土壤重金屬復合污染的生態(tài)效應研究綜述

馮丹妮 楊虎德 馬彥 焦位雄 姜萬禮 陳偉

摘要：近年來，土壤重金屬污染問題日益嚴重，已從傳統(tǒng)的單一重金屬元素污染轉變?yōu)橹亟饘俚膹秃衔廴?。從土壤重金屬復合污染對土壤中重金屬元素的遷移轉化、土壤微生物群落結構、土壤酶活性以及植物生理的影響等方面闡述了其生態(tài)效應，并對存在的問題和發(fā)展前景提出見解。

關鍵詞：土壤重金屬復合污染;生態(tài)效應;重金屬遷移轉化;土壤微生物;土壤酶活性;

植物生理

中圖分類號：X171.5 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：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

農(nóng)田土壤重金屬污染與農(nóng)產(chǎn)品質量安全和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康密切相關。根據(jù) 2014年4月環(huán)境保護部與國土資源部聯(lián)合公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，當前我國農(nóng)田土壤點位超標率為16.1%，其中 As、Cd、Cr、Hg、Pb、Cu、Zn、Ni等8種重金屬元素污染最為嚴重，點位超標率分別為2.7%、7.0%、1.1%、1.6%、1.5%、2.1%、0.9%、4.8%[1 ] ，農(nóng)田土壤重金屬污染情況不容樂觀。隨后相繼頒布《土壤污染防治行動計劃》和《中華人民共和國土壤污染防治法》，充分體現(xiàn)國家對土壤污染防治工作的重視。

土壤重金屬污染具有隱蔽性、累積性和不可逆性等特點，在土壤—植物系統(tǒng)中遷移轉化，經(jīng)過食物鏈的積累和放大作用，進而對生物體產(chǎn)生毒害。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，污水灌溉、農(nóng)藥和化肥的大量施用、鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的崛起以及大尺度生態(tài)環(huán)境條件的惡化，使農(nóng)田土壤重金屬污染越來越嚴重[2 ]，越來越復雜，從傳統(tǒng)的單一重金屬污染逐步發(fā)展成重金屬的復合污染，嚴重威脅著人類的健康。

1 ? 重金屬復合污染對土壤環(huán)境的影響

在土壤環(huán)境中，不同重金屬的遷移轉化、反應作用機制會相互影響、相互制約，一般表現(xiàn)為加和效應、拮抗效應和協(xié)同效 應[3 - 4 ]，使其在土壤中的存在形式、轉化方式等與單一重金屬元素作用存在很大差異。國內(nèi)外很多環(huán)境科學領域專家做了相關的研究，我國主要針對礦區(qū)、冶煉廠周圍土壤重金屬復合污染和建立模擬試驗等進行相關研究。

1.1 ? 影響土壤重金屬的遷移轉化

土壤環(huán)境中重金屬的遷移轉化受土壤理化性質、重金屬元素間的聯(lián)合作用等因素的影響，在復合污染條件下，其反應過程更加復雜。一般來說，周期系同族元素之間以及理化性質相似的元素之間容易出現(xiàn)拮抗作用，同周期元素化學性質極其相似，可相互競爭結合部位。

王新[5 ]等研究Cd、Pb 同時存在時Cd、Pb的遷移轉化機制中發(fā)現(xiàn)，Cd的存在使土壤對Pb具有很強的吸持能力，更易于固定在土壤中，難以遷移，不易被水稻所吸收;相反，Pb 可奪取Cd 在土壤中的吸附點，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。土壤中重金屬元素的相互作用使其有效性發(fā)生變化，從而影響其生物毒性和有效性發(fā)揮以及在土壤中的遷移轉化方式。

1.2 ? 影響土壤微生物群落結構及種群數(shù)量

土壤重金屬復合污染與土壤微生物的聯(lián)系十分緊密，兩者之間的關系目前已經(jīng)成為國內(nèi)外環(huán)境科學領域的研究熱點。研究表明，土壤重金屬復合污染能夠顯著降低土壤微生物生物量和細菌活菌數(shù)等， 同時明顯影響土壤微生物群落結構[6 ]。

