前言

正我国部分地区农田土壤重金属污染现状较为严重,导致农产品重金属含量超标,危害人体健康。与此同时,我国人多地少,为了确保粮食安全,仍需安全利用中轻度污染农田,并生产出安全的农产品。2016年,国务院颁发了《土壤污染防治行动计划》,要求到2020和2030年,受污染耕地安全利用率分别达到90%左右和95%以上。因此,中轻度污染农田土壤重金属的修复与阻控成为近年来农业环境科学研究的热点。     

磷化工区农田土壤重金属的空间变化与源解析

为查明磷化工区周边农田土壤污染物的空间分布特征、生态风险及来源构成，以磷化工区下风向农田区为对象，采样测定土壤的重金属污染物（V、Zn、Cr、Ni、Cu、Mo、Cd、Pb、Mn）含量，分析主要污染物的赋存形态，采用污染指数和潜在生态风险指数评价污染级别，运用正定矩阵因子分解法（PMF）解析污染物来源。结果表明：农田土壤中的主要重金属污染物为Cd和Zn，部分地区土壤Zn超标，该农田土壤属于轻度污染。Cd的超标最为严重，且距离磷化工区越近，超标倍数越高；随距离增大，交换态Cd含量急剧下降，而残渣态Cd含量总体上升；与磷化工区距离≤500 m范围内采样点土壤的Cd污染级别及生态风险相对较高；对于污染程度最高的Cd，工业污染源的外源转入贡献率为56.2%，大气沉降和尾气排放源的外源转入贡献率为43.8%。研究区土壤Cd污染与磷化工区密切相关，因此需加强工业污染源治理和环境综合整治，以确保农业生产安全。     

稻米砷污染控制技术研究进展

我国土壤砷污染较为严重,全国砷含量超标的稻米占1%左右。由于我国60%以上的居民以稻米为主食,导致居民稻米砷的暴露较为严重,因此降低稻米中砷含量是亟待解决问题。简述了我国稻米砷污染状况及其对人体的危害,分析土壤中砷向水稻转运的途径,重点介绍通过降低土壤砷生物有效性、抑制水稻根系对砷的吸收、叶面肥阻隔控制以及农业措施降低稻米砷含量的控制效果,并展望了下一步稻米砷污染控制技术的研究方向。     

土壤和茎基部镉含量对稻米镉污染风险的影响

为了探讨影响稻米镉(Cd)污染风险的关键因素,通过分析土壤总Cd和有效态Cd含量在不同海拔高度和季节间的变化,对降低稻米Cd超标风险的科学分类方法进行了比较研究。结果表明,海拔高度、水稻生长季节和深层土壤Cd含量等因素对耕层土壤Cd污染程度均有显著影响,低海拔地区的土壤Cd含量显著高于高海拔地区。深层土壤(40~60 cm)的Cd含量比较稳定(0.11~0.60 mg·kg^-1),耕层土壤(0~20 cm)Cd含量波动很大(0.22~1.78 mg·kg^-1)。耕层土壤Cd总量和有效态Cd含量高度线性相关,但对低Cd稻米(Cd≤0.2 mg·kg^-1)的分布频率没有显著影响。随着土壤Cd含量的增加,中Cd稻米(0.2 mg·kg^-10.8 mg·kg^-1)的发生率显著增加,导致稻米的超标风险急剧增加。在海拔高度为26~90m的平原和岗地,稻米Cd含量和产地的海拔高度显著负相关,低海拔地区有效态Cd含量明显高于相邻的高海拔地区。根系和茎基部的Cd含量与稻米的Cd含量显著正相关,当茎基部Cd含量<4.0 mg·kg^-1时,稻米Cd超过0.4 mg·kg^-1的样点数为8.8%,全部样点的稻米Cd平均值为0.20 mg·kg^-1。当茎基Cd含量>9.0 mg·kg^-1时,稻米Cd含量几乎都在0.8 mg·kg^-1以上。由此可见,以容易受农事活动和生态因素影响的耕层土壤Cd含量为依据对水稻产区进行分类,不能有效控制稻米Cd含量超过0.2 mg·kg^-1的风险;以茎基Cd含量为依据进行稻田分类,可以有效降低稻米Cd超标的风险。     

