不同施肥处理对连作土壤-辣椒体系中重金属富集特性及辣椒品质的影响

柳小兰 邓廷飞 王道平 张清海 魏福晓 葛丽娟 潘雄 丁健

摘要：为了研究不同施肥处理对连作障碍根际土壤与辣椒中重金属的含量特征、富集特性、安全性评价以及辣椒品质的影响，寻求安全且有效缓解辣椒连作障碍的最佳施肥方式，以连作障碍根际土壤和辣椒果实为研究对象，对土壤和辣椒中7个重金属和3个品质指标进行测定。结果表明，不同施肥处理下土壤重金属含量各异，根际土壤Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均在国家Ⅱ级标准（ GB 15618—2008）规定范围内，样点达标率为100%，T3、T9处理中的Cd以及T10处理中的Hg在个别样点超标率均为33.33%；污染评价中，T3、T10处理分别处于警戒线和轻度污染状态，其他处理均为清洁水平；不同施肥处理下，辣椒同一重金属元素含量差异均较小，在2种评价标准中，As、Hg均未超标，Cd则呈现不同程度的超标，尤其在《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》评价标准中超标率达100%；不同施肥处理下Cd在辣椒中富集能力最强，富集系数均大于1，Cu次之；T6处理中，辣椒素含量和辣度均为最高，而二氢辣椒素含量则位于T5、T7处理之后，排列第3位，但三者之间含量相差较小。得出结论，结合土壤重金属污染评价、土壤-辣椒果实重金属含量累积特征和富集特性以及辣椒果实品质评价进行综合考虑，T6处理施肥效果最佳，能够提升辣椒品质，可安全且有效缓解辣椒的连作障碍现象。

关键词：辣椒；根际土壤；连作障碍；重金属；品质

中图分类号：S641.306  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）13-0232-08

辣椒具有降脂、降糖、抗癌等作用，药食两用且营养丰富，其种植面积位居我国蔬菜作物中的第2位。辣椒作为贵州省重点推进的农村产业革命12个特色优势产业之一，是农民重要的经济收入来源。辣椒种植面积虽逐年扩增，但产量品质却不佳，有研究表明与连作障碍密切相关［1-2］，还与重金属超标有一定关系［3］。贵州省很多地方生产的蔬菜中铅、砷、镉等重金属含量存在超标情况，有些甚至接近临界值［4］。辣椒属于重金属高积累作物之一，辣椒果实相继被报道出重金属超标问题，尤其是Cd。重金属超标不仅影响辣椒口感，降低营养价值和品质，大大限制了无公害辣椒的生产和辣椒产品的出口，降低经济效益［3］，长期食用还会对人体肝脏等器官造成伤害［5-6］。

有研究表明，通过施用有机肥［7-8］、微生物菌肥［9-10］或化肥减量配施有机肥［11-12］等措施，均能促进辣椒果实生长发育，改善辣椒品质，实现提质增产增效。但张德林等研究发现，施用混合型微生物菌肥会提高土壤Cd含量，增加土壤污染风险［13］。刘荣乐等研究显示，有机肥Pb、Cd超标率为1.2%、67.9%［14］。而长期施用重金属超标的有机肥会导致土壤中重金属的积累，进而影响作物的生长发育。唐政等研究表明，施用猪粪有机肥使辣椒果实中Cd等重金属元素超标［15］。在贵州喀斯特山地农业环境制约下，耕地资源环境面临着多重挑战，为了缓解贵州辣椒连作障碍现象，安全科学施肥才是实现辣椒产业可持续稳定发展的必经之路。本试验以大田试验为基础，利用有机肥、生物菌剂和复合肥不同组合的配合施用，研究不同施肥处理对根际土壤和辣椒果实中重金属的积累情况及辣椒品质的影响，并对其进行安全性评价，以期规避辣椒果实中重金属含量超标和缓解贵州省辣椒的连作障碍现象，为辣椒安全生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试植物：线椒品种香辣四号。

供试土壤：辣椒根际土壤。

供试肥料：（1）复合肥（市场购买），氮、磷、钾含量各占18％；（2）微生物菌剂（贵州万和生态环保有限公司）：枯草芽孢杆菌（1 000亿/g）；解淀粉复合菌剂（200亿/g）；淡紫拟青霉菌（260亿/g） 。 （3）功能性有机肥：利用磷石膏和废弃菌棒等原料发酵自制，经贵州省中国科学院天然产物化学重点实验室检测，肥料pH值为6.09，含全氮1.48%、全磷1.95%、全钾1.31%、有机质41.25%、总腐殖酸25.89%。

