重金属污染暴露下土壤健康的生物指标及其响应——综述

《Applied Soil Ecology》：Biological indicators and the response for soil health in exposure to heavy metal pollution-A review

　　

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  微生物多样性、生物量和呼吸商与重金属浓度相关。
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  酶活性对重金属污染表现出不良反应。
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  动物区系的丰度和多样性与重金属浓度呈负相关。
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  需要建立一种整合多种指标的新评估框架。

引言

土壤是人类和其他陆地生物赖以生存的宝贵自然资源（Lehmann等，2020）。土壤功能包括作物生产力、水体净化与调节、养分供应与循环、碳固存、生物多样性维持以及生态系统服务功能（Lehmann等，2020）。然而，严重的环境污染、土壤退化和气候变化对土壤环境产生负面影响，并对全球粮食安全、环境质量和生物多样性构成严重威胁（Fierer等，2021）。因此，随着对土壤认识的深入和分析水平的提高，"土壤健康""土壤质量"和"土壤安全"等类似概念和术语相继出现。"土壤健康"和"土壤质量"这两个术语有时可以互换使用，用于表征土壤维持陆地生物多样性的能力（Doran和Zeiss，2000；Fierer等，2021）。然而，土壤健康更侧重于土壤的生态特性和功能，这些是土壤生态系统服务所必需的。一般而言，健康的土壤具有充足的矿物质含量、高微生物活性、低病虫害发生、对土壤退化的抵抗力和恢复力，以及较好的物理和化学性质（Magdoff，2001）。

土壤污染加剧已成为全球关注的焦点。重金属通常具有毒性、持久性，可通过直接接触或食物链在高级营养级生物体内积累，对生态环境和人体健康造成危害。越来越多的研究人员达成共识，认为重金属对土壤的各种特性和微环境产生不利影响（Nikolova等，2023）。进入土壤的重金属被吸附并固定在土壤颗粒上。重金属的吸附或释放受环境因子变化的影响，改变了土壤孔隙水中有效态和无效态之间的平衡，从而干扰植物对养分的吸收。其他研究人员发现，重金属阳离子会改变土壤微结构和孔隙结构，如絮凝凝胶收缩、微孔隙减小、大孔隙增大以及黏粒的抗压强度降低（Ma等，2022a）。重金属胁迫会降低土壤酶活性，从而影响碳、氮、磷、硫循环（Maurya等，2020）。重金属与土壤固相和液相之间的化学相互作用会影响植物和微生物对有机质活性成分的吸收和转化。从生物学角度来看，重金属污染造成的胁迫会导致土壤微生物功能失调、蛋白质变性以及细胞膜完整性破坏，从而减少土壤微生物生物量并影响土壤微生物的结构和功能（Ahemad，2012；Feng等，2018）。重要的是，重金属污染会破坏土壤微生物食物网中不同营养级之间的相互作用，因为重金属会增加细菌和真菌的多样性，同时降低原生动物消费者的多样性和丰度（Wang等，2023）。

许多研究尝试使用理化指标组合来量化土壤健康（Bunemann等，2018）。最常见的物理指标包括容重、土壤含水量和质地，它们反映了土壤压实度、渗透性、通气性和排水状况。化学指标在大多数土壤健康评估框架中所用指标中的占比至少为40%（Lehmann等，2020）。这些指标涵盖养分含量指标，如有机质、氮、磷和钾，以及表征土壤养分有效性的参数，如pH值和阳离子交换量。化学组分和性质也会影响土壤环境中发生的众多反应和过程（Gyawali和Stewart，2019；Obalum等，2017）。然而，这些指标仅能反映作物生产力、水体净化与调节、养分循环等类似功能的变化，无法指示土壤生态过程和功能。此外，重金属对土壤健康的影响很难通过土壤理化指标来评估，因为与生物指标的强响应相比，其灵敏度较低（Delgado-Baquerizo等，2016）。此外，生物指标更注重土壤健康的动态性，对重金属暴露时间和剂量的变化响应更为迅速，便于实时监测土壤健康状况（Li等，2025；Ma等，2022b）。例如，土壤微生物积极参与碳、氮、磷、硫等关键元素的生物地球化学循环，是土壤质量和生产力的重要调节者（Lu等，2024）。因此，重金属污染土壤中的微生物群落是预测土壤质量和生产力进一步变化的良好指标。因此，在重金属污染土壤中，生物指标比理化指标更适合作为土壤健康状况的指标（Fierer等，2021；Lehmann等，2020）。遗憾的是，目前关于重金属污染土壤健康生物指标的研究仍然有限，生物指标对重金属的响应机制尚不清楚。此外，本文未单独综述植物指标，因为不同植物物种和栽培品种的金属吸收量差异很大，且植物响应通常需要相对较长的生长周期（Wan等，2024）。因此，本综述聚焦于对土壤变化响应更为直接的土壤生物指标。

因此，本研究综述了全球土壤重金属污染状况，探讨了理化指标在评估重金属暴露后土壤健康方面所面临的挑战。此外，还讨论了微生物生物量和多样性、土壤呼吸商、酶活性、土壤动物丰度和多样性等生物指标对重金属污染的响应。其中，土壤呼吸商和土壤动物丰度与多样性因具有良好的可靠性和灵敏度而被筛选为潜在指标（Bunemann等，2018；Shi等，2023b）。最后，我们提出了生物指标在土壤健康评估系统未来应用中的研究空白，这对土壤健康管理具有重要意义。

章节摘要

全球与空间分布

土壤重金属污染在全球范围内广泛存在且高度异质。过去50年来，全球铬（Cr）的开采产量增长了514%，达到每年3750万吨，铅（Pb）的开采产量增长了232%，达到每年1130万吨（Brown等，2019；Hou等，2020）。这些不断攀升的产量趋势伴随着广泛的环境释放。因此，在中国，约有2600万公顷农田受到重金属污染（包括

土壤健康

土壤健康是从土壤质量和功能不断演进的研究中衍生出的一个概念。土壤健康的理念最早出现在20世纪10年代，当时仅关注与土壤肥力相关的物理和化学特征，并未认识到土壤生物学的重要性（Cui等，2020）。随后，美国农业部出版的《土壤健康与国家财富》一书中，提及了土壤植物、动物和微生物在植物生长中的作用

土壤微生物指标

土壤健康的微生物指标，包括基础呼吸、微生物生物量、土壤酶、代谢或呼吸商（qCO₂）、微生物群落结构与多样性、微生物活性、微生物功能基因组成以及有机质分解速率，被广泛用于指示重金属和类金属对污染土壤的毒性效应（Maurya等，2020）。

挑战与展望

本文综述了土壤健康的生物指标、它们对重金属胁迫的响应以及各自的优缺点。大多数生物指标受重金属的负面影响，表明土壤生态功能在重金属暴露下有所削弱。土壤中各种生物指标对重金属污染的响应各不相同。微生物群落（如细菌和放线菌）通常表现出多样性的显著下降

作者贡献声明

张淑旺：调查研究、数据整理、初稿撰写。林方婧：正式分析。陈旭文：研究方法。王健：研究方法。凌旺廷：监督指导。王合肥：审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（2023YFC3708100）、国家自然科学基金（42677009，42261144738，22161132011，42177016，U22A20590）和中国博士后科学基金（2023M731719）的资助。

张淑旺|林方婧|陈旭文|王健|王合肥|凌旺廷