全 文 ：土壤2植物系统复合污染研究进展 3
郭观林 3 3 　周启星
(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】　土壤2植物系统复合污染研究是污染生态学的科学前沿 ,对于农业环境的生态安全具有重要意
义.本文对复合污染概念的由来及其内涵的发展、土壤2植物系统可能发生的复合污染类型及其研究进展、
土壤2植物系统复合污染所导致的生态效应及其定量表征进行了较为系统的概述 ,提出了土壤2植物系统
中重金属2有机污染物和有机污染物2病原微生物也是复合污染的重要类型. 指出了多种污染物交互行为、
次生产物及其老化、分子毒理机制等方面的研究是今后土壤2植物系统复合污染的研究重点. 同时对复合
污染的研究方法以及结果的应用进行了展望 ,为土壤污染的预警防治与修复提供依据.
关键词 　土壤2植物系统 　重金属 　有机污染物 　复合污染
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 05 - 0823 - 06 　中图分类号 　X171. 5 　文献标识码 　A
Advances of research on combined pollution in soil2plant systems. GUO Guanlin , ZHOU Qixing ( Key L abora2
tory of Terrest rial Ecological Process , Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (5) :823～828.
The research on combined pollution in soil2plant systems is a scientific frontier of pollution ecology ,and has an
important significance in ecological safety of agricultural environment . The origin of combined pollution as a con2
ception and its connotation development were reviewed. Types of combined pollution occurred in soil2plant sys2
tems and relevant progresses in this area were summarized. Ecological effects resulted from combined pollution of
soil2plant systems and their quantificational tokens were expounded. The interactions of heavy metal2organic pol2
lutant and organic pollutant2pathogenic microorganisms were pointed out to be important combined pollution in
soil2plant systems , and the studies on the interactions , sub2products and their aged process ,and moletoxicology
mechanism of multi2pollutants were suggested to be the future keystone contents in this area. Meanwhile , the
prospective studies on the methods and application of the results of combined pollution were put forward to pro2
vide a support for the warning and remediation of soil pollution.
Key words 　Soil2plant system , Heavy metal , Organic pollutant , Combined pollution.3 国家杰出青年科学基金资助项目 (20225722)和中国科学院知识创
新工程重要方向项目 ( KZCX22SW2416) .3 3 通讯联系人.
2002 - 12 - 16 收稿 ,2003 - 01 - 20 接受.
1 　引 　　言
土壤2植物系统 (Soil2plant system) 是生物圈的基本结构
单元 ,也是土壤环境研究的主要对象. 它作为环境的重要成
分和可更新的珍贵资源 ,与人类形成了生存层次上的关系.
土壤2植物系统为人类提供强大生产力的同时 ,也承受着人
类活动所带来的各种污染. 土壤2植物系统可以通过一系列
物理、化学及生物学过程对环境中的污染物质起到净化作
用 ,但当污染的负荷超出它能承受的容量或“弹性限度”时 ,
它的生物生产量就会受到影响 ,严重时会丧失生产力 ,更为
严重的是降低环境中空气、水和食物的质量 ,造成残毒 ,直接
或间接地危害人类的生命和健康 [4 ] . 这也就造成了土壤2植
物系统污染.
土壤2植物系统污染生态研究最早始于环境中的公害事
件 ,如两个世纪以前日本的足尾山铜山公害事件和 20 世纪
发生的“痛痛病”和“水俣病”等八大公害事件. 公害事件的痛
苦经历有力地推动了人们对土壤2植物系统中各种污染问题
的认识与研究 ,并在重金属污染、放射性物质污染以及有毒
有机污染物污染等方面做了大量的工作. 然而 ,早期的研究
大多仅考虑单一污染物水平的环境行为 ,而实际上土壤2植 物系统中的污染多具伴生性和综合性 ,即多种污染物形成的复合污染[19 ] . 为准确评价环境质量、实施公正环境执法以及有效控制环境污染 ,复合污染研究逐渐成为环境科学发展的重要方向之一. 国内外学者相继开展了重金属2重金属 [23 ,28 ]和有机物2有机物 [16 ]复合方面的研究 ,关于复合污染的定义和研究也有不少报道 [7 ,19 ,20 ,27 ] . 近年来 ,由于农药、化肥的大量使用 ,乡镇企业的崛起以及大尺度生态环境条件恶化等因素所造成的土壤污染表现出机理上的复杂性、形式的多样性和范围上的扩大化 ,污染物之间的复杂的交互作用是重要的表现之一. 在所表现出来的污染类型中 ,重金属、有毒有机污染物所形成的复合污染逐渐成为普遍的环境污染现象之一[20 ,26 ] .对土壤2植物系统重金属、有毒有机污染物复合污染研究也成了污染生态学的科学前沿与重要研究课题. 随着研究方法和技术手段的进步 ,以前研究中探讨不深的分子机理以及新的交互类型 [21 ] 、表征和修复研究也有较大进展. 本文就当前土壤2植物系统中复合污染研究进展进行综述.