王秀麗等[6 ]以浙江某處銅鋅冶煉廠附近的水稻土為對象研究土壤重金屬復合污染對土壤微生物的影響，結果顯示，重金屬復合污染能夠明顯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/全氮比等指標，同時在一定程度上也降低了微生物C/N比，降低細菌、真菌、放線菌活菌數(shù);Fritze等[7 ]在研究銅鎳礦山土壤時發(fā)現(xiàn)， 銅、鎳復合污染地區(qū)土壤微生物生物量顯著降低;Frostegard等[7 ]以PLFA含量作為測定微生物生物量的指標，結果表明隨著外源鎘濃度的增加森林和旱地土壤微生物生物量下降。

土壤重金屬污染對微生物群落結構的改變作用可以通過C/N比的變化體現(xiàn)，隨著污染程度升高，土壤微生物向C/N比低的優(yōu)勢群落轉化。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著有效態(tài)銅、鋅、鉛、鎘含量的增加，土壤微生物群落向著真菌相對含量增加的趨勢發(fā)展，改變了土壤微生物組成結構[8 ]。

1.3 ? 抑制土壤酶活性

近年學者先后提出將脲酶、脫氫酶、過氧化氫酶、轉化酶、磷酸酶活性等作為重金屬污染監(jiān)測指標，但大多針對單一重金屬元素，對重金屬復合污染作用的報道較少，且結果隨土壤類型和pH、重金屬種類等不同而存在很大差異。有研究表明，單一脫氫酶活性與礦區(qū)土壤重金屬復合元素含量之間呈極顯著相關，而單一脲酶、蛋白酶以及酸性磷酸酶活性與重金屬復合元素含量呈顯著相關，說明重金屬復合污染對土壤酶的影響存在顯著差異，且不同土壤酶對重金屬復合污染的敏感程度不同[9 ]。

土壤重金屬復合污染對土壤酶活性的影響主要是抑制。羅虹等[2 ]研究得出，Cu、Cr、Ni的復合污染顯著抑制土壤脲酶和脫氫酶活性，同時，轉化酶、水解酶等的活性也受到一定的抑制作用。楊志新等[10 ]研究顯示，Cd、Zn、Pb復合污染對脲酶表現(xiàn)為協(xié)同抑制負效應，對過氧化氫酶則表現(xiàn)出一定的拮抗作用，轉化酶和堿性磷酸酶活性則主要隨著Cd 濃度的增加而顯著降低。

針對土壤重金屬復合污染對土壤微生物和土壤酶活性的研究較多，得到的結果大多一致，許多研究是在綜合兩者研究結果的基礎上對土壤重金屬復合污染生態(tài)效應加以評價。Wang等[11 ]研究了銅冶煉廠附近重金屬污染土壤中土壤酶活性和微生物群落結構的變化，表明土壤微生物數(shù)量和酶活性受到嚴重抑制;韓桂琪等[12 ]研究云南東川銅礦區(qū)土壤酶和微生物特征，得到相同的結論。但由于土壤微生物和土壤酶活性在自然條件下受植被、季節(jié)、灌溉、耕作、重金屬種類和含量等因素的影響，使研究報道結果差異較大，甚至存在一些相反的結果[2 ]。

2 ? 重金屬復合污染對植物生長發(fā)育和生理特性的影響

土壤重金屬復合污染對作物產(chǎn)質產(chǎn)量的影響，一方面通過其在作物體內(nèi)蓄積直接產(chǎn)生毒性影響作物的株高、穗長、千粒重等;另一方面通過影響作物的生理特性，如葉綠素的含量、根活性、對重金屬的吸收轉運等使作物的產(chǎn)質產(chǎn)量降低[13 ]。

2.1 ? 影響植物生長發(fā)育

土壤對重金屬的自凈過程十分漫長，同時重金屬可被植物吸收富集在植物根、莖、葉及籽粒中，影響作物生長發(fā)育。

李勇等[14 ]采用溫室盆栽土培的方法研究了Pb、Cd復合污染對玉米生長影響，認為重金屬Pb、Cd復合濃度愈高，對玉米生長的抑制作用愈明顯。賈貴科等[15 ]研究了Pb、Cd單一污染與復合污染對玉米株高、根長的影響，表明重金屬復合污染體現(xiàn)元素之間的協(xié)同作用對作物生長的抑制作用更強。Cd、Pb污染還可通過對根系的傷害抑制水稻的生長發(fā)育，使植物葉片中的葉綠素含量降低，影響正常的光合作用，減少光合產(chǎn)物向種子的輸入，導致作物減產(chǎn)。

