全 文 ：第29卷第3期
2010年6月
生态科学
EcologicalScience
29(3)：280-285
Jun．2010
刘家女，周启星．修复土地再用生态风险评价方法研究【J】．生态科学，2010，29(3)：280—285．
LIUJia—nv,ZHOUQi·xing．Ecolo西calriskev uatingforthereuseoftheremediatedsoilsfJ】．EcologicalScience，2010，29(3)：280—285．
修复土地再用生态风险评价方法研究
刘家女1，周启星1’2
1．南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071
2．中国科学院沈阳应用生态研究所，中国科学院陆地生态过程重点实验室，辽宁沈阳110016
【摘要】 针对污染土壤的修复技术研究已经取得了很多重要的结果，但是对修复效果的评价研究却相对较少。实际上，在对
污染土壤进行物理、化学以及生物修复后，再用前需要根据再用目的对可能残留的污染物或修复剂是否会产生生态安全和人类
健康问题进行风险评价。本文着重从修复场地原位观察法、实验室模拟观察法、微宇宙法和现场经验与推导法四方面讨论了如
何能够有效、灵敏地诊断污染物对生态系统产生的潜在危害，归纳了生态毒理学实验在评价修复土地再用风险中的作用；并对
修复土地再用生态风险评价的发展前景进行了展望，提出了针对性的建议。
关键词：污染土壤；生态风险评价；方法学；生态毒理
doi：10．3969／j．issn．1008．8873．2010．03．015中图分类号：X171；Q14文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2010)03．280-06
Ecologicalriskevaluatingforthereuseoftheremediatedsoils
LIUJia．nvl．ZHOUQi．xin91’2
，． KeyLaboratoryofPollutionProcessesandEnvironmentalCri eria,MinistryofEducation,CollegeofEnvironmentalScienceand
Engineering,NankaiUniversity,Tianjin300071，China
2． KeyLaboratoryofTerrestrialEcologicalProcess,InstituteofAppliedEcology,ChineseAcad myofSciences,Shenyang110016,
CAina
Abstract：Manyinvestigationsaboutphytoremediationtechnologieshadbeendoneandsomeimportantachievementshadbeenacquked，
however,theinvestigationabouttheremediationeffidencywasless．Infact，afterthsoilsareremediatedbyphysical，chemicaland
biologicalmethods，theeffectivemethodsshouldbeappliedtoassessthecologysafetyandhumanhealthproblemsbroughtbythe
rudimentalpolllutantsbeforethesoilsarereused．Thestudyiscussedhowtoeffectivelyandsensitivelydiagnosetheharmcausedbythe
pollutantsfromthetoxicologyexperimentofspotobservation，labsimulatedobservation，microcosm,spotexperienceanderivation,
