全 文 ：土壤2植物系统污染生态学研究与展望 3
周启星 3 3 　孙铁珩
(中国科学院沈阳应用生态研究所陆地生态过程重点实验室 ,沈阳 110016)
【摘要】　为了促进土壤2植物系统污染生态学这门新兴学科的进一步健康发展与学科建设并在今后国家
层面上发挥越来越重要的作用 ,本文回顾了该领域一些具有开端意义的工作与早期研究 ,并对其学科定义
与内涵的发展和基本原理与研究方法的进展给予了追踪 ,进而就该学科的主要任务和主体研究内容以及
今后进一步发展进行了阐述与展望.
关键词 　污染生态学 　学科建设 　土壤2植物系统 　污染生态过程 　食物链安全
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1698 - 05 　中图分类号 　Q948. 3 　文献标识码 　A
Progress in pollution ecology of soil2plant systems and its expectation. ZHOU Qixing ,SUN Tieheng ( Key L abo2
ratory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (10) :1698～1702.
In order to promote the further healthy development and disciplinary construction of the rising discipline pollution
ecology of soil2plant systems and give full play to its more and more important role in solving environmental pol2
lution and food2chain safety at the national level ,this paper reviewed the inceptive work and early researches in
this scientific area , traced the development of disciplinary definition and connotation , and basic principles and
methods ,and expounded and prospected the scientific mission ,principal research contents and future development
of this subject .
Key words 　Pollution ecology , Disciplinary construction , Soil2plant system , Pollution2ecological process , Food2
chain safety.
3 国家自然科学基金重点项目 (20337010)和中国科学院知识创新工
程重要方向项目 ( KZCX2SW2416) .3 3 通讯联系人.
2004 - 02 - 02 收稿 ,2004 - 04 - 13 接受.
1 　引 　　言
随着土壤环境污染及其对植物体 (主要是农业
作物)特别是对土壤2植物生态系统结构与功能胁迫
效应的不断发生以及农产品安全问题的日益暴露 ,
土壤2植物系统污染生态学在研究解决这些问题的
过程中得以产生、成形和不断发展[6 ,15 ] . 尤其是 ,它
把土壤2植物系统作为其明确的研究对象[6 ] ,因而首
先是一门具有独立性的应用性很强的实验科学. 也
就是说 ,土壤2植物系统污染生态学只有在解决土壤2植物系统所出现的各种环境污染与农产品安全等
现实问题上通过不断地科学实验和系统地归纳总
结[12 ,26 ] ,才能显示其强大的生命力.
近年来 ,随着西方发达国家点源污染得到逐渐
控制和有效治理 ,非点源污染在国际上已经提到议
事日程上来[28 ] ,土壤2植物系统污染生态学在国际
大好环境下面临着新的发展机遇和挑战. 不仅如此 ,
随着人民生活水平的不断提高 ,人们不仅要在数量
上吃饱 ,还要在质量上吃好. 为了改善农业土壤环境
质量 ,强化食物链安全体系 ,修复被污染的土壤2植
物系统 ,杜绝污染农产品的生产和产出 ,防止土壤污
染物进入农业生态系统 ,土壤2植物系统污染生态学 任重道远[1 ,14 ,15 ,26 ] .2 　土壤2植物系统污染生态学的开端与早期研究20 世纪 30～60 年代 ,特别是在第二次世界大战以后 ,美国、英国、日本、法国和德国等国家工业突飞猛进 ,“三废”大量排放 ,是这些工业发达国家污染事件频繁发生的时期 ,相继出现了马斯河谷烟雾事件、富山事件、洛杉矶光化学烟雾事件、多诺拉烟雾事件、伦敦烟雾事件、水俣事件、四日事件和米糠油事件等举世震惊的污染事件 ,其影响之深、危害之大 ,是前所未有的 ! 人们发现 ,环境污染导致危害的对象不仅仅局限于人类本身 ,在一定程度上可能首先受害的是植物、动物和微生物 ,特别是那些受到危害的农作物 ,不仅是污染直接危害的“端点”,也是进一步产生污染危害的“起点”,因为能够通过食物链传递 ,最终影响到人体健康. 于是 ,人们开展了土壤2植物系统污染及其生态效应问题为核心的调查和研究 ,从传统毒理学角度探讨污泥的土地应用、工业污
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1698～1702
水灌溉以及土壤环境污染对农作物生长发育与产量
影响的毒理效应入手 ,并从植物与污染土壤相互之
间关系的角度对土壤2植物系统中污染的发生、演化
和迁移转化进行研究[6 ,9 ,11 ,18 ] ,这些工作应该属于
土壤2植物系统污染生态学研究的开端.
