全 文 ：中国环境科学 2001,21(5)：390~394 China Environmental Science

重金属对西红柿种子发芽与根伸长的抑制效应

宋玉芳 1,许华夏 1,任丽萍 1,龚 平 2,周启星 1,孙铁珩 1 (1.中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程
开放实验室,辽宁 沈阳 110015；2.加拿大国家研究院生物技术研究所,安大略 奎北克 H4P 2R2)

摘要：测定了水溶液和 4种土壤中铜、锌、铅、镉单一污染对西红柿种子发芽与根伸长抑制率以及草甸棕壤条件下重金属复合污染的生
态效应.结果表明,重金属对西红柿根伸长抑制率均明显大于对种子发芽抑制率.土壤重金属明显低于水体重金属对西红柿根伸长的抑制.
抑制率大小排列为红壤>>草甸棕壤>栗钙土>暗棕壤.铜、锌、铅、镉对西红柿根伸长抑制率与土壤有机质、土壤凯氏氮、全钾含量显著
线性负相关(P=0.05);与土壤 pH值和土壤全磷含量线性不相关(P=0.05).重金属复合污染对西红柿根伸长表现为协同作用和拮抗作用.
关键词：土壤；重金属；种子发芽；根伸长抑制率；复合污染
中图分类号：X131.3 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2001)05-0390-05

Inhibition effect of heavy metals in soil on the inhibition of seed germination and root elongation of tomatoes.
SONG Yu-fang1, XU Hua-xia1, REN Li-ping1, GONG Ping2, ZHOU Qi-xing1,SUN Tie-heng1 (1.Laboratory of Terrestrial
Ecological Process, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110015, China；
2.Biotechn-ology Research Institute, National Research Council of Canada, Montreal, Quebec H4P 2R2). China
Environmental Science. 2001,21(5)：390~394
Abstract：The individual Cu, Zn, Pb and Cd pollution on the inhibition rates of seed germination and root elongation of
tomatoes were tested with heavy metals spiked into the water and soils and the combined ecological effects of heavy
metals were determined with meadow brown soils. Results indicated that the inhibition rates of heavy metals on root
elongation of tomatoes in soils were lower than that in water. The inhibition rates heavy metals in soils were red loam
soils>>meadow brown soils>chestnut soils >dark brown soils. The inhibition rates of Cu, Zn, Pb and Cd on the root
elongation of tomatoes were significantly negative linear related with the contents of organic matter, Kjedahl-nitrogen and
total potassium in soils(P=0.05); however, there were no linear relation with the soil pH and T-P (P=0.05); The combined
pollution of four heavy metals on root elongation of tomatoes was synergism and antagonism.
Key words：soil；heavy metal；seed germination；inhibition rate of root elongation；combined pollution

高等植物是生态系统中的基本组成部分.一
个平衡、稳定的生态系统生产健康、优良的高等
植物.反之,将对植物生长带来不利影响.因此,利
用高等植物的生长状况诊断土壤污染,是土壤毒
理诊断的重要方法之一[1-5].
目前有 3 种高等植物生态毒理试验方法
[2,3,6].现已扩展到对土壤污染的评价.有关方面的
研究已有较多报道[4,7-9].关于土壤性质与污染物
毒性的剂量-效应关系的研究报道甚少[5].
本文选择 4 类典型土壤进行重金属对西红
柿种子发芽与根伸长抑制率的剂量-效应研究.
旨在通过植物毒性试验确定土壤性质与重金属
污染的剂量-效应关系.并为筛选污染土壤敏感
指标提供实验科学依据.
1 材料与方法
1.1 供试材料
1.1.1 CuSO4·5H2O, ZnSO4·7H2O, Pb(NO3)2,
CdCl2·2.5 H2O,均为分析纯.
1.1.2 生长箱,玻璃培养皿,石英沙.
1.1.3 土壤均为 0~20cm 表土.西红柿种子购自
辽宁省农业科学院种子站.土壤理化性质见表 1.
1.2 试验与方法

