的高镉浓度土壤，添加方法为将硝酸镉(分析纯)融于纯水后用喷壶喷入过筛的土壤并拌匀，装盆后在保持土壤含水量大约在田间持水量的70%左右，静置两周。土壤具体基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil

1.2 试验设计

本试验采用盆栽试验，多因素不等水平随机设计。因素一为辣椒类型，分别为朝天椒(c)，线椒(x)与杂交椒(z)。因素二为土壤镉浓度梯度，分别是低(d)、中(z)、高(g)浓度水平，因素三为土壤类型，为黄壤(h)和石灰(岩)土(s)。每个处理设置3个重复，具体试验设置见表2。试验用盆高为20 cm，内径为25 cm，每盆内底部垫入纱网后装土4 kg，放置于托盘上。

表2 盆栽试验处理表Tab.2 List of pot test treatment

1.3 样品采集及制备

辣椒样品在花和果实比例约为1:1时采摘。采集后装于塑料袋中带回实验室，先用自来水多次清洗干净后再使用纯水润洗数次。将每株辣椒按根、茎、叶、果实进行拆分，并将果实部分拭去表皮水分称量鲜样质量，所有样品于105℃下杀青5 min，再保持75℃左右烘干至恒重，称量果实干样质量，所有样品需研磨后过60目尼龙筛，装袋保存于阴凉干燥处。

每次采集植物样品都需一一对应收集土壤样品，取样要从表层取至底部再混合，收集于干净的样品袋或牛皮纸袋中带回实验室，放置于阴凉干燥处风干。风干后的土样使用四分法分取出部分研磨，并挑出土样中掺杂的动植物残体和碎石砾。样品需全部过20目尼龙筛，将过筛的样品混匀后取出部分装袋保存，剩余的继续研磨过100目尼龙筛，装袋保存于阴凉干燥处。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤基本理化性质

土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤粘粒含量采用激光粒度分布仪(百特BT-9300)测定；土壤pH采用电位法测定。

1.4.2 土壤镉及植物镉

土壤总镉采用HNO3-HF-HClO4三酸消解法提取；土壤有效镉采用0.01 mol·L-1CaCl2提取法提取。植物样品总镉采用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)测定。

1.5 数据分析

采用迁移系数和富集系数分析镉在土壤-辣椒系统迁移、富集特性。迁移系数TF1(茎镉含量/根镉含量)表示镉在辣椒根-茎间的迁移能力，TF2(果实镉含量/茎镉含量)表示镉在辣椒茎-果实间的迁移能力，TF3(果实镉含量/根镉含量)表示镉在辣椒根-果实间的迁移能力。富集系数BCF(果实镉含量/土壤总镉含量)表示辣椒果实相对于土壤的镉富集能力[5]。

试验数据采用Microsoft Excel、DPS软件进行统计分析，Origin软件作图。

2 结果与讨论

2.1 辣椒果实镉含量及影响因素

2.1.1 辣椒果实镉含量及超标率

根据含水率将镉含量换算成鲜样镉含量，各处理下果实镉含量平均值和标准差见图1，果实镉含量最低的是石灰土朝天椒的低镉处理(scd)，仅为0.01 mg·kg-1，最高为黄壤线椒的高镉处理(hxg)，镉含量达0.30 mg·kg-1，以国家食品安全标准限值(GB 2762-2017)中辣椒的限值(0.05 mg·kg-1)进行评价，在18个试验处理中有7个处理超标，分别是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)，果实中镉含量是限值标准的1.51～5.97倍，超标率为38.89%，黄壤和石灰(岩)土的高镉水平，朝天椒、线椒和杂交椒的果实全部超标，中、低镉水平下，只有一个处理超标，并且三个类型辣椒果实镉含量基本无显著差异。

图1 各处理辣椒果实镉含量(鲜样)Fig.1 Cadmium content in each treatment(fresh pepper)

2.1.2 影响辣椒果实镉含量的因素

为明确土壤镉与辣椒果实镉含量的关系及影响果实富集镉的因素，对辣椒果实镉，土壤总镉，土壤有效镉和土壤pH进行相关性分析，结果如表3所示，辣椒果实镉与土壤总镉和有效镉的相关系数分别为0.80**和0.76**，呈极显著正相关关系，同时土壤总镉与有效镉呈极显著正相关关系(相关系数为0.60**)，说明随着总镉的上升，有效镉含量增加，从而促进了辣椒果实对镉的富集。土壤pH与土壤有效镉和辣椒果实镉的相关系数分别为-0.51**和-0.25**，呈负相关关系，说明随着土壤pH的升高，能降低土壤有效镉含量，进而降低辣椒果实的镉含量。

