許根焰，宋 靜*，高 慧，張 廈

（1.中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.荷蘭瓦赫寧根大學(xué)，6700AA；4.美國特拉華大學(xué)，DE19716）

2018年8月1日，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），遵循風(fēng)險管控的思路?，F(xiàn)行風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)中旱地土壤鎘（Cd）的風(fēng)險篩選值沿用95標(biāo)準(zhǔn)，管制值主要基于大田水稻物種敏感度分布（SSD）模型的95%危害濃度（HC95）制定。然而，我國土壤重金屬背景值呈現(xiàn)出區(qū)域化的態(tài)勢。西南地區(qū)（云南、四川、貴州等）土壤中鉛、鎘、鋅、銅、砷等重金屬背景值遠(yuǎn)高于全國平均背景值[1]。以貴州省為例，根據(jù)全國土壤環(huán)境背景值調(diào)查結(jié)果[2]，貴州省土壤重金屬背景值偏高，其中Cd的75%篩選值（0.37 mg·kg-1）就已經(jīng)高于現(xiàn)行土壤Cd的風(fēng)險篩選值（0.3 mg·kg-1）。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，土壤重金屬超過風(fēng)險篩選值可能會存在土壤污染風(fēng)險，需要通過土壤-作物協(xié)同監(jiān)測確定農(nóng)產(chǎn)品安全。這說明貴州省可能存在四分之一的土壤由于土壤地質(zhì)背景的原因而增加土壤-作物協(xié)同監(jiān)測的需求和成本。因此，該標(biāo)準(zhǔn)是否適用于指導(dǎo)西南地區(qū)特定農(nóng)產(chǎn)品的種植，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

《中華人民共和國土壤污染防治法》規(guī)定，國家支持土壤環(huán)境基準(zhǔn)研究，各省可以制定嚴(yán)于國家的地方土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)。貴州省位于我國西南成礦帶，農(nóng)用地資源匱乏，有著“八山一水一分田”的土地分布特征。因此，研究貴州省農(nóng)用地土壤重金屬風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)具有典型性和代表性。

重金屬Cd在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移較為活躍，容易通過食物鏈途徑進(jìn)入生物體并造成危害[3-5]。對于動物和絕大多數(shù)人群來說，飲食攝入是Cd暴露的主要途徑[6-7]。土壤-作物遷移模型常用來描述土壤重金屬Cd與作物可食部分Cd含量之間的關(guān)系[8-11]。作物對土壤重金屬的吸收與其賦存形態(tài)而非重金屬總量密切相關(guān)[12]。大量研究表明[12-15]，表征土壤重金屬的直接有效庫（0.01 mol·L-1CaCl2提取態(tài)）和活性庫（0.43 mol·L-1HNO3提取態(tài)）均能與作物可食部分重金屬建立極顯著的相關(guān)關(guān)系，因此研究不同有效態(tài)Cd與作物Cd含量的相關(guān)關(guān)系，并推導(dǎo)基于有效量指標(biāo)的風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。

為探討新頒布的農(nóng)用地土壤風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)是否適用于貴州高背景土壤，本研究選取了貴州省6種典型土壤（酸性/堿性石灰土、黃棕壤、黃壤、紫色土和紅壤），開展人工Cd污染土壤的盆栽試驗(yàn)，建立白菜可食部分Cd與土壤總Cd、HNO3提取態(tài)以及CaCl2提取態(tài)Cd之間的關(guān)系，采用50%置信度模型預(yù)測線、95%預(yù)測上限和95%預(yù)測下限，并根據(jù)食品中Cd限量標(biāo)準(zhǔn)反推得到安全種植白菜的土壤Cd風(fēng)險篩選值（RSVs50或RSVs95）與風(fēng)險管制值（RIVs95）。此外，采用野外田間數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對現(xiàn)行土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)和本研究得到的土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)適宜性的驗(yàn)證，以期為我國高背景地區(qū)土壤環(huán)境風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)的制定積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為該地區(qū)有效實(shí)施污染農(nóng)用地的安全利用和風(fēng)險管控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 供試土壤

