基于鎘污染風(fēng)險(xiǎn)的湖南省龍山縣百合種植區(qū)安全區(qū)劃

許青陽(yáng),戴亮亮,肖凱琦,彭志剛,鞏浩

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局長(zhǎng)沙自然資源綜合調(diào)查中心,長(zhǎng)沙,410625

內(nèi)容提要:湖南省龍山縣作為我國(guó)重要的百合生產(chǎn)基地縣之一,其土壤卻存在一定程度的鎘(Cd)污染風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),百合作為一種食藥同源的植物,其食用和藥用的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)不一致。因此,在龍山縣提出百合種植區(qū)安全區(qū)劃具有重要意義。筆者等在龍山縣耕地采集326件表層土壤樣品和70件百合樣品(配套根系土樣),在分析土壤及百合中Cd的含量和土壤中氧化物、有機(jī)質(zhì)、pH等指標(biāo)的基礎(chǔ)上,探討Cd生物有效性的影響因素,并據(jù)此建立百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型,結(jié)合土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)耕地的百合Cd含量,給出百合種植區(qū)安全區(qū)劃及建議。結(jié)果表明,研究區(qū)土壤存在Cd污染風(fēng)險(xiǎn),百合具有質(zhì)量安全問(wèn)題。研究區(qū)Cd的生物有效性受到土壤CaO、S、P、K2O含量和土壤pH的共同影響。與多元線性回歸模型相比,隨機(jī)森林模型能夠更好地預(yù)測(cè)百合Cd生物富集系數(shù)。百合種植區(qū)安全區(qū)劃顯示,研究區(qū)食用百合優(yōu)先種植區(qū)、藥用百合優(yōu)先種植區(qū)、藥用百合次級(jí)種植區(qū)、結(jié)構(gòu)調(diào)整種植區(qū)面積占比分別為1.49%、92.71%、2.88%、2.92%,建議大力開(kāi)發(fā)藥用百合農(nóng)產(chǎn)品。該研究成果將Cd污染風(fēng)險(xiǎn)耕地的安全利用與食藥同源農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全有效銜接,完善了受污染耕地安全利用的工作方法,為推動(dòng)龍山縣百合產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。

眾所周知,土壤既是生產(chǎn)食物、纖維及林產(chǎn)品不可替代或缺乏的自然資源,也是保護(hù)地球系統(tǒng)的生命活性,維護(hù)整個(gè)人類(lèi)社會(huì)和生物圈共同繁榮的基本要素,是人類(lèi)賴(lài)以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)和寶貴財(cái)富的源泉(黃昌勇, 2000)。2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,全國(guó)土壤環(huán)境狀況總體不容樂(lè)觀,全國(guó)土壤總的超標(biāo)率為16.1%。其中,土壤鎘(Cd)超標(biāo)樣品占全部樣品的7.0%,居土壤污染物超標(biāo)率首位。

Cd是一種具強(qiáng)遷移性、高活動(dòng)性的有毒重金屬元素,易進(jìn)入土壤—農(nóng)作物系統(tǒng)(師榮光等,2008;黃照強(qiáng)等,2021;王銳等,2021)。通過(guò)食物鏈的傳遞,難降解的Cd會(huì)在人體內(nèi)不斷積累,對(duì)人體健康造成危害,它可以破壞人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng),導(dǎo)致骨骼、肺、腎臟等損傷甚至引發(fā)癌癥(Yang Qingwei et al., 2004; Bandara et al., 2008; Pan Jilang et al., 2010; 邊博等,2017;王俊能等,2019;張杰等,2019)。

百合是我國(guó)衛(wèi)生部審批通過(guò)的首批食藥同源植物之一,其食、藥用部位均為肉質(zhì)鱗葉。百合作為食品,不僅含有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,還具有很好的保健功效(國(guó)家藥典委員會(huì), 2020);百合作為藥品,其含有的甾體皂苷、生物堿、百合多糖及酚酸類(lèi)化合物等化學(xué)成分具有抑菌、抗炎、抗腫瘤、抗氧化及免疫調(diào)節(jié)等作用(李紅娟等,2007;羅林明等,2017)。