应 用 生 态 学 报 　2003 年 5 月 　第 14 卷 　第 5 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2003 ,14 (5)∶823～828
2 　复合污染概念的提出与基本内涵
　　Bliss(1939) 在“毒物联合使用时的毒性 ( Toxicity of poi2
sons applied jointly)”一文中最早提到“拮抗作用、独立作用、
加和作用和协同作用”[26 ,27 ]这些术语. 这是有关化学毒物之
间交互作用的最早思想 ,是复合污染概念的最初表述 ,为日
后复合污染概念的明确提出奠定了理论基础.
20 世纪中叶 , Trocome (1950) 曾报道了重金属之间相互
作用对植物营养吸收影响 [26 ]的研究 ,在这之后一直到 80 年
代 ,有关研究逐渐开展. 研究初期 ,人们把复合污染 (Com2
bined pollution)称之为交互效应 ( Interactive effect) . 1982 年 ,
任继凯[19 ]最早使用了“复合污染”一词. 1985 年 ,Macnical 在
污染生态效应的研究中 ,使用了“联合毒性效应”(Joint toxic
effect)和“复合毒性效应”(Combined toxic effect) 的概念和术
语[27 ] .
1989 年以来 ,周启星[26 ]从重金属 Cd2Zn 和 Cd2As 复合
污染的研究着手 ,在我国系统地开展了土壤2植物系统复合
污染的研究 ,对复合污染的特点、指标体系、生态学效应及有
关研究方法进行了探讨 ,同时对复合污染的概念和类型进行
了较为系统的分类并给出了较为准确的定义. 随后 ,人们对
复合污染开始了有针对性的研究. 在周启星 (1989～1992) 研
究工作的基础上 ,何勇田和熊先哲 [7 ]对复合污染的概念进行
了论述 ,指出复合污染是指两种或两种以上不同性质的污染
物或几种来源不同的污染物在同一环境中同时存在所形成
的环境污染现象.
1995 年 ,周启星[27 ]对复合污染这一概念进行了扩展 ,
对复合污染的基本内涵进行了补充和完善. 他认为 :复合污
染在概念上 ,并不等同于“污染物 + 污染物”;复合污染应该
同时具有以下 3 个基本条件 :1)一种以上的化学污染物同时
或先后进入同一环境介质或生态系统同一分室 ;2)化学污染
物之间、化学污染物与生物体之间发生交互作用 ;3) 经历化
学的和物理化学的过程、生理生化过程、生物体发生中毒过
程或解毒适应过程等 3 个阶段.
3 　复合污染发生的主要类型
311 　重金属元素之间构成的复合污染
　　重金属是一类具有潜在危害的重要污染物 [27 ] . 由于重
金属在土壤2植物系统中所产生的污染过程具有隐蔽性、长
期性和不可逆性的特点 [18 ] ,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以后 ,对生物将
产生更大的毒害作用.
　　重金属进入土壤2植物系统对生命组分发生毒害的过程
中 ,相互之间还要发生交互作用 [26 ] . 资料表明 ,环境中重金
属元素之间的交互作用形式很多 ,除主要表现为毒害增强的
协同作用外 ,还表现为独立、加和甚至还有拮抗作用现象 (表
1) . 例如 ,一些研究者的试验表明 ,锌肥能起到缓解 Cd 对水
稻的危害作用[27 ] . Moraghan 等 (1993) 的研究也发现 , Zn
(8mg·kg - 1 ) 能够抑制亚麻种子中 Cd 的积累[28 ] . Abedel2
Sabout 等[1 ]的研究表明 ,Zn/ Cd 比例的变化将显著影响土壤
中 Zn 和 Cd 的有效性. 重金属 Zn 与 Cd 交互作用产生的生
态效应也与作物种类有关 :作物的种类不同 , Zn2Cd 之间的
交互作用也有一定的差异性. 例如在玉米籽实中 , Zn2Cd 之
间表现为抑制作用 ,而在大豆籽实中则表现为协同作用 ;同
时 ,Zn2Cd 之间的交互作用还与植物的部位有关 ,周启星 [26 ]
的研究还指出 ,就水稻叶组织中的吸收和积累 , Zn2Cd 之间
表现为拮抗作用 ;而根组织中的吸收和积累 , Zn2Cd 之间呈
加和效应.
表 1 　土壤2植物系统中几种常见的重金属复合污染
Table 1 Some combined pollution of heavy metals usually occurred in
soil2plant systems
相互作用的类型
Interaction
type
重金属组合
Heavy metal
combination
对象或介质
Target or
medium
拮抗作用 Antagonism Zn/ As 大豆根 Soybean root
Zn/ Cd 玉米籽实 Maize seed
Zn/ Cd 酸性沙土 Acetic sandy soil
Cu/ Cd 辣椒 Hot peper
Hg/ Cd 土壤蚯蚓 Earthworm
Ag/ Hg 苜蓿 Alfalfa
Pb/ Cd 冬瓜 Chinese watermelon
协同作用 Synergism Pb/ Zn 小白菜根系 Cabbage root system
Cu/ Pb/ Zn 水稻 Rice
Cd/ Zn 大豆籽实 Seed of soybean
Cd/ Pb/ Cu/ Zn/ As 土壤 Soil
Cu/ Zn 土壤溶液 [19 ]Soil solution
As/ Pb 大豆 Soybean
加和作用 Addition V/ As/ Mo/ Se/ Zn 土壤原生动物 Protozoa
Cu/ Cd 土壤菌根 Soil vaccine
Cd/ As 苜蓿 [27 ]Alfalfa
　　重金属复合污染现有的研究以下两点是明确的 :1) 重金
属在复合污染条件下对植物的毒害及其在土壤中的迁移转
化 ,要比单一元素的污染复杂得多 ;2) 重金属元素之间的交
互作用各类型的表现 ,与各种重金属在环境中的浓度及其组
合关系、作物的种类、作物的部位和暴露方式等因素密切相
关 ,但有关的生态过程及其微观机理并不清楚. 因此 ,关于土
壤2植物系统重金属复合污染的研究 ,仍然有大量工作要做.
