土壤环境基准的科学问题与研究方法:以Cd为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.3.15

摘要/Abstract

摘要：

土壤环境基准是土壤环境质量标准制定的科学依据和基础。环境基准是土壤环境保护研究的前沿领域,涉及土壤环境化学、环境毒理学、生物学和风险评估等多学科交叉与基础性科学问题,了解和解决其所涉及的这些科学问题,是土壤环境基准研究的前提。本文针对土壤环境基准研究中影响重金属毒性阈值的非生物因子、生物因子、剂量-效应关系测定中等几个关键科学问题进行了阐述,包括土壤老化因子与淋洗因子的矫正,低剂量刺激效应拟合及毒性数据归一化方法等,最后以农田土壤Cd为例,推导出不同性质土壤中Cd环境基准(HC₅)及其与土壤性质的连续性分布曲线方程(LogHC₅=0.132pH+0.083OC+0.008CEC-1.448),以期为农田土壤环境指标基准的研究提供参考与借鉴。

关键词: 土壤环境质量, 土壤环境基准, 土壤污染, 重金属, 毒性阈值

Abstract:

Soil environmental benchmarks serve as the scientific cornerstone for establishing soil environmental quality standards. This cutting-edge field in soil environmental protection research encompasses interdisciplinary and foundational scientific issues such as soil environmental chemistry, environmental toxicology, biology, and risk assessment. Understanding and addressing these complex scientific challenges represent the forefront of soil environmental benchmark research. This article delves into several crucial scientific considerations that influence the toxicity thresholds of heavy metals in soil environmental benchmark research. These factors include non-biological elements, biological components, and the determination of dose-response relationships, encompassing the adjustment for soil aging and leaching factors, the modeling of low-dose stimulation effects, and methods for normalizing toxicity data. Furthermore, using Cd contamination in agricultural soil as a case study, this research establishes the Cd environmental benchmark (HC₅) for soils with varying properties. Equations based on cumulative distribution curves relating HC₅ values to soil properties are developed (e.g., LogHC₅=0.132pH+0.083OC+0.008CEC-1.448). The findings of this study are anticipated to offer valuable insights for the exploration of agricultural soil environmental indicators.

Key words: Soil environmental quality, Soil environmental benchmarks, Soil pollution, Heavy metals, Toxicity threshold

中图分类号:

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图/表 7

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地点	土壤类型	pH值(1∶5H₂O)	阳离子交换量CEC/(cmol(+)·kg^-1)	有机质(OM)含量/%	黏粒含量(<0.002 mm)/%
海口	砖红壤	4.93	8.75	1.51	66.1
祁阳	红壤	5.31	7.47	0.87	46.1
海伦	黑土	6.56	33.60	3.03	40.4
嘉兴	水稻土	6.70	19.30	1.42	41.2
重庆	紫色土	7.12	22.30	0.99	27.3
灵山	棕壤	7.48	22.70	4.28	19.9
呼兰浩特	黑钙土	7.66	22.70	2.66	37.1
公主岭	黑土	7.82	28.80	2.17	44.6
石家庄	褐土	8.19	11.70	1.00	21.4
杨凌	垆土	8.56	8.46	0.62	27.5
郑州	潮土	8.66	8.51	1.57	16.3
德州	潮土	8.73	8.33	0.69	17.6

地点	土壤类型	pH值(1∶5H₂O)	阳离子交换量CEC/(cmol(+)·kg^-1)	有机质(OM)含量/%	黏粒含量(<0.002 mm)/%
海口	砖红壤	4.93	8.75	1.51	66.1
祁阳	红壤	5.31	7.47	0.87	46.1
海伦	黑土	6.56	33.60	3.03	40.4
嘉兴	水稻土	6.70	19.30	1.42	41.2
重庆	紫色土	7.12	22.30	0.99	27.3
灵山	棕壤	7.48	22.70	4.28	19.9
呼兰浩特	黑钙土	7.66	22.70	2.66	37.1
公主岭	黑土	7.82	28.80	2.17	44.6
石家庄	褐土	8.19	11.70	1.00	21.4
杨凌	垆土	8.56	8.46	0.62	27.5
郑州	潮土	8.66	8.51	1.57	16.3
德州	潮土	8.73	8.33	0.69	17.6