湖南省龍山縣作為“中國(guó)百佳特色產(chǎn)業(yè)縣(百合產(chǎn)業(yè))”,其卷丹百合種植面積、產(chǎn)量、銷(xiāo)量均居全國(guó)之首(劉英等,2019)。然而,《湘西片區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查》項(xiàng)目顯示,龍山縣土壤受到成土母質(zhì)等因素的影響存在一定程度的Cd污染風(fēng)險(xiǎn),不利于百合產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。研究表明,植物吸收Cd并不僅取決于土壤Cd含量,而是受到多種因素共同影響,如土壤中的pH、Corg、氧化物等(Bolan et al., 2003; Sarwar et al., 2010; Hu Yuanan et al., 2016; Wang Kang et al., 2019; Ruehlmann et al., 2021; 楊瓊等,2021)。據(jù)此,為保障百合農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全,龍山縣Cd污染風(fēng)險(xiǎn)耕地的安全利用措施不能僅參照土壤Cd含量實(shí)施。同時(shí),百合作為一種食藥同源的植物,其食用和藥用的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)不一致。鑒于土壤—百合系統(tǒng)Cd的相關(guān)研究報(bào)道甚少以及人們對(duì)食藥安全的日益重視,因此,在龍山縣Cd污染風(fēng)險(xiǎn)耕地上,針對(duì)性的提出科學(xué)、合理的百合種植區(qū)安全區(qū)劃對(duì)提高當(dāng)?shù)馗乩眯?、保障百合農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全具有重要意義。

筆者等以湖南省龍山縣耕地的土壤與百合的協(xié)同樣品數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探討影響Cd生物有效性的土壤指標(biāo),并據(jù)此建立百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型,結(jié)合土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)耕地的百合Cd含量,根據(jù)土壤Cd含量、土壤pH、百合Cd含量以及《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)、《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(DB2762-2017)、WM/T2-2004《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》給出百合種植區(qū)安全區(qū)劃與建議,以期為推動(dòng)當(dāng)?shù)匕俸袭a(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省龍山縣西北部,是龍山縣主要百合種植區(qū)之一,區(qū)內(nèi)百合品種為卷丹。地形以中低山地為主,平均海拔800 m以上,屬亞熱帶大陸性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),常年溫暖濕潤(rùn),立體氣候明顯。降水豐沛,時(shí)空分配不均,年平均降水量約為1300 mm。研究區(qū)內(nèi)光熱總量偏少,光熱基本同季,年平均氣溫為15.8℃。區(qū)內(nèi)出露有寒武系、奧陶系、志留系和泥盆系地層。主要巖石類(lèi)型為石灰?guī)r,局部出露頁(yè)巖、砂巖、泥巖等。區(qū)內(nèi)土壤類(lèi)型以石灰土為主,局部地區(qū)分布有紅壤、黃壤,同時(shí),伴有水稻土零散分布。

1.2 樣品采集與分析測(cè)試

在研究區(qū)內(nèi),采用1:50000比例尺,依據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施的《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DT/T 0295-2016)技術(shù)要求采集0～20 cm的326件表層土壤樣品(圖1)。根據(jù)田塊特點(diǎn)采用梅花形法、交叉點(diǎn)法等方法,對(duì)植物進(jìn)行采樣,每件百合樣品采集6～8 株百合,研究區(qū)共采集70件百合樣品,并在百合采樣點(diǎn)配套采集根系土樣品,百合樣品均采集肉質(zhì)鱗葉部分,總鮮重1 kg左右。

圖1 湖南省龍山縣土地利用類(lèi)型與采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of land use types and sampling sites in Longshan County, Hunan Province

土壤樣品置于干凈整潔的室內(nèi)通風(fēng)場(chǎng)地晾干,或在陰涼處懸掛在樣品架上自然風(fēng)干。在此過(guò)程中,要適時(shí)翻動(dòng)樣品,以免膠結(jié),同時(shí)剔除土壤以外的雜物。風(fēng)干后的樣品用木棍或塑料棍碾壓,過(guò)2 mm尼龍篩,確保無(wú)污染后裝入自封袋內(nèi)等待分析測(cè)試。

