基于物種敏感性分布的江蘇省典型水稻土Cd安全閾值研究①

鄭倩倩，王興祥，丁昌峰*

基于物種敏感性分布的江蘇省典型水稻土Cd安全閾值研究①

鄭倩倩1, 2，王興祥2，丁昌峰2*

(1 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210046；2中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008)

研究不同水稻品種富集鎘(Cd)的敏感性差異和江蘇典型水稻土Cd的安全閾值，可為水稻安全生產(chǎn)和產(chǎn)地安全性評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。選擇江蘇省主栽的12個(gè)水稻品種和2種代表性水稻土(酸性的興化勤泥土和中性的常熟烏柵土)，通過溫室盆栽試驗(yàn)，分別添加不同濃度的外源Cd，研究不同水稻品種對(duì)Cd的敏感性差異，并利用物種敏感性分布法(species sensitivity distribution，SSD)推導(dǎo)2種土壤Cd的安全閾值。結(jié)果表明：不同水稻品種糙米Cd含量存在顯著的種間差異，最高含量和最低含量相差3 ~ 6倍，并表現(xiàn)為秈型雜交稻顯著高于粳型常規(guī)稻和粳型雜交稻。利用Burr Ⅲ型分布函數(shù)擬合12個(gè)水稻品種富集Cd的SSD曲線，通過國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)反推出勤泥土和烏柵土上保護(hù)95% 的水稻品種糙米不超標(biāo)的HC5值即安全閾值，其中全量Cd分別為0.78 mg/kg和1.17 mg/kg，CaCl2提取態(tài)Cd分別為0.13 mg/kg和0.14 mg/kg，EDTA提取態(tài)Cd分別為0.46 mg/kg和0.64 mg/kg。2種土壤上基于全量Cd的安全閾值均高出我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的限值(0.30 mg/kg、pH≤7.5)。

鎘；水稻品種；水稻土；安全閾值

鎘(Cd)是一種十分危險(xiǎn)的重金屬元素，土壤中的Cd具有移動(dòng)性強(qiáng)，危害性大等特點(diǎn)。據(jù)2014年環(huán)保部和國(guó)土部發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)耕地Cd超標(biāo)率達(dá)7.0%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)受Cd污染的耕地約有8 000 hm2，其中兩廣、貴州和湖南是Cd污染比較嚴(yán)重的地區(qū)，污染來(lái)源主要是采礦業(yè)。隨著我國(guó)農(nóng)田土壤重金屬污染的加重，“鎘米”事件頻頻發(fā)生。水稻作為我國(guó)的第一糧食作物，土壤-水稻系統(tǒng)Cd污染已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題?，F(xiàn)有研究主要集中在不同品種水稻對(duì)Cd的富集機(jī)理[2]、Cd在土壤-水稻系統(tǒng)遷移轉(zhuǎn)化的根際過程及分子機(jī)理與遺傳規(guī)律[1]、Cd脅迫誘導(dǎo)的生理生化特征[4]等方面，這些研究為Cd污染土壤稻米安全生產(chǎn)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

土壤中Cd的安全閾值與土壤類型、土壤性質(zhì)密切相關(guān)。且同一種植物不同品種之間由于生理、生化和遺傳特性等不同，其對(duì)Cd的吸收能力也有所差異，因而其安全閾值亦可能不同[5]。我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)過于強(qiáng)調(diào)全國(guó)Cd標(biāo)準(zhǔn)限值的統(tǒng)一性，并未充分考慮土壤類型和作物品種差異帶來(lái)的影響。此外，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中Cd是以全量制定的標(biāo)準(zhǔn)值，全量只能代表Cd的總貯量，并不能真正表達(dá)Cd的供給水平，土壤中有效態(tài)Cd含量更能反映植物吸收與生態(tài)危害狀況[6]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有效態(tài)Cd標(biāo)準(zhǔn)限值的可靠性取決于有效態(tài)測(cè)定方法的可靠性，目前尚沒有一種科學(xué)可靠的提取方法。另外，單獨(dú)利用有效態(tài)指標(biāo)表征土壤安全閾值同樣存在一些問題，如實(shí)際大田生產(chǎn)上，土壤有效態(tài)Cd含量隨水稻生育期、田間水分條件等而變化，因此難以確定統(tǒng)一的土壤采樣時(shí)間[7]?？偭緾d雖然不能反映Cd的有效性，但它具有測(cè)定方法成熟、數(shù)據(jù)結(jié)果比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[8]。因此，在制定地方性標(biāo)準(zhǔn)中將有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)限值與全量標(biāo)準(zhǔn)限值同時(shí)使用較為適宜。

