柴冠群,周 玮,梁 红,范菲菲,朱大雁,范成五,*
(1.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所,贵州 贵阳 550006; 2.贵州大学 农学院,贵州 贵阳 550025)
中国种植辣椒133万hm2左右,约占全球辣椒种植面积的40%,辣椒已成为我国多地重要经济支柱产业,尤其是贵州,其辣椒种植规模居全国首位,约占全国的25%[1]。辣椒是世界上最大的调味料作物,以贵州为例,其人均辣椒食用量为6.84 g·d-1[2]。Cd是一种高毒性且易于从土壤转移到植物,通过食物链暴露来危害人类健康的重金属元素,其对人体内脏、免疫系统和生殖系统等都会造成不利影响[3]。辣椒是Cd富集能力较强的蔬菜作物,能高效富集土壤Cd[4],其对Cd的生物富集系数最高可达3.04[5]。近年,贵州[2]、重庆[6]与云南[7]等多地出现辣椒Cd超标现象。因此,探讨如何降低辣椒Cd含量对辣椒产业发展具有重要意义。
叶面喷施竞争性阳离子或生理调节物质抑制作物Cd吸收或转运到可食部位,已成为农业农村部推荐的中轻度Cd污染耕地安全利用的农艺调控技术之一[8]。Xin等[9]、赵首萍等[10]与邵晓庆等[11]研究均表明,辣椒果实Cd含量与辣椒根向地上部转运Cd的能力或地上部营养器官对Cd的再分配能力显著相关。陈贵青等[6]、巩雪峰等[12]、李磊等[13]报道,叶面喷施阻控材料(Zn、γ-聚谷氨酸、Se)能够降低辣椒果实Cd含量。由于Zn与Cd为同族元素,具有相似的化学性质,二者被作物吸收时会发生拮抗效应,叶面喷施ZnSO4可通过抑制根部Cd吸收和降低作物体内Cd转运而降低其可食部位Cd含量[14-15]。但也有报道,Zn与Cd在作物体内表现为协同效应[16]。可见,植物中Zn与Cd的相互作用并没有得出统一的结论。此外,柠檬酸、酒石酸和草酸等有机酸普遍存在于植物体中,植物遭受重金属胁迫时,根系会分泌有机酸与重金属形成稳定态化合物,降低植物对重金属的吸收[17];重金属进入植物体内,相邻碳原子上具有成对羟基(—OH)和羧基(—COOH)的有机酸可与其形成稳定的五元或六元环状结构,从而降低重金属在植物体内的迁移[18-19]。薛卫杰[20]研究表明,水稻扬花期叶面喷施5 mmol·L-1柠檬酸可以显著降低稻米Cd含量;林琦等[21]通过水培试验也发现,外源施用柠檬酸可降低小麦与水稻体内Cd含量。
叶面喷施Zn肥或柠檬酸对作物Cd吸收累积的作用可能因作物种类、试验条件等差异而不同,目前也鲜见叶面喷施Zn肥或柠檬酸对辣椒吸收转运Cd等方面的研究。因此,本研究选取黔北主栽加工型辣椒品种(青红元帅,指型朝天椒)与具有代表性的土壤(Cd安全利用类黄壤),通过盆栽试验研究叶面喷施ZnSO4与柠檬酸或二者复配对辣椒生物量、品质与Cd吸收转运的影响,以期明确Zn肥与柠檬酸对辣椒的作用效果,为辣椒Cd污染的合理防治提供理论依据。
1.1.1 供试土壤
供试土壤取自贵州省绥阳县某地耕层(0~20 cm)土壤,土壤风干后,剔除土壤中石砾与植物残渣,用木锤锤敲土块,筛分过5 mm尼龙网筛备用。将筛分的土壤混合均匀后取样测定土壤基本理化性质。土壤的基本理化性质为pH值5.98、有机质41.63 g·kg-1、全氮3.12 g·kg-1、全磷0.58 g·kg-1、全钾6.00 g·kg-1、碱解氮173.15 mg·kg-1、有效磷6.10 mg·kg-1、速效钾41.00 mg·kg-1、全Cd 0.31 mg·kg-1、有效Cd 0.15 mg·kg-1。根据GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》的要求,试验土壤中Cd含量介于风险筛选值与风险管制值之间,为安全利用类。
1.1.2 供试辣椒品种
供试辣椒(CapsicumannuumL.)品种为青红元帅,购自贵州科奥农资销售有限公司。
1.1.3 供试叶面喷施材料与肥料
供试ZnSO4与柠檬酸均为分析纯,购自贵阳欣兴星物资有限公司。供试氮肥、磷肥与钾肥分别为尿素、过磷酸钙与硫酸钾,购自贵州科奥农资销售有限公司。
