陳燦明，衛(wèi)澤斌，彭建兵，吳啟堂，*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣州 510642；2.廣東東升實業(yè)集團(tuán)有限公司華農(nóng)?東升生態(tài)環(huán)境修復(fù)聯(lián)合研發(fā)中心，廣州

510440）

根據(jù)近年來的文獻(xiàn)報道和《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》可知，我國重金屬超標(biāo)土壤分布廣泛，尤以南方最為嚴(yán)重，其中，我國Cd污染土壤點位超標(biāo)率達(dá)7%。水稻是我國主要糧食作物之一，具有較強的富Cd 特性。我國目前約有1/10 的稻米Cd 含量超出國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（GB 2672—2017）的限值（0.2 mg·kg），對人類健康構(gòu)成極大威脅。因此，控制稻田Cd污染、實現(xiàn)糧食安全生產(chǎn)引起了廣泛關(guān)注，稻田Cd污染評價與稻米Cd含量預(yù)測也成為了當(dāng)今的研究熱點。

有研究表明，采用土壤Cd 總量來預(yù)判稻米Cd 污染情況會產(chǎn)生30%~80%的誤判率，直接采用土壤Cd 全量進(jìn)行評估很難準(zhǔn)確預(yù)警稻米的實際污染情況。有學(xué)者通過多元回歸分析以全Cd 含量融合土壤環(huán)境因子預(yù)測稻米Cd 含量，但模型參數(shù)復(fù)雜，很難推廣應(yīng)用。隨著對重金屬Cd 研究的日益深入，研究者已經(jīng)認(rèn)識到借助土壤總Cd含量評價其環(huán)境行為和生態(tài)效應(yīng)是不準(zhǔn)確的。土壤Cd 的存儲量反映的是環(huán)境受污染水平，并不能表征生物有效性、污染特征以及危害程度。土壤Cd的毒性很大程度上取決于其存在的形態(tài)及其形態(tài)占比，即作物所能夠利用的有效部分。有研究者認(rèn)為土壤有效態(tài)Cd能更快速、更準(zhǔn)確地表征土壤實際污染狀況及其對植物的危害。

通常采用較多的土壤有效態(tài)Cd提取劑是中性鹽或螯合劑。不同國家中英國以EDTA 為標(biāo)準(zhǔn)提取劑，荷蘭以CaCl為提取劑，法國則采用DTPA?TEA 作為提取劑。我國采用的是DTPA 法（GB/T 23739—2009），該法是美國土壤學(xué)家在20 世紀(jì)70 年代為測定石灰性土壤微量元素的有效性而建立的，其是否適用于提取酸性土壤中的有效態(tài)Cd 尚待驗證。所以，因地制宜地篩選出合適的有效態(tài)Cd 提取劑，對稻田Cd 污染評價以及稻米Cd 含量預(yù)測具有重要的意義。廣東省重金屬污染區(qū)中韶關(guān)市有色金屬礦產(chǎn)資源豐富，土壤為酸性；汕頭市電子垃圾拆解產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，土壤多為中性。本研究擬對上述區(qū)域的土壤及稻米Cd 含量進(jìn)行回歸分析，比較CaCl和DTPA兩種較常用提取態(tài)Cd 對稻米Cd 含量的反映能力，以探討適用于不同類型、不同地區(qū)的土壤有效態(tài)Cd 提取方法，并建立最佳稻米Cd累積量的預(yù)測模型，推導(dǎo)出土壤有效態(tài)Cd 的風(fēng)險閾值，為科學(xué)評估土壤污染風(fēng)險、保障稻米安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本研究于廣東省韶關(guān)市和汕頭市開展田間調(diào)查，分別代表了廣東省丘陵區(qū)酸性稻田和沖積平原區(qū)近中性稻田。韶關(guān)市3 個不同采樣地點主要是受金屬礦山污染造成的輕微至輕度Cd 污染；汕頭市農(nóng)田為電子垃圾拆解造成的不同程度污染。