物種敏感性分布法(species sensitivity distri-bution，SSD)可用來(lái)推導(dǎo)土壤重金屬安全閾值。物種敏感性分布法最早應(yīng)用于水環(huán)境中污染物的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，是基于不同物種對(duì)某污染物的敏感性存在差異且能夠被一個(gè)概率分布所描述，通過來(lái)自于這個(gè)分布的生物測(cè)試獲得的有限物種的毒性閾值來(lái)估算該分布的無(wú)效應(yīng)濃度(PNEC)，從而實(shí)現(xiàn)該污染物在物種水平甚至整個(gè)生態(tài)水平上的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。近幾年該方法也逐漸應(yīng)用于土壤環(huán)境中重金屬安全閾值的研究[9-10]。目前常用于擬合SSD分布的分布函數(shù)主要有Log- logistic、Burr Ⅲ、Log-normal等，以擬合好的SSD曲線上不同百分點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度值(hazardous concen-tration，HCp)為基準(zhǔn)值，來(lái)表示不同的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)水平，其風(fēng)險(xiǎn)水平依據(jù)土地利用類型而定，農(nóng)業(yè)用地通常選取5% 處所對(duì)應(yīng)的HC5值，即保護(hù)95% 生物物種限值[11-12]。

本文通過采集江蘇省興化勤泥土和常熟烏柵土，添加不同濃度的外源Cd，選用江蘇省主栽的12種水稻品種，通過溫室盆栽試驗(yàn)，研究不同水稻品種富集Cd的敏感性差異，以水稻糙米Cd的生物富集系數(shù)(BCF)作為物種敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用Burr Ⅲ對(duì)12個(gè)水稻品種對(duì)Cd的物種敏感性分布頻次和基于保護(hù)95% 水稻品種的土壤全量Cd和不同提取態(tài)Cd的安全閾值(HC5)進(jìn)行推導(dǎo)，為該地區(qū)稻米安全生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地安全性評(píng)價(jià)提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為江蘇省興化勤泥土和常熟烏柵土，均為脫潛水稻土亞類黃斑黏田土。將2種土壤自然風(fēng)干，剔去殘?jiān)?、碎礫，研磨后過2 mm尼龍篩，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩Ａ砣∩僭S土樣，分別用于土壤常規(guī)分析和Cd含量測(cè)定。測(cè)得的土壤基本理化性狀見表1。

供試水稻品種選用江蘇省不同地區(qū)主栽的12種水稻品種，其中包括7種粳型常規(guī)稻、2種粳型雜交稻和3種秈型雜交稻。具體見表2。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

表2 供試水稻品種

1.2 試驗(yàn)處理

盆栽試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室內(nèi)進(jìn)行，在每個(gè)塑料盆中裝入6 kg風(fēng)干并且過2 mm尼龍篩的2種土樣，以液態(tài)形式加入CdSO4·8H2O進(jìn)行老化，Cd添加濃度為我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.30 mg/kg、pH≤7.5)的2倍和4倍，即在勤泥土和烏柵土上低濃度處理Cd1為0.60 mg/kg，高濃度處理Cd2為1.20 mg/kg，同時(shí)設(shè)置不加Cd處理作為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理3次重復(fù)。外源添加的Cd與土壤充分混合均勻，自然狀態(tài)進(jìn)行老化培養(yǎng)3個(gè)月。老化培養(yǎng)期間土壤維持田間最大持水量的80%。

老化培養(yǎng)結(jié)束后，將育苗后的水稻幼苗移栽到塑料盆中，每盆3穴，每穴2株。移栽后，水稻全生育期盆缽?fù)撩姹３? ~ 3 cm水層，直到收獲前2個(gè)星期停止加水。為了保證土壤有充足的肥力供水稻正常生長(zhǎng)，水稻移栽前，對(duì)每盆施用相同量的氮磷鉀底肥。

