多因子系數法用于廣西水稻田土壤鎘危害風險評價

李鴻 甘志勇

摘 要：研究廣西水稻土壤母質中鎘對稻米質量安全危害，建立合理評價土壤質量的方法，以推進廣西優勢富硒土地資源可持續發展。分析測試稻米中鎘及土壤中鎘、pH、有機質等多個環境因子，篩查影響稻米積累鎘的主要因子，建立評價土壤中鎘危害稻米安全的多因子系數法。采用該方法對廣西水稻土中鎘的風險進行評價，其預測稻米中鎘含量超過限量值的結果，與用土壤環境質量標準預測結果相比較，準確率提高1倍，漏判減少85%。多因子系數法有待進一步完善，為優化土壤質量評價方法提供借鑒。

關鍵詞：多因子系數法 土壤 鎘 風險評價

中圖分類號：X53? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Risk Assessment of Cadmium Hazard in Guangxis Paddy Soil by Multifactor Coefficient Method

LI Hong1，2，3 ，GAN Zhiyong1，2，3

（1 Guangxi Subtropical Crops Research Institute，Nanning，Guangxi 530001，China;

2 Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agricultural Product （Nanning），Ministry of Agriculture，Nanning，Guangxi 530001，China;3 Quality Supervision and

Testing Center for Subtropical Fruits and Vegetables （Nanning），Ministry of Agriculture，

Nanning，Guangxi 530001，China）

Abstract：We analyzed the cadmium in paddy soil and its hazard on rice in Guangxi， and established a method for reasonable evaluation of soil quality， so as to promote the sustainable development of Guangxis dominant selenium-rich land resources. Based on test and analysis of the cadmium in rice and soil， soil pH， soil organic matter and other environmental factors， found out the main factors affecting the cadmium accumulation in rice， and established a multifactor coefficient method for evaluating the cadmium in paddy soil and its harm on rice. This method was used to evaluate the cadmium risk in Guangxis paddy soil， and the predicted value of cadmium content in rice exceeded the limit value. Compared with the soil environmental quality standards，this method doubled the accuracy rate? and reduced the missed penalty by 85%. The multifactor coefficient method should be further improved， so as to provide a reference for optimizing soil quality evaluation method.

Key words：Multifactor coefficient method; soil; cadmium; risk assessment

我國正在大力發展綠色生態農業和特色農業，面臨著耕地污染防控困難和優質耕地不足的雙重壓力，開發、保持優質耕地涉及多方面工作，其中耕地質量評價是重要工作環節。廣西壯族自治區擁有大面積的富硒土地[1]，位于我國前列，得益于這一個資源優勢，廣西積極推動了富硒農業的快速發展[2]，但是廣西屬于喀斯特地貌地區，土壤母質中鎘本底較高[3-5]，而且鎘含量超標在農產品重金屬推測中超標占比最大[6]，由此引發人們對鎘可能造成富硒農產品質量安全的擔心，對產業發展產生負面影響。因此，發展優質特色農產品，對耕地的準確評價是必不可少的重要工作。

農產品產地土壤重金屬含量與農產品質量安全之間并非簡單的直接對應關系。我國目前所執行的國家標準《GB15618-2018土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》，在我國農業資源環境保護中發揮了積極作用，但由于當時研究水平和數據資料積累等因素的限制，主要以土壤重金屬全量為依據，沒有充分考慮我國土壤類型、作物類型、耕作制度和農藝管理措施的多樣性和差異性，不能滿足我國農產品安全生產的需要，其科學性和可操作性亟待改進和完善。事實上，全國農業環境保護監測結果表明，按現行土壤環境質量標準和食品安全國家標準，“土壤重金屬超標而農產品不超標”與“土壤重金屬不超標而農產品卻超標”的現象時有發生[7]。王玉軍等[8]綜合分析了內梅羅綜合污染指數法、富集因子法、地累積指數法和潛在生態危害指數法等四種常用的指數評價法在實際評價中的優勢與不足，并發現現有的污染指數評價方法側重土壤重金屬超標問題，對農產品質量涉及較少，而土壤和農產品綜合質量指數法克服了現有評價方法存在的問題，將土壤重金屬污染與農產品品質有機結合，同時考慮到土壤背景值、重金屬形態等，可更為全面地評價土壤重金屬污染。還有通過投影尋蹤聚類模型和潛在生態風險指數法兩種方法綜合研究，將多指標因素問題轉化為單一指標因素問題[9]，嘗試綜合、全面地對研究區土壤環境質量進行評價。

