全 文 ：重金属复合污染对小麦种子根活力的影响 3
陈素华 3 3 　孙铁珩　周启星
(中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳 110016)
【摘要】　应用二次回归旋转设计法 , 以小麦种子为材料 , 研究了水培条件下重金属复合污染对其根生长
及活力的影响 ; 借助回归分析建立了相应的数学模型 , 分析了 Cu、Zn、Cd 和 Pb 4 种重金属对根活力的毒
性、两两重金属间的联合作用以及各重金属的边际毒性效应. 结果表明重金属对根活力的影响顺序为 Pb
> Cu > Cd > Zn ; Cu 与 Cd、Cu 与 Zn、Zn 与 Cd 以及 Cd 与 Pb 元素间的互作效应显著 ; 在 0～20mg·L - 1浓
度范围内 ,Cu 和 Zn 两元素在最小浓度时的边际效应值最大 ,Cd 和 Pb 两元素的边际效应最大值却出现在
最高浓度处.
关键词 　重金属 　复合污染 　二次回归旋转设计 　联合作用
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 04 - 0577 - 04 　中图分类号 　X171 　文献标识码 　A
Effects of combined pollution of heavy metals on root vitality of wheat seeds. CHEN Suhua , SUN Tieheng ,
ZHOU Qixing ( Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China) . 2
Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (4) :577～580.
The combined effects of Cu , Cd , Pb and Zn on the growth and activity of the seminal roots of wheat ( Triticum
aestivum) were studied by the method of quadratic regression revolution design. The mathematical models de2
scribing the above relations were established. As for the toxicity to the root vitality , their single effects , marginal
utility and combined effects between two heavy metals were analyzed. The results showed that Pb had the most
important effect on the activity of root ,and then ,Cu ,Cd and Zn in sequence. The interaction between Cu and
Cd , Cu and Zn , Zn and Cd , Cd and Pb had great effects on the activity of seminal roots. Furthermore , among
the concentration range of 0 to 20 mg·L - 1 , as for Cu and Zn , the lowest density had the biggest marginal utili2
ty , while Cd and Pb had the biggest ones at the highest density.
Key words 　Heavy metals , Combined pollution , Quadratic regression revolution design , Combined effects.
3 国家重点基础研究发展规划顶目 ( G1999011808) 和中国科学院研
究生科学与社会实践资助专项.3 3 通讯联系人.
2002 - 07 - 05 收稿 ,2002 - 09 - 02 接受.
1 　引 　　言
在自然界中 , 重金属因其化学性质相似而常常
伴生 , 以致容易造成伴随危害而对环境产生威
胁[1 ] . 重金属复合污染对生态系统的毒性效应与单
一污染有所不同 , 其相互作用机理非常复杂 , 该领
域的研究结果也常常相左[6 ,8 ] . 究其原因是由于采
用了不同的模型及对健康、协同和加和作用的理解
不同[11 ] , 因此尚无法进行有效比较. 关于重金属复
合污染的研究虽有不少报道 , 但大多仅涉及到少数
浓度 , 对于不同重金属在其浓度区间上的作用性质
很少涉及. 因为植物受重金属的毒害通常是根部首
遭其害 , 然后再蔓延至地上部分. 所以本文模拟含
Cd、Zn、Cu、Pb 的废水培养小麦 , 研究重金属复合污
染时元素间的交互作用和各重金属的边际作用对小
麦种子根活力的影响 , 以揭示重金属复合污染现象
及其内在规律 , 这对评价重金属复合污染中元素的
潜在毒性及制定某些元素背景值具有重要意义[7 ] .
2 　材料与方法
211 　供试材料
供试小麦 ( Triticum aestivnm ) 品种为辽春 10 号 , 由辽
宁省农业科学院种子站提供. 供试的 CdCl2 ·2. 5H2O , Pb
(NO3) 2 , CuSO4·5H2O 和 ZnSO4·7H2O 均为分析纯化学试
剂.
212 　试验设计
　　试验选用重金属 Cu、Cd、Pb、Zn 为试验因素. 采用四因
素二次通用旋转组合设计 [4 , 5 ]安排试验 , 因素水平编码值
见表 1. 试验共 31 个处理 ,另设一个仅加入二次蒸镏水的对
照处理. 每处理重复 3 次.