2.2 不同类型辣椒镉的含量分布特征

2.2.1 黄壤中辣椒镉的含量分布特征

三个辣椒类型在黄壤—辣椒体系下的各部位镉含量见图2，朝天椒在低、中、高镉水平下各部位含量分别为0.21～0.41 mg·kg-1；0.43～2.80 mg·kg-1；3.25～17.10 mg·kg-1，线椒分别为0.11～0.44 mg·kg-1；0.70～5.47 mg·kg-1；2.75～33.71 mg·kg-1，杂交椒分别为0.17～0.44 mg·kg-1；0.47～1.20 mg·kg-1；2.25～8.58 mg·kg-1。 可以看出三种类型辣椒间没有表现出明显的差异，不同土壤镉含量水平下辣椒的镉含量排序为高镉水平＞中镉水平＞低镉水平，各部位含量大致为根＞茎、叶＞果实。

表3 相关分析汇总表Tab.3 Correlation analysis

2.2.2 石灰(岩)土中辣椒镉的含量分布特征

在石灰(岩)土—辣椒体系下的各部位镉含量见图3，朝天椒在低、中、高镉水平下各部位含量分别为0.17～0.51 mg·kg-1；0.24～0.57 mg·kg-1；1.25～2.03 mg·kg-1，线椒分别为0.14～0.60 mg·kg-1；0.20～0.59 mg·kg-1；1.28～2.81 mg·kg-1，杂交椒分别为0.22～0.39 mg·kg-1；0.14～0.45 mg·kg-1；1.30～2.31 mg·kg-1。可以看出三种类型辣椒间没有表现出明显的差异，不同土壤镉含量水平下辣椒的镉含量排序为高镉水平＞中镉水平、低镉水平，辣椒各部位含量大致为根、叶＞茎、果实。

2.3 黄壤和石灰(岩)土中辣椒镉的迁移富集规律

2.3.1 黄壤中辣椒镉的迁移富集规律

黄壤—辣椒体系在低、中、高镉水平下辣椒各部位的镉含量(图4)为0.16～0.40 mg·kg-1；0.54～3.16 mg·kg-1；2.75～19.80 mg·kg-1，高镉水平＞中镉水平＞低镉水平。迁移系数TF1(茎镉含量/根镉含量)，TF2(果实镉含量/茎镉含量)，TF3(果实中镉含量/根镉含量)和富集系数BCF(果实镉含量/土壤总镉含量)如图5所示，在低、中、高镉水平下辣椒的迁移系数分别为0.81～1.27；0.23～0.56；0.18～0.65，富集系数分别是2.65、0.88、1.35。

2.3.2 石灰(岩)土中辣椒镉的迁移富集规律

图2 黄壤—辣椒体系下不同类型辣椒各部位镉含量Fig.2 Cadmium content in different parts of different pepper on yellow earth-pepper system

图3 石灰(岩)土—辣椒体系下不同类型辣椒各部位镉含量Fig.3 Cadmium content in different parts of different pepper on limestone soil-pepper system

石灰(岩)土—辣椒体系在低、中、高镉水平下辣椒各部位的镉含量(图4)为0.18～0.41 mg·kg-1；0.19～0.48 mg·kg-1；1.41～2.32 mg·kg-1，高镉水平＞中镉水平≥低镉水平。迁移系数和富集系数如图5所示，在低、中、高镉水平下辣椒的迁移系数分别为0.48～0.72；0.44～0.81；0.64～1.14，富集系数分别是0.42、0.31、0.77。

图4 辣椒在两类土壤中各部位镉含量Fig.4 Cadmium content of pepper in yellow earth and limestone soil

