设施农业土壤中镉与新污染物混合物的交互老化：风险评估的预测模型

《Environmental Science: Processes and Impacts》：Interactive aging of cadmium and emerging contaminant mixtures in facility agricultural soils: predictive models for risk assessmentOpen Access

　　

污染物的老化决定了其在土壤环境中的生物有效性和相应的毒性阈值。然而，现有的设施农业土壤中重金属、抗生素和农药的生态毒理学评估很少纳入污染物老化与土壤理化性质的混杂影响。本研究选取了六种性质不同的设施农业土壤，评估了外源添加镉（Cd）、四环素（TC）和吡虫啉（IM）单独及联合施用后对小白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）生物量的毒性效应。在单一Cd污染条件下，生物量抑制的半效应浓度（EC₅₀）从14天时的值增加至老化360天后的30.0 mg kg^?1。对于复合污染，在同一老化周期内，Cd–TC的EC₅₀达到18.3 mg kg^?1，Cd–IM达到24.5 mg kg^?1。在酸性土壤中，研究人员观察到低剂量四环素诱导的毒物兴奋效应，生物量刺激超过对照组的110%。随着老化从14天进行至360天，污染物毒性降低。在早期老化阶段，复合污染物与单一污染物之间的老化因子无显著差异。然而，在后期阶段，复合污染物的老化因子显著高于单一污染物。其中，Cd–TC老化因子在广西红壤中最低（AF_360d = 3.21），在河南冲积土中最高（AF_360d = 3.82）。此外，Cd–TC混合物的老化因子增量比Cd–IM更显著。在不同类型的设施农业土壤中，随着老化时间增加，土壤有机质和黏粒含量能够有效预测土壤老化过程。所有老化因子预测模型均已推导得出，对于单一Cd污染为：(AF_180d) = ?0.256 + 0.455 lg pH + 0.511 lg CEC + 0.593 lg OM（R² = 0.884，p < 0.01）。这些发现为老化因子预测模型的开发以及设施农业土壤中重金属与新兴污染物复合污染的环境质量标准制定提供了数据与理论支持。

**论文解读：设施农业土壤中镉与新污染物混合物的交互老化及风险评估预测模型**

**研究背景与问题提出**

设施农业作为高度集约化的现代农业生产方式，在保障全年蔬菜供应和提高土地生产力方面至关重要。然而，随着温室蔬菜生产系统的快速发展，重金属（如镉，Cd）、四环素类抗生素（TC）和新烟碱类农药（如吡虫啉，IM）等代表性新兴污染物在设施农业土壤中的累积问题日益突出。这些污染物通过粪肥施用、有机肥施加和径流等途径广泛扩散至水、土壤和大气环境。调查显示，中国多地设施农业土壤表层Cd含量普遍超过自然背景值，且长期种植后浓度显著上升；四环素抗生素残留广泛存在于长期施用畜禽粪便的设施农业土壤中，检出率高且逐年增加；新烟碱类农药在设施菜园土壤中普遍检出，其残留与种植年限和施用历史正相关，可能对土壤无脊椎动物和传粉昆虫构成潜在生态风险，并导致抗药性问题。当这些不同性质的污染物在土壤中共存时，会发生络合、竞争吸附、共沉淀和降解抑制等复杂交互作用，深刻改变各自的环境形态、迁移转化规律和最终生态效应，对土壤健康和生态功能构成更为隐蔽和复杂的复合风险。

在科学评估这种复合污染的长期环境风险时，“老化”效应是一个不可忽视的关键地球化学过程。该过程指外源污染物进入土壤后，通过吸附-解吸、络合-螯合、沉淀-溶解、化学降解和生物固定化等一系列物理化学和生物地球化学相互作用，其生物有效性和生态毒性随时间逐渐降低。然而，现有的生态毒理学评估很少系统纳入污染物老化与土壤理化性质对毒性的混杂影响，尤其是针对复合污染物的长期动态老化过程缺乏系统分析。因此，阐明多污染物共存条件下老化过程的动态机制及其生态影响，对于提高长期污染物风险预测的准确性和增强修复策略的科学性具有重要理论意义。

**研究内容与主要结论**

本研究选取了六种性质不同的设施农业土壤，通过外源添加Cd、TC和IM（单独及联合），评估了不同老化时间（14天、30天、60天、180天、360天）下对小白菜（Brassica rapa subsp. chinensis）生物量的毒性效应。研究得出以下主要结论：随着老化时间从14天延长至360天，单一和复合污染物的植物毒性均显著降低。在老化后期，复合污染物的毒性阈值趋近于单一污染物，且复合污染物的老化因子显著高于单一污染物。在酸性土壤中，低剂量TC诱导了毒物兴奋效应，生物量刺激最高达对照的110%。土壤pH、有机质含量、黏粒含量和阳离子交换量（CEC）能够有效预测不同老化时间下的土壤老化过程。研究建立了单一和复合污染物的老化因子预测模型，为设施农业土壤中重金属与新兴污染物复合污染的环境质量基准制定提供了数据与理论支持。该论文发表在《Environmental Science: Processes and Impacts》。

**主要关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采集了中国六种典型设施农业土壤，涵盖不同理化性质，且背景Cd、TC、IM浓度均低于检测限。通过外源添加CdSO₄、IM和TC（分析纯），设置单一污染（Cd、TC、IM）和复合污染（Cd–TC 1:3、Cd–IM 1:1）处理组，浓度梯度涵盖毒性效应阈值。土壤调节至最大持水量的70%，在14天至360天五个老化时间点进行培养。采用ISO 11262-2标准方法进行小白菜毒性试验，测定地上部生物量干重。毒性数据使用对数-逻辑斯蒂分布模型拟合剂量-效应曲线，对低剂量毒物兴奋效应采用Hormesis-Tablecurve 2D V 5.01软件进行拟合。老化因子（AF）定义为不同老化时间EC_x与初始老化时间（14天）EC_x的比值。通过SPSS 26.0进行多元回归分析和相关性分析，建立老化因子与土壤理化性质（pH、有机质OM、黏粒clay、阳离子交换量CEC）的预测模型。

