全 文 ：重金属复合污染对土壤2植物系统的生态效
应 Ⅰ. 对作物、微生物、苜蓿、树木的影响 3
吴燕玉　王　新　梁仁禄　吴铁铮
(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
谢玉葵　李述刚　田秀芬　(中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所 ,乌鲁木齐 830011)
陈怀满　郑春荣　(中国科学院南京土壤研究所 ,南京 210008)
李惠英　陈素英　 (中国科学院石家庄农业现代化研究所 ,石家庄 050021)
【摘要】　研究 Cd、Pb、Cu、Zn、As 复合污染对土壤2植物系统的生态效应 , 供试污染物浓度
以接近国内外土壤环境质量标准值作为高剂量处理. 结果表明 ,该 5 种元素间可产生加和
与协同作用 ,对生态系统造成危害. 低剂量时 ,即可使土壤微生物活性受到抑制 ,高剂量时
可使农作物减产 10 % ,在酸性土壤上减产达 50 %以上 ,对苜蓿及树木也同样引起减产.
关键词 　复合污染 　生态效应 　重金属
Ecological effect of compound pollution of heavy metals in soil2plant system Ⅰ. Effect on crop ,
soil microorganism, alfalfa and tree. Wu Yanyu , Wang Xin , Liang Renlu ( Institute of Applied E2
cology , Academia Sinica , Shenyang 110015) . 2Chin. J . Appl . Ecol . , 8 (2) :207～212.
The ecological effect of Cd ,Pb ,Cu ,Zn and As compound pollution in soil2 plant system was studied in
field plots. The designed concentration of pollutants was based on soil2environmental standards or
guidelines. The results show that there are interactions among these five elements , which cause a toxic
effect on the ecosystem. The activity of soil microorganism is inhibited at low dose. At high dose , the
crop yield is decreased by 10 % , and on acid soil ,by 50 %. Alfalfa and tree are also yield2decreased.
Key words 　Compound pollution , Ecological effect , Heavy metals.
　　3 中国科学院“八五”重大项目 (06220206) 和国家自
然科学基金资助项目 (39370150) .
　　1996 年 9 月 18 日收稿 ,11 月 28 日接受.
1 　引 　　言
　　重金属复合污染的研究是近年来环境
科学的新热点. 因为在自然界多数情况下 ,
环境污染多是由多个元素共存与作用造
成 ,元素之间交互作用使复合污染对生态
系统的效应有别于单元素污染. 80 年代以
来 ,国外一些学者进行了土壤重金属复合
污染效应及其指标的研究[8 ,9 ,11 ,12 ] . 在我
国 ,从 90 年代开始 ,一些研究者就 Cd、Pb、
Cu、Ni、Zn、As 等元素对水稻、大豆、小麦影
响进行了盆栽苗期试验 ,认为元素间联合
作用 对 作 物 生 长 和 产 量 有 一 定 影
响[1 ,2 ,4～6 ] .
　　本次试验主要研究 Cd、Pb、Cu、Zn、As
等一组复合污染物对土壤2植物系统生态
效应 ,考虑到它们可代表 Pb、Zn 矿及冶炼
厂所排污水及大气的典型污染物 ,在我国
分布面积很广. 其次在对污染物浓度设计
上改变了过去以几何级数递增的高浓度设
计 ,而以国内外土壤环境质量标准 (或基
应 用 生 态 学 报 　1997 年 4 月 　第 8 卷 　第 2 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY,Apr. 1997 ,8 (2)∶207～212
准)或最大允许含量作为设计中高剂量浓
度 ,以其 1/ 3 量作为低剂量浓度. 这样设
计可检验单因素试验所得环境基准在复合
污染下的反应. 另外 ,试验方法上改变过去
习用的短期盆栽试验 ,而采用长期田间定
位试验 ,选择了不同生物气候带 ,不同土壤
类型对重金属环境行为有不同影响的 4 个
生态站开展大跨度、大规模的陆生生态系
统的区域比较研究.
