全 文 ：冶炼厂污灌区土壤铜和锌污染与土壤酶活性 3
王广林1 ,2 　王立龙1 　王育鹏1 　刘登义1 3 3
(1 安徽师范大学生命科学院 ,芜湖 241000 ;2 皖西学院生物系 ,六安 237000)
【摘要】　通过对冶炼厂污灌区土壤和水稻中 Cu、Zn 含量分析以及土壤酶活性的测定 ,研究了距冶炼厂不
同距离土壤 Cu、Zn 含量状况、水稻对它们的吸收和分配以及土壤酶活性的变化. 结果表明 ,冶炼厂造成了
周围农田土壤的 Cu、Zn 污染 ,其中 Cu 污染较严重 ,距离冶炼厂 100 m 处的全量和提取态 Cu 分别为
182145 和 81191 mg·kg - 1 ,是对照的 1013 和 35 倍. 污灌区水稻各器官 Cu、Zn 的分布规律是 ,Cu :根 > 茎叶
> 米 ;Zn :茎叶 > 根 > 米. Zn 在水稻体内的移动能力大于 Cu ,Cu 主要累积在水稻根部 ,根可作为一种屏障
阻碍 Cu 向地上部分迁移 ,使地上部分免受其害. 水稻茎叶 Cu 含量和土壤中 Cu 的浓度密切相关. 对蔗糖
酶、过氧化氢酶和脲酶活性测定表明 ,脲酶活性变化最显著 ,其活性与土壤中 Cu 的浓度显著相关 ,建议用
脲酶活性作为污灌区 Cu 污染指标.
关键词 　土壤2水稻系统 　重金属 　土壤酶
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 02 - 0328 - 05 　中图分类号 　X53 　文献标识码 　A
Cu and Zn pollution and soil enzyme activities in sewage irrigation area near smeltery. WAN G Guanglin1 ,2 ,
WAN G Lilong1 , WAN G Yupeng1 ,L IU Dengyi1 ( 1 College of L if e Science , A nhui Norm al U niversity , W uhu
241000 , China ;2 Depart ment of Biology , West A nhui U niversity , L u’an 237000 , China) . 2Chin. J . A ppl .
Ecol . ,2005 ,16 (2) :328～332.
This paper studied the Cu and Zn status in soil and rice plant as well as the soil enzyme activities in the sewage ir2
rigation area near a smeltery. The results showed that the soils near the smeltery were polluted. The soil total and
extractable Cu contents at the distance of 100 m were 182. 45 and 81. 91 mg·kg - 1 , respectively ,9. 3 and 34
times higher than the control. The Cu concentration in different parts of rice was in order of root > leaf and stem
> grain ,while the Zn concentration was in order of leaf and stem > root > grain. Zn was more mobile than Cu
which was likely to accumulate in rice root . It was considered that root could act as a barrier which retarded the
upwards transport of Cu and protected the above ground parts of rice from toxication. The Cu contents of rice
stem and leaf had a significant correlation with soil Cu contents in the sewage irrigation area. Among the three
test enzymes ,urease was the most sensitive one to Cu ,and its activity had a significant correlation with soil Cu
content . Therefore ,it is feasible to use soil urease activity as an indicator of soil Cu pollution in sewage irrigation
area near the smeltery.
Key words 　Soil2rice system , Heavy metal , Soil enzyme.3 国家自然科学基金项目 (30470270) 、国家重点基础研究发展规划
项目 (2004CB418503)和重要生物资源保护与利用研究安徽省重点
实验专项基金资助项目.3 3 通讯联系人.
2004 - 04 - 22 收稿 ,2004 - 08 - 25 接受.
1 　引 　　言
随着工农业的发展 ,大量含有重金属的废水、废
渣通过各种途径污染农田. 重金属是一类具有潜在
危害的重要污染物[21 ] . 由于其在土壤2植物系统中
产生污染的过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的
特点[19 ] ,所以当重金属通过在土壤2植物中迁移转
化 ,经过食物链的积累和放大作用 ,将对生物产生更
大毒害. 目前 ,我国受重金属污染的耕地面积已近
210 ×107 hm2 ,占全国耕地总面积的近 1/ 5[22 ] . 每年
因超过食品卫生标准造成的农产品损失达 150 亿
元 ,畜产品损失 160 亿元. 加入世贸组织后 ,农产品
市场国际化及“绿色食品”、“有机食品”、“安全食品”
的兴起 ,使重金属污染问题研究日益受到重视.