供試土壤采自貴州省無明顯人為污染的表層農(nóng)用地土壤（0～20 cm），分別為酸性石灰土、黃棕壤、黃壤、紅壤、紫色土和堿性石灰土6種土壤類型，分別采自安順市普定縣、威寧市草海鎮(zhèn)、貴陽市花溪區(qū)、黔西南州安龍縣、安順市西秀區(qū)和貴州省關(guān)索鎮(zhèn)等6個不同區(qū)域。將采集的新鮮土樣經(jīng)自然風(fēng)干，去除雜物，過2、0.25、0.15 mm篩，備用。分別測定土壤基本理化性質(zhì)以及重金屬含量，土壤理化性質(zhì)測定參考文獻(xiàn)[16]，重金屬總量分析方法參考文獻(xiàn)[17]。取20%的樣品重復(fù)，土壤理化性質(zhì)及重金屬總Cd含量見表1。土壤pH范圍在5.42～7.68，土壤有機(jī)質(zhì)7.96～51.44 g·kg-1、陽離子交換量 11.34～36.95 cmol·kg-1、重金屬總Cd（本底值）0.26～1.35 mg·kg-1，土壤理化性質(zhì)及土壤Cd含量變異系數(shù)較大。

1.1.2 供試作物

供試作物為葉菜類白菜（優(yōu)選極早快菜-Brassica pekinensis L.），作物種子由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供，為貴州省主栽品種。

1.2 盆栽試驗(yàn)

溫室盆栽試驗(yàn)于2017年9月至12月在本所溫室內(nèi)進(jìn)行。盆栽試驗(yàn)前，將所采集的土壤風(fēng)干后過2 mm篩，以Cd的鹽溶液[Cd（NO3）2]形式添加到每種土壤中混勻。每種土壤分別設(shè)置添加Cd鹽的對照組（CK）和4個濃度梯度組，即T1、T2、T3和T4，每個處理設(shè)置3個重復(fù)，共90組處理。土壤總Cd經(jīng)HF-HClO4-HCl-HNO3消解后最終測定結(jié)果見表2。人工添加重金屬Cd鹽后，土壤維持60%～70%的田間持水量，在相同的情況下老化3個月。老化完成后，分別稱取6.0 kg土樣裝入直徑為30 cm、高25 cm的PVC塑料花盆。為保證作物正常生長，播種前所有處理施用1.584 g氯化鉀、2.143 g尿素、1.917 g磷酸二氫鉀作為底肥與土壤混勻。播種時撒入3～4顆白菜種子，待作物出苗，長勢良好后，每盆只留一株。待白菜成熟后，將其葉片先用自來水清洗表面附著的泥土，再用去離子水和超純水沖洗3遍，放置烘箱中105℃殺青20 min，后改為65℃烘至恒質(zhì)量。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)（n=6）Table 1 Basic physicochemical properties of soil tested（n=6）

1.3 土壤有效態(tài)Cd測定

為研究不同浸提劑提取的土壤有效態(tài)Cd含量與白菜Cd含量的相關(guān)性，推導(dǎo)基于有效量指標(biāo)的風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)，本研究選用廣泛使用的0.43 mol·L-1HNO3提取態(tài)[15]（總化學(xué)反應(yīng)活性庫）和0.01 mol·L-1CaCl2提取態(tài)（直接有效庫）表征土壤中Cd的生物有效性。具體操作方法參考Houba等[18-19]的研究。

1.4 作物可食部分重金屬Cd測定

將烘干的白菜用不銹鋼植物粉碎機(jī)粉碎，再用10 mL濃硝酸（優(yōu)級純）和3 mL雙氧水（優(yōu)級純）在150℃消化2 h，同時做試劑空白。消解和測定過程中插入5%的成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（甘蘭，GSB-5）和10%的樣品重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制。消化稀釋液中重金屬濃度用 ICP-MS（America ThermoFisher，ICAP Qc）測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin Pro 2017制圖。對重金屬Cd的土壤-作物遷移預(yù)測模型（一元線性和多元逐步回歸模型）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：

