镉污染菜地叶面阻隔剂对不同品种辣椒镉积累影响

王卫红 ，高双全，杜衍红，李志丰，窦飞，曾晓舵*

1. 广东省科学院生态环境与土壤研究所，广东 广州 510650；2. 深圳市环保科技集团有限公司，广东 深圳 518049

近年来，经济社会的飞速发展加剧了生态环境的污染。以镉（Cd）为代表的重金属经矿山冶炼、化肥农药不合理施用等途径，迁移并富集到土壤中，导致土壤重金属污染日趋严重（曾希柏，2013）。重金属经食物链进入农产品中，对农产品安全及人体健康产生严重威胁（Yang et al.，2018）。目前，关于水稻及稻田重金属污染修复治理相关的研究不断增多，而蔬菜的Cd超标情况，同样需要引起重视（戴军等，1995；杜志鹏等，2018）。辣椒作为Cd高积累蔬菜，超标风险较高，超标现象日益增加（赵志燊等，2019）。2019年，童磊等（2019）抽取重庆万州区20份市售辣椒样品，检测结果显示Cd超标率为85%。

作为居民日常食用蔬菜，如何采取有效措施降低辣椒Cd超标风险，具有十分重要的研究意义。本研究选取华南地区某受重金属污染菜地，分3个阶段进行研究：首先进行蔬菜污染风险调查，即种植不同蔬菜（叶菜类和茄果类）测试可食部位重金属积累量，结果显示辣椒是Cd高积累蔬菜，具有较高的食品安全风险；其次种植不同辣椒品种进行Cd低积累品种筛选；最后，选取3种Cd积累量较为典型（高、中、低）的辣椒，喷施叶面阻控剂“降镉灵”和“喷喷富”抑制辣椒吸收Cd的能力及改善营养成分的能力。本研究可为污染地区蔬菜安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点为华南地区某受污染蔬菜田，面积约0.33 hm2，菜地土壤基本理化性质见表1。土壤pH 7.2，镉质量分数 0.70 mg·kg−1，超过农用地土壤污染风险筛选值 0.3 mg·kg−1（GB 15618—2018），为供试菜地的主要污染物，对农作物质量安全有较高风险，其他重金属含量未超标。蔬菜种子由广州市农科院蔬菜所提供；叶面阻隔剂降镉灵和喷喷富由佛山市铁人环保科技有限公司提供，主要成分分别为硅溶胶（SiO2，100 g·L−1）和硒硅溶胶（SiO2，105 g·L−1）。

表1 供试土壤pH值和重金属质量分数Table 1 pH and mass fractions of heavy metals in tested soil mg·kg−1

1.2 试验设计

1.2.1 不同蔬菜重金属镉积累能力差异

共设置8个处理，分别种植该区域常见蔬菜空心菜（Ipomoea aquatica Forsk，台湾竹叶空心菜）、红苋菜（Amaranthus mangostanus L.，大红圆叶苋菜）、绿苋菜（Amaranthus mangostanus L.，鹤山马齿苋）、番茄（Lycopersicon esculentum，年丰8号）、黄瓜（Cucumis sativus L.，油亮 2 号）、茄子（Solanum melongena L.，公牛长茄）、辣椒（Capsicum annuum L.，香妃线椒）和丝瓜（Luffa cylindrical，夏胜 4号），每个处理设置 3个重复。对应试验小区面积为30 m2，小区周边设置保护行，小区间田埂用塑料薄膜覆盖，防止小区间窜水。各个处理进行常规施肥，除草和灌溉等田间管理与农民平时管理一致。分别于2019年3月初进行蔬菜植株移栽，于各自成熟期进行收获。

1.2.2 辣椒品种筛选试验

共设置9个处理，选择常见的9种辣椒品种（香妃线椒、五彩辣椒、绿剑辣椒、辣优2号、辣优6号、辣优16号、辣优17号、辣优18号和辣优19号）分别种植于30 m2供试小区内，株距20—30 cm，每个品种设置3个重复小区。成熟期分别采集各小区辣椒果实测定重金属镉含量。各个处理进行常规施肥，除草和灌溉等田间管理与农民平时管理一致。分别于2019年10月初进行蔬菜植株移栽，于各自成熟期进行收获。

1.2.3 叶面阻隔试验

根据品种试验筛选结果，选取镉积累量较高、居中和较低的3种辣椒，在供试区域分区种植，分别设置喷施清水对照、喷施“降镉灵”叶面阻控剂（纳米有机硅溶胶）和喷施“喷喷富”叶面阻控剂（硅硒复合溶胶）等3种处理。每个处理实施于30 m2小区内，每组试验设置3个重复。各个处理进行常规施肥，除草和灌溉等田间管理与农民平时管理一致。分别于2020年3月初进行蔬菜植株移栽，于各自成熟期进行收获。主要在作物坐果期进行喷施，用量均为1.50 mL·m−2，稀释100倍后喷施在叶片部位。作物成熟期采集样品进行重金属污染物含量分析以及品质分析。各试验组辣椒生长期内施肥、农药喷洒等日常管理均保持条件一致。

