廣西桂平市稻田土壤酸化與鎘污染風險評價探析

朱志軍 楊壽山 楊澤忠 李霞 莫秋霞 劉釗揚 李興林 郭映云 覃海全

摘要：【目的】分析廣西桂平市稻田生態區的土壤酸化和鎘污染風險程度，為保障糧食質量安全和完善土壤環境質量評價指標體系提供參考依據。【方法】調查廣西桂平市稻田生態區土壤的酸化和鎘污染現狀，對土壤pH的變異及土壤鎘的分布情況進行分析，并以741個稻田土壤樣本及其對應的稻米樣本為對象，分別采用GB 15618—2018《土壤環境質量標準》和GB 15618—1995《土壤環境質量標準》兩種國標對稻田土壤的鎘污染風險進行分類評定，比較稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量超標或不超標的吻合與背離程度。【結果】廣西桂平市稻田pH≤6.5的酸性土壤占比79.35%，土壤鎘含量范圍為0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，變異系數102.63%，在廣西稻田生態區中土壤全鎘的水平相對較低，需管制的土壤鎘中重度污染區占比較小。按照GB 15618—2018得出的土壤鎘超標率較GB 15618—1995降低7.16%（絕對值，下同），評價結果吻合度（置信概率）（87.84%）提高4.58%，背離度（否定概率）同步降低4.58%，但兩種國標的置信概率均未達顯著水平（P>0.05）。【結論】廣西桂平市稻田生態區土壤酸化嚴重，但稻田土壤鎘的污染程度較低，需管制的土壤鎘中重度污染區占比較小。除礦區周邊稻田外，稻米鎘暴露可能起因于稻田土壤的酸化。

關鍵詞： 稻田土壤;稻米;土壤酸化;鎘污染;風險評價;廣西桂平

0 引言

【研究意義】隨著社會發展和環境變化，稻田土壤逐漸出現酸化，其特征是土壤鹽基離子（堿性）淋失，結構變差，氮、磷等營養元素有效性降低，稻田土壤肥力降低。稻田土壤酸化所產生的氫離子及其活化產物鋁、鎘、鉛等離子危及水稻的生長發育和稻米的質量安全（Delhaize and Raye，1995;劉春生等，2002）。此外，稻米是我國65%居民的主食，水稻又是吸鎘能力最強的谷類作物（Chaney et al.，2004），稻米鎘污染則對人體健康構成極大威脅（陳懷滿，1996）。桂平市是廣西最大的糧食生產縣（市），2016年稻田面積為69151.3 ha，占耕地面積的59.24%，近年被評為全國糧食生產先進縣（市），其產出大米的食用安全性舉足輕重。因此，深入開展廣西桂平市稻田土壤鎘污染風險評價，引導糧食產業進行稻米鎘污染超標防控，是確保當地糧食安全和社會可持續發展的頭等大事。【前人研究進展】相關研究（王國慶等，2005;張紅振等，2010;于天一等，2014）表明，我國土壤酸化有加重趨勢，熱帶和亞熱帶是土壤酸化的最嚴重地區，其發生機理和防治措施已成為土壤、環境保護等學科研究的熱點;伴隨著土壤酸化，以鎘為首的重金屬暴露問題越來越突出，在治理和防控重金屬污染的同時，如何進行污染風險評價成為相關學科研究的又一熱點。在土壤酸化方面，郭治興等（2011）基于廣東省第二次土壤普查及2002—2007年廣東省土壤pH數據對土壤pH的時空變化進行研究，結果表明廣東省土壤pH空間分布格局基本一致，除少部分地區土壤為弱堿性外，其他地區土壤以酸性為主，土壤pH整體表現為酸化，平均值由5.70降至5.44;張秀等（2017）探討了福建省耕地的土壤酸化程度及原因，得出1982—2008年福建全省67.60%的耕地土壤發生不同程度酸化，其中強度、中度和弱度酸化面積分別占全省耕地總面積的0.83%、18.26%和48.52%;從土地利用類型差異分析可知，水田和水澆地的酸化面積比例較高，分別占相應利用類型總面積的70.35%和60.78%。在鎘污染風險評價方面，張良運等（2009）研究分析了江西、湖南、安徽和廣東等典型水稻產區部分市場和污染地區農戶隨機抽取的70份大米樣品，分別測定其鎘、鋅和硒含量，并分析不同樣品的差異及其與產地土壤性質的關系，結果表明土壤鎘化學有效性是影響供試大米鎘含量的主因，土壤—水稻系統中鎘的遷移和籽粒累積取決于人為污染和土壤的化學性質;李野等（2012）研究認為，除水稻自身內因影響其對土壤鎘的吸收外，在大田條件下土壤鎘含量、鋅含量、土壤pH、土壤質地等是影響水稻吸收鎘的主要環境因子，所有稻田如種植低吸收型早稻均不會導致稻米鎘超標;趙曉軍等（2014）通過對國內外土壤重金屬鎘標準限值和我國土壤鎘背景值的研究，給出了全國各省級行政區域土壤表層鎘背景含量范圍值和部分土壤類型鎘背景含量范圍值，提出土壤環境質量標準中應設置土壤鎘梯度標準限值、有效態與總量標準限值并存，以及嚴格區分人為污染與高背景值等建議;熊婕等（2019）研究認為我國南方稻區稻米鎘累積量主要取決于土壤有效態鎘含量而非全鎘含量，有效鐵、有效錳及有機質含量也是影響稻米鎘含量的重要因素;在不考慮水稻品種條件下，采用土壤有效態鎘含量、有效錳、有效鐵及有機質含量可較好預測稻米鎘積累量。【本研究切入點】當前，針對土壤酸化和土壤污染問題的研究較多，但關于稻田土壤酸化、稻田土壤—水稻重金屬污染及二者定量化關系的研究較少，也沒有學者針對農用地土壤重金屬污染風險評價與對應農產品重金屬污染超標與否的相關性進行大樣本調查分析。【擬解決的關鍵問題】以廣西桂平市稻田土壤及其產出的稻米為研究對象，通過對大樣本的第二次土壤普查以來三十多年的稻田土壤pH變異和當前稻田土壤鎘含量分析，評價桂平市稻田生態區的土壤酸化和鎘污染風險程度;再分別采用GB 15618—2018《土壤環境質量標準》和GB 15618—1995《土壤環境質量標準》兩種國標（以下簡稱GB 15618—2008和GB 15618—1995）對稻田土壤的鎘污染風險分類評定，進行超標與不超標分類，比較稻田土壤鎘污染與稻米鎘污染在超標與否上的吻合與背離程度，對兩種國標的評價結果進行差異性研究分析，以評估GB 15618—2018較GB 15618—1995的改善程度及其對稻田土壤鎘污染風險評價的可靠性，為提高耕地質量、保障糧食質量安全及完善土壤環境質量評價指標體系提供參考依據。

