農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標目前已成為我國農(nóng)業(yè)環(huán)保領(lǐng)域的熱點問題，引發(fā)了全社會的高度關(guān)注。但這一問題產(chǎn)生的原因極為復雜，是多個因素共同作用的結(jié)果。因此，分析主要成因、明確關(guān)鍵環(huán)節(jié)、提出相應(yīng)對策對管控農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險具有重要意義。

首先，土壤重金屬含量水平對農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標有著直接的影響，據(jù)估算，我國耕地土壤重金屬超標率約14%，在空間分布上與農(nóng)產(chǎn)品超標頻發(fā)區(qū)高度吻合。其次，農(nóng)產(chǎn)品作為風險受體，對土壤中重金屬的吸收/積累存在顯著的種間和種內(nèi)差異。再次，重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的遷移受到重金屬生物可利用性、土壤理化性質(zhì)等因素的影響。這些因素造成了農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險發(fā)生的不確定性。

本文以鎘為例，通過分析農(nóng)產(chǎn)品與土壤重金屬含量之間的響應(yīng)關(guān)系，探討農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險發(fā)生過程及影響因素，建立受多因子影響的風險發(fā)生關(guān)系樹。以此為基礎(chǔ)，針對風險發(fā)生的不確定性，提出基于概率評估的風險預警模型，構(gòu)建多因子的風險控制集成信息圖，為農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險管控提供新的借鑒和途徑。

1、土壤和稻米的鎘含量及相互關(guān)系

假定不存在大氣、灌溉等其他污染途徑，農(nóng)產(chǎn)品與土壤重金屬含量之間是極為復雜的對應(yīng)關(guān)系。以鎘為例，大量研究結(jié)果表明，不論是盆栽實驗還是野外大田實驗，兩者之間均表現(xiàn)為無顯著的線性關(guān)系。因此，本文采用分類對應(yīng)的方法，定性描述稻米含鎘對土壤含鎘的響應(yīng)關(guān)系。

首先以土壤鎘含量為橫坐標、以稻米中鎘含量為縱坐標，原點為（0，0），構(gòu)建直角坐標系；然后根據(jù)土壤鎘污染標準S [《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 15618—1995）]和農(nóng)產(chǎn)品鎘含量安全標準F[《糧食衛(wèi)生標準》（GB 2715—2005）]，將土壤和稻米鎘含量的成對數(shù)據(jù)分為四個區(qū)域，即通過數(shù)據(jù)分類表征了“單超”、“雙超”現(xiàn)象。如果將坐標軸平移，建立以（S，F(xiàn)）為原點的“土壤鎘含量-稻米鎘含量”新直角坐標系，就形成了Ⅰ~Ⅳ 四個象限（圖1）。

如圖1 和表1 所示，四個象限中土壤與稻米鎘的超標情況不同。從土壤和稻米的雙達標數(shù)量（Ⅲ象限）來看，現(xiàn)有的土壤環(huán)境質(zhì)量標準和糧食衛(wèi)生標準呈現(xiàn)出了趨勢上的一致性。但土壤和稻米中鎘的“單超”和“雙超”現(xiàn)象并存，也反映了以土壤標準預判農(nóng)產(chǎn)品是否達標的不確定性。

對于稻米鎘含量的“單超”結(jié)果（Ⅱ象限），說明土壤總鎘含量即使達標也不能保障稻米鎘含量達標，除非將土壤標準S 左移，即將標準值調(diào)整至低值下限。對于土壤鎘單超結(jié)果（Ⅳ象限），說明在現(xiàn)有土壤鎘標準條件下，鎘的總量超標不意味著稻米鎘含量的必然超標。據(jù)此推而廣之，對于農(nóng)產(chǎn)品鎘含量，除了土壤鎘總含量，還有其他因素起著重要作用。首先，土壤重金屬中易于生物吸收的比例不同。

研究表明，不同性質(zhì)土壤中有效態(tài)比例差別較大，南方酸性水稻土中重金屬有效態(tài)比例達到60%以上，北方農(nóng)田中重金屬有效態(tài)比例僅為30%左右。其次，不同作物品種對重金屬吸收/積累的生理機制不盡相同，導致吸收/積累量差異較大，表現(xiàn)為低、中、高三種程度。

以農(nóng)作物對鎘的吸收/積累量來區(qū)分，整體而言，豆科表現(xiàn)為低吸收/積累，禾本科表現(xiàn)為中吸收/積累，十字花科、茄科、菊科等農(nóng)作物表現(xiàn)為高吸收/積累。同樣，不同的水稻品種，鎘吸收特性的差異也很顯著。因此，如何詳細描述土壤-作物體系中農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標的發(fā)生過程，對農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險控制至關(guān)重要。

