多因子系数法用于广西水稻田土壤镉危害风险评价

2021-05-31李鸿甘志勇

农业研究与应用 2021年1期

李鸿甘志勇

摘要：研究广西水稻土壤母质中镉对稻米质量安全危害，建立合理评价土壤质量的方法，以推进广西优势富硒土地资源可持续发展。分析测试稻米中镉及土壤中镉、pH、有机质等多个环境因子，筛查影响稻米积累镉的主要因子，建立评价土壤中镉危害稻米安全的多因子系数法。采用该方法对广西水稻土中镉的风险进行评价，其预测稻米中镉含量超过限量值的结果，与用土壤环境质量标准预测结果相比较，准确率提高1倍，漏判减少85%。多因子系数法有待进一步完善，为优化土壤质量评价方法提供借鉴。

关键词：多因子系数法土壤镉风险评价

中图分类号：X53 文献标识码：A

Risk Assessment of Cadmium Hazard in Guangxis Paddy Soil by Multifactor Coefficient Method

LI Hong1，2，3 ，GAN Zhiyong1，2，3

（1 Guangxi Subtropical Crops Research Institute，Nanning，Guangxi 530001，China;

2 Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agricultural Product （Nanning），Ministry of Agriculture，Nanning，Guangxi 530001，China;3 Quality Supervision and

Testing Center for Subtropical Fruits and Vegetables （Nanning），Ministry of Agriculture，

Nanning，Guangxi 530001，China）

Abstract：We analyzed the cadmium in paddy soil and its hazard on rice in Guangxi， and established a method for reasonable evaluation of soil quality， so as to promote the sustainable development of Guangxis dominant selenium-rich land resources. Based on test and analysis of the cadmium in rice and soil， soil pH， soil organic matter and other environmental factors， found out the main factors affecting the cadmium accumulation in rice， and established a multifactor coefficient method for evaluating the cadmium in paddy soil and its harm on rice. This method was used to evaluate the cadmium risk in Guangxis paddy soil， and the predicted value of cadmium content in rice exceeded the limit value. Compared with the soil environmental quality standards，this method doubled the accuracy rate and reduced the missed penalty by 85%. The multifactor coefficient method should be further improved， so as to provide a reference for optimizing soil quality evaluation method.

Key words：Multifactor coefficient method; soil; cadmium; risk assessment

我國正在大力发展绿色生态农业和特色农业，面临着耕地污染防控困难和优质耕地不足的双重压力，开发、保持优质耕地涉及多方面工作，其中耕地质量评价是重要工作环节。广西壮族自治区拥有大面积的富硒土地[1]，位于我国前列，得益于这一个资源优势，广西积极推动了富硒农业的快速发展[2]，但是广西属于喀斯特地貌地区，土壤母质中镉本底较高[3-5]，而且镉含量超标在农产品重金属推测中超标占比最大[6]，由此引发人们对镉可能造成富硒农产品质量安全的担心，对产业发展产生负面影响。因此，发展优质特色农产品，对耕地的准确评价是必不可少的重要工作。

农产品产地土壤重金属含量与农产品质量安全之间并非简单的直接对应关系。我国目前所执行的国家标准《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》，在我国农业资源环境保护中发挥了积极作用，但由于当时研究水平和数据资料积累等因素的限制，主要以土壤重金属全量为依据，没有充分考虑我国土壤类型、作物类型、耕作制度和农艺管理措施的多样性和差异性，不能满足我国农产品安全生产的需要，其科学性和可操作性亟待改进和完善。事实上，全国农业环境保护监测结果表明，按现行土壤环境质量标准和食品安全国家标准，“土壤重金属超标而农产品不超标”与“土壤重金属不超标而农产品却超标”的现象时有发生[7]。王玉军等[8]综合分析了内梅罗综合污染指数法、富集因子法、地累积指数法和潜在生态危害指数法等四种常用的指数评价法在实际评价中的优势与不足，并发现现有的污染指数评价方法侧重土壤重金属超标问题，对农产品质量涉及较少，而土壤和农产品综合质量指数法克服了现有评价方法存在的问题，将土壤重金属污染与农产品品质有机结合，同时考虑到土壤背景值、重金属形态等，可更为全面地评价土壤重金属污染。还有通过投影寻踪聚类模型和潜在生态风险指数法两种方法综合研究，将多指标因素问题转化为单一指标因素问题[9]，尝试综合、全面地对研究区土壤环境质量进行评价。

