一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统

摘要

本发明公开了一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统，属于土壤重金属污染修复领域。针对目前土壤修复决策系统功能针对性低、权重赋值主观性大的特点，本发明以修复效果为导向、小麦安全生产为目标，通过修复技术筛选矩阵的构建以及小麦籽粒镉富集量预测模型的预测，实现对不同类型土壤钝化材料的筛选、小麦品种更换和锌生物强化的可行性判定。同时，以突出人为源的贡献识别辅助修复决策。本发明增强了小麦田镉污染修复方案制定的客观性和准确性，可为区域小麦田镉污染修复方案决策提供指导建议。

说明书

技术领域

本发明属于土壤重金属污染修复领域，具体涉及一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统。该系统能够通过对样点土壤及小麦籽粒镉含量、土壤性质及土壤无机组分含量进行分析与匹配，实现对土壤钝化材料的筛选以及小麦品种更换、锌生物强化技术可行性的判定。该辅助决策系统可为区域小麦田镉污染土壤修复方案决策提供指导建议。

背景技术

农田土壤重金属污染是农业生产面临的重大危机之一，其中镉是主要的重金属污染物。镉具有生物毒性和生物蓄积性，可经由食物链造成人体健康风险。小麦是世界一半以上人口的主食，全球年产量约7.5亿吨，是人体暴露于镉的重要来源。因此，筛选能够满足小麦可食用安全的修复技术是小麦田镉污染土壤修复工作的重中之重。

通常情况下，污染场地土壤的结构性质具有多样性，且污染物种类及迁移途径复杂，使得土壤污染修复方案的制定存在极大的困难。EUGRIS、CLARINET和NATO/CCMS等国外污染防治机构，通过构建污染修复决策系统，实现污染场地的风险识别及修复技术的快速筛选。该系统能够从污染物类型、环境参数、技术效果、成本效益等方面为修复决策提供科学依据。

我国土壤污染防治工作起步相对较晚，场地针对性的污染修复决策系统的建设尚未完善。国内污染修复决策系统的构建主要依靠层次分析、成本效益分析等方法，对技术效果、发展程度、成本效益等指标进行权重赋值，综合筛选可行修复技术。如，文献“土壤学报,2012,49(6),1088-1094.”构建了基于层次分析法和逼近理想解排序法的污染场地修复技术筛选方法，采用专家评分的方式得到修复方法各项指标(场地条件、技术指标、经济指标、环境指标)的权重，通过TOPSIS排序获得最优的修复方式。文献“环境污染与防治,2011,33(4),66-70,94.”构建了基于REC模型的污染修复支持系统，通过土壤环境风险、环境效益和修复费用三个方面对重金属污染的废弃地和农田进行修复技术筛选。专利CN109604316A公开了一种放射性污染土壤修复技术筛选方法，采用层次分析方法和混合型级别高于方法，结合放射性污染水平、土壤类型、土壤性质等参数的重要度以及环境成本、技术成本等相关信息筛选放射性污染土壤修复技术。专利CN107767032A公布了一种农田土壤重金属污染决策系统及方法，采用空间分析、因子分析等方法筛选评价指标，通过客观/主观赋权法确定指标权重评估综合风险，构建土壤和农作物协同的分级预警模型。基于风险和预警等级采用案例推理算法、决策树算法从案例库中匹配近似案例作为土壤应急处置预案，基于民意调查、农作物重金属吸附实验或经验知识进行作物种植调整。

关于土壤污染修复决策系统的研究，目前在环境层面大多围绕土壤指标进行评价及筛选。对于农田土壤污染，以农作物食用安全性为主要修复目标的针对性修复策略相对薄弱。修复方案的制定并未明确区分农作物之间的差异性，缺少对污染源贡献的定量评价，修复技术分类相对笼统，在指标评价时缺乏客观性。不同农作物(如小麦、玉米、水稻)的组织结构以及对污染物的吸收转运机制差异较大，修复技术的选择要根据农作物的不同进行针对性的设置。土壤的共存组分及化学性质会通过影响污染物在土壤中的传质及农作物的生长，污染来源的复杂性使得农作物通过多途径暴露于污染物影响农作物对污染物的积累，现有研究缺乏对于共存有益金属元素的效用评价及污染源贡献的识别。农田土壤重金属污染修复中常选用钝化法和低积累品种替代种植法进行修复。钝化材料及品种的多样性导致应用效果的分布范围较广，从而降低了技术筛选的准确性和可行性，有必要对其种类及效果进行细化分析。对于场地条件、技术发展、经济等指标相对重要性的判断常选用权重赋值法，专家的经验评分一定程度上增大了决策的主观性。另外，农田土壤修复中部分小麦籽粒数据的缺失会影响风险评估以及修复技术选择的准确性，需要对缺失数据进行合理估算以完善修复决策。