式中：[Cabbage-Cd]為白菜可食部分Cd含量，mg·kg-1；[Soil-Cd]為土壤中總Cd或各有效態(tài)Cd含量，mg·kg-1；[Xi]為土壤中有機(jī)質(zhì)或CEC等；k、a、b和c均為方程的回歸系數(shù)。

為評價模型的預(yù)測精度，計(jì)算了平均絕對百分誤差（The mean absolute percentage error，MAPE）

表2 供試土壤Cd鹽添加后總Cd測定結(jié)果（mg·kg-1）Table 2 Total Cd contents after Cd addition in test soils（mg·kg-1）

式中：[Cd]i實(shí)測值為第i（1～30）個Cd處理土壤上作物白菜可食部分中Cd的實(shí)測含量，mg·kg-1；[Cd]i預(yù)測值為公式（1）或公式（2）的預(yù)測含量，mg·kg-1；n為模型數(shù)據(jù)量。MAPE越小表示模型的預(yù)測性越好。

1.6 風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值的推導(dǎo)

種植白菜土壤總Cd及有效態(tài)Cd的風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值的推導(dǎo)過程（圖1）：依據(jù)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017）規(guī)定的白菜Cd限量（0.2 mg·kg-1，鮮質(zhì)量），利用土壤-白菜遷移模型的50%置信度模型預(yù)測線、95%預(yù)測上限和95%預(yù)測下限進(jìn)行反推，分別得到白菜安全種植的貴州農(nóng)用地土壤Cd風(fēng)險篩選值（RSVs50和RSVs95）和風(fēng)險管制值（RIVs95）。本研究中推導(dǎo)的風(fēng)險篩選值是指土壤中污染物含量低于該值（RSVs50或RSVs95）的部分，白菜不符合食品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等風(fēng)險可以忽略；風(fēng)險管制值（RIVs95）是指土壤中污染物含量超過該值的部分，白菜不符合食品質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)等土壤污染風(fēng)險的概率為95%，此時該土壤不適合種植該品種白菜。

圖1 基于作物白菜的土壤總Cd及有效態(tài)Cd的風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值的推導(dǎo)示意圖Figure 1 Derivation of RSVs and RIVs based on total Cd and available Cd of soil

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤有效態(tài)Cd與總Cd的關(guān)系

簡單線性分析發(fā)現(xiàn)，兩種提取態(tài)Cd均能與土壤總Cd之間建立極顯著的相關(guān)關(guān)系（Eq.1和Eq.2），且與0.43 mol·L-1HNO3提取態(tài)的相關(guān)性優(yōu)于0.01 mol·L-1CaCl2提取態(tài)（R2=0.964＞0.865），這與其他研究一致[13]。0.43 mol·L-1HNO3提取態(tài)重金屬能夠有效排除與生物有效性不相關(guān)的重金屬形態(tài)（惰性態(tài)），且其操作快捷，因此在土壤污染風(fēng)險評價中，可以考慮將0.43 mol·L-1HNO3提取態(tài)作為重要的評價手段。

[HNO3-Cd]=0.726×[Total-Cd]-0.069 R2=0.964，MAPE=0.075，P＜0.000 1 （Eq.1）

[CaCl2-Cd]=0.047×[Total-Cd]-0.016 R2=0.865，MAPE=0.009，P＜0.000 1 （Eq.2）

2.2 白菜對Cd的富集特征

人工添加Cd處理土壤上白菜可食部分的Cd含量見圖2。白菜可食部分Cd含量分布范圍為0.014～1.46 mg·kg-1，平均值為0.24 mg·kg-（1鮮質(zhì)量）。人工添加Cd處理的土壤上有9個土壤對應(yīng)的白菜可食部分Cd含量超標(biāo)（0.2 mg·kg-1，鮮質(zhì)量）。所有土壤（n=30）中總Cd的超標(biāo)率（＞0.3 mg·kg-1）為97%，而白菜可食部分Cd的超標(biāo)率為25%。在堿性石灰土（pH=7.68）上，土壤中總 Cd超標(biāo)（1.07 mg·kg-1＞RSVs，0.6 mg·kg-1），但白菜總Cd并沒有超標(biāo)，說明土壤雖然超過國家規(guī)定的風(fēng)險篩選值，但作物不一定超標(biāo)。為確定農(nóng)產(chǎn)品是否存在超標(biāo)風(fēng)險，需要通過食用農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同調(diào)查方法。