1.2 試驗點采樣情況

試驗時間：2020年3—12月。

韶關(guān)3個采樣地點均有約0.13 hm的試驗田開展水稻品種試驗，每個試驗田劃分了4 個區(qū)組（重復(fù)），每個區(qū)組包含20 個面積為3 m×3 m 的小區(qū)；早稻、晚稻均種植20 個不同的當(dāng)?shù)爻Ｒ娝酒贩N（包含常規(guī)稻和雜交稻）。土壤樣品取樣深度為0~20 cm，采用對角線法布點采樣，每個小區(qū)取3 個樣點混合作為一個樣品，混合土樣約1.5 kg。田間采樣后在實驗室又將同一區(qū)組同一水稻類型（常規(guī)稻或雜交稻）的小區(qū)樣品（4 個以上）再次合并成一個混合樣品。稻谷樣品采集混合樣，即收集每個試驗小區(qū)內(nèi)所有稻谷，混合均勻后從中取一個混合樣。

汕頭晚稻在涵蓋不同污染程度的試驗區(qū)種植同一低Cd 積累品種——晶兩優(yōu)華粘，按照污染程度在23 塊稻田采集土壤?稻米配對樣品23 個。每塊稻田設(shè)置3 個1 m×1 m 樣方，樣方內(nèi)土壤取樣方法與韶關(guān)一致。稻谷樣品與所采集土壤一一對應(yīng)，在面積為1 m×1 m 樣方范圍內(nèi)隨機采集3 棵水稻（約0.5 kg 稻谷）。所采集的樣品裝入樣品袋中密封保存，做好標(biāo)記，待后續(xù)處理。

1.3 樣品制備和測定方法

土壤樣品于無污染處自然風(fēng)干，用四分法取土制樣。風(fēng)干土樣用瑪瑙研缽研磨后分別過20 目和100目孔徑篩，儲存于密封塑料袋內(nèi)，用于測定土壤pH、有效態(tài)Cd 含量以及全Cd 含量。水稻籽粒樣品在70 ℃烘箱中殺青30 min，55 ℃烘干48 h，取出后脫殼，得到糙米，再用粉碎機粉碎，過100 目篩，置于密封塑料袋內(nèi)，用于測定稻米Cd含量。

土壤有效態(tài)Cd 含量根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)方法（GB/T 23739—2009）和福建省地方標(biāo)準(zhǔn)（DB35/T 860—2008）分別用DTPA 和CaCl提取，用石墨爐原子吸收分光光度計測定。土壤全Cd、稻米Cd 分別根據(jù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方法（HJ 832—2017）和國家標(biāo)準(zhǔn)方法（GB 5009.15—2014），用微波消煮?石墨爐原子吸收光度法測定，并用土壤和植物國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢驗測定結(jié)果。土壤pH采用pH計測定，水土比2.5∶1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、回歸分析、制圖均采用Excel 2010 完成。T檢驗采用SPSS 21.0完成。

有效態(tài)提取率計算方法為：

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤pH及土壤、稻米Cd含量

2.1.1 土壤pH

試驗區(qū)土壤及稻米描述性統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。韶關(guān)地區(qū)有95.1%的土壤樣品pH 小于6.0，有78.8%的樣品pH 在4.5~5.5 之間，表明試驗區(qū)稻田土壤總體呈酸性，其中絕大部分呈強酸性，且變異程度較弱。此pH條件有利于水稻對土壤Cd的吸收富集。

表1 試驗區(qū)土壤及稻米統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Data and statistics of Cd in soil and brown rice of the investigated areas

汕頭稻田有78.3%的土壤樣品pH 大于6.5，土壤總體呈近中性；有11.8%的樣品pH 在7.0~7.5 之間，呈弱堿性。

2.1.2 土壤Cd含量

韶關(guān)稻田有97.35%的土壤Cd 含量在0.20~0.60 mg·kg之間，以輕度Cd 污染為主。已知試驗區(qū)大多數(shù)土壤pH 小于5.5，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018），該區(qū)域有76.11%的土壤Cd含量超過風(fēng)險篩選值（0.3 mg·kg），存在一定的污染風(fēng)險。

汕頭稻田土壤Cd含量范圍為0.18~1.50 mg·kg，中位數(shù)為0.39 mg·kg，平均值為0.45 mg·kg，變異系數(shù)為64.44%，涵蓋范圍較廣。

2.1.3 稻米Cd含量

韶關(guān)早稻稻米Cd含量為0.02~0.99 mg·kg，平均值為0.38 mg·kg，中位數(shù)為0.36 mg·kg，變異系數(shù)為50.00%。依據(jù)《國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》（GB 2762—2017），有83.63%的稻米Cd 超過標(biāo)準(zhǔn)限值（0.2 mg·kg）。晚稻稻米Cd 含量平均值為0.62 mg·kg，超標(biāo)樣品Cd 含量集中在0.2~1.4 mg·kg，污染程度比早稻嚴(yán)重。