本发明构建一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统。以小麦镉污染农田为设计对象，建立了包含不同钝化技术种类/小麦品种、应用条件(土壤pH、土壤镉含量、材料用量)及技术应用效果(籽粒镉降低率/品种镉富集能力)的修复案例库。通过聚类分析和边界连续化处理，细化不同类别钝化材料以及不同镉富集能力品种的应用效果及土壤应用条件，构建了用于钝化材料筛选和小麦品种更换可行性评价的修复技术筛选矩阵。采用小麦籽粒镉富集预测模型用于籽粒镉含量的估算(初始数据缺失时)以及锌生物强化技术的可行性评价。以修复后小麦的可食用安全为标准进行上述技术的筛选及评价。同时采用绝对主成分分析法对人为污染源进行识别和量化评估，用以辅助修复决策。本发明增强了小麦田镉污染土壤修复方案制定的客观性和准确性，可为区域小麦田镉污染土壤修复方案决策提供指导建议。

发明内容

本发明构建一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统。本系统以小麦镉污染农田为修复对象，以小麦食用安全为修复目标。通过聚类分析对土壤钝化技术及小麦品种更换的效果及适用范围进一步细化，构建用于筛选钝化材料和评价小麦品种更换可行性的修复技术矩阵。利用小麦籽粒镉预测模型实现对土壤共存组分锌生物强化效果的评价，同时可利用该模型估算籽粒镉含量以降低籽粒数据缺失对修复方案制定造成的影响。在技术筛选和判定的基础上，采用绝对主成分分析法对人为污染源进行识别和量化评估，以辅助修复技术的选择。本发明增强了小麦田镉污染土壤修复方案制定的客观性和准确性，可为区域小麦田镉污染土壤修复方案决策提供指导建议。

本发明的技术方案：

一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统，主要包含：

(1)输入单元

输入单元用于系统运行参数的获取；

当修复决策的进行处于小麦生长期时，采集研究区域的土壤及小麦样本，并进行预处理和分析测试；获取土壤镉含量、小麦籽粒镉含量、土壤pH、土壤锌含量和土壤钙含量，作为系统运行的基础参数；

当修复决策的进行处于非小麦生长期时或小麦籽粒样本缺失时，通过已授权专利ZL2021103733294.2中的基于共存金属影响的小麦镉富集量预测方法，利用土壤镉含量、土壤pH、土壤锌含量和土壤钙含量对缺失的小麦籽粒镉含量进行估算；

(2)风险识别单元

风险识别单元用于识别具有修复需求的样本；

当样点小麦籽粒镉含量小于等于小麦籽粒风险筛选值时，样点小麦安全无需进行修复；当样点小麦籽粒镉含量大于小麦籽粒风险筛选值时，样点小麦存在风险需要进一步选择可行的修复措施；

小麦籽粒风险筛选值的设定：参照公式(1)计算实验允许偏差范围内的实测值范围，取实测值范围的极小值Y

│X-Y│≤20％*(X+Y) (1)

其中，X为小麦籽粒中镉的污染限量；Y为重复实验的实测值；

(3)修复技术筛选单元

修复技术筛选单元包含钝化模块、小麦品种更换模块及锌生物强化模块，模块间彼此独立，在技术筛选时分别运行；

(3.1)在钝化模块中，首先将样点小麦籽粒镉含量与钝化修复的预筛值S进行比较，当样点小麦籽粒镉含量小于等于S时，进行钝化材料的筛选，反之则不适用于钝化修复；

对可进行钝化材料筛选的样本，计算样本经过钝化处理修复后小麦籽粒镉含量可达Y

其中，土壤应用条件为土壤镉含量和土壤pH；土壤应用效果为籽粒镉降低率；

设定钝化修复的预筛值S：对钝化修复案例库中各钝化材料的土壤应用效果进行由小到大的排序，取90％分位值为钝化修复籽粒镉降低率的上限，即90％的籽粒镉降低率低于此分位值，并按照公式(2)计算钝化修复的预筛值S；