圖2 不同Cd處理下白菜可食部分Cd含量（n=30）Figure 2 Cd concentration in the edible part of the cabbage under different Cd treatments（n=30）

2.3 土壤-白菜Cd遷移預(yù)測模型的推導(dǎo)及影響因素

本研究采用一元線性回歸分析建立白菜可食部分Cd含量與土壤總Cd和兩種有效態(tài)Cd的土壤-作物遷移模型。土壤總Cd和各提取態(tài)Cd含量分別表示為Total-Cd、HNO3-Cd和CaCl2-Cd。如表3所示，白菜可食部分中的Cd含量與土壤中Total-Cd、HNO3-Cd和CaCl2-Cd含量均呈顯著正相關(guān)（R2分別為0.857、0.712和0.693）。各回歸方程的平均絕對百分誤差均較?。∕APE分別為0.18、0.26和0.18）。MAPE越小代表模型的預(yù)測能力越好。一般認(rèn)為，對數(shù)轉(zhuǎn)換能夠保證數(shù)據(jù)的方差齊性，確保變異的一致性[20]。Ding等[21]對全國21種土壤上胡蘿卜可食部分Cd含量與土壤中Cd含量進(jìn)行線性擬合得到顯著正相關(guān)關(guān)系（R2=0.32，P＜0.001），經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，兩者相關(guān)性更好（R2=0.61，P＜0.001）。

表3 人工污染盆栽試驗(yàn)土壤-白菜Cd遷移模型（n=30）Table 3 Regression equations for predicting Cd transfer from soil to cabbage（n=30）

為進(jìn)一步提高遷移模型的預(yù)測效果，本研究考慮了土壤理化性質(zhì)對白菜富集土壤Cd的影響，并建立多元逐步回歸模型。白菜可食部分Cd含量與土壤理化性質(zhì)（如土壤pH、OM、CEC以及土壤Zn含量等）相關(guān)性分析表明，白菜可食部分Cd含量只與土壤pH之間存在顯著的相關(guān)性（r=-0.62，P＜0.05），與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間雖然不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（F=0.007，P＞0.93），但與生物富集系數(shù)（BCFs）之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（r=0.39，F(xiàn)=10.17，P＜0.05），表明土壤有機(jī)質(zhì)沒有直接影響到Cd的生物有效性，但可能會影響到土壤溶液中溶解態(tài)Cd的活性而間接影響其生物有效性[22]。多元回歸分析結(jié)果表明（Eq.4和Eq.6），考慮土壤pH因素后，基于土壤總Cd和HNO3-Cd模型的預(yù)測效果得到了進(jìn)一步提高（如HNO3-Cd，R2從0.712提高到0.919，MAPE從0.26降低到0.14），表明土壤pH是影響Cd生物有效性的最主要的因子。相關(guān)研究表明[12，23-25]，土壤pH是影響各種重金屬吸附與解吸的重要因素，當(dāng)土壤pH升高時，土壤中重金屬的吸附量會隨之增加，從而使土壤溶液中重金屬的含量減少。這與本研究中土壤pH與白菜可食部分Cd含量呈負(fù)相關(guān)結(jié)果一致。

2.4 種植白菜土壤Cd風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值

依據(jù)Eq.3～Eq.7，由食品中Cd限量標(biāo)準(zhǔn)反推得到貴州省種植白菜土壤Cd的風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值，結(jié)果見表4。土壤pH在5.5～8.0，基于Total-Cd的RSVs50（0.80～1.70 mg·kg-1）和 RIVs95（2.80～8.40 mg·kg-1）分別高于現(xiàn)行的風(fēng)險篩選值（0.3～0.6 mg·kg-1）和風(fēng)險管制值（1.5～4.0 mg·kg-1），而RSVs95較接近現(xiàn)行的風(fēng)險篩選值（圖3）。HNO3-Cd的RSVs95、RSVs50和RIVs95隨pH的升高分別從0.08、0.31、1.90 mg·kg-1增至0.27、2.00、28.50 mg·kg-1。CaCl2-Cd的模型對pH不敏感，RSVs95、RSVs50和RIVs95分別為0.02、0.08、0.09 mg·kg-1?，F(xiàn)行和本研究得到的土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)能否保護(hù)貴州省白菜安全生產(chǎn)，還需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)適宜性驗(yàn)證。