1.3 样品处理与分析检测

辣椒等蔬菜成熟期，采用对角线法采集可食部位样品，烘干后粉碎并混匀待测。前处理及重金属元素测定方法具体参照 GB 5009.15—2014，Vitamin C及可溶性糖含量测定参照GB/T 5009.86—2016和 NY/T 2742—2015，产量依据试验小区总产量测算。

应用Origin 8.0软件对各项数据进行分析比较与作图，采用SPSS软件进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同蔬菜重金属含量对比

供试区域土壤及主要种植蔬菜的重金属含量如表2所示。与国家食品安全标准限值相比，8种蔬菜可食部位 As、Pb、Cr和 Hg均未超标，茄子Cd略超标，辣椒Cd的含量为0.080 mg·kg−1，为食品国家安全标准的1.60倍，具有较高的食品安全风险。叶菜类中空心菜Cd含量相比红苋菜和绿苋菜Cd含量较高，但低于食品污染限量值。相比茄果类蔬菜，叶菜更易于吸收 Pb、Cr元素；相比叶菜类蔬菜，茄果类蔬菜更易于吸收Cd、As元素。

表2 试验区主要蔬菜重金属质量分数Table 2 Mass fractions of heavy metals in vegetables at the maturing stage mg·kg−1

2.2 不同品种辣椒Cd含量

辣椒品种筛选试验结果如图1所示，不同辣椒品种对土壤Cd的吸收富集能力存在显著差异。供试的9种辣椒品种中，Cd含量高于食品中污染物限量0.05 mg·kg−1的有5种，其中，辣优2号Cd含量达到0.133 mg·kg−1，其次为辣优18号、香妃辣椒、五彩椒和辣优6号；低于污染物限量的有4种，其中辣优19号Cd含量最低，为0.028 mg·kg−1，其次为绿剑辣椒、辣优16号和辣优17号。

图1 不同品种辣椒Cd质量分数Fig. 1 Mass fractions of Cd in pepper

2.3 喷施叶面阻隔剂对辣椒Cd含量、营养组分和产量的影响

2.3.1 喷施叶面阻隔剂对辣椒Cd含量的影响

根据多种辣椒积累Cd试验筛选结果，按照富集Cd能力高、中、低的特性选择辣优2号、6号和19号3个辣椒品种进行叶面喷施阻隔剂试验。结果如图2所示。与第二阶段试验结果一致，3组对照样品中，辣优 2号 Cd含量超标严重，达 0.132 mg·kg−1，其次为辣优6号（轻微超标）和辣优19号（未超标）。喷施叶面肥降镉灵和喷喷富可显著降低辣优2号和6号辣椒Cd含量，但对辣优19号Cd含量影响不显著。与对照相比，施用降镉灵后辣优2号、辣优6号和辣优19号的Cd含量分别降低64.39%、44.23%和35.71%；喷施喷喷富后辣优2号、辣优6号和辣优19号的Cd含量分别降低67.42%、59.62%和39.29%。这表明叶面喷施降镉灵和喷喷富，可有效抑制辣椒积累Cd，喷喷富降Cd效果更明显。同时，施用两种叶面阻控剂后，3种辣椒Cd含量均低于食品污染物限量，尤其对于对照组超标严重的辣优 2号，施用降镉灵和喷喷富后 Cd含量分别降至 0.047 mg·kg−1和0.043 mg·kg−1。

图2 喷施叶面阻控剂后辣椒中Cd 质量分数Fig. 2 Mass fractions of Cd in peppers under foliar applications

2.3.2 喷施叶面阻隔剂对辣椒可溶性糖与 Vitamin C含量的影响

喷施降镉灵和喷喷富对3种辣椒中营养组分可溶性糖及Vitamin C的影响如图3和图4所示。由图可知，两种叶面阻控剂在降低辣椒Cd含量的同时，均提高了辣椒中可溶性糖及抗坏血酸含量。相比对照，施用降镉灵可使3种辣椒中可溶性糖含量提升7.75%—10.19%、Vitamin C含量提升4.09%—9.90%；施用喷喷富使 3种辣椒中可溶性糖含量提升10.92%—12.08%、Vitamin C含量提升4.09%—12.78%。喷喷富对辣椒营养组分含量的提升效果略优于降镉灵。

图3 叶面阻隔剂对辣椒可溶性糖质量分数的影响Fig. 3 Mass fractions of soluble sugar in peppers under foliar applications

图4 叶面阻控剂对辣椒抗坏血酸质量分数的影响Fig. 4 Mass fractions of Vitamin C in peppers under foliar applications