1 材料與方法

1. 1 樣本采集及測定

土壤和稻米（谷）樣本于2015—2016年采自廣西桂平市26個鄉（鎮），每個鄉（鎮）的樣本數多少由各鄉（鎮）稻田面積占全市稻田面積的權重決定，土壤和稻谷樣本一一對應，共采集樣本741對，分別取自741個代表田塊，每個代表田塊取15～20個點的土壤和稻谷樣品，組成一對樣本。取土時在耕作層用鐵鏟垂直挖一個深約20 cm（由耕作層深淺定）的小剖面，然后用竹簽輕刮去與鐵鏟接觸的土壤和土表的植物殘體，再從上而下均勻取0～20 cm深的土壤，15～20個點的土壤用無色塑料袋共取土約2 kg混合成一個土樣，風干后用四分法留下約1 kg進行土壤pH、全鎘含量等化驗分析。同時在這15～20個點用網袋隨機取稻谷約0.5 kg混合成稻谷樣，進行稻米全鎘含量化驗分析。風干后的土樣和稻谷樣一并委托有資質的廣西益譜檢測技術有限公司進行化驗分析。土壤pH采用1∶2.5水土比提取，電位法測定;土壤全鎘和稻米鎘含量采用石墨爐—原子吸收光譜法測定。

1. 2 分類評定和篩選

農用地土壤鎘污染限值參照國標GB 15618—2018和國標GB 15618—1995，相關內容如表1所示。稻米鎘污染限值執行GB 2762—2005《食品中鎘限量衛生標準》的標準（0.2 mg/kg）。當稻田土壤鎘含量超出國標GB 15618—1995限值和GB 15618—2018限值（篩選值）、稻米鎘含量超出0.2 mg/kg限值時，確定為超標，反之為不超標。

當稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量同時不超標或同時超標時稱為評價結果吻合，當稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量超標與否不一致時，稱為評價結果背離。

評價結果吻合度（%）=（稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標的樣本數+稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標的樣本數）/樣本總數×100。