1.3 樣品采集與分析

取老化后的土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，用于測(cè)定土壤中全量Cd(total-Cd)、CaCl2提取態(tài)Cd(Cacl2-Cd)和EDTA提取態(tài)Cd(EDTA-Cd)的含量。待成熟后陸續(xù)收獲水稻，帶回實(shí)驗(yàn)室后，用剪刀把各株水稻的穗剪下，用自來(lái)水小心洗凈，再用去離子水清洗3遍后，用牛皮紙裝好放入50 ~ 60℃的烘箱中烘至恒重。烘干后分別對(duì)稻穗進(jìn)行脫粒、去殼、稱重和粉碎，最后裝入標(biāo)記好的密封袋中，消解測(cè)定。

糙米Cd含量采用HNO3-H2O2消解后用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(Varian AA 240 FS+GTA)進(jìn)行測(cè)定。具體方法為：稱取0.25 g的樣品于消解罐中，依次添加5 ml濃硝酸(優(yōu)級(jí)純)和3 ml H2O2，加蓋擰緊，搖勻放置過夜，放入密封烘箱中140 ℃消解2 h，冷卻后150 ℃趕酸30 min至盡干，用5% 硝酸轉(zhuǎn)移定容至15 ml的離心管中，利用石墨爐原子分光光度計(jì)進(jìn)行Cd含量的測(cè)定。為了保證分析質(zhì)量，樣品消解和上機(jī)測(cè)定過程中帶有洋蔥標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSB-27)和土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07444)進(jìn)行質(zhì)量控制，其回收率分別為 95% ~ 106% 和 94% ~ 103%。土壤有效態(tài)Cd的提取分別采用0.01 mol/L的CaCl2和0.05 mol/L的EDTA。具體方法是：稱取5 g土樣于50 ml的離心管中，加入25 ml 0.01 mol/L的CaCl2(或0.05 mol/L的EDTA)，放入水平振蕩器，以轉(zhuǎn)速180 r/min振蕩2 h，然后以4 000 r/min離心5 min，過0.45μm濾膜后的濾液收集于15 ml的離心管中，最后用石墨爐原子吸收分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1)生物富集系數(shù)。生物富集系數(shù)(BCF)表示土壤-植物體系中重金屬遷移的難易程度，能較清楚地表示植株不同器官對(duì)重金屬元素的吸收積累能力。本文中基于土壤全量Cd、CaCl2提取態(tài)Cd和EDTA提取態(tài)Cd的生物富集系數(shù)分別用BCFtotal-Cd、BCFCaCl2-Cd和BCFEDTA-Cd來(lái)表示：

式中：Cdrice表示糙米中的Cd含量，單位為mg/kg；Cdsoil表示土壤中的Cd含量(分別為土壤中全量Cd、CaCl2提取態(tài)Cd和EDTA提取態(tài)Cd的含量)，單位為mg/kg。

SSD曲線擬合與HC5值推導(dǎo)。將糙米的生物富集數(shù)據(jù)取倒數(shù)后(1/BCF)按照遞增的順序排列，然后利用Burr Ⅲ分布函數(shù)進(jìn)行擬合SSD曲線，進(jìn)而以國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762—2017，0.2 mg/kg)為基準(zhǔn)，反推出土壤Cd對(duì)水稻的安全閾值(HC5)。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織提供了該方法的說明以及相關(guān)計(jì)算軟件BurrliOZ (http:/ /www.cmis.csiro.au /envir/ burrlioz/)。

Burr Ⅲ型函數(shù)的參數(shù)方程為：

式中：、、為函數(shù)的3個(gè)參數(shù)。當(dāng)趨于無(wú)窮大時(shí)，Burr Ⅲ分布可變化為ReWeibull分布；當(dāng)趨向于無(wú)窮大時(shí)，可變化為RePareto分布。

另，本文采用Excel2007、SPSS18.0及Sigma-plot10進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和繪圖，利用LSD法進(jìn)行差異顯著性分析(顯著水平0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 老化后土壤全量Cd、不同提取態(tài)Cd含量

表3顯示了老化后土壤全量Cd、CaCl2提取態(tài)Cd及EDTA提取態(tài)Cd的含量。由表3數(shù)據(jù)可得，CaCl2提取態(tài)Cd的含量占全量Cd含量的7% ~ 43%，EDTA提取態(tài)Cd的含量占全量Cd含量的60% ~ 64%，EDTA提取態(tài)Cd的含量顯著高于CaCl2提取態(tài)Cd的含量。

表3 老化后土壤全量Cd及不同提取態(tài)Cd含量(mg/kg)

