基于多評估方法的縣域鎘污染風(fēng)險管控研究

　　摘 要：為支撐區(qū)域尺度重金屬鎘(Cd)污染農(nóng)田的分區(qū)管理決策，以湖南省某典型糧食大縣為案例，通過區(qū)域網(wǎng)格采集土壤和水稻樣品，分析縣域 Cd 污染空間分布特征，結(jié)合單因子評價、地累計指數(shù)法和人體健康風(fēng)險法，評估該縣 Cd 污染風(fēng)險。結(jié)果表明：不同評價方法對 Cd 污染風(fēng)險區(qū)劃分差異較大。單因子指數(shù)法顯示該縣僅有 5.9%的區(qū)域存在污染風(fēng)險，地累計指數(shù)法顯示該縣 29.2%的區(qū)域存在污染風(fēng)險，主要分布于中東部。而健康風(fēng)險評估法顯示全縣分別有 90.0%和 82.7%的區(qū)域?qū)和统扇舜嬖?Cd 污染風(fēng)險，風(fēng)險面積最大，主要位于該縣中東部和南部區(qū)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(nóng)田風(fēng)險的有效措施，酸化改良可減少 22.0%~37.8%的風(fēng)險區(qū)域。研究強調(diào)，在南方酸性土壤地區(qū)，應(yīng)強化以人體健康為導(dǎo)向的區(qū)域 Cd 污染風(fēng)險管理方案，并結(jié)合酸化農(nóng)田改良降低中輕度 Cd 污染地區(qū)的污染風(fēng)險，促進 Cd 污染農(nóng)田安全利用。

　　關(guān)鍵字：鎘;縣域;風(fēng)險評估;農(nóng)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(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報 2022-01-07

　　農(nóng)田鎘(Cd)污染是全球范圍內(nèi)重要的環(huán)境問題，嚴重威脅糧食安全和人體健康[1]。 Cd是環(huán)境中毒性最強的元素之一，被國際癌癥研究機構(gòu)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(dǎo)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(nóng)作物容易導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)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(nóng)田土壤Cd污染問題日益突出[7]。2014年土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國19.4%的農(nóng)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(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品Cd含量超標問題嚴重。據(jù)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(shù)據(jù)表明，我國水稻主要產(chǎn)區(qū)約有25%的稻米Cd含量超過《食品鎘限量衛(wèi)生標準》(GB 15201-1994)限定標準值0.2 mg·kg-1[11]，南方Cd污染地區(qū)稻米Cd含量超標率更是高達 60%~80%[12, 13]。農(nóng)田土壤Cd污染已經(jīng)成為影響我國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量和農(nóng)產(chǎn)品安全的突出問題。

　　土壤Cd污染評價是土壤環(huán)境管理的基礎(chǔ)性工作。如何科學(xué)、客觀的評價農(nóng)田土壤污染現(xiàn)狀，開展針對性的改良和防治措施，降低污染風(fēng)險，實現(xiàn)Cd污染土壤的安全利用，是當(dāng)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(fēng)險評價方法，例如單因子指數(shù)法、地累積指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法等[14]。然而在區(qū)域尺度上面向人體健康的Cd污染評價應(yīng)用較少，對于從健康效應(yīng)角度制定Cd污染風(fēng)險管理方案的支撐不足。本研究以湖南省某典型產(chǎn)糧縣為案例，通過縣域農(nóng)田土壤網(wǎng)格采樣與分析，結(jié)合單因子分析、地累計指數(shù)法和健康風(fēng)險法，評估區(qū)域尺度土壤Cd污染程度及風(fēng)險分區(qū)方案;結(jié)合情景分析，研究酸性農(nóng)田改良對區(qū)域Cd污染風(fēng)險的影響，為區(qū)域尺度制定Cd污染風(fēng)險分區(qū)管理方案，實現(xiàn)Cd污染農(nóng)田的安全利用提供數(shù)據(jù)支撐。

　　1 材料與方法 1.1 研究區(qū)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(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫 17.8~18.4 ℃，年降雨量在 1150~1350 mm。區(qū)域總面積 25.38 萬 hm2，農(nóng)田總面積 5.4 萬 hm2，農(nóng)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(chǎn)量高達 58.5 萬 t，是典型糧食生產(chǎn)縣。縣總?cè)丝?94.95 萬，大米是當(dāng)?shù)厝嗣竦闹魇场?/p>

　　1.2 土壤樣品采集與分析

　　基于 Arcgis10.4 進行網(wǎng)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(shè)置 274 個采樣點，如圖 1 所示。每個采樣點根據(jù)“五點取樣法”獲得 0~20 cm 土層的混合樣品，同時在 2019 年根據(jù)土地利用現(xiàn)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(guān)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(zhì)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(zhì)(GBW07405)湖南水稻土、(GBW(E)100351)大米;中國計量科學(xué)院)和空白樣品進行全程質(zhì)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(jù)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(jù)我國現(xiàn)行的《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》(GB 15618-2018)，基于表層土壤重金屬Cd含量(Ci)，結(jié)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(nóng)田Cd污染風(fēng)險。該方法可將土壤環(huán)境質(zhì)量分為三類：Ci≤Si，安全區(qū);SiGi，污染區(qū)。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(fēng)險評估

　　本研究采用危害商法(HQ)評估 Cd 污染引發(fā)的健康風(fēng)險。該方法由美國環(huán)境保護署(US EPA)提出[19]，表征因接觸有毒物質(zhì)而產(chǎn)生的非致癌性健康風(fēng)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：