　　在垫有滤纸的培养皿中 , 按照二次通用旋转组合试验
设计结构矩阵表 (表 2)中的处理要求一次性地加入由 CuSO4
·5H2O、ZnSO4·7H2O Pb (NO3) 2 、CdCl2·2. 5H2O 配成的不同
浓度的水溶液 10 ml. 将小麦种子用 7 % 的甲醛消毒后 ,按每
皿 30 粒均匀摆放各皿中. 盖好培养皿盖 , 将所有的处理置
于恒温培养箱 (L RH22502G型)中于 25 ℃下无光照培养 48h ,
当对照种子发芽率 > 65 % , 根长度达 20mm 时实验结束 [3 ] ,
用甲烯蓝法[10 ]测定根系活力 , 各处理所得结果均为 3 次重
复的平均值. 各处理的根活力抑制率 Y = 1 - 处理组的根活
跃吸收面积/ 对照组的根活跃吸收面积.
应 用 生 态 学 报 　2003 年 4 月 　第 14 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2003 ,14 (4)∶577～580
表 1 　试验因素及其编码
Table 1 Test factors and its coding
因素
Factors
变化区间
Variable area
编码 Coding(γ= 2)
-
γ
- 1 0 1 γ
Cu (mg·L - 1) X1 5 0 5 10 15 20
Zn (mg·L - 1) X2 5 0 5 10 15 20
Cd (mg·L - 1) X3 5 0 5 10 15 20
Pb (mg·L - 1) X4 5 0 5 10 15 20
表 2 　试验实施方案和试验数据
Table 2 Design of the experiment and its data
试验号 No. 试验因素 Tested factors
Cu
(X1)
Zn
(X2)
Cd
(X3)
Pb
(X4)
根活力抑制率
Inhibition rate
of root vitality
1 1 1 1 1 46. 25
2 1 1 1 - 1 18. 86
3 1 1 - 1 1 30. 00
4 1 1 - 1 - 1 57. 05
5 1 - 1 1 1 44. 32
6 1 - 1 1 - 1 35. 00
7 1 - 1 - 1 1 38. 86
8 1 - 1 - 1 - 1 27. 39
9 - 1 1 1 1 36. 48
10 - 1 1 1 - 1 19. 89
11 - 1 1 - 1 1 45. 11
12 - 1 1 - 1 - 1 38. 07
13 - 1 - 1 1 1 20. 68
14 - 1 - 1 1 - 1 29. 43
15 - 1 - 1 - 1 1 38. 64
16 - 1 - 1 - 1 - 1 38. 52
17 2 0 0 0 44. 89
18 - 2 0 0 0 20. 00
19 0 2 0 0 45. 91
20 0 - 2 0 0 36. 82
21 0 0 2 0 46. 93
22 0 0 - 2 0 23. 30
23 0 0 0 2 38. 02
24 0 0 0 - 2 27. 95
25 0 0 0 0 32. 39
26 0 0 0 0 33. 64
27 0 0 0 0 38. 18
28 0 0 0 0 36. 25
29 0 0 0 0 38. 20
30 0 0 0 0 34. 20
31 0 0 0 0 32. 64
3 　结果与分析
311 　模型的建立与检验
　　将各处理的根活力抑制率 (表 2) 用 SPSS for
windows 软件运算得到 4 种重金属不同浓度水平对
根系活力抑制率的回归模型 :
　　Y = 35 . 06 - 2 . 34 X1 - 0 . 64 X2 + 1 . 54 X3 + 　
　　　　3 . 36 X4 - 0 . 36 X1 X2 + 2 . 81 X1 X3 + 2 . 26
　　　　X1 X4 - 2 . 17 X2 X3 + 0. 74 X2 X4 + 3. 31 　　
　　　　X3 X4 + 0 . 57 X12 + 0 . 03 X22 + 1 . 53 X32 + 　
　　　　0 . 70 X42 (1)
　　对回归方程 (1) 进行失拟性检验 , 得 F1 = 3. 68
< F0. 05 (10 ,6) = 4. 06 , 说明不存在其它显著影响
的因素 , 与实际情况拟合良好 , 所建立的方程是有
效的. 回归式显著性测定 F2 = 12. 047 > F0. 01 (14 ,6)
= 9. 77 , 达到 99 %的显著水平 , 说明该方程能极好
的反映种子根系的活力和 Cu、Cd、Pb、Zn4 种重金属
元素间的关系.