基于土壤-稻米镉传输模型的太湖流域水稻禁产区筛选研究

为了保障太湖流域稻米安全,采用建立土壤-稻米镉传输模型及基于模型输出结果的地质统计学方法筛选稻米禁产区.监测数据的统计结果表明,本区域稻田土壤Cd超过土壤环境质量标准(0.3 mg·kg-1)的比率为4.85％,2005年的监测结果与60年代背景值相比土壤Cd平均含量增加了50％.采用逐步回归分析分别建立了晚稻及高、低吸收型早稻土壤-稻米Cd传输模型.结果表明,除水稻自身内因影响其对土壤Cd的吸收外,在大田条件下土壤Cd含量、Zn含量、土壤pH值、土壤质地(土壤粘粒含量、土壤砂粒含量)等是影响水稻吸收Cd的主要环境因子.以土壤-稻米Cd传输模型输出结果为数据源,采用地质统计学中的序贯高斯条件模拟值法计算研究区不同类型稻米禁产区,结果表明研究区有0.05％的区域种植晚稻存在超标情况,1.47％的区域种植高吸收型早稻存在超标情况,所有的稻田如种植低吸收型早稻都不会导致稻米Cd超标,这一结果与采用《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)二级值筛选的3.3％的超标区有较大的差别性,说明仅以《土壤环境质量标准》(GB 15618-1995)为依据筛选稻米禁产区有其应用限制性.     

镉污染农田土壤安全利用策略及其思考

我国农田土壤镉(Cd)污染形势日益严峻,已对粮食安全及人体健康构成威胁。该文分析了我国农田土壤Cd污染的来源、污染现状及主要危害,从Cd低积累作物品种筛选、原位钝化技术、农艺措施调控及综合防控-安全利用模式等角度总结了Cd污染农田土壤安全利用的相关技术应用现状。在此基础上,提出了在Cd污染农田土壤安全利用过程中尚存在区域差异显著、源头管控不足、过程拦截不到位、末端治理技术的局限性及修复治理评价机制缺失等问题,认为今后应当从建立分区分类污染防治体系,重视污染源解析与源头管控,规范农业生产过程管理、技术完善、集成与应用及建立健全的防治效果评估机制等方面推进Cd污染农田土壤安全利用工作。     

地质高背景农田土壤中水稻对重金属的富集特征及风险预测

为了解地质高背景农田重金属的行为特征,对两个不同地区(浙江北部丘陵地区和广西中部岩溶地区)土壤和水稻子实中As、Cd、Pb、Ni、Cu和Zn的含量进行了分析,研究重金属的迁移富集差异及其主要影响因素,并以土壤理化参数和有效态重金属(EDTA提取态)为变量,建立两个研究地区水稻子实中重金属含量的最优经验预测方程。结果表明,在浙江研究区土壤中Cd和As超标明显,广西研究区土壤Pb、As和Cd超标严重;但从水稻子实重金属含量结果来看,只有Cd在浙江研究区超标。两个研究区重金属元素在水稻中的生物富集因子均较低,明显低于人为污染的农田;相关性分析和回归预测表明,土壤有效态重金属、pH、有机质和CaO是影响水稻子实重金属含量的主要因子。     

贵州典型铅锌矿区水稻土壤和水稻中重金属含量及健康风险评价

为了解贵州DX和DW铅锌矿区水稻土壤和水稻中重金属的含量及健康风险,分别测定了水稻土壤和水稻植株各个部分Cr、Pb、Cd、Cu、Zn、Ni、Hg和As的重金属的含量。同时,通过Nemero综合污染指数评价了矿区水稻土壤的污染状况,并根据稻米的高危商（HQ）评价了两矿区稻米对人体造成的重金属健康风险。结果表明：矿区水稻土壤重金属污染严重,其中Pb、Cd、Zn、Ni、Hg、As污染尤为突出,以Cd污染最为严重,分别超标34.22倍和84.92倍。根据Nemero指数分析可知,DX和DW矿区均表现为重度复合污染     

