川渝粮食主产区水稻对Cd的积累特征与主控因子研究

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2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示,我国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中轻微、轻度、中度和重度污染分别占13.7%、2.8%、1.8%和1.1%,主要受到Cd、As、Hg、Pb和Cr等重金属污染,尤以西南和中南地区最为严重。农田土壤受到重金属污染,严重威胁土壤生态环境和农产品安全。近年来,在我国一些地区相继发现稻田土壤和稻米中Cd含量超标的问题,引起了政府、公众和学术界的广泛关注。为了进一步了解区域农田土壤Cd污染特征、水稻Cd积累及其主要影响因素,为Cd污染农田分类管理和修复治理提供科学依据,本文同步采集川渝粮食主产区的稻田耕层土壤和水稻样品,研究稻田土壤Cd污染及其有效性特征,评价Cd污染风险;研究水稻对土壤中Cd的积累特征与污染风险,获得影响水稻Cd积累的主控因子;以重庆市江津区为例,根据稻田土壤和稻米Cd污染水平,探讨稻田土壤污染分区分级,为水稻安全种植提出管控对策,获得如下主要结果:(1)重庆市稻田土壤p H为4.46~8.64,全Cd含量为0.14~1.11 mg·kg-1(n=152),平均含量为0.38 mg·kg-1,均高于重庆区域土壤Cd背景值(0.133 mg·kg-1)。根据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018),该市稻田土壤Cd超标率达到25.0%。单因子污染指数评价发现,该市稻田土壤以无污染为主(占75.1%),轻微污染占23.7%,轻度和中度污染占1.2%,未发现重度污染点位;潜在生态危害指数评价发现,Cd污染的生态风险以轻微风险为主(占72.8%),中等风险和较高风险占27.2%,未发现高风险和极高风险点位。该市稻田土壤有效态Cd含量为0.02~0.80 mg·kg-1,平均值为0.25 mg·kg-1,生物有效性系数为46.5%~83.2%,Cd向水稻迁移的可能性较大。四川省稻田土壤p H为4.14~9.38,全Cd含量为0.09~1.59 mg·kg-1(n=713),平均含量为0.50 mg·kg-1,均高于四川区域土壤环境背景Cd含量(0.079 mg·kg-1)。根据农用地土壤污染风险管控标准,该省稻田土壤Cd超标率为28.9%。单因子污染指数法评价发现,该省稻田土壤以无污染为主(占73.5%),轻微污染占24.5%,轻度和中度污染占2.0%,未发现重度污染点位;潜在生态危害指数评价发现,Cd污染的生态风险以轻微风险为主(占73.4%),中等和较高风险占26.6%,未发现高风险和极高风险点位。该省稻田土壤有效态Cd含量为0.01~1.25 mg·kg-1,平均值为0.24 mg·kg-1,生物有效性系数为41.5%~59.7%,易向水稻迁移。(2)重庆市稻米Cd含量为0.003~0.663 mg·kg-1(n=142),平均值为0.144mg·kg-1。根据《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2017)(Cd含量<0.2 mg·kg-1),该市稻米Cd含量超标率为24.8%。稻米积累土壤中Cd的平均富集系数为0.38。健康风险评价发现,该市稻米Cd污染的风险商值(HQ)为0.001~0.076,HQ均小于1,稻米中的Cd不会对人体健康造成明显影响,但存在潜在危害。四川省稻米Cd含量为0.005~0.730 mg·kg-1(n=713),平均值为0.138 mg·kg-1,超标率为25.1%。稻米积累土壤中Cd的平均富集系数为0.29。稻米Cd污染的HQ为0.001~0.084,HQ均小于1,该省稻米中的Cd不会对人体健康造成明显影响,需注意其潜在危害。(3)重庆市稻米Cd含量与土壤有效态Cd含量、土壤p H、阳离子交换量(CEC)和土壤有机质(SOM)之间的相关系数分别为0.649(p<0.01)、0.288(p<0.05)、0.223(p<0.05)和0.16(p>0.05,不显著),影响因子依次为土壤有效态Cd含量>土壤p H>CEC>SOM。在此基础上,建立稻米Cd含量与影响因子之间的多元回归预测模型:log Cd稻米=0.753log Cd有效态+1.212logp H+0.016log CEC+0.337log SOM–1.934(r=0.551,p<0.01)。结合Pearson相关性分析、主成分分析和多元回归预测模型可知,影响重庆市稻米Cd积累的主控因子为土壤有效态Cd含量、土壤p H和CEC。四川省稻米Cd含量与土壤有效态Cd含量、土壤p H、CEC和SOM之间的相关系数分别为:0.599(p<0.01)、-0.063(p<0.05)、-0.05(p>0.05,不显著)、0.181(p<0.01)。影响因子依次为土壤有效态Cd含量>SOM>p H>CEC。获得稻米Cd含量与影响因子之间的预测模型:log Cd稻米=0.81log Cd有效态–0.66logp H+0.425log SOM-0.031log CEC–1.642(r=0.607,p<0.01)。结合Pearson相关性分析、主成分分析和多元回归预测模型可知,影响四川省稻米Cd积累的主控因子为土壤有效态Cd含量、土壤p H和SOM。(4)重庆市江津区稻田土壤p H为4.29~8.09,全Cd含量为0.09~1.61 mg·kg-1(n=301),平均含量为0.36 mg·kg-1;土壤有效态Cd含量为0.01~0.70 mg·kg-1,平均值为0.23 mg·kg-1;稻米Cd含量为0.002~0.753 mg·kg-1(n=301),平均值为0.108 mg·kg-1。根据农用地土壤污染风险管控标准和食品卫生Cd含量限量标准,采用Arc-GIS软件绘制“江津区稻田土壤安全利用图”。江津区北部和南部区域稻田土壤属于安全区,对水稻生产未构成危害,应优先保护;江津区东部和西部区域稻田土壤属于基本安全区,应安全利用,同时加强监控Cd污染的动态变化,防止外源Cd输入。
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