基于重金属对土壤动物多样性影响评价土壤重金属的研究

付桂珍，卢邹勇，王 兰，常汉亭，贾 磊

（武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430070）

1 引言

随着工农业的迅速发展，重金属引起的环境污染问题也随之出现。重金属在土壤中不易随水淋滤，也不易被微生物降解，常在土壤中积累，当土壤中的有害重金属含量累积到一定程度时就会影响土壤生态系统的稳定性，并可通过食物链途径危及人类的健康［1］。

现在土壤重金属评价的标准是GB15618－1995，该标准规定了土壤重金属标准分级，指导现在土壤环境重金属质量评价工作。土壤本身的性质对重金属的有效性和敏感性有很大的影响，而GB15618－1995不能很好的区别对待，许多学者也认为土壤中重金属的总量不能很好反应其生物有效性［2，3］，因此希望通过简单提取方法表征土壤重金属有效性。土壤动物是土壤生态系统的重要组成部分，在土壤有机质分解，养分循环，改善土壤结构以及微环境的稳定与健康等方面发挥重要作用，由于土壤动物的主要类群与土壤生态系统各方面的信息密切联系在一起，因此，土壤动物对土壤重金属的反应十分敏感，由于土壤重金属污染具有隐蔽性的特点，通过土壤动物多样性抑制效应评价土壤重金属既有评价价值还有指示剂的效应。

2 土壤重金属标准的建立分析

2.1 土壤重金属与土壤动物多样性抑制的相关性

2.1.1 重金属污染对土壤动物群落结构的毒性影响

土壤动物对重金属具有一定的耐受限度，但当重金属含量超过这一限度时就会产生毒性效应，影响其正常的生理功能和群落结构。近年来对土壤动物的生态毒理毒性研究已有相当广泛的报道，为土壤毒性评价和环境风险评估提供了重要依据。重金属污染对土壤动物群落结构和功能具有一定的制约性和破坏性，在这方面开展的研究工作较多，得出的分析结果也基本一致，就是随着重金属污染的加重，群落结构呈现简单化和不稳定化，土壤动物的种类和数量逐渐减少，优势类群和常见类群也明显减少［4，5］。此外，Georgieva等［6］发现重金属污染对线虫的生活史策略影响较大，k策略个体明显减少，而r策略个体显著增加。因此，土壤动物群落结构的变化可明显反应出土壤污染状况，对环境污染的早期预示具有重要的作用。

2.1.2 土壤重金属与土壤动物多样性抑制率的相关性分析

表1 土壤重金属对土壤动物多样性抑制的实验结果

利用Excel软件线性拟合综合污染指数与土壤动物多样性的抑制率，见图1。

图1中土壤重金属综合污染指数和土壤动物多样性抑制率线性正相关，相关系数R2＝0.7289，可见，利用土壤动物多样性抑制率来评价土壤重金属的水平是可行的。

图1 综合污染指数与土壤动物多样性抑制率的线性拟合

2.2 土壤环境重金属分类和标准分级

2.2.1 土壤环境重金属分类

根据土壤应用功能和保护目标，划分为以下3类。

（1）Ⅰ类。主要适用于国家规定的自然保护区（原有背景重金属含量高的除外）、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本上保持自然背景水平。

（2）Ⅱ类。主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤环境重金属基本上对植物和环境不造成危害和污染。

（3）Ⅲ类。主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤（蔬菜地除外）。土壤环境重金属基本上保证植物存活和环境的可持续［8］。

2.2.2 土壤环境重金属标准分级

一级标准为保护区域自然生态，维持自然背景的土壤环境重金属的限制值。二级标准为保障农业生产，维护人体健康的土壤重金属限制值。三级标准为保障农林业生产和植物生长的土壤临界值。

各类土壤环境重金属执行标准的级别规定如下：Ⅰ类土壤环境重金属执行一级标准；Ⅱ类土壤环境重金属执行二级标准；Ⅲ类土壤环境重金属执行三级标准。

2.3 基于土壤动物多样性抑制效应的重金属评价体系的建立

在现有的重金属污染对土壤动物多样性影响研究中，综合污染评价级别分为未污染、轻污染、中污染、重污染、严重污染。由于土壤环境质量标准GB15618－1995中土壤重金属执行三级标准，所以，本文将未污染分为一级标准，轻污染、中污染分为二级标准。中污染、严重污染分为三级标准。在大量的实验数据中［9～13］，未污染的重金属条件下的土壤动物多样性的抑制率总是小于1%；轻污染和中污染的重金属条件下的土壤动物多样性的抑制率最小为1.7%，最大为15.5%，平均值为5.95%，其中1%～10%的比例为83.3%；重污染和严重污染的重金属条件下的土壤动物多样性的抑制率最小为9.9%，最大为46.9%，平均值为19.3%，在10%～50%的比例为85.9%。综上所述，得到土壤重金属评价标准见表2。