在评估重金属土壤污染的环境质量时 ,一般采
用重金属的总量和有效量指标. 然而 ,总量指标难以
反映土壤重金属的生物有效性 ,而有效量指标又受
测定方法等诸多因素限制 ,可比性较差. 土壤酶是一
种生物催化剂 ,它参与土壤系统中诸多重要代谢过
程[6 ,12 ] . 土壤酶活性易受环境中物理、化学和生物
因素的影响. 环境污染条件下土壤酶活性变化很大 ,
可以在一定程度上反映环境状况[3 ,5 ,11 ,14 ,20 ] . 近年
来先后提出了脲酶、转化酶、过氧化氢酶等重金属污
染指标[7 ,17 ] ,本研究以安徽省芜湖市冶炼厂附近污
灌农田为例 ,探讨土壤的重金属污染物含量、水稻对
相关重金属的积累及土壤酶活性特征 ,以及利用土
应 用 生 态 学 报 　2005 年 2 月 　第 16 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2005 ,16 (2)∶328～332
壤酶活性指示环境重金属污染程度的可行性 ,为制
定工业污染物的排放标准 ,合理规划农业布局以及
制定农业生态环境保护政策提供科学依据.
2 　研究地区与研究方法
211 　自然地理概况
芜湖市地处长江沿江平原丘陵区 ,年均气温 1517～
1610 ℃,降雨量 1 19811～1 41312 mm ,以 6 月最多 ,平均
200～300 mm ,12 月最少 ,仅 35～60 mm ,无霜期 220～240
d. 芜湖冶炼厂位于市北郊 ,以冶炼铜为主 ,西临长江 ,北为其
污灌农业区 ,其排污口污水总 Cu 1196 mg·L - 1 ,总 Zn 1139
mg·L - 1 .
212 　样品采集
在污灌区设 6 个样区 ,分别距冶炼厂 100、200、400、800、
1 600 和 3 000 m. 另选 10 km 外的无污染农业区作为对照
(CK) . 每样区均选取多个样点组成 1 个混合样 ,取 0～20 cm
表层土和同位水稻植株. 土样装入无菌塑料袋 ,室内自然风
干后研磨、过 120 号筛备用. 采集成熟期 (9 月) 水稻 (国丰一
号)植株 ,各器官用自来水和无离子水冲洗、烘干、研磨、过
50 号筛备用.
213 　分析方法
测定土壤的 p H 值、EC 值以及 N、P、K[8 ,9 ] ;土样经硫酸2
高氯酸消化后 ,火焰原子吸收光谱法测 Cu 和 Zn 全量 [8 ] ;土
样用 011 mol·L - 1 HCl 提取后火焰原子吸收光谱法测提取态
Cu 和 Zn 的含量[8 ] . 植物用湿灰化法即三酸 ( HNO32H2 SO42
HClO4)消化后火焰原子吸收光谱法测定重金属 Cu 和 Zn 的
含量[9 ] .
214 　土壤酶活性测定
蔗糖酶采用 0105 mol·L - 1 Na2 S2O3 滴定法[2 ] ,以 1 g 土
壤培养 24 h 后消耗 0105 mol·L - 1 Na2 S2O3 的毫升数表示 ;
过氧化氢酶采用 011 mol·L - 1 KMnO4 容量法测定[2 ] ,以 20
min 后 10 g 土壤消耗的 011 mol·L - 1 KMnO4 的毫升数表
示 ;脲酶采用苯酚钠比色法测定 [2 ] ,以 24 h 内 100 g 土壤中
的 NH32N 的毫克数表示.
3 　结果与分析
311 　土样的基本理化性质
土壤 p H 值随着距冶炼厂距离的增加而由酸性
渐变为中性 ,土壤的 EC 值在 100 m 处为 177μS·
cm - 1 ,是 3000 m 处的 1. 8 倍. 可见冶炼厂污水灌溉
已明显使周围土壤酸化 , EC 值增高. 而 p H 值的大
小可显著影响土壤中重金属的存在形态和土壤对重
金属的吸附量. 由于土壤胶体一般带负电荷 ,而重金
属在土壤2农作物系统中多以阳离子的形态存在 ,因
此 ,一般来说 ,土壤 p H 值越低 , H + 越多 ,重金属被
解吸的越多 ,其活性就越强 ,从而加大了土壤中重金
属向生物体内迁移的数量.
表 1 　供试土壤的化学性质
Table 1 Chemical properties of test soil ( mg·kg - 1)
土样号
Sample No.
