土壤由气相、液相和固相三相合一的、生物赖以生存的重要载体，又是具有物理、化学性质及生命形式的复合体。土壤生物学家常把土壤看作是地下栖居生物的一个巨大的、变动的培养基地，并且是将高等植物所不能利用的物质通过土壤生物作用变成可以利用的一个场地。土壤有其本身的结构和肥力特点。土壤圈在地球化学循环中发挥着重要的功能作用，推动着土壤圈内部矿质营养元素的循环转化，并能具有促进植物体生长的肥力效应而显示出强大的生产力。占土壤组成极少部分的生物体，在土壤发挥其巨大功能的过程中起着关键不可替代的作用，即土壤生物是整个土壤圈的核心，它在促进有机质分解、土壤矿质营养循环、维持及提高土壤肥力方面发挥着关键作用，因而也对大气圈、水圈产生着重大影响。因此，有必要研究土壤生物群落结构及其功能作用，特别是在传统的化学农业因其带来的环境负面效应而受到严峻挑战的当今，人类在面临既要提高或维持农业产量又要减少或防治环境污染的双重压力、应如何做出抉择的形势下显得尤为突出。

土壤生物的组成，可分为土壤微生物和土壤动物两大类群，一般包括微生物类群的细菌、真菌和放线菌，原生动物类群的鞭毛虫、纤毛虫和肉足虫，微型节肢动物如土壤螨类和弹尾目昆虫，以及线虫、线蚓和蚯蚓等。梁文举等（2001）及Hendix等（1990）对土壤生物区系在土壤生态系统过程中包括在养分循环和土壤结构中所起的重要作用作了评述。在陆地生态系统中，土壤生物区系是分解者食物网的重要组成部分，是分解作用、养分矿化作用生态过程的主要调节者（Wardle，1995）。尽管在大多数系统中微生物群落约占C和N矿化和固定量的90%，但其活动受着土壤动物的调节。土壤动物通过取食细菌和真菌及将微生物繁殖体向新的位点运输直接调节微生物的活动。土壤动物消耗微生物生物量后，排泄出无机N，然后这些无机N素又进一步供给微生物或被植物吸收利用。土壤动物通过破碎有机质和形成粪粒来增加微生物侵袭的表面积，通过粪土的产生间接地改变微生物的微环境，转过来又影响土壤孔隙度、团聚体大小和稳定性。一般来说，土壤动物活动对生态系统过程产生最终的影响是提高有机质的分解速率和养分周转量。根圈（或称根际）通常是指受作物根系活动影响，在物理、化学和生物学特性上与周围土壤有别的土壤微区，是土壤根系生物群落相互作用的系统，也是养分、水分和其他物质进入根表面的门户，因而普遍受到重视。胡锋等（1998）通过盆栽试验对比研究了两种基因型小麦根际土壤动物和微生物的数量动态及根际效应，认为根际土壤动物与微生物之间相互作用机制在于食微动物与微生物形成的捕食者-猎物间的食物链关系。根际中丰富的分泌物促进了微生物的增殖。这些在食物链中处于最低营养级的微生物作为资源生物即土壤动物的食物，支持了较高的根际动物种群，而较高营养级的动物又可通过捕食、竞争作用影响微生物或其他土壤动物的数量乃至种群结构。

土壤种子库的研究是生物多样性研究中的一部分，长命种子具有重要的遗传学意义，种子库被认为是植物种群基因多样性的潜在提供者（Harper，1977），所以土壤种子库在维持种群和群落的生态多样性和遗传多样性方面具有重要意义。其次，从实践来说，在生长季刚开始的时候，了解种子库的组成和多度可以帮助我们预测农田、牧场和自然植物群落的生产量及承载量（Russi et al.，1992）

本次对济南重金属污染区（简称济南）、鱼台优质稻生产基地（简称鱼台）、寿光大棚蔬菜基地（简称寿光）各生物学参数的差异性进行比较，采用统计学方法进行了土壤生物学参数间及土壤生物学参数与土壤地球化学元素间的相关性分析，评价三地土壤的质量。