　　模型回归系数采用学生氏 t 检验 , 显著性检验
结果如表 3 所示. 从表 3 可以看出 , 回归系数 b0 、
b1 、b4 、b13 、b14 、b23 、b34达到了极显著水平 , b2 和 b22
达到了显著水平 , 因此可直接用方程 (1)进行分析.
表 3 　模型回归系数检验
Table 3 Test of regression coeff icient in model
项目
Items
回归系数
Coefficient
t 值
t value
常数项 Constant b0 35. 06 35. 07 3 3
一次项 Single b1 - 2. 34 6. 66 3 3
b2 - 0. 64 3. 06 3
b3 1. 54 1. 28
b4 3. 36 4. 64 3 3
交互项 Interactive b12 - 0. 36 0. 70
b13 2. 81 5. 57 3 3
b14 2. 26 4. 47 3 3
b23 - 2. 17 4. 30 3 3
b24 0. 74 1. 46
b34 3. 31 6. 55 3 3
二次项 Quadratic b11 0. 57 1. 51
b22 0. 03 3. 31 3
b33 1. 53 0. 07
b44 0. 70 1. 2
312 　重金属元素对根活力的独立效应
　　对回归方程 (1) , 用“降维法”将其中三个变量
固定在 0 水平上 , 可得到另一变量与根活力抑制率
回归子模型 :
　　Y1 = 35 . 06 - 2 . 34 X1 + 0 . 57 X12
　　Y2 = 35 . 06 - 0 . 64 X2 + 0 . 03 X22
　　Y3 = 35 . 06 + 1 . 54 X3 + 1 . 53 X32
　　Y4 = 35 . 06 + 3 . 36 X4 - + 0 . 70 X42 (2)
　　由模型 (2)可知 , 重金属 Cu、Zn、Cd、Pb 的二次
项系数均为正值 , 说明这 4 种因素的效应曲线均是
一条开口向上的抛物线 , 都存在一个适宜幅度 , 超
过此幅度会因为造成污染而引起植物生长的负反
应. 令 Xi 分别取值为 - 2、- 1、0、1、2 , 求得抑制率
估计值及平均数、标准差、变异系数 (表 4) . 由表 4
可知 , 各因素对根活力的影响顺序为 : Pb ( X2 ) >
Cu ( X1) > Cd ( X4) > Zn ( X3) , 这正好与它们在植
物根中积累的数量相一致[9 ] . 由此可见 , Pb 是根生
长的主要限制因子 , Zn 的限制作用最弱. 在 Xi ∈
[ - 2 ,2 ]范围内 , 增加 Cu 和 Zn 元素的浓度 , 根活
力抑制率有所下降 , 说明在低浓度时 , Cu 和 Zn 元
素促进根的生长 ; Pb 元素在此范围内随着浓度的
增加 , 根活力抑制率上升 ; 而 Cd 元素对根系活力
的抑制率为先下降后上升 , 这一现象与 Cd 元素单
独存在条件下对小麦根伸长的抑制作用结果相一
致[2 ] .