1.2 试验区概况

试验地位于贵州省贵阳市花溪区黔陶乡力合农业种植基地，该地属东部低中丘陵谷盆地区（106°45′42″E，26°19′2″N），地势东北高、西南低，地域北宽南窄，平均海拔约1 350 m，年平均气温 15.6 ℃，属亚热带高原季风气候；年平均日照时数 1 350 h，年平均降水量1 100 mm，年平均无霜期 285 d。试验地为连续7年种植香辣四号品种的辣椒种植基地。

1.3 试验设计

试验于2021年3—7月在基地展开大田试验。辣椒于2月中下旬在大棚中育苗，3月底起垄施肥后覆膜，按株行距30 cm×50 cm移栽定植。定植后进行常规管理，试验期间不喷洒任何药剂，人工除草。每个区域试验设12个处理，每个处理重复3次，采用随机区组设计排列，共划分36个小区，每个小区面积为6.0 m2，以常规施肥作为对照（CK）。复合肥施用量为1 125 kg/hm2，功能性有机肥施用量为15 t/hm2，复合肥和有机肥均为根部施肥；微生物菌剂施用量均为7.5 kg/hm2，兑水后冲施根部。试验方案详见表1。

1.4 样品采集与制备

1.4.1 样品采集 于2021年8月7日对成熟期辣椒进行采摘，每个处理选取长势基本一致的辣椒，混合采摘2 kg左右果实，分别装袋标记。同时在对应的辣椒植株下利用木制工具采集5～20 cm的根际土壤（距植株 0.2～0.5 m），土壤样品质量约 1 kg，将样品装入洁净聚乙烯塑料袋封装，写上编号，与此同时做好采样记录。共采集样品48个，含辣椒果实12个、对应根际土壤36个。

1.4.2 样品制备 将辣椒样品用自来水冲洗3遍，再用超纯水（18.2 MΩ·cm）冲洗3 遍，置于恒温鼓风干燥箱中于105 ℃杀青30 min后，以65 ℃烘干至恒质量，去除辣椒的胎座，采用高速万能粉碎机磨碎，过60目尼龙筛，装入聚乙烯塑料自封袋中，做好标记，密封保存。同时，将采集的土壤样品剔除植物的根、叶、石块等异物，放在通风处自然风干后，采用四分法研磨后，分別过0.25、2.00 mm 筛，储存于塑料袋中备用。

1.5 样品测定

（1）土壤pH 值的测定采用玻璃电极法（NY/T 1377—2007）；（2）铅、镉含量的测定采用石墨炉原子吸收法；（3）砷、汞含量的测定采用原子荧光光谱法；（4）铜和锌含量的测定采用电感耦合等离子发射光谱法；（5）辣椒素和二氢辣椒素含量的测定采用高效液相色谱法。检测依据均为现行有效的国家标准。

分析过程中以国家标准土壤样品（GSS-2、GSS-5）以及国家标准植株样品（GSV-2）进行分析质量控制，设定样品重复数10％～15％，每批样品设2个空白。

1.6 数据统计分析方法

数据统计分析采用Excel 2013、DPS（7.05）软件。

1.7 评价方法

1.7.1 土壤评价标准及方法 本研究参照我国《土壤环境质量标准》（GB 15618—2008）［16］作为土壤质量评价标准，对不同施肥处理下的辣椒土壤重金属含量进行安全性评价。采用单因子指数法和综合污染指数法能较全面地反映土壤环境的整体质量状况，通过N. L .Nemerow综合指数法［17］对土壤环境质量进行客观性评价。

1.7.2 辣椒评价标准方法 本研究以《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1—2001）［18］和《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》（WM/T2—2019）［19］作为评价标准，对不同施肥处理的辣椒中重金属Cr、Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd进行安全性评价。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下土壤重金属含量特征

由表2可知，不同施肥处理下的土壤pH值范围为4.24～5.12，均呈酸性；Cr的含量范围为 29.61～40.31 mg/kg；Cu的含量范围为13.40～18.36 mg/kg；Zn的含量范围为40.82～53.26 mg/kg；Pb的含量范围为7.985～14.327 mg/kg；Cd的含量范围为0.021～0.150 mg/kg；As的含量范围为1.804～3.459 mg/kg；Hg的含量范围为0.074～0.177 mg/kg。