本试验为盆栽试验,于2021年2—10月份在贵州省土壤肥料研究所温室大棚开展。辣椒种子用质量分数1% NaClO浸泡表面消毒30 min,并用蒸馏水清洗干净,撒播于装有基质的托盘中,在温室内漂浮育苗。于4月15日选取五叶一心、长势良好、大小一致的辣椒幼苗进行移栽,每盆移栽1株,用去离子水浇灌,保持土壤田间持水量约60%。试验共4个处理: CK(叶面喷施纯水)、Zn200(叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4)、CA40(叶面喷施40 μmol·L-1柠檬酸)与Zn200+CA40(叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4和40 μmol·L-1柠檬酸),每个处理重复5次,分别在辣椒苗期、现蕾期与开花坐果期,使用喷雾器对辣椒叶片正反面进行均匀喷雾,以形成水珠且不下落为准;喷施时间为08:00—09:00,以避免蒸发降低辣椒对叶面喷施材料的吸收。每盆施入N、P2O5与K2O分别为180、100和150 mg·kg-1(材料与土壤质量比),均一次性施入土壤,将其与5 kg过5 mm尼龙筛的风干土充分混匀后装盆(直径30 cm、高25 cm)。
1.3.1 辣椒样品处理与分析
以辣椒果实转红为统一采收标准,共采集4次。辣椒各部位采摘后及时用去离子水清洗干净,并用吸水纸将其表面擦干。最后1次采集果实的同时采集辣椒植株样品,将其分为根、主茎、叉茎、主茎上叶、叉茎上叶与果实6部分,称量每次采集的辣椒果实鲜重。辣椒各部位样品在电热鼓风干燥箱(UP-GZ-9140AT,四川优浦达科技有限公司)中105 ℃杀青30 min,60 ℃烘干至质量不变,称量辣椒各部位干重,用三维震击式球磨仪(TJS-325,天津市东方天净科技发展有限公司)将辣椒各部位粉碎后保存备用。
辣椒各部位Cd含量均采用HNO3-HClO4(体积比4∶1)消解,稀HCl定容,电感耦合等离子质谱仪(Elan 9000 型,美国珀金埃尔默股份有限公司)测定,用标样(GBW100348)进行质控,回收率为97.6%~100.4%,全程做空白试验。同时,取部分辣椒果实干样测定可溶性糖、可溶性蛋白、氨基酸、辣椒碱、维生素C(VC)等品质指标[22]。
1.3.2 土壤样品处理与分析
最后1次采集辣椒果实时,将辣椒从盆钵中取出,轻轻抖动,用毛刷收集辣椒根系上附着的土壤即为根际土,待其自然风干后,用玛瑙研钵研磨过0.149 mm尼龙筛备用。土壤样品采用HNO3-HClO4-HF-HCl消解,稀HCl定容,采用电感耦合等离子体质谱仪测定Cd含量。用标样(GBW07557)进行质控,回收率为96.8% ~101.4%,全程做空白试验。
所有试验用品均经稀酸浸泡,减少器皿对重金属的吸附,试验用水均为去离子超纯水。
用富集系数(BCF,%)表示辣椒对土壤Cd的富集能力,用转运系数(TF地上部/根,%)表示辣椒根系向地上部转运Cd的能力[23],用转运效率(TFa/b,%)表示辣椒b部位向a部位转运Cd的效率[10],用RA(μg·g-1)表示辣椒根Cd净吸收量[9],具体计算公式如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
式(1)~(4)中:VBCF表示BCF的值,cP、cS分别表示辣椒植株和辣椒根际土的Cd含量(mg·kg-1);VTF表示TF地上部/根的值,c地上部、c根分别表示辣椒地上部、辣椒根中的Cd含量(mg·kg-1);RTF表示转运效率TFa/b的值,ca、cb分别表示辣椒a部位和辣椒b部位的Cd含量(mg·kg-1);PA与mR分别表示辣椒整株Cd累积量(μg)与辣椒根干重(g)。
试验数据均采用Microsoft Office 2010软件计算处理,运用IBM SPSS20 Statistics软件(美国IBM公司)进行统计分析,采用Sigmaplot 14.0软件作图,差异显著分析采用Duncan法进行,显著水平为0.05,相关性分析采用Pearson双侧检验。
2.1.1 辣椒生物量
