朱志軍 楊壽山 楊澤忠 李霞 莫秋霞 劉釗揚 李興林 郭映云 覃海全
摘要:【目的】分析廣西桂平市稻田生態(tài)區(qū)的土壤酸化和鎘污染風(fēng)險程度,為保障糧食質(zhì)量安全和完善土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系提供參考依據(jù)?!痉椒ā空{(diào)查廣西桂平市稻田生態(tài)區(qū)土壤的酸化和鎘污染現(xiàn)狀,對土壤pH的變異及土壤鎘的分布情況進(jìn)行分析,并以741個稻田土壤樣本及其對應(yīng)的稻米樣本為對象,分別采用GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》兩種國標(biāo)對稻田土壤的鎘污染風(fēng)險進(jìn)行分類評定,比較稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量超標(biāo)或不超標(biāo)的吻合與背離程度?!窘Y(jié)果】廣西桂平市稻田pH≤6.5的酸性土壤占比79.35%,土壤鎘含量范圍為0.004~2.456 mg/kg,平均值0.191 mg/kg,變異系數(shù)102.63%,在廣西稻田生態(tài)區(qū)中土壤全鎘的水平相對較低,需管制的土壤鎘中重度污染區(qū)占比較小。按照GB 15618—2018得出的土壤鎘超標(biāo)率較GB 15618—1995降低7.16%(絕對值,下同),評價結(jié)果吻合度(置信概率)(87.84%)提高4.58%,背離度(否定概率)同步降低4.58%,但兩種國標(biāo)的置信概率均未達(dá)顯著水平(P>0.05)?!窘Y(jié)論】廣西桂平市稻田生態(tài)區(qū)土壤酸化嚴(yán)重,但稻田土壤鎘的污染程度較低,需管制的土壤鎘中重度污染區(qū)占比較小。除礦區(qū)周邊稻田外,稻米鎘暴露可能起因于稻田土壤的酸化。
關(guān)鍵詞: 稻田土壤;稻米;土壤酸化;鎘污染;風(fēng)險評價;廣西桂平
0 引言
【研究意義】隨著社會發(fā)展和環(huán)境變化,稻田土壤逐漸出現(xiàn)酸化,其特征是土壤鹽基離子(堿性)淋失,結(jié)構(gòu)變差,氮、磷等營養(yǎng)元素有效性降低,稻田土壤肥力降低。稻田土壤酸化所產(chǎn)生的氫離子及其活化產(chǎn)物鋁、鎘、鉛等離子危及水稻的生長發(fā)育和稻米的質(zhì)量安全(Delhaize and Raye,1995;劉春生等,2002)。此外,稻米是我國65%居民的主食,水稻又是吸鎘能力最強的谷類作物(Chaney et al.,2004),稻米鎘污染則對人體健康構(gòu)成極大威脅(陳懷滿,1996)。桂平市是廣西最大的糧食生產(chǎn)縣(市),2016年稻田面積為69151.3 ha,占耕地面積的59.24%,近年被評為全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣(市),其產(chǎn)出大米的食用安全性舉足輕重。因此,深入開展廣西桂平市稻田土壤鎘污染風(fēng)險評價,引導(dǎo)糧食產(chǎn)業(yè)進(jìn)行稻米鎘污染超標(biāo)防控,是確保當(dāng)?shù)丶Z食安全和社會可持續(xù)發(fā)展的頭等大事?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】相關(guān)研究(王國慶等,2005;張紅振等,2010;于天一等,2014)表明,我國土壤酸化有加重趨勢,熱帶和亞熱帶是土壤酸化的最嚴(yán)重地區(qū),其發(fā)生機理和防治措施已成為土壤、環(huán)境保護(hù)等學(xué)科研究的熱點;伴隨著土壤酸化,以鎘為首的重金屬暴露問題越來越突出,在治理和防控重金屬污染的同時,如何進(jìn)行污染風(fēng)險評價成為相關(guān)學(xué)科研究的又一熱點。在土壤酸化方面,郭治興等(2011)基于廣東省第二次土壤普查及2002—2007年廣東省土壤pH數(shù)據(jù)對土壤pH的時空變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明廣東省土壤pH空間分布格局基本一致,除少部分地區(qū)土壤為弱堿性外,其他地區(qū)土壤以酸性為主,土壤pH整體表現(xiàn)為酸化,平均值由5.70降至5.44;張秀等(2017)探討了福建省耕地的土壤酸化程度及原因,得出1982—2008年福建全省67.60%的耕地土壤發(fā)生不同程度酸化,其中強度、中度和弱度酸化面積分別占全省耕地總面積的0.83%、18.26%和48.52%;從土地利用類型差異分析可知,水田和水澆地的酸化面積比例較高,分別占相應(yīng)利用類型總面積的70.35%和60.78%。