不同施肥處理對連作土壤-辣椒體系中重金屬富集特性及辣椒品質的影響

柳小蘭 鄧廷飛 王道平 張清海 魏福曉 葛麗娟 潘雄 丁健

摘要：為了研究不同施肥處理對連作障礙根際土壤與辣椒中重金屬的含量特征、富集特性、安全性評價以及辣椒品質的影響，尋求安全且有效緩解辣椒連作障礙的最佳施肥方式，以連作障礙根際土壤和辣椒果實為研究對象，對土壤和辣椒中7個重金屬和3個品質指標進行測定。結果表明，不同施肥處理下土壤重金屬含量各異，根際土壤Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均在國家Ⅱ級標準（ GB 15618—2008）規定范圍內，樣點達標率為100%，T3、T9處理中的Cd以及T10處理中的Hg在個別樣點超標率均為33.33%；污染評價中，T3、T10處理分別處于警戒線和輕度污染狀態，其他處理均為清潔水平；不同施肥處理下，辣椒同一重金屬元素含量差異均較小，在2種評價標準中，As、Hg均未超標，Cd則呈現不同程度的超標，尤其在《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》評價標準中超標率達100%；不同施肥處理下Cd在辣椒中富集能力最強，富集系數均大于1，Cu次之；T6處理中，辣椒素含量和辣度均為最高，而二氫辣椒素含量則位于T5、T7處理之后，排列第3位，但三者之間含量相差較小。得出結論，結合土壤重金屬污染評價、土壤-辣椒果實重金屬含量累積特征和富集特性以及辣椒果實品質評價進行綜合考慮，T6處理施肥效果最佳，能夠提升辣椒品質，可安全且有效緩解辣椒的連作障礙現象。

關鍵詞：辣椒；根際土壤；連作障礙；重金屬；品質

中圖分類號：S641.306? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）13-0232-08

辣椒具有降脂、降糖、抗癌等作用，藥食兩用且營養豐富，其種植面積位居我國蔬菜作物中的第2位。辣椒作為貴州省重點推進的農村產業革命12個特色優勢產業之一，是農民重要的經濟收入來源。辣椒種植面積雖逐年擴增，但產量品質卻不佳，有研究表明與連作障礙密切相關［1-2］，還與重金屬超標有一定關系［3］。貴州省很多地方生產的蔬菜中鉛、砷、鎘等重金屬含量存在超標情況，有些甚至接近臨界值［4］。辣椒屬于重金屬高積累作物之一，辣椒果實相繼被報道出重金屬超標問題，尤其是Cd。重金屬超標不僅影響辣椒口感，降低營養價值和品質，大大限制了無公害辣椒的生產和辣椒產品的出口，降低經濟效益［3］，長期食用還會對人體肝臟等器官造成傷害［5-6］。

有研究表明，通過施用有機肥［7-8］、微生物菌肥［9-10］或化肥減量配施有機肥［11-12］等措施，均能促進辣椒果實生長發育，改善辣椒品質，實現提質增產增效。但張德林等研究發現，施用混合型微生物菌肥會提高土壤Cd含量，增加土壤污染風險［13］。劉榮樂等研究顯示，有機肥Pb、Cd超標率為1.2%、67.9%［14］。而長期施用重金屬超標的有機肥會導致土壤中重金屬的積累，進而影響作物的生長發育。唐政等研究表明，施用豬糞有機肥使辣椒果實中Cd等重金屬元素超標［15］。在貴州喀斯特山地農業環境制約下，耕地資源環境面臨著多重挑戰，為了緩解貴州辣椒連作障礙現象，安全科學施肥才是實現辣椒產業可持續穩定發展的必經之路。本試驗以大田試驗為基礎，利用有機肥、生物菌劑和復合肥不同組合的配合施用，研究不同施肥處理對根際土壤和辣椒果實中重金屬的積累情況及辣椒品質的影響，并對其進行安全性評價，以期規避辣椒果實中重金屬含量超標和緩解貴州省辣椒的連作障礙現象，為辣椒安全生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：線椒品種香辣四號。

供試土壤：辣椒根際土壤。

供試肥料：（1）復合肥（市場購買），氮、磷、鉀含量各占18％；（2）微生物菌劑（貴州萬和生態環保有限公司）：枯草芽孢桿菌（1 000億/g）；解淀粉復合菌劑（200億/g）；淡紫擬青霉菌（260億/g） 。 （3）功能性有機肥：利用磷石膏和廢棄菌棒等原料發酵自制，經貴州省中國科學院天然產物化學重點實驗室檢測，肥料pH值為6.09，含全氮1.48%、全磷1.95%、全鉀1.31%、有機質41.25%、總腐殖酸25.89%。