312 　有机污染物之间构成的复合污染
　　有机污染物与有机污染物之间的相互作用 ,也是土壤2
植物系统中复合污染常见的形式 [27 ] . 近年来 ,随着工业企业
的崛起和农业污染的加剧 ,土壤中一些有毒有机污染物不仅
含量在持续上升 ,其数量也在不断增加 [19 ,22 ] . 这些有毒有机
污染物有相当一部分是难以降解的人工合成化学品 ,它们在
土壤中经常发生相互作用 ,其毒性效应也随着污染物的浓
度、形态以及老化时间等的变化而变化. 表 2 概述了几种典
型有机污染物之间的相互作用类型和生物学效应.
　　有机污染物在土壤环境中的毒性效应往往是非单一性
的行为 ,如各种杀虫剂、除草剂、石油烃、多环芳烃、多氯联
苯、有机染料等之间的相互作用 ,由于能够形成毒性更大的
降解产物或中间体 ,因此要比无机污染物之间的相互作用更
为复杂 ,其结果也更难以预测. 在我国 ,土壤2植物系统的有
机污染物所构成的复合污染 ,主要以有机农药之间构成的复
合污染为主 ,不仅出现的概率高 ,面积也大. 近年来 ,周启星
的研究[21 ,23 ,24 ]表明 ,在我国东部沿海地区 ,还发现了有机染
料的复合污染.
428 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
表 2 　土壤2植物系统及其相关介质中几种典型有机化学品之间构
成的复合污染 3
Table 2 Combined pollution of typical organic chemicals occurred in
soil2plant systems and their related media
有机化学品
Organic
chemicals
相互作用的类型
Interac
tive type
生物学效应
Biological effect
MC(32甲基胆蒽)与偶氮染料 抑制 (与剂量有关) MC对偶氮类染料所致的肝癌有
抑制作用
32Methylcholanthrene and azo2dye Inhibition
乙硫氨酸与偶氮染料 拮抗作用 降低由偶氮染料引起的肝癌发病率
Ethylmercapto aminoacid and azo2dye Antagonism
乙醇与氯仿 加和作用 乙醇能够加强氯仿对肝肾的毒害作用
Ethanol and chloroform Addition
偶氮染料与 7 ,122二甲基苯蒽 (DMAB) 拮抗作用 对 DMAB引起的乳腺癌和肾坏
死有拮抗作用
Azo2dye and 7 ,122dimethyl benzanthrone Antagonism
DDT与对硫磷 拮抗作用 DDT影响对硫磷在生物体内的积累 ,
两者呈拮抗作用
DDT and parathion Antagonism
对硫磷与利眠宁、利血平 协同作用 增强急性毒作用
Parathion and rimaning ,reserpine Synergism
对硫磷与艾氏剂 拮抗作用 降低脑中胆碱酯酶活性
Parathion and aldrin Antagonism
乐果与阿托品 拮抗作用 毒性减弱
Dimetate and atropine Antagonism
西维因与甲基对硫磷 协同作用 对肝脏产生营养不良或坏死
Sevin and methylparathion Synergism
甲基对磷硫与敌百虫 协同作用 使毒性增强
灭草隆与阿特拉津 协同作用 增强生物学毒性
Monuron and atrazine Synergism
Sumithion and methylparathion Synergism
十一烷、葵烷、四烷与苯并比 (BaP) 加和作用 促癌作用
Undecane ,penfane ,butane and BaP Addition
十六烷与BaP 抑制作用 对BaP的致癌作用有轻微的抑制效应
Hexadecane and BaP Inhibition
丁基羟基苯甲醚 (BHA)与BaP 拮抗作用 对由BaP引起的胃癌有拮抗作用
Butyhydroxyl anisole and BaP Antagonism
毒杀芬与BaP 拮抗作用 对由BaP引起的肺癌有降低效应
Camphechlor and BaP Antagonism
西维因与BaP 协同作用 增加肺癌的发病率
Sevin and BaP Synergism
涕灭威与十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) 拮抗作用 SDBS能促进涕灭威降解、加速其解毒
Aldicarb and sodium dodecane benzene sulfonate Antagonism3据周启星 (1995) [26 ] ,有补充和改动. From Zhou Q2X ,and supplemented and modified.
