辣椒地土壤重金屬含量與植株重金屬富集的相關(guān)性研究

萬(wàn)繼磊，李 密，徐立甫(.貴州省宸銘鑫農(nóng)業(yè)科技有限公司，貴陽(yáng) 55400；.清鎮(zhèn)市龍言榜生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 55400；.貴州省生物研究所，貴陽(yáng) 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(zhuǎn)性，可通過(guò)食物鏈富集在植物、動(dòng)物和人體內(nèi)[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)有諸多學(xué)者對(duì)土壤和農(nóng)作物系統(tǒng)中重金屬污染開(kāi)展了大量工作，如都雪麗等[5]研究了遼寧某冶煉廠周邊農(nóng)田土壤與農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染特征及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，其研究表明，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田土壤Cd、Hg、Zn、Pb和Cu表現(xiàn)為較顯著的污染及較強(qiáng)的富集，總體而言該區(qū)域?yàn)橹囟任廴舅?。受Cd和Pb污染較嚴(yán)重的有花生、辣椒和蔬菜，在該3種農(nóng)作物中，Cd超標(biāo)率分別為100%、69%和16%，Pb超標(biāo)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(nóng)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(zhèn)市主要有水稻、麥類(lèi)、馬鈴薯等糧食作物和辣椒、豆類(lèi)等經(jīng)濟(jì)作物，該區(qū)為重金屬高背景值區(qū)域，加上人為活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾，會(huì)不同程度地影響該區(qū)域耕地土壤重金屬含量[7-8]。因此，本研究擬檢測(cè)土壤中重金屬濃度，并采用潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)其在土壤中污染程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)利用生物富集系數(shù)評(píng)估農(nóng)作物吸收土壤重金屬程度，還采用相關(guān)性熱圖及冗余分析對(duì)土壤和植物中重金屬濃度關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物安全研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于貴州省清鎮(zhèn)市，該區(qū)域位于貴陽(yáng)市西部，地處東經(jīng)106°07′至106°33′，北緯26°21′至26°59′。市境東西寬約42.6 km，南北長(zhǎng)約55.7 km，總面積1 386.6 km2。清鎮(zhèn)市地貌類(lèi)型主要為淺丘洼地、緩丘坡地及丘陵盆地，地勢(shì)較開(kāi)闊，主要以碳酸鹽類(lèi)巖石為主。多年平均氣溫14.1 ℃，年平均降水量1 024 mm，無(wú)霜期年平均283 d，屬亞熱帶溫暖季風(fēng)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(zhèn)市紅楓湖、站街、衛(wèi)城等7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(shí)一一對(duì)應(yīng)采集辣椒植株樣品，累計(jì)采集土壤和植株樣品分別為70個(gè)，參加國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定土壤和植株樣品中重金屬As、Pb、Cr三個(gè)指標(biāo)[9]。

1.3 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)方法

采用Hakanson[10]提出的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)土壤重金屬進(jìn)行潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究。單一重金屬元素潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Ei和綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)RI的計(jì)算公式如下：

式中：RI為多因子綜合潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，EI為土壤中重金屬元素i的單項(xiàng)重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，Ti為重金屬元素i的毒性響應(yīng)系數(shù)(As=10，Pb=5，Cr=2)，Ci為重金屬元素i的實(shí)測(cè)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(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)中規(guī)定的土壤重金屬元素背景值(見(jiàn)表1)。EI的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分為：輕微風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)；RI的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度分為：輕微風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、較強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，具體的數(shù)字和數(shù)量分級(jí)參照前期的研究結(jié)果[11]。

表1 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值 單位：mg/kg

1.4 富集系數(shù)法

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

2 結(jié)果與討論

2.1 喀斯特地區(qū)辣椒產(chǎn)地土壤重金屬含量

清鎮(zhèn)市7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤樣品中重金屬含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2，以《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，3種土壤重金屬As、Pb、Cr全量值分別是國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的2.03倍、0.43倍、0.71倍，只有As的含量超過(guò)了國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，重金屬As超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況集中在麥格鎮(zhèn)(7.48倍)和新店鎮(zhèn)(1.27倍)，其他各鄉(xiāng)鎮(zhèn)重金屬As超過(guò)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的倍數(shù)均小于1；7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤重金屬Cr的平均值未超過(guò)國(guó)家農(nóng)田土壤背景值(150 mg/kg)，但紅楓湖鎮(zhèn)土壤重金屬Cr含量是國(guó)家農(nóng)田土壤背景值的1.05倍；研究區(qū)域土壤重金屬Pb的平均值未超過(guò)國(guó)家農(nóng)田土壤背景值(70 mg/kg),各鄉(xiāng)鎮(zhèn)單個(gè)土壤重金屬Pb的含量也未超過(guò)國(guó)家農(nóng)田土壤背景值(70 mg/kg)。清鎮(zhèn)市7各鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(guò)國(guó)家農(nóng)田土壤背景值僅有紅楓湖鎮(zhèn)，其他6各鄉(xiāng)鎮(zhèn)重金屬Cr的含量均遠(yuǎn)低于國(guó)家農(nóng)田土壤背景值，清鎮(zhèn)市7各鄉(xiāng)鎮(zhèn)辣椒產(chǎn)地土壤重金屬Pb均未超過(guò)國(guó)家農(nóng)田土壤背景值。

表2 各樣點(diǎn)土壤重金屬含量

2.2 辣椒產(chǎn)地土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

從各鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤重金屬的單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(EI)來(lái)看，重金屬As的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)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(fēng)險(xiǎn)水平，其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的5種土壤重金屬EI均處于輕微風(fēng)險(xiǎn)水平?？偟膩?lái)說(shuō)，清鎮(zhèn)市麥格和新店的重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最大，衛(wèi)城重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小；Pb、Cr重金屬污染生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)最小。

表3 土壤重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3 辣椒對(duì)不同重金屬的富集系數(shù)

富集系數(shù)(BCF)是反映植物對(duì)土壤重金屬積累能力大小的指標(biāo)，富集系數(shù)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(qiáng)。從表4辣椒BCF值統(tǒng)計(jì)情況發(fā)現(xiàn)，不同研究區(qū)域種植的辣椒對(duì)不同重金屬的富集能力存在一定的差異。辣椒對(duì)3種重金屬的富集系數(shù)均小于1，表明種植的辣椒對(duì)這3種重金屬的吸收能力都較弱。

表4 辣椒BCF值(×103)

3 結(jié) 論

辣椒試驗(yàn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2.03倍。紅楓湖的重金屬Cr元素含量超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1.05倍，土壤重金屬Pb沒(méi)有超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。辣椒種植土壤重金屬單項(xiàng)潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的平均值依次為：As>Pb>Cr。RI平均值呈現(xiàn)輕微風(fēng)險(xiǎn)水平，辣椒對(duì)5種重金屬的富集系數(shù)均小于1。不同作物植株內(nèi)重金屬的富集能力不一樣，同一種作物，不同品種之間對(duì)重金屬的吸收富集能力也不同，通過(guò)此次研究，將為下一步重金屬高背景地區(qū)辣椒低積累品種篩選提供新的思路。