表2 基于土壤动物多样性抑制效应评价土壤重金属标准

现有的土壤重金属评价标准见表3。

表3 现有的土壤重金属质量标准值

重金属的标准与现有评价标准的比较。

根据周焕新［14］的研究成果，铅在不同浓度的实验条件下，土壤动物多样性的抑制率有差异，具体见表4。

表4 不同铅浓度对土壤动物多样性的抑制效应

比较处理2和处理3，土壤中铅的浓度增加了，但土壤动物多样性的抑制率没有相应的增加而是下降，说明土壤动物多样性抑制效应的评价土壤重金属就充分考虑了土壤重金属的生物有效性。

利用土壤重金属对土壤动物多样性抑制效应评价重金属的标准和现有的土壤重金属评价标准评价上例土壤重金属，得到评价结果，见表5。

表5 基于土壤动物多样性抑制效应评价土壤重金属与现有标准评价结果对比

对比结果显示，基于土壤动物多样性抑制效应的评价较之现有的评价标准更严格，在现有评价标准下为2级土壤，基于动物多样性抑制效应的评价标准下为3级。

4 结语

通过简单提取方法表征土壤重金属生物有效性评价土壤重金属更有现实指导意义，探讨了利用土壤重金属对土壤动物多样性抑制效应评价土壤重金属，得出以下结论。

（1）有关土壤理化性质对污染物的生物可利用浓度的影响广为人知，不同土壤对重金属的生物有效性和敏感性各不相同。而基于土壤动物多样性抑制率评价土壤重金属就充分考虑土壤理化性质等其他因素对土壤重金属有效性，所以应选择适当的对照土壤。

（2）当土壤重金属IC大于IC50的土壤，土壤动物多样性及数量大量减少，IC50可以作为保护土壤动物临界值，在土壤重金属修复中具有重要指导意义。

（3）实验结果是在只考虑土壤重金属污染而不考虑其他污染对土壤动物多样性的抑制影响的实验条件下，但是在现实综合污染情景下，也有评价综合污染的参考价值。

［1］ 杨 旭，向昌国，刘志霄.重金属污染对土壤动物的影响［J］.农业资源与环境科学，2008，24（12）：454～457.

［2］ Dudka S A，Chlopecka A.Effect of solid－phase speciation onmetal mobility and phytoavailability in sludge－amended soil［J］.Water，Air and Soil Pollution，1990，51（1～2）：153～160.

［3］ Rieuwerts J，Thorntonll，Farago M，et al.Quantifying the influence of soil properties on the solubility of metals by predictive modeling of secondary data［J］.Chemical，Speciation and Bioavailability，1998，10（3）：83～94.

［4］ Nahmani J.，Lavelle P.，Lapied E.，et al.Effects of heavy metal soil pollution on earthworm communities in the north of France：The 7th international symposium on earthworm ecology［J］.Pedobiologia，2003，47（56）：663～669.

［5］ Maboeta M S，Reinecke S A，Reinecke A J.Linking lysosomal biomarker and population responses in a field population of Aporrectoden caliginosa（Oligochaeta）exposed to the fungicide copper ox－ychloride［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2003，56（3）：411～418.

［6］ Georgieva S S，McGrath S P，Hooper D J，et al.Nematode communities under stress：the long－term effects of heavy metals in soil treated with sewage sludge［J］.Applied Soil Ecology，2002，20（1）：27～42.

［7］ 李 涛，李灿阳，俞丹娜，等.交通要道重金属污染对农田土壤动物群落结构及空间分布的影响［J］.生态学报，2010，30（18）：5001～5011.

［8］ 国家环境保护局.GB15618－1995土壤环境质量标准［S］.北京：国家环境保护局，1995.

［9］ 孙贤斌，李玉成，张小平，等.淮南市重金属污染对土壤动物群落和多样性影响研究［J］.生态学杂志，2005，24（10）：1163～1166.

［10］ 张永志，徐建民，柯 欣，等.重金属Cu污染对土壤动物群落结构的影响［J］.农业环境科学学报，2006（24）：127～130.

［11］ 王振中，张友梅，邓继福，等.重金属在土壤生态系统中富集及毒性效应［J］.应用生态学报，2006，17（10）：1948～1952.

［12］ 邓继福，王振中，张友梅，等.重金属污染对土壤动物群落生态影响的研究［J］.环境科学，1996，17（2）：1～5.

［13］ 孙贤斌，刘红玉，李玉成，等.重金属污染对土壤动物群落结构及空间分布的影响［J］.应用生态学报，2007，18（9）：2080～2084.

［14］ 周焕新.重金属铅对土壤动物群落的影响［J］.山西农业科学，2010，38（6）：37～39.