據統計，廣西區域內的鎘污染研究主要集中在河池南丹礦區、大環江沿岸、金城江區、百色市、都安縣、桂林各縣市、南寧市城郊，其中河池、百色地區遭受了不同程度的鎘污染問題，這與該地區礦業活動有密切關系[10]，對非礦區農用土壤的研究較少。本研究把影響稻米中鎘積累的多種環境因子轉化單一指標進行評價，采集了廣西部分縣區水稻田土壤和其產出的稻米樣品，分析測試稻米中鎘及土壤中鎘、pH值、有機質等多個環境因子，篩查影響稻米積累鎘的主要因子，探討將這些因子綜合為系數的單一指標，建立評價土壤中鎘危害稻米安全的多因子系數法，以期為廣西土壤中鎘安全風險的合理評價方法提供參考，提高稻米的安全性和土地利用率，推動廣西富硒稻米等特色優勢產業的可持續發展。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

AA 240Z型石墨爐原子吸收光譜儀，美國瓦里安公司，塞曼扣背景，附帶自動進樣器，瓦里安熱解涂層石墨管;SpectrAA 220FS型原子吸收光譜儀，美國瓦里安公司;721G型分光光度計，上海儀電分析儀器有限公司;L550型離心機，湖南湘儀實驗室儀器公司。

標準溶液的母液均為國家標準元素單元素溶液，工作標準溶液使用時逐級稀釋;稀釋液使用硝酸溶液（3%）。其他試劑均為分析純，水為2級去離子水。

所使用的玻璃儀器均用洗滌劑于超聲波清洗儀洗凈，水沖洗凈，再于硝酸溶液（1+2）中浸泡24 h以上，用水沖洗數遍，晾干，備用。

1.2 樣品采集和處理

在廣西12個縣區選擇周邊沒有外來污染（或沒有污染排放源）的區域，水稻收獲的季節時，到產地的田間采集稻谷和土壤（0～20 cm）樣品，每個樣品質量約1 kg，共115個土壤樣品，以及其種植出的115個稻谷樣品。稻谷陽光下曬干，脫殼，粉碎，過80目篩，備用。土壤在室內風干，粉碎，過40目篩，備用。

1.3 測定方法

檢測方法采用標準方法和自選方法2類。（1）標準方法：稻米中鎘，為標準GB 5009.15-2014;土壤中總鎘，為GB/T 17141-1997;土壤中有效態鎘，為GB/T 23739-2009（二乙三胺五乙酸浸提劑，簡寫DTPA）;土壤pH，為NY/T 1121.2-2006;土壤中有效磷，為LY/T 1232-2015;土壤中有機質，為NY/T 1121.6-2006。（2）自選方法：土壤水溶性Fe、Mn、Ca、Mg、Zn、Al、P、K含量，檢測方法：稱取2.000 g土壤，加20 mL蒸餾水，超聲波提取15 min，2000轉離心5 min，取上清液，用原子吸收、分光光度計等儀器檢測各元素;土壤提取態鎘，分別有草酸、酒石酸、蘋果酸、甲酸、乳酸、檸檬酸、丙酸、KHSO4提取態鎘，檢測方法：稱取2.000 g土壤，加20 mL 0.05 mol/L的相應提取液，超聲波提取15 min，2000轉離心5 min，取上清液，用石墨爐原子吸收測定鎘。

1.4 測定的質量控制

采用國家標準物質進行測試的質量控制，分別有編號為GBW07404、GBW07459、GBW07461的土壤，及GBW10045的湖南大米等標準物質。質量控制方法采用測試值與標準物質證書值直接比較的方法，測試值在證書值范圍時，表示測試結果滿足實驗要求。對主要測試項目進行國家標準物質測試的質量控制，分別為土壤中鎘含量、有效態鎘含量及大米中鎘含量。

2 結果與分析

2.1 稻米中鎘與土壤中鎘的相關性分析

研究發現，稻米中鎘與土壤中鎘間為弱度相關，其相關系數為0.0215;另外，稻米中鎘與土壤中DTPA提取有效鎘的相關系數為0.0010。土壤中鎘超標的耕地有過半數種植出的稻米是合格的，而鎘超標的稻米中過半數源于合格的耕地，土壤重金屬含量與稻米質量之間沒有直接對應關系，按現行土壤環境質量標準評價耕地質量的效果差。從耕地方面統計，有40個耕地土壤的鎘超標，其種植的水稻有26個稻米是合格的（相對應的土壤簡稱為低活性鎘土壤），見圖1。從稻米中方面統計，有37個稻米的鎘超標，其中22個來源于土壤合格的耕地（該22個土壤簡稱為高活性鎘土壤）見圖2。說明廣西部分耕地土壤中鎘背景值較高，除了土壤中鎘含量影響稻米中鎘的積累，還有其他環境因子對稻米積累鎘產生重大影響。

