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在过去的几十年里，长江三角洲地区城市化和工业化得到了快速发展，导致土壤中重金属明显积累，对区域生态安全构成了潜在的威胁。重金属污染物可在各环境介质间迁移转化，进入农用地土壤中的重金属，会通过“土壤-作物”系统迁移转化，再经由食物链对人类健康造成威胁。因此，研究经济快速发展地区城乡结合带重金属污染风险状况及来源，探讨受污染农用地安全利用具有重要的理论和实践意义。
本论文选择长江三角洲两个典型区域一昆山城郊和南京沿江流域农田作为研究对象，首先对这两个区域的土壤、植物以及沿江流域沉积物进行采样，分析两个区域土壤-作物系统中重金属元素镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)和锌(Zn)的累积情况及迁移转化规律;进一步通过评价土壤、沉积物重金属潜在生态风险和作物重金属健康风险，明确了重金属在多介质中风险的分配状况，并结合地理探测器模型揭示了研究区土壤-作物系统中影响重金属积累的关键影响因子;最后在此基础上，选择江苏省昆山市花桥镇和南京市八卦洲镇典型镉超标农田，进行农用地的安全利用技术应用研究。其中中度镉污染农田采用低积累作物种植、修复材料钝化，分别通过室内培养实验、盆栽筛选试验及田间验证试验，筛选出适用于长江三角洲地区中度重金属污染农田的低积累作物和钝化材料;轻度镉污染农田采用低累积作物轮作方式，通过田间小区试验从当地居民主要食用蔬菜类型中筛选出重金属低累积蔬菜品种。上述研究区土壤-作物系统中重金属迁移转化规律和农用地安全利用技术应用研究的目的，是为长三角地区重金属污染风险监测和农用地安全利用提供理论依据和技术支撑，同时为其他地区类似环境问题的解决提供参考。
主要研究结果如下:
(1)研究区内重金属以Cd积累最明显，其中昆山城郊农田土壤中Cd全量均值为0.46mg/kg，南京沿江流域农田土壤Cd全量均值为0.29mg/kg。重金属在土壤中的转移系数（TC=有效态含量/全量），在昆山城郊区随着土壤pH的增加而逐渐降低，pH影响较为明显（P＜0.05），而南京沿江流域尽管存在类似趋势，pH影响不明显（P＞0.05）。重金属Cd和Pb的作物富集系数(BCF=作物中重金属含量/土壤中重金属全量)在昆山城郊研究区小麦中Cd和Pb的值分别为0.27和0.004，均显著高于大米(0.16和0.001)和蔬菜(0.04和0.001)（P＜0.05）;南京沿江流域大米Cd和Pb的BCF值分别为0.43和0.02，均显著高于小麦(0.38、0.004)和蔬菜(0.28、0.002)(P＜0.05)。
(2)两个典型区域土壤-作物系统均存在明显的Cd元素污染风险，其中12.7％的昆山城郊农田土壤样点和2.40％的南京沿江流域农田土壤样点均存在超高潜在生态风险。根据国家食品安全卫生标准(GB2762-2017)对两个典型研究区作物重金属污染进行评价，结果表明，昆山城郊区66.70％小麦样品中Cd含量超标;南京沿江流域23.30％小麦样品和15.40％的大米样品中Cd含量超标，70.40％根茎类蔬菜样品存在Cd超标的情况。两个典型区所有作物重金属人体健康目标危害商(THQ)均值均小于1，四个元素总危害指数（HI)小于10，说明当地农作物对人体健康基本不造成威胁。其中，昆山城郊区5.60％小麦和3％大米，南京沿江流域7.70％大米和37.5％根茎类蔬菜其THQ-Cd值大于1，具有健康风险。
(3)两个典型区作物总危害指数(HI)与总重金属生物富集系数(TBCF)均呈极显著相关关系(P＜0.01)，同时，昆山城郊农田HI还与表层土壤重金属潜在生态风险指数(RI=∑(土壤重金属含量/背景值)*毒性系数）呈显著相关关系(P＜0.05);南京沿江流域HI与所有元素TC值加和(TTC)呈显著相关关系(P＜0.05)，表明研究区人体健康风险与作物重金属积累和土壤中重金属有效性关系密切。地理探测模型影响因素解析表明，昆山城郊农田表层土壤RI的关键影响因子分别为亚表层土壤RI和土壤有机质(OM)，影响力决定系数分别为0.52和0.41，可能与该地区农业活动有关。南京沿江流域土壤RI的关键影响因子分别为土壤pH、距工厂距离和底层土壤RI，影响力决定系数分别为0.20、0.17和0.14，可能主要与工厂污染物排放、农业污染及地质化学背景有关。