百合樣品采集后,先去除肉質(zhì)鱗葉上的殘根和有瑕疵的鱗瓣,然后用自來(lái)水清洗干凈,再用蒸餾水沖洗3～4次,自然風(fēng)干后,剝?nèi)△[瓣,用粉碎機(jī)粉碎,確保無(wú)污染后裝入塑料密封袋內(nèi)等待分析測(cè)試。

各類(lèi)樣品分析測(cè)試由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成,樣品分析方法及檢出限見(jiàn)表1,具體測(cè)試方法如下。

表1 湖南省龍山縣樣品中各元素分析方法和檢出限Table 1 Analysis methods and detection limit of each element in samples from Longshan County, Hunan Province

土壤SiO2、Al2O3、TFe2O3、K2O、P和Cl測(cè)定,稱(chēng)取105 ℃下烘干的土壤樣品4 g,通過(guò)粉末壓片法制樣,利用X射線熒光光譜法測(cè)定。土壤MgO、CaO和Na2O測(cè)定,稱(chēng)取土壤樣品0.1 g,通過(guò)氫氟酸、鹽酸、硝酸和高氯酸溶樣并提取后,利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定。土壤有機(jī)碳(Corg)測(cè)定,稱(chēng)土壤樣品0.5 g取于三角燒杯中,加入5 mL 0.8 mol/L的重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液、5 mL濃硫酸,搖勻于電熱板上消解,冷卻后加入鄰菲羅啉指示劑,用硫酸亞鐵滴定,容量法測(cè)定。土壤pH測(cè)定,稱(chēng)取土壤樣品10 g,加無(wú)二氧化碳蒸餾水浸溶,用pH計(jì)測(cè)定。土壤Cd測(cè)定,稱(chēng)取土壤樣品0.1 g,通過(guò)氫氟酸、鹽酸、硝酸和高氯酸溶樣并提取后,利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。土壤S測(cè)定,稱(chēng)取0.5 g鐵粉于坩堝中,放入與紅外碳硫分析系統(tǒng)連接的天平內(nèi),稱(chēng)取土壤樣品0.3 g,加入0.5 g鎢粒于高頻紅外碳硫儀測(cè)定S。

百合Cd測(cè)定,稱(chēng)取百合樣品0.5 g,置于專(zhuān)用微波消解罐,加入亞沸硝酸和過(guò)氧化氫,放入微波消解儀消解,冷卻后取出置于趕酸器上蒸至小體積(約0.5 mL),定容、搖勻后放置澄清,利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。

土壤樣品分析測(cè)試過(guò)程中密碼插入國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),以其分析測(cè)試結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度和精密度檢驗(yàn)。樣品分析測(cè)試及質(zhì)量控制均按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)范》(DZ/T 0295-2016)、《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)要求(試行)》(DD 2005-02)、《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》(DD 2005-03)和《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試質(zhì)量管理規(guī)范》(DZ/T 0130-2006)等文件要求執(zhí)行,所有分析測(cè)試結(jié)果均符合要求,數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

百合樣品測(cè)試指標(biāo)為Cd元素,其準(zhǔn)確度控制方法為:每一批樣品(50件樣品)插入同類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)1～2件,與樣品同時(shí)分析,計(jì)算單個(gè)樣品單次測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)推薦值的相對(duì)誤差,要求相對(duì)誤差小于10%;精密度控制方法為:采用重復(fù)分析方法控制樣品分析的精密度,每件樣品進(jìn)行100%的重復(fù)分析,計(jì)算雙份分析結(jié)果的相對(duì)雙差,要求相對(duì)雙差小于5%。百合樣品的準(zhǔn)確度和精密度合格率均為100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理分析與圖形繪制

采用Excel 2016、IBM SPSS Statistics 25、Python語(yǔ)言中的sklearn庫(kù)和GeoIPAS V4.5等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,用Arcgis 10.7、Origin 2021、Photoshop CS6進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果和討論

2.1 土壤和百合Cd的含量

研究區(qū)土壤與百合Cd的含量見(jiàn)表2。由表2可知,土壤Cd含量為0.056～0.820 μg/g,平均含量為0.161 μg/g;百合Cd含量為0.060～0.422 μg/g,平均含量為0.200 μg/g。