2.2 ? 影響植物生理特性

周啟星等[16 ]在模擬試驗了Cu、Zn、Cd、Pb等4種重金屬元素復合污染對小麥根活性的影響，證明重金屬復合污染對小麥根活性有抑制作用，同時重金屬復合污染過程中并非只存在一種聯(lián)合反應機制。如對Cu來說，其抑制作用隨Zn濃度的升高而增大，但仍小于兩者之和，說明Cu和Zn的聯(lián)合作用存在加和作用和拮抗作用。對Cd、Zn復合污染的聯(lián)合作用的研究中也得到相同的結論。

孟慶俊等[17 ]在重金屬復合污染對小麥幼苗葉綠素含量影響的研究中同樣得到重金屬復合污染對植物生理有抑制作用的結論。鐵柏青等[18 ]在研究燈芯草在土壤重金屬復合污染條件下體內(nèi)重金屬富集和分布情況中，也認為重金屬復合污染會抑制葉綠素的合成，同時證明植物中SOD、CAT、POD 3種酶在土壤重金屬復合污染條件下呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但總體是相互協(xié)調(diào)共同抵抗外界復合重金屬污染對植物造成傷害。

重金屬的復合污染對植物吸收富集重金屬元素也有一定的影響?！拔宥驹亍保ˋs、Hg、Pb、Cd、Cr）交互作用對水稻吸Cd 所產(chǎn)生的影響更為復雜， 水稻籽實Cd含量為未投加Pb、Cu、Zn、As 處理的5倍， Cd的活性增強促進了水稻對Cd的吸收和積累，說明其余4 種重金屬元素對Cd元素吸收有協(xié)同作用;水稻根、莖、葉中Pb含量較未投加Cd、Cu、Zn、As 處理降低，比Cd - Pb 2種元素交互作用而產(chǎn)生的下降幅度大，說明4 種元素的共存使Pb的活性降低;抑制了水稻對Pb的吸收和積累，對Pb元素吸收有拮抗作用[5 ]。

3 ? 今后研究方向

土壤重金屬復合污染的研究已取得一定的成果，但仍存在一些問題。一是目前土壤重金屬污染研究還局限于試驗階段，并未發(fā)展成區(qū)域性土壤重金屬復合污染的生態(tài)效應研究。由于各地區(qū)土壤的理化性質等因素不同，重金屬復合污染的污染情況、治理標準與方法存在多樣性，有待進一步的研究探討。二是重金屬復合污染聯(lián)合機制的復雜性。學者一般只研究2～3種重金屬元素之間的作用機制，而且對重金屬元素相互作用的影響因素探究不夠深入，不足以全面分析重金屬復合污染的生態(tài)效應。三是土壤重金屬被植物吸收富集于體內(nèi)，在植物體內(nèi)的轉化、代謝等生物過程中仍然存在聯(lián)合作用，其遷移轉化、毒理、富集分布等是否與單一重金屬元素污染存在差異還有待研究。四是將土壤重金屬復合污染生態(tài)效應研究結果與土壤重金屬標準值制定相結合，完善土壤重金屬污染治理的相關規(guī)定，使其更具現(xiàn)實操作性。五是土壤重金屬復合污染對植物生理作用的影響主要集中于對農(nóng)作物的研究，對超富集植物的研究較少，重金屬復合污染的植物修復功能與傳統(tǒng)生物修復存在差異，有待進一步探討。

重金屬不同元素間的聯(lián)合作用機制復雜，導致土壤重金屬復合污染產(chǎn)生的效應與單一重金屬元素的效應差異很大，成為土壤重金屬復合污染治理與修復的難點，今后應著重將土壤重金屬復合污染的生態(tài)效應基礎研究與應用實踐相結合，在深入探究機理的同時解決其預防和治理問題，并推廣應用。

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（本文責編：鄭立龍）