1.2 試驗區概況

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區黔陶鄉力合農業種植基地，該地屬東部低中丘陵谷盆地區（106°45′42″E，26°19′2″N），地勢東北高、西南低，地域北寬南窄，平均海拔約1 350 m，年平均氣溫 15.6 ℃，屬亞熱帶高原季風氣候；年平均日照時數 1 350 h，年平均降水量1 100 mm，年平均無霜期 285 d。試驗地為連續7年種植香辣四號品種的辣椒種植基地。

1.3 試驗設計

試驗于2021年3—7月在基地展開大田試驗。辣椒于2月中下旬在大棚中育苗，3月底起壟施肥后覆膜，按株行距30 cm×50 cm移栽定植。定植后進行常規管理，試驗期間不噴灑任何藥劑，人工除草。每個區域試驗設12個處理，每個處理重復3次，采用隨機區組設計排列，共劃分36個小區，每個小區面積為6.0 m2，以常規施肥作為對照（CK）。復合肥施用量為1 125 kg/hm2，功能性有機肥施用量為15 t/hm2，復合肥和有機肥均為根部施肥；微生物菌劑施用量均為7.5 kg/hm2，兌水后沖施根部。試驗方案詳見表1。

1.4 樣品采集與制備

1.4.1 樣品采集 于2021年8月7日對成熟期辣椒進行采摘，每個處理選取長勢基本一致的辣椒，混合采摘2 kg左右果實，分別裝袋標記。同時在對應的辣椒植株下利用木制工具采集5～20 cm的根際土壤（距植株 0.2～0.5 m），土壤樣品質量約 1 kg，將樣品裝入潔凈聚乙烯塑料袋封裝，寫上編號，與此同時做好采樣記錄。共采集樣品48個，含辣椒果實12個、對應根際土壤36個。

1.4.2 樣品制備 將辣椒樣品用自來水沖洗3遍，再用超純水（18.2 MΩ·cm）沖洗3 遍，置于恒溫鼓風干燥箱中于105 ℃殺青30 min后，以65 ℃烘干至恒質量，去除辣椒的胎座，采用高速萬能粉碎機磨碎，過60目尼龍篩，裝入聚乙烯塑料自封袋中，做好標記，密封保存。同時，將采集的土壤樣品剔除植物的根、葉、石塊等異物，放在通風處自然風干后，采用四分法研磨后，分別過0.25、2.00 mm 篩，儲存于塑料袋中備用。

1.5 樣品測定

（1）土壤pH 值的測定采用玻璃電極法（NY/T 1377—2007）；（2）鉛、鎘含量的測定采用石墨爐原子吸收法；（3）砷、汞含量的測定采用原子熒光光譜法；（4）銅和鋅含量的測定采用電感耦合等離子發射光譜法；（5）辣椒素和二氫辣椒素含量的測定采用高效液相色譜法。檢測依據均為現行有效的國家標準。

分析過程中以國家標準土壤樣品（GSS-2、GSS-5）以及國家標準植株樣品（GSV-2）進行分析質量控制，設定樣品重復數10％～15％，每批樣品設2個空白。

1.6 數據統計分析方法

數據統計分析采用Excel 2013、DPS（7.05）軟件。

1.7 評價方法

1.7.1 土壤評價標準及方法 本研究參照我國《土壤環境質量標準》（GB 15618—2008）［16］作為土壤質量評價標準，對不同施肥處理下的辣椒土壤重金屬含量進行安全性評價。采用單因子指數法和綜合污染指數法能較全面地反映土壤環境的整體質量狀況，通過N. L .Nemerow綜合指數法［17］對土壤環境質量進行客觀性評價。

1.7.2 辣椒評價標準方法 本研究以《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1—2001）［18］和《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》（WM/T2—2019）［19］作為評價標準，對不同施肥處理的辣椒中重金屬Cr、Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd進行安全性評價。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下土壤重金屬含量特征

