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(qiáng)調(diào)，在南方酸性土壤地區(qū)，應(yīng)強(qiáng)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(jìn) 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(yán)重威脅糧食安全和人體健康[1]。 Cd是環(huán)境中毒性最強(qiáng)的元素之一，被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)歸類為I類致癌物[2]。即使在低濃度下，對活細(xì)胞也有很強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)而對人體健康造成嚴(yán)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(biāo)，其中Cd污染物超標(biāo)率居于首位，達(dá)到7%[8]。土壤Cd污染導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品Cd含量超標(biāo)問題嚴(yán)重。據(jù)報道，全國每年被重金屬污染的糧食多達(dá)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(xiàn)可達(dá)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(biāo)準(zhǔn)》(GB 15201-1994)限定標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mg·kg-1[11]，南方Cd污染地區(qū)稻米Cd含量超標(biāo)率更是高達(dá) 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?？蒲腥藛T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(dá) 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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行全程質(zhì)量控制，Cd 的回收率為 90%~110%。土壤 pH 值、有機(jī)碳(SOC)和陽離子交換量根據(jù)魯如坤(2000)中描述的方法進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)(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(hù)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：