辣椒地土壤重金屬含量與植株重金屬富集的相關性研究

萬繼磊，李 密，徐立甫(.貴州省宸銘鑫農業科技有限公司，貴陽 55400；.清鎮市龍言榜生態農業開發有限公司，貴州 貴陽 55400；.貴州省生物研究所，貴陽 55000) Study on the Correlation between Heavy Metal Content in Pepper Field Soil and Plant Metal Enrichment

WAN Jilei1,LI Mi2,XU Lifu3

土壤中重金屬具有隱蔽性和不可逆轉性，可通過食物鏈富集在植物、動物和人體內[1-4]。目前，國內有諸多學者對土壤和農作物系統中重金屬污染開展了大量工作，如都雪麗等[5]研究了遼寧某冶煉廠周邊農田土壤與農產品重金屬污染特征及風險評價，其研究表明，研究區內農田土壤Cd、Hg、Zn、Pb和Cu表現為較顯著的污染及較強的富集，總體而言該區域為重度污染水平。受Cd和Pb污染較嚴重的有花生、辣椒和蔬菜，在該3種農作物中，Cd超標率分別為100%、69%和16%，Pb超標率分別為100%、46%和13%。李瑾等[6]研究了昆明市某火電廠周邊土壤及農作物中Pb、Zn、Ni、Cu、Cd、Cr、As和Hg含量，其中Hg在土壤中含量超出背景值的4.14倍，Cr則超出1.06倍。貴州省清鎮市主要有水稻、麥類、馬鈴薯等糧食作物和辣椒、豆類等經濟作物，該區為重金屬高背景值區域，加上人為活動的強烈干擾，會不同程度地影響該區域耕地土壤重金屬含量[7-8]。因此，本研究擬檢測土壤中重金屬濃度，并采用潛在生態風險指數對其在土壤中污染程度進行評價，同時利用生物富集系數評估農作物吸收土壤重金屬程度，還采用相關性熱圖及冗余分析對土壤和植物中重金屬濃度關聯性進行研究，以期為當地農作物安全研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于貴州省清鎮市，該區域位于貴陽市西部，地處東經106°07′至106°33′，北緯26°21′至26°59′。市境東西寬約42.6 km，南北長約55.7 km，總面積1 386.6 km2。清鎮市地貌類型主要為淺丘洼地、緩丘坡地及丘陵盆地，地勢較開闊，主要以碳酸鹽類巖石為主。多年平均氣溫14.1 ℃，年平均降水量1 024 mm，無霜期年平均283 d，屬亞熱帶溫暖季風氣候。

1.2 樣品采集與分析

于2020年5月，采用GPS定位，利用梅花型采樣方法在清鎮市紅楓湖、站街、衛城等7個鄉鎮采集辣椒耕地土壤樣品和辣椒植株樣品。土壤樣品采集表層土壤(0～20 cm)，在采集土壤樣品的同時一一對應采集辣椒植株樣品，累計采集土壤和植株樣品分別為70個，參加國家標準測定土壤和植株樣品中重金屬As、Pb、Cr三個指標[9]。

1.3 潛在生態危害評價方法

采用Hakanson[10]提出的潛在生態風險指數法對土壤重金屬進行潛在生態風險評價研究。單一重金屬元素潛在生態風險指數Ei和綜合潛在生態風險指數RI的計算公式如下：

式中：RI為多因子綜合潛在生態風險指數，EI為土壤中重金屬元素i的單項重金屬潛在生態風險指數，Ti為重金屬元素i的毒性響應系數(As=10，Pb=5，Cr=2)，Ci為重金屬元素i的實測值(mg/kg)，Cr為重金屬的參比值。

本研究重金屬背景值采用《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》(GB 15618—2018)中規定的土壤重金屬元素背景值(見表1)。EI的生態風險程度分為：輕微風險、中等風險、較強風險和強風險；RI的生態風險程度分為：輕微風險、中等風險、較強風險和強風險，具體的數字和數量分級參照前期的研究結果[11]。

表1 農用地土壤污染風險篩選值 單位：mg/kg

1.4 富集系數法

生物富集系數(Bioconcentration factor，BCF)是用來反映重金屬元素在植物體內的富集情況[12]。計算公式如下：

2 結果與討論

2.1 喀斯特地區辣椒產地土壤重金屬含量

清鎮市7個鄉鎮土壤樣品中重金屬含量測定結果見表2，以《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準》作為標準進行分析，3種土壤重金屬As、Pb、Cr全量值分別是國家土壤環境質量標準的2.03倍、0.43倍、0.71倍，只有As的含量超過了國家土壤環境質量級標準，重金屬As超過國家土壤環境質量標準的情況集中在麥格鎮(7.48倍)和新店鎮(1.27倍)，其他各鄉鎮重金屬As超過國家土壤環境質量標準的倍數均小于1；7個鄉鎮土壤重金屬Cr的平均值未超過國家農田土壤背景值(150 mg/kg)，但紅楓湖鎮土壤重金屬Cr含量是國家農田土壤背景值的1.05倍；研究區域土壤重金屬Pb的平均值未超過國家農田土壤背景值(70 mg/kg),各鄉鎮單個土壤重金屬Pb的含量也未超過國家農田土壤背景值(70 mg/kg)。清鎮市7各鄉鎮土壤重金屬As、Cr、Pb的分布差異較大，但主要集中麥格、新店和紅楓湖，重金屬Cr超過國家農田土壤背景值僅有紅楓湖鎮，其他6各鄉鎮重金屬Cr的含量均遠低于國家農田土壤背景值，清鎮市7各鄉鎮辣椒產地土壤重金屬Pb均未超過國家農田土壤背景值。

表2 各樣點土壤重金屬含量

2.2 辣椒產地土壤重金屬潛在生態風險評價

從各鄉鎮土壤重金屬的單項潛在生態風險指數(EI)來看，重金屬As的潛在生態風險相對較大，主要集中在麥格和站街，麥格重金屬As的(74.79)EI處于中等風險水平，其余各鄉鎮的5種土壤重金屬EI均處于輕微風險水平。總的來說，清鎮市麥格和新店的重金屬污染生態風險最大，衛城重金屬污染生態風險最小；Pb、Cr重金屬污染生態風險最小。

表3 土壤重金屬潛在生態風險評價

2.3 辣椒對不同重金屬的富集系數

富集系數(BCF)是反映植物對土壤重金屬積累能力大小的指標，富集系數越小，則表明植物吸收重金屬的能力越差,抗土壤重金屬污染的能力則較強。從表4辣椒BCF值統計情況發現，不同研究區域種植的辣椒對不同重金屬的富集能力存在一定的差異。辣椒對3種重金屬的富集系數均小于1，表明種植的辣椒對這3種重金屬的吸收能力都較弱。

表4 辣椒BCF值(×103)

3 結 論

辣椒試驗種植土壤重金屬As、Pb和Cr的平均值分別為81.32 mg/kg、38.86 mg/kg和106.13 mg/kg，As含量平均值分別是國家標準的2.03倍。紅楓湖的重金屬Cr元素含量超過國家標準1.05倍，土壤重金屬Pb沒有超過國家標準。辣椒種植土壤重金屬單項潛在生態風險指數的平均值依次為：As>Pb>Cr。RI平均值呈現輕微風險水平，辣椒對5種重金屬的富集系數均小于1。不同作物植株內重金屬的富集能力不一樣，同一種作物，不同品種之間對重金屬的吸收富集能力也不同，通過此次研究，將為下一步重金屬高背景地區辣椒低積累品種篩選提供新的思路。