S＝Y

其中，S为钝化修复的籽粒预筛值；R为钝化修复案例库中籽粒镉降低率数据的90％分位值；

钝化修复技术筛选矩阵的构建：汇总实际修复案例中的钝化材料名称、材料用量、土壤镉含量、土壤pH、籽粒镉降低率，建立钝化修复案例库；采用K-means聚类方法对钝化修复案例库中土壤镉含量、土壤pH、籽粒镉降低率进行细化分类，得到各类钝化材料的应用效果范围及土壤应用条件范围；参照农用地土壤污染风险管控标准及土壤重金属污染分级标准，对于pH≤7.5的土壤，分别以相应镉风险筛选值＝0.3mg/kg的1倍、2倍和3倍为边界值划分不同镉污染水平；对于pH>7.5的土壤，分别以相应镉风险筛选值＝0.6mg/kg的1倍、2倍和3倍为边界值划分不同镉污染水平；对于土壤pH，以pH＝5.5、pH＝6.5和pH＝7.5为边界值进行划分；将不连续的土壤应用条件按照上述边界值转换成最相近的边界值的区间，实现数据分布的连续化，最终得到钝化修复技术筛选矩阵；

(3.2)在小麦品种更换模块中，首先计算更换小麦品种后籽粒镉含量达Y

其中，土壤应用条件为土壤镉含量和土壤pH；土壤应用效果为籽粒镉富集系数；

小麦品种更换修复技术筛选矩阵的构建：汇总实际修复案例中的小麦品种名称、土壤镉含量、土壤pH、籽粒镉富集系数，建立钝化修复案例库；采用K-means聚类方法对钝化修复案例库中土壤镉含量、土壤pH、籽粒镉富集系数进行细化分类，得到各类小麦品种的应用效果范围及土壤应用条件范围；采用与钝化模块相同的土壤条件边界值划分方法，将不连续的土壤应用条件按照上述边界值转换成最相近的边界值的区间，实现数据分布的连续化，最终得到小麦品种更换修复技术筛选矩阵；

(3.3)在锌生物强化模块中，包括含锌材料施用和土壤pH调节辅助含锌材料施用两种修复方法；其中，选择农用地土壤污染风险管控标准中锌的限值作为修复后土壤锌含量的极限值，选择土壤pH＝8.5作为修复后土壤pH的极限值，将土壤锌含量和土壤pH的极限值代入已授权专利ZL2021103733294.2中小麦籽粒镉富集量预测模型，估算在土壤极限条件下锌生物强化修复后得到的籽粒镉含量，判定锌生物强化技术的可行性；当修复决策的进行处于小麦生长期时，含锌材料施用后籽粒镉含量的计算方式如公式(3)所示：

C

其中，C

(4)源解析辅助单元

源解析辅助单元是输入样点为区域性批量样点时的选用功能；

采用绝对主成分分析法对区域性样点的土壤镉含量、小麦籽粒镉含量、土壤pH、土壤锌含量、土壤钙含量、其他土壤性质或无机元素含量进行分析，识别小麦籽粒镉的人为污染源并估算人为源的绝对贡献，筛选出绝对贡献大于Y

(5)输出单元

输出单元用于输出可用钝化材料、小麦品种更换可行性分析、锌生物强化的可行性分析及源干扰提示信息，作为修复决策制定的辅助依据。

本发明的有益效果：本发明建立了小麦田镉污染钝化修复及小麦品种筛选的案例库；以小麦食用安全为修复目标，细化了对土壤钝化和小麦品种更换应用效果及土壤应用条件的分类；利用小麦籽粒镉富集量预测模型对缺失的小麦籽粒镉含量进行估算并判定锌生物强化的效果；通过源解析识别人为源输入贡献显著的地块以辅助决策。本发明增强了小麦田镉污染土壤修复方案制定的客观性和准确性，可为区域小麦田镉污染土壤修复方案决策提供指导建议。