就土壤中各重金屬含量而言，Cr表现为T3＞T1＞T5＞T7＞T4＞T8＞T9＞T10＞T11＞CK＞T6＞T2；Cu表现为T7＞T8＞T3＞T5＞T1＞T2＞T6＞T10＞T4＞T9＞T11＞CK；Zn表现为T7＞T8＞T3＞T5＞T1＞T10＞T9＞T11＞T6＞T2＞T4＞CK；As表现为 T3＞T7＞T5＞T1＞T8＞CK＞T2＞T11＞T4＞T9＞T10＞T6；Hg表现为T10＞T7＞T9＞T2＞T3＞T8＞CK＞T1＞T4＞T5＞T6＞T11；Pb表现为T3＞T1＞T7＞T5＞T8＞T4＞T9＞T2＞T11＞CK＞T6＞T10；Cd表现为T3＞T9＞T11＞T8＞T2＞T6＞T1＞CK＞T10＞T7＞T5＞T4。由上可知，T3处理中7种重金属含量排名均在前5位，T1、T5、T7、T8处理中均有至少5种重金属排名在前5位，表明T1、T3、T5、T7、T8处理对重金属的吸收、螯合或固定能力比其他处理强。

研究区域中各元素分布和累积程度的差异以及受人为活动影响的程度，可通过变异系数反映，其值越大说明受人为活动干扰越强烈［20］。就变异程度来看，土壤pH值均为弱变异，而土壤重金属的变异程度各异。T2处理中的Cr、Cu、Zn，T5、T11、CK处理中的As，T9、T10处理中的Hg，T2、T6、T10处理中的Pb，T1、T2、T3、T6、T7、T8、T9、T11处理中的Cd，均为强变异；其中以重金属Cd的变异范围广且变异程度较大，表明重金属Cd受人为活动干扰影响比其他重金属元素大。

根据国家Ⅱ级标准（GB 15618—2008）可知，除了T10处理中重金属Hg达到临界值0.2 mg/kg外，其他各施肥处理中的土壤重金属含量均远远低于标准限量值。

2.2 不同施肥处理下土壤重金属污染评价

通过《土壤环境质量标准》和N. L .Nemerow综合指数法得出不同施肥处理下土壤重金属单项、综合及分级评价结果（表3）。不同施肥处理下，土壤重金属Cd 的单因子污染指数（Pi）在T3、T9处理的重复中最高分别为1.18、0.94，表明T3处理属于轻度污染，T9处理属于尚清洁； Hg 的单因子污染指数（Pi）在T10重复中最高为1.97，表明T10处理处于轻度污染。其他金属元素单因子污染指数（Pi）均低于0.7，处于无污染状态，属于安全等级。

分析综合污染指数（P综），T3、T10处理的综合污染指数分别为0.87、1.41，分别处于警戒线和轻度污染状态。这是由于本研究选定的污染评价因子中，Cd贡献率极高所导致，这与贵州省土壤Cd具有“天生的”高背景特性［21］密切相关。而其他处理的均为清洁水平，属于安全等级。

2.3 不同施肥处理下辣椒重金属元素含量特征及安全性评价

由表4可知，辣椒果实中Cr的含量范围为 0.06～1.75 mg/kg；Cu的含量范围为7.18～8.86 mg/kg；Pb的含量范围为0.114～0.750 mg/kg；Cd的含量范围为0.175～0.269 mg/kg；As的含量范围为0.008～0.197 mg/kg；Hg的含量范围为0.00～0.003 mg/kg。

就辣椒果实的重金属含量而言，不同施肥处理中Cr表现为T10＞CK＞T7＞T11＞T1＞T2＞T8＞T6＞T5＞T4＞T9＞T3；Cu表现为T6＞T10＞T4＞T3＞T5＞T2＞T7＞T1＞T8＞T11＞T9＞CK；Zn表现为T8＞T4＞T7＞T5＞T2＞T1＞T3＞T6＞T11＞CK＞T10＞T9；As表现为T4＞CK＞T1＞T5＞T10＞T6＞T2＞T11＞T9＞T3＞T8＞T7；Hg在T1～T5处理中未检出或低于仪器检出限，其他处理表现为T7＝T8＝T9＝CK＞T6＝T10＝T11；Pb表现为T3＞T2＞T4＞T5＞T6＞T7＞T11＞T8＞T9＞T10＞CK＞T1；Cd表现为T11＞T2＞T4＞T10＞T6＞CK＞T5＞T3＞T7＞T1＞T9＞T8。不同施肥处理下的辣椒果实同一重金属元素含量差异均较小，且累积量呈现随机性。