一、土壤生物多样性变化特征

济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性分布特征和变化规律各有其特点。3个地区土壤中线虫数量显著低于原生动物数量，原生动物数量又显著低于细菌数量，这与其在食物链中的位置和取食关系是一致的。寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量显著高于济南、鱼台的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。3 个地区的原生动物、细菌、氨化菌和硝化菌数量无显著差异，表明这几个生物类群对重金属污染的敏感程度较低。纤维素分解菌的数量为鱼台＜济南＜寿光，说明纤维素分解菌除受到重金属污染外还受到其他因素比如植物枯落物种类、数量等的影响。

代表微生物新陈代谢能力和多样性的各多样性指数与种群数量的分布规律存在差异（表5-46）。3个地区的Shannon丰富度不存在显著性差异。Shannon多样性指数济南低于鱼台寿光，McIntosh多样性指数鱼台和寿光低于济南，Shannon均匀度和McIntosh均匀度济南低于鱼台和寿光。

表5-46 济南、鱼台、寿光三地的土壤生物参数的方差分析表

代表不均匀程度的Gini指数济南高于鱼台和寿光。代表新陈代谢能力的AWCD值济南低于鱼台和寿光。总体来说济南地区微生物的新陈代谢能力和均匀性低于鱼台和寿光。3个地区土壤微生物结构间存在差异，济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。3个地区的土壤种子库各参数间不存在显著差异，说明重金属污染对土壤种子库影响不大。3个调查地区各分析指标的变异系数差异较大，总体来说，微生物活性的变异系数低于微生物数量的变异系数，线虫数量的变异系数低于原生动物的变异系数，地球化学元素的变异系数低于生物的变异系数。

二、土壤生物多样性指标之间的相关关系

由表5-47可以看出，土壤细菌与放线菌、固氮菌、氨化菌、硝化菌和反硝化菌之间存在显著的正相关关系。土壤真菌与放线菌、固氮菌，放线菌与细菌、真菌、固氮菌和反硝化菌，固氮菌与细菌、真菌、放线菌、反硝化菌，氨化菌与细菌、硝化菌和反硝化菌，硝化菌与细菌、氨化菌和反硝化菌，反硝化菌与细菌、放线菌、固氮菌、氨化菌和硝化菌之间存在显著的正相关关系。这是合乎常理的，因为各微生物类群的适宜生活的条件虽然各有差异，但是总体是营养丰富的、肥沃的土壤适宜于绝大多数类群微生物的生长，而且微生物各分类群和功能群间也有交叉。

土壤线虫与Biolog Shannon丰富度、McIntosh指数之间存在显著负相关关系，与Shannon均匀度、McIntosh均匀度之间存在显著正相关关系，而土壤微生物各生理类群与Biolog各多样性指数间不存在显著的正相关关系，说明土壤线虫作为食微生物的动物会显著降低微生物利用底物的多样性，但通过这种捕食关系的调节，微生物的均匀度增加，线虫在维持食物链的动态平衡中具有非常重要的作用。

三、土壤生物多样性与土壤地球化学环境之间的关系

由表5-48可以看出土壤生物各参数与各地球化学元素间存在着不同的相关性。土壤线虫与Ni之间存在着显著的正相关关系，与Pb、Se之间存在着显著的负相关关系。土壤原生动物与Cr、S之间存在着显著的正相关关系。土壤真菌与K2 O，土壤放线菌、固氮菌、纤维素分解菌与N，土壤硝化菌与F之间存在着显著的正相关关系。Biolog Shannon均匀度与Ni之间存在着显著的正相关关系。Biolog McIntosh指数与Co、F、Mn、Ni、V、Al2 O3、Fe2 O3、MgO、K2 O之间存在着显著的负相关关系，与Se、Na2 O之间存在着显著的正相关关系。Biolog McIntosh均匀度与Ni之间存在显著的正相关关系。革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌PLFA含量都与B存在显著的正相关关系。真菌PLFA含量与As、B、Mn、V、Al2 O3、Fe2 O3、MgO、CaO、K2 O存在显著正相关关系，与S日夏养花网iO2、Na2 O存在显著负相关关系。革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例与Cr、Hg、Mo、Zn、Se、S、K2 O存在显著正相关关系。细菌/真菌存在显著负相关关系。土壤种子库各参数与地球化学元素间不存在显著正相关关系。这说明各地球化学元素对各土壤生物的作用不同，通过不同的生物学指标可用于指示某种、某几种重金属或重金属复合污染的情况。

