基于多評估方法的縣域鎘污染風險管控研究

　　摘 要：為支撐區域尺度重金屬鎘(Cd)污染農田的分區管理決策，以湖南省某典型糧食大縣為案例，通過區域網格采集土壤和水稻樣品，分析縣域 Cd 污染空間分布特征，結合單因子評價、地累計指數法和人體健康風險法，評估該縣 Cd 污染風險。結果表明：不同評價方法對 Cd 污染風險區劃分差異較大。單因子指數法顯示該縣僅有 5.9%的區域存在污染風險，地累計指數法顯示該縣 29.2%的區域存在污染風險，主要分布于中東部。而健康風險評估法顯示全縣分別有 90.0%和 82.7%的區域對兒童和成人存在 Cd 污染風險，風險面積最大，主要位于該縣中東部和南部區域。情景分析顯示，土壤酸化改良是降低酸性中輕度 Cd 污染農田風險的有效措施，酸化改良可減少 22.0%~37.8%的風險區域。研究強調，在南方酸性土壤地區，應強化以人體健康為導向的區域 Cd 污染風險管理方案，并結合酸化農田改良降低中輕度 Cd 污染地區的污染風險，促進 Cd 污染農田安全利用。

　　關鍵字：鎘;縣域;風險評估;農田;土壤酸化

　　劉鵬祺; 徐東昊; 李亞琳; 蔡澤江; 文石林; 徐明崗; 朱齊超 農業環境科學學報 2022-01-07

　　農田鎘(Cd)污染是全球范圍內重要的環境問題，嚴重威脅糧食安全和人體健康[1]。 Cd是環境中毒性最強的元素之一，被國際癌癥研究機構歸類為I類致癌物[2]。即使在低濃度下，對活細胞也有很強的毒性，易導致睪丸損傷、腎和肝功能紊亂等危害[3]。Cd也是所有有毒重金屬中遷移性最強的元素之一，它在食物鏈中的生物積累速度超過了所有其他微量元素[4]。因此，在Cd污染土壤上種植農作物容易導致農產品中Cd的積累，進而對人體健康造成嚴重威脅[5, 6]。近年來，我國農田土壤Cd污染問題日益突出[7]。2014年土壤污染狀況調查公報顯示，我國19.4%的農田重金屬超標，其中Cd污染物超標率居于首位，達到7%[8]。土壤Cd污染導致農產品Cd含量超標問題嚴重。據報道，全國每年被重金屬污染的糧食多達1200萬t，損失超過100億元人民幣[9]。膳食攝入是Cd暴露的主要途徑[5]。稻米(Oryza sativa)是我國的主要糧食，也是我國人群Cd攝入的主要來源，貢獻可達一半以上[10]。Zou et al.(2021)的數據表明，我國水稻主要產區約有25%的稻米Cd含量超過《食品鎘限量衛生標準》(GB 15201-1994)限定標準值0.2 mg·kg-1[11]，南方Cd污染地區稻米Cd含量超標率更是高達 60%~80%[12, 13]。農田土壤Cd污染已經成為影響我國農產品產地環境質量和農產品安全的突出問題。

　　土壤Cd污染評價是土壤環境管理的基礎性工作。如何科學、客觀的評價農田土壤污染現狀，開展針對性的改良和防治措施，降低污染風險，實現Cd污染土壤的安全利用，是當前迫切需要解決的問題。科研人員針對不同評價目的和研究尺度建立了多種土壤重金屬污染風險評價方法，例如單因子指數法、地累積指數法和潛在生態危害指數法等[14]。然而在區域尺度上面向人體健康的Cd污染評價應用較少，對于從健康效應角度制定Cd污染風險管理方案的支撐不足。本研究以湖南省某典型產糧縣為案例，通過縣域農田土壤網格采樣與分析，結合單因子分析、地累計指數法和健康風險法，評估區域尺度土壤Cd污染程度及風險分區方案;結合情景分析，研究酸性農田改良對區域Cd污染風險的影響，為區域尺度制定Cd污染風險分區管理方案，實現Cd污染農田的安全利用提供數據支撐。

　　1 材料與方法 1.1 研究區域概況

　　該縣(26°02′~26°51′N， 110°35′~112°14′E)位于湘江中上游，屬于中亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均氣溫 17.8~18.4 ℃，年降雨量在 1150~1350 mm。區域總面積 25.38 萬 hm2，農田總面積 5.4 萬 hm2，農田以水田為主(單季稻、雙季稻及水旱輪作)，旱地和果園零星分布。2020 年糧食總產量高達 58.5 萬 t，是典型糧食生產縣。縣總人口 94.95 萬，大米是當地人民的主食。

　　1.2 土壤樣品采集與分析

　　基于 Arcgis10.4 進行網格布點(2.7 km×2.7 km)，土壤樣品采集于 2014 年 6 月中旬~7 月上旬，全縣共設置 274 個采樣點，如圖 1 所示。每個采樣點根據“五點取樣法”獲得 0~20 cm 土層的混合樣品，同時在 2019 年根據土地利用現狀重新采集了其中 88 個樣點的土壤-水稻配對樣品，用于建立水稻籽粒 Cd 含量與土壤特性的關系。土壤樣品去除植物碎片和礫石后粉碎過 0.15 mm 尼龍篩，精確稱取 0.2500 g，添加 HNO3(2.00 mL)和 HCl (6.00 mL)的混合液;植物樣品粉碎后，精確稱取 0.2500 g，分別添加 HNO3(6.00 mL)和 H2O2(2.00 mL)溶液。使用 MARS-6 微波消解儀(CEM，美國)進行消解，消化液趕酸后用超純水定容至 25 mL，采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS，Model 7700ce，美國)測量土壤和植物全 Cd 含量[15]，測定過程中采用生物成分分析標準物質(GBW07405)湖南水稻土、(GBW(E)100351)大米;中國計量科學院)和空白樣品進行全程質量控制，Cd 的回收率為 90%~110%。土壤 pH 值、有機碳(SOC)和陽離子交換量根據魯如坤(2000)中描述的方法進行測定分析[16]。

　　1.3 土壤重金屬污染評價及其分級方法

　　1.3.1 單因子評價法(SFE)

　　單因子評價法是依據我國現行的《農用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)，基于表層土壤重金屬Cd含量(Ci)，結合土壤酸堿性和土地利用類型(水田和其他)下的篩選值(Si)和管制值(Gi)，評價農田Cd污染風險。該方法可將土壤環境質量分為三類：Ci≤Si，安全區;SiGi，污染區。不同pH值下，水田的Ci和Gi如下[16]：pH≤5.5，Ci和Gi分別為0.3、1.5 mg·kg-1 ; 5.5

　　Igeo 包括從無污染到極重度污染 7 個等級，分別為[17]：Igeo≤0(class 0)無污染; 0

　　1.3.3 健康風險評估

　　本研究采用危害商法(HQ)評估 Cd 污染引發的健康風險。該方法由美國環境保護署(US EPA)提出[19]，表征因接觸有毒物質而產生的非致癌性健康風險。本研究中 Cd 污染暴露途徑包括稻米和土壤暴露，具體計算方法如下：