Scientific issues and research methods of soil environmental standards: A case study on cadmium

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.3.15

Abstract

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

CLC Number:

WANG Meng, YU Lei, QIN Luyao, SUN Xiaoyi, WANG Jing, LIU Jiaxiao, CHEN Shibao. Scientific issues and research methods of soil environmental standards: A case study on cadmium[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(2): 147-156.

Figures/Tables 7

References 32

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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]