-
镉 (Cd) 是一种毒性较强且具有生物蓄积性的重金属。土壤中的Cd易通过农作物吸收、转运,影响食品安全和人体健康[1-3]。贵州省地处中国西南喀斯特中心,生态环境脆弱[4]。贵州省土壤Cd来源主要有2个方面:一是矿山、冶炼及农药等的人为来源;二是含矿岩系风化成土过程等的自然来源[5]。贵州省土壤中Cd背景值为0.66 mg·kg−1,高于全国Cd背景值的0.097 mg·kg−1[6]。黔西北矿产资源种类丰富[7],已发现32种矿产100余处矿床矿点[8]。六盘水市水城区位于该区域。矿冶等人类活动叠加Cd高背景值的影响,加剧了水城区农用地土壤中Cd累积,使得区域农产品安全问题突出[9]。本课题组前期调查发现,该区域有超过一半的农作物种植于Cd质量分数高于0.3 mg·kg−1的耕地上。这些作物的潜在Cd暴露风险较高[10]。
我国现行土壤质量标准《土壤环境质量农用地土壤风险管控标准 (试行) 》 (GB 15618-2018) 规定了农用地土壤重金属Cd的风险筛选值 (risk screening value,RSV) 和风险管制值 (risk intervention valve,RIV) 。当农用地土壤中重金属质量分数≤RSV时,土壤评价等级为“优先保护”等级,即表明土壤中重金属对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境的风险低,一般情况下可忽略。当农用地土壤中重金属质量分数介于RSV和RIV之间时,土壤评价等级为“安全利用”等级,即表明土壤中重金属对农产品质量安全、农作物生长或土壤生态环境可能存在风险,需加强土壤环境监测和农产品的协同监测。当农用地土壤中重金属>RIV时,土壤评价等级为“严格管控”等级,即表明该农用地上种植的可食用性农产品不符中国质量安全标准,将不被允许继续种植可食用农作物。该标准在湖南[11]、福建[12]、江苏[13]等地区均能较准确地对重金属污染土壤进行分类。但由于中国地缘辽阔,不同地区农田土壤环境质量差异较大,同时不同区域土壤重金属污染来源复杂,采用现行标准对高Cd背景值土壤的评价并不完全适用[14-15]。这或将制约地方政府对农用地的精确分类和管理。
本研究以黔西北六盘水市水城区水稻、玉米和蔬菜种植农用地为研究对象,系统采集164组土壤-农产品协同监测样品,在厘清该区域农田土壤和农作物可食部位中Cd的累积状况及分布特征的基础上,讨论现行标准对该区域土壤评价的适宜性,并基于物种敏感度分布曲线,提出黔西北农田土壤Cd的健康风险基准值建议,以期为黔西北高Cd背景值农用地的精准分类和管理提供新思路。
基于土壤标准适宜性评价与环境基准的黔西北高Cd农用地精准管理新思路
A novel approach to accurate management of agricultural land with high level Cd in northwest Guizhou—based on current soil standards suitability evaluation and study of environmental benchmark
-
摘要: 我国现行土壤标准 (GB 15618-2018) 在高重金属背景值农用地评价的准确性难以满足地方政府对农用地的精准管理。以黔西北水城区高镉 (Cd) 农用地为例,采集了164组土壤-农产品协同监测样品,系统地探讨了现行标准对农用地评价的适应性,并基于物种敏感分布模型 (SSD) 反推区域农用地环境风险基准值。结果表明,研究区土壤Cd质量分数总体呈高累积特征,而农产品可食部位中Cd质量分数整体偏低。164组样品中有72组适应性分析结果为不适宜,假阴性/阳性错误比率为43.90%。推导所得的土壤风险值临界值 (HC5) 和警戒值 (HC95) 分别为:水稻 0.7和20.9 mg·kg−1、玉米 2.4和48.5 mg·kg−1、叶菜蔬菜 2.5和151.2 mg·kg−1。基于上述阈值重新评价研究区农用地,其适应性比率整体从56.10%提高至97.60%。本研究结果可为类似高背景值重金属农用地的精准分类和管理提供新思路。Abstract: The accuracy of China's current soil standard (GB 15618-2018) in the evaluation of agricultural land with high heavy metal content was challenging, which was difficult to meet the accurate management of agricultural land by local government. In this study, 164 pairs of soil-corn samples were collected in Shuicheng District, Northwest Guizhou., the adaptability of current standards to agricultural land evaluation was systematically discussed, and the regional agricultural land environmental risk benchmark value was deduced by means of species sensitive distribution model (SSD). The results showed that the Cd accumulation in the soil of the study area was generally high. However, the Cd content in the edible parts of agricultural products was low as a whole. The results of adaptability analysis of 72 of 164 pairs samples were inappropriate, and the false negative/positive error rate was 43.9%. The hazardous concentration of 5% (HC5) and of 95% (HC95) of soil Cd were: 0.7 and 20.9 mg·kg−1 for rice, 2.4 and 48.5 mg·kg−1for corn, 2.5 and 151.2 mg·kg−1 for leafy vegetables, respectively. After re-evaluating the agricultural land in the study area by the deduced value, the adaptability ratio increased from 56.10% to 97.60%. Those results would provide a positive idea for the accurate classification and management of region with high heavy metals level.