313 　重金属元素对根活力的交互效应
　　这里仅对根活力影响较大的 Cu 和 Cd、Cu 和
875 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 4 　Xi 与 Yi 的关系
Table 4 Relationship bet ween Xi and Yi
项目
Item - 2 - 1 0 1 2 y SD C. V. ( %)
Cu( X 1) 42. 02 37. 97 35. 06 33. 29 32. 66 35. 06 3. 85 10. 98
Zn ( X 2) 36. 46 35. 73 35. 06 34. 45 33. 90 36. 06 1. 01 2. 81
Cd( X 3) 38. 10 35. 05 35. 06 38. 13 44. 26 35. 06 3. 76 10. 72
Pb( X 4) 31. 14 32. 40 35. 06 39. 12 44. 58 36. 46 4. 89 13. 42
Pb、Zn 和 Pb 以及 Cd 和 Pb 的交互作用进行分析 ,
将方程 (1)用降维法可获得其交互效应方程 :
　　Y 13 = 35 . 06 - 2 . 34 X1 + 1 . 54 X3 + 2 . 81 X1 X3
　　　　+ 0 . 57 X12 + 1. 53 X32 (3)
　　Y 14 = 35 . 06 - 2 . 34 X1 + 3 . 36 X4 + 2 . 26 X1 X4
　　　　+ 0 . 57 X12 + 0. 70 X42 (4)
　　Y 23 = 35 . 06 - 0 . 64 X2 + 1 . 54 X3 - 2 . 17 X2 X3
　　　　+ 0 . 03 X22 + 1. 53 X32 (5)
　　Y 34 = 35 . 06 + 1 . 54 X3 + 3 . 36 X4 + 3 . 31 X3 X4
　　　　+ 1 . 53 X32 + 0. 70 X42 (6)
　　将编码值代入方程 (3) 、(4) 、(5) 和 (6) , 分别得
到重金属 Cu 与 Cd (表 5) 、Cu 与 Zn、Zn 与 Cd 以及
Cd 与 Pb 两元素间的互作效应值 (图 1) .
表 5 　重金属 Cu和 Zn 间的交互作用
Table 5 Interaction bet ween Cu and Zn
Zu - 2 - 1 0 1 2 Y12 SD C. V. ( %)
Cu
- 2 56. 3 52. 25 42. 02 39. 47 39. 98 46. 00 7. 74 16. 83
- 1 46. 63 40. 77 37. 97 38. 23 41. 55 41. 03 3. 50 8. 52
0 38. 1 35. 05 35. 06 38. 13 44. 26 38. 12 3. 76 9. 86
1 36. 33 30. 47 33. 29 39. 17 48. 11 37. 47 6. 78 18. 09
2 24. 46 27. 03 32. 66 41. 35 53. 1 35. 72 11. 68 32. 69
Y12 40. 36 37. 11 36. 2 39. 27 45. 4
SD 11. 91 9. 91 3. 85 1. 301 5. 29
C. V. ( %) 29. 51 26. 69 10. 64 3. 31 11. 66
　　从表 5 可以看出 , Cu 与 Zn 两者间具有较明显
的拮抗作用. 对 Zn 而言 , 除 2 浓度水平外 , Cu 的
存在削弱了其对根活力的抑制作用 , 即在 [ - 1 ,1 ]
间的抑制率都比 - 2 水平的抑制率小. Zn 元素在低
浓度 - 1 水平 (5 mg·L - 1) 上 , Cu 含量的变化对其
抑制作用的影响较大 , 变异系数 26. 69 % ; 对 Cu 来
说 , 在[ 0 , 2 ]水平上 , 随着 Zn 的浓度增加 , 抑制作
用逐渐增大 , 但小于两者单独作用之和. 并且在 2
水平上 , 这种 Zn 元素对 Cu 的作用达到最大 , 变异
系数为 32. 09 %.
　　从图 1a 可以看出 , 在 Pb 含量较低时 , Cu 浓度
的变化对根活力有显著的影响. Pb 在[ - 1 , 1 ]水平
上 , Cu 的加入明显地减弱了 Pb 对根系的抑制作
用. 对 Cu 而言 , Pb 浓度的变化也影响着 Cu 对根
的抑制作用. 尤其在 Cu 浓度很大时 (20 mg·L - 1) ,
这种作用达最大 , 抑制率变化区间为 19. 7 %～
51. 22 % , 变异系数达到 36. 34 %.
　　由图 1b 可知 , Zn 在整个浓度范围内 , 加入 Cd
对抑制率影响都不大 , 变异系数仅为 8. 08 %～
14. 26 %. 而 Cd 在整个浓度范围内 , 随着 Zn 浓度
的增加 , 抑制作用先显著的减小而后明显增大 , 变
异系数为 30. 82 %～54. 34 %.