收稿日期：2001-02-06
基金项目：中国科学院百人计划“污染生态化学”资助项目;国家重
点基础研究发展规划(973)资助项目
5期 宋玉芳等：重金属对西红柿种子发芽与根伸长的抑制效应 391
表 1 供试土壤的理化性质
Table 1 Some physical and chemical properties of test soils
土壤类型 T-P*(%) T-K(%) K-N(%) pH值 O.M(%) CEC/100
g soils
T-Cu
(mg/kg)
T-Zn
(mg/kg)
T-Pb
(mg/kg)
T-Cd
(mg/kg)
红壤 0.04 0.684 0.065 5.17 0.96 2.24 13.6 17.4 5.5 0.21
草甸棕壤 0.04 0.183 0.091 6.22 1.65 12.26 32.9 28.1 11.1 0.17
栗钙土 0.04 0.550 0.255 7.48 4.75 26.76 19.9 52.0 12.1 0.26
暗棕壤 0.06 0.718 0.430 6.40 9.76 12.22 33.7 64.8 18.2 0.18
注: * T-P总磷; T-K全钾; K-N凯氏氮; O.M有机质; CEC阳离子交换量; T-Cu, T-Zn, T-Pb和 T-Cd, 分别为全量铜、锌、铅、镉

1.2.1 种子发芽及根伸长预备试验 称取 50g
风干土壤于培养皿中,并均匀加入重金属水溶液
调节土壤含水量至最大持水量的 60%,25℃平衡
48h后,将西红柿种子播种于土壤中 25℃培养 87h.
对照种子发芽率>90%,根长 20mm时,实验结束[2].
1.2.2 正式试验 根据预备实验结果,在种子发
芽和根伸长抑制率达到 50%和 10%的浓度
IC(inhibition concentration)范围内,在与预备试验
相同条件下,进行种子发芽与根伸长培养试验,每
个处理 15粒种子,实验设 3个重复.
1.2.3 重金属测定方法 全量采用 ICP法[10],可
溶性采用AAS法[11].
2 结果与讨论
2.1 铜、锌、铅、镉单一污染对西红柿种子发
芽与根伸长抑制率
由图 1 可见,铜、锌、铅、镉对西红柿种子
发芽的抑制率远小于对根伸长的抑制率.这与重
金属对小麦试验结果相同 [12].根伸长抑制率与
铜、锌、铅、镉浓度显著负相关(P=0.05).相关系
数分别为 RCu2=0.98、RZn2=0.81、RPb2=0.90 和
RCd
2=0.81.发芽抑制率与重金属浓度相关性不显
著.其他重金属浓度与发芽抑制率不相关(P=0.05,
RZn
2=0.11;RPb
2=0.45;RCd
2=0.60).这一结果很可能
与种子发芽和根生长过程有关.种子发芽除了从
土壤中摄取必需养分外,还可从胚内获得养分供
应.根生长的全过程受土壤直接影响,对土壤污染
更敏感.这与 Kjaer的结果相似[8].
2.2 土壤与水溶液中 Cu、Pb、Zn、Cd对西红
柿根伸长抑制率
由图 2 可见,西红柿根伸长抑制率随土壤及
水溶液中重金属浓度增高而增大,并呈明显线性
关系(P=0.05),以铜为例,相关系数分别为R1=0.94,
R2=0.91,R3=0.98,R4=0.97,R5=0.96 (其中 1,2,3,4,5
分别代表水溶液、红壤、草甸棕壤、栗钙土和暗
棕壤).
图 1 草甸棕壤中 Cu、Zn、Pb、Cd污染对西红柿种子发芽与根伸长抑制率比较
Fig.1 Comparisons of Cu, Pb, Zn and Cd pollution on the inhibition rates of seed germination and
root elongation of tomatoes in meadow brown soils
■ 根伸长 □ 发芽

重金属水溶液对西红柿根伸长抑制率明显 高于其在土壤中的抑制率,以石英砂进行相关试
(b)
0
10
20
30
40
50
60
200 400 450 500 600
Zn(mg/kg)
(c)
0
20
40
60
80
300 600 1200 1600
Pb(mg/kg)
(a)
0
20
40
60
抑
制
率
( %
)
100 150 250 300 350 450
Cu(mg/kg)
(d)
0
10
20
30
40
50
60
30 50 100 250 300 350 400
Cd(mg/kg)
392 中 国 环 境 科 学 21卷
验结果与水溶液相同.这表明,土壤对重金属污染
有很强的缓冲作用.由图 2~图5可见,西红柿根伸
长抑制率明显受土壤类型影响,结果使 Cu、Zn、
Pb、Cd在 4种土壤中对根伸长抑制的 IC值显著
不同.

