土壤-植物体系中农药和重金属污染研究现状及展望

　　摘要：农药、重金属已成为当今农业生态系统中重要的污染物质，国内外科学家对其进行了大量卓有建树的研究，特别是在土壤-植物系统中的研究受到较多关注。通过就农药和重金属对土壤微生物、土壤动物、土壤酶活性和植物的生理生化指标的影响进行的综合分析和阐述，系统剖析了其产生毒害机理和影响的因素，在此基础上提出今后相关研究中有待加强的重点，包括农药对非靶标生物毒害机理、农药降解中间产物的环境风险以及农药和重金属的迁移转化机理等。

　　关键词：农药；重金属；土壤环境

　　大量研究表明土壤、水、大气等环境及人类都受到了重金属污染的危害，其来源主要有污水灌溉、工业废水、城市垃圾、汽车尾气、工业废弃物堆放及矿质肥料等。与上世纪相比，环境中大部分重金属含量均有较大幅度的上升，重金属污染对植物、动物、微生物等生物群落带来不利影响，同时也会对人类健康形成严重威胁。

　　据统计，世界农作物的病虫草害中约有50000种真菌、1800种杂草和15000种线虫，全世界每年因此减产粮食约50%。虽然施用化学农药是防止病虫草害的重要措施，但化学农药的种类多，施用范围广，长期不科学施用以及大量使用剧毒、高残留、难降解农药已成为当前农药污染典型特征之一。据报道，仅30%~40%农药被利用，而其中真正作用于靶标生物的仅有0.1%，绝大部分农药进入环境对土壤、水、大气等环境介质产生严重的污染。

　　随着工农业的发展，环境中的污染物正趋于多元化和复杂化，重金属和农药的污染是目前环境科学领域研究的热点。本文分别对农药和重金属在农业生态环境中的污染研究现状进行综合分析，在此基础上，对一些研究热点和需要强化的研究方向进行展望。

　　1、农药对环境的污染

　　为保证农业的增产增收，农药的生产和使用逐渐增加，但大部分的农药未能作用于靶标生物而是通过空气、土壤和水扩散到周围的环境中，污染大气、水环境，甚至造成土壤板结；同时，增强环境中病菌、害虫对农药的抗性，杀伤有益生物，造成野生生物和畜禽中毒，影响农产品质量以及危害人体健康等。

　　1.1农药在土壤环境中的行为

　　1.1.1农药对土壤酶的影响

　　不同种类的土壤酶对于各种农药污染的敏感程度不同，因此通过研究土壤酶活性与农药之间的关系有助于了解土壤受农药污染的程度。

　　农药对土壤酶活性的影响既有正面效应也有负面效应，这主要取决于农药本身和环境因子。Schaffer总结了各种农药对土壤酶活性的影响，结果表明，农药对土壤酶活性的影响是无法预测的。因为一般而言，在不同土壤中试验，同一农药对同一种酶的剂量效应表现是不同的；一定浓度的农药对一种酶有抑制效应，但对另一种酶可能又是促进效应或者无作用，而且，试验条件不同，如田间试验和室内模拟试验往往得出的结论也不一样。总的来说，农药化学性质、处理浓度、残留时间、微生物群落结构、土壤类型、土壤性质等因子都可能是农药对土壤酶作用过程的影响因子。一般情况下低浓度农药对土壤酶表现刺激效应，高浓度则表现出抑制效应，且抑制作用随浓度的增加而加强。NiemiR.M.等认为除草剂赛克津和利谷隆在施用初期对多种酶都有刺激作用。在短时间内，0.5、5mg·kg-1和50mg·kg-1的杀虫剂啶虫脒对土壤脱氢酶有刺激效应，其活性增加。农药对土壤酶的影响也随时间进程而有所改变：一方面，土壤对农药吸附过程能降低其游离分子与酶接触的浓度；另一方面，在土壤一定温度水分条件下，农药的生物降解导致其毒性降低。农药对土壤酶的影响是一个长期的过程，应考虑时间的影响。杀虫剂久效磷、喹硫磷和氯氰菊酯两两复合处理时，其交互效应对土壤纤维素酶和淀粉酶活性的影响与土壤中相应降解纤维素和降解淀粉的微生物种群数量显著相关。土壤类型及其性质也起着重要作用：黑土与草甸土相比，前者有机质含量更高，对环境改变有更大的缓冲能力，故除草剂氯嘧磺隆和杀虫剂呋喃丹施用在两种土壤中，黑土中脲酶活性的变化较缓慢些。

　　1.1.2农药对土壤微生物的影响

　　农田施用农药大部分散落于土壤中，对微生物产生一定的影响，主要表现在微生物量，微生物群落结构和多样性及微生物活性等。就目前农药对微生物量的影响的研究结果差异较大，有研究认为农药对微生物有一定刺激作用，显著增加了土壤微生物量，也有研究认为农药对微生物量的影响呈不规律变化，有的则认为农药对微生物量影响不大。农药污染对微生物群落结构和多样性往往产生不利的影响，这种变化与农药种类和浓度有很密切的关系，同时微生物对农药的抗性也是一个值得考虑的因素。在相同浓度下，3种杀菌剂中，百菌清对土壤微生物群落结构的影响比对嘧菌酯和戊唑醇两种农药的影响程度更大，时间更长；同样在相同浓度处理下，草甘膦和噻唑啉能提高土壤微生物的活性和生物量，而乐果则降低微生物的活性和生物量。以上结果说明，农药种类差异是农药影响微生物群落发展的一个重要因素。