改良-农艺综合措施对水稻吸收积累镉的影响

通过田间原位小区试验,以湖南冶炼区周边典型单一Cd污染稻田为研究对象,选取晚稻中优978为供试品种,在水稻孕穗末期施加石灰,同时采取后期持续淹水的综合调控措施,分析水稻5个关键生育期内各器官中Cd含量,探索改良-农艺综合措施对水稻吸收积累Cd的影响。结果表明,与采用传统农艺管理措施的对照区水稻相比,改良-农艺综合措施管理下的晚稻增产33.24%,糙米中Cd含量降低39.32%。采用该措施有可能使得土壤中Cd元素最终更易富集在水稻的根、茎、叶等不可食用部分,从而在一定程度上降低了水稻穗部的Cd累积量;孕穗末期施加石灰结合后期持续淹水的措施可有效阻控Cd向稻米中迁移,降低稻米中Cd的含量。该措施是一种经济、有效的稻米Cd污染控制技术,具有良好的推广应用前景,为镉污染农田的稻米安全生产提供有效的科学支持和理论依据。     

湛江水稻生产环境及其稻米中Cd的安全性评价

为研究湛江稻米生产环境及其稻米中Cd的安全性,抽样测定了湛江4个水稻主产区的大田土壤、灌溉水、植株器官和稻米中重金属镉(Cd)的含量.结果表明:早稻与晚稻均表现为,Cd在根中的积累量显著地高于茎、叶和稻米.同时,Cd在稻米中的积累量显著地低于茎、叶,Cd在茎、叶中的含量水平相当,水稻植株器官对Cd的富集水平基本为根＞叶＞茎＞稻米,根系是吸收和积累Cd的主要植株器官;湛江市4个水稻主产区生产的稻米中Cd的含量范围为0.034～0.047 mg· kg-1,符合国家粮食卫生控制标准值(GB 2715-2005),尚不存在Cd暴露的风险.水稻种植区的土壤中Cd含量为0.155～0.180 mg·kg-1,达到国家土壤环境质量一级标准(GB 15618-1995),仍属于自然背景值范围;灌溉水的重金属Cd含量的范围为0.001 9～0.004 9 mg·L-1,均达到国家农田灌溉水标准(GB 5084-2005)的要求.因此,湛江市水稻生产的土壤和灌溉水环境是安全的,生产的稻米Cd的安全性高,不会危害消费人群的身体健康.     

南方典型稻区稻米镉累积量的预测模型研究

为了更好地指导镉污染稻田土壤修复、管控稻米镉风险,本文以我国镉污染风险较大的南方稻田为研究对象,基于土壤与稻米配对样品,分析稻米镉含量与土壤理化因子的相关关系,并通过逐步回归分析,建立稻米镉累积量的预测模型。结果表明,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、有效铁及有机质可较好预测稻米镉积累量,模型的预测能力达到极显著水平(P0.001),决定系数(R2)为0.52;针对常规稻和杂交稻,以上述4个土壤因子分别建立的模型也可实现较好预测(P0.001),R2分别为0.47和0.67。     

土壤有效态镉与稻米镉污染风险广东案例研究

为了科学评估土壤镉(Cd)污染造成的稻米Cd超标风险,以广东省韶关市(酸性土壤)和汕头市(中性土壤)Cd污染稻田为研究对象,对土壤与稻米配对样品进行回归分析,比较了两种提取剂(CaCl₂和DTPA)对土壤Cd的提取能力以及对稻米Cd含量的反映能力,以探讨适用于不同pH土壤的有效态Cd提取方法,建立最佳稻米Cd累积预测模型,并推导出土壤有效态Cd的风险阈值。结果表明:CaCl₂提取剂对Cd的提取能力小于DTPA;两种提取剂对酸性土壤Cd的提取能力显著高于近中性土壤。与土壤全Cd相比,有效态Cd含量可更好地预测稻米Cd含量。CaCl₂提取剂适用于全部试验区的酸性、中性土壤;DTPA适用于汕头市中性土壤,但不适用于韶关市酸性土壤。利用CaCl₂-Cd进行线性方程拟合,得到了最佳的稻米Cd预测模型。韶关市的早稻、晚稻预测模型各包含20个水稻品种,其土壤CaCl₂-Cd阈值分别约为0.10 mg·kg^-1和0.05 mg·kg^-1。研究表明,基于CaCl₂-Cd的稻米Cd预测方法和阈值可指导广东省Cd污染稻田安全利用,并对其他酸性土Cd污染区具有参考意义。     