-
表 1 黔西北水城区农田土壤pH值和Cd质量分数统计特征
Table 1. Statistical characteristics of pH value and Cd content in farmland soil in Shuicheng District of Northwest Guizhou
作物名称 样品数 土壤pH 土壤Cd 范围 平均值 范围/ (mg·kg−1) 平均值/ (mg·kg−1) 变异系数 点位超标率 水稻 22 4.67~7.47 6.03 0.26~3.55 1.16 75.02% 90.91% 玉米 105 4.53~8.09 6.35 0.30~66.50 3.77 184.57% 99.05% 叶菜蔬菜 37 4.35~7.77 6.12 0.70~248.00 19.03 219.93% 100% 表 2 研究区土壤重金属元素地积累指数
Table 2. Geo-accumulation factors of heavy metals in soils in the study area
地累积指数 污染程度 点位数 百分比 Igeo≤0 无污染 81 49.39% 0<Igeo≤1 无污染到中度污染 75 45.73% 1<Igeo≤2 中度污染 7 4.27% 2<Igeo≤3 中度污染到强污染 1 0.61% 3<Igeo 强污染及以上 0 0.00 表 3 农用地土壤Cd风险管控标准在黔西北水稻产地土壤环境质量类别划分的适宜性
Table 3. Suitability of risk control standards for soil Cd contamination of agricultural land in the classification of environmental quality for the rice production areas of Northwest Guizhou
土壤Cd≤RSV RSV<土壤Cd≤RIV 土壤Cd>RIV 土壤 pH RSV RIV NES ES NES ES NES ES 小计 标准合适 假阴性Ⅰ类错误 假阳性Ⅱ类错误 标准合适 pH≤5.5 0.3ab 1.5 0 0 16 0 18 2 36 5.5<pH≤6.5 0.4a/0.3b 2 1 0 21 2 39 2 65 6.5<pH≤7.5 0.6a/0.3b 3 1 0 27 0 14 2 44 pH>7.5 0.8a/0.6b 4 1 0 17 0 1 0 19 注:表中RSV和RIV分别表示土壤环境质量标准 (GB 15618-2018) 中的农用地土壤污染风险筛选值和管制值;NES和ES分别表示农产品不超标样本数和超标样本数;a表示水田土壤,b表示其他土壤。 -
[1] 杨文弢, 张佳, 廖柏寒. Cd胁迫下外源有机肥对土壤中Cd有效性和水稻糙米中Cd含量的影响[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2020, 37(1): 105-111. [2] 盛昕, 顿梦杰, 肖乃川, 等. 不同品种油葵在镉严格管控类耕地的安全利用探索[J]. 环境工程学报, 2021, 15(8): 2711-2720. doi: 10.12030/j.cjee.202105081 [3] 杨文弢, 廖柏寒, 周航, 等. 有机肥施用下水稻不同生育期土壤水稻系统中微量元素与Cd的关系[J]. 安全与环境学报, 2020, 20(5): 1932-1941. [4] 熊康宁, 池永宽. 中国南方喀斯特生态系统面临的问题及对策[J]. 生态经济, 2015, 31(1): 23-30. doi: 10.3969/j.issn.1671-4407.2015.01.006 [5] 陈拙, 吴攀, 孟伟, 等. 喀斯特地区清虚洞组地层风化对土壤重金属累积的影响[J]. 生态学杂志, 2019, 38(12): 3747-3753. doi: 10.13292/j.1000-4890.201912.009 [6] 中国环境监测总站. 中国土壤元素背景值. [S]. 北京: 中国环境科学出版社, 1990. [7] 黄优, 桂祥友. 贵州土地复垦发展现状及其对策研究[J]. 环境工程学报, 2008(2): 285-288. [8] 侯湖平, 黄安平, 张绍良, 等. 矿产资源开发区与生态脆弱区吻合性分析——以贵州省为例[J]. 矿业研究与开发, 2015, 35(1): 103-108. [9] 王春, 陈梓杰, 王莹, 等. 黑色岩系地质高背景区土壤锌富集特征与环境活性[J]. 