313 　重金属与有机污染物所构成的复合污染
　　在土壤2植物系统所发生的污染中 ,有机污染物2重金属
的复合污染是一种比较普遍的现象 [20 ,26 ] . 例如污水处理厂
的污泥、城市生活垃圾、各种农药 (杀虫剂、除草剂和杀真菌
剂等)的施用以及工业废水等造成的污染 [19 ] ,同一环境介质
中往往同时存在一些难降解的有机污染物和重金属.
　　土壤2植物系统中重金属和有机污染物的产生有时是同
源 ,有时是异源. 它们进入土壤环境以后 ,除了自身的毒性效
应外互相之间还发生交互作用. 如炼焦、炼油、电镀、化肥、印
染和农药合成等工业废水以及生活污水本身不只是单一污
染物的来源 ,它们同时携带着各种类型的有机污染物和重金
属. 而土壤2植物系统中现存的各种生态因子与条件 ,可以催
化有机污染物和重金属之间的相互作用 ,为重金属2有机污
染物的复合污染提供了可能性.
　　不同污染源产生不同的污染物和土壤污染类型 ,它们产
生的重金属和有机污染物可以通过不同的途径进入土壤、水
和大气等载体发生相互作用. 土壤中重金属2有机污染物复
合污染多源于农药本身的有机物和重金属之间的复合 ,以及
酚、苯和氰化物等高污染物含量的废水灌溉、含重金属农药
的使用、大气污染物的沉降等原因造成. 表 3 概述了土壤2植
物系统中发生的重金属2有机污染物复合污染常见类型.
表 3 　土壤2植物系统中常见的重金属2有机污染物复合污染类型
Table 3 Some combined pollution of heavy metals and organic contami2
nants in soil2plant systems
重金属2有机污染物复合的类型
Combined type of heavy metals
and organic contaminants
产生的途径或源
Producing approach
or source
有机农药与重金属 农药厂污水排放 ,农药使用 ,城市污泥农业利用
Organic pesticide and heavy metal
有机染料与重金属 染料合成污水排放 ,印染废水排放 ,家庭装修废水等
Organic dye and heavy metal
苯、酚类物质与重金属 污泥 ,石油生产和处理污水 ,有机肥生产
Benzene , hydroxybenzene and heavy metal
石油烃与重金属 石油生产、应用或泄漏 ,农业机具清洗或泄漏
Petroleum hydrocarbon and heavy metal
多环芳烃与重金属 石油降解物堆积 ,有机肥料生产 ,大气沉降 ,城市污水
PAH and heavy metal
有机螯合剂与重金属 土壤处理、污水灌溉、污泥的农田处理
Organic chelate and heavy metal
有机洗涤剂与重金属 化工厂污水、医院污水和生活污水排放与灌溉
Organic abluent and heavy metal
有害微生物与重金属 医用污水排放与灌溉
Maleficent microorganism and heavy metal
314 　有机污染物与病原微生物构成的复合污染
　　有机污染物与病原微生物的复合污染是一个重要的复
合污染类型. 随着污水处理事业的发展 ,大量的污泥产生并
应用于农业土壤或在林地、休闲地进行堆置 ,都会产生有机
污染物2病原微生物的复合污染. 而对那些没有进行处理的
生活或工业污水 ,随着灌溉农田进入土壤 ,容易产生这种类
型的复合污染. 同时土壤历来是作为废物的堆放、处置和处
理的场所 ,使大量的有机污染物和病原微生物随之进入土壤2植物系统而发生这种类型的复合污染. 农业化学物质和有
机肥的施用 ,也会带入某些病原微生物 ,与农药本身及其分
解残留物或者其他有机污染物也能构成这种类型的复合污
染[26 ] . 有关该类型复合污染的研究 ,目前尚未见报道.
4 　复合污染所导致的生态效应及其定量表征
411 　土壤中污染物之间的交互作用
　　化学污染物在土壤中的交互作用 ,依据不同的标准可以
分为不同的类型. 根据污染物在土壤2植物系统中的行为 ,可
以从物理、化学和生物学三方面总结污染物之间的交互类
型.化学污染物在土壤中的吸附一般都有一定的吸附点 ,如
有机污染物在土壤中的吸附点主要是土壤中的腐殖质部
分[8 , 26 ] .物理、化学性质相近的各种污染物容易在吸附位点
发生竞争吸附 ,对吸附位点的竞争会导致一种污染物从结合
位点上取代另一种处于弱势的污染物的作用 [19 ] . 重金属之
间以及有机污染物之间容易发生竞争吸附 ,但土壤中重金属
的存在通常不会影响有机污染物在土壤上的吸附 ,极性有机
物则可以通过静电作用以及在土壤中的粘土矿物表面形成
氢键等方式被吸附在土壤表面 ,从而与重金属发生竞争吸
5285 期 　　　　　　　　　　　　　　郭观林等 :土壤2植物系统复合污染研究进展 　　　　　
附[20 ] ,这种吸附位点的竞争 ,导致它们在土壤环境中吸附过
程的相互制约.