黄河湿地小白河片区优势植物重金属的富集特征

通过对采集的植物和对应土壤的监测分析,研究了包头黄河湿地小白河片区优势植物和土壤对重金属的富集作用。以优势植物虉草(Phalaris arundinacea)、香蒲(Typha orientalis)、芦苇(Phragmites australis)为研究对象,通过对植物和土壤的野外采样分析,检测了黄河湿地小白河片区湿地植物及相应土壤中As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn等重金属元素含量,对土壤重金属污染程度进行了单因子分析及综合分析,同时分析了3种优势植物对重金属的吸收与富集特征。研究结果表明:三种植被区土壤均受到中度污染,其中As、Cd、Zn污染最为严重。该湿地优势植物富集特征显示:香蒲地上部和地下部对Ni的富集系数均大于1,对土壤中Ni污染具有修复作用;香蒲和芦苇对重金属As、Cd、Zn的转运系数相对较高,耐性较好;三种优势植物对As、Cd、Zn等污染程度高的重金属的富集系数和转运系数均小于1,对土壤中As、Cd、Zn污染没达到修复效果;不同植物体内重金属间的相互作用关系不同,其作用结果会对植物重金属的富集产生一定的影响。     

Strategies to manage the risk of heavy metal(loid) contamination in agricultural soils

Soil contamination with heavy metal(loid)s threatens soil ecological functions, water quality and food safety; the latter is the focus of this review. Cadmium (Cd) and arsenic (As) are the toxic elements of most concern for food safety because they are relatively easily taken up by food crops. Rice is a major contributor of both Cd and As intakes to the Chinese population. Contamination and soil acidification are the main causes of high Cd levels in rice grains produced in some areas of southern China. The risk of Cd and As accumulation in food crops can be mitigated through agronomic practices and crop breeding. Liming is effective and economical at reducing Cd uptake by rice in acid soils. Paddy water management can produce opposite effects on Cd and As accumulation. Many genes controlling Cd and As uptake and translocation have been characterized, paving the way to breeding low accumulating crop cultivars through marker-assisted molecular breeding or genetic engineering. It is important to protect agricultural soils from future contamination. Long-term monitoring of anthropogenic additions and accumulation of heavy metal(loid)s in agricultural soils should be undertaken. Mass-balance models should be constructed to evaluate future trends of metal(loid)s in agricultural soils at a regional scale.     

我国稻田土壤镉污染现状及安全生产新措施

水稻是我国重要的粮食作物,由于受重金属污染威胁日益增大,其安全生产问题备受关注。通过综述我国稻田土壤及稻米镉污染现状、镉污染土壤改良剂研究进展以及稻米对镉富集的品种间差异,认为在土壤中镉的去除修复技术无法在短时间内实现的前提下,镉排异型水稻品种的筛选与利用是实现其安全生产的一个新的有效措施。在此基础上,配合一些污染土壤改良剂的使用,会进一步增强其安全生产水平。     

湘潭某工业园周边稻田土壤及稻米镉污染的风险评价

采用单因子指数法和潜在生态危害指数法评价了湖南湘潭市某工业园区周边稻田土壤的污染现状及其潜在风险,并对成年人食用当地稻米的健康风险进行了评价.结果表明,该工业园区周边稻田土壤镉(Cd)含量的变幅为1.27～4.22 mg/kg,属重度镉污染;土壤潜在生态危害系数(Ei)均大于320,受到极强生态危害;园区边生产的稻米Cd污染风险商值(HQ)为1.61～7.44,对人体健康产生影响的可能性很大,明显存在Cd的潜在健康危害.     