地球与环境, 2021: 1-8. [10] YANG L Y, YANG W T, Gu S Y, et al. Effects of organic fertilizers on Cd activity in soil and Cd accumulation in rice in three paddy soils from Guizhou province[J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2021, 107(6): 1161-1166. doi: 10.1007/s00128-021-03326-0 [11] 黄钟霆, 易盛炜, 陈贝贝, 等. 典型锰矿区周边农田土壤-农作物重金属污染特征及生态风险评价[J]. 环境科学, 43(02): 1-14. [12] 林承奇, 蔡宇豪, 胡恭任, 等. 闽西南土壤-水稻系统重金属生物可给性及健康风险[J]. 环境科学, 2021, 42(1): 359-367. [13] 郝社锋, 任静华, 范健, 等. 江苏某市水稻籽粒重金属富集特征及健康风险评价[J]. 环境污染与防治, 2021, 43(2): 217-222,228. [14] 王旭莲, 刘鸿雁, 周显勇, 等. 地质高背景区马铃薯安全生产的土壤镉风险阈值[J]. 农业环境科学学报, 2021, 40(2): 355-363. doi: 10.11654/jaes.2020-0988 [15] 王小蒙, 郑向群, 丁永祯, 等. 不同土壤下苋菜镉吸收规律及其阈值研究[J]. 环境科学与技术, 2016, 39(10): 1-8. [16] 王倩, 直俊强, 石奥, 等. 微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法同时测定土壤中11种金属元素[J]. 中国无机分析化学, 2021, 11(1): 7-11. doi: 10.3969/j.issn.2095-1035.2021.01.002 [17] 赵东杰, 王学求. 滇黔桂岩溶区河漫滩土壤重金属含量、来源及潜在生态风险[J]. 中国环境科学, 2020, 40(4): 1609-1619. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2020.04.028 [18] 徐梦琪, 杨文弢, 杨利玉, 陈勇林, 景灏楠, 吴攀. 黔西北山区耕地重金属健康风险评价及环境基准[J/OL][J]. 环境科学, 2022: 1-15. doi: 10.13227/j.hjkx.202111053 [19] 郎笛, 王宇琴, 张芷梦, 等. 云南省农用地土壤生态环境基准与质量标准建立的思考及建议[J]. 生态毒理学报, 2021, 16(1): 74-86. [20] 曾庆楠, 安毅, 秦莉, 等. 物种敏感性分布法在建立土壤生态阈值方面的研究进展[J]. 安全与环境学报, 2018, 18(3): 1220-1224. [21] 冯艳红, 王国庆, 张亚, 等. 土壤-蔬菜系统中镉的生物富集效应及土壤阈值研究[J]. 地球与环境, 2019, 47(5): 653-661. [22] ROMKENS P F A M, Guo H Y, CHU C L, et al. Prediction of Cadmium uptake by brown rice and derivation of soil–plant transfer models to improve soil protection guidelines[J]. Environmental Pollution, 2009, 157(8-9): 2435-2444. doi: 10.1016/j.envpol.2009.03.009 [23] 刘南婷, 刘鸿雁, 吴攀, 等. 典型喀斯特地区土壤重金属累积特征及环境风险评价[J]. 农业资源与环境学报, 2021, 38(5): 797-809. [24] 王雪雯, 刘鸿雁, 顾小凤, 涂宇, 于恩江, 吴攀. 地质高背景与污染叠加区不同土地利用方式下土壤重金属分布特征[J]. 环境科学, 2022, 43(4): 2094-2103. doi: 10.13227/j.hjkx.202107112 [25] 魏赢, 刘阳生. 汞污染农田土壤的化学稳定化修复[J]. 环境工程学报, 2017, 11(3): 1878-1884. doi: 10.12030/j.cjee.201512016 [26] 杨光龙, 陈冲, 王林. 黔西北艾家坪-水城地区铅锌矿地质特征及控矿条件[J]. 贵州地质, 2009, 26(1): 31-35. doi: 10.3969/j.issn.1000-5943.2009.01.007 [27] 邱静, 吴永贵, 罗有发, 等. 