各处理的辣椒生物量如表1所示,与CK相比,Zn200处理的辣椒果实干重、果实数量、单果干重、整株干重与果实干重占比均无显著变化,CA40处理单果干重与果实干重占比显著降低,其余指标无显著变化,Zn200+CA40处理辣椒果实干重与果实干重占比均显著降低,果实干重占比降低4.21百分点。综上,单独施用200 μmol·L-1ZnSO4或40 μmol·L-1柠檬酸对辣椒果实干重无显著影响,二者联合施用显著降低了辣椒果实干重与果实干重占比。
表1 不同处理的辣椒生物量(干基)Table 1 Biomass of peppers under different treatments (Dry weight)
2.1.2 辣椒品质
各处理的辣椒果实品质如表2所示,就可溶性糖而言,与CK相比,Zn200处理与Zn200+CA40处理的辣椒果实可溶性糖含量显著降低,CA40处理无显著变化。与CK相比,Zn200处理的辣椒果实可溶性蛋白含量显著降低,其余处理均显著增加,Zn200+CA40处理增幅最大,为36.94%。与CK相比,Zn200处理的辣椒果实氨基酸含量无显著变化,其余处理显著降低,Zn200+CA40处理降幅最大,为19.59%。不同处理的辣椒碱含量差异不显著。与CK相比,Zn200处理辣椒果实VC含量显著增加,其余处理无显著差异。说明单独施用200 μmol·L-1ZnSO4、40 μmol·L-1CA或二者联合施用并不能协同改善辣椒果实各品质指标。
表2 不同处理辣椒果实品质差异Table 2 Differences in fruit quality of peppers under different treatments
2.2.1 辣椒各部位Cd含量特征
辣椒不同部位Cd含量特征如表3所示,总体而言,辣椒不同部位Cd均值含量表现为主茎上叶>根>果实>叉茎上叶>叉茎≈主茎。就辣椒果实Cd含量而言,不同处理辣椒果实Cd含量(干基)为0.58~0.79 mg·kg-1,与CK相比,Zn200+CA40处理辣椒果实Cd含量降幅最大,为26.58%;独立样本t检验显示,Zn200+CA40处理辣椒果实Cd含量(干基)仍显著高于《绿色食品 辣椒制品》(NY/T1711—2020)中Cd含量限值(0.1 mg·kg-1);Zn200+CA40处理辣椒果实Cd含量换算成鲜基,为0.14 mg·kg-1,比CK降低22.22%;独立样本t检验显示,Zn200+CA40处理辣椒果实Cd含量(鲜基)显著高于《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB2762—2017)中Cd含量限值(0.05 mg·kg-1),说明试验辣椒品种(青红元帅)果实富Cd能力较强。
表3 不同处理辣椒不同部位Cd含量特征(干基)Table 3 Characteristics of Cd content in different parts of peppers under different treatments (Dry weight) mg·kg-1
与CK处理相比,Zn200+CA40处理对辣椒主茎、叉茎上叶、主茎上叶与地上部营养器官Cd含量无显著影响,但显著降低了辣椒果实、叉茎、根、地上部与整株的Cd含量,且降幅均最大。
2.2.2 辣椒各部位Cd分配
不同处理辣椒各部位Cd分配比例如图1所示,由图1-A可知,与CK相比,Zn200+CA40处理辣椒果实Cd分配比例显著降低,降低4.92百分点,其余处理辣椒果实Cd分配比例与CK差异不显著。与CK相比,其余处理辣椒地上部营养器官Cd分配比例均显著增加,Zn200处理增幅最大,增加10.25百分点。与CK相比,其余处理辣椒根Cd分配比例均显著降低,Zn200+CA40处理降低了5.33百分点。进一步分析地上部营养器官中Cd分配比例可知,与CK相比,Zn200+CA40处理显著增加了主茎、叉茎上叶与主茎上叶Cd分配比例,从而增加地上部营养器官Cd分配比例,降低果实Cd分配比例(图1-B)。