concludethefunctionofecotoxicologicalexperimentsonevaluatingtherisks．Furthermore，futureresearchdirectionswerealso
discussedandpertinentsuggestionsweregiven．．
Keywords：contaminatedsoils；ecologicalriskevaluation；methodolody；ecologicalt xicol gy
收稿日期：2009．12．30收稿，2010．04．20接受
基金项目：国家973项目(2004CB418503)，国家基金重点项目(40930739)
作者简介：刘家女，(1981一)，女，博士，讲师，研究方向为生态修复
·通讯作者：周启星，E-maihZ ouqx@nankai．edu．∞
万方数据
3期 刘家女，等：修复土地再用牛态风险评价方法研究
l引言(Introduction)
污染土壤的面积在迅速扩大，迫切需要修复、治
理。然而无论是化学修复，还是植物修复，甚至是微
生物修复，都存在或多或少的修复后问题，例如修复
剂或微生物／酶制剂带来的次生污染问题，并对土壤
结构、土壤肥力和其他自然生态过程产生不可逆转的
影响【1】。因此，对修复后的土壤再用前一定要进行生
态风险评价，在考虑修复土地再用效率的同时，也要
评价可能存在的污染物和修复剂对环境的潜在危害。
早期的土壤生态风险评价主要是针对人类健康而言
的，也就是人类健康风险评价。上世纪90年代初，美
国科学家JoshnaLipton等人提出土壤生态风险的最
终受体不仅为人类自己，而且包括土壤系统的各个组
建水平(个体、种群、群落、生态系统乃至景观)，并
且考虑了生物之间的互相作用以及不同组建水平的
生态风险之间的相互关系(即风险级联)12j。1992年，
美国国家环保局认为，土壤生态风险评价是为了分析
和预测土壤生态系统对于外界胁迫的响应13J。这种胁
迫可以是这些能对个体、种群、群落和土壤生态系统
导致不利影响的化学的、物理的以及生物的反应。在
此后的十年中，陆续有一些学者及国际上的一些著名
的环境机构对土壤生态风险评价方法进行了研究，提
出了大量的针对不同尺度的度量指标体系，综合各方
面研究结果，可概括为风险因素识别、暴露分析以及
风险表征三部分14，5】。然而，污染土壤经过修复后其
修复效果究竟如何，是否还会对土壤生态系统和人类
的健康构成威胁，需要对修复后的土壤进行观察，并
通过灵敏和有效的方法如生态毒理实验予以诊断。生
态毒理风险评价是一个预测环境污染物对生态系统
或其中某些部分产生有害影响可能性的过程，它可以
通过一些敏感物种的实验结果，来估计污染物对生态
系统产生危害的环境浓度。本文具体地从修复场地原
位观察法，实验室模拟观察法，微宇宙法和现场经验
与推导四方面分析如何对修复土地再用进行生态风
险评价。
的污染物或修复剂对各种土壤生物的毒害效应。由于
原位观察是在被污染场地的现场进行实验来判断修
复效果，所以应尽量缩短试验时间，可通过短期的易
操作的田间生态毒性试验来实现。蚯蚓(Ench，，raeus
sp．)是一类有益动物，也是一类指示动物，它在各
种土壤动物中对于污染物质的敏感性是居中的，所
以有大量的原位观察测试试验是利用蚯蚓来完成
的【6，¨。蚯蚓急性毒性试验的目的是评价土壤环境中
化学物质土壤中动物的急性伤害。常用的蚯蚓品种是
赤子爱胜蚓(Eisenh2foetida)，因其生活周期短，繁
殖能力强，易于饲养已被作为土壤环境污染生态毒理
诊断的试验用物种。原位的田间毒性试验是指在实际
的土壤中直接测试某化学物质对蚯蚓种群的生态毒
性试验。评价指标包括蚯蚓种类、数量和生物量等。
调查采样方法包括福尔马林法、电激法、手采法等，
或几种方法混合使用。试验应具备以下几点：①测试
地点土壤中至少包括6种普通蚯蚓，其数量最好在每
平方米100条以上；②选择壤土为基质进行试验，避
免粘土和砂土，因为粘土可能使化学品凝结，而砂土则
不利于蚯蚓的生长；③选择至少在5年以上未有使用