据统计，广西区域内的镉污染研究主要集中在河池南丹矿区、大环江沿岸、金城江区、百色市、都安县、桂林各县市、南宁市城郊，其中河池、百色地区遭受了不同程度的镉污染问题，这与该地区矿业活动有密切关系[10]，对非矿区农用土壤的研究较少。本研究把影响稻米中镉积累的多种环境因子转化单一指标进行评价，采集了广西部分县区水稻田土壤和其产出的稻米样品，分析测试稻米中镉及土壤中镉、pH值、有机质等多个环境因子，筛查影响稻米积累镉的主要因子，探讨将这些因子综合为系数的单一指标，建立评价土壤中镉危害稻米安全的多因子系数法，以期为广西土壤中镉安全风险的合理评价方法提供参考，提高稻米的安全性和土地利用率，推动广西富硒稻米等特色优势产业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

AA 240Z型石墨炉原子吸收光谱仪，美国瓦里安公司，塞曼扣背景，附带自动进样器，瓦里安热解涂层石墨管;SpectrAA 220FS型原子吸收光谱仪，美国瓦里安公司;721G型分光光度计，上海仪电分析仪器有限公司;L550型离心机，湖南湘仪实验室仪器公司。

标准溶液的母液均为国家标准元素单元素溶液，工作标准溶液使用时逐级稀释;稀释液使用硝酸溶液（3%）。其他试剂均为分析纯，水为2级去离子水。

所使用的玻璃仪器均用洗涤剂于超声波清洗仪洗净，水冲洗净，再于硝酸溶液（1+2）中浸泡24 h以上，用水冲洗数遍，晾干，备用。

1.2 样品采集和处理

在广西12个县区选择周边没有外来污染（或没有污染排放源）的区域，水稻收获的季节时，到产地的田间采集稻谷和土壤（0～20 cm）样品，每个样品质量约1 kg，共115个土壤样品，以及其种植出的115个稻谷样品。稻谷阳光下晒干，脱壳，粉碎，过80目筛，备用。土壤在室内风干，粉碎，过40目筛，备用。

1.3 测定方法

检测方法采用标准方法和自选方法2类。（1）标准方法：稻米中镉，为标准GB 5009.15-2014;土壤中总镉，为GB/T 17141-1997;土壤中有效态镉，为GB/T 23739-2009（二乙三胺五乙酸浸提剂，简写DTPA）;土壤pH，为NY/T 1121.2-2006;土壤中有效磷，为LY/T 1232-2015;土壤中有机质，为NY/T 1121.6-2006。（2）自选方法：土壤水溶性Fe、Mn、Ca、Mg、Zn、Al、P、K含量，检测方法：称取2.000 g土壤，加20 mL蒸餾水，超声波提取15 min，2000转离心5 min，取上清液，用原子吸收、分光光度计等仪器检测各元素;土壤提取态镉，分别有草酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、乳酸、柠檬酸、丙酸、KHSO4提取态镉，检测方法：称取2.000 g土壤，加20 mL 0.05 mol/L的相应提取液，超声波提取15 min，2000转离心5 min，取上清液，用石墨炉原子吸收测定镉。

1.4 测定的质量控制

采用国家标准物质进行测试的质量控制，分别有编号为GBW07404、GBW07459、GBW07461的土壤，及GBW10045的湖南大米等标准物质。质量控制方法采用测试值与标准物质证书值直接比较的方法，测试值在证书值范围时，表示测试结果满足实验要求。对主要测试项目进行国家标准物质测试的质量控制，分别为土壤中镉含量、有效态镉含量及大米中镉含量。

2 结果与分析

2.1 稻米中镉与土壤中镉的相关性分析

研究发现，稻米中镉与土壤中镉间为弱度相关，其相关系数为0.0215;另外，稻米中镉与土壤中DTPA提取有效镉的相关系数为0.0010。土壤中镉超标的耕地有过半数种植出的稻米是合格的，而镉超标的稻米中过半数源于合格的耕地，土壤重金属含量与稻米质量之间没有直接对应关系，按现行土壤环境质量标准评价耕地质量的效果差。从耕地方面统计，有40个耕地土壤的镉超标，其种植的水稻有26个稻米是合格的（相对应的土壤简称为低活性镉土壤），见图1。从稻米中方面统计，有37个稻米的镉超标，其中22个来源于土壤合格的耕地（该22个土壤简称为高活性镉土壤）见图2。说明广西部分耕地土壤中镉背景值较高，除了土壤中镉含量影响稻米中镉的积累，还有其他环境因子对稻米积累镉产生重大影响。