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

就土壤中各重金屬含量而言，Cr表現為T3＞T1＞T5＞T7＞T4＞T8＞T9＞T10＞T11＞CK＞T6＞T2；Cu表現為T7＞T8＞T3＞T5＞T1＞T2＞T6＞T10＞T4＞T9＞T11＞CK；Zn表現為T7＞T8＞T3＞T5＞T1＞T10＞T9＞T11＞T6＞T2＞T4＞CK；As表現為 T3＞T7＞T5＞T1＞T8＞CK＞T2＞T11＞T4＞T9＞T10＞T6；Hg表現為T10＞T7＞T9＞T2＞T3＞T8＞CK＞T1＞T4＞T5＞T6＞T11；Pb表現為T3＞T1＞T7＞T5＞T8＞T4＞T9＞T2＞T11＞CK＞T6＞T10；Cd表現為T3＞T9＞T11＞T8＞T2＞T6＞T1＞CK＞T10＞T7＞T5＞T4。由上可知，T3處理中7種重金屬含量排名均在前5位，T1、T5、T7、T8處理中均有至少5種重金屬排名在前5位，表明T1、T3、T5、T7、T8處理對重金屬的吸收、螯合或固定能力比其他處理強。

研究區域中各元素分布和累積程度的差異以及受人為活動影響的程度，可通過變異系數反映，其值越大說明受人為活動干擾越強烈［20］。就變異程度來看，土壤pH值均為弱變異，而土壤重金屬的變異程度各異。T2處理中的Cr、Cu、Zn，T5、T11、CK處理中的As，T9、T10處理中的Hg，T2、T6、T10處理中的Pb，T1、T2、T3、T6、T7、T8、T9、T11處理中的Cd，均為強變異；其中以重金屬Cd的變異范圍廣且變異程度較大，表明重金屬Cd受人為活動干擾影響比其他重金屬元素大。

根據國家Ⅱ級標準（GB 15618—2008）可知，除了T10處理中重金屬Hg達到臨界值0.2 mg/kg外，其他各施肥處理中的土壤重金屬含量均遠遠低于標準限量值。

2.2 不同施肥處理下土壤重金屬污染評價

通過《土壤環境質量標準》和N. L .Nemerow綜合指數法得出不同施肥處理下土壤重金屬單項、綜合及分級評價結果（表3）。不同施肥處理下，土壤重金屬Cd 的單因子污染指數（Pi）在T3、T9處理的重復中最高分別為1.18、0.94，表明T3處理屬于輕度污染，T9處理屬于尚清潔； Hg 的單因子污染指數（Pi）在T10重復中最高為1.97，表明T10處理處于輕度污染。其他金屬元素單因子污染指數（Pi）均低于0.7，處于無污染狀態，屬于安全等級。

分析綜合污染指數（P綜），T3、T10處理的綜合污染指數分別為0.87、1.41，分別處于警戒線和輕度污染狀態。這是由于本研究選定的污染評價因子中，Cd貢獻率極高所導致，這與貴州省土壤Cd具有“天生的”高背景特性［21］密切相關。而其他處理的均為清潔水平，屬于安全等級。

2.3 不同施肥處理下辣椒重金屬元素含量特征及安全性評價

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

就辣椒果實的重金屬含量而言，不同施肥處理中Cr表現為T10＞CK＞T7＞T11＞T1＞T2＞T8＞T6＞T5＞T4＞T9＞T3；Cu表現為T6＞T10＞T4＞T3＞T5＞T2＞T7＞T1＞T8＞T11＞T9＞CK；Zn表現為T8＞T4＞T7＞T5＞T2＞T1＞T3＞T6＞T11＞CK＞T10＞T9；As表現為T4＞CK＞T1＞T5＞T10＞T6＞T2＞T11＞T9＞T3＞T8＞T7；Hg在T1～T5處理中未檢出或低于儀器檢出限，其他處理表現為T7＝T8＝T9＝CK＞T6＝T10＝T11；Pb表現為T3＞T2＞T4＞T5＞T6＞T7＞T11＞T8＞T9＞T10＞CK＞T1；Cd表現為T11＞T2＞T4＞T10＞T6＞CK＞T5＞T3＞T7＞T1＞T9＞T8。不同施肥處理下的辣椒果實同一重金屬元素含量差異均較小，且累積量呈現隨機性。

由變異程度來看，重金屬Cr在T1、T10、T11處理中為中等強度變異，其他處理均為強變異；Cu在T6、T9、T10、T11處理中為中等強度變異，其他處理中均為弱變異；Zn在T1、T2、T4、CK處理中為弱變異，其他處理中均為中等強度變異；As在T11、CK處理中為中等強度變異，其他處理均為強變異；Hg、Pb在T10處理中為中等強度變異，其他處理均為強變異；Cd在T4、T5、T6、T7、CK處理中為強變異，其他處理中為中等強度變異。由上可知，重金屬Cr、As、Hg、Pb、Cd在各處理中的變異系數變幅極大，為11.92%～150.37%，其中強變異占比為68.33%，表明不同施肥處理下辣椒果實中重金屬Cr、As、Hg、Pb、Cd含量分布不均勻，這可能與肥料的種類和施用均勻度、大氣干濕沉降以及人為采摘等因素有關。

