土壤的重金属污染问题一直是国内外土壤学、环境科学研究的热点。由于重金属在土壤中难以降解,毒性强,具有积累效应等特征,研究重金属污染下的土壤生物效应,即重金属对土壤微生物、土壤酶活性的影响已受到广泛关注。重金属污染土壤及其修复,过去一直采用化学方法来评价,随着土壤微生物污染生态研究的不断深入以及研究方法的改进,采用微生物学指标评价重金属污染越来越受到人们的关注。近年来,国内外学者就重金属污染土壤生物、生态效应作了大量的研究工作。并在重金属污染土壤的微生物学评价中取得一定的研究成果。但由于在自然条件下,土壤微生物及酶活性受植被、季节、灌溉、耕作等因素的影响,检测结果差异很大。在自然生态系统中,重金属污染主要以复合污染存在,土壤生态系统中的复合污染具有多样性、复杂性的复合效应机制,包括重金属间的协同作用、拮抗作用、竞争作用和抑制作用等等,因此,在揭示重金属污染土壤的生物效应时,开展重金属复合污染生物学研究更具有理论和实践意义。本文采用室内恒温培养试验、盆栽试验、野外重金属矿区调查及相关分析相结合的研究方法,探讨了重金属Cd、Zn、Cu、Pb复合污染下土壤的生物效应,为重金属污染土壤的修复、环境质量评价及建立有效的土壤重金属污染预警指标体系提供理论依据。本研究主要取得如下一些结果:1.矿区土壤由于遭受重金属污染,其理化性质受到严重影响,距离矿口越近,土壤pH越低,有机质、有效N、P、K的含量也越来越低,即土壤肥力越低。矿区重金属污染土壤的酶活性较对照(距矿口10 000米)显著降低,且随着距矿口距离的增加,酶活性越来越高,表明矿区土壤不同区位段上的土壤酶活性存在着显著差异,矿区重金属污染对5种酶的抑制能力为脱氢酶>酸性磷酸酶>脲酶>过氧化氢酶>蔗糖酶。矿区重金属污染对土壤微生物活性产生了严重的影响,其中细菌和放线菌的数量明显下降,而真菌变化幅度相对较小。随着距矿口距离越近即随矿区重金属污染程度的加剧,土壤微生物受到的抑制程度明显增强,微生物活体数量、微生物生物量碳、氮显著下降,而微生物生物量C/N却明显升高。2.在恒温(25℃)培养条件下,供试土壤的酶活性与土壤中重金属镉、锌、铜、铅浓度有密切的关系,Cd在≤10 mg/kg水平时对脲酶和蔗糖酶、Pb在≤200 mg/kg水平时对脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、脱氢酶有刺激作用,土壤酶活性有一定程度的上升,而Zn、Cu对酶的活性的影响,随着重金属浓度的增加呈下降趋势,在低浓度的时候,其下降趋势并不明显,但当浓度较高时,酶活性下降尤为明显,均达到显著水平。3.在恒温(25℃)培养条件下,重金属污染对不同土壤微生物影响不同。低浓度重金属对土壤细菌、真菌以及微生物生物量碳、氮有一定的刺激作用,高浓度的重金属则对其有强烈的抑制作用;而重金属对土壤放线菌表现为一直都是抑制作用,只是低浓度重金属的抑制作用不如高浓度抑制作用明显。在本试验供试浓度下,四种重金属以Cd对供试土壤各项指标的毒性影响最为明显,Cu、Zn次之,Pb的影响最小。4.复合污染对土壤酶活性和微生物活性的影响明显大于单一重金属污染。与重金属镉、锌、铜、铅的单一污染相比,重金属复合污染的影响效果并非仅仅表现出简单的叠加作用,同时还存在协同效应和拮抗效应。Cd、zn、Cu之间存在协同作用,而Pb与Cd、zn、Cu之间存在一定的拮抗作用。5.在恒温(25℃)培养条件下,随着培养时间的变化,供试土壤中酶活性是总体是呈先下降后上升的趋势,在培养20天的时候,酶受到的抑制最大,酶活性达到最低值,随后酶活性有所上升。但脲酶活性变化并不是完全相同,在Cd和Cu高浓度污染下脲酶活性变化是持续下降,在培养30天时,重金属对脲酶的抑制率才达到最大,脲酶活性达到最低值。而随时间的变化,微生物活体数量及微生物生物量碳、氮的变化趋势是明显的先下降后上升。在培养20天的时候受重金属的抑制作用最为显著。6.盆栽试验中,除低浓度的铅(<100 mg/kg)对油菜(Brassica napus L.)具有一定的刺激作用,其茎叶及根的生物量有轻微的上升,而其他重金属对油菜生物量都具有强烈的抑制作用,随着重金属浓度的提高油菜茎叶及根的生物量呈下降趋势。在本试验供试浓度下,当外加重金属Cd、Zn、Cu、Pb浓度在最大值时,油菜茎叶的生物量分别较对照下降56.3%、67.3%、56.7%和62.7%,根生物量下降38.2%、42.2%、38.2%和40.2%,复合污染下降幅度更大。油菜根、茎叶对重金属镉、锌、铜、铅中某一元素的吸收均受到这种添加元素极为显著的影响,且茎叶中的Cd和Pb含量比根高,而根中的Zn和Cu要比茎叶高。土壤中酶活性及微生物活性各指标与恒温培养试验趋势相同。但由于受植物的影响,盆栽试验中酶活性及微生物活性各指标显然要比对应的恒温培养试验中要高,而且其变化幅度要小。