排序为红壤>>草甸棕壤>栗钙土>暗棕壤.例如,
Cu在红壤中对西红柿根伸长抑制 IC值分别比其
他 3种土壤低 8.3,14.3和 42.3倍.不同重金属对土
壤类型的敏感程度不同,依次为 Cu>Zn>Pb>Cd.
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
200 450 600 1200 1800 2800
Zn(mg/kg)
抑
制
率
( %
)
(a)
0
20
40
60
80
1 5 10 100 300
抑
制
率
( %
) 水溶液
红壤
图 3 水溶液和土壤 Zn污染对西红柿根伸长抑制率比较
Fig.3 Comparisons of zinc pollution on the inhibition rates
of root elongation of tomatoes in water
solution and soils
(b)中■ 草甸棕壤 □ 栗钙土 ▓ 暗棕壤
(a)
0
20
40
60
80
1 3 5 10 15 20 30 40 50
抑
制
率
( %
) 水溶液 红壤
(b)
0
20
40
60
80
150 300 450 650 900 12001600
Cu(mg/kg)
抑
制
率
( %
)
图 2 水溶液和土壤Cu污染对西红柿根伸长抑制率比较
Fig.2 Comparisons of copper pollution on the inhibition
rates of root elongation of tomatoes in water
solution and soils
(b)中■ 草甸棕壤 □ 栗钙土 ▓ 暗棕壤
(a)
0
20
40
60
80
5 50 80 400 1000
抑
制
率
( %
) 水溶液
红壤
(b)
0
10
20
30
40
50
60
70
200 400 800 1200 1600 2500
Pb(mg/kg)
抑
制
率
( %
)
图 4 水溶液和土壤 Pb污染对西红柿根伸长抑制率比较
Fig.4 Comparisons of lead pollution on the inhibition
rates of root elongation of tomatoes in water
solution and soils
(b)中■ 栗钙土 □ 草甸棕壤 ▓ 暗棕壤
(a)
0
10
20
30
40
50
60
70
3 8 30 60 90 200
抑
制
率
( %
) 水溶液
红壤
(b)
0
10
20
30
40
50
60
30 200 350 1100 1500
Cd(mg/kg)
抑
制
率
( %
)
图 5 水溶液和土壤Cd污染对西红柿根伸长抑制率比较
Fig.5 Comparisons of Cadmium pollution on the inhibition
rates of root elongation of tomatoes in water
solution and soils
(b)中■ 草甸棕壤 □ 栗钙土 ▓ 暗棕壤
5期 宋玉芳等：重金属对西红柿种子发芽与根伸长的抑制效应 393
2.3 土壤理化性质与重金属污染对西红柿根伸
长抑制率的相关性
分别以铜、锌、铅、镉对西红柿根伸长抑制
的 IC50 值与土壤有机质、土壤氮、磷、钾含量
及土壤pH值进行相关性分析.结果表明,土壤有
机质、土壤凯氏氮、全钾含量与4种重金属对西
红柿根伸长抑制 IC50值显著线性负相关(P=0.05,
表 2).土壤磷含量、土壤pH值对西红柿根伸长抑
制率与重金属含量不相关(P=0.05,表 2).

表 2 土壤某些理化性质与 IC50%的相关性*
Table 2 Correlation between some physical and
chemicals properties and IC50% in soils
IC50%
元素
R2 OR R
2
K-N R
2
T-K R
2
T-P R
2
pH
Cu 0.96 0.92 0.90 0.13 0.14
Zn 1.00 0.99 0.80 0.21 0.24
Pb 0.94 0.90 0.87 0.09 0.15
Cd 0.98 0.96 0.84 0.14 0.21
注: *显著性水平, P=0.05