評價結果背離度（%）=（稻田土壤鎘含量超標而稻米鎘含量不超標的樣本數+稻田土壤鎘含量不超標而稻米鎘含量超標的樣本數）/樣本總數×100。

根據以上兩式，評價結果的吻合度和背離度分別與數理統計學的置信概率和否定概率相等，且評價結果吻合度（%）+評價結果背離度（%）=1，與數理統計學置信概率+否定概率=1一致。

當評價結果吻合度>95%時，評價結果可靠性95%以上概率落入數理統計學的置信區間，稻田土壤鎘污染超標與否與其對應的稻米鎘污染超標與否顯著相關（P<0.05）。當評價結果吻合度<95%時，評價結果可靠性5%以上概率落入數理統計學的否定區間，稻田土壤鎘污染超標與否與其對應的稻米鎘污染超標與否相關不顯著（P>0.05）。

1. 3 統計分析

采用Excel 2007進行數據整理、統計分析及制圖。

2 結果與分析

2. 1 抽樣點位稻田土壤pH分析

經檢測，741個土樣的pH介于4.98～8.25。其中pH≤5.5的點位有89個，占比12.01%;5.5<pH≤6.5的點位有499個，占比67.34%;6.5<pH≤7.5的點位有126個，占比17.00%;pH>7.5的點位有27個，占比3.64%（圖1）。由此可知，pH≤6.5的酸性土點位共588個，占比79.35%，說明廣西桂平市稻田以酸性土壤為主。

2. 2 抽樣點位稻田土壤鎘含量分析

由表2可知，廣西桂平稻田生態區741個土樣的土壤全鎘含量介于0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，變異系數102.63%，說明廣西桂平市稻田土壤全鎘分布不平衡。與廣西稻田生態區中土壤全鎘含量相比，桂平稻田生態區土壤全鎘含量相對較低，變異相對偏小，表明桂平稻田土壤鎘污染風險相對較小，需加強管制的中重度污染區占比較小。

2. 3 稻田土壤鎘污染評價分析比較

由表3可知，按照國標GB 15618—1995，土壤鎘含量超標的樣本數為86個，超標率為11.61%;按照國標GB 15618—2018，土壤鎘超標的樣本數為33個，超標率為4.45%，后者比前者降低7.16%（絕對值），說明國標GB 15618—2018的嚴格程度較國標GB 15618—1995有所降低。按照國標GB 15618—2018，土壤鎘含量超出管制值的樣本數有1個，占比0.135%，而國標GB 15618—1995未制訂管制值，說明新國標相較于舊國標強化了對土壤鎘中重度污染區的管控，而廣西桂平市要加強管制的中重度污染區比例較低，與2.2部分的分析結果一致。

2. 4 評價結果的吻合與背離分析

由圖2可看出，按照GB 15618—1995篩選得出土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標的樣本數為598個，土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標的樣本數有19個，土壤鎘含量超標而稻米鎘含量不超標的樣本數有67個，土壤鎘含量不超標而稻米鎘含量超標的樣本數有57個，其評價結果的吻合度為83.27%，背離度（否定概率）為16.73%;按照GB 15618—2018篩選得出稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均不超標的樣本數有642個，稻田土壤鎘含量和稻米鎘含量均超標的樣本數有9個，土壤鎘含量超標而稻米鎘含量不超標的樣本數有24個，土壤鎘含量不超標而稻米鎘含量超標的樣本數有66個，其評價結果的吻合度是87.85%，背離度（否定概率）是12.15%。對比發現，GB 15618—2018評價結果的吻合度（置信概率）較GB 15618—1995提高4.58%（絕對值），背離度（否定概率）降低4.58%（絕對值）。說明GB 15618—2018的評價指標體系較GB 15618—1995有所改善，但兩者的置信概率均未達顯著標準（P>0.05）。