1 2 3 4 5 6 CK
距离 Distance (m) 100 200 400 800 1600 3000 10000
全 N Total N ( %) 01174 01196 01218 01177 01158 01112 01168
全 P Total P( P2O5 %) 01116 01091 01118 01110 01094 01137 01120
全 K Total K (mg·kg - 1) 1109 ×104 1108 ×104 9191 ×103 8186 ×103 9113 ×103 1109 ×104 9139 ×103
p H 5182 6105 6141 6128 6160 6165 7136
电导率 EC (μS·cm - 1) 177 146 135 125 118 96 94
全量 Cu Total Cu 182145 103160 89105 47192 46190 32180 17170
全量 Zn Total Zn 98143 54177 49195 42117 44118 40190 40190
提取态 Cu Extractable Cu 81191 48175 39180 20119 19114 8192 2131
提取态 Zn Extractable Zn 18122 6158 7128 7188 6117 8119 4155
312 　土壤 Cu、Zn 污染状况
由表 1 可见 ,随着采样点离冶炼厂距离的增加 ,
土壤 Cu、Zn 全量和提取态含量都明显的降低 ,1 号
样 Cu 的全量和提取态含量分别是对照的 1013 和
35 倍 ; Zn 的全量和提取态含量分别是对照的 214
和 4 倍 ,说明冶炼厂污灌区农田土壤明显地受到了
Cu、Zn 的污染. 和土壤环境质量二级标准比较 ( Cu
≤100 mg·kg - 1 , Zn ≤250 mg·kg - 1 ) ( GB156182
1995) ,1、2 号样 Cu 含量超标 ,其中 1 号样 Cu 是土
壤环境质量二级标准的 118 倍 ,其提取态 Cu 占全
量 Cu 的 4419 %. 说明冶炼厂酸性的含 Cu 废水是造 成污染的主要原因 ,这也是污灌区土壤的 p H 值偏低 ,EC 值偏高的原因.313 　Cu、Zn 在水稻体内不同部位的累积和分布重金属进入水稻根部后首先与蛋白质、多糖类和核酸等结合 ,然后向植物地上部分迁移[13 ] . 目前的研究认为 ,作物在重金属胁迫下会通过回避机制减少对重金属的吸收 ,抗性机制加强对重金属的耐受性 ,代谢机制减少对重金属积累和消除其毒性. 为了说明元素在作物体内的移动趋势 ,通常利用吸收系数来说明重金属元素在作物体内的行为过程. 所谓吸收系数是指作物某器官累积元素的浓度与土壤
9232 期 　　　　　　　　　　　　王广林等 :冶炼厂污灌区土壤铜和锌污染与土壤酶活性 　　　　　　　　　　　
中该元素浓度之比 ,它可代表作物系统中元素移动
的难易程度.
由表 2 可见 ,Cu 在水稻体内的分布规律是根 >
茎叶 > 米 ,根的平均吸收系数是茎的 515 倍、叶的 6
倍、米的 1616 倍 ,说明根系在向上部输送营养时对
Cu 产生明显的截留作用 ,从而可作为一种屏障使
Cu 难于向地上部分迁移 ,使地上部分免受其害. Zn
的分布规律是茎叶 > 根 > 米 ,茎的平均吸收系数是
根的 114 倍、叶的 213 倍、米的 414 倍 ,说明 Zn 极易
向水稻上部迁移积累.
　　Cu、Zn 在水稻各器官的吸收系数比值 (污灌区
均值) , Cu 为根 :茎 :叶 :米 = 1616 : 3 : 218 : 1 ; Zn 为
根 :茎 :叶 :米 = 3111 :4143 :1190 :1 ,可见它们在水稻
体内的迁移能力为 Zn > Cu. 这一结论与许嘉琳
等[16 ]的水稻幼苗同位素实验所得结论一致. 一般认
为 ,Zn 的吸收是主动过程 ,受控于代谢机制 ,但可能
也有非代谢的被动吸收存在 ,尤其对于生长在高锌
土壤中的作物. 根系吸收的大多数锌被结合到可溶
性的低分子量蛋白质上由木质部运输到作物的其他
部位. 作物中一半以上的锌是与带负电荷的复合体
结合而存在 ,使得锌具有较强的移动性. Cu 是作物
生长的必需营养元素之一 ,但在自然条件下 ,很少有
游离铜离子可被作物从土壤溶液中吸收[1 ] . 尽管作
物根对 Cu 的吸收机制还远未弄清 ,但有关研究充
分证明作物可以被动吸收 Cu ,这一吸收机制可能是
作物吸收 Cu 的能力相对较弱的原因.