附图说明

图1为小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统的技术路线图。

图2为小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统的运行架构图。

图3为钝化材料的小麦籽粒镉降低率分布及相应可达标初始籽粒镉含量分布图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

基于图1的技术路线，设计一种小麦田镉污染土壤修复方案辅助决策系统，其运行架构如图2所示。具体实施内容包含：

实施例1输入信息的获取

当修复决策的进行处于小麦生长期时，根据研究地块/区域的面积，采用网格布点法进行土壤及小麦样本的采集。采用王水提取法+ICP-MS(HJ 803-2016)提取测试土壤镉含量；采用微波消解法+ICP-MS(GB 5009.268-2016)提取测试籽粒镉含量；采用乙酸铵交换法测试土壤CEC；采用土液比1:2.5混合震荡的方法测定土壤pH；采用X射线荧光光谱法(压片)测定20种土壤无机元素含量(铅、砷、锌、铜、钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、钾、钙、铁、钛、钒、铬、锰、钴、镍)。

当修复决策的进行处于非小麦生长期时或小麦籽粒样本缺失时，以已授权专利ZL2021103733294.2中小麦籽粒镉富集量预测模型(公式1)为基础，利用土壤pH、土壤镉含量，土壤锌含量及土壤钙含量对籽粒镉含量进行估算。

lg[Cd]

其中，[Cd]

实施例2小麦籽粒风险筛选值的设定

镉在小麦中的食用限量为0.1mg/kg(GB 2762-2017)。实际环境条件的波动及实验中允许存在的偏差会影响小麦籽粒镉的实测值，使得籽粒镉含量接近0.1mg/kg的未超标样本在重复耕种或测试时存在潜在的超标风险。基于微波消解法测试小麦籽粒镉含量的准确度要求(两次重复实验的绝对差值不得超过算数平均值的20％)，计算可得0.08-0.12mg/kg为0.1mg/kg籽粒镉的允许实验偏差范围。因此，设定0.08mg/kg为小麦籽粒风险筛选值。当籽粒镉含量小于等于0.08mg/kg时，认为样点属于安全水平无需处理；当籽粒镉含量大于0.08mg/kg时，认为样点存在风险需要采取措施。

实施例3土壤钝化及小麦品种更换修复案例库的构建

在中国知网数据库中，以“小麦”“土壤”“镉”“修复/钝化/固定化/稳定化”为主题进行检索；在ISI Web of Science检索平台上，以(soil)AND(wheat)AND(cadmium OR Cd)AND(remediation OR stabilization OR immobilization)AND(field)为主题进行检索。共汇总41篇关于钝化修复材料在小麦农田应用的文献，共计141组实验数据，涵盖超过50种土壤钝化材料。钝化修复案例库记录钝化材料名称、材料用量、土壤pH、土壤镉含量、处理前后籽粒镉含量，计算钝化修复下小麦籽粒镉的降低率作为应用效果。

在中国知网数据库中，以“小麦”“镉”“品种”为主题进行检索；在ISI Web ofScience检索平台上，以(wheat)AND(Cd OR cadmium)AND(cultivars OR varieties)AND(China)为主题进行检索。共汇总9篇关于不同小麦品种对土壤镉积累差异(大田条件)的文献，共计407组实验数据，样本涵盖204个小麦品种。小麦品种更换修复案例库记录品种名称、土壤pH、土壤镉含量、小麦籽粒镉含量，计算不同小麦品种的镉富集系数作为应用效果。

实施例4钝化修复预筛值的设定及土壤钝化修复筛选矩阵的构建

钝化修复案例中小麦籽粒镉降低率分布及相应可达标初始籽粒镉含量如图3所示。小麦籽粒镉降低率低于40％的样本占总样本数的50％以上，小麦籽粒镉降低率为40％-60％的样本约占27％。仅有约10％的样本中小麦籽粒镉降低率可达70％，即当籽粒初始镉含量大于0.333mg/kg时，在忽略应用条件适宜性的情况下至多有10％的修复案例可供参考，十分有限。因此，设定籽粒镉含量0.333mg/kg为钝化修复的预筛值。认为籽粒镉含量小于等于0.333mg/kg的样点可进行修复材料的筛选，反之则不适用于钝化处理。