我国的土壤2植物系统污染生态学研究最早可
追溯到 20 世纪 60～70 年代. 在这个萌芽时期 ,最有
代表性的论文是高拯民先生于 1964、1965 年分别发
表在《原子能科学技术》和《土壤学报》的 2 篇题为
“植物吸收土壤中90Sr 的基本研究”和“土壤2植物体
系放射生态学研究”的学术论文[4 ,5 ] ,探讨了进入土
壤中的放射性90 Sr 污染对植物生长发育的影响. 这
一时期直至 1973 年我国环境保护事业在国家层面
上得到重视 ,中国科学院沈阳应用生态研究所 (原林
业土壤研究所)一些原来从事土壤、森林、植物、微生
物、分析化学和示踪同位素应用等方面的研究人员 ,
根据当时我国东北老工业基地环境污染的快速恶化
和当地社会与经济发展的需求 ,调整研究方向 ,依托
原有老学科基础 ,在土壤2植物系统污染生态学研究
领域进行了具有开拓性的探索 ,这一阶段的工作特
色是对不合理污水灌溉及其污染危害进行了调查、
研究和评价.
到了 20 世纪 70 年代后期 ,沈阳应用生态研究
所由于具有 10 多年在土壤2植物系统污染生态学领
域多学科交叉研究的基础 ,加之中国科学院的全面
支持 ,该研究所成立了污染生态研究室 ,这标志着我
国土壤2植物系统污染生态学学科的诞生. 特别是
1986 年 ,高拯民、孙铁珩主编的其内容涉及土壤环
境污染与防治、土壤环境容量与质量基准、土壤背景
调查研究、土壤环境质量评价与生物检测、土壤环境
微生物生态、土壤环境分析化学与测试技术和同位
素技术应用等 7 个方面的学术专著《土壤2植物系统
污染生态研究》[6 ]的出版 ,表明土壤2植物系统污染
生态学的研究已经走向逐渐成熟的阶段. 这一时期 ,
以高拯民、孙铁珩和冯宗炜等为代表 ,涌现了吴燕
玉、陈怀满、张学询、夏增禄、吴维中、黄会一、刘期
松、张福珠、樊德方、何增耀、买永彬、傅克文、王焕
校、张丽珊和陈涛等一大批从事土壤2植物系统污染
生态学研究的学者 ,他们对我国早期土壤2植物系统
污染生态学的研究和污染生态学学科的形成 ,起到
了最为重要的作用.
3 　土壤2植物系统污染生态学学科定义与基本内涵
无论怎么说 ,土壤2植物系统污染生态学的出现
和发展 ,首先应该归功于人们对农业环境保护工作
的重视以及环境科学的发展 ,尤其是环境科学和生
态学的相互交叉和多学科融合 ,导致了土壤2植物系
统污染生态学这一新学科的产生、成长和发展 (图
1、2) [15 ] . 至今 ,土壤2植物系统污染生态学已经经过
30 多年的发展历程. 随着这门新兴、边缘和交叉学
科的萌芽、形成与发展 ,其学科定义与内涵也经历了
不断修正和改进 ,在不断向前发展之中.