过化学品的土壤进行试验，并在实验前对土壤的化学
品残留进行分析：④每一浓度至少应有4个重复，每一
样本最好为5～10m3； ⑤测试化学品在蚯蚓及土壤
中的残留情况，以评估化学品在蚯蚓体的富集作用和
对食物链的影响；⑥可能的情况下，建议与标准化学
品的毒性进行比较分析【8l。例如：蚯蚓对重金属有很
强的富集作用，蚯蚓一直被用作评价重金属污染的指
示动物。所以，在一块土地中蚯蚓数量的多少以及生
物活性的大小就可以说明污染土壤修复的程度。
Chang(1997)等以蚯蚓为土壤动物进行了铅污染土壤
修复前、后毒性评价研究，将土壤清洗／土壤淋溶修
复前、后的土壤取样，然后再用水洗处理，进行蚯蚓
急性毒性试验。结果表明，若将修复前、后的土壤用
水洗处理，土壤对蚯蚓无任何毒性反应，如不用水洗
处理，修复后的土壤仍对蚯蚓有明显毒性效应。进一
步调查表明，处理后的土壤之所以对蚯蚓有毒害，主
要是土壤的含盐量过高pJ。
2修复场地原位观察法(In．situobservationinthe
remediatedsi e) 3实验室模拟观察法(Observationsimulatedi he
laboratory)
原位观察，即在修复场地原位进行生态学和毒理
学的诊断，来判断污染土壤修复的效果。通过原位的 实验室观察主要是在实验室内对修复后的土壤
试验可以发现场地条件或接近场地条件下可能存在 样本进行生态毒理学方面的观察。如果经过修复后的
万方数据
污染土壤仍有超标的污染物质或次生污染物质存在，
就会对环境中的生物产生不同程度的危害。生物在受
害致死以前，其行为、生理、生化已发生反应，可以
选择这些在分子和细胞水平上的指标测定污染物对
生物的影响，这些指标具有测定周期短、灵敏的特点。
近十几年来，分子生物学理论和技术的发展，给污染
土壤修复后效观察的生态毒理学研究提供了新的思
维和研究工具，改变了生态毒理学研究的基本格局，
使生态毒理学研究从经典的整体器官水平向细胞和
分子水平飞跃。纵观近年来生态毒理学的发展历程，
一些常用的分子生物学技术，如PCR技术、核酸杂交
技术、DNA测序技术以及一系列突变检测技术己广
泛应用于外源化合物和环境污染物引起的DNA损
伤、基因突变及DNA力fl合物形成等方面的研究与检
测【10~1引。特别是近年来基因差异分析技术、转基因
技术、基因芯片技术、蛋白质芯片技术等分子生物学
新技术的建立和引入，大大提高了污染土壤修复后效
观察生态毒理学研究的整体水平【l引。实验室获得的数
据在田间条件下不一定能证实，实验结果的代表性很
大程度上取决于实验条件，在选择实验室．田间推测
系数时，主要的争论点是它大于1或小于1【14】。生态毒
理学理论的发展，结合生态群落学理论，可以区分田
间条件和实验室条件的不同之处。
由于在田间条件下，生态因素(生活史、调节
者、竞争者)对预测有毒物质的毒性是最基本的，因
此了解实验物种的生态学特征是很有必要的。
3．1植物指示法
进入土壤一植物系统的污染物超过一定浓度就会
对该系统产生危害影响，这种影响可以直接通过植物
生长的状态得到表征【15，16】。我们可以将这种通过植物
生长出现某些障碍来预测土壤污染的现象称为症状
法。具体地可通过植物的受害症状、植物体内污染物
含量和植物根际微生物数量的变化等几个方面来判断
土壤中污染物质的潜在危害程度。晁雷等人研究了在
草甸棕壤条件下，铅(Pbl与对二氯苯口DB)的单一及
复合污染对小麦(Triticumaestiuce)和大白菜(Brassica
Pekimensis)种子发芽率、幼苗生物量(鲜重、干重)、
芽伸长抑制率和根伸长抑制率的影响。结果表明，受试
植物可以很好的指示污染毒性，它们对外源污染物的
敏感顺序为根伸长抑制率>芽伸长抑制率>幼苗鲜
重>发芽率和幼苗干重。并且，Pb2+与PDB复合污染
的条件下，Pb2+的浓度为500mg·蚊1时，Pb2+与PDB
处于协同效应。Pb2+的浓度为2000mg．k91时，Pb与
PDB联合毒性比较复杂。但不论对于小麦还是大白
菜，Pb与PDB的联合作用更多的是依靠Pb2+的作用而不