2 　材料与方法
2. 1 　试验区自然概况及土壤条件
　　选择江西鹰潭红壤生态试验站、辽宁沈阳生
态试验站、河北石家庄栾城农业生态试验站、新
疆阜康荒漠生态试验站. 自然条件可见表 1、2.
表 1 　试验区域自然条件
Table 1 Natural conditions of tested areas
试验站
Sta2
tions
年降水量
Preci2
pitation
(mm)
蒸发量
Evapora2
tion
(mm)
年均温
Tempera2
ture
( ℃)
无霜期
Frozen2free
period
(d)
YTS 1700 1300 17. 6 262
SYS 570～680 1408～1756 > 8 147～168
LCS 537 12. 2 197
FKS 164 > 2000 6. 6 175
YTS:鹰潭红壤生态试验站 Yingtan red soil ecological sta2
tion ,SYS:沈阳生态试验站 Shenyang ecological station ,LCS:
栾城农业生态试验站 Luancheng eco2agricultural station ,
FKS:阜康荒漠生态站 Fukang desert ecological station. 下同
The same below.表 2 　试验土壤基本性质
Table 2 Physical and chemical properties of tested soil
土壤类型
Soil type
pH 有机质Organic
matter
( %)
CEC
(mmol·
10g - 1)
重金属背景含量 (mg·kg - 1)
Background content of heavy metals
Cd Pb Cu Zn As
土壤质地
Soil texture (mm , %)
> 0. 01 0. 01～0. 001 < 0. 01
红壤 Red soil 4. 7 1. 1 11. 7 0. 03 42. 6 23. 3 68. 1 12. 9 39. 8 20. 2 40
草甸棕壤 6. 6 1. 79 23. 7 0. 13 25. 7 19. 1 42. 68 10. 4 32. 5 34. 1 33. 4
Meadow burozem
褐 土 8. 36 1. 16 7. 43 0. 04 22. 82 18. 11 56. 95 8. 98 63. 35 16. 85 19. 8
Cinnamon soil
灰漠土 8. 4 0. 89 7. 63 0. 042 13. 7 23. 5 65 5. 75 59. 1 23. 7 17. 2
Gray desert soil
　　1991 年小区匀地播种 ,1992 年调查试验区土
壤背景值 ,将 Cd、Pb、Cu、Zn、As 5 种污染物施入土
壤表层 15 cm 处 ,充分混匀以后几年不再添加.
1992～1995 每年按生长季采集小区土样及植物样
品.
2. 2 　污染物浓度设计
　　国内外有关土壤环境标准值的制定进展不
一[10 ] ,有的国家仅有基准值或最大允许浓度 ,本
设计浓度与之相比 ,可知所设计高剂量即相当于
标准值 (表 3、4) .
表 3 　重金属化合物投放浓度( mg·kg - 1) 3
Table 3 Designed concentrations of meavy melal pollutants
处理 Treatment Cd Pb Cu Zn As
CK 0 0 0 0 0
低剂量 Low dose 0. 5 100 33 66 10
高剂量 High dose 1. 5 300 100 200 303 元 素 化 合 物 为 : CdCl2、Pb ( AC ) 2、CuSO4、ZnSO4、
Na2HAsO4.
表 4 　一些国家土壤重金属基堆或最大允许浓度
( mg·kg - 1)
Table 4 Guideline or maximum allowable concentration of
the five heavy metals in soil in some countries
国别
Country
Cd Pb Cu Zn As
德国 Germany 1. 5 100 60 200 20
(soil pH > 6)
英国 UK 1. 75 550 55 200 -
欧洲共同体 1～3 50～ 50～ 150～ -
EEC 300 140 300
美国 USA 3. 56 1021 73 730 36. 6
加拿大 Canada 1. 6 90 150 330 14
(安大略省 Ontrario)
前苏联 5 背景值 - - 15
U. S. S. R + 20
中国 China 0. 3～ 200～ 50～ 200～ 20～
1. 0 　 500 　 400 　 500 　 40 　
2. 3 　供试作物
　　水田统一种水稻 . 旱田按当地耕作制实行轮
作 ,有小麦、玉米、大豆、绿豆等. 尚有牧草、苜蓿地
及树木 ,包括针叶树、阔叶树 (表 5) .