2.2 不同水稻品種的產(chǎn)量和糙米Cd含量及兩者的相關(guān)關(guān)系

不同Cd處理下，12個(gè)水稻品種的產(chǎn)量見圖1。圖1中顯示，不同品種間的產(chǎn)量存在顯著差異，但是同一品種在不同Cd處理下的產(chǎn)量差異不顯著。在勤泥土上，粳型常規(guī)稻、粳型雜交稻和秈型雜交稻產(chǎn)量的平均值分別為44.7、61.6和66.6 g/盆；而在烏柵土上，分別為44.1、58.4和64.6 g/盆。由此可知，在2種土壤類型下的水稻產(chǎn)量高低排序均是：秈型雜交稻>粳型雜交稻>粳型常規(guī)稻。

由圖2可知，糙米Cd含量隨著土壤外源Cd添加量的增加而升高，且不同品種間糙米Cd含量差別較大，秈型雜交稻的糙米Cd含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于粳型常規(guī)稻和粳型雜交稻。在勤泥土上，Cd1和Cd2處理糙米Cd含量變化范圍分別為0.03 ~ 0.22 mg/kg和0.06 ~0.38 mg/kg，最高含量和最低含量分別相差6倍和5倍；粳型常規(guī)稻、粳型雜交稻和秈型雜交稻在Cd1處理下糙米平均Cd含量分別為0.05、0.06、0.13 mg/kg，在Cd2處理下分別為0.10、0.09、0.23 mg/kg，其中C兩優(yōu)4418(P10)在2個(gè)Cd處理下的糙米Cd含量均超過了食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在烏柵土上，Cd1和Cd2處理糙米Cd含量變化范圍分別為0.03 ~ 0.12 mg/kg和0.04 ~ 0.22 mg/kg，最高含量和最低含量分別相差3倍和4倍；3種水稻類型在Cd1處理下糙米平均Cd含量分別為0.04、0.05、0.09 mg/kg，在Cd2處理下分別為0.08、0.06、0.17 mg/kg，其中C兩優(yōu)4418在Cd2處理下的糙米Cd含量超過了食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

(柱圖上方不同小寫字母表示同一水稻品種不同Cd處理間差異在P<0.05水平顯著；下同)

分別對(duì)勤泥土和烏柵土上不同Cd處理下的12個(gè)水稻品種糙米Cd含量和產(chǎn)量作Pearson相關(guān)性分析，結(jié)果表明，在勤泥土上，Cd1和Cd2處理下二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.64(<0.05)、0.74(<0.01)；在烏柵土上，Cd1和Cd2處理下二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.74(<0.01)、0.67(<0.05)。說明水稻產(chǎn)量和糙米Cd含量之間存在正相關(guān)關(guān)系。

2.3 不同水稻品種糙米Cd的生物富集系數(shù)(BCF)

表4為2種土壤類型上12個(gè)水稻品種糙米Cd的BCF值。由表4數(shù)據(jù)可知，在Cd1和Cd2處理下，各水稻品種BCF值變化不顯著。對(duì)比相同Cd處理下不同水稻品種的BCF值，可以發(fā)現(xiàn)不同品種間的BCF值存在差異，其中秈型雜交稻高于粳型雜交稻和粳型常規(guī)稻。

2.4 基于不同土壤Cd形態(tài)的水稻土安全閾值

將12個(gè)水稻品種分別基于土壤全量Cd、CaCl2提取態(tài)Cd以及EDTA提取態(tài)Cd下的BCF值通過取倒數(shù)后輸入BurrliOZ軟件進(jìn)行計(jì)算，得到了不同水稻品種的SSD曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，在2種土壤類型下，12種水稻品種富集Cd的敏感性存在顯著差異。C兩優(yōu)4418在2種土壤類型下富集Cd最為敏感，而蘇粳9號(hào)在勤泥土上富集Cd較不敏感，通優(yōu)粳1號(hào)在烏柵土上富集Cd較不敏感。并且在2種土壤類型下，秈型雜交稻總體表現(xiàn)出較強(qiáng)的Cd的敏感性。

