土壤重金属复合污染的生态效应研究综述

冯丹妮 杨虎德 马彦 焦位雄 姜万礼 陈伟

摘要：近年来，土壤重金属污染问题日益严重，已从传统的单一重金属元素污染转变为重金属的复合污染。从土壤重金属复合污染对土壤中重金属元素的迁移转化、土壤微生物群落结构、土壤酶活性以及植物生理的影响等方面阐述了其生态效应，并对存在的问题和发展前景提出见解。

关键词：土壤重金属复合污染;生态效应;重金属迁移转化;土壤微生物;土壤酶活性;

植物生理

中圖分类号：X171.5          文献标志码：A          文章编号：1001-1463（2019）09-0073-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2019.09.016

Abstract：In recent years， rapid development of industry and agriculture modern technology to the growing problem of heavy metal pollution of soil， from the traditional heavy metal pollution into a single composite heavy metal pollution. This heavy metals from the soil pollution on the migration of heavy metals in soil， soil microorganisms， soil enzyme activity and plant physiological role into the impact of four described their ecological effects， and the problems and prospects for development put forward their own views.

Key words：Heavy metal contaminated soil;Ecological effects;Migration and transformation of heavy metals;Soil microbial;Soil enzyme activity;Physiological of plant

农田土壤重金属污染与农产品质量安全和农田生态系统健康密切相关。根据 2014年4月环境保护部与国土资源部联合公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，当前我国农田土壤点位超标率为16.1%，其中 As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni等8种重金属元素污染最为严重，点位超标率分别为2.7%、7.0%、1.1%、1.6%、1.5%、2.1%、0.9%、4.8%[1 ] ，农田土壤重金属污染情况不容乐观。随后相继颁布《土壤污染防治行动计划》和《中华人民共和国土壤污染防治法》，充分体现国家对土壤污染防治工作的重视。

土壤重金属污染具有隐蔽性、累积性和不可逆性等特点，在土壤—植物系统中迁移转化，经过食物链的积累和放大作用，进而对生物体产生毒害。近年来，随着工农业生产的快速发展，污水灌溉、农药和化肥的大量施用、乡镇企业的崛起以及大尺度生态环境条件的恶化，使农田土壤重金属污染越来越严重[2 ]，越来越复杂，从传统的单一重金属污染逐步发展成重金属的复合污染，严重威胁着人类的健康。

1   重金属复合污染对土壤环境的影响

在土壤环境中，不同重金属的迁移转化、反应作用机制会相互影响、相互制约，一般表现为加和效应、拮抗效应和协同效 应[3 - 4 ]，使其在土壤中的存在形式、转化方式等与单一重金属元素作用存在很大差异。国内外很多环境科学领域专家做了相关的研究，我国主要针对矿区、冶炼厂周围土壤重金属复合污染和建立模拟试验等进行相关研究。

1.1   影响土壤重金属的迁移转化

土壤环境中重金属的迁移转化受土壤理化性质、重金属元素间的联合作用等因素的影响，在复合污染条件下，其反应过程更加复杂。一般来说，周期系同族元素之间以及理化性质相似的元素之间容易出现拮抗作用，同周期元素化学性质极其相似，可相互竞争结合部位。

王新[5 ]等研究Cd、Pb 同时存在时Cd、Pb的迁移转化机制中发现，Cd的存在使土壤对Pb具有很强的吸持能力，更易于固定在土壤中，难以迁移，不易被水稻所吸收;相反，Pb 可夺取Cd 在土壤中的吸附点，使Cd 的活性增加，提高土壤中Cd 的有效性，使其更易被水稻所吸收。土壤中重金属元素的相互作用使其有效性发生变化，从而影响其生物毒性和有效性发挥以及在土壤中的迁移转化方式。

