广西桂平市稻田土壤酸化与镉污染风险评价探析

朱志军 杨寿山 杨泽忠 李霞 莫秋霞 刘钊扬 李兴林 郭映云 覃海全

摘要：【目的】分析广西桂平市稻田生态区的土壤酸化和镉污染风险程度，为保障粮食质量安全和完善土壤环境质量评价指标体系提供参考依据。【方法】调查广西桂平市稻田生态区土壤的酸化和镉污染现状，对土壤pH的变异及土壤镉的分布情况进行分析，并以741个稻田土壤样本及其对应的稻米样本为对象，分别采用GB 15618—2018《土壤环境质量标准》和GB 15618—1995《土壤环境质量标准》两种国标对稻田土壤的镉污染风险进行分类评定，比较稻田土壤镉含量和稻米镉含量超标或不超标的吻合与背离程度。【结果】广西桂平市稻田pH≤6.5的酸性土壤占比79.35%，土壤镉含量范围为0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，变异系数102.63%，在广西稻田生态区中土壤全镉的水平相对较低，需管制的土壤镉中重度污染区占比较小。按照GB 15618—2018得出的土壤镉超标率较GB 15618—1995降低7.16%（绝对值，下同），评价结果吻合度（置信概率）（87.84%）提高4.58%，背离度（否定概率）同步降低4.58%，但两种国标的置信概率均未达显著水平（P>0.05）。【结论】广西桂平市稻田生态区土壤酸化严重，但稻田土壤镉的污染程度较低，需管制的土壤镉中重度污染区占比较小。除矿区周边稻田外，稻米镉暴露可能起因于稻田土壤的酸化。

关键词： 稻田土壤;稻米;土壤酸化;镉污染;风险评价;广西桂平

0 引言

【研究意义】随着社会发展和环境变化，稻田土壤逐渐出现酸化，其特征是土壤盐基离子（碱性）淋失，结构变差，氮、磷等营养元素有效性降低，稻田土壤肥力降低。稻田土壤酸化所产生的氢离子及其活化产物铝、镉、铅等离子危及水稻的生长发育和稻米的质量安全（Delhaize and Raye，1995;刘春生等，2002）。此外，稻米是我国65%居民的主食，水稻又是吸镉能力最强的谷类作物（Chaney et al.，2004），稻米镉污染则对人体健康构成极大威胁（陈怀满，1996）。桂平市是广西最大的粮食生产县（市），2016年稻田面积为69151.3 ha，占耕地面积的59.24%，近年被评为全国粮食生产先进县（市），其产出大米的食用安全性举足轻重。因此，深入开展广西桂平市稻田土壤镉污染风险评价，引导粮食产业进行稻米镉污染超标防控，是确保当地粮食安全和社会可持续发展的头等大事。【前人研究进展】相关研究（王国庆等，2005;张红振等，2010;于天一等，2014）表明，我国土壤酸化有加重趋势，热带和亚热带是土壤酸化的最严重地区，其发生机理和防治措施已成为土壤、环境保护等学科研究的热点;伴随着土壤酸化，以镉为首的重金属暴露问题越来越突出，在治理和防控重金属污染的同时，如何进行污染风险评价成为相关学科研究的又一热点。在土壤酸化方面，郭治兴等（2011）基于广东省第二次土壤普查及2002—2007年广东省土壤pH数据对土壤pH的时空变化进行研究，结果表明广东省土壤pH空间分布格局基本一致，除少部分地区土壤为弱碱性外，其他地区土壤以酸性为主，土壤pH整体表现为酸化，平均值由5.70降至5.44;张秀等（2017）探讨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%的耕地土壤发生不同程度酸化，其中强度、中度和弱度酸化面积分别占全省耕地总面积的0.83%、18.26%和48.52%;从土地利用类型差异分析可知，水田和水浇地的酸化面积比例较高，分别占相应利用类型总面积的70.35%和60.78%。在镉污染风险评价方面，张良运等（2009）研究分析了江西、湖南、安徽和广东等典型水稻产区部分市场和污染地区农户随机抽取的70份大米样品，分别测定其镉、锌和硒含量，并分析不同样品的差异及其与产地土壤性质的关系，结果表明土壤镉化学有效性是影响供试大米镉含量的主因，土壤—水稻系统中镉的迁移和籽粒累积取决于人为污染和土壤的化学性质;李野等（2012）研究认为，除水稻自身内因影响其对土壤镉的吸收外，在大田条件下土壤镉含量、锌含量、土壤pH、土壤质地等是影响水稻吸收镉的主要环境因子，所有稻田如种植低吸收型早稻均不会导致稻米镉超标;赵晓军等（2014）通过对国内外土壤重金属镉标准限值和我国土壤镉背景值的研究，给出了全国各省级行政区域土壤表層镉背景含量范围值和部分土壤类型镉背景含量范围值，提出土壤环境质量标准中应设置土壤镉梯度标准限值、有效态与总量标准限值并存，以及严格区分人为污染与高背景值等建议;熊婕等（2019）研究认为我国南方稻区稻米镉累积量主要取决于土壤有效态镉含量而非全镉含量，有效铁、有效锰及有机质含量也是影响稻米镉含量的重要因素;在不考虑水稻品种条件下，采用土壤有效态镉含量、有效锰、有效铁及有机质含量可较好预测稻米镉积累量。【本研究切入点】当前，针对土壤酸化和土壤污染问题的研究较多，但关于稻田土壤酸化、稻田土壤—水稻重金属污染及二者定量化关系的研究较少，也没有学者针对农用地土壤重金属污染风险评价与对应农产品重金属污染超标与否的相关性进行大样本调查分析。【拟解决的关键问题】以广西桂平市稻田土壤及其产出的稻米为研究对象，通过对大样本的第二次土壤普查以来三十多年的稻田土壤pH变异和当前稻田土壤镉含量分析，评价桂平市稻田生态区的土壤酸化和镉污染风险程度;再分别采用GB 15618—2018《土壤环境质量标准》和GB 15618—1995《土壤环境质量标准》两种国标（以下简称GB 15618—2008和GB 15618—1995）对稻田土壤的镉污染风险分类评定，进行超标与不超标分类，比较稻田土壤镉污染与稻米镉污染在超标与否上的吻合与背离程度，对两种国标的评价结果进行差异性研究分析，以评估GB 15618—2018较GB 15618—1995的改善程度及其对稻田土壤镉污染风险评价的可靠性，为提高耕地质量、保障粮食质量安全及完善土壤环境质量评价指标体系提供参考依据。