圖2 不同Cd處理下12個(gè)水稻品種糙米Cd含量

表4 興化勤泥土和常熟烏柵土上12個(gè)水稻品種糙米Cd的BCF值

經(jīng)過Burr III模型計(jì)算得到勤泥土和烏柵土上基于土壤全量Cd和不同提取態(tài)Cd的HC5值如表5所示。對(duì)比基于土壤全量Cd和EDTA提取態(tài)Cd的2種土壤安全閾值，烏柵土顯著高于勤泥土；而基于CaCl2提取態(tài)Cd的2種土壤安全閾值差異并不顯著。

3 討論

對(duì)比12個(gè)水稻品種分別在Cd1和Cd2處理下的產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)隨著土壤Cd添加量的增加，水稻產(chǎn)量的變化規(guī)律并不顯著，說明低量Cd污染不會(huì)對(duì)水稻產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響。孫聰?shù)萚9]選取了17個(gè)水稻品種，添加土壤Cd含量范圍為0.30 ~ 6.0 mg/kg，發(fā)現(xiàn)在低含量(<0.60 mg/kg)范圍內(nèi)對(duì)水稻產(chǎn)量的抑制作用并不明顯，但是隨土壤Cd含量的提高，這種抑制作用越來(lái)越明顯。本研究中12個(gè)水稻品種糙米Cd含量和產(chǎn)量之間存在正相關(guān)關(guān)系，這是由于本研究選用的12個(gè)水稻品種中，秈型雜交稻和部分粳型常規(guī)稻均屬于高產(chǎn)高Cd品種(結(jié)合圖1和圖2可知)。吳啟堂等[13]選用了20個(gè)水稻品種(雜交稻、優(yōu)質(zhì)稻和常規(guī)稻)，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)量和糙米Cd含量之間的相關(guān)性較強(qiáng)，并指出這20個(gè)水稻品種中雜交稻和優(yōu)質(zhì)稻分別為高產(chǎn)高Cd和低產(chǎn)低Cd水稻品種，常規(guī)稻則因品種而異。蔡秋玲等[14]選取了84個(gè)水稻品種，根據(jù)糙米富集Cd的能力和產(chǎn)量將其劃分為4個(gè)組別(高產(chǎn)高Cd、低產(chǎn)低Cd、高產(chǎn)低Cd和低產(chǎn)高Cd)，發(fā)現(xiàn)這些品種糙米Cd的富集能力與產(chǎn)量之間并不存在相關(guān)性。因此，所選用水稻品種的差異是決定其產(chǎn)量和糙米Cd含量是否存在相關(guān)性以及相關(guān)程度的關(guān)鍵因素。

(圖A、B代表基于土壤全量Cd的SSD曲線，C、D代表基于CaCl2提取態(tài)Cd的SSD曲線，E、F代表基于EDTA提取態(tài)Cd的SSD曲線；△表示秈稻品種，○表示粳稻品種)

表5 基于Burr III擬合的2種土壤不同形態(tài)Cd的安全閾值(HC5)及擬合參數(shù)

12個(gè)水稻品種糙米Cd含量隨著土壤Cd處理含量的升高而升高，且同一Cd處理下，不同品種糙米Cd含量差異顯著，其中秈型雜交稻顯著高于粳型雜交稻和粳型常規(guī)稻。這與李坤權(quán)等[15]和龍小林等[16]研究結(jié)果一致。不同水稻品種糙米Cd含量差異主要受根部吸收和向地上轉(zhuǎn)運(yùn)這兩個(gè)過程的影響[17]。

本研究中勤泥土和烏柵土上同一Cd處理(0.60 mg/kg)下，12個(gè)水稻品種糙米Cd含量分別相差7倍和5倍。李坤權(quán)等[15]選取了20個(gè)水稻品種，通過人工添加外源Cd的盆栽試驗(yàn)，得出Cd在水稻不同品種糙米內(nèi)濃度相差3倍。因此，在進(jìn)行土壤重金屬安全閾值研究時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮品種差異帶來(lái)的影響?，F(xiàn)有關(guān)于土壤Cd安全閾值的研究大部分是基于一個(gè)水稻品種，如范中亮等[18]以雜交秈稻K優(yōu)818為材料，選擇兩種pH分別為5.94和7.50的土壤，通過人工添加外源Cd的盆栽試驗(yàn)，推導(dǎo)出兩種土壤基于全量Cd的安全閾值分別為0.74 mg/kg和1.63 mg/kg。陳宏坪等[19]采集了全國(guó)8個(gè)地區(qū)的水稻土(pH 4.94 ~ 7.75)，水稻品種選用秈型常規(guī)稻中嘉早17，通過人工添加外源Cd的盆栽試驗(yàn)，得出保證稻米安全生產(chǎn)的8種水稻土基于全量Cd的臨界范圍為0.70 ~ 4.79 mg/kg。本研究基于12個(gè)水稻品種對(duì)土壤Cd的敏感性差異，利用糙米Cd的富集系數(shù)和Burr Ⅲ型分布函數(shù)擬合出SSD曲線，以國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(0.20 mg/kg)為基準(zhǔn)，反推出基于土壤全量Cd的勤泥土和烏柵土的安全閾值分別為0.78 mg/kg和1.17 mg/kg，與我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)相比，均高出其限值(0.30 mg/kg、pH≤7.5)。