鑒于辣椒具有藥食同源的特性，在藥用行業中潛力巨大［22］，因此本研究以《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》作為評價標準，對辣椒中重金屬Cr、Cu、Zn、As、Hg、Pb、Cd進行評價。結果顯示：以《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》作為評價標準時，重金屬Cr、Zn未做規定；除了T2、T11處理中的Cd含量達到限量臨界值（0.3 mg/kg）外，且超標率均為66.67%，其他重金屬在各個處理中的含量均遠遠低于限量值。以《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》作為評價標準時，重金屬Cu、Zn未做規定；As、Hg均未超標；Cr在T3、T4、T5、T6、T9處理均未超標，其他處理均超標；Pb在T1處理中未超標，在T9、T10、CK處理中達到限量臨界值（0.2 mg/kg），其他處理均超標；各個處理中Cd含量均遠遠高于限量值（0.05 mg/kg），且超標率為100%。由此可知，2種評價標準下，結果均顯示辣椒果實中As、Hg未超標，而Cd有不同程度的超標，表明辣椒果實對Cd的吸收富集能力高于其他重金屬。結果不一致主要是由于2種評價的標準以及側重點不同所導致，由此表明，單一標準評價具有一定的局限性，結合多種標準共同評價可使評價結果更為全面可靠。通過以上分析可知，辣椒果實中的重金屬Cr、Pb、Cd含量較高（尤其是Cd），具有一定的食用風險，應引起重視。

2.4 不同施肥處理下辣椒的品質特性

辣椒素、二氫辣椒素、辣度是反映辣椒食用品質的重要指標。由表5可知，不同施肥處理下的辣椒品質各不相同，其中辣椒素的含量范圍為 0.673～0.838 mg/g，二氫辣椒素的含量范圍為0.177～0.246 mg/g，辣度范圍為97～123。不同施肥處理下，辣椒素含量表現為T6＞T3＞T2＞T4＝T7＞T8＞T9＞T5＞T1＞T11＞T10＞CK；二氫辣椒素含量表現為T7＞T5＞T6＞T3＞T8＞T2＞T4＞T11＞T10＞T9＞T1＞CK；辣度表現為T6＞T3＞T2=T7＞T5＞T8＞T4＞T9＞T1＞T10=＞T11＞CK。由上可知，雖然T6處理中二氫辣椒素含量位居第3位，但與T5、T7處理的含量相差較小，且不論是辣椒素含量還是辣度，T6處理均為最高，且T6處理中辣椒素、二氫辣椒素、辣度分別為是CK處理的1.25、1.36、1.27倍，表明T6處理的肥料配合施用效果最佳，能夠提升辣椒品質，可有效緩解辣椒的連作障礙現象。

2.5 不同施肥處理下土壤-辣椒體系中重金屬的富集特征

不同重金屬元素在根際土－辣椒果實中遷移特性不同，本研究用富集系數BCF（即辣椒果實中重金屬含量/土壤中重金屬含量）表示辣椒果實中重金屬相對于土壤的富集程度。在一定程度上，BCF可體現出元素在土壤-植物系統中遷移難易程度［23］；BCF越大，表明重金屬元素遷移進入辣椒體內的能力就越強。

由表6可知， 不同施肥處理下辣椒果實對土壤中重金屬的富集能力各異，其中對Cr表現為T10＞CK＞T11＞T2＞T7＞T8＞T1=T6＞T4=T9=T5＞T3；對Cu表現為T10＞T6＞T4＞T2＞T11＞CK＞T9＞T5＞T3＞T1＞T7＞T8；對 Zn表現為T4＞T2＞T6＞CK＞T11＞T8＞T5＞T1＞T7＞T3＞T10＞T9；對Pb表現為T3＞T6＞T2＞T4＞T10＞T5＞T11＞T7＞T9＞T8=CK＞T1；對Cd表現為T4＞T5＞T7＞T10＞CK＞T2＞T6＞T1＞T11＞T8＞T3＞T9；對As表現為T4＞T10＞T6＞CK＞T1＞T5＞T11＞T2＞T9＞T8=T3＞T7；對Hg表現為CK＞T8＞T9＞T7＞T11＞T6＞T10。由上可知，除重金屬Pb外，其他重金屬在CK處理中的富集能力排名均在前6位，表明CK處理比其他處理中土壤重金屬遷移富集到辣椒果實的風險更大。