1 材料与方法

1. 1 样本采集及测定

土壤和稻米（谷）样本于2015—2016年采自广西桂平市26个乡（镇），每个乡（镇）的样本数多少由各乡（镇）稻田面积占全市稻田面积的权重决定，土壤和稻谷样本一一对应，共采集样本741对，分别取自741个代表田块，每个代表田块取15～20个点的土壤和稻谷样品，组成一对样本。取土时在耕作层用铁铲垂直挖一个深约20 cm（由耕作层深浅定）的小剖面，然后用竹签轻刮去与铁铲接触的土壤和土表的植物残体，再从上而下均匀取0～20 cm深的土壤，15～20个点的土壤用无色塑料袋共取土约2 kg混合成一个土样，风干后用四分法留下约1 kg进行土壤pH、全镉含量等化验分析。同时在这15～20个点用网袋随机取稻谷约0.5 kg混合成稻谷样，进行稻米全镉含量化验分析。风干后的土样和稻谷样一并委托有资质的广西益谱检测技术有限公司进行化验分析。土壤pH采用1∶2.5水土比提取，电位法测定;土壤全镉和稻米镉含量采用石墨炉—原子吸收光谱法测定。

1. 2 分类评定和筛选

农用地土壤镉污染限值参照国标GB 15618—2018和国标GB 15618—1995，相关内容如表1所示。稻米镉污染限值执行GB 2762—2005《食品中镉限量卫生标准》的标准（0.2 mg/kg）。当稻田土壤镉含量超出国标GB 15618—1995限值和GB 15618—2018限值（筛选值）、稻米镉含量超出0.2 mg/kg限值时，确定为超标，反之为不超标。

当稻田土壤镉含量和稻米镉含量同时不超标或同时超标时称为评价结果吻合，当稻田土壤镉含量和稻米镉含量超标与否不一致时，称为评价结果背离。

评价结果吻合度（%）=（稻田土壤镉含量和稻米镉含量均不超标的样本数+稻田土壤镉含量和稻米镉含量均超标的样本数）/样本总数×100。

评价结果背离度（%）=（稻田土壤镉含量超标而稻米镉含量不超标的样本数+稻田土壤镉含量不超标而稻米镉含量超标的样本数）/样本总数×100。

根据以上两式，评价结果的吻合度和背离度分别与数理统计学的置信概率和否定概率相等，且评价结果吻合度（%）+评价结果背离度（%）=1，与数理统计学置信概率+否定概率=1一致。

