基于化学、毒理和生态“三位一体”(Triad)法研究流域不同土地利用重金属污染土壤的生态风险及其影响

“Triad”is a new kind of Weight-of-Evidence (WOE) approaches for ecological risk assessment, which is based on the three Lines of Evidence (LoEs): environmental chemistry, toxicology and ecology. Triad approach is being developed and applied in site-specific ecological risk assessment of contaminated lands in the western developed countries. In the present study, soils with different gradients of heavy metal concentrations will be collected from different land-use types within upstream-, middle stream- and downstream-areas of the Yanghe Watershed, a case study area, and ecosystems of different land uses will be investigated. Total concentrations of metals, their bioavailabilities as well as physicochemical properties of the collected soils will be analyzed. A battery of bioassays of different trophic level organisms exposed to the metal-contaminated soils will be conducted in lab. Ecosystem structures and functions in different land-use types within the watershed will be surveyed. Triad approach will be used for site-specific ecological risk assessment of the metal contaminated lands. Mechanisms influencing ecological risks will be obtained by statistically analyzing the relationships between soil properties, metal concentrations, bioavailabilities, and ecotoxicities as well as ecosystem structures and functions in different land-use types of the watershed. This study will provide scientific bases for remediation and management of metal contaminated soils and lands, and also will promote the development of landscape ecotoxicology and regional ecological risk assessment approaches in China.

“三位一体”（Triad）法是一种基于化学、毒理、生态三方证据权重的生态风险评价新方法，目前正被西方发达国家开发运用于土壤污染的生态风险评价。本研究将以洋河流域为例，在流域尺度上以上、中、下游不同土地利用类型重金属污染程度不同的土壤及其对应生态系统为研究对象，开展污染土壤的化学分析、室内不同营养级生物的成组暴露实验和野外生态系统调查。基于“三位一体”法综合评价流域不同土地利用类型重金属污染土壤的生态风险，利用地统计学方法和GIS技术揭示流域重金属污染土壤生态风险的空间分布格局。通过流域不同利用类型土壤重金属全量、生物有效性、土壤理化性质与不同营养级生物的毒性和生态系统结构和功能的变化以及综合生态风险表征数据的统计分析，揭示流域重金属污染土壤的生态风险的影响机制，为土壤重金属污染修复与管理提供理论依据，开拓和发展我国景观生态毒理学和区域生态风险评价方法。

单一化学、毒理和生态调查法评价污染土壤生态风险不够系统、全面和准确，为此本研究提出基于化学、毒理和生态“三位一体”法开展洋河流域典型土地利用土壤重金属的综合生态风险评价，研究内容包括：(1)重金属有效性及影响，(2)生物毒性效应及影响，(3)生态效应及影响，(4)综合生态风险评价。研究结果表明，农用地土壤受Cd和Zn为主的多种重金属混合污染，电厂附近玉米地受Cd、Hg和Cr，污灌蔬菜地受Cu、Zn、Pb和Mn的严重污染。DGT提取土壤Cd、 Cu，Cr、Ni和As，EDTA提取Zn、Pb、Hg和Mn的效率最高。污灌蔬菜地重金属的生物可获得性最高，土壤理化性质是影响其生物可获得性的重要因素。土壤植物毒性由高到低分别是：污灌蔬菜地>河滩玉米地>电厂附近玉米地>CK，土壤动物（蚯蚓）的毒性：电厂附近玉米地>河滩玉米地>污灌蔬菜地>CK；微生物（费氏弧菌）毒性：电厂附近玉米>河滩玉米地>污灌蔬菜地>CK。揭示了土壤理化性质、重金属形态与土壤植物、动物、微生物毒性的关系。所有蔬菜可食部分Cd、Zn和Cr含量均超过警戒级，玉米中Pb和Zn含量均超过安全限量。土壤大中型无脊椎动物的丰富度、Simpson指数、种群和个体密度由高到低为：河滩玉米地＞污灌蔬菜地＞电厂附近玉米地＞CK，但Shannon-Wiener多样性指数为：河滩玉米地＞电厂附近玉米地＞CK＞污灌蔬菜地。污灌蔬菜地蚯蚓体内大部分重金属含量高于其他农用地。电厂附近玉米地土壤细菌和真菌的多样性、均匀性和丰富度高于污灌蔬菜地。阐明了生态指标与土壤理化性质、重金属形态的关系。综合生态风险评价表明，污灌蔬菜地的生态风险最高，其次是电厂附近玉米地和河滩玉米地。关键数据包括洋河流域污染土壤的理化指标、重金属全量和化学形态，对植物种子、蚯蚓、费氏弧菌的毒性数据，蔬菜和玉米可食部分重金属含量，大中型土壤动物和微生物种群、群落及多样性等生态调查数据。本研究建立了基于土壤化学、毒理和生态调查的综合生态风险评价体系，为土壤重金属污染防治、修复与管理提供了技术和决策支撑。