 土壤生态风险阈值是指“土壤中某一污染物对生态受体或生态功能不产生不良或者有害影响的最大剂量（无作用剂量）或浓度”。我国现行的土壤污染风险管控框架及土壤环境质量标准主要以食物链累积风险和人体健康风险为主，然而建立基于土壤生态风险阈值的土壤环境质量标准，对土壤污染生态风险管控至关重要。砷是土壤中典型重金属，过量的砷会严重影响植物、无脊椎动物和微生物的生理生态功能，建立科学合理的土壤砷生态风险阈值对于实现土壤中砷污染的精准评价与管控具有重要意义。由于土壤性质复杂性及生物多样性，建立科学精准的环境质量标准颇具挑战，因此，持续开展土壤中砷的生态风险阈值研究工作需求迫切。  中国科学院南京土壤研究所王玉军研究员团队在Eco-Environment & Health期刊上发表了题为：“Determining soil conservation strategies: Ecological risk thresholds of arsenic （As） and the influence of soil properties”的研究论文。该研究旨在评估土壤理化性质对砷毒性的影响以及土壤砷的生态安全阈值推导，为我国现行的土壤环境质量标准提供科学参考。 本研究首先在全国12种典型土壤上开展大麦根生长毒性试验，发现不同土壤上的大麦砷毒性阈值差异显著，砷对大麦根伸长10%抑制效应浓度（EC10）和50%抑制效应浓度（EC50）分别为12.01 - 437.25 mg/kg和59.75 - 678.26 mg/kg。为进一步探索砷毒性阈值和土壤性质之间的内在联系，本研究基于机器学习方法，通过优化后的梯度提升回归树（GBRT）模型解析砷生态毒性数据和土壤性质之间的非线性关系，运用Shapley加性解释（SHapley Additive exPlanation, SHAP）方法对结果进行可视化。结果显示EC10主要和土壤粘粒含量（clay）、无定形锰氧化物（Mn-ox）、无定形铁氧化物（Fe-ox）和pH有关（图1）。通过部分依赖图（PDPs）分析土壤关键因子对ECx的影响，发现clay和Mn-ox、Fe-ox与ECx值呈非线性上升趋势，表明这些变量值越高，生态毒性阈值越大（砷毒性越低）。
图1 （a 和 b） SHAP方法分析土壤性质对EC10的影响；（c, d, e, f） PDPs分析土壤clay、Mn-ox、Fe-ox和pH对EC10的影响 基于本研究开展的12种叶菜、瓜果和景观类植物，以及Web of Science报导的植物、无脊椎动物和微生物的生态毒理学试验，共计得到21个物种的84条毒性数据。由于毒性数据来自不同理化性质的土壤，本研究选择种间外推法对毒性数据进行归一化处理。前期研究分析发现土壤pH、clay和Fe-/Mn-ox是预测砷毒性阈值的主要因素，然而在数据筛选过程中，文献数据普遍缺少Fe-/Mn-ox相关数据。为了更好的利用文献数据建立通用模型，因此选择土壤pH和clay作为毒性预测方程的自变量，针对大麦和小麦物种进行归一化处理得出了其毒性预测方程用于种间外推。将收集到的物种实际毒性阈值与预测毒性阈值进行比较，以验证这些毒性数据适用于何种毒性预测方程（图2）。选择实际毒性阈值与预测毒性阈值比值最接近1:1的预测方程作为预测模型，获取各个物种不同的内在敏感性（k）值在1.19到2.94之间。
图2 基于（a）大麦毒性预测模型和（b）小麦毒性预测模型的EC10实测值与预测值的比较，实线表示预测值和实测值比值的2倍区间 将21个物种毒性数据归一化到四种典型土壤中（酸性、中性、碱性和碱性石灰性土壤），发现玉米和蚕豆对砷的毒性最为敏感，而跳虫对砷的毒性最不敏感。四种典型土壤的HC5（保护95%物种不受危害的浓度）值分别为80 mg/kg（酸性土壤），47 mg/kg（中性土壤），40 mg/kg（碱性土壤）和28 mg/kg（碱性石灰性土壤）（图3）。通过逐步回归法得到了四种不同土地利用类型的HCx预测模型，并基于pH和clay推导出不同土地类型下的生态安全阈值，其中自然保护地和农业用地的生态安全阈值最为严格，在32 mg/kg至82 mg/kg之间，而商业用地和工业用地的生态安全阈值最为宽松，介于134 mg/kg至230 mg/kg之间，而公园用地和居住用地的生态安全阈值介于二者之间分别为74 mg/kg至145 mg/kg和115 mg/kg至201 mg/kg。
图3 四种典型土壤中砷的生态安全阈值 Yihang Huang, Naichi Zhang, Zixuan Ge, Chen Lv, Linfang Zhu, Changfeng Ding, Cun Liu, Peiqin Peng, Tongliang Wu*, Yujun Wang*. Determining soil conservation strategies: Ecological risk thresholds of arsenic and the influence of soil properties, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2024
黄奕航，中国科学院南京土壤研究所2021级联合培养硕士。主要从事土壤重金属环境阈值与容量的研究，以第一作者或共同作者在Eco-Environment & Health、Environment Pollution、农业环境科学学报和环境科学等国内外期刊上发表论文4篇。
吴同亮，中国科学院南京土壤研究所助理研究员。主要从事（类）金属在土壤矿物-有机质界面的形态转化和固定迁移多过程耦合动力学，污染物土壤环境阈值与容量等研究。目前以第一或者（共同）通讯作者已在Eco-Environment & Health、Water Research、Geoderma、Environmental Pollution等国内外期刊上发表论文10余篇。
王玉军，中国科学院南京土壤研究所研究员，博士生导师，全国优秀博士论文获得者，国家杰出青年基金获得者，国家重点研发首席，土壤与农业可持续发展国家重点实验室主任。主要从事土壤中污染物微界面过程及其阻控原理、污染物土壤环境阈值与容量、污染评价与修复等研究。目前已在Nature Communications、Angewandte Chemie-International Edition、Environmental Science & Technology、Eco-Environment & Health等优秀杂志上发表论文230余篇，获得国家发明专利7项，软件著作权1项。  |
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