当评价结果吻合度>95%时，评价结果可靠性95%以上概率落入数理统计学的置信区间，稻田土壤镉污染超标与否与其对应的稻米镉污染超标与否显著相关（P<0.05）。当评价结果吻合度<95%时，评价结果可靠性5%以上概率落入数理统计学的否定区间，稻田土壤镉污染超标与否与其对应的稻米镉污染超标与否相关不显著（P>0.05）。

1. 3 统计分析

采用Excel 2007进行数据整理、统计分析及制图。

2 结果与分析

2. 1 抽样点位稻田土壤pH分析

经检测，741个土样的pH介于4.98～8.25。其中pH≤5.5的点位有89个，占比12.01%;5.5<pH≤6.5的点位有499个，占比67.34%;6.5<pH≤7.5的点位有126个，占比17.00%;pH>7.5的点位有27个，占比3.64%（图1）。由此可知，pH≤6.5的酸性土点位共588个，占比79.35%，说明广西桂平市稻田以酸性土壤为主。

2. 2 抽样点位稻田土壤镉含量分析

由表2可知，广西桂平稻田生态区741个土样的土壤全镉含量介于0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，变异系数102.63%，说明广西桂平市稻田土壤全镉分布不平衡。与广西稻田生态区中土壤全镉含量相比，桂平稻田生态区土壤全镉含量相对较低，变异相对偏小，表明桂平稻田土壤镉污染风险相对较小，需加强管制的中重度污染区占比较小。

2. 3 稻田土壤镉污染评价分析比较

由表3可知，按照国标GB 15618—1995，土壤镉含量超标的样本数为86个，超标率为11.61%;按照国标GB 15618—2018，土壤镉超标的样本数为33个，超标率为4.45%，后者比前者降低7.16%（绝对值），说明国标GB 15618—2018的严格程度较国标GB 15618—1995有所降低。按照国标GB 15618—2018，土壤镉含量超出管制值的样本数有1个，占比0.135%，而国标GB 15618—1995未制订管制值，说明新国标相较于旧国标强化了对土壤镉中重度污染区的管控，而广西桂平市要加强管制的中重度污染区比例较低，与2.2部分的分析结果一致。

2. 4 评价结果的吻合与背离分析

由图2可看出，按照GB 15618—1995筛选得出土壤镉含量和稻米镉含量均不超标的样本数为598个，土壤镉含量和稻米镉含量均超标的样本数有19个，土壤镉含量超标而稻米镉含量不超标的样本数有67个，土壤镉含量不超标而稻米镉含量超标的样本数有57个，其评价结果的吻合度为83.27%，背离度（否定概率）为16.73%;按照GB 15618—2018筛选得出稻田土壤镉含量和稻米镉含量均不超标的样本数有642个，稻田土壤镉含量和稻米镉含量均超标的样本数有9个，土壤镉含量超标而稻米镉含量不超标的样本數有24个，土壤镉含量不超标而稻米镉含量超标的样本数有66个，其评价结果的吻合度是87.85%，背离度（否定概率）是12.15%。对比发现，GB 15618—2018评价结果的吻合度（置信概率）较GB 15618—1995提高4.58%（绝对值），背离度（否定概率）降低4.58%（绝对值）。说明GB 15618—2018的评价指标体系较GB 15618—1995有所改善，但两者的置信概率均未达显著标准（P>0.05）。