表4 基于作物白菜的貴州省農(nóng)用地土壤Cd風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值Table 4 RSVs and RIVs for Cd based on cabbage in Guizhou agricultural land

圖3 基于總Cd模型推導(dǎo)的風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值Figure 3 RSVs and RIVs derived from the total Cd model

2.5 種植白菜土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)適宜性驗(yàn)證

采用野外田間數(shù)據(jù)（共60對）和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)（表5）對現(xiàn)行和本研究得到的土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)適宜性的驗(yàn)證，驗(yàn)證方法參考R?mkens等[26]，具體方法如下：

表5 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)搜集結(jié)果Table 5 The values of Cd for cabbage reported by previous studies

A：土壤不超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品不超標(biāo)，土壤標(biāo)準(zhǔn)合適；

B：土壤不超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)，土壤標(biāo)準(zhǔn)錯誤（假陰性）；

C：土壤超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品不超標(biāo)，土壤標(biāo)準(zhǔn)保守（假陽性）；

D：土壤超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品超標(biāo)，土壤標(biāo)準(zhǔn)合適。

驗(yàn)證結(jié)果見表6，現(xiàn)行的土壤Cd篩選值和管制值均偏保守（保守率＞68%），表明若采用現(xiàn)行風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)評價貴州省高背景地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，可能會出現(xiàn)較大區(qū)域土壤中重金屬含量超標(biāo)，而白菜可食部分Cd含量不超標(biāo)的情況。

表6 基于白菜的土壤重金屬Cd風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值準(zhǔn)確性評估（%）Table 6 The assessment of the accuracy of RSVs and RIVs for Cd based on cabbage（%）

本研究推導(dǎo)的土壤總Cd和兩種有效態(tài)Cd的RSVs50合適率均較高（＞80%），相對于總Cd的RIVs，基于有效態(tài)的RIVs總體合適率更高。R?mkens等[26]利用2300對野外土壤-水稻數(shù)據(jù)驗(yàn)證了基于總Cd、0.01 mol·L-1CaCl2-Cd和0.43 mol·L-1HNO3-Cd等指標(biāo)的合理性，結(jié)果表明兩種有效量指標(biāo)也能精確地評價我國臺灣地區(qū)土壤環(huán)境質(zhì)量，與本研究結(jié)果一致。RSVs95與RSVs50相比，錯誤率顯著下降，但保守率更高，存在一定比例（＜10%）的錯誤率，原因可能是野外田間環(huán)境下土壤重金屬污染源復(fù)雜，存在如污水灌溉、大氣沉降等其他污染源。因此，為有效指導(dǎo)白菜安全種植，本研究認(rèn)為選用合適率較高的RS?Vs50更合理。

評價現(xiàn)行或本研究推導(dǎo)的風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)是否適用于貴州省農(nóng)用地風(fēng)險管理，需要大量土壤-作物點(diǎn)對點(diǎn)野外田間數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，在當(dāng)前研究中標(biāo)準(zhǔn)適宜性驗(yàn)證數(shù)據(jù)有限，接下來還需要擴(kuò)大數(shù)據(jù)量進(jìn)一步研究。本研究僅考慮了貴州省當(dāng)?shù)仄毡榉N植的白菜（優(yōu)選極早快菜）品種，未考慮不同品種白菜的生物富集差異，因此在接下來的研究中需要綜合考慮這些因素以確定更合理的土壤Cd風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

（1）野外田間數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果表明，現(xiàn)行風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)險篩選值與風(fēng)險管制值偏保守。

（2）本研究推導(dǎo)基于土壤總Cd與有效態(tài)Cd的篩選值（RSVs50）合適率。綜合土壤分析操作快捷性和作物依附性，建議進(jìn)一步開展基于有效態(tài)和特定作物土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)的研究，制定地方土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。