图 1 　重金属间的互作效应
Fig. 1 Interaction between heavy metals.
a) Cu 与 Pb 互作 Interaction between Cu and Pb ,b) Zn 与 Cd 互作 In2
teraction between Zn and Cd ,c) Cd 与 Pb 互作 Interaction between Cd
and Pb.
　　由图 1c 可知 , Cd 在高浓度时 (15 和 20 mg·
L - 1) , Pb 的浓度大小对根系活力的影响较大 , 平
均抑制率为 39. 53 %和 45. 66 % , 变异系数为
26. 88 %和 34. 58 %. Pb 元素在 20 mg·L - 1时 , Cd
含量的变化对抑制作用有明显影响 , 但在 Pb 含量
较低时影响不大.
9754 期 　　　　　　　　　　　　　陈素华等 :重金属复合污染对小麦种子根活力的影响 　　　　　　
314 　重金属元素对根活力的边际效应
　　边际效应分析在经济学领域应用非常广泛 ,其
实质是分析每增加一个单位的货币投入所能带来的
收益数量. 本文主要是分析各种重金属元素每增加
一个单位的浓度所导致的根活力抑制率的变化数
量 , 由此可以推出各种环境背景值下环境对各种重
金属的容载力.
　　对回归子模型 (2) 求一阶导数得到单因素边际
效应方程 :
　　зY1/ зX1 = - 2. 34 + 1. 14 X1
　　зY2/ зX2 = - 0. 64 + 0. 06 X2
　　зY3/ зX3 = 1. 54 + 3 . 06 X3
　　зY4/ зX4 = 3. 36 + 1 . 40 X4 (7)
　　将编码值代入方程 (7) , 得到各因素在不同水
平下的边际效应 (表 6) .
表 6 　各因素边际效应值
Table 6 Marginal utility of heavy metals
因素
Factors
编码值 Coding value
- 2 - 1 0 1 2
Cu - 4. 62 - 3. 48 - 2. 34 - 1. 2 - 0. 06
Zn - 0. 76 - 0. 7 - 0. 64 - 0. 58 - 0. 52
Cd - 4. 58 - 1. 52 1. 54 4. 6 7. 66
Pb 0. 56 1. 96 3. 36 4. 76 6. 16
　　从表 6 数值的正负性质可以得出与单因子效应
相似的结果 , 即正值表示该元素随着浓度的增加 ,
抑制率增大 , 如 Pb 元素 ;反之则抑制率降低 , 如 Cu
和 Zn. 从绝对数值的大小来看 , 在整个浓度范围
内 , Cu 和 Zn 在 0 mg·L - 1时边际效应值最大 , 随着
浓度的增加 , 它对根生长的促进作用逐渐减弱 ; Cd
的边际效应值先减后增 , 表现出在低浓度时 (0～
5mg·L - 1) 对根生长的促进作用趋势减弱而在高浓
度时 (10～20 mg·L - 1)的抑制作用增强 ; Pb 元素随
着浓度的增加 ,边际效应之增大 , 在最大浓度 (20
mg·L - 1)时达到最大 , 即表现出每增加 1 个浓度的
重金属 , 根活力的抑制作用具有增强的趋势.
4 　结 　　语
　　复合污染是污染生态学研究的重点所在 , 但是
目前的典型毒性实验仅针少数几个浓度对两种污染
物间的相互关系进行分析 , 其结果不可避免地导致
了两者间的关系信息的损失 , 通过二次通用旋转组
合设计 , 可尽量保留原来变量的信息. 另外 , 该设
计仅用于分析两者间的交互作用 , 因而为了深入了
解重金属复合污染的作用规律 , 有必要寻找最优方
法研究 3 种以上的污染物共存同一环境介质中的作
用性质.
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pl Ecol (应用生态学报) , 12 (3) : 469～473 (in Chinese)
作者简介 　陈素华 , 女 , 1974 年 7 月生 , 博士生 , 主要从事
环境污染生态工程和环境污染毒理学研究 , 发表论文 10 余
篇. E2mail :trensuhua @hotmail. com
085 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