CK,叶面喷施纯水;Zn200,叶面喷施200 μmol·L-1 ZnSO4;CA40,叶面喷施40 μmol·L-1柠檬酸;Zn200+CA40,叶面喷施200 μmol·L-1 ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸。不同处理下辣椒相同部位间不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)。下同。CK, Spraying pure water on leaves; Zn200, Spraying 200 μmol·L-1 ZnSO4 on leaves; CA40, Spraying 40 μmol·L-1 citric acid on leaves; Zn200+CA40, Spraying 200 μmol·L-1 ZnSO4 and 40 μmol·L-1 citric acid on leaves. The different lowercase letters indicated significant differences (P<0.05) among the same part under the different treatment. The same as below.图1 不同处理辣椒各部位Cd分配比例Fig.1 Proportion of Cd accumulation in each part of pepper under different treatments
2.3.1 不同处理对辣椒Cd吸收与根向茎叶转运Cd的影响
从图2-A可以看出,辣椒对土壤Cd的富集能力较强,富集系数(BCF)为240.19%~351.82%,叶面喷施ZnSO4或柠檬酸能够显著降低辣椒对土壤Cd的富集系数,与CK相比,Zn200+CA40处理BCF降幅最大,降低了31.73%。从图2-B可以看出,与CK相比,除Zn200处理外,CA40处理与Zn200+CA40处理的TF地上部/根均显著增加。从图2-C与图2-D可以看出,与CK相比,Zn200+CA40处理显著增加了TF主茎/根(根向主茎转运Cd的效率)、TF叉茎/根(根向叉茎转运Cd的效率)、TF主茎上叶/根(根向主茎上叶转运Cd的效率)与TF叉茎上叶/根(根向叉茎上叶转运Cd的效率),各处理的TF主茎上叶/根均大于100%,说明辣椒主茎上叶对Cd的贮存累积能力较强,Zn200+CA40处理的TF主茎上叶/根增幅最大,增加93.56%;此外,Zn200+CA40处理显著促进了Cd在主茎上叶中分配(图1)间接印证了Zn200+CA40处理促进辣椒Cd向主茎上叶转运与累积。
图2 各处理辣椒对Cd富集能力与根向地上部或茎叶转运Cd的效率Fig.2 Cd enrichment capacity and efficiency of Cd translocation from root to above-ground part, stem and leaf by pepper in each treatment
2.3.2 不同处理对辣椒植株向果实转运Cd的影响
从图3-A可以看出,与CK相比,Zn200和CA40处理与其差异不显著,Zn200+CA40处理的TF果实/地上部营养器官(地上部营养器官向果实转运Cd的效率)显著降低,降低19.71%。从图3-B可以看出,各处理的TF果实/主茎或TF果实/叉茎均大于100%,但差异不显著。从图3-C可以看出,与CK相比,Zn200+CA40处理的TF果实/主茎上叶与TF果实/叉茎上叶显著降低,分别降低了27.90%与16.41%。
图3 地上部营养器官或茎叶向果实转运Cd的效率Fig.3 Efficiency of Cd transport from above-ground vegetative organ, stem and leaf to fruit
综上,Zn200+CA40处理显著降低了辣椒BCF整株、TF果实/地上部营养器官、TF果实/主茎上叶与TF果实/叉茎上叶,显著增加了TF地上部/根,说明Zn200+CA40处理抑制辣椒对土壤Cd吸收的同时,增加了根部向地上部转运Cd的能力,但通过降低叶片向果实转运Cd的能力,将Cd累积在叶片与主茎中,从而降低果实Cd的分配。