四、土壤重金属污染程度的生物学指标

寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌和反硝化菌数量显著高于济南、鱼台数量，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh均匀度济南低于鱼台、寿光，代表不均匀程度的Gini指数济南高于鱼台、寿光，AWCD值济南低于鱼台、寿光。济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。说明以上指标可作为重金属复合污染的生物学指标。线虫、真菌、放线菌、固氮菌、反硝化菌数量、Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh均匀度越低表明重金属复合污染越严重，Gini指数越高表明重金属复合污染越严重。

由表5-48我们可以找到重金属污染的生物学指标。土壤线虫、Biolog Shannon均匀度、Biolog McIntosh指数可作为Ni污染的生物学指标，土壤线虫越多、Biolog Shannon均匀度越高表明Ni含量越高，Biolog McIntosh指数越低表明Ni污染越严重。土壤线虫还可以作为Pb污染的生物学指标，土壤线虫越少表明Pb污染越严重。土壤原生动物、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例可作为Cr污染的生物学指标，土壤原生动物、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例越高表明Cr污染越严重。Biolog McIntosh指数可作为Co污染的生物学指标，Biolog McIntosh指数越低暗示Co污染越严重。Biolog McIntosh指数和真菌PLFA含量都可以作为Mn、V污染的生物学指标，Biolog McIntosh指数越低、真菌PLFA含量越高暗示Mn、V污染越严重。真菌PLFA含量还可作为As污染的生物学指标，真菌PLFA含量越高暗示As污染越重。革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例还可作为Hg、Zn污染的生物学指标，其比例越高，表明Hg、Zn污染越严重。

总的来说，济南地区土壤生物的数量和活性低于鱼台寿光。细致的分，不同的生物学参数可作为不同重金属污染的生物学指标。土壤动物尤其是土壤线虫群落多样性已用作土壤质量以及土壤生态演替过程的生物指标（李文芳等，2005；Liang，et al.1999）。研究发现土壤线虫作为敏感生物可作为 Ni、Pb 的生物学指标。澳大利亚学者 Pankhurst 等（1995）把细菌、真菌、放线菌数量作为土壤质量的生物指标。同时研究者也发现土壤受污染程度越低、土壤质量越高，真菌、放线菌数量越高。此外，其他生物学指标如革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例、真菌PLFA含量、Biolog多样性指数等也可作为重金属污染的生物学指标。总之，用土壤生物作为敏感、快速的重金属污染生物毒性的指示物，具有广阔的应用前景。

通过济南、鱼台及寿光三地的生物多样性研究表明，济南、鱼台、寿光土壤生物多样性分布特征和变化规律各有其特点。总体来说寿光的线虫、真菌、放线菌、固氮菌、反硝化菌数量显著高于济南、鱼台，鱼台地区高于济南地区，但未表现出显著差异。3个地区的原生动物、细菌、氨化菌、硝化菌数量无显著差异。济南地区微生物的新陈代谢能力和均匀性低于鱼台、寿光。3个地区土壤微生物结构间存在差异，济南地区革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比例和细菌/真菌比例显著高于其他两地。3个地区的土壤种子库各参数间不存在显著差异。