两种先锋植物对铅锌废渣生境改善及重金属迁移的影响[J]. 农业环境科学学报, 2019, 38(4): 798-806. doi: 10.11654/jaes.2018-0752 [28] 林文杰, 周晚春, 敖子强, 等. 土法炼锌区土地复垦的重金属迁移特征[J]. 安徽农业科学, 2009, 37(12): 5608-5610. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2009.12.113 [29] 柴冠群, 杨娇娇, 范成五, 等. 镉高地质背景区设施栽培对土壤与蔬菜镉积累的影响[J]. 土壤通报, 2020, 51(6): 1489-1495. [30] 胡立志, 刘鸿雁, 刘青栋, 等. 贵州喀斯特地区辣椒镉的累积特性及土壤风险阈值研究[J]. 生态科学, 2021, 40(3): 193-200. [31] 张家春, 曾宪平, 张珍明, 等. 喀斯特林地土壤重金属形态特征及其评价[J]. 水土保持研究, 2019, 26(6): 347-352,358. [32] 刘方, 王金凤, 朱健, 等. 地质条件制约对喀斯特区域土壤Cd累积及空间分布的影响[J]. 贵州大学学报(自然科学版), 2021, 38(3): 10-16. [33] SUNGUR A, SOYLAK M, YILMAZ E, et al. Characterization of heavy metal fractions in agricultural soils by sequential extraction procedure: the relationship between soil properties and heavy metal fractions[J]. Soil and Sediment Contamination, 2014 (1), 24: 1-15. [34] 杨文弢, 周航, 邓贵友, 等. 组配改良剂对污染稻田中铅、镉和砷生物有效性的影响[J]. 环境科学学报, 2016, 36(1): 257-263. [35] 马宏宏, 彭敏, 郭飞, 等. 广西典型岩溶区农田土壤-作物系统Cd迁移富集影响因素[J]. 环境科学, 2021, 42(3): 1514-1522. [36] 张龙, 张忠启, 何轶, 等. 毕节植烟区炭基有机肥施用适宜性区划研究[J]. 土壤学报: 1-11. [37] 董玲玲, 何腾兵, 刘元生, 等. 喀斯特山区不同母质(岩)发育的土壤主要理化性质差异性分析[J]. 土壤通报, 2008, 234(3): 471-474. doi: 10.3321/j.issn:0564-3945.2008.03.002 [38] 刘娟, 李洋, 张敏, 等. 滇东农田土壤铅污染健康风险评价及基准研究[J]. 农业工程学报, 2021, 37(1): 241-250. doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.029 [39] 葛峰, 云晶晶, 徐坷坷, 等. 重金属铅的土壤环境基准研究进展[J]. 生态与农村环境学报, 2019, 35(9): 1103-1110. [40] 杨文弢, 廖柏寒, 吴攀, 等. 菜籽饼堆肥对水稻土壤Cd有效性及Cd在水稻全生育期转运与累积的影响[J]. 水土保持学报, 2019, 33(2): 317-322. [41] 张佳, 杨文弢, 廖柏寒, 等. 有机肥对酸性稻田土壤Cd赋存形态的影响途径和机制[J]. 水土保持学报, 2020, 34(1): 365-370. [42] 宋金茜. 南京北部长江沿岸农业土壤及农产品重金属风险评价研究[D]. 南京农业大学, 2017. [43] 袁国军, 卢绍辉, 梅象信, 等. 农用地土壤污染风险管控标准延伸理解及其评价标准现状分析[J]. 中国农学通报, 2020, 36(2): 84-89. doi: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb18110123 [44] 孙聪, 陈世宝, 宋文恩, 等. 不同品种水稻对土壤中镉的富集特征及敏感性分布(SSD)[J]. 中国农业科学, 2014, 47(12): 2384-2394. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2014.12.011 [45] 罗慧, 刘秀明, 王世杰, 等. 中国南方喀斯特集中分布区土壤Cd污染特征及来源[J]. 生态学杂志, 2018, 37(5): 1538-1544. doi: 10.13292/j.1000-4890.201805.019