鎘污染菜地葉面阻隔劑對不同品種辣椒鎘積累影響

王衛紅 ，高雙全，杜衍紅，李志豐，竇飛，曾曉舵*

1. 廣東省科學院生態環境與土壤研究所，廣東 廣州 510650；2. 深圳市環保科技集團有限公司，廣東 深圳 518049

近年來，經濟社會的飛速發展加劇了生態環境的污染。以鎘（Cd）為代表的重金屬經礦山冶煉、化肥農藥不合理施用等途徑，遷移并富集到土壤中，導致土壤重金屬污染日趨嚴重（曾希柏，2013）。重金屬經食物鏈進入農產品中，對農產品安全及人體健康產生嚴重威脅（Yang et al.，2018）。目前，關于水稻及稻田重金屬污染修復治理相關的研究不斷增多，而蔬菜的Cd超標情況，同樣需要引起重視（戴軍等，1995；杜志鵬等，2018）。辣椒作為Cd高積累蔬菜，超標風險較高，超標現象日益增加（趙志燊等，2019）。2019年，童磊等（2019）抽取重慶萬州區20份市售辣椒樣品，檢測結果顯示Cd超標率為85%。

作為居民日常食用蔬菜，如何采取有效措施降低辣椒Cd超標風險，具有十分重要的研究意義。本研究選取華南地區某受重金屬污染菜地，分3個階段進行研究：首先進行蔬菜污染風險調查，即種植不同蔬菜（葉菜類和茄果類）測試可食部位重金屬積累量，結果顯示辣椒是Cd高積累蔬菜，具有較高的食品安全風險；其次種植不同辣椒品種進行Cd低積累品種篩選；最后，選取3種Cd積累量較為典型（高、中、低）的辣椒，噴施葉面阻控劑“降鎘靈”和“噴噴富”抑制辣椒吸收Cd的能力及改善營養成分的能力。本研究可為污染地區蔬菜安全生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點為華南地區某受污染蔬菜田，面積約0.33 hm2，菜地土壤基本理化性質見表1。土壤pH 7.2，鎘質量分數 0.70 mg·kg?1，超過農用地土壤污染風險篩選值 0.3 mg·kg?1（GB 15618—2018），為供試菜地的主要污染物，對農作物質量安全有較高風險，其他重金屬含量未超標。蔬菜種子由廣州市農科院蔬菜所提供；葉面阻隔劑降鎘靈和噴噴富由佛山市鐵人環保科技有限公司提供，主要成分分別為硅溶膠（SiO2，100 g·L?1）和硒硅溶膠（SiO2，105 g·L?1）。

表1 供試土壤pH值和重金屬質量分數Table 1 pH and mass fractions of heavy metals in tested soil mg·kg?1

1.2 試驗設計

1.2.1 不同蔬菜重金屬鎘積累能力差異

共設置8個處理，分別種植該區域常見蔬菜空心菜（Ipomoea aquatica Forsk，臺灣竹葉空心菜）、紅莧菜（Amaranthus mangostanus L.，大紅圓葉莧菜）、綠莧菜（Amaranthus mangostanus L.，鶴山馬齒莧）、番茄（Lycopersicon esculentum，年豐8號）、黃瓜（Cucumis sativus L.，油亮 2 號）、茄子（Solanum melongena L.，公牛長茄）、辣椒（Capsicum annuum L.，香妃線椒）和絲瓜（Luffa cylindrical，夏勝 4號），每個處理設置 3個重復。對應試驗小區面積為30 m2，小區周邊設置保護行，小區間田埂用塑料薄膜覆蓋，防止小區間竄水。各個處理進行常規施肥，除草和灌溉等田間管理與農民平時管理一致。分別于2019年3月初進行蔬菜植株移栽，于各自成熟期進行收獲。

1.2.2 辣椒品種篩選試驗

共設置9個處理，選擇常見的9種辣椒品種（香妃線椒、五彩辣椒、綠劍辣椒、辣優2號、辣優6號、辣優16號、辣優17號、辣優18號和辣優19號）分別種植于30 m2供試小區內，株距20—30 cm，每個品種設置3個重復小區。成熟期分別采集各小區辣椒果實測定重金屬鎘含量。各個處理進行常規施肥，除草和灌溉等田間管理與農民平時管理一致。分別于2019年10月初進行蔬菜植株移栽，于各自成熟期進行收獲。

1.2.3 葉面阻隔試驗

根據品種試驗篩選結果，選取鎘積累量較高、居中和較低的3種辣椒，在供試區域分區種植，分別設置噴施清水對照、噴施“降鎘靈”葉面阻控劑（納米有機硅溶膠）和噴施“噴噴富”葉面阻控劑（硅硒復合溶膠）等3種處理。每個處理實施于30 m2小區內，每組試驗設置3個重復。各個處理進行常規施肥，除草和灌溉等田間管理與農民平時管理一致。分別于2020年3月初進行蔬菜植株移栽，于各自成熟期進行收獲。主要在作物坐果期進行噴施，用量均為1.50 mL·m?2，稀釋100倍后噴施在葉片部位。作物成熟期采集樣品進行重金屬污染物含量分析以及品質分析。各試驗組辣椒生長期內施肥、農藥噴灑等日常管理均保持條件一致。