　　农药浓度与其毒性效应直接相关，低浓度的除草剂苄嘧磺隆（BSM）对水稻土中微生物有轻微、短暂的不利影响，而高浓度BSM处理下，细菌群落数量急剧下降，该水稻土壤中微生物群落的多样性与BSM浓度显著相关。低浓度（<60mg·kg-1）甲氰菊酯（杀虫剂）对蔬菜土壤中微生物数量影响不大，高浓度（>90mg·kg-1）的甲氰菊酯在短期内对微生物有抑制作用，到后期，随着农药的降解，其影响效果也恢复到对照水平。农药对土壤微生物的影响是有选择性的，敏感类易受抑制，耐受型的优势群落则可利用农药作为碳源和能源而增殖。因此，土壤微生物对农药的抗性也是农药影响微生物过程中需要考虑的重要因素。

　　1.1.3农药对土壤动物的影响

　　土壤动物作为生态系统中的重要组成部分，土壤污染必然会对这一类生物有所影响。农药种类和浓度是导致其对土壤动物影响产生不同效应的主要原因。

　　一般情况，有机磷杀虫剂对土壤动物的影响比除草剂、杀菌剂等类对土壤动物的影响更显著，这是因为，有机磷杀虫剂主要是针对土壤动物，其作用速度快，毒性强，是一类急性农药，与之相比，除草剂、杀菌剂对土壤动物是慢性的，毒性也较弱。随着农药处理浓度的增加，土壤动物种类和数量呈递减变化，多样性指数H′值亦呈递减趋势，不同研究者分别对3种除草剂苯磺隆、乙草胺和百草清的研究，均得出以上结论，同时一致认为，土壤中的优势种群———弹尾目和甲螨亚目，是对这些农药较为敏感的一类，可作为土壤环境污染的重要指示生物。杀虫剂呋喃丹对赤子爱胜蚓的影响呈现一定的剂量-效应关系。低浓度呋喃丹胁迫时，赤子爱胜蚓体内蛋白含量和乙酰胆碱酯酶（TChE）活性均表现升高的趋势，而在高浓度呋喃丹胁迫时，其体内蛋白质含量和TChE活性则表现出不同程度的降低。

　　1.2农药对植物的影响

　　吴进才等研究了几种农药处理对不同水稻品种SOD活性的影响，结果表明，在第一次施用除草剂2390潘攀等：土壤-植物体系中农药和重金属污染研究现状及展望后，大部分处理水稻SOD活性上升，而第二次施用后SOD活性则下降，说明第二次农药施用超过了水稻自身的抗性承受范围，最终导致伤害。丙二醛可以表征植物受损程度，研究表明农药浓度越高，丙二醛含量越高，同时叶绿素的含量越低。另外，农药也会导致水稻叶片光合产物输出率下降，这一结论与叶绿素含量的下降有着密切的关系。

　　农药对植物细胞有一定的诱变活性，对染色体和基因结构均有一定程度的直接和间接破坏作用。唐正义等利用微核技术研究了甲胺磷（Me）、甲基硫菌灵（Th）和盐酸吗啉胍（Mo）3种农药对蚕豆根尖细胞的诱变效应。研究表明，农药浓度与微核率呈剂量-效应关系。从3种农药的作用机制看，Mo直接干扰核酸合成，诱变作用最强；Th是干扰有丝分裂中纺锤体的形成，间接干扰细胞核的分裂，诱变作用次之；Me是通过抑制乙酰胆碱酯酶活性，引起细胞代谢紊乱，间接引起诱变，诱变作用较弱。细胞结构变化能够证明，当施用大量农药后，会引起作物遗传结构改变，降低品种品质性状。

　　1.3影响农药生态毒理效应的因素

　　环境中有毒化学物质随着时间的推移而老化，其毒性会逐渐减弱，因此，农药降解越快，对环境的危害越小。另外，在降解的过程中产生的中间产物也可能会造成污染，如硫丹硫酸盐，它是硫丹的初级降解产物，性质稳定，毒性与硫丹相似，存在很大的污染风险。不同土壤对农药的吸附特性不同，从而引起不同程度的毒害。据报道，在加入相同浓度农药时，粘性大的紫色稻田土壤比粘性弱的红壤稻田土在土壤颗粒周围形成的有效浓度相对较高，其反硝化细菌受到的抑制作用相对较强。Adriana等研究发现，溶解性有机质（DOM）能够缓解百菌清和毒死蜱对尾胸刺水蚤的急性和慢性毒害效应，但能增强氟虫腈对其急性毒性。土壤温度也是影响农药毒性的因素之一，如毒死蜱和卡巴呋喃在高温（26℃）条件下对蚯蚓的毒性大于低温（20℃）条件。污染对象性质的变化导致毒害效果差异：百菌清、毒死蜱和氟虫腈对雄性尾胸刺水蚤的毒性强于对雌性的毒性；随着浮萍密度的增加，其对烯酰吗啉的敏感度增强，所受毒害程度也增加；随着虹鳟鱼体重增加，对硫丹的抗性也增加。

　　2、重金属对环境的污染

　　近年来，工业“三废”排放量增加，固体废弃物处理不善，农业自身污染加剧，使农田土壤中有毒重金属含量急剧增加，重金属污染已成为当今污染面最广、危害最大的环境问题之一。

　　2.1重金属对土壤环境的影响