　　化学污染物在土壤中的化学交互过程主要包括络合2解
络、螯合、氧化2还原、沉淀2溶解以及酸碱反应等. 络合或螯
合作用可以改变污染物的形态分布和其生物有效性 ,有机螯
合剂和被螯合物可以形成生物体几乎不能吸收、积蓄的螯合
物形式 ,这一点是解毒的重要机制. 螯合剂是一种重要的洗
土溶液[8 ] ,螯合剂加入以后可以降低土壤水溶液中重金属离
子的浓度 ,从而减轻重金属的生态毒性 ,但重金属与螯合剂
形成螯合物以后 ,却增加了金属的可溶性 ,提高了迁移、扩散
能力及其潜在的毒性 [19 ] . 重金属在土壤有机质上的吸附主
要是通过与官能团之间的络合作用产生的 ,土壤中存在的许
多有机、无机络合剂如腐殖酸、胡敏酸、氨基酸及活性功能团2OH、2NH2 、2COOH、2SH 等 ,它们将影响污染物在土壤系统
与植物系统中的生态化学行为[7 ,20 ] . 重金属对蓝藻细菌
(Cyanobateria)的毒性能被具有结合重金属离子的功能团的
有机物所控制[27 ] . 复合污染物之间还会形成沉淀降低污染
物的溶解性和生物可利用性 ,在土壤2植物系统中的毒性效
应上表现出拮抗作用 [11 ] .
　　复合污染对土壤生物学过程的作用 ,主要是通过酶的活
性从而间接影响重金属的生态毒性和有机污染物的降
解[20 ] . 重 金 属 离 子 能 与 酶 的 活 性 原 子 团2OH、2NH2 、2
COOH、2SH 等形成牢固的共价键 ,从而使酶的立体结构变
形 ,酶活性部位封闭[7 ] ,间接意义上增大了有机污染物的毒
性效应.2SH 与重金属 Hg、Cd、Pb 等都有强的亲和力 ,因而
许多含有2SH 的蛋白质和酶的活性可被 Hg、Cd 和 Pb 抑制.
例如 ,Vallee 等 (1972)等认为 ,蛋白质的2SH 是 Hg 结合的靶
部位[7 ] .
　　复合污染对污染物进入土壤以后在土壤环境中的移动
性与形态转化也有不同程度的影响. 从土壤物理化学角度来
看 ,土壤环境中不同形态的污染物是处于各自不同的能量状
态的 ,它们在土壤中的移动性不同 ,移动性的大小又决定了
这些污染物的生物有效性和对生态环境的危害程度. 例如 ,
土壤环境中重金属的迁移受 p H 值的影响 ,进入土壤中的有
机污染物可以直接影响土壤的 p H 值[13 ,14 ,27 ] . 很多金属能和
有机污染物的碳原子形成共价键 ,它们由于交互作用而形成
毒性更大的有机金属化合物. 这些有机金属化合物主要有两
类 :1)δ键化合物 ,在此类化合物中 ,有机残基是通过双电子
共价键同金属原子相结合的 ,如 (CH3) 3 SnCl 和 CH3 HgCl ;2)
非标准键的化合物 ,这类化合物包括有架桥烷基的 Li 和 Be ,
以及另一类过渡金属与烯、炔、苯和其它环系形成的化合物.
在重金属和有机污染物形成的次生产物中研究较多的是烷
基 (或芳基)的含汞化合物 ,如二烃基或二芳基化合物是无极
性、挥发而有毒的无色液体 ,对汞及其化合物进行生物学上
的甲基化作用 ,得到毒性更大的 (CH3) 2 Hg 或 CH3 Hg + [26 ] .
　　复合污染形成的次生产物随着外界环境条件的变化 ,污
染物的形态和分布也在发生着变化 [26 ] . 随着老化时间的增
长 ,次生产物发生各种物理化学的、化学的、生物化学的反
应 ,使复合污染物的活性、移动性及其在土壤2植物系统中的
形态和分布也相应发生改变. 因此 ,研究土壤2植物系统复合
污染 ,必须考察污染物在土壤环境中迁移和形态变化的相互
作用.
412 　复合污染所导致的生态效应
　　污染物之间不同的交互作用 ,通过竞争结合位点 ,通过
络合 (或螯合) 、沉淀及氧化2还原作用 ,通过影响酶的活性、
正常生理活动与过程的干扰以及细胞结构与功能的改变 ,通
过外部的生境条件等因素的变化 ,产生不同的生态效应.
　　土壤2植物系统复合污染所导致的生态效应 ,首先是通
过植物反应表现出来的. 污染物对植物的联合毒性效应的最
初受体是植物的根部. 植物根部具有非常大的表面积和高亲
和性化学元素受体 ,在吸收营养元素的过程中 ,根表面结合
许多化学污染物质 [9 ] . 目前 ,有关重金属胁迫下的根际效应
已开展了较多的研究 ,在根际的 p H 环境、氧化2还原状况、分
泌物的种类和成分以及根际的微生物效应等方面有了较多
的相关研究报道 [17 ] . 一些研究者还就复合污染对作物一些
生理、生化指标 ,如种子发芽率、根伸长率、茎叶中叶绿素含
量、茎叶中硝酸还原酶和根系脱氢酶活性等方面的影响进行
了研究. 例如 ,程云和周启星[2 ]在研究活性 X23B 红染料与
重金属 Cd 的联合毒性时 ,就采用了种子发芽率和根伸长率
作为其生态毒性的指标. 宋玉芳等 [12 ]研究了重金属在复合
污染条件下对土壤中小麦种子发芽与根伸长抑制的生态毒
性.但对污染物的污染微观机理 ,尤其是复合污染物的毒性
分子机理探讨还不深.