3 討論

pH是表征土壤酸堿度的強度指標，其數值的高低反映了土壤中游離性酸的多寡。新舊兩種國標均強調土壤pH對土壤鎘污染風險的影響，反映了業界的共識。我國建國后，生產力得到迅速發展，然而由于人多耕地少，復種指數高，大量使用化學肥料代替傳統的有機肥料，加上農民過量施肥、盲目施肥和酸沉降（主要為酸雨），收獲農作物時帶走大量的鹽基離子而得不到有效補充，耕地地力嚴重透支，土壤酸化日趨嚴重，所產生的游離酸活化了土壤中的鎘，增加了土壤鎘污染風險。本研究結果表明，廣西桂平市稻田741個土樣的pH介于4.98～8.25，其中pH≤6.5的酸性土點位共588個，占比79.35%，較全國第二次土壤普查時廣西桂平市酸性水稻土占比約42.00%（黃永浪，1984）增加37.35%（絕對值），也較陳桂芬等（2015）研究得出的廣西酸性水稻土占比73.25%的結果高出6.10%（絕對值），說明廣西桂平市稻田土壤自1980—1982年第二次土壤普查以來，經三十多年的耕作后酸化相對嚴重，其根源在于桂平市是廣西重要的糧食基地，人口密度較大，人均耕地較少，復種指數較高，長期生產中所投放的化學肥料也較多，帶走土壤中的鹽基離子相對較多（于天一等，2014）。由此看來，廣西桂平市稻田生態區除礦區周邊稻田外，稻米鎘暴露在很大程度上可能起因于稻田土壤的酸化。因此，提高稻田土壤pH，既能減少或消除酸害，又能降低土壤有效鎘含量，從而減少稻米鎘的累積量，達到稻米質量安全的目的（熊婕等，2019）。

GB 15618—1995和GB 15618—2018兩種國標pH最高檔的限值均為7.5，但GB 15618—2018中pH最低檔限值由GB 15618—1995中的6.5降至5.5，檔數由3檔增加至4檔，說明GB 15618—2018更加重視土壤pH對土壤鎘污染風險的影響，pH最低檔限值降低，無疑是應對我國耕地土壤酸化造成土壤生態環境失衡的一種策略，是國家選擇以治理土壤酸化作為主要手段來管控土壤鎘污染風險的有效途徑。針對土壤酸化的治理，目前多主張施用有機肥料和堿性肥料、改變種植制度、秸稈還田及施用土壤調理劑等辦法，但采用這些辦法來管控中重度土壤鎘污染風險時也常出現效果不理想的情況。稻田土壤鎘污染風險是一種生態風險，應以生態修復為主，統一規劃，綜合治理，以降鎘培肥、提升耕地質量為目標，在中重度土壤鎘污染風險區有計劃地輪作休耕，讓土地休養生息，以達到生態修復的目的（趙其國等，2017）。

陳桂芬等（2015）研究表明，廣西稻田耕層土壤中全鎘含量為0.02～7.33 mg/kg，平均值0.53 mg/kg，變異系數156.37%。本研究結果顯示，廣西桂平稻田741個土樣的土壤鎘含量介于0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，變異系數102.63%，表明廣西桂平市稻田土壤鎘分布不平衡，原因是桂平市東北部有錳礦，西南部有鉛鋅礦，近礦區的點位土壤鎘含量較高，遠離礦區的點位土壤鎘含量較低。本研究得出的桂平市稻田土壤全鎘含量平均值低于陳桂芬等（2015）的研究結果，說明在廣西稻田生態區中桂平市稻田土壤鎘污染風險相對較小。利用兩種國標對廣西桂平稻田741個樣本進行篩選評價，結果表明，GB 15618—2018得出的土壤鎘超標率較GB 15618—1995降低7.16%（絕對值），稻田土壤鎘超出管制值的樣本僅為1個，即廣西桂平市需要嚴格管制鎘污染的稻田比例較低。

同時，按照GB 15618—2018得出的評價結果吻合度較GB 15618—1995得出的吻合度提高4.58%（絕對值），背離度同步降低4.58%（絕對值），說明GB 15618—2018對土壤鎘污染風險的管控向著精準化邁進了一大步，但按照數理統計標準，GB 15618—2018得出的評價結果吻合度（置信概率）雖提高至87.85%，但仍未達顯著水平，而反向表達即否定概率（背離度）過高，超過5.00%。說明由GB 15618—2018進行鎘污染風險評價的可靠性及方法仍需進一步探討。

本研究通過采用兩種國標對稻田土壤鎘污染風險的差異性進行評價，首次嘗試采用吻合度和背離度對評價結果的可靠性作出評估，計算方法簡單，易于理解和掌握，克服了推導數學模型的繁鎖，為今后對農用地土壤污染物污染風險評價結果的可靠性考量提供了借鑒和方法。但本研究僅是對鎘污染風險評價的可靠性作出單個評估，得出的結果難免片面，今后應繼續對主要農用地土壤污染物污染風險評價的可靠性進行全面評估。

4 結論

廣西桂平市稻田生態區土壤酸化嚴重，酸性土壤占據主導地位;稻田土壤鎘分布不平衡，污染風險相對較小，需管制的土壤鎘中重度污染區占比較小。除礦區周邊稻田外，稻米鎘暴露可能起因于稻田土壤的酸化。

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（責任編輯 王 暉）