在鎘污染風(fēng)險評價方面,張良運等(2009)研究分析了江西、湖南、安徽和廣東等典型水稻產(chǎn)區(qū)部分市場和污染地區(qū)農(nóng)戶隨機抽取的70份大米樣品,分別測定其鎘、鋅和硒含量,并分析不同樣品的差異及其與產(chǎn)地土壤性質(zhì)的關(guān)系,結(jié)果表明土壤鎘化學(xué)有效性是影響供試大米鎘含量的主因,土壤—水稻系統(tǒng)中鎘的遷移和籽粒累積取決于人為污染和土壤的化學(xué)性質(zhì);李野等(2012)研究認(rèn)為,除水稻自身內(nèi)因影響其對土壤鎘的吸收外,在大田條件下土壤鎘含量、鋅含量、土壤pH、土壤質(zhì)地等是影響水稻吸收鎘的主要環(huán)境因子,所有稻田如種植低吸收型早稻均不會導(dǎo)致稻米鎘超標(biāo);趙曉軍等(2014)通過對國內(nèi)外土壤重金屬鎘標(biāo)準(zhǔn)限值和我國土壤鎘背景值的研究,給出了全國各省級行政區(qū)域土壤表層鎘背景含量范圍值和部分土壤類型鎘背景含量范圍值,提出土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)設(shè)置土壤鎘梯度標(biāo)準(zhǔn)限值、有效態(tài)與總量標(biāo)準(zhǔn)限值并存,以及嚴(yán)格區(qū)分人為污染與高背景值等建議;熊婕等(2019)研究認(rèn)為我國南方稻區(qū)稻米鎘累積量主要取決于土壤有效態(tài)鎘含量而非全鎘含量,有效鐵、有效錳及有機質(zhì)含量也是影響稻米鎘含量的重要因素;在不考慮水稻品種條件下,采用土壤有效態(tài)鎘含量、有效錳、有效鐵及有機質(zhì)含量可較好預(yù)測稻米鎘積累量?!颈狙芯壳腥朦c】當(dāng)前,針對土壤酸化和土壤污染問題的研究較多,但關(guān)于稻田土壤酸化、稻田土壤—水稻重金屬污染及二者定量化關(guān)系的研究較少,也沒有學(xué)者針對農(nóng)用地土壤重金屬污染風(fēng)險評價與對應(yīng)農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染超標(biāo)與否的相關(guān)性進(jìn)行大樣本調(diào)查分析。【擬解決的關(guān)鍵問題】以廣西桂平市稻田土壤及其產(chǎn)出的稻米為研究對象,通過對大樣本的第二次土壤普查以來三十多年的稻田土壤pH變異和當(dāng)前稻田土壤鎘含量分析,評價桂平市稻田生態(tài)區(qū)的土壤酸化和鎘污染風(fēng)險程度;再分別采用GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》兩種國標(biāo)(以下簡稱GB 15618—2008和GB 15618—1995)對稻田土壤的鎘污染風(fēng)險分類評定,進(jìn)行超標(biāo)與不超標(biāo)分類,比較稻田土壤鎘污染與稻米鎘污染在超標(biāo)與否上的吻合與背離程度,對兩種國標(biāo)的評價結(jié)果進(jìn)行差異性研究分析,以評估GB 15618—2018較GB 15618—1995的改善程度及其對稻田土壤鎘污染風(fēng)險評價的可靠性,為提高耕地質(zhì)量、保障糧食質(zhì)量安全及完善土壤環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系提供參考依據(jù)。
1 材料與方法
1. 1 樣本采集及測定
土壤和稻米(谷)樣本于2015—2016年采自廣西桂平市26個鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),每個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的樣本數(shù)多少由各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))稻田面積占全市稻田面積的權(quán)重決定,土壤和稻谷樣本一一對應(yīng),共采集樣本741對,分別取自741個代表田塊,每個代表田塊取15~20個點的土壤和稻谷樣品,組成一對樣本。取土?xí)r在耕作層用鐵鏟垂直挖一個深約20 cm(由耕作層深淺定)的小剖面,然后用竹簽輕刮去與鐵鏟接觸的土壤和土表的植物殘體,再從上而下均勻取0~20 cm深的土壤,15~20個點的土壤用無色塑料袋共取土約2 kg混合成一個土樣,風(fēng)干后用四分法留下約1 kg進(jìn)行土壤pH、全鎘含量等化驗分析。同時在這15~20個點用網(wǎng)袋隨機取稻谷約0.5 kg混合成稻谷樣,進(jìn)行稻米全鎘含量化驗分析。風(fēng)干后的土樣和稻谷樣一并委托有資質(zhì)的廣西益譜檢測技術(shù)有限公司進(jìn)行化驗分析。土壤pH采用1∶2.5水土比提取,電位法測定;土壤全鎘和稻米鎘含量采用石墨爐—原子吸收光譜法測定。