在研究的早期 (20 世纪 60～70 年代) ,人们认
为 ,土壤2植物系统污染生态学是一门应用生态学原
理研究、解决土壤环境污染问题的学科[8 ] . 根据高
拯民和孙铁珩等人早期的论述 ,土壤2植物系统污染
生态学是以陆生生态系统中的一个主要成分 ,即土
壤2植物系统尤其是土壤2农作物生态系统为研究对
象[6 ] .根据他们早期的研究与范畴 ,我们可以归纳
为 :土壤2植物系统污染生态学就是应用生态系统的
理论和方法论 ,研究和探索污染土壤与植物之间的
相互关系 ,以及污染物在土壤2植物系统中的迁移、
转化、积累和归宿以及生态效应的规律 ,从而确定土
壤环境对污染的负荷能力和植物对污染的耐受能
力 ,进而预测土壤环境的变化和趋势的一门应用生
态学的分支学科.
图 1 　污染生态学发展的三个阶段
Fig. 1 Three developmental phases of pollution ecology.
1) Ecology ; 2) Environmental sciences ; 3) Pollution ecology ; 4 ) Chem2
istry ;5) Toxicology ;6) Molecular biology.
图 2 　土壤2植物系统污染生态学的形成及其与母体学科的关系
Fig. 2 Formation of pollution ecology of soil2plant systems and relation2
ships with its matrix disciplines.
1) Pollution ecology of soil2plant systems.
996110 期 　　　　　　　　　　　　　周启星等 :土壤2植物系统污染生态学研究与展望 　　　　　　　　　　　
　　20 世纪 80～90 年代以来 ,由于土壤环境污染
日益严重 ,我国土壤2植物系统污染生态学研究得到
了较为广泛的关注[7 ] . 浙江农业大学、中国科学院
南京土壤研究所、农业部环境保护科研监测所、地理
研究所和北京师范大学、云南大学等单位相继开展
了土壤2植物系统污染生态学研究 ,主要的研究包括
土壤污染造成农作物发育障碍和产量下降、植物体
内农药积累残毒、污染物在农业食物链中的生物浓
缩与生物放大等 ,还开展了实验室的生态模拟和野
外的受控生态系统的试验 ,探索了污染物在土壤2植
物系统中的迁移和变化规律[1 ] . 1989 年 ,张志杰出
版了《环境污染生态学》一书[19 ] ;1992 年 ,云南大学
王焕校对污染生态学研究进行总结 ,出版了《污染生
态学基础》[16 ] . 在我国这一时期出版的这些“污染生
态学”专著中 ,认为土壤2植物系统污染生态学是研
究植物与受污染的土壤环境之间相互作用的机理和
规律的学科[7 ,16 ,19 ] ,它以植物与污染土壤环境之间
的关系规律为主要内容 ,其研究对象是对植物种群、
植物群落和土壤2植物生态系统的结构与功能造成
严重影响的土壤环境污染问题. 在这些定义中 ,以污
染物在植物体内的生物过程为主线 ,以植物抗性形
成和生物防治污染为重点 ,主要包括植物体对污染
物的吸收、污染物在植物体及土壤2植物系统中的迁
移与富集、污染物对植物的毒害作用机理、植物对污
染物的解害及抗性的形成、植物对长期污染胁迫条
件的生态效应与适应进化以及水2气2土污染的生物
防治措施和生态问题. 在国外大学开设的《污染生态
学》课程中 ,大多把土壤2植物系统污染生态学等同
于“研究污染物对陆地生态系统生态效应的科学”.