土壤筛选值在镉污染稻米产地环境评价与分类适用性探讨

为科学地进行农用地土壤环境质量评价及环境质量类别划分,以稻田镉(Cd)污染为例,以全国典型稻米产区土壤与稻米Cd含量对应样点数据为基础,以土壤Cd与稻米Cd非对应性超限值情况即误判率为判定参数,分析土壤污染风险筛选值对稻米产地环境质量评价及类别划分的适用性。结果表明,在湖南长株潭、广东北部等区域采用筛选值评价产地环境质量存在较多误判情况。在高误判区,采用实地采样多参数分析混合线性建模的方式筛选影响稻米富集Cd的关键因子,结果表明,除土壤Cd全量及pH等因子外,土壤钙(Ca)也对稻米富集Cd有重要影响。因此在产地环境安全评价及类别划分时,对于以筛选值为依据误判率较高的区域,应加入其他土壤关键因子进一步研究,以避免误判。     

基于机器学习识别中微量元素与我国七大片区产地稻米镉、砷的富集规律

本研究在全国大尺度空间范围内,基于机器学习识别稻米镉（Cd）、砷（As）富集的重要影响因素,探究了中微量元素对稻米Cd、As超标的贡献率并构造了生物有效性模型。首先,通过决策树算法构造中微量元素判别Cd、As超标的预测模型,其预测精度分别为95.55%、97.55%,表明中微量元素是识别稻米Cd、As超标的重要指标;其次,利用随机森林算法筛选影响稻米Cd、As富集的主控因子,不同区域的主控因子表现出明显差异,其单一因子主要驱动的Cd富集在不同区域的差异表现为：华东片区pH的贡献占主导、华南片区的交换性钙（Ca）和东北片区的土壤有机质（SOM）分别占主要贡献,而有效铁（Fe）对As富集表现出特异性的区域贡献（如华东、华南和西南片区）;最后,将各区域确定的主控因子引入构建土壤-稻米生物有效性模型,其中,Cd、As的生物有效性九因子模型在不同片区的决定系数最高,分别为0.680、0.664 （P<0.05）。本研究为大尺度地域水平上稻米Cd、As重金属污染防控和环境管理提供了科学依据和决策支撑。     

植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用

随着我国农田土壤重金属污染问题日益严重,导致农产品重金属超标时常发生。如何阻控重金属在作物可食部位的积累,保证农产品安全和重金属中、低污染农田的安全利用,已成为我国农业生产急需解决的问题。培育重金属低积累作物品种,实现作物可食部位重金属含量达标,是解决重金属中低污染农田安全利用的经济而有效的手段之一。培育作物重金属低积累品种需要克隆控制重金属积累的相关基因,并阐明其分子遗传机理。以Os NRAMP5、Os HMA3和CAL1三个控制水稻镉吸收、转运和分配的基因为实例,介绍植物分子遗传学在挖掘作物重金属积累相关基因中的作用,包括基于正向遗传学和反向遗传学的方法,克隆控制镉在作物中积累的基因,并阐述这些功能基因控制重金属积累的分子遗传机理,同时展望这些基因在培育重金属低积累品种中的应用前景。     

土壤重金属Cd作物效应的区域分异研究

[目的]探索土壤重金属Cd对水稻效应的区域分异。[方法]以我国辽宁(棕壤)、江苏(黄泥土)、天津(潮土)、湖北(红壤)和广西(石灰土)5区典型土壤类型为研究对象,以杂交水稻180为供试品种,采用盆栽试验,对土壤中重金属Cd对水稻生长和稻米重金属Cd含量影响的区域分异进行了研究。[结果]水稻株高、产量受土壤Cd污染的影响具有明显的南北区域分异,5区中北方的辽宁、天津地区在土壤Cd浓度较高时水稻长势依然较好,而南方的广西、湖北等地区在较低土壤Cd浓度水平下,对水稻生长产生明显的抑制。虽然土壤类型对水稻Cd含量吸收的影响较为显著,但南北方区域分异并不明显。[结论]土壤重金属Cd对作物效应因土壤类型不同表现出明显的区域分异特征。