由变异程度来看，重金属Cr在T1、T10、T11处理中为中等强度变异，其他处理均为强变异；Cu在T6、T9、T10、T11处理中为中等强度变异，其他处理中均为弱变异；Zn在T1、T2、T4、CK处理中为弱变异，其他处理中均为中等强度变异；As在T11、CK处理中为中等强度变异，其他处理均为强变异；Hg、Pb在T10处理中为中等强度变异，其他处理均为强变异；Cd在T4、T5、T6、T7、CK处理中为强变异，其他处理中为中等强度变异。由上可知，重金属Cr、As、Hg、Pb、Cd在各处理中的变异系数变幅极大，为11.92%～150.37%，其中强变异占比为68.33%，表明不同施肥处理下辣椒果实中重金属Cr、As、Hg、Pb、Cd含量分布不均匀，这可能与肥料的种类和施用均匀度、大气干湿沉降以及人为采摘等因素有关。

鉴于辣椒具有药食同源的特性，在药用行业中潜力巨大［22］，因此本研究以《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》作为评价标准，对辣椒中重金属Cr、Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd进行评价。结果显示：以《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》作为评价标准时，重金属Cr、Zn未做规定；除了T2、T11处理中的Cd含量达到限量临界值（0.3 mg/kg）外，且超标率均为66.67%，其他重金属在各个处理中的含量均远远低于限量值。以《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》作为评价标准时，重金属Cu、Zn未做规定；As、Hg均未超标；Cr在T3、T4、T5、T6、T9处理均未超标，其他处理均超标；Pb在T1处理中未超标，在T9、T10、CK处理中达到限量临界值（0.2 mg/kg），其他处理均超标；各个处理中Cd含量均远远高于限量值（0.05 mg/kg），且超标率为100%。由此可知，2种评价标准下，结果均显示辣椒果实中As、Hg未超标，而Cd有不同程度的超标，表明辣椒果实对Cd的吸收富集能力高于其他重金属。结果不一致主要是由于2种评价的标准以及侧重点不同所导致，由此表明，单一标准评价具有一定的局限性，结合多种标准共同评价可使评价结果更为全面可靠。通过以上分析可知，辣椒果实中的重金属Cr、Pb、Cd含量较高（尤其是Cd），具有一定的食用风险，应引起重视。

2.4 不同施肥处理下辣椒的品质特性

辣椒素、二氢辣椒素、辣度是反映辣椒食用品质的重要指标。由表5可知，不同施肥处理下的辣椒品质各不相同，其中辣椒素的含量范围为 0.673～0.838 mg/g，二氢辣椒素的含量范围为0.177～0.246 mg/g，辣度范围为97～123。不同施肥处理下，辣椒素含量表现为T6＞T3＞T2＞T4＝T7＞T8＞T9＞T5＞T1＞T11＞T10＞CK；二氢辣椒素含量表现为T7＞T5＞T6＞T3＞T8＞T2＞T4＞T11＞T10＞T9＞T1＞CK；辣度表现为T6＞T3＞T2=T7＞T5＞T8＞T4＞T9＞T1＞T10=＞T11＞CK。由上可知，虽然T6处理中二氢辣椒素含量位居第3位，但与T5、T7处理的含量相差较小，且不论是辣椒素含量还是辣度，T6处理均为最高，且T6处理中辣椒素、二氢辣椒素、辣度分别为是CK处理的1.25、1.36、1.27倍，表明T6处理的肥料配合施用效果最佳，能够提升辣椒品质，可有效缓解辣椒的连作障碍现象。

2.5 不同施肥处理下土壤-辣椒体系中重金属的富集特征

不同重金属元素在根际土－辣椒果实中迁移特性不同，本研究用富集系数BCF（即辣椒果实中重金属含量/土壤中重金属含量）表示辣椒果实中重金属相对于土壤的富集程度。在一定程度上，BCF可体现出元素在土壤-植物系统中迁移难易程度［23］；BCF越大，表明重金属元素迁移进入辣椒体内的能力就越强。

由表6可知， 不同施肥处理下辣椒果实对土壤中重金属的富集能力各异，其中对Cr表现为T10＞CK＞T11＞T2＞T7＞T8＞T1=T6＞T4=T9=T5＞T3；对Cu表现为T10＞T6＞T4＞T2＞T11＞CK＞T9＞T5＞T3＞T1＞T7＞T8；对 Zn表现为T4＞T2＞T6＞CK＞T11＞T8＞T5＞T1＞T7＞T3＞T10＞T9；对Pb表现为T3＞T6＞T2＞T4＞T10＞T5＞T11＞T7＞T9＞T8=CK＞T1；对Cd表现为T4＞T5＞T7＞T10＞CK＞T2＞T6＞T1＞T11＞T8＞T3＞T9；对As表现为T4＞T10＞T6＞CK＞T1＞T5＞T11＞T2＞T9＞T8=T3＞T7；对Hg表现为CK＞T8＞T9＞T7＞T11＞T6＞T10。由上可知，除重金属Pb外，其他重金属在CK处理中的富集能力排名均在前6位，表明CK處理比其他处理中土壤重金属迁移富集到辣椒果实的风险更大。