2. 4 　测定方法
　　土壤测定全量与有效态 ,植物样品分根、茎
802 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　8 卷
叶、籽实各部位测定. Cd、Pb、Cu、Zn 均采用 NHO32
HClO4 消化法 ,消化液用 180280 原子吸收分光光 度计测试 ,As 用新银盐法比色测定.
表 5 　各生态站田间试验区面积( m2)及数量
Table 5 Areas and numbers of testsd plots in various ecological stations
小区
Plot
作物种类
Crops
YTS SYS LCS FKS 小区总和
Total plots
水田 Paddy field 水稻 Rice 2 ×2 (3) 2 ×4 (4) 2. 5 ×2. 5 (3) 3 ×3 (3) 13
旱田 小麦、玉米、豆类 2 ×2 (3) 2 ×4 (8) 2 ×2 (3) 3 ×3 (3) 17
Dry land Wheat ,maize and legumes
牧草地 Grassland 苜蓿 Alfalfa 2 ×2 (3) 2 ×4 (4) 2 ×1. 5 (3) 2 ×2 (3) 13
林地 杨、松、桧柏 2 ×2 (6) 3 ×4 (7) 3 ×4 (6) 3 ×4 (6) 25
Forest land Poplar ,pine and juniper
渗漏筒 (水、旱)Lysimeter 0. 758 (3) 0. 758 (8) 2 ×2 (6) 1 ×1 (6) 23
3 　结果与讨论
3. 1 　复合污染对农作物生长发育影响
　　根据 1992～1994 (1995) 年田间小区产
量资料 ,以与对照小区相对产量百分数代
表复合污染对作物生长发育影响 (表 6) .
从表 6 可知 ,对产量影响最大为鹰潭站 ,绿
豆第 1、2 年绝产 ,第 3 年仅 3. 94 % ;水稻第
1 年产量仅为对照的 41. 2 % ,第 3 年达
70 %. 在沈阳站 ,水稻、小麦、大豆高剂量处
理仅减产 5～10 % (小麦达 15 %) ,低剂量
还略增产 2～10 % ;栾城站小麦减产 13 % ,
水稻、大豆第 1 年减产明显 ,以后逐年恢
复 ,至减产 17 % (水稻) 和 105. 4 % (大
豆) , 阜康站低剂量处理均增产 , 高剂量
图 1 　重金属对水稻田间试验产量影响 (1993)
Fig. 1 Effect of heavy metals on rice yield in field experiments
(1993) .
Ⅰ. 鹰潭站 Yingtan station , Ⅱ. 沈阳站 Shenyang station , Ⅲ.
栾城站 Luancheng station , Ⅳ. 阜康站 Fukang station.
处理水稻减产 6～15 % ,小麦减产 11. 3 %
到增产 28 % ,全以水稻作代表 ,可见对产
量的影响 ,鹰潭站 > 栾城站 > 沈阳站 > 阜
康站 (图 1) .
　　以往研究均以作物减产 10 %时的土
壤含量定为元素临界含量 ,在本试验中 ,低
剂量处理可使鹰潭站、栾城站大豆出现受
害症状 ;高剂量处理则水稻、大豆、小麦各
站普遍减产. 如前述 ,将高剂量浓度 Cd
(1. 5 mg·kg - 1) 、Pb (300 mg·kg - 1) 、Cu (100
mg·kg - 1) 、Zn (200 mg·kg - 1 ) 、As (30 mg·
kg - 1)定为临界浓度值当无疑义 ,将此含量
与过去所得单元素试验时所得临界含量相
比 (表 7) ,则发现复合污染可使 Cd、Pb 的
临界含量大为降低 , 而其他元素降低不
多 ,如草甸棕壤单元素试验时 ,土壤 Cd
(100 mg·kg - 1) 、Pb (2000 mg·kg - 1) 减产为
96. 1 % ,红壤单元素试验时土壤 Cd (3 mg·
kg - 1) 、Pb (500 mg·kg - 1)减产为 94 % ,比复
合污染临界值高. 在酸性土壤中 ,造成作物
生育障碍主要元素为 Cu ,在碱性土壤中为
As ,Cu、As 交互作用可增加土壤中有效 Cu
的含量而加强毒害 ,Cd、Pb 存在将减轻 Cu
的危害[3 ] .