由于污染生态学的长期实践和不断发展[14 ,15 ] ,
土壤2植物系统污染生态学赋予了新的科学定义. 基
于生态系统的定义和污染的生态系统的基本内涵 ,
特别是该学科在理论上的突破和在实践中的发展 ,
我们可以概括地说 ,土壤2植物系统污染生态学是一
门研究植物系统与被污染的土壤环境系统之间的相
互作用规律及采用生态学原理与方法对污染的土壤
环境进行修复和治理的科学. 换句话说 ,土壤2植物
系统污染生态学有两个方面的基本内涵 :1) 土壤环
境中污染物的输入及其对植物系统的污染作用过程
和植物、土壤生物 (微生物和动物等) 对污染物的反
应及适应性 ,即土壤2植物系统污染生态过程 ;2) 人
类有意识地对污染土壤及地下水等土壤相邻环境进
行修复、治理与改造的过程 ,即污染土壤及地下水修
复生态工程.
4 　污染生态学基本原理与研究方法的进展
411 　基本原理
41111 整体优化原理 　在污染生态学研究中 ,把地
球看成是一个复杂的整体 ( Holistic) ,即生物圈 ,它
是由许许多多的生态系统所组成. 其中 ,每个生态系
统包含着物质、信息和运动 3 部分. 在污染的生态系
统中 ,物质有大气、水和土壤等介质 ,又有化学污染
物质. 而化学污染物质的运动 ,构成了污染生态系统
中主要的循环模式 ,也使得生态系统各分室之间存
在着”千丝万缕”的联系. 因此 ,对污染生态系统进行
改造和修复 ,要具有整体优化的观念. 实践表明 ,整
体优化原理完全符合系统论总体设计的思想 ,在环
境保护和生态建设中显示了强大的生命力 ,尤其在
指导生态系统污染控制、改造和修复方面 ,更是赋予
了其现实的意义.
41112 循环再生原理 　生态系统通过生物成分 ,一
方面利用非生物成分不断地合成新的物质 ,一方面
又把合成物质特别是有毒的污染物质降解为原来的
简单物质 ,并归还到非生物组分中. 如此循环往复 ,
进行着不停顿的新陈代谢作用. 这样 ,生态系统中的
物质和能量就进行着循环和再生的过程. ”循环”和”
再生”的原理有必要成为污染生态学研究的主要目
标之一. 例如 ,水的循环与再生 ,为生态系统中化学
物质和能量交换提供了基础 ,有利于水资源的保护
和可持续利用 ,而且还起到了调节气候、清洗大气和
净化环境的作用[23 ] .
41113 和谐共存原理 　由于循环与再生的需要 ,污
染的生态系统中各种植物与微生物种群之间、各种
植物之间、各种微生物之间、生物与环境介质之间和
谐共存 ,植物给根系微生物提供生态位和适宜的营
养条件 ,促进微生物的生长和繁殖 ,促使污染环境中
植物不能直接利用的那部分污染物转化或降解为植
物可利用的成分 ,反过来又促进植物的生长和发育.
土壤2植物系统污染生态学特别注重生态系统中各
组分的和谐共存 ,强调 :如果土壤2植物生态系统没
有它们的和谐共存 ,污染就不可能得到有效的治理 ,
整个系统就会崩溃 ,生命成分的持续发展就不可能
达到.
41114 区域分异原理 　生态系统在其生物学和非生
物学 (物理和化学)特征上存在着经度和纬度的地域
差异 ,从而导致污染物质在迁移转化和生态行为上
的区域分异. 这种区域分异不但表现为空间位置的
不同 ,也表现为污染物毒性、循环通量、作用时间、积
0071　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
累或降解等生态行为上的差异. 显然 ,在这方面 ,污
染的森林生态系统和污染的农田生态系统有明显差
异. 生态系统区域分异还包括时间上的分异[3 ] .
412 　研究方法的进展
41211 污染生态诊断法 　国外现在比较重视对生态
系统污染诊断指标体系 (包括物理指标、化学指标、
生物学指标、生态学指标和生态毒理学指标等) ,污
染诊断的影响因素 ,和污染生态系统诊断方法进行
研究[25 ] . 通过研究 ,目前大体上已经建立的污染诊
断方法有[24 ] :敏感植物指示法 (如症状法、生长量
法、清洁度指标法、种子发芽与根伸长抑制法、植物
生长半效应浓度法、生活力指标法和斜生栅藻法
等) 、敏感动物指示法 (鱼类回避试验法、蚯蚓指示法
和线虫指示法等) 、敏感微生物诊断法 (如微生物数
量指示法、微生物群落结构变化法和发光细菌诊断
法)和酶学诊断法等. 有关这些方法在国家层面上的
标准化 ,今后将是该领域研究的重点.