生物多样性特征符合农田重金属污染地区的生态系统的一般规律，结果说明寿光市重金属污染较鱼台等地轻微，重金属元素对土壤动物类群和数量以及微生物等具有不利影响。

表5-47 济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性指标之间相关系数矩阵表

续表

注：*为P＜0.05。

表5-48 济南、鱼台、寿光三地土壤生物多样性指标与土壤地球化学元素相关分析表

续表

土壤环境质量主要受自然环境和人为环境双重因素控制。自然环境指各种自然条件和自然资源的总和，如地质、地貌、气候、水文和生物等。人工环境指人类在自然环境的基础上，为了不断提高物质和精神生活水平通过长期有计划、有目的的经济活动和社会活动，逐步建立起来的生存环境。长期的人类活动在改造自然环境的同时，也对环境质量造成一定的负面影响，如大量使用化肥、农药和生产生活废弃物排放会导致土壤受到一定的污染等。目前，土壤污染已成为抑制农业可持续发展一个重要因素，已引起各级政府的高度重视和农业、环境、地质、社会等学者的广泛关注。

以鲁西北平原区生态地球化学调查取得的区域性土壤元素分析测试资料为依据，参照国家土壤环境质量标准及区域土壤元素背景值，评价土壤环境质量现状及其污染程度，进行变化趋势研究与预测，将为区域农业生产和发展规划、农村产业结构调整、土壤施肥与改良、合理种植布局、发展无公害、绿色食品，以及农业生态环境保护、土地利用规划、污染治理与修复提供科学依据。

一、土壤环境质量单因子评价

土壤环境质量单因子评价以中华人民共和国国家标准（GB15618—1995）《土壤环境质量标准》为评价标准，根据土壤中pH、Cd、Hg、Cu、As、Pb、Cr、Zn、Ni等评价指标的实测资料，确定单因子环境质量分级。

重金属元素单因子环境质量评价结果如表6-1 所示。Hg、As、Cd、Pb、Zn、Cu、Cr、Ni等单因子土壤环境质量评价结果表明：鲁西北平原符合一、二级土壤环境质量标准的土壤样本数占99%以上，其中Ni、Pb元素含量无超Ⅲ类土壤存在。区内土地环境质量总体状况良好，绝大多数土地的环境质量达到Ⅰ类、Ⅱ类标准，完全能满足农业耕作土壤的环境质量要求。

土壤单因子分级区域分布特征如图6-1至图6-8所示。从分布特征来看，鲁西北平原8种重金属元素含量在大部分地区较低，其土壤环境质量类型以Ⅰ类土壤为主，分布极为广泛；Ⅱ类土壤次之，主要分布在鱼台县辖区，巨野县东、东北，东明—鄄城靠黄河一带，郓城县城及西南，梁山县北，台前县东，阳谷—莘县—聊城一带，东阿—平阴一带，禹城周边，商河—济阳之间，济南市区，高青—博兴一带，沾化西北，东营南，垦利东北一带等地段；Ⅲ类土壤及超Ⅲ类以孤点状分布，初步分析主要是由点源污染所引起。

表6-1 鲁西北平原土壤单因子评价环境质量统计表

图6-1 鲁西北平原土壤砷元素环境质量分级图

图6-2 鲁西北平原土壤镉元素环境LjRTxMxwow质量分级图

图6-3 鲁西北平原土壤铬元素环境质量分级图

图6-4 鲁西北平原土壤铜元素环境质量分级图

图6-5 鲁西北平原土壤汞元素环境质量分级图

图6-6 鲁西北平原土壤镍元素环境质量分级图

图6-7 鲁西北平原土壤铅元素环境质量分级图

图6-8 鲁西北平原土壤锌元素环境质量分级图

二、土壤环境质量多因子评价

土壤环境质量多因子评价采用内梅罗指数法进行计算，评价标准仍然依据中华人民共和国国家标准（GB15618—1995）《土壤环境质量标准》，选择土壤中pH、Cd、Hg、Cu、As、Pb、Cr、Zn、Ni等为评价指标。内梅罗污染指数反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响，其计算方法如下：