是PDB的作用lln。Berkovits研究发现，当土壤中矿物
油含量达到5000mg·kg‘1时，小麦的株高由对照的
54．3cm减少至48．9cm，矿物油含量达至lJl00 0mg·kgd
时，植物株高下降至36．5cnl。症状法和生长量法都是
利用植物在污染状态下的受害程度，对污染的程度以
及产生的生态危害做出响应判别【l引。
3．2敏感动物指示法
蚯蚓是土壤生态系统中的重要组成。一方面，它
作为陆生土壤生物，能改善土壤的通气性，增进土壤
肥力：另一方面，在食物链中，蚯蚓是陆生生物与土
壤生物传递的桥梁。当土壤被各类化学品污染后，污
染的土壤必将对蚯蚓的生存、生长、繁殖产生不同的
不利影响，甚至死亡ll引。前已叙述，利用蚯蚓指示土
壤污染的状况，评价土壤质量，已被作为污染土壤修
复效果生态毒理诊断的一项重要指标。Bart等就通过
对漫滩和沉积土壤中蚯蚓数量的研究来评价土壤中
重金属污染L20J。Ban指出，在应用蚯蚓数量作为土壤
污染评价的附加信息时是有一定条件的，首先，当不
同土壤的粘度、pH等理化条件不同时，其土壤中蚯
蚓数量的不同不能说明污染的程度。另外，Cu是限
制蚯蚓存活的最主要元素，虽然蚯蚓对Cd有很强的
富集能力，但当污染土壤的Cu含量不同时，其蚯蚓
数量的不同不能说明该污染土壤中Cd的污染程度的
差异。另外，沙蚕(Perinereisaibuhitensis)的丰度不仅
直接影响到水生生态系统中的食物链结构，而且能够
“演绎”陆生生态系统的变化，因此它是海陆交错带中
的一种重要生态指示生物。近年来发现，沙蚕体内能
够蓄积大量的重金属等有毒有害污染物，且表现出较
强的污染耐性。将沙蚕暴露于不同浓度的石油烃和重
金属Cu2+、Cd2+，结果表明，石油烃和Cd2+、Cu2+对
沙蚕均具有较强的毒性效应。暴露4d和10d后，
石油烃LC50分别为440和110J_tgL～，Cu2+分别为
1150和570I．tgL-1，Cd2+分别为5090和2500I-tgL-1，
相应的生态毒性大小为：石油烃>Cu2+>Cd2+。在
Cd2+、Cu2+污染暴露条件下，沙蚕体内乙酰胆碱酯
酶活性受到一定程度的抑制，但抑制率均低于50％。
而在石油烃污染暴露条件下，沙蚕体内乙酰胆碱酯酶
活性受到显著抑制，最高抑制率可达90％以上；而且，
其乙酰胆碱酯酶活性的变化与石油烃的浓度显著相
万方数据
3期 刘家女，等：修复上地再用生态风险评价方法研究
关。可见，乙酰胆碱酯酶活性的变化可以作为生物标
志物，较灵敏地反映出石油烃对沙蚕的污染效应及其
毒害作用【21】。
33生物标记物法
生物标记物可以通过测量体液、组织或整体生
物体，来表征对一种或多种化学污染物的暴露或其
效应的生化、细胞、生理、行为、或能量上的变化，
是衡量环境污染物暴露及效应的生物反应。1987年，
美国国家科学院国家研究委员会确定生物学标记物
的定义为“生物学体系或样品的信息指示剂”，并将
其划分为三种类型：暴露标记、效应标记和易感性
标记。每种生物标记物有其特性并且在环境健康评
价中都存有潜在的关系122|。生物标记物评定法具有
以下优点：1)T解污染物的生物有效性在时间与空
间的积累效应；2)确定污染物与暴露风险的对应关
系，从机理上了解生物体的危害；3)可用于不同生
境或不同营养级的生物物种，揭示不同的污染暴露
途径：4)部分避免实验室数据外推引起的毒性波动
与变化；5)能同时指示母体污染物与代谢产物的暴
露与毒性效应；6)表现复合污染的毒性相互作用关
系；7)将不同层次生物(个体、种群、群落)的系列测
定综合，通过生物标记物的短期变化可预测污染物
的长期生态效应p～矧。可以作为生物标记物的物质
很多，如细胞色素P450、金属硫蛋白、蚯蚓中性红、
卵壳腺黏膜、胁迫蛋白、DNAiJn合物等。不论何种
生物标记物，它们都具有三方面的共同特点，即特
异性、广泛性、预警性。
细胞色素P450(或简称P450)指的是转化有机化
学物质结构的一系列酶，它作为有机污染的生物标记
物可对环境污染提供早期预报。Roos等人以啮齿类动
物小鼠(Musmusculus)口服PAHs污染土壤的方式对