41212 污染生态分析与监测 　土壤2植物生态系统
中化学污染分析监测 ,概括地说 ,主要涉及样品前处
理、有机污染分析的色谱技术和金属污染分析的原
子吸收发射光谱技术的应用 ,而重点是样品前处理
方法的改进与标准化[10 , 15 ] . 近年来 ,在土壤2植物系
统污染生态化学分析中 ,核磁共振光谱技术 (NMR)
还得到了广泛的应用. 特别是与计算机技术和现代
统计技术相结合 ,使土壤2植物系统污染生态化学分
析与监测评价得到了迅速发展. 最为重要的是 ,化学
污染物的生态监测 ,包括群落结构研究法、生物标志
法、微生物指示法、生物积累法和生物评价法等污染
生态监测方法得到了重视和发展[24 ] .
5 　科学任务与主体研究内容
土壤2植物系统污染的必然趋势是影响人体健
康 (通过食物链)和经济收入 ,影响天气和气候 ,影响
其他资源利用和人类活动[3 ,23 ] . 因此 ,土壤2植物系
统污染生态学的科学任务是研究解决土壤2植物系
统所出现的生态环境问题 ,并提出具体的对策和解
决方法 ,尤其是消除这些负面影响. 详细地说 ,它的
主要任务是 :1)通过系统分析与综合 ,规划并设计出
最优的、高效的“土壤2植物系统”,并加以很好地利
用 ;2) 了解土壤2植物系统中物质和能量的交换过
程 ,使物质朝着良性循环的方向发展 ,而始终不会成
为污染物质或有害物质 ;3) 研究植物与土壤环境相
互依存的辨证关系 ,掌握土壤2植物系统的发展演变
规律 ,并寻求解决其矛盾的方法.
从土壤科学的角度来看 ,土壤是气候和生物体
(包括植物)对岩石作用的产物 ,而其性质取决于母
岩的组成、气候的类型、成土年龄和人类活动的强
度[10 ] .在这种意义上 ,土壤2植物系统污染生态学研
究的主体内容应该是研究解决土壤环境污染的问题
及其由此引起的农产品安全问题 ,这与该学科的科
学任务是相一致的. 植物作为土壤环境污染作用和
效应的成分之一 ,参与其自然发展演变过程 ,就如同
母岩、气候和年龄因子. 人类活动则是参与改变、影
响其自然发展过程的动因. 从系统分析的角度而论 ,
土壤环境是一个由多组分构成的相互联系的整体或
大系统 ,主要包括粗无机颗粒、胶体无机颗粒、有机
质、生物机体及残体、土壤溶液和土壤空气等六大基
本组成. 当土壤环境受到污染后 ,在这个大系统中 ,
不仅存在着污染物与污染物之间的交互作用过程 ,
还产生污染物与系统组分之间的交互作用过程[27 ] ,
并发生诸如溶解2结晶2沉淀过程、吸附2镶嵌2解吸过
程、固定2老化2释放过程、扩散2挥发2凝结过程、氧化2还原过程、酸2碱反应过程、络合2螯合2解络过程、交
换2滞留过程、稀释2浓集过程、吸收2同化2消化过程、
分解2合成过程、水解2水合过程、脱氯2加氢过程和共
代谢过程等一系列复杂的化学尺度上的污染生态学
过程 ;而且 ,在微观尺度上 ,还涉及到 DNA 加合物
形成过程、特异质粒产生过程、基因突变过程
等[17 ,20 ] . 由于被污染的土壤环境系统与活体植物之
间的相互作用 ,是一个永恒的动态过程 ,土壤2植物
系统污染生态过程成为土壤2植物系统污染生态学
主体研究内容的核心.