　　由图 2 可见 ,Cd、Pb、Cu、Zn、As 复合
作用所产生的复合效应大于各元素单一作
用所产生的生态效应 , 但小于各元素单一
9022 期 　　　　　　　吴燕玉等 : 重金属复合污染对土壤2植物系统的生态效应 Ⅰ. 　　　　　　　　　　
表 6 　重金属对大田试验作物产量的影响(相对产量 %)
Table 6 Effects of heavy metals on tested crops in field experiments( % of control)
作物
Crop
处理
Treat2
ment
YTS
1993 1994 1995
SYS
1992 1993 1994 1995
LCS
1992 1993 1994
FKS
1993 1994 1995
水稻 Ⅰ 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100
Rice Ⅱ 91. 64 98. 8 106. 6 102 96. 94 110. 3 115. 7 76. 3 98 93. 83 126. 62 121. 4 97. 1
Ⅲ 41. 2 52. 3 70. 0 95. 4 93. 18 116. 9 112. 3 67. 1 92. 4 83. 5 87. 48 94. 82 85. 2
大豆 Ⅰ 100 100 100 100 100 100 100 100 100
Soybean Ⅱ 51. 2 28. 2 17. 75 101. 2 101. 3 69. 2 83. 0 101. 2 97. 1
Ⅲ 0. 66 0 3. 94 97. 1 109. 8 30. 8 58. 3 105. 4 85. 2
小麦 Ⅰ 100 100 100 100 100 100 100 100
Wheat Ⅱ 100. 5 90. 78 96. 15 119. 54 97. 98 108. 15 107. 93 92. 3
Ⅲ 99. 4 92. 43 84. 61 110. 76 87. 55 116. 11 88. 7 128. 9
Ⅰ:CK, Ⅱ:低剂量 Low dose , Ⅲ:高剂量 High dose. 下同 The same below.
表 7 　单元素与复合污染对水稻产量影响比较(相对产量 %)
Table 7 Comparison between effects of single and compound pollutants on rice yield( % of control)
土壤类型
Soil type
单元素污染
Single element (mg·kg - 1) %
复合元素污染
Compound pollutants(mg·kg - 1) %
草甸棕壤 Cd(CdCl2) 　　100 96. 7 Cd1. 5 + Pb300 + Cu100 + Zn200 + As30 93. 2～95. 4
Meadow burozem Pb(PbCl2) 　　2000 96. 6
Ca2As 　　　　40 57. 4
Fe2As 　　　　40 64. 9
Na2As 　　　　40 98. 07
红壤 Cd(CdCl2) 　　3 94. 0 Cd1. 5 + Pb300 + Cu100 + Zn200 + As30 - 41. 2～70
Red soil Pb(OAC) 2 　　500 93. 8
Pb(OAC) 2 　　1747. 8 90 Cd0 + Pb250 + Cu50 + Zn50 3 31. 39
CuCl2 　　　　100 22. 01
ZnCl2 　　　　200 30 Cd1 + Pb250 + Cu50 + Zn50 3 85. 32
Cd2 + Pb250 + Cu25 + Zn0 3 103. 1
褐土 Cd 　　　　　15 Cd1. 5 + Pb300 + Cu100 + Zn200 + As30 52～92. 4
Cinnamon soil 70
Pb 　　　　　300 70
Cu 　　　　　200 70
Zn 　　　　　400 703 盆栽 Pot culture.
图 2 　Cd、Pb、Cu、Zn、As 复合效应与单一元素效应比较
Fig. 2 Comparison between effect of Cd , Pb , Cu , Zn and As
compound pollution and that of single element .
Ⅰ. 5 元素单一效应和 Sum of single element , Ⅱ. 5 元素复
合效应 Compound effect .
作用所产生的效应之和.