将钝化材料按照性质大致分为7类，包括有机材料、富硅材料、矿物材料、含磷材料、金属及氧化物、石灰材料和其他材料。首先，梳理数据并剔除实验异常值。然后，采用K-means方法对案例库中各类钝化材料的应用效果及土壤应用条件(土壤镉含量和土壤pH)进行聚类分析，得到如表1所示的各类修复材料的土壤应用条件范围及应用效果范围。参照农用地土壤镉污染风险筛选值(GB 15618-2018)及土壤重金属污染分级标准对土壤应用条件的边界进行连续化处理，得到表2所示的土壤钝化修复技术筛选矩阵。应用时，缺失的土壤范围以土壤pH为主选择近似条件进行匹配。

表1各类钝化材料的土壤应用条件范围及应用效果范围

表2土壤钝化修复技术筛选矩阵

实施例5小麦品种更换修复技术筛选矩阵的构建

采用K-means方法对案例库中不同小麦品种的应用效果及土壤应用条件(土壤镉含量和土壤pH)进行聚类分析，得到如表3所示的不同土壤条件下小麦的镉富集系数。参照农用地土壤镉污染风险筛选值(GB 15618-2018)及土壤重金属污染分级标准对土壤应用条件的边界进行连续化处理，得到表4所示的小麦品种更换修复技术筛选矩阵。应用时，缺失的土壤范围以土壤pH为主选择近似条件进行匹配。

表3不同土壤应用条件下小麦的镉富集系数

表4小麦品种更换修复技术筛选矩阵

实施例6锌生物强化技术可行性的判定

采用已授权专利ZL2021103733294.2中小麦籽粒镉富集量预测模型(公式1)用于判断土壤锌生物强化(含锌材料施用和土壤pH调节辅助含锌材料施用)的修复可行性。参考农田土壤中锌的风险筛选值(GB 15618-2018)，pH≤6.5时土壤锌极限值取200mg/kg，6.57.5时土壤锌极限值取300mg/kg。土壤pH>8.5时属于强碱性土壤，这里选定pH＝8.5为土壤pH极限值。

当修复决策的进行处于小麦生长期时，为避免模型的偏差产生籽粒镉初始含量小于修复后籽粒镉预测值的情况，本发明采用公式2估算含Zn材料施用后籽粒镉的含量。

C

其中，C

当修复决策的进行处于非小麦生长期时或小麦籽粒样本缺失时，直接取C

若C

实施例7源解析的辅助决策

采用绝对主成分分析法(PCA-APCS-MLR)对区域性样点的土壤镉含量、小麦籽粒镉含量、土壤pH、土壤锌含量、土壤钙含量、其他土壤性质或无机元素含量进行分析，识别小麦籽粒镉的人为污染源(如工业源、农业源)并估算人为源的绝对贡献(APCS*ξ)。参照Thurston和Spengler在“Atmospheric Environment,1985,19(1),9–25.”中提出的方法计算源的绝对贡献。首先，按照公式3将原始数据标准化。然后，以公式4或公式5计算源j(j＝1,...,p)在指标i和样点k处的载荷(W

[P]

其中，C

[B]

[P]

其中，[B]

为计算每个成分的绝对贡献，引入一个“零”观测值(C

[APCS]

其中，C

人为源对籽粒镉的干扰过大会影响修复的效果。例如，风力活动携带高污染土壤颗粒的悬浮-再沉降会增加植物叶面对镉的吸收；现行人为源的持续性输入会增加土壤和植物叶面镉的积累。因此，本发明设定当APCS*ξ大于籽粒风险筛选值(0.08mg/kg)时，系统需做出源贡献干扰的提示，建议结合实际情况考虑减少源的输入、更换种植作物或定期考察源输入对修复措施应用效果的影响。

上述实施例仅用于说明本发明内容的技术方案，并非对本发明作任何形式上的限制。凡是依据本发明技术实质所作的等效变换或修改，都落入本发明保护的范围。