2.2 稻米中镉与土壤中多因子的相关性分析

为筛查高活性镉土壤和低活性镉土壤对稻米积累镉共同作用的因素，及影响土壤中镉活性的因子，对土壤中多组分的因子进行测定、分析。选择低活性镉土壤和高活性镉土壤各22个样品（共44个样品），按1.3的方法进行总镉、pH值、有效磷、有机质，水溶性Fe、Mn、Ca、Mg、Zn、Al、P、K含量，草酸、酒石酸、苹果酸、甲酸、乳酸、柠檬酸、丙酸、KHSO4等提取有效态镉，共20个检测项目进行测定。

用Spss软件对这44个样品实验数据进行相关性分析，与稻米镉含量的相关系数值位于前列的主要因子有土壤总镉（-0.363）、pH（-0.316）、有机质（-0.300）、有效磷（0.516）、水溶性磷（0.564）、苹果酸提取有效态镉（-0.301）等。

2.3 稻米中镉积累与土壤中主要因子的关系

稻米积累镉受到土壤中多个因子的综合影响。选择了土壤总镉、pH、有机质和有效磷这4个因子为主要因子进行土壤影响稻米镉积累的研究（其他因子的检测方法成熟度相对较低而未选），在高活性镉土壤和低活性镉土壤间存在显著差异，可能是造成稻米镉积累效率不同的重要原因，其平均值见表1。从表中数据分析，稻米镉积累与土壤总镉、pH、有机质呈反比关系，与有效磷呈正比关系。这4个影响稻米镉积累的因子，pH、有机质的影响方向与常识相符;有效磷的影响可能与施用磷肥量相关（相对其他肥料，磷肥中镉含量偏高）;土壤总镉的影响方向与常识不相符，推测采集样品地区的稻米镉积累与土壤中镉活性正相关，与土壤中镉总量相关弱。

2.4 多因子系数法公式

为了将多个因子化为可比较的数值，分别对多个因子进行系数化处理，得到相应的系数（比值），按各因子影响力大小、方向再对比值进行综合处理，得到一个综合系数值，该综合系数值高说明耕地土壤中镉的危害风险较高，该综合系数值低说明耕地土壤中镉的危害风险较低，建立了多因子系数法。具体公式（1）、（2）如下：

公式中：

S—土壤对稻米镉积累危害的综合系数。

K—经验权重值，设为1.5，因土壤中镉活性受pH影响大，取较大的权重值。

按各因子影响力大小和影响方向确定公式的使用条件：

①土壤样品的pH≤6、总镉≤0.3 mg/kg，或pH>6、总镉>0.3 mg/kg的情况下，使用公式（1）。

②土壤样品的pH>6、总镉≤0.3 mg/kg，或pH≤6、总镉>0.3 mg/kg的情况下，使用公式（2）。

建立公式的设想。不同计量单位的因子数值之间无法直接比较，当某因子与其自身的参考值相比则得到一个没有计量单位、纯数字的系数，多个因子系数之间就可进行比较、分析。多个因子系数的计算中，当因子的数值增大时，能促进稻米镉积累量的因子系数设为“因子除以其参考值”（因子变大时，比值变大，促进稻米镉积累），能减小稻米镉积累量的因子系数设为“参考值除以其因子”（因子变大时，比值变小，减少稻米镉积累），这样每个因子系数的变化均与其产生作用方向的相同，所以多因子加和的综合系数值的高低能说明耕地土壤中镉的危害風险高低。参考值的设定原则是，土壤总镉的参考值取土壤质量标准的限量值，有效磷、pH值、有机质的参考值分别取其地域的测定平均值。

多个因子系数和值的修正。为了表征土壤中总镉是影响稻米镉积累本质性的因子（其他因子只是影响土壤镉的活性，属于外来因子。），取得多个因子系数的加和值后，再用样品土壤总镉系数对和值进行二次修正，最后得到综合的多因子系数。二次修正时，以土壤pH=6为酸度对镉活化的关键点，考虑在某酸度下该系数修正的方向，与酸度作用方向保持一致。