汕頭晚稻Cd 含量平均值為0.14 mg·kg，范圍為0.01~0.93 mg·kg，變異系數(shù)達(dá)到157.14%。

2.2 土壤有效態(tài)Cd的提取率

CaCl和DTPA兩種提取劑提取有效態(tài)Cd的結(jié)果如表2所示。獨立樣本T檢驗結(jié)果表明，韶關(guān)酸性土壤Cd有效態(tài)提取量及提取率大小均為CaCl?Cd＜DTPA?Cd（＜0.05）；汕頭近中性土壤也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。CaCl以及DTPA 對酸性土壤有效態(tài)Cd 的提取率顯著高于對近中性土壤的。

表2 不同提取劑對土壤有效態(tài)Cd的提取量和提取率Table 2 The soil available Cd extracted by different extractants and its extraction rate

已有研究表明，不同類型提取劑的提取能力為中性鹽類＜螯合劑類＜稀酸類，本研究與前人研究的結(jié)果一致。螯合劑類提取劑提取的是土壤中碳酸鹽結(jié)合態(tài)和部分有機結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)Cd，并以絡(luò)合的形式形成穩(wěn)定的水溶性絡(luò)合物，因此其擁有較強的提取能力；螯合劑提取的是對植物潛在有效的可移動微量元素。中性鹽提取劑是以離子交換的形式提取土壤中水溶態(tài)和可交換態(tài)的Cd，因此其提取能力相對較弱。提取率用來判斷提取能力，當(dāng)提取劑的提取能力滿足檢測要求時，主要考慮的則是所提取的有效態(tài)Cd 含量對植物Cd 含量的預(yù)測水平，即反映能力。

2.3 稻米Cd含量預(yù)測方法比較

韶關(guān)早、晚稻中常規(guī)稻和雜交稻稻米Cd 含量與土壤Cd 含量散點圖如圖1~圖4 所示。線性回歸分析結(jié)果表明，在田間試驗條件下，土壤全Cd 含量、有效態(tài)Cd 含量對稻米Cd 含量的預(yù)測達(dá)極顯著水平（＜0.01）。其中，早稻常規(guī)稻、早稻雜交稻、晚稻常規(guī)稻的決定系數(shù)均呈現(xiàn)CaCl?Cd＞DTPA?Cd＞T?Cd，晚稻雜交稻的決 定系數(shù)大小為CaCl?Cd＞T?Cd＞DTPA?Cd。上述結(jié)果綜合說明：在酸性土壤條件下，相較于全Cd，有效態(tài)Cd 含量能夠更好地預(yù)測稻米中的Cd含量，其中CaCl提取態(tài)比DTPA提取態(tài)更好。

圖4 韶關(guān)晚稻（雜交稻）稻米Cd與土壤全Cd、有效態(tài)Cd含量的回歸曲線Figure 4 The regression curve of the Cd in brown rice of late hybrid cultivars and the Cd in soil（Total content，DTPA?extractable，CaCl2?extractable）from Shaoguan City

汕頭晚稻稻米Cd 含量與土壤Cd 含量散點圖如圖5 所示。線性回歸分析結(jié)果表明，在田間試驗條件下，土壤全Cd 含量、有效態(tài)Cd 含量對雜交稻稻米Cd含量的預(yù)測均達(dá)到極顯著正水平（＜0.01）。線性方程擬合結(jié)果顯示，決定系數(shù)大小為：CaCl?Cd≈DTPA?Cd＞T?Cd。本研究結(jié)果表明：在近中性土壤條件下，相較于全Cd，有效態(tài)Cd 含量能夠更好地預(yù)測稻米中的Cd 含量，而且CaCl提取態(tài)Cd 的反映能力與DTPA提取態(tài)相當(dāng)，二者均可應(yīng)用于近中性土壤。

潘楊等在湖南益陽開展試驗，研究土壤全Cd、有效態(tài)Cd 與稻米Cd 含量的關(guān)系，結(jié)果表明，有效態(tài)Cd與稻米Cd的決定系數(shù)均比稻米Cd與土壤全Cd的決定系數(shù)大。本研究也得到了相似的結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)，在酸性土壤條件下，CaCl提取劑對稻米Cd 累積量的預(yù)測能力比DTPA 好，這與其他研究結(jié)果一致。熊禮明等的研究表明，0.1 mol·LCaCl可能是適用范圍最廣的廣譜性提取劑，它可以單獨作為酸性、中性或石灰性土壤的有效提取劑；一方面，Cd與Ca的離子半徑相近，Cd與Cl具有一定的結(jié)合能力，因而CaCl非常適合于提取有效態(tài)Cd；另一方面，CaCl能反映自然pH 值下土壤中Cd 的溶解能力。因此，CaCl提取的Cd與植物吸收的Cd具有更相似的同位素比值。