整体而言，不同施肥处理中重金属Cd的迁移富集能力最强，富集系数范围为1.397 ～11.187；Cu次之，富集系数范围为0.431～0.614；Zn与Cu富集能力相当，富集系数范围为0.376～0.531；其他元素富集能力较小，且富集系数均低于0.1。因此Cd、Cu、Zn很容易被辣椒吸收进而富集在辣椒的果实中，尤其是Cd，不仅对农产品品质产生危害，还可通过食物链的传递作用在人体内积累，进而增加影响健康。

3 结论与讨论

本研究表明，不同施肥处理下土壤重金属含量各异，除了T10处理中重金属Hg达到临界值0.2 mg/kg 外，其他各施肥处理中各土壤重金属元素含量均远远低于标准限量值；不同施肥处理下重金属的变异程度也各不相同，其中以重金属Cd的变异范围广且变异程度较大，表明Cd受到的人为活动干扰影响比其他重金属大。此外，根据研究区的土壤pH值并结合国家Ⅱ级标准（GB 15618—2008）可知，本研究中不同施肥处理下土壤Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均在该标准规定范围内，样点达标率为100%；而Cd在T3、T9处理中，Hg在T10处理中的个别样点超标率均为33.33%。将不同施肥处理下各重金属元素含量按降序排列得出，除了T6和CK处理外，其他处理的重金属均以不同顺序出现在前5位排名，尤其T1、T3、T5、T7、T8处理均有至少5种重金属排名在前5位，说明T6、CK处理较其他处理的重金属累积潜在风险小。结合土壤重金属污染评价结果，即T6处理与CK处理相比，综合污染指数小；结合重金属的富集特性，即重金属Hg在CK处理中的富集能力最强，表明T6处理相对优于CK处理。根据辣椒果实评价，T6处理的辣椒素和辣度均为最高，二氢辣椒素含量也相对较高，整体品质较高，肥料配合施用效果最佳，可知T6处理能够提升辣椒品质，可安全有效地缓解辣椒的连作障碍现象。

贵州省属于Cd的地球化学异常区。在《药用植物及制剂外经贸绿色行业标准》《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》2种评价标准下，本研究不同施肥处理下辣椒果实的As、Hg均未超标，而Cd则呈现不同程度的超标。尤其在《农产品安全质量：无公害蔬菜安全要求》评价中，各个处理中辣椒果实Cd含量远远超出限量值（0.05 mg/kg），超标率为100%，表明辣椒果实对Cd具有较强富集效应，属于高Cd 累积蔬菜，这与一些研究结果［24-25］相反。本研究中辣椒果实对Cd具有高富集特性，对As、Hg吸收量较低，这与前人研究结果［26-27］相似。辣椒对土壤中重金属Cd具有较强的吸收迁移富集能力，可能与研究区土壤呈酸性有关，即pH值较低的土壤中Cd2+的迁移能力较强［28］，这与一些研究结果［29-31］相符；而与江水英等的研究结果不一致，即辣椒果实BCF中，Zn最大，Cd次之［32］。本研究中各处理辣椒中重金属Cd的富集系数均大于1，与殷山红的研究结果［33］相反，这可能与辣椒品种、肥料种类、施肥方式、土壤理化性质、土壤元素有效态等综合因素有关。有研究表明，重金属低积累农作物的筛选标准是可食部位中重金属含量低于国家食品安全相关标准，且作物对重金属元素的转运系数和富集系数均小于1［34］。本研究中，辣椒果实Cd含量均超过国家食品安全标准（0.05 mg/kg）［35］，且各个施肥处理下的辣椒果实对Cd的富集系数均大于1，表明本研究使用的辣椒品种可能属于易富集Cd品种。但Cd从土壤到辣椒根、茎、叶、果实的转运情况尚不清楚，需进一步试验，方可确定本研究使用的辣椒品种是否为易富集Cd品种，此方向值得深入探究，以期为低富集Cd的辣椒品种筛选提供理论支撑，对辣椒安全生产具有重要的理论意义。

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［35］国家食品安全标准：GB 2762—2022［S］.