其染毒，通过测定鼠肝P4501A1时发现，所有污染土
壤都使鼠肝P4501A1产生诱导。Fouchecourt发现，石
油污染土壤染毒的鼠肝微粒体P450活性比干净土壤
中的高7"-28倍，诱导强度与土壤污染程度相关。这
些研究为从分子水平上对污染土壤修复效果评定提
供了可能陋J。
金属硫蛋白指的是一些相对低分子质量的、富含
半胱氨酸的、能够结合金属的蛋白或多肽。其中的
Cys残基可以作为配体与金属发生螯合作用，所以金
属硫蛋白可以作为指示过度暴露于有毒重金属的生
物标志物，并且具有一定的优势。Berge等发现，在
短时间饲养含镉食物后，蜗牛(Helixpomatia)肠的金
属硫蛋白含量1由300／aggd(组织湿重)增加到750嵋一。
用蚯蚓作为供试动物的研究发现，在实验室条件下，
Cd的暴露使得蚯蚓体内金属硫蛋白含量大幅度增
加。从而结合了高达65％进入体内组织的Cd。金属
硫蛋白以不同的同分异构体形式存在，不同的同分异
构体可以反映不同重金属的胁迫瞄7|。
胁迫蛋白又称热激蛋白，是由一系列不同分子量
的蛋白谱系组成．最初发现于果蝇，由于升高温度的
刺激而产生。随后发现，这类蛋白亦可由化学物质以
及组织伤害．病菌感染等诸多因素诱发。尽管它不具
有特异性，但是作为生物标志物仍受到重视。污染物
诱发的胁迫蛋白，在各类土壤无脊椎动物中的表现各
异，但以线虫作为供试动物较为普遍。Sturzenbaum
等研究线虫(Plecmsacuminatus)体内诱发的Hsp60与
土壤重金属污染的关系，发现该指标对土壤重金属污
染具有敏感性，随着土壤中Cd和Cu浓度增高，线
虫体内Hsp60含量亦相应增加Lz8J。
实验结果的代表性很大程度上取决于实验条
件，因此实验室获得的数据与实际土壤条件下获得
的数据可能存在差异，而针对实际土壤所进行的原
位观察则有难操作且耗资较大的缺点。为了克服两
研究方法的局限性，研究者采用了与生态系统过
程相似的小模型一微宇宙法的观察方法，它是研究
化学品或污染物对生态系统影响以及毒害作用的有
效方法Iz¨，是对实验室研究方法的～种有效补充和
扩展。微宇宙法主要用于研究有毒物质在土壤生态
系统的归宿与生态毒性效应。由于微宇宙法比单一
生物实验提供更完整的信息，可同时提供暴露和归
宿的信息，它不仅能提供母化合物的、而且能提供
降解产物的信息。所以，近年来在农药及其它毒物
的生态风险评价中，微宇宙法的应用越来越普遍。
例如，微宇宙法可用于研究农药对陆生生态系统结
构与功能的影响，且研究结果与现场农地生态系统
的研究结果一致，可较全面地评价农药进入陆生生
态系统后对其结构和功能的影响程度，摸清在作
物一土壤系统的残留特点，进行农药危害性的预测，
提出合理使用农药的措施。土壤核心微宇宙是用于
研究外源性化合物对土壤生态系统及其中生长的植
物、土壤无脊椎动物和微生物影响的一种陆生微宇
万方数据
宙，其基本实验设计条件如表1所示【30】。
表1陆生土壤核心微宇宙试验设计
Table1Thedesignofcoremicrocosmexperimentforsoil
参数Parameters 条件Conditions
受试物
testedmaterials
微宇宙设计
microcosmdesign
土壤
Soil
重复组数
repetitiongr ups
浓度组数
concentrationgroups
淋洗
elution
试验期
experimentperiod
温度
Temperature
光照
Illumination
浇水
Irrigation
测定地点
testedspots
多样化，根据土壤核心采集场所不同而
不同
。
60cm深和17cm直径高密度塑料管，一
端覆盖一层玻璃布，内部为土壤核心
20cm深的表层土壤
6～8
3
加入受试物之前，每周一次，加入受试
物质后，每2周l～2次
12周或更长
根据试验季节进行同步温度控制
根据试验区域的季节控制光照
根据试验区域的历史资料，用实验室用
水或过滤收集的雨水浇水
多种多样
5 现场经验与推导法(Fieldexpedencesand