建立土壤不同形態(tài)Cd 含量與稻米Cd 含量之間的函數(shù)關(guān)系，可以預(yù)測稻米中的Cd 含量。不同地區(qū)的線性擬合方程如圖1~圖5 所示，其中均以CaCl?Cd?稻米Cd為最佳預(yù)測方法。

圖1 韶關(guān)早稻（常規(guī)稻）稻米Cd與土壤全Cd、有效態(tài)Cd含量的回歸曲線Figure 1 The regression curve of the Cd in brown rice of early normal cultivars and the Cd in soil（Total content，DTPA?extractable，CaCl2?extractable）from Shaoguan City

圖5 汕頭晚稻（低Cd雜交稻）稻米Cd與土壤全Cd、有效態(tài)Cd含量的回歸曲線Figure 5 The regression curve of the Cd in brown rice of late low?Cd hybrid cultivars and the Cd in soil（Total content，DTPA?extractable，CaCl2?extractable）from Shantou City

綜合比較兩種水稻類型擬合方程的擬合系數(shù)，同一水稻類型，韶關(guān)試驗區(qū)晚稻稻米Cd 累積量要比早稻高，相差約1 倍。分析其原因主要有：（1）廣東省早稻正值雨季，農(nóng)田易形成淹水狀態(tài)，不利于水稻對Cd的吸收；而晚稻生長中后期為旱季，農(nóng)田易干旱，增加晚稻對Cd 的吸收。（2）早、晚稻種植的水稻品種不一致，品種差異也可能是造成累積量不同的原因之一。許多研究表明，不同水稻品種對Cd的吸收與再分配具有顯著差異。因此，需要針對當(dāng)?shù)刂髟云贩N或多個主要水稻品種進(jìn)行稻米Cd預(yù)測研究。

圖2 韶關(guān)早稻（雜交稻）稻米Cd與土壤全Cd、有效態(tài)Cd含量的回歸曲線Figure 2 The regression curve of the Cd in brown rice of early hybrid cultivars and the Cd in soil（Total content，DTPA?extractable，CaCl2?extractable）from Shaoguan City

2.4 稻米Cd預(yù)測模型及其土壤Cd閾值

以全國統(tǒng)一的土壤Cd全量作為土壤污染的評價標(biāo)準(zhǔn)有利于評價的可比性，但是如果按照現(xiàn)行土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用土壤Cd 全量標(biāo)準(zhǔn)限值作為風(fēng)險臨界值會出現(xiàn)較大的誤判率。本研究（表3）利用土壤Cd全量為判斷標(biāo)準(zhǔn)，誤判率最高達(dá)22.12%；且誤判情況以土壤不超標(biāo)、稻米超標(biāo)為主，不能保障糧食安全（表3）。由此可見，很有必要考慮利用有效態(tài)Cd含量這個指標(biāo)，來進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

表3 以土壤全Cd標(biāo)準(zhǔn)限值為評判指標(biāo)的稻米Cd含量誤判率Table 3 The mis?judgement rate of Cd in brown rice based on standard limits of soil total Cd

圖3 韶關(guān)晚稻（常規(guī)稻）稻米Cd與土壤全Cd、有效態(tài)Cd含量的回歸曲線Figure 3 The regression curve of the Cd in brown rice of late normal cultivars and the Cd in soil（Total content，DTPA?extractable，CaCl2?extractable）from Shaoguan City

BRUS 等提出用回歸分析方法預(yù)測作物Cd 的含量，并應(yīng)用于土壤Cd 的臨界值推導(dǎo)。通過配對樣品建立稻米Cd 與土壤Cd 的函數(shù)關(guān)系，以國家規(guī)定的食品安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行逆推，得到土壤Cd 的臨界值。本研究擬合的綜合預(yù)測方程詳見表4。

表4 利用3種不同方法擬合的綜合預(yù)測方程Table 4 The prediction equations fitted by 3 different means

