改革开放使中国生产力获得了解放，现代工农业迅速发展，但是在经济建设取得巨大进步的同时，大量重金属等化学污染物通过各种途径进入河流、农田和城市等各类生态系统，使环境污染呈日益加剧趋势。为了摸清江苏省环境质量的家底，江苏省地调院2004年起开展了“江苏省国土生态地球化学调查”大型项目，该项目通过系统采样和分析，获取了当前各种重金属元素在江苏省土壤、沉积物、农田作物等环境介质中的总量分布状况。结果显示，重金属污染在江苏省，尤其苏南地区呈日益严重的趋势，其中镉(Cd)是最突出的污染元素之一。因此，本文在国土生态地球化学调查获取的各重金属总量分布状况的基础上，选择重点元素(以Cd为代表)和重点区域(苏南长江沿江区域)，进一步研究重金属元素的化学形态，土壤和沉积物中重金属向农田作物迁移转化的规律，研究化学定时炸弹可能的引爆机制，并在此基础上，建立土壤重点污染元素的生态地球化学评价模型，以便进一步开展土壤重金属的生态地球化学评价和预警。土壤和沉积物的反射光谱包含了丰富的地球化学信息，这给生态地球化学研究提供了一种新的并且是廉价分析手段。寻找沉积物和土壤重要生态地球化学参数的光谱反应，建立其光谱预测模型，并耦合入生态地球化学评价模型，可以为生态地球化学研究开辟新的路径和方法。由于土壤和沉积物光谱亦可通过遥感手段大面积快速探测，开展针对生态地球化学参数的光谱学研究，可为今后使用遥感方法动态监测生态地球化学参数，进行大面积动态生态地球化学监测和实时评价奠定理论基础。 本文选择了长江下游(江苏段)不同空间尺度的研究区(江苏省、长江水系悬浮物和沉积物、沿江县级区域江都市、南京城区及周边地区、长江冲积岛屿八卦洲)，1)通过元素地球化学总量测试和GIS空间分析方法研究研究区土壤或沉积物中典型重 金属和其它重要生态地球化学元素含量的空间分布特征及其来源及影响；2)通过化学序列提取研究重点危险重金属元素的化学形态分布特征；3)通过化学测试、数据统计分析和数学建模方法，研究蔬菜和水稻等作物中危险重金属元素的含量水平，并在分析重点重金属元素生物有效性及元素作物吸收影响因子的基础上，探讨土壤重金属元素生态地球化学评价方法模型；4)通过研究区土壤和沉积物光谱测试、数据统计分析和化学实验，确定土壤和沉积外物粘土矿物含量、铁氧化物含量、有机质含量、CEC、重金属元素含量等重要生态地球化学参数的光谱定量或示踪方法。本文主要研究结论如下： (1)从区域上讲，江苏南部重金属污染等生态地球化学问题比江苏北部地区突出；从类型上看，Cd是首要潜在危险重金属元素之一。Cd异常的分布和来源可以分为两种类型：1)长江沉积物和沿江土壤Cd高含量带，是上游输入和本地污染排放的共同结果；2)苏南城市及周围地区Cd污染带，主要是城市和工业污染所致。 (2)从20世纪80年代开始，长江悬浮物中Cd含量逐渐增加，现已经增加到原来的3倍。80年代悬浮物Cd含量为0.30 mg/kg，接近世界其它无污染大河水平(如南美洲亚玛逊河，奥里诺科河)，目前(2006年)达到～1.0 mg/kg，已与欧美发达地区河流含量达到同一水平(如多瑙河)。长江沉积物中的Cd含量在0.17-1.57mg/kg之间，其含量主要受沉积物粒径分布控制，Cd主要集中于粒径在0.50-25 μm的颗粒物中。各介质中，长江悬浮物Cd含量(～1.0 mg/kg)大于沉积物(～0.65 mg/kg)，沉积物含量大于近岸土壤(～0.3 mg/kg)，近岸土壤大于远岸土壤(0.1-0.2 mg/kg)，一般随江岸远近由Cd含量高到低变化，多数地段沿江Cd异常在2 km内。 (3)化学序列提取进行的形态分析显示，长江悬浮物、沉积物和土壤中Cd的C1态(弱酸提取态)和C2态(还原态)部分决定了Cd总量。一般Cd总量越大的样品，C1态和C2态部分含量越高，残渣态含量比较稳定，C3态(氧化态)含量也不大。这说明长江沉积物Cd是通过高度活性形式输入的，遇到酸性环境，Cd会大量释放。由于沿江土壤和沉积物pH值为碱性，暂时这些Cd释放不明显，因此，蔬菜和水稻等作物含量一般没有超过环境标准。但是一旦土壤酸化，吸附形式的Cd离子会大量释放出来，进入作物和食物链。 (4)沿江作物中，芦蒿比其它植物容易吸收土壤中的Cd，因此可以作物长江沿 岸Cd风险的指示植物。在各土壤环境参数中，土壤pH，阳离子交换量(CEC)，以及总有机碳含量(TOC)是影响作物对重金属吸收的主要因素。本文根据Cd的生态有效性，发展了沿江土壤Cd的生物迁移模型，利用土壤Cd含量，土壤CEC和土壤pH，预测Cd向水稻作物迁移量：log(Cdrice)=A×log((Cdsoil-P)/CEC)+B×pH+C。 (5)土壤生态地球化学评价实际上是考虑未来重金属从土壤到作物的通量，因此是包括重金属总量在内的一系列土壤参数的综合评价。重金属作物迁移预测模型包含了这些重要土壤参数、它们之间权重关系和数学关系，因此，可以用来进行土壤重金属的生态地球化学评价；同时，可以固定作物含量为食品卫生标准，预测重金属污染的环境容量，以及土壤酸化等土壤环境参数的变化允许范围；还可以利用生态地球化学评价模型预警化学定时炸弹的爆炸。 (6)土壤和沉积物的反射光谱包含了丰富的生态地球化学信息。这给生态地球化学研究提供廉价和快速的分析方法，也可以为这些生态地球化学因子的遥感探测奠定了基础。长江沉积物总有机碳(TOC)含量与反射光谱400-530 nm反射率存在指数关系，该波段反射率是有机质含量的光谱指示指标；1400，1900和2200 nm处吸收峰肩部的FD值与Al2O3含量线性相关，可以作为粘土矿物含量的光谱指示指标；560-760 nm处反射光谱FD值与Fe2O3含量存在显著线性相关关系，可以作为Fe2O3含量的光谱指示指标。长江沉积物Cd含量与可见光波段反射率、560-760 nm处反射光谱FD值或400，1900，2200nm处吸收峰肩部的FD值均存在显著相关；模型Landsat TM7光谱信号显示，使用指数模型，利用STM1/4(STM1+STM2+STM3)值可以很好地预测长江沉积物Cd含量，这种预测的机制可以使用Cd的赋存形态解释。 (7)对江都和江苏水稻根系土研究结果表明，可见光波段反射率和-OH吸收峰肩部FD值与CEC都存在线性关系，都可以作为CEC的定量指示指标。土壤TOC的光谱定量也两重方法：1)1500-1800 nm附近反射率，这利用了有机质的存在降低土壤反射率的特性；2)1400，1900或2200 nm吸收峰肩部光谱FD值，利用了有机质与粘土矿物含量的相关性。土壤环境参数的光谱预测模型可以跟土壤生态地球化学评价模型结合起来，建立使用土壤光谱反射数据作为主要输入变量，进行土壤环境质量以及生态地球化学评价的光谱学分析模型。