由表4可知,叶面喷施ZnSO4或柠檬酸及其二因素互作对辣椒根Cd净吸收量均有极显著影响。由图4-A可知,在不喷施柠檬酸条件下,叶面喷施ZnSO4对辣椒根Cd净吸收量无显著影响,在叶面喷施40 μmol·L-1柠檬酸条件下,叶面喷施ZnSO4极显著降低辣椒根Cd净吸收量。由图4-B可知,在不喷施锌条件下,叶面喷施柠檬酸对辣椒根Cd净吸收量无显著影响,在喷施200 μmol·L-1ZnSO4条件下,叶面喷施40 μmol·L-1柠檬酸极显著降低辣椒根Cd净吸收量。与CK相比,Zn200+CA40处理辣椒根Cd净吸收量显著降低,降幅为26.78%。
图A中不同小写字母表示同一柠檬酸用量条件下不同ZnSO4用量间的差异达到极显著水平(P<0.01);图B中不同小写字母表示同一ZnSO4用量条件下不同柠檬酸用量间的差异达到极显著水平(P<0.01)。The different lowercase letters indicate extremely significant different (P<0.01) between different ZnSO4 application rates under the same citric acid application rates in figure A; The different lowercase letters indicate extremely significant different (P<0.01) between different citric acid application rates under the same ZnSO4 application rates in figure B.图4 不同处理辣椒根Cd净吸收量Fig.4 Net Cd uptake by pepper root in different treatments
表4 辣椒根Cd净吸收量双因素方差分析Table 4 Two-factor ANOVA for net Cd uptake by pepper roots
辣椒果实Cd含量与叉茎Cd含量、主茎Cd含量、叉茎上叶Cd含量、主茎上叶Cd含量、根Cd含量、根净吸Cd量、BCF、TF地上部营养器官/根、TF主茎/根、TF叉茎/根、TF主茎上叶/根、TF叉茎上叶/根、TF果实/主茎、TF果实/叉茎、TF果实/主茎上叶、TF果实/叉茎上叶、TF果实/地上部营养器官的相关系数分别为0.327、-0.184、0.275、-0.521、0.865、0.756、0.806、-0.907、-0.846、-0.681、-0.876、-0.863、0.432、0.044、0.688、0.312、0.460,其中,辣椒果实Cd含量与根Cd含量、根净吸Cd量、辣椒对土壤Cd富集系数(BCF)极显著正相关,与主茎上叶向果实转运Cd的效率(TF果实/主茎上叶)显著正相关,与根向地上部营养器官、叉茎、主茎、叉茎上叶与主茎上叶转运Cd的效率(TF地上部营养器官/根、TF叉茎/根、TF主茎/根、TF叉茎上叶/根、TF主茎上叶/根)极显著负相关。
Zn是植物体内多种酶的组成成分,参与生长素和叶绿素的合成,充分供Zn能够促进作物的光合作用,提高作物产量[24]。陈贵青等[6]研究发发现,在≤400 μmol·L-1时,叶面喷施ZnSO4能够显著增加辣椒(品种:世农朝天椒)植株或果实产量;李美玲等[25]研究表明,叶面喷施0.07%的ZnSO4也能够显著增加辣椒(品种:韩国朝天椒)果实产量。不同品种作物对盐胁迫的耐受性不同[26]。本试验条件下,叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4对辣椒(品种:青红元帅)产量增加不显著,这可能是因为不同辣椒品种对Zn的营养需求与耐受性不同造成的原因。此外,本试验条件下,叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4显著提升辣椒果实VC含量,与李美玲等[25]的报道一致。植物体内小分子有机酸是能量转化过程中的重要介质,在蛋白质、脂类和核酸等物质合成中发挥着重要作用,并且能够调控作物气孔导度与离子运输等[27],因此叶面喷施小分子有机酸不仅能够为作物提供有机质,还能调控植物生长发育。于丹等[28]报道,叶面喷施2‰乙酰丙酸能够显著提升辣椒果实产量与VC含量,而叶面喷施2‰柠檬酸对辣椒果实产量、可溶性糖和VC含量均无显著影响,本研究结果与其柠檬酸效果一致。但在本研究中协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸显著降低了辣椒果实产量、可溶性糖与氨基酸含量,是否是因为二者配施抑制了辣椒果实对营养物质的吸收与转运,仍需要进一步深入研究。