　　现有资料表明 ,复合污染可以引起各种生物体或有关内
含物与外界环境隔离开的生物学屏障在结构和功能上的扰
动 ,从而改变其透性及主动、被动运转能力 [18 ] . 复合污染物
通过影响生物的细胞结构 ,特别是膜结构而发生相互作
用[7 ] ,因而对复合污染的机理研究也是与膜有关的研究.
Fargasova 等[3 ]发现有些金属离子可以改变细胞膜的渗透
性 ,对植物根系造成显著的伤害. 膜结构是污染物相互作用
的优先部位 ,膜结构的改变使膜通透性发生变化 ,影响物质
在生物体内的运输. Stewart 和 Malley[14 ]经研究发现 ,Cu 可
改变原生质膜中可溶性部分的渗滤性 ,从而造成细胞膜的损
伤 ,使得膜体变得很脆弱 ,重金属更易进入. 郭栋生等 [6 ]研究
发现 ,达到一定浓度下的酚2镍复合污染可以加剧根、叶组织
细胞膜的损伤. Filippis (1979) 研究结果表明 ,细胞膜的稳定
性受重金属离子对2SH 的亲和性的影响 [25 ] . 后来又发现如
果其中一种污染物改变了细胞器结构、功能的话 ,可能会对
另一种污染物的生态毒性发生影响. Moreau 等 [10 ]认为 ,菲
对 Zn 在生物体内积蓄的拮抗作用 ,可能因为菲改变了溶酶
体膜的稳定性及功能 ,影响了溶酶体解除 Zn 毒害的作用 ,促
进了 Zn 在生物体内的积蓄. 同时 ,复合污染的有毒化学物质
通过抑制生物大分子的合成与代谢 ,干扰基因的扩增和表
达 ,对 DNA 造成损伤或使之断裂并影响其修复 ,与 DNA 生
成化学加和物等途径对生物体形成毒性 [19 ] .
413 　复合污染生态效应的定量表征
628 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
　　目前 ,对复合污染发生条件下生态效应的定量表征 ,基
本上是以 Bliss(1939) 就毒物联合作用提出的表征方法进行
的.多个污染物之间相互作用的效应 ,一般有加和效应 (Ad2
ditive effect) 、拮抗效应 (Antagonism)和协同效应 (Synergism)
3 种[26 ,27 ] . 除此之外 ,就是污染物之间不发生交互作用 ,即
Macnical 认为元素之间还存在的独立作用现象[27 ] ,在定量
表征上 ,为复合污染条件下各污染物污染效应与单独污染效
应相等.
　　1961 年 , Finney 在上述 Bliss (1939) 关于联合毒性表征
基础上进一步提出了联合作用的数学表达式 [27 ] :
　　Pc = P1 + P2 - P1 P2 (1)
其中 , P1 为化学污染物 A 单独作用时的阳性反应率 ; P2 为
化学污染物 B 单独作用时的阳性反应率 ; P1 P2 为化学污染
物 A、B 同时或先后暴露时的预计阳性反应率.
　　1964 年 , Hansch 和 Fujita 专门针对有毒有机物提出了
“结构2活度定量相关 (QSAR)”这一概念[26 ] . 后来所有相关
的研究表明 ,有机化合物的 QSARs 模型更适合用于同一土
壤2植物系统中存在多个有机污染物的情况. 近年来 ,“结构2
活度定量相关”这一概念已经应用于评估有机化学污染物对
水生土壤2植物系统的效应 ,尤其是对鱼的联合毒性效应的
研究中.
　　1989～1992 年 ,周启星[26 ]在研究 Cd2As 两种化学元素
对土壤2苜蓿系统的复合污染时 ,引入了“污染程度综合指
标”的定量概念 ;在研究 Cd2Zn 两种化学元素对土壤2水稻系
统的复合污染时 ,进一步提出了“复合污染指数”的定量概
念.这些定量概念 ,能够较准确地表达多个污染物之间的相
互作用对土壤2植物系统中植物组分的危害性. 1992 年 ,周启
星[26 ]就复合污染生态效应的定量表征作了较为系统的论
述 ,提出了联合毒性指标的概念 ,并就加和指数、混合毒性指
数、致死剂量、复合毒性指数等定量表征作了理论探讨 ,认为
锌当量、毒性污染指数、元素浓度比、离子冲量、多元回归分
析方法等 ,是表征土壤2植物系统重金属复合污染生态效应
的主要形式.