2、風險發(fā)生過程與影響因素

農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險的發(fā)生是一個系統(tǒng)過程，由風險源、暴露途徑及風險受體等多個環(huán)節(jié)共同組成。如果排除大氣和灌溉水污染，風險源可簡化為土壤污染；風險受體為當?shù)刂饕r(nóng)產(chǎn)品，如水稻等糧食作物、白菜等蔬菜品種、苧麻等經(jīng)濟作物；暴露途徑主要為土壤吸收。風險過程包括風險因子的逐級暴露，風險發(fā)生是多因一果的綜合作用結(jié)果。污染物總量和有效態(tài)含量與受體之間的響應(yīng)關(guān)系，可作為風險控制的重要依據(jù)。

針對土壤導致的農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標問題，根據(jù)土壤中重金屬總量、有效態(tài)含量與農(nóng)產(chǎn)品含量的關(guān)系，依據(jù)風險源（可分為潛在源與暴露源）、控制因子（可分為初級控制與次級控制）、風險受體，其發(fā)生過程如圖2 所示，可以描述為：

（1）潛在源：土壤中重金屬總量，也可稱為潛在風險因子?？偭咳Q于土壤重金屬的本底值及收支平衡，如灌溉、農(nóng)用化學品投入、大氣沉降、徑流遷入遷出等。

（2）初級控制因子：影響重金屬離子形態(tài)的因子，如土壤酸堿度、氧化還原電位、粘土礦物組成、鹽基飽和度、陽離子代換量及有機質(zhì)等。

（3）暴露源：土壤中重金屬有效態(tài)含量，是直接暴露的風險因子。

（4）次級控制因子：取決于受體吸收重金屬的能力。不同農(nóng)產(chǎn)品對重金屬的吸收能力不同，導致風險的發(fā)生程度也不同[13]。

（5）受體及受損結(jié)果：取決于農(nóng)產(chǎn)品對重金屬的吸收能力，如對鎘的吸收能力表現(xiàn)為水稻>玉米>白菜>茄子>油菜>苧麻。

根據(jù)分析風險發(fā)生過程中各個因素的邏輯層次，可構(gòu)建風險發(fā)生關(guān)系樹（圖3），并明確控制因素和管理條件。風險發(fā)生關(guān)系樹總體上可視為兩大分支，一是農(nóng)作物可吸收重金屬的來源與含量，二是農(nóng)作物對重金屬的吸收系數(shù)。不同邏輯等級的根是風險防控因素，包括重金屬總量、土壤pH、Eh、土壤對重金屬的吸附性、外源重金屬投入量、種植品種、耕作措施、葉面轉(zhuǎn)運調(diào)控和灌溉等。根通過邏輯關(guān)系向上匯合成不同邏輯等級的節(jié)點，最終形成對農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量是否超標的判斷。通過對根的調(diào)控，可以改變農(nóng)產(chǎn)品安全水平，對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全具有重要的技術(shù)指導意義（表2）。

目前在湖南地區(qū)取得一定成效的“VIP”（種植品種：Variety，灌溉淹水：Irrigation，土壤酸堿度：pH）風險防控技術(shù)，就是控制⑥⑨②三個關(guān)鍵因子；如果進行更多的因子控制，就是擴展型的“VIP+n”。而在北方歷史遺留污灌區(qū)的風險管控中，通過長期實踐，形成了一套“PDF”（深翻：Plow，鈍化：Deactivation，培肥：Fertilization）風險防控技術(shù)，并輔以品種篩選及配套農(nóng)藝措施，即調(diào)控①④⑥⑦，也取得了預期效果。

總之，要根據(jù)自然環(huán)境和耕作傳統(tǒng)，因地制宜，針對主要風險因子，制定差異性風險控制方案，最后形成更為有效的風險管控技術(shù)體系。

3、風險預測方法與模型

目前，農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險評估主要采用回歸分析法。具體是將土壤重金屬含量、酸堿度和粘粒比例等參數(shù)作為自變量，農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量作為因變量，建立一元或多元回歸模型。再依據(jù)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標準與/或閾值判斷模型計算農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量是否超標。但由于土壤和農(nóng)產(chǎn)品之間重金屬含量為非線性響應(yīng)關(guān)系，模型預警結(jié)果與實際存在較大偏差。從而導致該方法的準確性、重復性和普適性不甚理想。

針對上述因-果定量響應(yīng)關(guān)系尚不明確的問題，采用概率評估可能更為合適。貝葉斯分類統(tǒng)計方法具有綜合先驗數(shù)據(jù)和樣本信息的能力，是解決多因素非線性響應(yīng)關(guān)系的有效手段，已在環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛研究。因此，本研究提出了一個基于貝葉斯方法的評估預警模型。

