辣椒地土壤重金属含量与植株重金属富集的相关性研究

万继磊，李 密，徐立甫(.贵州省宸铭鑫农业科技有限公司，贵阳 55400；.清镇市龙言榜生态农业开发有限公司，贵州 贵阳 55400；.贵州省生物研究所，贵阳 55000) Study on the Correlation between Heavy Metal Content in Pepper Field Soil and Plant Metal Enrichment

WAN Jilei1,LI Mi2,XU Lifu3

土壤中重金属具有隐蔽性和不可逆转性，可通过食物链富集在植物、动物和人体内[1-4]。目前，国内有诸多学者对土壤和农作物系统中重金属污染开展了大量工作，如都雪丽等[5]研究了辽宁某冶炼厂周边农田土壤与农产品重金属污染特征及风险评价，其研究表明，研究区内农田土壤Cd、Hg、Zn、Pb和Cu表现为较显著的污染及较强的富集，总体而言该区域为重度污染水平。受Cd和Pb污染较严重的有花生、辣椒和蔬菜，在该3种农作物中，Cd超标率分别为100%、69%和16%，Pb超标率分别为100%、46%和13%。李瑾等[6]研究了昆明市某火电厂周边土壤及农作物中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则超出1.06倍。贵州省清镇市主要有水稻、麦类、马铃薯等粮食作物和辣椒、豆类等经济作物，该区为重金属高背景值区域，加上人为活动的强烈干扰，会不同程度地影响该区域耕地土壤重金属含量[7-8]。因此，本研究拟检测土壤中重金属浓度，并采用潜在生态风险指数对其在土壤中污染程度进行评价，同时利用生物富集系数评估农作物吸收土壤重金属程度，还采用相关性热图及冗余分析对土壤和植物中重金属浓度关联性进行研究，以期为当地农作物安全研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于贵州省清镇市，该区域位于贵阳市西部，地处东经106°07′至106°33′，北纬26°21′至26°59′。市境东西宽约42.6 km，南北长约55.7 km，总面积1 386.6 km2。清镇市地貌类型主要为浅丘洼地、缓丘坡地及丘陵盆地，地势较开阔，主要以碳酸盐类岩石为主。多年平均气温14.1 ℃，年平均降水量1 024 mm，无霜期年平均283 d，属亚热带温暖季风气候。

1.2 样品采集与分析

于2020年5月，采用GPS定位，利用梅花型采样方法在清镇市红枫湖、站街、卫城等7个乡镇采集辣椒耕地土壤样品和辣椒植株样品。土壤样品采集表层土壤(0～20 cm)，在采集土壤样品的同时一一对应采集辣椒植株样品，累计采集土壤和植株样品分别为70个，参加国家标准测定土壤和植株样品中重金属As、Pb、Cr三个指标[9]。

1.3 潜在生态危害评价方法

采用Hakanson[10]提出的潜在生态风险指数法对土壤重金属进行潜在生态风险评价研究。单一重金属元素潜在生态风险指数Ei和综合潜在生态风险指数RI的计算公式如下：

式中：RI为多因子综合潜在生态风险指数，EI为土壤中重金属元素i的单项重金属潜在生态风险指数，Ti为重金属元素i的毒性响应系数(As=10，Pb=5，Cr=2)，Ci为重金属元素i的实测值(mg/kg)，Cr为重金属的参比值。

本研究重金属背景值采用《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》(GB 15618—2018)中规定的土壤重金属元素背景值(见表1)。EI的生态风险程度分为：轻微风险、中等风险、较强风险和强风险；RI的生态风险程度分为：轻微风险、中等风险、较强风险和强风险，具体的数字和数量分级参照前期的研究结果[11]。

表1 农用地土壤污染风险筛选值 单位：mg/kg

1.4 富集系数法

生物富集系数(Bioconcentration factor，BCF)是用来反映重金属元素在植物体内的富集情况[12]。计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 喀斯特地区辣椒产地土壤重金属含量

清镇市7个乡镇土壤样品中重金属含量测定结果见表2，以《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》作为标准进行分析，3种土壤重金属As、Pb、Cr全量值分别是国家土壤环境质量标准的2.03倍、0.43倍、0.71倍，只有As的含量超过了国家土壤环境质量级标准，重金属As超过国家土壤环境质量标准的情况集中在麦格镇(7.48倍)和新店镇(1.27倍)，其他各乡镇重金属As超过国家土壤环境质量标准的倍数均小于1；7个乡镇土壤重金属Cr的平均值未超过国家农田土壤背景值(150 mg/kg)，但红枫湖镇土壤重金属Cr含量是国家农田土壤背景值的1.05倍；研究区域土壤重金属Pb的平均值未超过国家农田土壤背景值(70 mg/kg),各乡镇单个土壤重金属Pb的含量也未超过国家农田土壤背景值(70 mg/kg)。清镇市7各乡镇土壤重金属As、Cr、Pb的分布差异较大，但主要集中麦格、新店和红枫湖，重金属Cr超过国家农田土壤背景值仅有红枫湖镇，其他6各乡镇重金属Cr的含量均远低于国家农田土壤背景值，清镇市7各乡镇辣椒产地土壤重金属Pb均未超过国家农田土壤背景值。

表2 各样点土壤重金属含量

2.2 辣椒产地土壤重金属潜在生态风险评价

从各乡镇土壤重金属的单项潜在生态风险指数(EI)来看，重金属As的潜在生态风险相对较大，主要集中在麦格和站街，麦格重金属As的(74.79)EI处于中等风险水平，其余各乡镇的5种土壤重金属EI均处于轻微风险水平。总的来说，清镇市麦格和新店的重金属污染生态风险最大，卫城重金属污染生态风险最小；Pb、Cr重金属污染生态风险最小。

表3 土壤重金属潜在生态风险评价

2.3 辣椒对不同重金属的富集系数

富集系数(BCF)是反映植物对土壤重金属积累能力大小的指标，富集系数越小，则表明植物吸收重金属的能力越差,抗土壤重金属污染的能力则较强。从表4辣椒BCF值统计情况发现，不同研究区域种植的辣椒对不同重金属的富集能力存在一定的差异。辣椒对3种重金属的富集系数均小于1，表明种植的辣椒对这3种重金属的吸收能力都较弱。

表4 辣椒BCF值(×103)

3 结 论

辣椒试验种植土壤重金属As、Pb和Cr的平均值分别为81.32 mg/kg、38.86 mg/kg和106.13 mg/kg，As含量平均值分别是国家标准的2.03倍。红枫湖的重金属Cr元素含量超过国家标准1.05倍，土壤重金属Pb没有超过国家标准。辣椒种植土壤重金属单项潜在生态风险指数的平均值依次为：As>Pb>Cr。RI平均值呈现轻微风险水平，辣椒对5种重金属的富集系数均小于1。不同作物植株内重金属的富集能力不一样，同一种作物，不同品种之间对重金属的吸收富集能力也不同，通过此次研究，将为下一步重金属高背景地区辣椒低积累品种筛选提供新的思路。