表2 湖南省龍山縣土壤與百合Cd的含量Table 2 Cd contents in soil and lily in Longshan, Hunan

根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 15618-2018)給出的農(nóng)用地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管控值,土壤Cd超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值的比例分別為3.99%和0.00%,說(shuō)明研究區(qū)土壤存在一定程度的土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)。由于研究區(qū)內(nèi)巖石類(lèi)型主要為石灰?guī)r,土壤類(lèi)型主要為石灰土。而石灰?guī)r風(fēng)化成壤過(guò)程中的相對(duì)濃縮效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致Cd富集于自然形成的土壤中(朱其清等,1984)。因此,初步推斷研究區(qū)內(nèi)的土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)是由石灰?guī)r風(fēng)化成壤所導(dǎo)致的。

根據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(DB 2762-2017)給出的食用百合Cd含量限值0.100 μg/g,百合Cd超標(biāo)率為90.00%;根據(jù)WM/T 2-2004《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》給出的藥用百合Cd含量限值0.300 μg/g,百合Cd超標(biāo)率為8.57%?；诓煌馁|(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn),百合Cd超標(biāo)率不同,但不管依據(jù)何種標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)百合具有一定程度的質(zhì)量安全問(wèn)題。

2.2 百合吸收Cd影響因素

元素生物富集系數(shù)是指在生物體內(nèi)某元素的含量與該元素在環(huán)境(以土壤為主)中的含量的比值(廖啟林等,2013),可以反映生物對(duì)環(huán)境(以土壤為主)中元素的吸收和富集能力,表征元素的生物有效性(Gu Qiubei et al., 2019; 王銳等,2020),計(jì)算公式如下:

(1)

式中,BCFi表示元素i的生物富集系數(shù),無(wú)量綱;Cplant是元素在生物中的含量,單位為μg/g;Csoil是元素在土壤中的含量,單位為μg/g。

通過(guò)計(jì)算百合Cd含量與根系土Cd含量比值結(jié)果得到百合Cd生物富集系數(shù)(BCFCd)見(jiàn)表3,其最小值為0.289,最大值為2.528,平均值為1.517。

表3 湖南省龍山縣百合Cd生物富集系數(shù)Table 3 Cd bioconcentration factors of lily in Longshan County, Hunan Province

研究區(qū)百合及根系土Cd的含量如圖2所示。由圖2可知,百合Cd含量與根系土Cd含量相關(guān)性較差,這表明百合吸收Cd并不僅取決于根系土Cd含量,而是受到多種因素共同影響,如土壤中的pH和大量元素(如Ca、K、P、S)等(王舒書(shū), 2008;Hu Yuanan et al., 2016; Zhou Jian et al., 2018; Wang Kang et al., 2019; Ruehlmann et al., 2021)。

圖2 湖南省龍山縣百合及根系土Cd的含量Fig.2 Cd contents in lily and rhizosphere soil in Longshan, Hunan

表4 湖南省龍山縣百合Cd生物富集系數(shù)與根系土各指標(biāo)相關(guān)性Table 4 Correlation between BCFCd in lily and various indicators in rhizosphere soil in Longshan, Hunan

2.3 百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型

筆者等通過(guò)多元線性回歸(MLR)和隨機(jī)森林算法(RF)來(lái)構(gòu)建百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型,在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析百合Cd生物富集系數(shù)與根系土各指標(biāo)的相關(guān)性基礎(chǔ)上,結(jié)合土壤中Cd與其他指標(biāo)的地球化學(xué)理論內(nèi)在聯(lián)系,選取根系土pH、CaO、S、P這四個(gè)指標(biāo)作為百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型的自變量?；谘芯繀^(qū)采集的70組百合和對(duì)應(yīng)根系土樣品,隨機(jī)選取90%樣品數(shù)據(jù)(建模集)用于構(gòu)建百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型,其余10%樣品數(shù)據(jù)(檢驗(yàn)集)用于檢驗(yàn)百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型的合理性。利用IBM SPSS Statistics 25軟件構(gòu)建多元線性回歸模型,Python語(yǔ)言中的sklearn庫(kù)構(gòu)建隨機(jī)森林模型,最終構(gòu)建的百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型如表5所示。

表5 湖南省龍山縣百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型Table 5 Lily prediction model of BCFCd in Longshan, Hunan