3 讨论

pH是表征土壤酸碱度的强度指标，其数值的高低反映了土壤中游离性酸的多寡。新旧两种国标均强调土壤pH对土壤镉污染风险的影响，反映了业界的共识。我国建国后，生产力得到迅速发展，然而由于人多耕地少，复种指数高，大量使用化学肥料代替传统的有机肥料，加上农民过量施肥、盲目施肥和酸沉降（主要为酸雨），收获农作物时带走大量的盐基离子而得不到有效补充，耕地地力严重透支，土壤酸化日趋严重，所产生的游离酸活化了土壤中的镉，增加了土壤镉污染风险。本研究结果表明，广西桂平市稻田741个土样的pH介于4.98～8.25，其中pH≤6.5的酸性土点位共588个，占比79.35%，较全国第二次土壤普查时广西桂平市酸性水稻土占比约42.00%（黄永浪，1984）增加37.35%（绝对值），也较陈桂芬等（2015）研究得出的广西酸性水稻土占比73.25%的结果高出6.10%（绝对值），说明广西桂平市稻田土壤自1980—1982年第二次土壤普查以来，经三十多年的耕作后酸化相对严重，其根源在于桂平市是广西重要的粮食基地，人口密度较大，人均耕地较少，复种指数较高，长期生产中所投放的化学肥料也较多，带走土壤中的盐基离子相对较多（于天一等，2014）。由此看来，广西桂平市稻田生态区除矿区周边稻田外，稻米镉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，既能减少或消除酸害，又能降低土壤有效镉含量，从而减少稻米镉的累积量，达到稻米质量安全的目的（熊婕等，2019）。

GB 15618—1995和GB 15618—2018两种国标pH最高档的限值均为7.5，但GB 15618—2018中pH最低档限值由GB 15618—1995中的6.5降至5.5，档数由3档增加至4档，说明GB 15618—2018更加重视土壤pH对土壤镉污染风险的影响，pH最低档限值降低，无疑是应对我国耕地土壤酸化造成土壤生态环境失衡的一种策略，是国家选择以治理土壤酸化作为主要手段来管控土壤镉污染风险的有效途径。针对土壤酸化的治理，目前多主张施用有机肥料和碱性肥料、改变种植制度、秸秆还田及施用土壤调理剂等办法，但采用这些办法来管控中重度土壤镉污染风险时也常出现效果不理想的情况。稻田土壤镉污染风险是一种生态风险，应以生态修复为主，统一规划，综合治理，以降镉培肥、提升耕地质量为目标，在中重度土壤镉污染风险区有计划地轮作休耕，让土地休养生息，以达到生态修复的目的（赵其国等，2017）。

陈桂芬等（2015）研究表明，广西稻田耕层土壤中全镉含量为0.02～7.33 mg/kg，平均值0.53 mg/kg，变异系数156.37%。本研究结果显示，广西桂平稻田741个土样的土壤镉含量介于0.004～2.456 mg/kg，平均值0.191 mg/kg，变异系数102.63%，表明广西桂平市稻田土壤镉分布不平衡，原因是桂平市东北部有锰矿，西南部有铅锌矿，近矿区的点位土壤镉含量较高，远离矿区的点位土壤镉含量较低。本研究得出的桂平市稻田土壤全镉含量平均值低于陈桂芬等（2015）的研究结果，说明在广西稻田生态区中桂平市稻田土壤镉污染风险相对较小。利用两种国标对广西桂平稻田741个样本进行筛选评价，结果表明，GB 15618—2018得出的土壤镉超标率较GB 15618—1995降低7.16%（绝对值），稻田土壤镉超出管制值的样本仅为1个，即广西桂平市需要严格管制镉污染的稻田比例较低。

同时，按照GB 15618—2018得出的评价结果吻合度较GB 15618—1995得出的吻合度提高4.58%（绝对值），背离度同步降低4.58%（绝对值），说明GB 15618—2018对土壤镉污染风险的管控向着精准化迈进了一大步，但按照数理统计标准，GB 15618—2018得出的评价结果吻合度（置信概率）虽提高至87.85%，但仍未达显著水平，而反向表达即否定概率（背离度）过高，超过5.00%。说明由GB 15618—2018进行镉污染风险评价的可靠性及方法仍需进一步探讨。

本研究通过采用两种国标对稻田土壤镉污染风险的差异性进行评价，首次尝试采用吻合度和背离度对评价结果的可靠性作出评估，计算方法简单，易于理解和掌握，克服了推导数学模型的繁锁，为今后对农用地土壤污染物污染风险评价结果的可靠性考量提供了借鉴和方法。但本研究仅是对镉污染风险评价的可靠性作出单个评估，得出的结果难免片面，今后应继续对主要农用地土壤污染物污染风险评价的可靠性进行全面评估。

4 结论

广西桂平市稻田生态区土壤酸化严重，酸性土壤占据主导地位;稻田土壤镉分布不平衡，污染风险相对较小，需管制的土壤镉中重度污染区占比较小。除矿区周边稻田外，稻米镉暴露可能起因于稻田土壤的酸化。

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（责任编辑 王 晖）