1. 2 分類評定和篩選
農(nóng)用地土壤鎘污染限值參照國標(biāo)GB 15618—2018和國標(biāo)GB 15618—1995,相關(guān)內(nèi)容如表1所示。稻米鎘污染限值執(zhí)行GB 2762—2005《食品中鎘限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的標(biāo)準(zhǔn)(0.2 mg/kg)。當(dāng)?shù)咎锿寥梨k含量超出國標(biāo)GB 15618—1995限值和GB 15618—2018限值(篩選值)、稻米鎘含量超出0.2 mg/kg限值時,確定為超標(biāo),反之為不超標(biāo)。
當(dāng)?shù)咎锿寥梨k含量和稻米鎘含量同時不超標(biāo)或同時超標(biāo)時稱為評價結(jié)果吻合,當(dāng)?shù)咎锿寥梨k含量和稻米鎘含量超標(biāo)與否不一致時,稱為評價結(jié)果背離。
評價結(jié)果吻合度(%)=(稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標(biāo)的樣本數(shù)+稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標(biāo)的樣本數(shù))/樣本總數(shù)×100。
評價結(jié)果背離度(%)=(稻田土壤鎘含量超標(biāo)而稻米鎘含量不超標(biāo)的樣本數(shù)+稻田土壤鎘含量不超標(biāo)而稻米鎘含量超標(biāo)的樣本數(shù))/樣本總數(shù)×100。
根據(jù)以上兩式,評價結(jié)果的吻合度和背離度分別與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的置信概率和否定概率相等,且評價結(jié)果吻合度(%)+評價結(jié)果背離度(%)=1,與數(shù)理統(tǒng)計學(xué)置信概率+否定概率=1一致。
當(dāng)評價結(jié)果吻合度>95%時,評價結(jié)果可靠性95%以上概率落入數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的置信區(qū)間,稻田土壤鎘污染超標(biāo)與否與其對應(yīng)的稻米鎘污染超標(biāo)與否顯著相關(guān)(P<0.05)。當(dāng)評價結(jié)果吻合度<95%時,評價結(jié)果可靠性5%以上概率落入數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的否定區(qū)間,稻田土壤鎘污染超標(biāo)與否與其對應(yīng)的稻米鎘污染超標(biāo)與否相關(guān)不顯著(P>0.05)。
1. 3 統(tǒng)計分析
采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析及制圖。
2 結(jié)果與分析
2. 1 抽樣點位稻田土壤pH分析
經(jīng)檢測,741個土樣的pH介于4.98~8.25。其中pH≤5.5的點位有89個,占比12.01%;5.5<pH≤6.5的點位有499個,占比67.34%;6.5<pH≤7.5的點位有126個,占比17.00%;pH>7.5的點位有27個,占比3.64%(圖1)。由此可知,pH≤6.5的酸性土點位共588個,占比79.35%,說明廣西桂平市稻田以酸性土壤為主。
2. 2 抽樣點位稻田土壤鎘含量分析
由表2可知,廣西桂平稻田生態(tài)區(qū)741個土樣的土壤全鎘含量介于0.004~2.456 mg/kg,平均值0.191 mg/kg,變異系數(shù)102.63%,說明廣西桂平市稻田土壤全鎘分布不平衡。與廣西稻田生態(tài)區(qū)中土壤全鎘含量相比,桂平稻田生態(tài)區(qū)土壤全鎘含量相對較低,變異相對偏小,表明桂平稻田土壤鎘污染風(fēng)險相對較小,需加強管制的中重度污染區(qū)占比較小。
