随着人为源的排放量增加,土壤中重金属的含量持续提高,其污染风险日益引起人们的关注。土壤中有效态重金属由于其更易进入植物体的特性,被作为评估重金属对土壤生态系统影响的重要指标。为评估全国土壤中有效态重金属,本研究以全国土壤理化性质及重金属为对象,基于ArcGIS软件和多表面模型建立了土壤理化性质数据库,模拟了我国土壤中非稳态、自由态等重金属的分布,明确了重金属在土壤活性组分表面的分配,预测了在种植小麦、玉米的情景下籽粒的重金属含量,进而建立了耦合土壤颗粒吸附重金属机理和重金属生物有效性的土壤阈值推导方法,对于调整污染土壤的农业种植结构、提高农田系统农产品安全性具有指导意义。主要研究结果如下:（1）建立了土壤理化性质数据库。全国土壤自南向北p H逐渐升高,其中南部和东北部主要为酸性土壤,北部和西部主要为碱性土壤,中部地区土壤趋于中性;土壤有机质含量则是北部和西北部地区最低,东部和南部地区处于中等水平,东北部地区最高;中国南部和东北部地区游离铁含量较高,西部地区次之,北部地区含量最低;无定型铁与游离铁具有一定的相关关系,具有相似的分布规律;中国北部和西部的粘粒含量较低,尤其是在沙漠地区,而在中国南部则相反。（2）明确了土壤中自由态、吸附态重金属空间分布特征。验证了多表面模型对不同土壤亚纲类型、不同重金属类型的适用性,模型预测性能符合预期;计算了1043个土壤样点中自由态Pb、Zn、Cu、Cd含量为0-14.58、0-324.52、0-0.15、0-0.11mg/kg;模拟了自由态重金属在全国范围的分布,高自由态重金属含量区域主要位于湖南、江西、广东、云南、安徽、辽宁等地区;自由态重金属和非稳态重金属含量较高值区域的分布规律基本一致。多表面模型计算土壤活性组分吸附重金属的含量,各组分吸附态占非稳态重金属的占比大小为:有机质＞无定型铁＞粘土矿物＞晶型铁。（3）预测了小麦、玉米籽粒的重金属含量空间分布。种植小麦的情景下,小麦籽粒四种重金属含量Pb＞Cu＞Zn＞Cd,75%以上小麦籽粒中Pb、Zn、Cu、Cd含量为0.37-6.15、17.6-32.27、4.00-9.58、0.06-0.12 mg/kg。小麦籽粒中Zn、Cu在河北、江苏、安徽、山东和河南五个主产区均不超标,而籽粒中Cd在河北东北部、河南东北部地区超标。玉米籽粒四种重金属含量Pb＞Cu＞Zn＞Cd,75%以上玉米籽粒中Pb、Zn、Cu、Cd含量为0.02-10.03、16.24-23.76、1.60-2.86、0.01-0.01 mg/kg。玉米籽粒Pb含量在内蒙古东北部、黑龙江、吉林、辽宁、山东、河南地区均超标,玉米籽粒Zn含量在吉林东南部地区、辽宁东南部地区超标,玉米籽粒Cu含量均不超标,玉米籽粒Cd含量在河北东北部、辽宁西南部地区超标。建议河南东北部地区种植玉米,吉林东南部地区、辽宁东南部地区、辽宁西南部地区种植小麦,可实现粮食安全生产。（4）提出了耦合土壤吸附机理模型和重金属生物有效性的阈值推导方法。基于土壤多表面模型与植物中重金属的迁移特性,推导适用于安全种植小麦、玉米的土壤重金属阈值;5个样点安全种植小麦的土壤Cd阈值分别比玉米阈值低了1.26、1.37、6.29、7.22、9.03 mg/kg,对于中高Cd污染土壤推荐种植玉米以实现粮食安全生产;不同理化性质对土壤阈值的灵敏度大小为p H＞有机质＞粘土矿物＞晶形铁＞无定型铁。