同一元素在不同样点水稻体内的吸收系数不
同 ,表现为土壤重金属浓度高的近冶炼厂处吸收系
数较小 ,但从绝对吸收积累量看 ,土壤浓度高的积累
的重金属多 ,说明水稻对重金属元素的吸收受生理
功能的影响而有一定的限量 ;也可能是因为有毒元
素在土壤溶液中浓度过高时 ,会对根毛表皮细胞产
生毒害作用 ,导致根系元素吸收功能下降. 研究表
明 ,Cu、Zn 过多引起植物中毒所表现的失绿症影响
作物的生长发育[1 ] . 另外 ,各测试样点米中 Cu 浓度
均超过国家规定的含量限定标准 Cu ≤10 mg·kg - 1
( GB15199294) ,应引起当地有关部门的重视.
从总量上看 ,随着土壤中重金属含量的增加 ,农
作物体内各部分的累积量也相应增加. 而不同形态
的重金属在土壤中的转化能力不同 ,对农作物的生
物有效性亦不同. 按 Tessler 的连续提取法 ,重金属
的存在形态可分为提取态、碳酸盐结合态、铁锰氧化
物结合态、有机结合态和残渣态 . 提取态的重金属
表 2 　水稻植株不同部位重金属浓度( mg·kg - 1)及吸收系数
Table 2 Concentrations of heavy metals in different parts of paddy plants ( mg·kg - 1) and their absorption coeff icients( AC)
1 2 3 4 5 6 平均 Average CK
Cu 根 Root 401156 361157 388122 377100 311152 240155 346174 111152
AC根 2120 3149 4136 7187 6164 7133 513 6130
茎 Stem 92150 64190 62147 60134 57142 47170 64122 15186
AC茎 0151 0163 0170 1126 1122 1145 0196 0189
叶 Leaf 72123 68115 61189 50186 49110 48155 58146 43144
AC叶 0139 0166 0169 1106 1105 1148 0189 2145
米 Grain 32186 39107 34140 15188 13197 11140 24159 11197
AC米 0118 0138 0139 0133 0129 0135 0132 0168
Zn 根 Root 160165 147112 123190 102178 109195 70165 119118 62125
AC根 1163 2169 2148 2144 2149 1173 2124 1154
茎 Stem 217108 238115 187178 179132 104185 90135 169159 81115
AC茎 2120 4135 3176 4125 2137 2121 3119 2101
叶 Leaf 86120 79143 68192 65157 65197 58180 70182 31176
AC叶 0188 1145 1138 1155 1149 1144 1137 0179
米 Grain 39110 41194 37179 37196 33159 29165 36164 29108
AC米 0139 0177 0176 0190 0176 0172 0172 0172
表 3 　土壤中不同态 Cu、Zn 浓度( X)与水稻各器官 Cu、Zn 浓度( Y)回归分析
Table 3 Regression analysis of Cu and Zn concentration in soils and different parts of paddy plants
Cu 回归方程
Regression equation
相关系数 (r)
Correlation coefficient
Zn 回归方程
Regression equation
相关系数 (r)
Correlation coefficient
提取态 Y根 = 286164 + 11649x r根 = 01725 Y根 = 821474 + 41130x r根 = 01589
Extractable Y茎 = 441475 + 01542x r茎 = 01957 3 3 Y茎 = 1231067 + 51235x r茎 = 01404
Y叶 = 441964 + 01370x r叶 = 01951 3 3 Y叶 = 561970 + 11558x r叶 = 01711
Y米 = 111504 + 01359x r米 = 01788 Y米 = 341355 + 01261x r米 = 01275
全量 Y根 = 2831908 + 01750x r根 = 01686 Y根 = 551519 + 11156x r根 = 01782
Total Y茎 = 421315 + 01261x r茎 = 01962 3 3 Y茎 = 851618 + 11525x r茎 = 01558
Y叶 = 431820 + 01164x r叶 = 01934 3 3 Y叶 = 481604 + 01403x r叶 = 01874 3
Y米 = 101827 + 01164x r米 = 01751 Y米 = 311736 + 01090x r米 = 014493 P < 0105 ; 3 3 P < 0101.