这一结果与龚平等人的报道相近[13].由图 2
可见,酸性红壤条件下,重金属对西红柿根伸长
抑制率明显高于其他微酸性和中性土壤.但表 2
相关系数与此相驳.对此可从两方面分析.第
一,pH值对土壤重金属的生态毒性效应有影响,
但影响程度与水体不同;第二,重金属的生态毒
性效应受土壤理化性质的综合影响,其结果降低
了pH值对土壤重金属的毒性效应.本实验中,红
壤pH值偏低,其他3种土壤的有机质和氮含量明
显高于红壤.高含量的有机质和养分,导致土壤
重金属生态毒性明显降低.
2.4 Cu、Zn,、Pb、Cd 复合污染对西红柿根伸
长抑制率
由表 3 可见,重金属单一与复合污染的生态
毒性效应不同.在 Cu、Zn 单一污染产生刺激效
应(Cu 20mg/kg;Zn 25mg/kg),以及 Pb、Cd产生抑
制效应的浓度 (Pb 30mg/kg;Cd 5mg/kg)范围
内,Cu、Zn、Pb、Cd复合污染产生明显的拮抗效
应.当重金属复合污染的毒性阈值提高时毒性效
应减弱.进一步提高 Cu、Zn、Pb、Cd的浓度 3~4
倍,复合污染产生协同效应(表 3),重金属复合污
染对小麦根伸长均产生协同效应.有关重金属复
合污染的生态毒性效应,Ince[7]曾进行了 Zn、Cu,、
Co和 Cr两-两元素复合污染生态毒性效应研究
发现,复合污染多表现为协同作用,其次为拮抗作
用.

表 3 草甸棕壤中 Cu、Zn、Pb和 Cd单一与复合污染条件下对西红柿根伸长抑制率(%)
Table 3 Inhibition rates of Cu, Zn, Pb and Cd (in single and combined form) on root elongation of tomatoes
in meadow brown soils (%)
Cu(mg/kg) A* Zn(mg/kg) B Pb(mg/kg) C Cd(mg/kg) D Cu+Zn+pb+cd(mg/kg) A+B+C+D 效应
20 -3 25 -15 30 8.0 5 14.0 20+25+30+5 -5 拮抗
30 -2 50 -12 70 10.0 10 15.0 30+50+70+10 6.2 拮抗
70 5.0 100 -6 100 12.3 20 16.0 70+100+100+20 16.2 协同
150 13.7 200 12.4 300 16.7 30 18.0 150+200+300+30 26.3 协同
注: *A, B, C, D土壤 Cu, Zn, Pb, Cd单一污染对根伸长的抑制率,A+B+C+D土壤 Cu, Zn, Pb, Cd 复合污染对根伸长抑制率

3 结论
3.1 以高等植物根伸长抑制率进行土壤毒理研
究,是土壤毒理诊断的重要方法之一.
3.2 选择 4 类典型土壤进行重金属对西红柿种
子发芽与根伸长抑制率研究,确定了土壤对重金
属污染的缓冲效应.土壤有机质和土壤氮、钾含
量与重金属污染对西红柿根伸长抑制率显著负
相关.pH 值对土壤重金属污染的毒性作用受土
壤理化性质综合作用影响.
3.3 重金属在 4 种土壤中的生态毒性与生物可
利用性明显不同.顺序为:红壤>>草甸棕壤>栗钙
394 中 国 环 境 科 学 21卷
土>暗棕壤.
3.4 重金属复合污染主要表现为拮抗作用和协
同作用.

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作者简介：宋玉芳(1954-),女,辽宁沈阳人,博士,中国科学院沈阳应
用生态研究所副研究员,主要从事陆地生态系统生态过程污染生态
学研究.现主要从事研究的课题有科学院百人计划污染生态化学项
目,科学院知识创新项目,国家自然科学基金项目及中德国际合作研
究项目.参与著作编写 3部,发表论文 30余篇.



野外试验表明树林作为碳汇的作用有限

美国杜克大学进行的 6 年受控试验的结果表明,森林不是二氧化碳无限制的汇(sink).发表在“自然”杂志上的
论文[Nature,411,469(2001)]称,松树在富含 CO2 的气氛下先是生长得快,然后就会慢下来,除非在土壤中增加肥料.还
有,虽然森林土地上树叶量和分解量增加,在较深的土壤中碳的积累却不多[Nature,411,466(2001)].研究人员认为,指
望以这种方式的碳隔离来抵消大气中 CO2的增加是“过于乐观”.
杜克大学自由空气 CO2富集(FACE)项目负责人、生物地球化学教授William Schlesinger说:“我们曾指望树木
生长和土壤碳储存在富CO2含量的气氛下会增加.令人惊讶的是土壤营养物的有限供给消除了这种反应.而试验前 3
年土壤碳输入增加没有导致更多的土壤碳储存.大部分碳被分解.”他还说:“希望能看到在高 CO2、高温度下或者
高 CO2、高氮情况下碳储存的状况.”

江 刚 摘自《Chemical & Engineering News》, May 28,10(2001)