鲁西北平原典型生态区地质地球化学环境研究

式中pi，aver和pi，max分别是平均单项污染指数和最大单项污染指数。

单项污染指数的计算公式如下：

土壤单项污染指数＝土壤元素实测值/土壤环境质量标准值（一级）

按照内梅罗指数来划定土壤环境质量的等级，评价标准及结果见表6-2，图6-9。

表6-2 内梅罗指数评价标准表

图6-9 鲁西北平原土壤环境质量内梅罗指数分级图

通过计算，鲁西北平原表层土壤各采样点内梅罗指数平均值为0.760，其中属于清洁和尚清洁水平的采样点占总数的93.58%，土壤从整体上属于尚清洁范围。污染区域分布于济宁城区、济南城区、菏泽城区、巨野东部及北部、嘉祥北部、莘县东部、鱼台、德LjRTxMxwow州北部、博兴、庆云、无棣、东营等地，其中重污染地区均以点状分布于城市或城市周边地区。

三、典型生态区主要生态环境问题分析

（一）典型生态区生态与环境问题

通过在典型生态区开展的生态地球化学调查与评价工作结果显示，在鲁西北平原区，确实存在着一定的环境生态问题，具体问题有水环境污染、土壤污染和地方病流行等方面。

1.土壤污染

在本次研究所选择的东营石油开采区、小清河流域等地，土壤污染现象较为明显，且不同地区土壤污染特点有所差别。

石油开采区，土壤污染物以有机污染物为主。例如所有采样井附近的土壤中，均表现出饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量最大值存在于井口处，井口中心附近有机物含量明显高于外围区域。从剖面变化规律看，总体上饱和烃、芳烃、非烃和沥青质的含量随取样深度的增加而减少。此外，土壤中个别取样点所含部分污染物的浓度值已超过土壤环境质量一级标准所规定的标准值，但均还未超过土壤环境质量二级标准所规定的标准值。

研究同时反映出土壤中的微量元素与有机污染物存在相互影响，土壤中Cr、Pb、Zn元素受油田开发过程中落油污染的影响较大，而As、Cu 和Ni 元素受落油污染的影响较小。

城市周边环境中土壤污染以重金属污染物为主。小清河流域沿岸在历城区、博兴县及部分乡镇驻地周围土壤质量较差，污染物以As、Cd、Cr、Ni等重金属离子为主。

土壤污染使土壤退化加剧，土壤肥力降低或严重丧失，生物多样性减少。

2.水环境污染

已有浅层地下水化验分析结果表明，评价区内的浅层地下水按卫生部颁布的《生活饮用水水质卫生规范》中的标准，已有多项指标超标，如济宁某地的浅层地下水氟化物含量高达8mg/L，是饮用水水质限值的8倍。当地居民长期饮用这种多项指标超限的地下水，对身体造成极大的危害，严重威胁人民的身体健康。浅层地下水水质总的分布特征是：鲁西黄河冲积扇区以适宜饮用的Ⅰ级水为主，鲁北黄泛平原区以较适宜饮用的Ⅱ级水为主，逐渐过渡到滨海平原不宜饮用的Ⅲ级水和不能饮用的Ⅳ级水。鲁北中东部乐陵—东营冲积和冲海积地层交接地带及滨海地带水质大多为不宜饮用的Ⅲ级水与不能饮用的Ⅳ级水，主要超标物为石油、挥发酚、COD、Cd、Pb和固型物等。

河流多已遭受污染，主要超标项目为COD、BOD、NH3-N、NO3-N、酚、氨氮和石油类，污染程度属重度—极严重污染。

3.地方病

地方病调查显示鲁西北平原区地方性氟中毒仍未得到有效控制，病区的饮水氟含量水平和群体的尿氟水平普遍较高，高氟的危害仍然十分严重，防治形势严峻。

郓城、嘉祥、东昌府和博兴4县（区）中66个乡、镇有32个被认定为高碘地区，高碘乡、镇人口数或称受高碘危害人口达141.7万人，其中28个乡、镇又被确定为地方性高碘甲状腺肿病区。