從擬合系數(shù)可以看出，利用CaCl?Cd 預(yù)測的擬合效果最好。本研究基于大田試驗的擬合系數(shù)與湯麗玲的研究結(jié)果（=0.324 9）相似，有效態(tài)Cd 的擬合均達(dá)到極顯著水平。雖然有研究表明，在利用土壤有效態(tài)Cd 含量建立稻米Cd 含量預(yù)測模型時融入了pH 和陽離子交換量等理化因子，其預(yù)測效果較好，但是本研究旨在比較土壤Cd 總量以及不同有效態(tài)單一指標(biāo)的預(yù)測能力，因此建立的預(yù)測模型中并沒有考慮其他理化因子。

本研究利用CaCl?Cd?稻米Cd單因子預(yù)測方程，以食品安全標(biāo)準(zhǔn)（GB 2762—2017）中稻米Cd限值（0.2 mg·kg）反算得到土壤臨界含量，結(jié)果列于表5。

表5 不同試驗區(qū)的土壤有效態(tài)Cd閾值（以CaCl2?Cd表示）Table 5 The threshold in CaCl2?extractable?Cd of soils for different sampling areas

韶關(guān)早稻和晚稻，當(dāng)?shù)久證d 含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值時，土壤CaCl?Cd 閾值均為早稻＞晚稻，常規(guī)稻≥雜交稻，低Cd雜交稻＞雜交稻。由于常規(guī)稻和雜交稻相差較小，韶關(guān)早稻和晚稻的閾值可分別定為0.10 mg·kg和0.05 mg·kg。汕頭晚稻土壤CaCl?Cd 閾值約為0.13 mg·kg，由于汕頭晚稻種植的是單一品種低Cd 累積雜交稻，反算得到的閾值可能會偏高，因此，0.13 mg·kg并不能代表汕頭地區(qū)晚稻真正的CaCl?Cd閾值。

以CaCl?Cd閾值為評判指標(biāo)的稻米Cd含量誤判率為10.62%~17.04%（表6），預(yù)測準(zhǔn)確性比全Cd 好。而且，誤判情況全部為土壤超標(biāo)、稻米不超標(biāo)，這可以更大程度地保障稻米糧食安全。因此，CaCl?Cd更適合作為土壤環(huán)境風(fēng)險的評估指標(biāo)。

表6 以CaCl2?Cd閾值為評判指標(biāo)的稻米Cd含量誤判率Table 6 The mis?judgement rate of Cd in brown rice based on threshold limits of soil CaCl2?extractable?Cd

本研究為酸性土地區(qū)以有效態(tài)Cd含量作為風(fēng)險評估指標(biāo)提供了科學(xué)依據(jù)，然而所推導(dǎo)的土壤Cd 有效態(tài)閾值，只是在一個地級市范圍內(nèi)的嘗試，不適合直接應(yīng)用到土壤及污染源類型差異明顯的其他區(qū)域。因此，將土壤有效態(tài)Cd作為土壤污染的評價標(biāo)準(zhǔn)，需要不同地區(qū)、不同作物/品種預(yù)測模型的構(gòu)建以及臨界值的累積。我國地域廣闊，土壤性質(zhì)具有較大差異，不能用一個標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行“一刀切”，應(yīng)加強各地區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定工作。

3 結(jié)論

（1）對于同類性質(zhì)的土壤，CaCl提取劑對Cd 的提取能力小于DTPA 提取劑，兩種提取劑對酸性土壤有效態(tài)Cd的提取能力顯著高于近中性土壤。

（2）與土壤全Cd 相比，有效態(tài)Cd 含量能夠更好地預(yù)測稻米中的Cd 含量。CaCl提取劑適用于全部試驗區(qū)的酸性、中性土壤；DTPA 提取劑只適用于汕頭中性土壤。

（3）通過線性方程擬合，建立了不同形態(tài)Cd含量與稻米Cd含量之間的函數(shù)關(guān)系，得到了不同試驗區(qū)、不同水稻類型的最佳預(yù)測模型。當(dāng)?shù)久證d含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限值時，韶關(guān)早稻、韶關(guān)晚稻土壤CaCl?Cd 閾值分別約為0.10 mg·kg和0.05 mg·kg。

（4）不同水稻類型、同一類型的不同品種水稻Cd累積能力差異明顯，需要有針對性地選擇所研究區(qū)域當(dāng)前主栽品種或多個主要水稻品種來進(jìn)行稻米Cd預(yù)測研究。