(4)本研究所使用的钝化材料凹凸棒石(APT)和碳凹凸棒石(APT/C)含有硅酸根、羟基，磷酸矿化菌(PMBP)含有羟基、磷酸根、磷酸氢根等活性官能团，具有与重金属离子沉淀或络合的能力。培养试验结果显示，土壤中添加1.80‰PMBP和5.00‰APT/C后，可交换态Cd相比对照下降42％;盆栽土壤施用5.00‰APT/C后，青菜Cd含量与对照相比降低60.70％。田间小区试验添加0.21‰PMBP后，种植青菜的BCF-Cd比对照下降22.10％;添加2.00‰APT/C后，生菜BCF-Cd比对照BCF-Cd下降了36.70％。同时0.21‰PMBP和5.00‰APT/C均可以显著提高蔬菜的生物量。综上，0.21‰PMBP和5.00‰APT/C可作为中度重金属污染农田蔬菜安全利用的钝化材料施用。
(5)昆山花桥镇大田蔬菜作物重金属累积筛选试验结果表明，蔬菜重金属Cd含量呈现叶菜类＞茄果类＞根茎类＞豆类的趋势，其中芹菜中Cd含量最高，均值为0.29mg/kg，豆角Cd含量最低，均值为0.004mg/kg。可见，茄果类、根茎类、豆类蔬菜可以作为低累积作物在中低重金属污染土壤上安全种植，而叶菜类蔬菜种植存在风险，需要与钝化技术联合使用，才能达到安全利用的目的。南京八卦洲大田轮作实验的结果表明，灌水水稻-蔬菜轮作过程中，水稻种植明显提高土壤pH，可减少后续蔬菜Cd超标的风险。茄果类-叶菜类蔬菜轮作中，辣椒与青菜轮作可明显减少青菜Cd的累积。因此，灌水水稻与重金属低累积蔬菜轮作模式，辣椒与叶菜蔬菜轮作模式可达到安全生产的目的。
综上所述，长江三角洲典型区农用地土壤中主要存在镉污染风险，土壤重金属污染主要来自于农艺活动、工业污染物废排放和地质化学背景，中度Cd污染土壤可通过低积累蔬菜配合钝化技术，轻度Cd污染土壤可通过灌水水稻-重金属低累积蔬菜和辣椒-叶类蔬菜轮作模式达到土壤安全利用的目的。
本论文选择长江三角洲两个典型区域一昆山城郊和南京沿江流域农田作为研究对象，首先对这两个区域的土壤、植物以及沿江流域沉积物进行采样，分析两个区域土壤-作物系统中重金属元素镉(Cd)、铅(Pb)、铜(Cu)和锌(Zn)的累积情况及迁移转化规律;进一步通过评价土壤、沉积物重金属潜在生态风险和作物重金属健康风险，明确了重金属在多介质中风险的分配状况，并结合地理探测器模型揭示了研究区土壤-作物系统中影响重金属积累的关键影响因子;最后在此基础上，选择江苏省昆山市花桥镇和南京市八卦洲镇典型镉超标农田，进行农用地的安全利用技术应用研究。其中中度镉污染农田采用低积累作物种植、修复材料钝化，分别通过室内培养实验、盆栽筛选试验及田间验证试验，筛选出适用于长江三角洲地区中度重金属污染农田的低积累作物和钝化材料;轻度镉污染农田采用低累积作物轮作方式，通过田间小区试验从当地居民主要食用蔬菜类型中筛选出重金属低累积蔬菜品种。上述研究区土壤-作物系统中重金属迁移转化规律和农用地安全利用技术应用研究的目的，是为长三角地区重金属污染风险监测和农用地安全利用提供理论依据和技术支撑，同时为其他地区类似环境问题的解决提供参考。
主要研究结果如下:
(1)研究区内重金属以Cd积累最明显，其中昆山城郊农田土壤中Cd全量均值为0.46mg/kg，南京沿江流域农田土壤Cd全量均值为0.29mg/kg。重金属在土壤中的转移系数（TC=有效态含量/全量），在昆山城郊区随着土壤pH的增加而逐渐降低，pH影响较为明显（P＜0.05），而南京沿江流域尽管存在类似趋势，pH影响不明显（P＞0.05）。重金属Cd和Pb的作物富集系数(BCF=作物中重金属含量/土壤中重金属全量)在昆山城郊研究区小麦中Cd和Pb的值分别为0.27和0.004，均显著高于大米(0.16和0.001)和蔬菜(0.04和0.001)（P＜0.05）;南京沿江流域大米Cd和Pb的BCF值分别为0.43和0.02，均显著高于小麦(0.38、0.004)和蔬菜(0.28、0.002)(P＜0.05)。