以往研究多是将辣椒分成根、茎、叶与果实5部分,Wang等[29]发现,辣椒(品种:杭椒7号)各部位Cd分配表现为根>茎>叶>果实;赵首萍等[10]发现,艳椒425各部位Cd含量表现为茎>叶>根>果实。而本研究中将辣椒分成根、主茎、叉茎、主茎上叶、叉茎上叶与果实6部分,其各部位Cd含量表现为主茎上叶>根>果实>叉茎上叶>叉茎≈主茎。可见,不同辣椒品种或试验条件下,辣椒Cd含量分布不同,而不同叶位Cd含量存在差异可能与主茎上叶生长周期较长、物质吸收贮存较多有关。本研究中协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸显著促进了Cd在地上部营养器官的分布,尤其是在主茎上叶的分布,原因可能是因为叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸显著促进了辣椒根向主茎上叶转运Cd的效率。
辣椒是富Cd能力较强的蔬菜,胡立志等[5]报道,辣椒对土壤Cd的富集系数(BCF)可达3.04,本研究中辣椒的BCF为240.19%~351.82%,叶面喷施200 μmol·L-1ZnSO4或40μmol·L-1柠檬酸均能显著降低辣椒的BCF,但辣椒果实Cd含量仍然超标,这可能是因为指型朝天椒具有较长的生育期,其对土壤Cd的富集累积能力较强[4]。Xin等[9]报道,辣椒根Cd净吸收量(RA)是影响辣椒对土壤Cd富集系数(BCF)的关键因子,RA能够反映单位质量辣椒根系对土壤镉的吸收量,RA值越高,辣椒根系对Cd的吸收能力越强,即辣椒对土壤Cd富集能力越强,本研究中协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸能够显著降低RA,相关性分析结果也显示,辣椒果实Cd含量与BCF、RA呈极显著正相关,说明协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸降低辣椒RA是辣椒果实Cd含量降低的原因之一。邵晓庆等[11]认为,辣椒果实Cd含量取决于辣椒根部向地上部转运Cd的能力和地上部向果实再分配Cd的能力;而赵首萍等[10]认为,辣椒果实Cd含量主要归因于辣椒植株对Cd的富集能力及其地上部向果实再分配Cd的能力。本研究相关性分析也发现,辣椒果实Cd含量与主茎上叶向果实转运Cd的效率(TF果实/主茎上叶)显著相关,而与叉茎、主茎及叉茎上叶向果实转运Cd的效率(TF果实/叉茎、TF果实/主茎、TF果实/叉茎上叶)相关性不显著,说明协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸降低TF果实/地上部营养器官,尤其是TF果实/主茎上叶的降低是辣椒果实Cd含量降低的另一个原因。综上,协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸促进Cd在辣椒主茎上叶片的分配,结合适时打掉主茎上叶片可能是一种降低辣椒果实Cd含量的有效农艺措施。
本研究中,辣椒对土壤Cd的富集能力达240.19%~351.82%,协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸处理辣椒果实Cd含量降幅为26.58%,但仍不能实现辣椒果实Cd安全生产。协同喷施200 μmol·L-1ZnSO4与40 μmol·L-1柠檬酸处理主要通过降低主茎上叶向果实转运Cd的效率和辣椒根Cd净吸收量消减辣椒果实Cd含量,但同时降低了辣椒果实的产量、可溶性糖与氨基酸含量。