2. 3 稻田土壤鎘污染評價分析比較
由表3可知,按照國標(biāo)GB 15618—1995,土壤鎘含量超標(biāo)的樣本數(shù)為86個,超標(biāo)率為11.61%;按照國標(biāo)GB 15618—2018,土壤鎘超標(biāo)的樣本數(shù)為33個,超標(biāo)率為4.45%,后者比前者降低7.16%(絕對值),說明國標(biāo)GB 15618—2018的嚴(yán)格程度較國標(biāo)GB 15618—1995有所降低。按照國標(biāo)GB 15618—2018,土壤鎘含量超出管制值的樣本數(shù)有1個,占比0.135%,而國標(biāo)GB 15618—1995未制訂管制值,說明新國標(biāo)相較于舊國標(biāo)強化了對土壤鎘中重度污染區(qū)的管控,而廣西桂平市要加強管制的中重度污染區(qū)比例較低,與2.2部分的分析結(jié)果一致。
2. 4 評價結(jié)果的吻合與背離分析
由圖2可看出,按照GB 15618—1995篩選得出土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標(biāo)的樣本數(shù)為598個,土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標(biāo)的樣本數(shù)有19個,土壤鎘含量超標(biāo)而稻米鎘含量不超標(biāo)的樣本數(shù)有67個,土壤鎘含量不超標(biāo)而稻米鎘含量超標(biāo)的樣本數(shù)有57個,其評價結(jié)果的吻合度為83.27%,背離度(否定概率)為16.73%;按照GB 15618—2018篩選得出稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標(biāo)的樣本數(shù)有642個,稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標(biāo)的樣本數(shù)有9個,土壤鎘含量超標(biāo)而稻米鎘含量不超標(biāo)的樣本數(shù)有24個,土壤鎘含量不超標(biāo)而稻米鎘含量超標(biāo)的樣本數(shù)有66個,其評價結(jié)果的吻合度是87.85%,背離度(否定概率)是12.15%。對比發(fā)現(xiàn),GB 15618—2018評價結(jié)果的吻合度(置信概率)較GB 15618—1995提高4.58%(絕對值),背離度(否定概率)降低4.58%(絕對值)。說明GB 15618—2018的評價指標(biāo)體系較GB 15618—1995有所改善,但兩者的置信概率均未達(dá)顯著標(biāo)準(zhǔn)(P>0.05)。
3 討論
pH是表征土壤酸堿度的強度指標(biāo),其數(shù)值的高低反映了土壤中游離性酸的多寡。新舊兩種國標(biāo)均強調(diào)土壤pH對土壤鎘污染風(fēng)險的影響,反映了業(yè)界的共識。我國建國后,生產(chǎn)力得到迅速發(fā)展,然而由于人多耕地少,復(fù)種指數(shù)高,大量使用化學(xué)肥料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機肥料,加上農(nóng)民過量施肥、盲目施肥和酸沉降(主要為酸雨),收獲農(nóng)作物時帶走大量的鹽基離子而得不到有效補充,耕地地力嚴(yán)重透支,土壤酸化日趨嚴(yán)重,所產(chǎn)生的游離酸活化了土壤中的鎘,增加了土壤鎘污染風(fēng)險。本研究結(jié)果表明,廣西桂平市稻田741個土樣的pH介于4.98~8.25,其中pH≤6.5的酸性土點位共588個,占比79.35%,較全國第二次土壤普查時廣西桂平市酸性水稻土占比約42.00%(黃永浪,1984)增加37.35%(絕對值),也較陳桂芬等(2015)研究得出的廣西酸性水稻土占比73.25%的結(jié)果高出6.10%(絕對值),說明廣西桂平市稻田土壤自1980—1982年第二次土壤普查以來,經(jīng)三十多年的耕作后酸化相對嚴(yán)重,其根源在于桂平市是廣西重要的糧食基地,人口密度較大,人均耕地較少,復(fù)種指數(shù)較高,長期生產(chǎn)中所投放的化學(xué)肥料也較多,帶走土壤中的鹽基離子相對較多(于天一等,2014)。由此看來,廣西桂平市稻田生態(tài)區(qū)除礦區(qū)周邊稻田外,稻米鎘暴露在很大程度上可能起因于稻田土壤的酸化。因此,提高稻田土壤pH,既能減少或消除酸害,又能降低土壤有效鎘含量,從而減少稻米鎘的累積量,達(dá)到稻米質(zhì)量安全的目的(熊婕等,2019)。
