鎘是我國(guó)農(nóng)田土壤污染的首要污染物，威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。稻米是我國(guó)人群膳食鎘攝入的最主要來(lái)源。大尺度的土壤與稻米協(xié)同采樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)，稻米鎘與土壤鎘以及土壤性質(zhì)間的量化關(guān)系較差（R2通常低于0.2），時(shí)常存在“土壤鎘超標(biāo)而稻米不超標(biāo)，或土壤鎘不超標(biāo)但稻米超標(biāo)”的現(xiàn)象，這給污染耕地質(zhì)量類(lèi)別劃分和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估帶來(lái)很大的不確定性。

 

　　針對(duì)該問(wèn)題，資環(huán)學(xué)院汪鵬教授課題組在湖南省湘潭縣域尺度開(kāi)展了為期三年的田間野外調(diào)查，在水稻成熟中后期，采集土壤和稻米樣品600對(duì)，發(fā)現(xiàn)稻米鎘含量與土壤總鎘間的線性關(guān)系較差（R2 < 0.17，圖1），表明僅依靠土壤總鎘含量無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估稻米鎘含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)基于土壤鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)鎘、土壤pH、土壤可還原態(tài)錳含量和水稻灌漿成熟后期的土壤含水率，能很好預(yù)測(cè)區(qū)域尺度稻米鎘含量（R2 = 0.81；圖1），大幅度提升了稻米鎘與土壤鎘以及土壤參數(shù)之間關(guān)系的確定性。

 

　　基于該機(jī)器學(xué)習(xí)模型，研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)土壤pH、水稻灌漿成熟后期土壤水分狀況、土壤可還原態(tài)錳含量等參數(shù)，分別進(jìn)行了情景模擬。結(jié)果表明如通過(guò)施加石灰石粉將該縣域酸性稻田土壤pH提高至6.5，可將該縣域稻米鎘含量的超標(biāo)率降低至2.0%（圖2），為該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)受污染耕地95%的安全利用率提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。

 

　　相關(guān)研究成果以“Machine learning methods to predict cadmium (Cd) concentration in rice grain and support soil management at a regional scale”為題發(fā)表于綜合性期刊Fundamental Research上。資環(huán)學(xué)院博士畢業(yè)生黃博陽(yáng)和在讀博士研究生律其鑫為論文的共同第一作者，汪鵬教授為通訊作者，趙方杰教授參與并指導(dǎo)了這項(xiàng)研究工作。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及中央高校業(yè)務(wù)費(fèi)的資助。

 

　　全文鏈接：http://doi.org/10.1016/j.fmre.2023.02.016