2.2 稻米中鎘與土壤中多因子的相關性分析

為篩查高活性鎘土壤和低活性鎘土壤對稻米積累鎘共同作用的因素，及影響土壤中鎘活性的因子，對土壤中多組分的因子進行測定、分析。選擇低活性鎘土壤和高活性鎘土壤各22個樣品（共44個樣品），按1.3的方法進行總鎘、pH值、有效磷、有機質，水溶性Fe、Mn、Ca、Mg、Zn、Al、P、K含量，草酸、酒石酸、蘋果酸、甲酸、乳酸、檸檬酸、丙酸、KHSO4等提取有效態鎘，共20個檢測項目進行測定。

用Spss軟件對這44個樣品實驗數據進行相關性分析，與稻米鎘含量的相關系數值位于前列的主要因子有土壤總鎘（-0.363）、pH（-0.316）、有機質（-0.300）、有效磷（0.516）、水溶性磷（0.564）、蘋果酸提取有效態鎘（-0.301）等。

2.3 稻米中鎘積累與土壤中主要因子的關系

稻米積累鎘受到土壤中多個因子的綜合影響。選擇了土壤總鎘、pH、有機質和有效磷這4個因子為主要因子進行土壤影響稻米鎘積累的研究（其他因子的檢測方法成熟度相對較低而未選），在高活性鎘土壤和低活性鎘土壤間存在顯著差異，可能是造成稻米鎘積累效率不同的重要原因，其平均值見表1。從表中數據分析，稻米鎘積累與土壤總鎘、pH、有機質呈反比關系，與有效磷呈正比關系。這4個影響稻米鎘積累的因子，pH、有機質的影響方向與常識相符;有效磷的影響可能與施用磷肥量相關（相對其他肥料，磷肥中鎘含量偏高）;土壤總鎘的影響方向與常識不相符，推測采集樣品地區的稻米鎘積累與土壤中鎘活性正相關，與土壤中鎘總量相關弱。

2.4 多因子系數法公式

為了將多個因子化為可比較的數值，分別對多個因子進行系數化處理，得到相應的系數（比值），按各因子影響力大小、方向再對比值進行綜合處理，得到一個綜合系數值，該綜合系數值高說明耕地土壤中鎘的危害風險較高，該綜合系數值低說明耕地土壤中鎘的危害風險較低，建立了多因子系數法。具體公式（1）、（2）如下：

公式中：

S—土壤對稻米鎘積累危害的綜合系數。

K—經驗權重值，設為1.5，因土壤中鎘活性受pH影響大，取較大的權重值。

按各因子影響力大小和影響方向確定公式的使用條件：

①土壤樣品的pH≤6、總鎘≤0.3 mg/kg，或pH>6、總鎘>0.3 mg/kg的情況下，使用公式（1）。

②土壤樣品的pH>6、總鎘≤0.3 mg/kg，或pH≤6、總鎘>0.3 mg/kg的情況下，使用公式（2）。

建立公式的設想。不同計量單位的因子數值之間無法直接比較，當某因子與其自身的參考值相比則得到一個沒有計量單位、純數字的系數，多個因子系數之間就可進行比較、分析。多個因子系數的計算中，當因子的數值增大時，能促進稻米鎘積累量的因子系數設為“因子除以其參考值”（因子變大時，比值變大，促進稻米鎘積累），能減小稻米鎘積累量的因子系數設為“參考值除以其因子”（因子變大時，比值變小，減少稻米鎘積累），這樣每個因子系數的變化均與其產生作用方向的相同，所以多因子加和的綜合系數值的高低能說明耕地土壤中鎘的危害風險高低。參考值的設定原則是，土壤總鎘的參考值取土壤質量標準的限量值，有效磷、pH值、有機質的參考值分別取其地域的測定平均值。

多個因子系數和值的修正。為了表征土壤中總鎘是影響稻米鎘積累本質性的因子（其他因子只是影響土壤鎘的活性，屬于外來因子。），取得多個因子系數的加和值后，再用樣品土壤總鎘系數對和值進行二次修正，最后得到綜合的多因子系數。二次修正時，以土壤pH=6為酸度對鎘活化的關鍵點，考慮在某酸度下該系數修正的方向，與酸度作用方向保持一致。