2.3.4 镉在两类土壤-辣椒体系中的富集差异

通过图4发现在低镉水平下，两体系各部位镉含量没有表现出一致的差异，这可能是土壤总镉含量不同造成的，虽然都是低镉水平，但是黄壤镉含量(0.11 mg·kg-1)低于石灰(岩)土(0.43 mg·kg-1)，而两种类型土壤的中镉浓度(黄壤:0.61 mg·kg-1，石灰(岩)土:0.62 mg·kg-1)和高镉浓度(黄壤:2.03 mg·kg-1，石灰(岩)土:2.00 mg·kg-1)基本持平，说明在同一镉浓度下辣椒在黄壤上比石灰(岩)土上更易富集镉，有更高的镉安全风险。造成这种现象的原因可能是土壤的理化性质不同，土壤理化性质会对植物富集镉的能力产生很大的影响，有研究发现在同一镉浓度下种植同一基因型水稻，籽粒中积累的镉可能会存在很大差异，甚至可能总镉浓度较低的土壤中水稻籽粒镉含量会超过高镉土壤中的水稻籽粒镉含量[10]。

不同浓度水平中两个体系下镉在辣椒中的迁移系数、富集系数如图5所示，低镉水平中黄壤上辣椒的迁移系数和富集系数都更高，分别是石灰(岩)土-辣椒体系的1.15～2.10倍和6.31倍。在中、高镉水平中石灰(岩)土上辣椒的迁移系数更高，分别是黄壤-辣椒体系的1.33～1.91倍和1.64～3.89倍，富集系数是黄壤-辣椒体系的0.35倍和0.56倍。石灰(岩)土上辣椒对镉表现为低富集，高转运，在黄壤上表现为高富集，低转运，辣椒在黄壤上富集能力更强，具有更高的食物链风险。

石灰(岩)土和黄壤的有效镉含量如图6所示，低镉黄壤的总镉高于低镉石灰(岩)土，其有效镉却高于低镉石灰(岩)土，是其5.57倍，土壤总镉含量相同的中、高镉水平中差异更大，黄壤的有效镉分别是石灰(岩)土的186.84倍和244.92倍。造成有效镉含量差异如此大的原因主要是两类土壤间的pH不同，石灰(岩)土有较高的pH，酸碱环境能够决定土壤颗粒表面电荷的正负性质和Cd2+的存在形态，对于pH值较高的土壤，Cd2+的迁移能力较低[11]，不容易被植物吸收。除此之外，石灰(岩)土中通常含较高的Ca2+，也会抑制镉的有效性。Anderson[12]等认为，Ca2+可以与Cd2+竞争植物根系上吸收位点。孙琴等[13]试验结果也表明，缺Ca2+会加重小麦受Cd2+胁迫的毒害，增Ca2+会显著的缓解Cd2+胁迫的毒害作用，小麦体内镉含量在高Ca2+下显著降低。因此石灰(岩)土中的有效镉含量更低，另一方面低Cd2+环境能促进Cd2+向地上部分转运[14]，从而使辣椒在石灰(岩)土上对镉表现出了低富集，高转运。

图5 辣椒在两类土壤中的迁移、富集系数Fig.5 TF and BCF of pepper in yellow earth and limestone soil

图6 两类土壤的有效镉含量Fig.6 Available cadmium content of yellowearth and limestone soil

3 结论

(1)辣椒果实镉含量最低的是石灰(岩)土中朝天椒的低镉处理(scd)，仅为0.01 mg·kg-1，最高为黄壤中线椒的高镉处理(hxg)，镉含量达0.30 mg·kg-1，以国家食品安全标准限值(GB 2762-2017)中辣椒的限值(0.05 mg·kg-1)进行评价，在18个试验处理中有7个处理超标，超标率为38.89%。

(2)辣椒果实镉与土壤总镉和有效镉的相关系数分别为0.80(p＜0.01)和0.76(p＜0.01)，呈极显著正相关。土壤pH与辣椒果实镉，土壤有效镉的相关系数分别为-0.25和-0.51(p＜0.01)，土壤pH、镉总量及有效性对辣椒果实镉的影响较大。

(3)三种类型辣椒镉含量没有表现出明显差异，黄壤中辣椒镉含量普遍高于石灰(岩)土，黄壤上辣椒镉表现出根＞茎、叶＞果实，石灰(岩)土上表现为根、叶＞茎、果实。

(4)镉在石灰(岩)土-辣椒体系的富集系数和迁移系数分别是黄壤-辣椒体系的0.35～0.56倍和1.33～3.89倍，石灰(岩)土上辣椒镉表现为低富集，高转运，黄壤上则表现为高富集，低转运，酸性黄壤种植辣椒具有更高的镉食物链风险。