篇 土壤中污染物的毒性、风险与基准

土壤中的污染物及其代谢产物种类繁多，含量、形态及生物有效性各异，单一的化学方法通常难以表征复杂土壤环境的复合污染及其生态风险。发展基于土壤生态系统中土著生物的生态毒理与风险评估体系是国际生态毒理学与环境生态风险研究的热点。本篇以土壤植物、微生物和土壤动物为敏感受体，建立了从基因到群落的土壤生物毒性诊断方法体系；开展了设施农田、电子废旧产品拆解场地、冶炼场地、化工厂区污染场地及周边土壤的人体健康和生态环境风险评估；探讨了土壤污染的环境临界值制定方法与模型，以期为土壤环境风险管理提供科学依据。

章 土壤污染物的生物毒性

污染土壤生态毒理诊断包括高等植物毒性试验、蚯蚓毒性试验、陆生无脊椎动物试验、土壤原生动物毒性试验、土壤微生物试验等。当生物体暴露于各种逆境时，其体内组织、细胞以及分子结构会产生特定的生物信号，可用于土壤生态系统中土壤污染的生态毒理学诊断，并能够为土壤污染的预防和修复提供依据。本章以重金属、有机污染物以及重金属-有机复合污染为研究对象，开展了土壤-植物-动物-微生物系统的生物毒性和生态毒理学评价研究。这些研究成果为污染区土壤的环境质量评价提供了生物毒性数据，也为污染土壤生态毒性的研究和发展提供了科学方法和研究实例。

节 土壤污染物对植物的毒性

当土壤中的重金属和有机污染物超过一定的限值，会引起植物的吸收和代谢失调。污染物在植物体内的吸收、富集和转化，会影响植物的生长发育、破坏植物根系的正常吸收和代谢功能，甚至导致遗传突变。本节分别介绍了重金属(镉、铅、锌、铜)、有机污染物(多环芳烃、杀线剂)以及重金属-有机复合污染对植物(蔬菜和小麦)的毒性效应与机制。

一、重金属对植物的毒性

(一)镉高背景土壤对蔬菜生长的影响

我国西南地区，尤其是贵州沉积石灰岩分布地区土壤存在着明显的镉(Cd)自然高背景现象。贵州地表土壤与沉积物中Cd的地球化学背景值为0.31mg/kg(表1.1)，是我国平均水平的2.5～3.5倍，表现出贵州地表环境介质中具有Cd的高背景含量特征(何邵麟等，2004)。

表1.1贵州不同地层单元发育的土壤和水系沉积物中Cd的平均含量(单位：mg/kg)

供试土壤采自贵州省碳酸盐岩地区，土壤中Cd含量呈现一定的梯度，是选出的具有代表性的碳酸盐岩发育的农田土壤，其中6个样点土壤分别采自贵阳、黔南和毕节地区农田，1个样点(BJ-6)土壤采自于某已废弃的土法炼锌场附近的菜地，受Cd污染严重，同样也对该样点土壤中Cd经食物链对人体的健康风险进行评价，将其作为受到人为活动强烈影响的Cd污染土壤与其他地球化学异常土壤相对比。供试土壤主要的理化性质见表1.2。供试植物为叶菜类蔬菜(小青菜与生菜)，种子购于江苏省农业科学院。