GB 15618—1995和GB 15618—2018兩種國標(biāo)pH最高檔的限值均為7.5,但GB 15618—2018中pH最低檔限值由GB 15618—1995中的6.5降至5.5,檔數(shù)由3檔增加至4檔,說明GB 15618—2018更加重視土壤pH對土壤鎘污染風(fēng)險的影響,pH最低檔限值降低,無疑是應(yīng)對我國耕地土壤酸化造成土壤生態(tài)環(huán)境失衡的一種策略,是國家選擇以治理土壤酸化作為主要手段來管控土壤鎘污染風(fēng)險的有效途徑。針對土壤酸化的治理,目前多主張施用有機肥料和堿性肥料、改變種植制度、秸稈還田及施用土壤調(diào)理劑等辦法,但采用這些辦法來管控中重度土壤鎘污染風(fēng)險時也常出現(xiàn)效果不理想的情況。稻田土壤鎘污染風(fēng)險是一種生態(tài)風(fēng)險,應(yīng)以生態(tài)修復(fù)為主,統(tǒng)一規(guī)劃,綜合治理,以降鎘培肥、提升耕地質(zhì)量為目標(biāo),在中重度土壤鎘污染風(fēng)險區(qū)有計劃地輪作休耕,讓土地休養(yǎng)生息,以達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的(趙其國等,2017)。
陳桂芬等(2015)研究表明,廣西稻田耕層土壤中全鎘含量為0.02~7.33 mg/kg,平均值0.53 mg/kg,變異系數(shù)156.37%。本研究結(jié)果顯示,廣西桂平稻田741個土樣的土壤鎘含量介于0.004~2.456 mg/kg,平均值0.191 mg/kg,變異系數(shù)102.63%,表明廣西桂平市稻田土壤鎘分布不平衡,原因是桂平市東北部有錳礦,西南部有鉛鋅礦,近礦區(qū)的點位土壤鎘含量較高,遠(yuǎn)離礦區(qū)的點位土壤鎘含量較低。本研究得出的桂平市稻田土壤全鎘含量平均值低于陳桂芬等(2015)的研究結(jié)果,說明在廣西稻田生態(tài)區(qū)中桂平市稻田土壤鎘污染風(fēng)險相對較小。利用兩種國標(biāo)對廣西桂平稻田741個樣本進(jìn)行篩選評價,結(jié)果表明,GB 15618—2018得出的土壤鎘超標(biāo)率較GB 15618—1995降低7.16%(絕對值),稻田土壤鎘超出管制值的樣本僅為1個,即廣西桂平市需要嚴(yán)格管制鎘污染的稻田比例較低。
同時,按照GB 15618—2018得出的評價結(jié)果吻合度較GB 15618—1995得出的吻合度提高4.58%(絕對值),背離度同步降低4.58%(絕對值),說明GB 15618—2018對土壤鎘污染風(fēng)險的管控向著精準(zhǔn)化邁進(jìn)了一大步,但按照數(shù)理統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn),GB 15618—2018得出的評價結(jié)果吻合度(置信概率)雖提高至87.85%,但仍未達(dá)顯著水平,而反向表達(dá)即否定概率(背離度)過高,超過5.00%。說明由GB 15618—2018進(jìn)行鎘污染風(fēng)險評價的可靠性及方法仍需進(jìn)一步探討。
本研究通過采用兩種國標(biāo)對稻田土壤鎘污染風(fēng)險的差異性進(jìn)行評價,首次嘗試采用吻合度和背離度對評價結(jié)果的可靠性作出評估,計算方法簡單,易于理解和掌握,克服了推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型的繁鎖,為今后對農(nóng)用地土壤污染物污染風(fēng)險評價結(jié)果的可靠性考量提供了借鑒和方法。但本研究僅是對鎘污染風(fēng)險評價的可靠性作出單個評估,得出的結(jié)果難免片面,今后應(yīng)繼續(xù)對主要農(nóng)用地土壤污染物污染風(fēng)險評價的可靠性進(jìn)行全面評估。
4 結(jié)論
廣西桂平市稻田生態(tài)區(qū)土壤酸化嚴(yán)重,酸性土壤占據(jù)主導(dǎo)地位;稻田土壤鎘分布不平衡,污染風(fēng)險相對較小,需管制的土壤鎘中重度污染區(qū)占比較小。除礦區(qū)周邊稻田外,稻米鎘暴露可能起因于稻田土壤的酸化。
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