貝葉斯分類統(tǒng)計方法是根據(jù)條件進行數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計，并以此得到先驗概率，從而估算特定條件下的后驗概率（圖4）。貝葉斯原理公式如下：

其中，P（Bi ）是先驗概率，P（A|Bi ）是條件概率，P（Bi|A）是后驗概率。

由于土壤中重金屬含量多為偏態(tài)分布，為建模和計算需要，需將原數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為滿足正態(tài)分布的對數(shù)數(shù)據(jù)。再根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量是否超標，將土壤分為對應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)，帶入上述貝葉斯原理公式，得到貝葉斯風險概率評估模型：

其中：P 是農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標的風險概率；n1/n、n2/n是先驗概率條件下農(nóng)產(chǎn)品超標與不超標的比例；μ1、δ1是農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標條件下土壤中重金屬含量的均值與標準差；μ2、δ2 是農(nóng)產(chǎn)品重金屬不超標條件下土壤中重金屬含量的均值與標準差。

從風險評估模型（圖5）可以看出，農(nóng)產(chǎn)品（稻米）風險概率P 值隨土壤重金屬（鎘）含量增加而增大，且兩者之間是非線性響應(yīng)關(guān)系。在不同土壤Cd 含量區(qū)間，稻米Cd 含量超標風險概率的增速差異顯著。

在本文的研究區(qū)域中，農(nóng)產(chǎn)品鎘超標無明顯的大氣和水污染源，可以判定土壤鎘含量是該地區(qū)稻米鎘超標的主要貢獻源。土壤鎘含量的敏感區(qū)在0.5~1.5 mg·kg-1之間，農(nóng)產(chǎn)品超標的風險概率隨著土壤中鎘含量的升高而增加。通過對該模型預測結(jié)果的收斂性的分析（圖6），當樣本量超過120 個，模型結(jié)果的變異系數(shù)≤5%，可認為模型計算值收斂，評估預測結(jié)果穩(wěn)定可靠。

可見，該風險評估方法不僅可以用于重復性預測，還可用于相似條件下的預警。

4、風險控制措施與適宜性評估

從以上分析可以看出，土壤重金屬含量在一定范圍內(nèi)對農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險發(fā)生有直接影響，但農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險發(fā)生過程的復雜性，導致“單超”與“雙超”等不規(guī)律現(xiàn)象時常出現(xiàn)，因而需要構(gòu)建一個可以同時表征多個指標的綜合信息圖，以及土壤修復-農(nóng)產(chǎn)品超標風險的管控關(guān)系圖，并以疊加的形式集成表達出來。

為此，本文在充分利用土壤重金屬總量、有效態(tài)與農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量關(guān)系基礎(chǔ)上，建立表征土壤中重金屬含量的直角坐標系，以及表征重金屬污染土壤修復試驗效果并進行預判的廣義仿射坐標系，然后疊加兩個坐標系。即通過坐標轉(zhuǎn)換，將多個信息關(guān)聯(lián)起來，以“一點三值”的方式定量表征重金屬超標土壤的總含量、有效態(tài)含量及修復后的有效態(tài)削減效果，同時對農(nóng)產(chǎn)品風險防控措施進行適宜性評估。

雙坐標系（直接坐標系與廣義仿射坐標系）的轉(zhuǎn)換方式如下：

直角坐標系向廣義仿射坐標系轉(zhuǎn)換：

廣義仿射坐標系向直角坐標系轉(zhuǎn)換：

其中，x 為土壤重金屬總量，mg·kg-1；y 為土壤重金屬有效態(tài)含量，mg·kg-1；x′為土壤重金屬有效態(tài)的含量系數(shù)；y′為土壤重金屬有效態(tài)的削減系數(shù)；c 為根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標情況確定的土壤有效態(tài)安全閾值；a、b 為系數(shù)，即在x∈[c，+∞]且y∈[0，c]的范圍內(nèi)，建立的x 與y 線性擬合函數(shù)（y=ax+b）的系數(shù)，也就是通過采用污染土壤修復或風險防控的預評估試驗，構(gòu)建有效態(tài)最小可控濃度函數(shù)（圖7）。

根據(jù)上述方法，在湖南省選擇鎘污染農(nóng)用地及水稻作為研究對象。該區(qū)域內(nèi)無顯著不良影響的水和大氣污染源，可判斷土壤鎘含量是稻米鎘超標的主因。通過直角-廣義仿射雙坐標系的建立與轉(zhuǎn)換，對研究區(qū)域內(nèi)土壤鎘污染現(xiàn)狀和修復適宜性進行綜合分析。首先，根據(jù)土壤鎘總量、有效態(tài)含量與稻米鎘含量的特征及相互關(guān)系，構(gòu)建污染現(xiàn)狀與修復適宜性集成圖（圖8），其中雙坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