033　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
(包括溶解态的重金属) 迁移能力最强 ,具有生物有
效性 ,有的研究中称其为有效态. 从我们对水稻各器
官 Cu、Zn 浓度与土壤中不同态 Cu、Zn 浓度进行的
回归分析 (表 3 ,本文所有数据分析均不包括对照)
表明 ,水稻茎、叶 Cu 浓度与土壤中 Cu 的浓度密切
相关 ,而与土壤中提取态 Cu 的相关性多数大于与
全量 Cu 的相关性. 有资料报道 ,农作物中 Cu 的积
累与土壤中的全量 Cu 无明显的相关关系[15 ] . 我们
的研究表明 ,水田生长的水稻中的 Cu 积累与土壤
中 Cu 的浓度有关 ,其原因可能是水的存在利于水
稻对 Cu 的吸收 ;另外 ,也和土壤中提取态 Cu 较高
有关.
314 　土壤酶活性
土壤酶在土壤系统的物质和能量转运过程中起
着不可忽视的作用 ,蔗糖酶活性可以反映土壤中碳
的转化和吸收强度 ;脲酶和氨的产生有关 ;过氧化氢
酶能分解过氧化氢. 它们对重金属十分敏感 ,因此可
作为土壤污染的指标之一. 土壤过氧化氢酶、脲酶和
蔗糖酶活性见表 4.
表 4 　土壤酶活性
Table 4 Soil enzyme activities
1 2 3 4 5 6 CK
蔗糖酶 Sucrase 5108 6112 6121 5167 6181 6120 6114
脲酶 Urease 8160 11120 1118 16140 1718 1918 2418
过氧化氢酶 Catalase 1107 1131 1139 1137 1134 1114 1124
　　我们对它们进行了 t 检验 ,脲酶的 t 值为 5.
911 , P < 0101. 可见污灌区脲酶活性和对照具有显
著差异 ,对重金属污染敏感 ,而蔗糖酶和过氧化氢酶
与对照差异不显著. 脲酶活性与土壤中 Cu、Zn 全量
和提取态含量的相关分析表明 ,其和 Cu 的全量和
提取态含量均呈极显著负相关 ,相关系数分别为 -
01926 ( P < 0101) 和 - 01949 ( P < 0101) ;脲酶和 Zn
的相关性不明显. 这说明脲酶对 Cu 的污染非常敏
感 ,特别是对提取态 Cu ,其活性大小能够反映土壤
的 Cu 污染程度. 这一结果与史长青[10 ]的研究结果
一致. 土壤酶活性改变可能发生在多个环节上 ,污染
物直接作用于酶分子本身 ,改变酶的构象 ,使酶的活
性中心受抑制 ;污染物干扰了土壤微生物的种类组
成、生物量和活性 ,从而改变了土壤微生物分泌、释
放和修饰酶的强度 ;污染物影响到作物的代谢活力 ,
使根分泌、释放酶的能力受影响 ;污染物改变了土壤
中某些化感物质的浓度和活性 ,而化感物质对土壤
酶活性有影响[18 ]等等. 本研究中 Cu 污染使脲酶活
性显著改变 ,这种改变究竟发生在哪一个或几个环
节上还需要进一步研究.
　　另外 ,重金属对土壤酶活性的影响因土壤类型、
重金属种类、浓度以及土壤酶的种类而异[4 ] . 如何
寻找一个敏感的、普适的指标 ,而无需对土壤的多个
参数进行测定和对多种处理进行比较 ,既是土壤酶
学研究的主要努力方向之一 ,也是土壤重金属污染
监测的重要课题.
4 　结 　　论
411 　冶炼厂污水灌溉造成了附近农田的 Cu、Zn 污
染 ,其中 Cu 的污染较严重 ,并一定程度地导致了土
壤的酸化.
412 　水稻对 Cu 的累积是根 > 茎叶 > 米 ,对 Zn 的
累积是茎叶 > 根 > 米 ;相比较而言 ,水稻对 Cu、Zn
的转运能力是 Zn > Cu. 根作为一种屏障使 Cu 难于
向上部迁移 ,使地上部分免受其害 ;水稻茎、叶和土
壤中 Cu 的浓度密切相关 ;应该注意的是各样点米
中 Cu 含量的超标现象.
413 　本文的研究结果显示脲酶对重金属 Cu 污染
敏感 ,其活性大小与土壤中 Cu 的全量和提取态含
量相关性显著 ,可用来指示农田土壤是否受到 Cu
污染以及污染的相对程度.
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作者简介 　王广林 ,男 ,1970 年生 ,在职硕士生 ,现主要从事
污染生态学的研究 ,已发表论文 4 篇. E2mail : lgw93 @sina.
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