2.5 稻米中镉积累风险预警方式验证比较

对采集的115组土壤和稻米样品，选取土壤和其产出的稻米各77个进行稻米中镉积累风险预警的验证、比较，主要选取的样品是镉超标的稻米和土壤及低镉土壤，包含有33个稻米镉超标、32个土壤镉超标的样品。

以国家标准《GB15618-2018土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》进行判断，按土壤中镉限量值来预测稻米中镉超标，准确判定13个稻米中镉超标，漏判20个（20个合格土壤，其种出的稻米中镉超标，无法识别稻米中镉超标），另外错判19个（19个土壤中镉超标，其稻米合格），预测准确率较低，结果见图3。

以多因子系数法进行判断，按土壤的多因子系数值来预测稻米中镉超标，准确判定30个稻米中镉超标，漏判3个（对应1个镉超标的、2个合格的土壤，无法识别稻米中镉超标。），错判16个（对应5个镉超标的、11个合格的土壤，其稻米为合格。），结果见图4。（多因子系数值设置的警示线为5;土壤的参考值取地域测试的平均值，具体：有效磷为49 mg/ kg，pH值为5.7，有机质为35 g/kg。）

多因子系数法对稻米中镉超标的预测结果与标准方法比较，准确率提高1倍多，漏判减少85 %，这对稻米安全性评价很重要，对特色耕地的合理利用提供依据。

3 讨论

广西属于喀斯特地貌地区，土壤母质中镉的背景值较高，土壤中镉对稻米的危害风险较大，尤其是在发展特色优势的富硒农业时会产生了负面影响，而科学、准确的耕地质量评价，可以将此类不利影响减少至最低。针对广西镉污染来源于耕地土壤母质的稻米质量安全进行研究，结果表明该区域非矿区农用土壤稻米中镉含量与土壤全镉含量相关性弱。影响稻米中镉积累因素较多，土壤镉总量、水稻品种、土壤总镉、pH值等。一般水稻从土壤中吸收的Cd含量与土壤Cd总量并不一定相关，而往往与有效态Cd含量显著相关。土壤中重金属（Cd）的生物有效性主要取决于其化学形态。其中，土壤酸化会直接或间接地提高稻田土壤中Cd的有效性和可提取性，同时会提高水稻对Cd的吸收。不同酸化方式对不同稻田土壤Cd的生物利用度影响不同。不同浓度S对土壤有效Cd和水稻Cd积累的降低程度随S浓度的增加先加强后降低[11]。不同水稻品种间产量、稻米镉含量及镉富集系数的差异变化[12]。不同提取方法对不同性质的土壤提取的有效态镉，与不同土壤生长的生物中镉积累相关性相差异大[13]，其中国家标准方法[14]采用的DTPA提取方法相关性不够高。

本研究测试的土壤中镉与稻米镉积累相关性弱，土壤中镉与最新的国家标准《GB 15618-2018 土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中污染风险筛选值比较，得出稻米镉风险与实际结果相关性差;国家标准方法[14]采用的DTPA提取土壤中有效态镉，得出稻米镉风险与实际结果相关性差。这可能是广西主要是酸性的红壤对稻米吸收有较大特殊性有关，因此尝试用多种影响稻米镉积累的因子评价土壤镉污染风险。

本研究筛查出土壤总镉、pH值、有机质、有效磷4个影响稻米积累镉的主要因子，但是其均与稻米镉含量相关程度不够高，不能用来直接评价耕地土壤的质量。本研究将影响稻米积累镉的主要因子与其参考值相比，得到了相应的系数，将多个系数加值修正，得到综合性单一的多因子系数值，该数值高说明耕地土壤中镉对稻米的危害风险较高，数值低说明耕地土壤中镉对稻米的危害风险较低，建立了评价水稻田土壤质量的多因子系数法。多因子系数法可较好用单一指标综合评价耕地土壤中镉的危害风险。

4 结论

广西部分地区的稻米积累镉，受到环境因子的影响较大，用现行土壤环境质量标准评价土壤质量时，对稻米中镉含量超过限量值预测的错判、漏判较多;采用多因子系数法对广西水稻土中镉的风险进行评价，其预测稻米中镉含量超过限量值的结果，与用土壤环境质量标准预测结果相比较，准确率提高1倍，漏判减少85 %，有效提高耕地的利用率和稻米的安全性。多因子系数法有待进一步完善，为优化土壤质量评价方法提供借鉴。

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