1.3 樣品處理與分析檢測

辣椒等蔬菜成熟期，采用對角線法采集可食部位樣品，烘干后粉碎并混勻待測。前處理及重金屬元素測定方法具體參照 GB 5009.15—2014，Vitamin C及可溶性糖含量測定參照GB/T 5009.86—2016和 NY/T 2742—2015，產量依據試驗小區總產量測算。

應用Origin 8.0軟件對各項數據進行分析比較與作圖，采用SPSS軟件進行顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同蔬菜重金屬含量對比

供試區域土壤及主要種植蔬菜的重金屬含量如表2所示。與國家食品安全標準限值相比，8種蔬菜可食部位 As、Pb、Cr和 Hg均未超標，茄子Cd略超標，辣椒Cd的含量為0.080 mg·kg?1，為食品國家安全標準的1.60倍，具有較高的食品安全風險。葉菜類中空心菜Cd含量相比紅莧菜和綠莧菜Cd含量較高，但低于食品污染限量值。相比茄果類蔬菜，葉菜更易于吸收 Pb、Cr元素；相比葉菜類蔬菜，茄果類蔬菜更易于吸收Cd、As元素。

表2 試驗區主要蔬菜重金屬質量分數Table 2 Mass fractions of heavy metals in vegetables at the maturing stage mg·kg?1

2.2 不同品種辣椒Cd含量

辣椒品種篩選試驗結果如圖1所示，不同辣椒品種對土壤Cd的吸收富集能力存在顯著差異。供試的9種辣椒品種中，Cd含量高于食品中污染物限量0.05 mg·kg?1的有5種，其中，辣優2號Cd含量達到0.133 mg·kg?1，其次為辣優18號、香妃辣椒、五彩椒和辣優6號；低于污染物限量的有4種，其中辣優19號Cd含量最低，為0.028 mg·kg?1，其次為綠劍辣椒、辣優16號和辣優17號。

圖1 不同品種辣椒Cd質量分數Fig. 1 Mass fractions of Cd in pepper

2.3 噴施葉面阻隔劑對辣椒Cd含量、營養組分和產量的影響

2.3.1 噴施葉面阻隔劑對辣椒Cd含量的影響

根據多種辣椒積累Cd試驗篩選結果，按照富集Cd能力高、中、低的特性選擇辣優2號、6號和19號3個辣椒品種進行葉面噴施阻隔劑試驗。結果如圖2所示。與第二階段試驗結果一致，3組對照樣品中，辣優 2號 Cd含量超標嚴重，達 0.132 mg·kg?1，其次為辣優6號（輕微超標）和辣優19號（未超標）。噴施葉面肥降鎘靈和噴噴富可顯著降低辣優2號和6號辣椒Cd含量，但對辣優19號Cd含量影響不顯著。與對照相比，施用降鎘靈后辣優2號、辣優6號和辣優19號的Cd含量分別降低64.39%、44.23%和35.71%；噴施噴噴富后辣優2號、辣優6號和辣優19號的Cd含量分別降低67.42%、59.62%和39.29%。這表明葉面噴施降鎘靈和噴噴富，可有效抑制辣椒積累Cd，噴噴富降Cd效果更明顯。同時，施用兩種葉面阻控劑后，3種辣椒Cd含量均低于食品污染物限量，尤其對于對照組超標嚴重的辣優 2號，施用降鎘靈和噴噴富后 Cd含量分別降至 0.047 mg·kg?1和0.043 mg·kg?1。

圖2 噴施葉面阻控劑后辣椒中Cd 質量分數Fig. 2 Mass fractions of Cd in peppers under foliar applications

2.3.2 噴施葉面阻隔劑對辣椒可溶性糖與 Vitamin C含量的影響

噴施降鎘靈和噴噴富對3種辣椒中營養組分可溶性糖及Vitamin C的影響如圖3和圖4所示。由圖可知，兩種葉面阻控劑在降低辣椒Cd含量的同時，均提高了辣椒中可溶性糖及抗壞血酸含量。相比對照，施用降鎘靈可使3種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%；施用噴噴富使 3種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%。噴噴富對辣椒營養組分含量的提升效果略優于降鎘靈。

圖3 葉面阻隔劑對辣椒可溶性糖質量分數的影響Fig. 3 Mass fractions of soluble sugar in peppers under foliar applications

圖4 葉面阻控劑對辣椒抗壞血酸質量分數的影響Fig. 4 Mass fractions of Vitamin C in peppers under foliar applications