1.2   影响土壤微生物群落结构及种群数量

土壤重金属复合污染与土壤微生物的联系十分紧密，两者之间的关系目前已经成为国内外环境科学领域的研究热点。研究表明，土壤重金属复合污染能够显著降低土壤微生物生物量和细菌活菌数等， 同时明显影响土壤微生物群落结构[6 ]。

王秀丽等[6 ]以浙江某处铜锌冶炼厂附近的水稻土为对象研究土壤重金属复合污染对土壤微生物的影响，结果显示，重金属复合污染能够明显降低微生物生物量碳、微生物生物量氮、微生物商、微生物生物量氮/全氮比等指标，同时在一定程度上也降低了微生物C/N比，降低细菌、真菌、放线菌活菌数;Fritze等[7 ]在研究铜镍矿山土壤时发现， 铜、镍复合污染地区土壤微生物生物量显著降低;Frostegard等[7 ]以PLFA含量作为测定微生物生物量的指标，结果表明随着外源镉浓度的增加森林和旱地土壤微生物生物量下降。

土壤重金属污染对微生物群落结构的改变作用可以通过C/N比的变化体现，随着污染程度升高，土壤微生物向C/N比低的优势群落转化。有研究发现，随着有效态铜、锌、铅、镉含量的增加，土壤微生物群落向着真菌相对含量增加的趋势发展，改变了土壤微生物组成结构[8 ]。

1.3   抑制土壤酶活性

近年学者先后提出将脲酶、脱氢酶、过氧化氢酶、转化酶、磷酸酶活性等作为重金属污染监测指标，但大多针对单一重金属元素，对重金属复合污染作用的报道较少，且结果随土壤类型和pH、重金属种类等不同而存在很大差异。有研究表明，单一脱氢酶活性与矿区土壤重金属复合元素含量之间呈极显著相关，而单一脲酶、蛋白酶以及酸性磷酸酶活性与重金属复合元素含量呈显著相关，说明重金属复合污染对土壤酶的影响存在显著差异，且不同土壤酶对重金属复合污染的敏感程度不同[9 ]。

土壤重金属复合污染对土壤酶活性的影响主要是抑制。罗虹等[2 ]研究得出，Cu、Cr、Ni的复合污染显著抑制土壤脲酶和脱氢酶活性，同时，转化酶、水解酶等的活性也受到一定的抑制作用。杨志新等[10 ]研究显示，Cd、Zn、Pb复合污染对脲酶表现为协同抑制负效应，对过氧化氢酶则表现出一定的拮抗作用，转化酶和碱性磷酸酶活性则主要随着Cd 浓度的增加而显著降低。

针对土壤重金属复合污染对土壤微生物和土壤酶活性的研究较多，得到的结果大多一致，许多研究是在综合两者研究结果的基础上对土壤重金属复合污染生态效应加以评价。Wang等[11 ]研究了铜冶炼厂附近重金属污染土壤中土壤酶活性和微生物群落结构的变化，表明土壤微生物数量和酶活性受到严重抑制;韩桂琪等[12 ]研究云南东川铜矿区土壤酶和微生物特征，得到相同的结论。但由于土壤微生物和土壤酶活性在自然条件下受植被、季节、灌溉、耕作、重金属种类和含量等因素的影响，使研究报道结果差异较大，甚至存在一些相反的结果[2 ]。

2   重金属复合污染对植物生长发育和生理特性的影响

土壤重金属复合污染对作物产质产量的影响，一方面通过其在作物体内蓄积直接产生毒性影响作物的株高、穗长、千粒重等;另一方面通过影响作物的生理特性，如叶绿素的含量、根活性、对重金属的吸收转运等使作物的产质产量降低[13 ]。

