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耕地作为人类生产生活的主要载体,其环境质量关乎农产品和生态安全。耕地重金属污染评价是防止与治理耕地重金属污染的基础,也是保障区域耕地质量安全、合理调控土地资源的重要环节,对实现区域土地资源可持续利用具有重要的理论和实践意义。吉林中部黑土区是东北典型黑土的重要组成部分,是我国重要的商品粮基地,主要包括长春、松原、四平三个地区,本研究以吉林中部黑土区为研究区,并依据物源差异将研究区划分为辽河流域和松花江流域两个区域,以土壤-作物系统重金属转化富集效率为研究对象,在系统的野外调查、样品采集及室内测试分析的基础上,利用GIS等技术手段对土壤重金属全量、有效量以及作物富集量进行统计分析,并基于有效系数(F_i)和吸收系数(A_i)指标,研究吉林中部典型黑土区耕地土壤重金属转化富集的基本特征及其影响因素。并通过构建重金属全量-有效量-作物富集量三位一体的评价指标体系,利用改进的污染负荷指数法,对研究区重金属污染情况进行综合评价。利用主成分分析法、突变分析法以及泰森多边形法,运用有效系数和吸收系数指标对研究区重金属转化富集风险进行评定并划分预警区域,探讨重金属转化富集风险对黑土区耕地利用的制约,为黑土区耕地资源的合理利用和重金属污染防治提供理论依据。得出的主要研究结论如下:(1)吉林中部黑土区土壤-作物系统重金属元素基本特征除Zn元素外,春秋两季松花江流域与辽河流域土壤重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb含量均超过吉林省土壤背景值。重金属有效态总体呈现出区域中、强变异特征,其在研究区范围内有效态含量空间波动较大,其空间分布与全量差异明显,分布不均,表明其转化和释放除全量影响外,受其他因素的强烈影响;玉米籽实中重金属元素的富集量较低,总体区域上趋于一致,但局部存在一定的空间差异。(2)重金属元素转化富集效率的基本特征研究区松花江流域春秋季Cd元素均为强烈转化,Cu、Ni元素为中等转化(10%>Fi≥5%),As、Cr、Zn、Pb元素为微弱转化。春季本区域Cr、Ni达到了强分异型,其余元素的有效系数均为中分异型;秋季As、Zn元素的为强分异型。辽河流域春秋季Cd元素为强烈转化(Fi≥10%),Cu、Ni元素为中等转化,As、Cr元素为微弱转化,其余两种元素春秋两季转化程度不同。春季辽河流域As、Cr、Ni、Zn元素的变异系数达到了强分异型,其余元素的有效系数均为中分异型;秋季As、Zn元素的有效系数为强分异型,Cr、Cu、Ni、Pb元素为中分异型,Cd元素有效系数的变异系数为弱分异型。吉林中部黑土区玉米籽实对As、Cd、Cr、Cu、Ni、Zn元素的富集皆为极弱吸收。吸收系数的变异系数As、Cr、Ni、Zn元素为强分异型,Cu元素为中分异型,Cd元素在辽河流域为强分异型,松花江流域为中分异型。土壤重金属全量-有效量-作物富集量之间在空间上表现出明显的不一致性,说明重金属对土壤生态环境及作物生长影响的衡量标准不应局限于全量指标,还应进一步考虑重金属转化富集效率的高低。(3)土壤重金属转化富集的影响因素土壤重金属元素转化富集的自然影响因素显示,土壤pH和有机质含量能够调节土壤中重金属元素的转化效率。在松花江流域,随着pH值的升高,重金属Cd、Ni在酸性土壤条件下转化效率升高,Cr、Zn在中性土壤条件下转化效率升高,Cu、Pb在碱性土壤条件下转化效率升高;辽河流域重金属Cr、Ni在中性土壤条件下转化效率升高;As、Cr、Cu、Pb元素的转化效率伴随土壤有机质含量的降低而升高。不论春季还是秋季,松花江流域重金属Cd与Ni,Cr与Ni,Cu与Pb转化之间都存在明显强烈的协同作用,辽河流域重金属Cr与Ni转化之间协同作用也较为强烈;营养元素P、B、Mn、Fe的转化效率的提升,部分重金属元素的转化效率也不断提高。研究区作物重金属富集效率随着土壤中重金属元素转化效率升高而降低。研究区土地利用因素对土壤重金属元素的转化富集影响不显著。但是,随着缓冲距离的增大,土地利用因素与重金属元素转化富集效率之间表现出升高、升高—降低、降低、降低、升高的波动趋势。回归预测方程显示,春季重金属元素转化主要与物源因素重金属间及Mg转化效率相关;秋季重金属元素转化主要与pH及重金属间转化效率相关。RDA分析显示吸收系数主要受pH、各重金属元素、营养元素P、Mn、Mg等转化效率的影响。(4)吉林中部黑土区重金属污染综合评价基于全量评价研究区春、秋两季重金属污染情况显示吉林中部黑土区土壤处于轻度污染水平;基于有效量的区域污染负荷指数分别为0.999和1.025,介于无污染与轻度污染之间,研究区土壤水平大体呈清洁状态;研究区作物籽实中重金属元素污染负荷指数为0.586,研究区玉米籽实整体上处于安全等级。综合结果显示,研究区污染综合评价指标值(CP)为0.829,处于安全无污染状态。(5)吉林中部黑土区重金属转化富集风险预警通过主成分分析法确定的评价指标,利用突变级数法对研究区重金属转化富集风险可知,春季有2个采样点转化风险较高,5个采样点转化风险高;秋季有14.52%的采样点重金属转化风险处于高和较高水平;同时,研究区有6.45%的采样点存在作物重金属富集风险。对研究区重金属转化风险和富集风险进行叠加,借助泰森多边形法得到吉林中部重金属转化富集风险预警区域,吉林中部黑土区重金属转化富集风险综合处于中等水平(0.9707)。(6)土壤重金属转化富集风险对耕地利用的制约土壤改良的过程中,在考虑土壤肥力特征和作物生长情况同时,应进一步考虑土壤pH、有机质、元素之间交互作用等影响因素导致的重金属转化富集效率提升造成的土壤-作物系统的潜在危害。同时,重金属转化富集效率的提高制约着耕地资源的实际利用及其结构功能的转变。依据风险预警对耕地功能转换进行合理引导,有助于实现黑土资源的可持续性利用。