2.3.3 噴施葉面阻隔劑對辣椒產量的影響

施用兩種葉面阻控劑對3種辣椒產量的影響如圖5所示。2種葉面阻控劑均使3種辣椒產量增加。與對照組相比，施用降鎘靈分別對辣優2號、辣優6號和辣優19號的產量提高3.77%、7.85%和4.89%，而施用噴噴富對產量提升的效果更高，分別提高5.81%、9.74%和6.65%。相關的研究也顯示，噴施硅類葉面阻控劑增加了水稻的單株有效穗數，提高水稻產量（趙穎等，2010；黃崇玲等，2013）。

圖5 葉面阻控劑對辣椒產量的影響Fig. 5 Biomass of peppers under foliar applications

3 討論

3.1 不同種類蔬菜重金屬污染風險

土壤重金屬污染會造成蔬菜中重金屬含量超標，如蔬菜根系土壤高濃度 Cd的脅迫不僅導致果實重金屬超標，而且抑制地上部生長，土壤有效態Cd含量與蔬菜生長狀況呈負相關（楊曉磊等，2017；賀章咪，2020）。蔬菜種間差異使得其對重金屬的吸收富集存在明顯差別，研究表明，不同類型蔬菜對Cd的富集能力從大到小依次為葉菜類、茄果類、根菜類、瓜菜類、豆類（Yang et al.，2010）。本研究表明，辣椒作為茄果類蔬菜，與茄子、番茄相比更容易富集Cd，這和陳玉梅等（2016）研究結果一致。因此，辣椒作為Cd高積累蔬菜，對其采用安全生產技術措施具有相當重要的意義。

3.2 不同辣椒品種的污染風險

同種蔬菜種內差異是導致蔬菜重金屬積累差異的重要原因（Liu et al.，2010；劉峰等，2017）。對重慶、貴陽及遵義等地辣椒產地及市售辣椒品種調查結果顯示，盡管辣椒對Cd具有較強的富集能力，但不同辣椒品種對Cd的富集能力不同（楊婧等，2017；趙志燊等，2019；王慶鶴等，2020）。本研究辣椒品種吸收Cd能力篩選試驗結果表明，不同品種辣椒對Cd的吸收程度具有顯著性差異，在實際生產中，可以通過種植低積累辣椒的方式而降低辣椒Cd超標風險。

3.3 硅硒類葉面阻隔劑對Cd污染蔬菜的影響

葉面阻隔技術被廣泛應用于水稻等農作物的重金屬修復研究，但針對重金屬污染蔬菜的葉面阻隔研究較少（鄧思涵等，2020；向焱赟等，2020）。研究表明，辣椒葉面噴施阻隔劑降鎘靈和噴噴富不僅降低了3種不同品種辣椒Cd含量，而且提高了其可溶性糖、Vitamin C含量和辣椒產量。降鎘靈和噴噴富的主要成分為硅溶膠和硒硅溶膠，硅可以沉積在植物細胞壁上，與半纖維素、果膠和/或木質素絡合，增加細胞壁機械性和外部保護層，促進植物生長；硒硅類葉面阻隔劑還可以調控農作物對營養元素的吸收、提升葉綠素含量、促進光合作用以及降低細胞膜通透性；而硅硒類葉面阻隔劑還可通過硅結合蛋白的誘導，降低根系細胞的細胞壁孔隙度，增加根系對Cd的吸附固定，從而降低Cd向地上部的轉運（He et al.，2004；Lin et al.，2012；Feng et al.，2013；Wan et al.，2016；許佳瑩等，2012）。

與土壤重金屬污染修復相比，篩選低積累辣椒品種，結合噴施降鎘靈、噴噴富葉面阻隔劑，能夠在不影響土地利用、不改變土壤性質的基礎上，有效控制辣椒積累Cd，保障辣椒產品安全。在今后的工作中，需要進一步對硅硒類葉面阻隔劑調控辣椒等蔬菜中的Cd及營養吸收的機制進行深入研究。

4 結論

通過蔬菜污染風險調查，篩選低鎘積累品種，噴施葉面阻控劑“降鎘靈”和“噴噴富”抑制辣椒吸收Cd等3個階段的試驗，結果表明：

（1）辣椒作為茄果類蔬菜，與茄子、番茄相比更容易吸收Cd。

（2）不同辣椒品種 Cd的含量差異較大。最高含量為辣優2號0.133 mg·kg?1，最低含量為辣優19號0.028 mg·kg?1，種植低Cd積累辣椒，可顯著降低辣椒Cd超標風險。

（3）降鎘靈和噴噴富均能顯著降低Cd高、中、低積累辣椒品種對土壤中Cd的吸收。施用2種葉面阻控劑后，辣椒 Cd含量可分別降低 35.71%—64.39%和39.29%—67.42%，辣椒Cd超標風險降低；2種葉面阻隔劑均提高了辣椒中可溶性糖、Vitamin C含量和辣椒產量，而噴噴富對辣椒營養組分含量的提升效果略優于降鎘靈。