為了能夠直觀展示百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)模型的性能,利用檢驗(yàn)集結(jié)合模型預(yù)測(cè)百合Cd生物富集系數(shù),并與百合Cd生物富集系數(shù)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖3所示。多元線性回歸模型和隨機(jī)森林模型的百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的回歸函數(shù)的截距都趨于0,斜率都趨于1,但R2有所不同,分別為0.820和0.925,說(shuō)明隨機(jī)森林模型的百合Cd生物富集系數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有更好的相關(guān)性。因此,與多元線性回歸模型相比,隨機(jī)森林模型能夠更好的預(yù)測(cè)百合Cd生物富集系數(shù),而這一結(jié)果與預(yù)期是吻合的。因?yàn)?隨機(jī)森林模型不僅適用于復(fù)雜的非線性關(guān)系建模,還可以體現(xiàn)變量間的交互作用(Cutler et al., 2019),而交互作用在回歸模型中因其復(fù)雜性常被忽略。此外,與對(duì)離群值敏感的回歸模型不同,隨機(jī)森林模型對(duì)于離群值不敏感,在隨機(jī)干擾較多情況下仍表現(xiàn)穩(wěn)健(李欣海, 2013)。

圖3 多元線性回歸模型(a)和隨機(jī)森林模型(b)對(duì)湖南龍山縣百合BCFCd預(yù)測(cè)值與百合BCFCd實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of predicted and measured BCFCd values by MLR(a) and RF(b) model of lily in Longshan County, Hunan Province

2.4 百合種植區(qū)安全區(qū)劃及建議

結(jié)合土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查獲得的表層土壤Cd、pH、CaO、S、P元素含量數(shù)據(jù),利用GeoIPAS V4.5軟件進(jìn)行空間插值、賦值,將空間插值、賦值獲取的土壤pH、CaO、S、P值代入所建立的隨機(jī)森林模型,預(yù)測(cè)出研究區(qū)百合Cd生物富集系數(shù),再結(jié)合表層土壤中Cd含量,從而預(yù)測(cè)出研究區(qū)百合Cd含量。

基于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB15618-2018)給出的農(nóng)用地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管控值,《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(DB2762-2017)給出的食用百合Cd含量限值0.100 μg/g,以及WM/T 2-2004《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》給出的藥用百合Cd含量限值0.300 μg/g,提出百合種植區(qū)安全區(qū)劃方法如表6所示。

表6 湖南省龍山縣百合種植區(qū)安全區(qū)劃方法Table 6 Safety zoning method of lily planting regions in Longshan County, Hunan Province

研究區(qū)百合種植區(qū)安全區(qū)劃結(jié)果見(jiàn)圖4。食用百合優(yōu)先種植區(qū)面積為543.27畝(0.36 km2),占比為1.49%;藥用百合優(yōu)先種植區(qū)面積為33861.54畝(22.57 km2),占比為92.71%;藥用百合次級(jí)種植區(qū)面積為1050.45畝(0.70 km2),占比為2.88%;結(jié)構(gòu)調(diào)整種植區(qū)面積為1068.15畝(0.71 km2),占比為2.92%?？傮w來(lái)看,研究區(qū)內(nèi)耕地種植的百合不適宜食用,建議大力開(kāi)發(fā)藥用百合農(nóng)產(chǎn)品。

圖4 湖南省龍山縣百合種植區(qū)安全區(qū)劃Fig.4 Safety zoning map of lily planting regions in Longshan County, Hunan Province

食用和藥用百合優(yōu)先種植區(qū)表示該類(lèi)耕地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)低,生產(chǎn)的百合可作食用或藥用。對(duì)該類(lèi)耕地建議實(shí)行嚴(yán)格保護(hù),加強(qiáng)農(nóng)業(yè)投入品的監(jiān)管,防止新增土壤污染。