土壤污染对植物的种群、群落动力学方面的胁
迫效应、植物的种群动力学与污染土壤环境之间的
相互作用机制 ,决定着土壤2植物系统的进化和“污
染适应”机制 ,这是土壤2植物系统污染生态学具有
关键性的主体研究内容之一. 当然 ,土壤环境是否受
到了污染或者污染土壤是否修复到清洁的水平 ,应
有相应的可以定量的土壤环境质量标准和污染土壤
清洁标准[2 ,21 ,22 ] . 事实上 ,一些植物种是土壤环境
污染很好的指示体 ,可以据此对土壤污染进行诊断.
也就是说 ,对土壤环境质量基准、污染土壤修复基准
以及土壤污染指示植物的分子机理进行研究 ,是土
壤2植物系统污染生态学另一具有关键性的主体研
究内容.
6 　展 　　望
至今 ,土壤2植物系统污染生态学研究已经在世
107110 期 　　　　　　　　　　　　　周启星等 :土壤2植物系统污染生态学研究与展望 　　　　　　　　　　　
界范围内受到很大的重视. 例如 ,加拿大 Alberta 大
学生物科学系在其开设的《Pollution Ecology (污染
生态学)》这门课程中 ,就涉及污染物的长距离迁移
与植物污染暴露、土壤环境中的金属、生物放大作用
和土壤污染控制生态学等与土壤2植物污染生态学
有关的内容. 美国南伊利诺斯州大学所开设的《Pol2
lution Ecology (污染生态学)》,其内容涉及土壤2植
物系统污染生态研究的就有 :陆地生态系统中污染
物的迁移与归宿 ,物理、化学和生物学过程对土壤环
境中污染物迁移的影响 ,和典型土壤环境污染问题
的生态效应与风险评价 ,以及土壤污染监测与修复
方法等. 在芬兰 ,许多大学近年来还纷纷开设《Ter2
rest rial Pollution Ecology (陆地污染生态学)》,其内
容主要包括生态干扰、污染物暴露方法、森林衰退与
损害、芬兰案例报告、国外案例报告和展望等. 总之 ,
所有这些事实说明土壤2植物系统污染生态学的研
究和发展 ,已经进入到了一个新的历史时期.
在我国 ,20 世纪 90 年代以来 ,以孙铁珩等为代
表 ,积极推进土壤2植物系统污染生态学的研究 ,以
陆地生态系统污染的生态效应为研究重点 ,在污水
的土壤2植物系统处理生态工程研究领域取得了突
破性的进展[13 ,28 ] . 2001 年 ,孙铁珩等主持编写《污
染生态学》专著[15 ]的出版 ,标志着我国土壤2植物系
统污染生态学研究达到了一个新的水平 ,进入到一
个新的历史阶段. 目前 ,土壤2植物系统污染生态学
研究正在从以研究污染情况下陆地生态系统的效应
为中心内容的研究阶段 ,逐渐走向以污染生态过程
为研究中心、以污染生态诊断与污染生态修复技术
的研制为主要实践内容的研究发展新阶段.
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作者简介 　周启星 ,男 ,1963 年 5 月生 ,博士 ,研究员 ,教授 ,
博士生导师. 中国科学院“引进国外杰出人才”入选者 ,中国
科学院百人计划优秀团队首席科学家. 现任中国科学院陆地
生态过程重点实验室主任. 主要从事污染生态化学、分子生
态毒理化学和污染控制生态化学等领域的研究工作. 曾在国
内外发表学术论文 200 余篇 ,主编、撰写或合著并出版中英
文学术著作、专著 14 部. Tel : 024283970373 ( O) ; E2mail :
Zhouqx @iae. ac. cn 或 Zhouqixing2003 @yahoo. com
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