土壤環(huán)境中Cd含量的自然背景值超標(biāo)與人為污染超標(biāo)有著本質(zhì)的不同。目前，按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)評(píng)價(jià)土壤Cd含量會(huì)出現(xiàn)高背景值點(diǎn)位無(wú)外源污染但超標(biāo)的情況。因?yàn)樵搰?guó)標(biāo)中Cd是以平均背景含量及95% 置信水平來(lái)確定的，代表的是該元素的總貯存量，不一定代表該地區(qū)的Cd污染水平。土壤中Cd一般以可給態(tài)、交換態(tài)和難溶態(tài)存在，不同存在形態(tài)的Cd其遷移、轉(zhuǎn)化、吸附、解吸能力不同，其受土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量影響較大。在監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值無(wú)疑優(yōu)于土壤Cd全量值[20-21]。當(dāng)土壤Cd背景值較高時(shí)，利用有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值可以更準(zhǔn)確地對(duì)該地區(qū)Cd污染水平進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)有關(guān)于土壤Cd安全閾值的研究主要基于土壤全量Cd，對(duì)于基于土壤有效態(tài)Cd安全閾值的研究較少，本研究新增了基于SSD法的對(duì)土壤有效態(tài)Cd的安全閾值推導(dǎo)。由于同一土壤中有效態(tài)Cd含量受提取劑的影響較大，本研究采用0.01 mol/L的CaCl2和0.05 mol/L的EDTA這兩種提取劑進(jìn)行提取。CaCl2溶液離子強(qiáng)度與土壤溶液相似，其提取的是土壤中植物可直接利用的易移動(dòng)態(tài)Cd。EDTA被認(rèn)為是一種比較強(qiáng)的絡(luò)合劑，可與土壤中多種重金屬和碳酸鈣等發(fā)生絡(luò)合作用，其提取的還包括對(duì)植物潛在有效的可移動(dòng)態(tài)Cd，其提取的Cd量比CaCl2大很多[22]。0.01 mol/L的CaCl2是在進(jìn)行有效態(tài)Cd提取中常用的提取劑，但提取率不高，勤泥土和烏柵土在CaCl2提取態(tài)Cd下的安全閾值分別為0.13 mg/kg和0.14 mg/kg，差異并不顯著。而EDTA作為一種較強(qiáng)的提取劑，勤泥土和烏柵土在EDTA提取態(tài)Cd下的安全閾值分別為0.46 mg/kg和0.64 mg/kg，兩種土壤差異顯著。

土壤重金屬的植物有效性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，具有不同理化性質(zhì)如pH和有機(jī)質(zhì)含量的勤泥土和烏柵土，其安全閾值也與本研究推導(dǎo)出的存在一定差異。因此，下一步需要建立生物富集預(yù)測(cè)模型，將不同土壤上的生物富集數(shù)據(jù)歸一化到同一土壤上，擬合SSD曲線并推導(dǎo)HC5值，最終確立HC5值與土壤理化性質(zhì)的定量關(guān)系。與田間實(shí)際污染土壤相比，外源Cd鹽的添加以及溫室盆栽的試驗(yàn)方法很有可能促進(jìn)了水稻對(duì)Cd的富集，在本試驗(yàn)結(jié)果廣泛應(yīng)用之前還需要在田間條件下進(jìn)一步驗(yàn)證。