表1.2供试土壤主要的基本性质

在所考察的土壤上种植青菜和生菜发现，毕节地区BJ-6和BJ-7两处土壤上两种蔬菜生长受到严重抑制，蔬菜可食部分鲜重显著低于其他5处土壤上的蔬菜鲜重(图1.1)。

图1.1蔬菜可食用部分鲜重

对比各土壤的性质与重金属含量可知，BJ-7处土壤与其他各处土壤明显的差异在于其pH为4.81，远远低于其他各处土壤的pH(7.56～8.10)，呈强酸性。在如此低的pH条件下，生菜已无法生长，试验结束时没有能收获到生菜样品。而青菜虽能生长，但每盆仅收获到约1.7g可食部分鲜样。BJ-6处土壤为受到当地土法炼锌活动影响的重污染土壤，其土壤中Cd、Zn、Cu和Pb的含量分别为64.2mg/kg、4191mg/kg、231mg/kg和1593mg/kg，分别是我国土壤环境质量二级标准限量值的107倍、12.0倍、2.3倍和5.3倍，在如此严重的污染情况下，蔬菜生长缓慢、长势差且叶色发黄，是造成可食部分鲜重较低的直接原因。其他五处土壤上青菜和生菜均生长良好，其中贵阳地区GY-3处土壤采自于菜园地，该土壤上蔬菜可食部分鲜重相对，而另外4处均为农田土壤，每盆青菜与生菜的可食部分鲜重分别在30g和20g左右。

通过在土壤上种植叶菜类蔬菜发现，在已明显酸化的土壤上(pH4.81)，青菜的生长均受到严重抑制，而生菜根本无法生长，这与土壤的强酸性以及高量有效态镉的存在有关，因为在该酸性土壤中0.01mol/LCaCl2和DTPA提取态Cd含量分别为1.12mg/kg和2.12mg/kg。而在中性至微碱性土壤上，即使土壤总Cd含量超过7.0mg/kg时，青菜与生菜均能良好生长，此时蔬菜可食部分Cd含量与土壤DTPA提取态以及总Cd含量间均存在显著的对数关系(表1.3和图1.2)，而与土壤0.01mol/LCaCl2提取态镉含量间没有显著的对数或线性关系。这是因为，首先，0.01mol/LCaCl2提取态重金属相当于水溶态和可交换态部分，这部分重金属虽然通常被认为是活动性强而且容易被植物吸收的部分，但是其与植物对重金属的吸收之间并不一定会表现出良好的相关性；其次，0.01mol/LCaCl2提取态Cd在研究区中性或微碱性土壤中的含量很低，因此该提取态含量相对于整个土壤重金属总库来说，对植物可利用态Cd的贡献可能不占据重要地位。而DTPA提取态与总Cd含量对蔬菜可食部分Cd含量的成功预测则表明，它们在土壤呈中性至微碱性时均能在一定程度上作为评价土壤中Cd的植物有效性或毒性的标准。

表1.3蔬菜可食部分Cd含量(Y)与土壤提取态总Cd含量(X)的关系(土壤pH>7.5)

(二)镉、铅对蔬菜生长的影响

供试土壤为理化性质差异较大的3种，分别为采自浙江嘉兴的普通潜育水耕人为土(青紫泥)、上海南汇的石质淡色潮湿雏形土(滩潮土)和浙江湖州的铁聚潜育水耕人为土(黄泥砂土)。土壤基本性质见表1.4。盆栽试验在中国科学院南京土壤研究所温室中进行，供试蔬菜品种为青菜(Brassica chinensis L.)和苋菜(Amaranthus fricolor L.)。在塑料盆中装入风干过2mm土样1.5kg，以尿素(0.6g/kg土)和磷酸氢二钾(0.6g/kg土)为底肥。镉(Cd)和铅(Pb)的试验浓度参考多个国家的土壤环境质量标定。土壤中添加镉化合物为Cd(NO3)2 4H2O，添加镉浓度为(以Cd计)：0、0.7、2.9、11、16和27mg/kg；添加铅化合物为Pb(NO3)2，添加铅浓度为(以Pb计)：0、125、281、407、532和625mg/kg。每个处理重复3次，各个处理之间没有作补充性氮平衡。先将土壤与肥料混和，一周后加入镉和铅溶液混匀，加水至田间持水量的60％，放置平衡，平衡期间定期加水维持含水量。平衡一个月后，在每盆中直播16粒种子，出苗整齐、长势良好后(7～10天)，每盆定植4株。生长期间土壤湿度保持在约70％田间持水量，生长45天后收获。收获时用不锈钢剪刀剪取地上部。

图1.2蔬菜可食部分Cd含量与土壤Cd含量间的拟合曲线(土壤pH>7.5)

表1.4试验土壤基本性质