　　然而 ,现有的定量表征方法较少考虑土壤的理化性质、
作物种类等影响因素的作用 ,因而作为一项通用评价方法还
有不足之处. 在这种意义上 ,或许复合污染中各种污染物交
互作用的效应或后果 ,只有通过相应的正交实验才能确定其
间的交互作用关系. 也就是说 ,正交实验由于能够考虑土壤
的理化性质、作物种类等影响因素的作用 ,是土壤2植物系统
复合污染生态效应的最佳定量表征.
5 　研究展望
　　近年来 ,国内外一些学者在土壤2植物系统复合污染领
域做了很多工作 ,并取得了很多重要成果 ,尤其是在复合污
染理论体系上得到了进一步的完善 ,在复合污染的研究方法
上也进行了一定的摸索. 但总的看来 ,复合污染的研究还处
于起步阶段 ,许多方面的工作还有待进一步研究.
　　复合污染不是传统概念上的单因子污染物的简单相
加[27 ] ,复合污染的生态效应不仅仅只决定于化学污染物或
污染元素本身的化学性质 ,更为重要的是与污染物的浓度水
平有关 ,同时还受到污染物的作用对象、作用部位以及作用
方式的影响[25 ] ,所以今后对复合污染的研究将在基于现有
化学污染物化学性质的认识上 ,着重于污染物浓度水平与污
染物毒性效应的研究 ,以及不同污染物的浓度水平对复合污
染中污染物的作用机制和分子机理的研究.
　　土壤2植物系统复合污染目前的研究主要放在重金属之
间的交互作用和两种有机污染物共存时的联合毒性方面 ,对
同一介质或生态单元中由重金属和有机污染物之间组成的
多种污染物复合污染的研究还很少 [5 ,15 ] ,有待进一步加强.
　　现在很多复合污染的研究结果都带有猜想性 ,实验也多
以急性毒性实验为主 ,长效实验和蓄积实验较少 [18 ] ,一些生
物技术的新方法没有充分利用 [15 ] ,因此今后对复合污染生
态效应过程与机理的研究 ,将更加有赖于研究过程中充分应
用分子生物学的各种技术手段.
　　复合污染更为接近环境的现状 ,环境污染也就更依赖于
对复合污染的解释 ,所以在研究中要加强复合污染研究成果
的应用[21 ,25 ] . 例如 ,我国现有的食品卫生标准和土壤环境质
量标准仅基于单因子污染的生态效应 ,应用现有的复合污染
研究成果 ,正确评估环境质量和生态安全性 ,对我国复合污
染条件下食品安全指标和土壤环境质量基准提出建议 ,为我
国食品卫生标准和土壤环境质量的制定提供科学依据.
　　目前世界上大多数国家对化学污染物危险性的评价包
括危害分析、暴露特征指数估算、剂量2效应关系和危险性特
征指数计算等 4 项主要内容 ,它们主要是针对单一化学污染
物存在条件下的情形 ,而对一种以上化学污染物的危险性评
价和定量表征 ,还缺乏必要的研究和可靠的方式 [27 ] ,有待研
究和发展.
参考文献
1 　Abdel2Sablur MF , et al . 1998. Cadmium2zinc interactions in plants
and extractable cadmium and zinc fraction in soil. Soil Sci ,145 (6) :
424～431
2 　Cheng Yun , Zhou Qixing. 2002. Ecological toxicity of reactive X2
3B red dye and cadmium acting on wheat ( Triticum aestiv um ) . J
Envi ron Sci ,14 (1) : 136～140
3 　Fargasova VA , Beinrohr E. 1998. Metal2metal interactions in ac2
cumulation of V5 + , Ni2 + , Mo6 + , Mn2 + and Cu2 + in under2 and
above2ground parts of Sinapis alba. Chemosphere ,36 (6) : 1305～
1317
4 　Gao Z2M (高拯民) ed. 1986. Research advances in pollution ecology
of soil2plant system. In : Studies on Pollution Ecology of Soil2Plant
System. Beijing : China Science and Technology Press. 1～13 (in
Chinese)
5 　Gong P (龚 　平) , Li P2J (李培军) , Sun T2H (孙铁珩) . 1997.
Ecotoxicological effects of Cd , Zn , pheneanthrene and MET com2
bined pollution on soil microbe. Chin Envi ron Sci (中国环境科
学) ,17 (1) : 58～62 (in Chinese)
6 　Guo D2S(郭栋生) ,Xi Y2Y(席玉英) ,Wang A2Y(王爱英) , et al .
1997. Impact on the element absorption and physiochemical index
of corn seedling caused by the combined pollution of nickel and phe2
nol. A gro2Envi ron Protec (农业环境保护) ,16 (5) : 217～220 (in
Chinese)
7 　He Y2T (何勇田) , Xiong X2Z (熊先哲) . 1994. Advances in re2
search of combined pollution. Envi ron Sci (环境科学) , 15 (6) : 79
～83 (in Chinese)