评价指标	毒性阈值/(mg·kg^-1)			数据来源
评价指标	红壤STV或EC₁₀	紫色土STV或EC₁₀	潮土STV或EC₁₀	数据来源
水稻甬优12 (BCF)	0.267	0.347	0.590	白荣辉^[19]
水稻绍糯9714 (BCF)	0.239	0.175	0.330	谷建诚等^[20]
水稻秀水09 (BCF)	0.447	0.583	0.780	自测数据
水稻宁梗1 (BCF)	0.319	0.335	0.550	自测数据
水稻秀优5 (BCF)	0.241	0.367	0.770	自测数据
水稻沈稻12 (BCF)	0.369	0.485	1.03	刘侯俊等^[21]
玉米秋乐618 (BCF)	0.551	0.756	1.33	自测数据
玉米高玉2068 (BCF)	1.23	1.32	1.79	自测数据
玉米广紫糯6号(BCF)	1.11	1.19	2.18	邓婷等^[22]
玉米华玉8号(BCF)	2.17	2.31	2.99	邓婷等^[22]
玉米粤彩糯2号(BCF)	1.39	1.43	2.12	邓婷等^[22]
小麦郑麦583 (BCF)	1.84	2.06	3.46	自测数据
小麦郑麦158 (BCF)	2.33	2.61	3.45	艾金华等^[23]
小麦郑麦175 (BCF)	1.79	2.33	2.88	艾金华等^[23]
磷酸酶	0.970	1.19	2.74	周兵爽等^[24]
过氧化氢酶	2.41	2.67	3.48	何任红等^[25]
PNR	1.44	1.79	2.86	自测数据
蚯蚓	11.9	13.2	18.4	刘海龙等^[26]
跳虫	12.9	17.8	19.4	自测数据
大豆	2.88	3.69	4.34	文可佳等^[27]
菠菜	1.74	2.69	4.06	范贝贝等^[28]
西红柿	2.97	3.33	4.54	余淑娟等^[29]
空心菜	1.07	1.41	2.22	自测数据
油菜	2.15	3.45	5.67	自测数据
小白菜	0.930	1.48	3.97	自测数据
豇豆	4.64	6.64	7.11	弭宝彬等^[30]
莴苣	3.39	4.18	6.33	弭宝彬等^[30]
葱	2.36	3.54	6.13	自测数据
芋头	2.97	4.21	5.34	文典等^[31]

评价指标	毒性阈值/(mg·kg^-1)			数据来源
评价指标	红壤STV或EC₁₀	紫色土STV或EC₁₀	潮土STV或EC₁₀	数据来源
水稻甬优12 (BCF)	0.267	0.347	0.590	白荣辉^[19]
水稻绍糯9714 (BCF)	0.239	0.175	0.330	谷建诚等^[20]
水稻秀水09 (BCF)	0.447	0.583	0.780	自测数据
水稻宁梗1 (BCF)	0.319	0.335	0.550	自测数据
水稻秀优5 (BCF)	0.241	0.367	0.770	自测数据
水稻沈稻12 (BCF)	0.369	0.485	1.03	刘侯俊等^[21]
玉米秋乐618 (BCF)	0.551	0.756	1.33	自测数据
玉米高玉2068 (BCF)	1.23	1.32	1.79	自测数据
玉米广紫糯6号(BCF)	1.11	1.19	2.18	邓婷等^[22]
玉米华玉8号(BCF)	2.17	2.31	2.99	邓婷等^[22]
玉米粤彩糯2号(BCF)	1.39	1.43	2.12	邓婷等^[22]
小麦郑麦583 (BCF)	1.84	2.06	3.46	自测数据
小麦郑麦158 (BCF)	2.33	2.61	3.45	艾金华等^[23]
小麦郑麦175 (BCF)	1.79	2.33	2.88	艾金华等^[23]
磷酸酶	0.970	1.19	2.74	周兵爽等^[24]
过氧化氢酶	2.41	2.67	3.48	何任红等^[25]
PNR	1.44	1.79	2.86	自测数据
蚯蚓	11.9	13.2	18.4	刘海龙等^[26]
跳虫	12.9	17.8	19.4	自测数据
大豆	2.88	3.69	4.34	文可佳等^[27]
菠菜	1.74	2.69	4.06	范贝贝等^[28]
西红柿	2.97	3.33	4.54	余淑娟等^[29]
空心菜	1.07	1.41	2.22	自测数据
油菜	2.15	3.45	5.67	自测数据
小白菜	0.930	1.48	3.97	自测数据
豇豆	4.64	6.64	7.11	弭宝彬等^[30]
莴苣	3.39	4.18	6.33	弭宝彬等^[30]
葱	2.36	3.54	6.13	自测数据
芋头	2.97	4.21	5.34	文典等^[31]