(2)两个典型区域土壤-作物系统均存在明显的Cd元素污染风险，其中12.7％的昆山城郊农田土壤样点和2.40％的南京沿江流域农田土壤样点均存在超高潜在生态风险。根据国家食品安全卫生标准(GB2762-2017)对两个典型研究区作物重金属污染进行评价，结果表明，昆山城郊区66.70％小麦样品中Cd含量超标;南京沿江流域23.30％小麦样品和15.40％的大米样品中Cd含量超标，70.40％根茎类蔬菜样品存在Cd超标的情况。两个典型区所有作物重金属人体健康目标危害商(THQ)均值均小于1，四个元素总危害指数（HI)小于10，说明当地农作物对人体健康基本不造成威胁。其中，昆山城郊区5.60％小麦和3％大米，南京沿江流域7.70％大米和37.5％根茎类蔬菜其THQ-Cd值大于1，具有健康风险。
(3)两个典型区作物总危害指数(HI)与总重金属生物富集系数(TBCF)均呈极显著相关关系(P＜0.01)，同时，昆山城郊农田HI还与表层土壤重金属潜在生态风险指数(RI=∑(土壤重金属含量/背景值)*毒性系数）呈显著相关关系(P＜0.05);南京沿江流域HI与所有元素TC值加和(TTC)呈显著相关关系(P＜0.05)，表明研究区人体健康风险与作物重金属积累和土壤中重金属有效性关系密切。地理探测模型影响因素解析表明，昆山城郊农田表层土壤RI的关键影响因子分别为亚表层土壤RI和土壤有机质(OM)，影响力决定系数分别为0.52和0.41，可能与该地区农业活动有关。南京沿江流域土壤RI的关键影响因子分别为土壤pH、距工厂距离和底层土壤RI，影响力决定系数分别为0.20、0.17和0.14，可能主要与工厂污染物排放、农业污染及地质化学背景有关。
(4)本研究所使用的钝化材料凹凸棒石(APT)和碳凹凸棒石(APT/C)含有硅酸根、羟基，磷酸矿化菌(PMBP)含有羟基、磷酸根、磷酸氢根等活性官能团，具有与重金属离子沉淀或络合的能力。培养试验结果显示，土壤中添加1.80‰PMBP和5.00‰APT/C后，可交换态Cd相比对照下降42％;盆栽土壤施用5.00‰APT/C后，青菜Cd含量与对照相比降低60.70％。田间小区试验添加0.21‰PMBP后，种植青菜的BCF-Cd比对照下降22.10％;添加2.00‰APT/C后，生菜BCF-Cd比对照BCF-Cd下降了36.70％。同时0.21‰PMBP和5.00‰APT/C均可以显著提高蔬菜的生物量。综上，0.21‰PMBP和5.00‰APT/C可作为中度重金属污染农田蔬菜安全利用的钝化材料施用。
(5)昆山花桥镇大田蔬菜作物重金属累积筛选试验结果表明，蔬菜重金属Cd含量呈现叶菜类＞茄果类＞根茎类＞豆类的趋势，其中芹菜中Cd含量最高，均值为0.29mg/kg，豆角Cd含量最低，均值为0.004mg/kg。可见，茄果类、根茎类、豆类蔬菜可以作为低累积作物在中低重金属污染土壤上安全种植，而叶菜类蔬菜种植存在风险，需要与钝化技术联合使用，才能达到安全利用的目的。南京八卦洲大田轮作实验的结果表明，灌水水稻-蔬菜轮作过程中，水稻种植明显提高土壤pH，可减少后续蔬菜Cd超标的风险。茄果类-叶菜类蔬菜轮作中，辣椒与青菜轮作可明显减少青菜Cd的累积。因此，灌水水稻与重金属低累积蔬菜轮作模式，辣椒与叶菜蔬菜轮作模式可达到安全生产的目的。
综上所述，长江三角洲典型区农用地土壤中主要存在镉污染风险，土壤重金属污染主要来自于农艺活动、工业污染物废排放和地质化学背景，中度Cd污染土壤可通过低积累蔬菜配合钝化技术，轻度Cd污染土壤可通过灌水水稻-重金属低累积蔬菜和辣椒-叶类蔬菜轮作模式达到土壤安全利用的目的。