8 　Heil DM , Samani Z , Hanson AT. 1999. Remediation of lead con2
7285 期 　　　　　　　　　　　　　　郭观林等 :土壤2植物系统复合污染研究进展 　　　　　
taminated soil by EDTA I. Batch and column studies. W ater A i r
Soil Poll ,113 (1/ 4) : 77～95
9 　Jiao F2C (焦芳婵) , Mao X (毛 　雪) ,Li R2Z (李润植) . 2002.
Strategies and application of clean2up of environmental pollutants by
plants. A gro2Envi ron Protec (农业环境保护) , 21 (3) : 281～284
(in Chinese)
10 　Moreau CJ , Klerks PL , Hass CN. 1999. Interaction between
phenanthrene and zinc in their toxicity to the sheepshead minnow
( Cyprinodon variegaus) . Envi ron Contam Toxicol ,37 (2) : 251
～257
11 　Ren A2Z(任安芝) , Gao Y2B(高玉葆) . 2000. Effects of single and
combinative pollutions of lead , cadmium and chromium on the ger2
mination of B rassica chinensis L . Chin J Ecol (生态学杂志) , 19
(1) : 19～22 (in Chinese)
12 　Song Y2F(宋玉芳) , Zhou Q2X(周启星) , Xu H2X(许华夏) , et
al . 2002. Ecological toxicity of heavy metals inhibiting seed germi2
nation and root elongation of wheat in soils. Chin J A ppl Ecol (应
用生态学报) , 13 (4) : 459～462 (in Chinese)
13 　Sroerbeck DR. 1991. The nickel uptake from different soils and its
prediction by chemical extractants. W ater A i r Soil Poll u , 4 ( 1) :
861
14 　Stewart AR , Malley DF. 1999. Effect of metal mixture (Cu , Zn ,
Pb and Ni) on cadmium partitioning in littoral sediments and its ac2
cumulation by the freshwater macrophyte Eriocaulon septangu2
lare. Envi ron Toxicol Chem ,18 (3) : 436～447
15 　Walker CH. 1998. The use of biomarker of measure the interac2
tion effects of chemicals. Ecotoxicol Envi ron Contam Toxicol ,63
(5) : 499～502
16 　Xing B , Pignatello JJ . 1998. Competitive sorption between 1 , 32
dichlorobenzene or natural aromatic acids in soil organic matter.
Envi ron Sci Technol ,32 :614～619
17 　Yang Y(杨　晔) ,Chen Y2X(陈英旭) ,Sun Z2S(孙振世) . 2001.
Progress on effects of heavy metal pollution in rhizosphere. A gro2
Envi ron Protec (农业环境保护) ,20 (1) : 55～58 (in Chinese)
18 　Zhang N2M (张乃明) , et al . 1999. The present situation and
prospect of research on heavy metal pollution in soil2plant systems.
A dv Envi ron Sci (环境科学进展) ,7 (4) : 30～33 (in Chinese)
19 　Zheng Z2H (郑振华) , Zhou P2J (周培疆) , Wu Z2B (吴振斌) .
2001. New advances in research of combined pollution. Chin J A p2
pl Ecol (应用生态学报) , 12 (3) : 469～473 (in Chinese)
20 　Zhou D2M (周东美) , Wang S2Q (王慎强) , Chen H2M (陈怀满) .
2000. Interaction of organic pollutants and heavy metals in soils.
Soil Envi ron Sci (土壤与环境) ,9 (2) : 143～145 (in Chinese)
21 　Zhou Qixing. 1996. Soil2quality guidelines related to combined pol2
lution of chromium and phenol in agricultural environments. Hu2
man Ecol Risk Assess ,2 (3) : 591～607
22 　Zhou Qixing. 2001. Chemical pollution and transport of organic
dyes in water2soil2crop systems of the Chinese coast . B ull Envi ron
Contam Toxicol ,66 (6) : 784～793
23 　Zhou Qixing , Gao Zhengmin. 1994. Compound contamination and
secondary ecological effects of Cd and As in soil2alfalfa ecosystems.
J Envi ron Sci ,6 (3) : 330～336
24 　Zhou Qixing , Sun Tieheng. 2002. Effects of chromium (VI) on
extractability and plant uptake of fluorine in agricultural soils of
Zhejiang Province , China. W ater A i r Soil Poll u , 133 (1～4) : 145
～160
25 　Zhou Qixing , Zhu Yinmei , Chen Yiyi. 1997. Food2security index2
es related to combined pollution of chromium and phenol in soil2rice
systems. Pedosphere ,7 (1) : 15～24
26 　Zhou Q2X (周启星) . 1992. Research on biogeochemical cycles
and pollution ecology of cadmium. PhD dissertation. Shenyang : In2
stitute of Applied Ecology ,Chinese Academy of Sciences. (in Chi2
nese)
27 　Zhou Q2X (周启星) . 1995. Ecology of Combined Pollution. Bei2
jing :China Environmental Science Press. 5～6 (in Chinese)
28 　Zong L2G(宗良纲) ,Ding Y(丁 　园) . 2001. Present investigation
on synergism of heavy metals copper ,zinc and cadmium in soil. A2
gro2Envi ron Protec (农业环境保护) , 20 (2) : 126～128 (in Chi2
nese)
作者简介 　郭观林 ,男 ,1977 年生 ,硕士研究生 ,现主要从事
污染生态学研究. Email :guoguanlin09 @hotmail. com
828 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