由于溫室盆栽試驗(yàn)在水稻全生育期內(nèi)需保持長(zhǎng)期淹水狀態(tài)，這會(huì)顯著減少水稻對(duì)Cd的吸收，與田間試驗(yàn)相比，本研究水稻糙米Cd含量相對(duì)偏低。水稻在不同生育期、不同水分管理模式下的土壤有效態(tài)Cd含量差別較大。王英[23]通過盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水稻土中有效態(tài)Cd含量在水稻整個(gè)生育期內(nèi)呈先降低后升高的趨勢(shì)。劉昭兵等[24]發(fā)現(xiàn)不同水分管理模式下水稻土中有效態(tài)Cd含量高低順序?yàn)椋喝谘退?乳熟期曬田<濕潤(rùn)灌溉<分蘗-乳熟期兩次曬田。因此，在基于有效態(tài)Cd的安全閾值實(shí)際應(yīng)用過程中，如何確定合適的土壤采樣時(shí)間還需要進(jìn)一步研究。此外，由于有效態(tài)Cd提取受提取劑、提取時(shí)間、溫度等影響較大，提取劑的科學(xué)性與廣譜性問題仍沒有得到實(shí)質(zhì)性的解決。無(wú)論是否建立合適的有效態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)都不應(yīng)忽略總量的重要性，在制定區(qū)域和地方性標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可將總量和有效態(tài)含量一并考慮[25-26]。

4 結(jié)論

不同水稻品種富集Cd的敏感性存在顯著差異，其中秈型雜交稻顯著高于粳型常規(guī)稻和粳型雜交稻。本文結(jié)合國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)中Cd的限量標(biāo)準(zhǔn)和水稻糙米Cd的BCF值，對(duì)勤泥土和烏柵土兩種水稻土Cd的安全閾值進(jìn)行推導(dǎo)，其中全量Cd分別為0.78 mg/kg和1.17 mg/kg，CaCl2提取態(tài)Cd分別為0.13 mg/kg和0.14 mg/kg，EDTA提取態(tài)Cd分別為0.46 mg/kg和0.64 mg/kg。兩種土壤全量Cd的安全閾值均高出我國(guó)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—1995)的二級(jí)指標(biāo)(0.30 mg/kg、pH≤7.5)，因此該標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)于種植粳稻為主的水稻土來(lái)說可能過于嚴(yán)格，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)放寬。

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Food Safety Thresholds of Cadmium in Two Typical Paddy Soils of Jiangsu Province Based on Species Sensitivity Distribution

ZHENG Qianqian1, 2, WANG Xingxiang2, DING Changfeng2*

(1 School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210046, China; 2 Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

Understanding the sensitivity differences of cadmium (Cd) uptake by different rice cultivars and the food safety thresholds of Cd in typical paddy soils of Jiangsu Province is necessary for the safe production of rice and the environmental assessment of paddy field. In the present study, twelve rice cultivars widely grown in Jiangsu Province were selected, and two paddy soils (acid soil sampled from Xinghua City and neutral soil sampled from Changshu City) with different physicochemical properties were collected from Jiangsu Province. The soils were spiked with Cd in different Cd addition levels. The greenhouse pot experiments were conducted to study the sensitivity differences of accumulation ability of different rice cultivars. The results indicated that there were significant differences in Cd concentrations in brown rice due to the difference of enrichment ability,the highest concentration is 3–6 times higher than the minimum concentration, and the indica hybrid rice was significantly higher than that of japonica regular rice and japonica hybrid rice. The SSD curves for Cd were fitted with Burr Ⅲ type distribution based on the bioconcentration factors of the twelve rice cultivars. The 5% hazardous concentrations were then derived inversely by the national food safety standard. The threshold values based on total Cd content in Xinghua soil and Changshu soilwere 0.78 and 1.17 mg/kg respectively. The corresponding threshold values based on CaCl2extractable Cd were 0.13 and 0.14 mg/kg, while the corresponding threshold values based onEDTA extractable Cd were 0.46 and 0.64 mg/kg, respectively. Cd thresholds based on total Cd in the soils were higher than the 2ndGrade (0.30 mg/kg for soils with pH≤7.5) of the Chinese Soil Environmental Quality Standard (GB 15618–1995).

Cadmium; Rice cultivars; Paddy soils; Food safety threshold

中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所“一三五”計(jì)劃和領(lǐng)域前沿項(xiàng)目(ISSASIP1612)和江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20151054)資助。

(cfding@issas.ac.cn)

鄭倩倩(1992—)，女，福建莆田人，碩士研究生，主要從事環(huán)境地理研究。E-mail：qianqianzhengnju@163.com

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10.13758/j.cnki.tr.2019.03.020