直角坐標系向廣義仿射坐標系轉(zhuǎn)換：

廣義仿射坐標系向直角坐標系轉(zhuǎn)換：

雙坐標系建立后，通過轉(zhuǎn)換公式（5）和（6），可以將污灌區(qū)土壤中鎘的實測值，轉(zhuǎn)換為表征修復適宜性的屬性值。以樣品A 為例（圖8），（1）在直角坐標系中，樣品A 的坐標為（0.479，0.288），即樣品A 中鎘的總量濃度為0.479 mg·kg-1，鎘的有效態(tài)濃度為0.288mg·kg-1；（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換模型（公式6），樣品A 的廣義仿射坐標為（0.60，1/2），即樣品A 中鎘有效態(tài)濃度占總量濃度的60%；（3）因此，修復到可以保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全時，土壤中鎘有效態(tài)的削減系數(shù)為1/2，即有效態(tài)濃度需削減50%。

在所選取的預評估試驗案例中，針對研究區(qū)南方水稻土pH 值偏低，及土壤中鎘有效態(tài)濃度較高的特點，風險控制與修復技術(shù)以控制有效態(tài)含量為主（采用以石灰為主的鈍化劑調(diào)節(jié)土壤酸堿度），輔以低吸收水稻品種的優(yōu)選，結(jié)合階段性淹水等農(nóng)藝措施，從多個角度降低稻米的鎘吸收量，建立了修復后鎘總量與有效態(tài)含量的關(guān)系函數(shù)，y=0.12x+0.015。

從技術(shù)可行性與修復難度來看，通過對該研究區(qū)域土壤安全利用的實驗結(jié)果可得，當有效態(tài)削減系數(shù)超過2/3 時（視具體情況而定），該土壤修復難度較大，需要將土壤中有效態(tài)鎘轉(zhuǎn)換為更為穩(wěn)定的形態(tài)，或阻止農(nóng)作物對土壤中重金屬的吸收，其修復成本與修復穩(wěn)定性都難以達到大面積推廣的實用需求。由此可見，通過該方法，可以量化關(guān)聯(lián)土壤重金屬污染現(xiàn)狀與修復的適宜性，進而預判污染土壤修復和風險控制的可達性和必要性。

從圖8 可以看出，對于某些農(nóng)產(chǎn)品超標的地塊，按照試驗結(jié)果采取修復和管控措施，有望取得理想效果；但有些地塊，常規(guī)修復技術(shù)已經(jīng)難以達到安全目標，應(yīng)配合更為嚴格的管控措施；個別地塊，修復和管控難度極大，已經(jīng)不宜農(nóng)用，應(yīng)劃為糧蔬禁產(chǎn)區(qū)。對此如何界定，目前尚無統(tǒng)一要求，但我國即將實施的《土壤污染風險管控標準》，會為不同類型的農(nóng)用地提供可參考的土壤污染風險篩選值和管制值。

總之，農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標取決于多個因素和多種條件，應(yīng)在明確發(fā)生過程下進行主因控制。雖然目前尚無法建立確切的函數(shù)關(guān)系，但基于先驗統(tǒng)計分析，可以進行比較可靠的風險預警，并通過預評估實驗，判斷各種修復或防控措施的適宜性，確定最佳策略，如適宜管控和適宜禁產(chǎn)。

5、結(jié)論

本文針對我國農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標的熱點問題，從土壤重金屬含量與農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標的復雜響應(yīng)關(guān)系入手，針對農(nóng)產(chǎn)品受體，提出了潛在源和暴露源兩級風險源、初級和次級兩級控制因子的概念，將不同級別的風險源與影響因子，按照邏輯層次關(guān)系構(gòu)建了風險發(fā)生樹，刻畫了農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險的發(fā)生過程。針對多因素共同影響的風險發(fā)生不確定性，基于可綜合先驗數(shù)據(jù)與樣本信息的貝葉斯原理，建立了農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險概率評估預警模型。在此基礎(chǔ)上，通過疊加直角-廣義仿射坐標系，構(gòu)建了可表征土壤重金屬狀況與修復適宜性的綜合評估圖。基于以上成果，可確定農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標風險控制策略。

作者單位：郭書海1， 2，吳波1， 2，張玲妍1， 2，陳能場3  ：1.中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所  2.污染土壤生物－物化協(xié)同修復技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室  3.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所

中國鄉(xiāng)村發(fā)現(xiàn)網(wǎng)轉(zhuǎn)自:《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報》2018 年01 期

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