**研究结果**

**3.1 不同老化时间下Cd及新兴污染物对小白菜生物量的剂量-效应曲线**

基于对数-逻辑斯蒂模型和低剂量毒物兴奋效应模型，研究拟合了不同老化时间下六种设施农业土壤中Cd、TC、IM单一及复合污染对小白菜生物量的剂量-效应关系。结果表明，随着老化时间从14天增至360天，所有土壤类型的拟合曲线均沿x轴右移，EC_x值升高。在酸性土壤S2、S3、S6中，低浓度污染条件下出现低剂量毒物兴奋效应（倒U型曲线），当IM和Cd浓度低于0.5 mg kg^?1、TC低于10 mg kg^?1时更易观察到，14天时最大刺激效应达对照的110%（S2），最小为103%（S6）。

**3.2 不同老化时间下Cd及新兴污染物的毒性阈值（EC_x）**

研究采用对数-逻辑斯蒂模型拟合了不同老化时间下各土壤中污染物的毒性阈值。由于EC₁₀变异性较大，以EC₅₀为核心指标。结果显示，不同污染物和土壤类型下植物毒性阈值差异显著。单一Cd污染下，14天时EC₅₀经360天老化后增至30.0 mg kg^?1；单一IM增至37.4 mg kg^?1；单一TC增至53.2 mg kg^?1。复合污染中，Cd–TC条件下Cd的EC₅₀在360天达18.3 mg kg^?1；Cd–IM条件下达24.5 mg kg^?1。所有土壤中，老化后360、180、60、30天的EC₅₀均显著高于14天，表明老化过程显著降低了污染物的植物毒性。

**3.3 不同老化时间下Cd及新兴污染物的老化因子（AF）**

研究计算了单一和复合污染物在不同老化时间下的老化因子。单一Cd污染下，AF₅₀从30天到360天由1.09增至2.54；单一TC为1.02至3.43；单一IM为1.14至2.73。Cd–TC复合污染下AF₅₀为1.23至3.82，Cd–IM为1.09至3.60。与单一Cd相比，TC和IM的引入使360天时AF₅₀分别增加50.4%和41.7%。广西红壤老化因子最低，河南冲积土最高。总体而言，复合污染物的老化因子高于单一污染物，且Cd–TC的增幅大于Cd–IM。

**3.4 设施农业土壤中TC和IM影响下Cd老化因子的预测模型**

基于EC₅₀及其衍生AF₅₀作为核心指标，研究建立了不同老化时间下老化因子与土壤理化性质的预测模型。单一Cd污染下，早期（30天、60天）土壤pH与AF₅₀显著正相关（R²分别为0.775和0.627）；180天时OM的简单回归R²达0.771。单一TC污染下，老化因子与OM正相关，60天时R²=0.671。单一IM污染下，老化因子与黏粒含量正相关，360天时R²=0.789。在复合污染环境中，土壤性质对污染物的吸附、迁移和降解的多方面影响以及多因素联合调控导致单一土壤参数对整体老化行为的指示性显著降低，统计相关性多不显著。最终推导出典型模型，如单一Cd污染180天时：lg(AF_180d) = -0.256 + 0.455 lg pH + 0.511 lg CEC + 0.593 lg OM（R² = 0.884，p < 0.01）。

**讨论与结论总结**

**讨论部分总结：** 设施农业土壤因高强度人为干扰形成独特微环境，Cd、TC、IM的外源污染物均表现出典型的快-慢两阶段吸附解吸行为。老化过程通过改变污染物形态（如Cd转化为铁锰氧化物结合态、残留态，TC和IM与有机质和黏粒形成稳定络合物）显著降低毒性。复合污染条件下，污染物间存在竞争吸附、离子桥、三元络合物等非线性相互作用，导致老化后期复合污染物的老化因子高于单一污染物。低剂量毒物兴奋效应在酸性土壤中更为明显，与污染物生物有效性和植物应激反应的双重调控有关。土壤理化性质（pH、OM、黏粒、CEC）通过调控污染物形态转化、固液分配和根际迁移，最终决定毒性阈值，其中pH是控制Cd生物有效性的最关键因素，有机质通过螯合和促进微生物降解降低TC和IM的毒性。

**研究结论翻译：** 在不同类型设施农业土壤中，随着老化时间增加，单一和混合污染物的植物毒性逐渐降低。在老化后期，混合污染物的毒性阈值趋近于单一污染物。在所有测试的设施农业土壤中，老化后360天、180天、60天和30天的小白菜生物量EC₅₀均显著高于14天。当老化时间从14天延长至360天时，复合与单一污染物的老化因子在早期老化阶段无显著差异，但在后期阶段复合污染物的老化因子显著高于单一污染物。对不同老化时间下污染物对小白菜生物量毒性阈值与土壤控制因子的多元回归分析结果表明，在不同性质的设施农业土壤中，土壤pH、有机质含量、黏粒含量和阳离子交换量（CEC）能够有效预测不同老化时间下的土壤老化过程。本文分析了单一和复合污染物在不同老化时期的老化特征，并建立了这些特征与设施农业土壤性质之间的定量关系。这些发现为老化因子预测模型的开发以及设施农业土壤中重金属与新兴污染物复合污染的环境质量基准制定提供了数据与理论支持。