郓城、嘉祥、东昌府以及博兴4县（区）中存在水As超标样，且检查出可疑地As病患者。

（二）环境问题成因分析

通过典型生态区的生态地球化学研究发现区内的环境问题受人为干扰影响，但同时与地质背景也有一定关系。

土壤污染主要集中在城市及工业集中区，区内河流存在较为明显的重金属及有机物富集，主要污染源来自城市燃煤、工业冶金、建筑及机动车尾气。一方面大量的污染物质通过污水排放进入河流，在通过渗透进入河流周围土壤。此外大气降尘、人工施肥等因素也使得大量的重金属元素在土壤表层富集。

但同时河流侧渗作用的研究也表明，黄河、小清河、徒骇河沿岸重金属元素异常，由重金属与常量组分存在显著相关性判断重金属异常主要与土壤质地有关，河流侧渗不是主要异常成因，这也意味着地质背景从一定程度上控制着区域的环境问题。最为明显的实例就是区内地方病分布与地质背景之间的联系，地甲病、地氟病的分布区域均存在较高的碘、氟高背景值，而且相关性研究也表明，地氟病与地质环境中的地下水及土壤环境关系密切，地甲病与当地饮用高碘的浅层地下水有关。

因此在鲁西北平原区的生态环境研究中需要关注地质背景与环境生态问题的联系，以系统的观点研究元素在各个圈层中的迁移及转化规律。

来自陕西师范大学的李剑超老师团队检索了近十年发表的关于我国土壤六种重金属污染（镉Cd, 铅Pb, 锌Zn, 砷As, 铜Cu, 铬Cr）的2450篇论文，选取其中850篇论文的数据，整理分析后www.rixia.cc，绘成重金属污染分布图，并提供了重点污染区域的详细分布。该工作发表于2016年6月发表在Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology上。作者选择的浓度限值分别为镉
- 1mg/Kg，铅- 80mg/Kg，锌 - 300mg/Kg，砷 - 45mg/Kg，铜 - 200mg/Kg， 铬 - 350mg/Kg，大致相当于GB15618规定的二级标准（为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值），超过以上浓度视为超标点位(OLS)。以下是这六种重金属污染的分布图。

铅污染分布图，点位超标率17.8%，大城市中上海和广州极为严重，贵州 (赫章)和福建(三明)因采矿的原因亦较为严重。

锌污染较严重的是贵州、湖南（吉首）、福建（三明、南平）以及河南（新乡）。土壤中砷污染主要来源于地下水污染，较严重地区是天津、山东（济南）和安徽（铜陵）。铜污染主要分布在东南沿海地区，尤以广州最为集中，另河北保定出现铜污染最高值（超标165倍）。镉污染程度较低，最高值出现在福建福州。

重金属污染源头

运用富含重金属的废水进行灌溉是重金属进入土壤的一个重要路径。重金属进入土壤的另一条路径是随大气沉降落入土壤。重金属首要有汞、铜、锌、铬、镍、钴等。因为重金属不能被微生物分化，并且可为微生物富集，土壤一旦被重金属污染其天然净化进程和人工管理都是十分艰难的。此外，重金属能够被生物富集，因而对人类有较大的潜在损害。

土壤污染有什么危害？

土壤污染带来了及其严重的后果。

第一，土壤污染使本来就紧张的耕地资源更加短缺。

第二，土壤污染给人民的身体健康带来极大的威胁。

第三，土壤污染给农业发展带来很大的不利影响。

第四，土壤污染也是造成其他环境污染的重要原因。

第五，土壤污染中的污染物具有迁移性和滞留性，有可能继续造成新的土地污染。

第六、土壤污染严重危及后代子孙的利益，不利于农村经济的可持续发展。