2.5 稻米中鎘積累風險預警方式驗證比較

對采集的115組土壤和稻米樣品，選取土壤和其產出的稻米各77個進行稻米中鎘積累風險預警的驗證、比較，主要選取的樣品是鎘超標的稻米和土壤及低鎘土壤，包含有33個稻米鎘超標、32個土壤鎘超標的樣品。

以國家標準《GB15618-2018土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》進行判斷，按土壤中鎘限量值來預測稻米中鎘超標，準確判定13個稻米中鎘超標，漏判20個（20個合格土壤，其種出的稻米中鎘超標，無法識別稻米中鎘超標），另外錯判19個（19個土壤中鎘超標，其稻米合格），預測準確率較低，結果見圖3。

以多因子系數法進行判斷，按土壤的多因子系數值來預測稻米中鎘超標，準確判定30個稻米中鎘超標，漏判3個（對應1個鎘超標的、2個合格的土壤，無法識別稻米中鎘超標。），錯判16個（對應5個鎘超標的、11個合格的土壤，其稻米為合格。），結果見圖4。（多因子系數值設置的警示線為5;土壤的參考值取地域測試的平均值，具體：有效磷為49 mg/ kg，pH值為5.7，有機質為35 g/kg。）

多因子系數法對稻米中鎘超標的預測結果與標準方法比較，準確率提高1倍多，漏判減少85 %，這對稻米安全性評價很重要，對特色耕地的合理利用提供依據。

3 討論

廣西屬于喀斯特地貌地區，土壤母質中鎘的背景值較高，土壤中鎘對稻米的危害風險較大，尤其是在發展特色優勢的富硒農業時會產生了負面影響，而科學、準確的耕地質量評價，可以將此類不利影響減少至最低。針對廣西鎘污染來源于耕地土壤母質的稻米質量安全進行研究，結果表明該區域非礦區農用土壤稻米中鎘含量與土壤全鎘含量相關性弱。影響稻米中鎘積累因素較多，土壤鎘總量、水稻品種、土壤總鎘、pH值等。一般水稻從土壤中吸收的Cd含量與土壤Cd總量并不一定相關，而往往與有效態Cd含量顯著相關。土壤中重金屬（Cd）的生物有效性主要取決于其化學形態。其中，土壤酸化會直接或間接地提高稻田土壤中Cd的有效性和可提取性，同時會提高水稻對Cd的吸收。不同酸化方式對不同稻田土壤Cd的生物利用度影響不同。不同濃度S對土壤有效Cd和水稻Cd積累的降低程度隨S濃度的增加先加強后降低[11]。不同水稻品種間產量、稻米鎘含量及鎘富集系數的差異變化[12]。不同提取方法對不同性質的土壤提取的有效態鎘，與不同土壤生長的生物中鎘積累相關性相差異大[13]，其中國家標準方法[14]采用的DTPA提取方法相關性不夠高。

本研究測試的土壤中鎘與稻米鎘積累相關性弱，土壤中鎘與最新的國家標準《GB 15618-2018 土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》中污染風險篩選值比較，得出稻米鎘風險與實際結果相關性差;國家標準方法[14]采用的DTPA提取土壤中有效態鎘，得出稻米鎘風險與實際結果相關性差。這可能是廣西主要是酸性的紅壤對稻米吸收有較大特殊性有關，因此嘗試用多種影響稻米鎘積累的因子評價土壤鎘污染風險。

本研究篩查出土壤總鎘、pH值、有機質、有效磷4個影響稻米積累鎘的主要因子，但是其均與稻米鎘含量相關程度不夠高，不能用來直接評價耕地土壤的質量。本研究將影響稻米積累鎘的主要因子與其參考值相比，得到了相應的系數，將多個系數加值修正，得到綜合性單一的多因子系數值，該數值高說明耕地土壤中鎘對稻米的危害風險較高，數值低說明耕地土壤中鎘對稻米的危害風險較低，建立了評價水稻田土壤質量的多因子系數法。多因子系數法可較好用單一指標綜合評價耕地土壤中鎘的危害風險。

4 結論

廣西部分地區的稻米積累鎘，受到環境因子的影響較大，用現行土壤環境質量標準評價土壤質量時，對稻米中鎘含量超過限量值預測的錯判、漏判較多;采用多因子系數法對廣西水稻土中鎘的風險進行評價，其預測稻米中鎘含量超過限量值的結果，與用土壤環境質量標準預測結果相比較，準確率提高1倍，漏判減少85 %，有效提高耕地的利用率和稻米的安全性。多因子系數法有待進一步完善，為優化土壤質量評價方法提供借鑒。

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