3. 2 　复合污染对微生物活性的影响
　　研究污染物对土壤微生物的生态效
应 ,选择合适的试验指标十分重要 ,过去选
表 8 　复合污染对微生物活性抑制率( %)
Table 8 Inhibiting effect of heavy metals on microbial
activity in soils
地点
Station
A
Ⅱ Ⅲ
B
Ⅱ Ⅲ
FKS　旱区 Dry land - 93 - 80. 6
　　　水田 Paddy field - 30 - 88. 1 nd nd
　　　林区 Forest land - 15. 5 - 89. 5
　　　牧草 Grass land - 43 - 98. 0
SYS　玉米 Maize field - 43 - 98. 0 + 80 - 33
　　　小麦 Wheat field - 96 - 100 - 19 - 67
　　　水田 Paddy field - 93. 5 - 93. 5 - 16 - 53
YTS　水田 Paddy field 0 100 + 550 + 1400
　　　绿豆 Mung bean - 100 - 100 + 134 - 64
　　　　　field
　　　苜蓿 Alfalfa land - 100 - 100 - 12 + 5
　　　白杨 Poplar forest - 100 - 100 - 42 - 12
　　　　　land
　　　松树 Pine forest - 100 - 100 - 89. 2 - 67. 5
　　　　　land
A :固氮酶活性抑制率 Nitrogen2fixation enzyme activity ,B :
反硝化作用抑制率 Anti2nitrification.
012 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　8 卷
择微生物总数及群落效应研究 ,发现由于
微生物对污染物具有耐抗性与适应性 ,该
指标并不敏感 ,且手续繁琐 ,工作量大 ,故
这次仅测定固氮酶活性和反硝化作用 2 项
生化指标.
　　已知固氮酶活性与反硝化作用均随土
壤中重金属浓度增加而降低 ,而且水田抑
制率低于旱田. 从表 8 可见 ,以酸性红壤站
抑制作用最强 ,达 100 % ;阜康站最弱 ,而
且抑制强度与剂量呈正比 ,高剂量抑制率
高于低剂量. 1994 年在沈阳站田间小区增
测了土壤微生物生物量、微生物呼吸强度、
脱氢酶活性 3 项指标 ,结果发现投加重金
属污染物均能显著抑制这 3 项指标 ,尤以
脱氢酶指标比较有规律 ,该指标代表土壤
生物活性总体水平 ,处理小区中以旱地玉
米小区影响最为显著 ,高剂量处理产生 >
20 %抑制效应概率高于低剂量 (表 9) .
　　Wike (1988) 发现分别单独加入 Cd (3
mg·kg - 1) 、Cu (50 mg·kg - 1) 、Pb (100 mg·
kg - 1) 、Zn (200 mg·kg - 1) 不引起土壤呼吸
和脱氢酶活性改变 ,而这些元素联合投加
将显著产生抑制效应 ,与本试验相吻合[7 ] .
表 9 　田间试验小区重金属对土壤脱氢酶活性复合影响
Table 9 Compound effect of heavy metals on DHA acti2
vities in field experiment
小区
Plot
处理
Treatment
夏 Summer
DHA IR( %)
秋 Autumn
DHA IR( %)
杨树 Ⅰ 10. 60 17. 57
Poplar Ⅱ 7. 63 - 28. 6 15. 67 - 10. 9
Ⅲ 7. 28 - 31. 9 10. 32 - 41. 3
落叶松 Ⅰ 13. 27 12. 71
Pine Ⅱ 13. 04 - 1. 7 9. 73 - 23. 5
Ⅲ 8. 01 - 39. 6 8. 10 - 36. 3
玉米 Ⅰ 12. 81 8. 44
Maize Ⅱ 12. 33 - 3. 7 7. 59 - 25. 1
Ⅲ 9. 35 - 27. 0 4. 92 - 32. 6
注 :夏天 1994. 7. 27 ,秋 1994. 9. 23 ;DHA :nmol TPF·g - 1干
土·h - 1 ,IR :抑制百分率.