2.1   影响植物生长发育

土壤对重金属的自净过程十分漫长，同时重金属可被植物吸收富集在植物根、茎、叶及籽粒中，影响作物生长发育。

李勇等[14 ]采用温室盆栽土培的方法研究了Pb、Cd复合污染对玉米生长影响，认为重金属Pb、Cd复合浓度愈高，对玉米生长的抑制作用愈明显。贾贵科等[15 ]研究了Pb、Cd单一污染与复合污染对玉米株高、根长的影响，表明重金属复合污染体现元素之间的协同作用对作物生长的抑制作用更强。Cd、Pb污染还可通过对根系的伤害抑制水稻的生长发育，使植物叶片中的叶绿素含量降低，影响正常的光合作用，减少光合产物向种子的输入，导致作物减产。

2.2   影响植物生理特性

周启星等[16 ]在模拟试验了Cu、Zn、Cd、Pb等4种重金属元素复合污染对小麦根活性的影响，证明重金属复合污染对小麦根活性有抑制作用，同时重金属复合污染过程中并非只存在一种联合反应机制。如对Cu来说，其抑制作用随Zn浓度的升高而增大，但仍小于两者之和，说明Cu和Zn的联合作用存在加和作用和拮抗作用。对Cd、Zn复合污染的联合作用的研究中也得到相同的结论。

孟庆俊等[17 ]在重金属复合污染对小麦幼苗叶绿素含量影响的研究中同样得到重金属复合污染对植物生理有抑制作用的结论。铁柏青等[18 ]在研究灯芯草在土壤重金属复合污染条件下体内重金属富集和分布情况中，也认为重金属复合污染会抑制叶绿素的合成，同时证明植物中SOD、CAT、POD 3种酶在土壤重金属复合污染条件下呈现不同的变化趋势，但总体是相互协调共同抵抗外界复合重金属污染对植物造成伤害。

重金属的复合污染对植物吸收富集重金属元素也有一定的影响。“五毒元素”（As、Hg、Pb、Cd、Cr）交互作用对水稻吸Cd 所产生的影响更为复杂， 水稻籽实Cd含量为未投加Pb、Cu、Zn、As 处理的5倍， Cd的活性增强促进了水稻对Cd的吸收和积累，说明其余4 种重金属元素对Cd元素吸收有协同作用;水稻根、茎、叶中Pb含量较未投加Cd、Cu、Zn、As 处理降低，比Cd - Pb 2种元素交互作用而产生的下降幅度大，说明4 种元素的共存使Pb的活性降低;抑制了水稻对Pb的吸收和积累，对Pb元素吸收有拮抗作用[5 ]。

3   今后研究方向

土壤重金属复合污染的研究已取得一定的成果，但仍存在一些问题。一是目前土壤重金属污染研究还局限于试验阶段，并未发展成区域性土壤重金属复合污染的生态效应研究。由于各地区土壤的理化性质等因素不同，重金属复合污染的污染情况、治理标准与方法存在多样性，有待进一步的研究探讨。二是重金属复合污染联合机制的复杂性。学者一般只研究2～3种重金属元素之间的作用机制，而且对重金属元素相互作用的影响因素探究不够深入，不足以全面分析重金属复合污染的生态效应。三是土壤重金属被植物吸收富集于体内，在植物体内的转化、代谢等生物过程中仍然存在聯合作用，其迁移转化、毒理、富集分布等是否与单一重金属元素污染存在差异还有待研究。四是将土壤重金属复合污染生态效应研究结果与土壤重金属标准值制定相结合，完善土壤重金属污染治理的相关规定，使其更具现实操作性。五是土壤重金属复合污染对植物生理作用的影响主要集中于对农作物的研究，对超富集植物的研究较少，重金属复合污染的植物修复功能与传统生物修复存在差异，有待进一步探讨。

重金属不同元素间的联合作用机制复杂，导致土壤重金属复合污染产生的效应与单一重金属元素的效应差异很大，成为土壤重金属复合污染治理与修复的难点，今后应着重将土壤重金属复合污染的生态效应基础研究与应用实践相结合，在深入探究机理的同时解决其预防和治理问题，并推广应用。

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（本文责编：郑立龙）