derivation)
对修复后土地再用进行生态风险评价，其评价
标准需考虑多方面的因素，如修复地块再用的目的、
土壤的性质和需要考虑的深度等，即使是对修复土
地的定量的生态风险评价，不应该是通过某一浓度
或单一剂量对受试物的影响来判断，而最好是基于
不同保护对象的多目标函数或一个范围值。也就是
说，首先需要有一定的现场经验方法作为定性表达
基础，之后再推导出综合完整的剂量一效应关系。
经验判断法常常用于进行定性的风险表征。通过一
些不同行业、不同层次的专家对所讨论的问题从不
同角度进行的分析，做出被修复的土地是否存在不
可接受的风险的判断，然后把这些判断进行综合，
做出相应的结论，如可通过被修复的土地中可能存
在的污染物与敏感环境之间的空间距离关系来定性
地评价污染物的风险程度，对环境危害的潜在影响
或风险度随与敏感环境的距离的减少而增加。另一
种做法是把所讨论的问题按专业、学科分解成一系
列专门问题，分别咨询有关专家，然后综合所有专
家的判断，做出最后的评价。也可由专家根据经验
判断一系列有环境问题的风险的相对大小，最后给
出总的排序结论。通过专家的经验判断可确定影响
修复后土地潜在风险的各个指标因子的权重，进而
推导出受试物与污染物之间关系的方程，而根据受
试物在土壤中所能承受的最大含量，反推出污染物
在土壤中的临界水平。例如，根据我国食品卫生标
准(GB2762．2005)qb规定，重金属铅在谷物可食部位
的积累不能超过0．2mg．kg。1【3¨。通过小麦籽实铅含
量与土壤中铅含量的回归方程，以籽实铅含量不超
过食品卫生标准为最大允许量，可以计算出土壤铅
的临界水平。但由于农作物对重金属的吸收与土壤
的理化性质之间有着密切的关系，当土壤的pH值、
有机质含量、N的含量、P的含量等发生变化时，
小麦对重金属的吸收都会发生相应的变化。
6研究展望(Prospect)
生态毒理风险评价的结果取决于研究者希望取
得的保护水平，这不仅仅是一个纯科学问题。之所以
对于修复后土地的再用问题存在争议，主要原因之一
是在土地修复再用的过程中缺乏相应的环保法律法
规支持。修复标准的选择是一个非常关键的问题，需
要考虑生态系统安全与人体健康影响、经济可承受能
力和社会发展水平等多种因素。例如，对于不同的土
壤类型或者不同污染历史特征的土壤，同样的污染
物浓度值带来的危害与多种环境因素有关。如果缺乏
足够的科学信息，就无法对标准进行规范，将有可能
导致一个低的修复再用标准，从而影响结果的可靠
性。随着土壤修复研究的逐步深入和修复技术的推广
应用，一些发达国家已加大力度开展了污染土壤修
复基准的研究，提出了一系列土壤最大允许浓度和
最高限量，从国家或区域水平上逐步确立或建立污
染土壤修复的标准，使对修复后污染土壤的评价有了
更规范的标准，而在我国目前尚没有开展这方面的研
究工作，这需要广大土壤科技界科学工作者共同来完
成，积极提供意见和资料，最好能够在国家层面上开
万方数据
3期 刘家女，等：修复十地再用乍态风险评价方法研究
展一次土壤质量基准的研究。
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万方数据
修复土地再用生态风险评价方法研究
作者： 刘家女， 周启星， LIU Jia-nv， ZHOU Qi-xing
作者单位： 刘家女,LIU Jia-nv(南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准教育部重点实验室
,天津300071)， 周启星,ZHOU Qi-xing(南开大学环境科学与工程学院,环境污染过程与基准
教育部重点实验室,天津300071;中国科学院沈阳应用生态研究所,中国科学院陆地生态过程
重点实验室,辽宁,沈阳,110016)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2010,29(3)

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