3. 3 　复合污染对树木及苜蓿生长的影响
　　选择多年生豆科牧草苜蓿作供试作
物 ,苜蓿喜 Ca、耐旱 ,对污染物比较敏感 ,
适应干旱气候 ,在碱性土壤上生长良好 ,低
剂量可以增产 ,高剂量处理可略减产 ,中性
土壤减产 20～40 % ,酸性土壤上绝产 (表
10) .
表 10 　重金属复合污染对苜蓿生长的影响
Table 10 Effect of compound pollution of heavy metals on alfalfa growth
处　理
Treatment
FKS (1993～1995)
干重 D. W.
(kg·plot - 1) %
LCS (1994)
干重 D. W.
(kg·plot - 1) %
SYS (1995)
干重 D. W.
(kg·plot - 1) %
YTS
干重 D. W.
(kg·plot - 1) %
Ⅰ 6. 16 100 1. 18 100 1. 16 100 无产量
Ⅱ 6. 54 107. 0 1. 38 115 0. 93 80. 2 No yield
Ⅲ 5. 72 93. 62 1. 22 103 0. 695 59. 9
表 11 　重金属复合污染对树木生长的影响(株高相对 %)
Table 11 Effect of compound pollution of heavy metals on the tree growth
处　理
Treatment
阔叶树 Broad2leaved tree
FKS
白杨树
LCS
毛白杨树
SYS
锦新杨树
YTS
白杨树
针叶树 Conifer
LCS
桧柏
SYS
落叶松
YTS
马尾松树
FKS
松树
Ⅰ 100 100 100 100 100 100 100 不长
Ⅱ - 7. 20 - 11. 8 - 3. 27 - 33. 3 - 3. 45 - - 12. 15 No growing
Ⅲ - 15. 6 - 0. 01 - 19. 29 - 58. 4 - 8. 35 - 8. 63 - 23. 36
　　为试验复合污染对树木的影响 ,分针
叶树、阔叶树 2 组 ,因针叶树喜酸性土壤 ,
在鹰潭站生长良好 ,在阜康站生长不良 ,杨
树喜湿怕旱 ,栾城站干旱 ,鹰潭站旱季均生
长不良 ,沈阳站土壤中性 ,气候湿润 ,杨树
及落叶松均生长最佳 ,锦新杨树高 11～12
m ,胸径 10～13. 5 cm ,落叶松树高 4. 5～5.
0 m ,胸径 3. 6～7 cm ;栾城站毛白杨树高
4. 8～5. 4 m ,胸径 4. 5～5. 0 cm ;桧柏树高
2. 3 m ,胸径 5. 3～6. 1 cm ;阜康站仅白杨树
1122 期 　　　　　　　吴燕玉等 : 重金属复合污染对土壤2植物系统的生态效应 Ⅰ. 　　　　　　　　　　
株高 4. 2～5. 0 m ,胸径 11. 2～13. 5 cm ;鹰
潭站马尾松树高 1. 36～1. 49 m ,茎粗 5. 4
～6. 8 cm ;杨树则仅高 1. 8～3. 07 m ,并且
缺株严重 ,不能测产.
　　至于污染物对树木生长的影响 (表
11) ,仅以株高相对百分率代表 ,阔叶树高
浓度处理 ,株高 - 15. 6～ ( - 23. 4) % ,最
严重为 - 54. 4 % ;针叶树影响比较小 ,为
- 8. 4～ ( - 23. 4) %.
4 　结 　　论
4. 1 　根据对各种农作物生育产量的影响
(以减产 10 %计) 以及对土壤微生物生化
活性、树木、多年生牧草的影响 ,可以认定 ,
将 Cd、Pb、Cu、Zn、As 混合投加将产生加和
协同作用 ,可对土壤生态系统产生有害影
响 ,Cd、Pb 土壤临界值大为下降.
4. 2 　不同生物气候带 ,土壤重金属复合污
染生态效应差异颇大 ,酸性土壤 (红壤) 毒
性最强 ,减产最明显 ,随着土壤 pH 升高 ,
毒害下降.
4. 3 　对土壤环境质量标准而言 ,过去根据
单一元素试验所订土壤环境质量标准 ,在
复合污染条件下 ,不尽适合 ,应重新研究 ,
并以低剂量为安全.
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