2.3.3 喷施叶面阻隔剂对辣椒产量的影响

施用两种叶面阻控剂对3种辣椒产量的影响如图5所示。2种叶面阻控剂均使3种辣椒产量增加。与对照组相比，施用降镉灵分别对辣优2号、辣优6号和辣优19号的产量提高3.77%、7.85%和4.89%，而施用喷喷富对产量提升的效果更高，分别提高5.81%、9.74%和6.65%。相关的研究也显示，喷施硅类叶面阻控剂增加了水稻的单株有效穗数，提高水稻产量（赵颖等，2010；黄崇玲等，2013）。

图5 叶面阻控剂对辣椒产量的影响Fig. 5 Biomass of peppers under foliar applications

3 讨论

3.1 不同种类蔬菜重金属污染风险

土壤重金属污染会造成蔬菜中重金属含量超标，如蔬菜根系土壤高浓度 Cd的胁迫不仅导致果实重金属超标，而且抑制地上部生长，土壤有效态Cd含量与蔬菜生长状况呈负相关（杨晓磊等，2017；贺章咪，2020）。蔬菜种间差异使得其对重金属的吸收富集存在明显差别，研究表明，不同类型蔬菜对Cd的富集能力从大到小依次为叶菜类、茄果类、根菜类、瓜菜类、豆类（Yang et al.，2010）。本研究表明，辣椒作为茄果类蔬菜，与茄子、番茄相比更容易富集Cd，这和陈玉梅等（2016）研究结果一致。因此，辣椒作为Cd高积累蔬菜，对其采用安全生产技术措施具有相当重要的意义。

3.2 不同辣椒品种的污染风险

同种蔬菜种内差异是导致蔬菜重金属积累差异的重要原因（Liu et al.，2010；刘峰等，2017）。对重庆、贵阳及遵义等地辣椒产地及市售辣椒品种调查结果显示，尽管辣椒对Cd具有较强的富集能力，但不同辣椒品种对Cd的富集能力不同（杨婧等，2017；赵志燊等，2019；王庆鹤等，2020）。本研究辣椒品种吸收Cd能力筛选试验结果表明，不同品种辣椒对Cd的吸收程度具有显著性差异，在实际生产中，可以通过种植低积累辣椒的方式而降低辣椒Cd超标风险。

3.3 硅硒类叶面阻隔剂对Cd污染蔬菜的影响

叶面阻隔技术被广泛应用于水稻等农作物的重金属修复研究，但针对重金属污染蔬菜的叶面阻隔研究较少（邓思涵等，2020；向焱赟等，2020）。研究表明，辣椒叶面喷施阻隔剂降镉灵和喷喷富不仅降低了3种不同品种辣椒Cd含量，而且提高了其可溶性糖、Vitamin C含量和辣椒产量。降镉灵和喷喷富的主要成分为硅溶胶和硒硅溶胶，硅可以沉积在植物细胞壁上，与半纤维素、果胶和/或木质素络合，增加细胞壁机械性和外部保护层，促进植物生长；硒硅类叶面阻隔剂还可以调控农作物对营养元素的吸收、提升叶绿素含量、促进光合作用以及降低细胞膜通透性；而硅硒类叶面阻隔剂还可通过硅结合蛋白的诱导，降低根系细胞的细胞壁孔隙度，增加根系对Cd的吸附固定，从而降低Cd向地上部的转运（He et al.，2004；Lin et al.，2012；Feng et al.，2013；Wan et al.，2016；许佳莹等，2012）。

与土壤重金属污染修复相比，筛选低积累辣椒品种，结合喷施降镉灵、喷喷富叶面阻隔剂，能够在不影响土地利用、不改变土壤性质的基础上，有效控制辣椒积累Cd，保障辣椒产品安全。在今后的工作中，需要进一步对硅硒类叶面阻隔剂调控辣椒等蔬菜中的Cd及营养吸收的机制进行深入研究。

4 结论

通过蔬菜污染风险调查，筛选低镉积累品种，喷施叶面阻控剂“降镉灵”和“喷喷富”抑制辣椒吸收Cd等3个阶段的试验，结果表明：

（1）辣椒作为茄果类蔬菜，与茄子、番茄相比更容易吸收Cd。

（2）不同辣椒品种 Cd的含量差异较大。最高含量为辣优2号0.133 mg·kg−1，最低含量为辣优19号0.028 mg·kg−1，种植低Cd积累辣椒，可显著降低辣椒Cd超标风险。

（3）降镉灵和喷喷富均能显著降低Cd高、中、低积累辣椒品种对土壤中Cd的吸收。施用2种叶面阻控剂后，辣椒 Cd含量可分别降低 35.71%—64.39%和39.29%—67.42%，辣椒Cd超标风险降低；2种叶面阻隔剂均提高了辣椒中可溶性糖、Vitamin C含量和辣椒产量，而喷喷富对辣椒营养组分含量的提升效果略优于降镉灵。