整體而言，不同施肥處理中重金屬Cd的遷移富集能力最強，富集系數范圍為1.397 ～11.187；Cu次之，富集系數范圍為0.431～0.614；Zn與Cu富集能力相當，富集系數范圍為0.376～0.531；其他元素富集能力較小，且富集系數均低于0.1。因此Cd、Cu、Zn很容易被辣椒吸收進而富集在辣椒的果實中，尤其是Cd，不僅對農產品品質產生危害，還可通過食物鏈的傳遞作用在人體內積累，進而增加影響健康。

3 結論與討論

本研究表明，不同施肥處理下土壤重金屬含量各異，除了T10處理中重金屬Hg達到臨界值0.2 mg/kg 外，其他各施肥處理中各土壤重金屬元素含量均遠遠低于標準限量值；不同施肥處理下重金屬的變異程度也各不相同，其中以重金屬Cd的變異范圍廣且變異程度較大，表明Cd受到的人為活動干擾影響比其他重金屬大。此外，根據研究區的土壤pH值并結合國家Ⅱ級標準（GB 15618—2008）可知，本研究中不同施肥處理下土壤Cr、Cu、Zn、As、Pb含量均在該標準規定范圍內，樣點達標率為100%；而Cd在T3、T9處理中，Hg在T10處理中的個別樣點超標率均為33.33%。將不同施肥處理下各重金屬元素含量按降序排列得出，除了T6和CK處理外，其他處理的重金屬均以不同順序出現在前5位排名，尤其T1、T3、T5、T7、T8處理均有至少5種重金屬排名在前5位，說明T6、CK處理較其他處理的重金屬累積潛在風險小。結合土壤重金屬污染評價結果，即T6處理與CK處理相比，綜合污染指數??；結合重金屬的富集特性，即重金屬Hg在CK處理中的富集能力最強，表明T6處理相對優于CK處理。根據辣椒果實評價，T6處理的辣椒素和辣度均為最高，二氫辣椒素含量也相對較高，整體品質較高，肥料配合施用效果最佳，可知T6處理能夠提升辣椒品質，可安全有效地緩解辣椒的連作障礙現象。

貴州省屬于Cd的地球化學異常區。在《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》2種評價標準下，本研究不同施肥處理下辣椒果實的As、Hg均未超標，而Cd則呈現不同程度的超標。尤其在《農產品安全質量：無公害蔬菜安全要求》評價中，各個處理中辣椒果實Cd含量遠遠超出限量值（0.05 mg/kg），超標率為100%，表明辣椒果實對Cd具有較強富集效應，屬于高Cd 累積蔬菜，這與一些研究結果［24-25］相反。本研究中辣椒果實對Cd具有高富集特性，對As、Hg吸收量較低，這與前人研究結果［26-27］相似。辣椒對土壤中重金屬Cd具有較強的吸收遷移富集能力，可能與研究區土壤呈酸性有關，即pH值較低的土壤中Cd2+的遷移能力較強［28］，這與一些研究結果［29-31］相符；而與江水英等的研究結果不一致，即辣椒果實BCF中，Zn最大，Cd次之［32］。本研究中各處理辣椒中重金屬Cd的富集系數均大于1，與殷山紅的研究結果［33］相反，這可能與辣椒品種、肥料種類、施肥方式、土壤理化性質、土壤元素有效態等綜合因素有關。有研究表明，重金屬低積累農作物的篩選標準是可食部位中重金屬含量低于國家食品安全相關標準，且作物對重金屬元素的轉運系數和富集系數均小于1［34］。本研究中，辣椒果實Cd含量均超過國家食品安全標準（0.05 mg/kg）［35］，且各個施肥處理下的辣椒果實對Cd的富集系數均大于1，表明本研究使用的辣椒品種可能屬于易富集Cd品種。但Cd從土壤到辣椒根、莖、葉、果實的轉運情況尚不清楚，需進一步試驗，方可確定本研究使用的辣椒品種是否為易富集Cd品種，此方向值得深入探究，以期為低富集Cd的辣椒品種篩選提供理論支撐，對辣椒安全生產具有重要的理論意義。

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