食用和藥用百合次級(jí)種植區(qū)表示該類(lèi)耕地土壤存在一定程度的土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn),生產(chǎn)的百合可作食用或藥用。然而,該類(lèi)耕地土壤中的Cd仍然具有被活化,并導(dǎo)致百合Cd超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn),建議在該類(lèi)耕地改種百合Cd低累積的品種,降低百合中Cd的含量。同時(shí),考慮到百合Cd生物富集系數(shù)與根系土pH、CaO、S、P呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與根系土K2O呈正相關(guān)關(guān)系,綜合百合種植的需要,對(duì)于該類(lèi)耕地建議:①在百合種植前向土壤中撒施熟石灰進(jìn)行土壤消毒,不僅可以有效防止百合病蟲(chóng)害的發(fā)生,還能夠改善土壤pH,降低Cd的生物有效性;②施加百合需要的硫肥、磷肥及鉀肥時(shí)(頓昊陽(yáng)等,2010),將硫肥、磷肥施于土壤中,而將鉀肥噴灑在百合上,防止Cd生物有效性加強(qiáng),減少Cd從土壤向百合轉(zhuǎn)移的可能。此外,強(qiáng)化百合質(zhì)量檢測(cè),保障百合質(zhì)量。

結(jié)構(gòu)調(diào)整種植區(qū)表示該類(lèi)耕地土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)低或者存在一定程度的土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn),生產(chǎn)的百合不可用。對(duì)該類(lèi)耕地建議向土壤中添加黏土礦物(如海泡石)、碳材料(如秸稈炭)和硅鈣材料(如硅酸鈣)等鈍化Cd的活性,從而減少作物中Cd的含量。同時(shí),基于研究區(qū)作物主要為百合、水稻、玉米的情況,對(duì)于該類(lèi)耕地建議改種水稻和玉米Cd低累積的品種,減少土壤中Cd向作物的轉(zhuǎn)移。此外,優(yōu)先改種水稻,主要因?yàn)樗究梢栽谕寥姥退畻l件下種植,而土壤淹水可以有效降低水稻Cd的含量(李劍睿等,2014;王銳等,2022)。另外,定期對(duì)土壤環(huán)境和作物的安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè),若發(fā)現(xiàn)土壤Cd有被活化或作物Cd含量超標(biāo)的現(xiàn)象,及時(shí)采取安全措施,確保作物安全。

筆者等從食用和藥用百合Cd的安全要求及土壤Cd環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)出發(fā),開(kāi)展了Cd污染風(fēng)險(xiǎn)耕地的食用和藥用百合安全種植規(guī)劃。然而,食用和藥用百合安全種植規(guī)劃不應(yīng)只針對(duì)Cd元素,對(duì)于其他重金屬元素,亦有必要根據(jù)相應(yīng)的食用和藥用百合的安全要求及土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展安全種植規(guī)劃。同時(shí),百合需要在具備向陽(yáng)、地勢(shì)高、排灌條件好、土層深厚疏松、土壤肥沃等條件的耕地上種植。因此,在下一步研究工作中,我們將針對(duì)耕地的農(nóng)田灌溉水質(zhì)、土壤肥力、耕層厚度等方面開(kāi)展研究,使得食用和藥用百合安全種植規(guī)劃更具有系統(tǒng)性、科學(xué)性、實(shí)用性。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)土壤Cd超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)篩選值和管制值的比例分別為3.99%和0.00%,存在一定程度的土壤Cd污染風(fēng)險(xiǎn)。不同的質(zhì)量安全標(biāo)準(zhǔn)其百合Cd含量限值不同,但不管依據(jù)何種標(biāo)準(zhǔn),研究區(qū)百合具有一定程度的質(zhì)量安全問(wèn)題。

(2)研究區(qū)Cd的生物有效性受到土壤CaO、S、P、K2O含量和土壤pH的共同影響,與土壤CaO、S、P含量和土壤pH表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤K2O含量表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。

(3)與多元線性回歸模型相比,隨機(jī)森林模型能夠更好的預(yù)測(cè)百合Cd生物富集系數(shù)。

(4)百合種植區(qū)安全區(qū)劃顯示,研究區(qū)食用百合優(yōu)先種植區(qū)、藥用百合優(yōu)先種植區(qū)、藥用百合次級(jí)種植區(qū)、結(jié)構(gòu)調(diào)整種植區(qū)面積占比分別為1.49%、92.71%、2.88%、2.92%,建議大力開(kāi)發(fā)藥用百合農(nóng)產(chǎn)品。