重金属的生物有效性指重金属能被生物吸收或对生物产生毒性的性状,受环境和生物体自身的综合影响,涉及到物理、化学及生物学等各个方面。土壤一植物系统中重金属的生物有效性研究直接反映土壤重金属的污染程度及重金属对生态系统和人体健康的危害,并为重金属污染土壤的修复和当地的农业生产提供理论基础。本研究以北京市凉水河污灌区和石景山工业区为研究样区,采取野外定点连续采样、室内分析测定和盆栽试验相结合的方法,依据重金属总量和化学形态分析结果,对样区土壤重金属的污染现状、土壤重金属的生物有效性及其潜在污染风险进行了系统研究,并从土壤理化性质、重金属复合污染和外源元素等角度分析了影响重金属生物有效性的主要因素及其机制。主要研究结果包括:(1)基于土壤重金属总量,运用单项污染指数、综合污染指数、地积累法和主成分分析等方法对研究区土壤环境质量进行了系统评价。污染指数值随各方法分级的不同略有差异,但基本处于1＜P＜2的轻度污染等级,凉水河污灌区土壤重金属属于轻度污染水平,可用于农业耕作,但Cd、Cu和Pb等重金属元素潜在的污染风险应当引起重视。综合分析各评价方法,修正的单项污染指数法、内梅罗污染指数法和地累积法在研究样区的评价结果基本一致,而修正Pi为基础的内梅罗综合指数法既可以等价地比较各种重金属和各个研究区域之间的环境质量,又适当地突出了污染程度较重的污染物对土壤环境质量的影响,是样区土壤环境质量评价的适宜的方法。依据土壤环境容量估测,Cd在土壤中累积50年后会超过国标二级限值,Cu累积100年内浓度会超出二级限值。(2)应用经典的Tessier顺序提取法和欧盟通用的BCR顺序提取法,测定凉水河样区20个土壤样品重金属的化学形态并进行对比分析。Tessier法和BCR法均能有效地提取土壤中各形态的重金属,两者在重金属总量和形态分布上总体一致,但在具体数值上有一定的差异。测定的各形态之和与总量相比,Tessier法的Ni和Cd偏高,BCR法的Ni和Pb偏高,其余元素都较总量偏低。两种方法测定的形态之和相比,Tessier法的Cu、Zu、Cr、Cd含量稍高,Pb和Ni稍低,但相对误差较小,而BCR法测定结果的相对误差明显较大。从重金属形态的相对误差分析和研究重金属迁移能力的角度,选择Tessier顺序提取法进行本研究地区重金属的形态测定。(3)运用Tessier顺序提取法测定了样区全部土壤样品的重金属化学形态分布,据此进行土壤—植物系统中重金属的生物有效性分析。样区土壤重金属元素主要存在于残余态中:在非残余态中,以铁锰氧化物结合态为主,可交换态所占比例最小。运用可利用形态和地球化学相、重金属的活性系数、迁移系数和转移系数等方法对重金属的生物有效性进行了研究,用活性系数(MF)、迁移系数(M)和转移系数(TF)来评价Cu、Zn、Cr、CA、Pb、Ni等六种重金属的生物可利用性和迁移能力所得的结果基本一致,土壤重金属活性系数和迁移系数呈现4个梯度,Cd:(Cu、Zn、Pb):Ni:Cr=27:10:7:2。污灌区以Cd、Zn污染为主,工业区重金属以不可利用态为主,污染风险不高。(4)运用相关和回归分析,研究了土壤环境条件对重金属生物有效性的影响以及重金属复合污染。污灌区土壤质地为壤质黏土或砂质黏壤土,土壤偏碱性。土壤粘粒含量、有机质含量和土壤pH和重金属总量及化学形态存在一定的相关性。重金属相互之间存在拮抗或协同污染;土壤重金属各形态之间以及各形态重金属之间存在一定的复合污染。土壤物理性质、化学性质和养分含量都是土壤—植物系统中重金属生物有效性的重要影响因素。(5)通过正交设计和完全随机区组设计进行盆栽试验,系统研究了Zn、Cd、Pb复合污染条件下Si对黑麦草吸收重金属的影响及其作用机理。Zn、CA和Pb都表现出明显的剂量—效应关系,Si对重金属的生物有效性具有明显的抑制效应;Si的添加使土壤pH增加了0.6个单位,可交换态Zn、Cd和Pb随Si水平增加时下降的幅度存在Cd＞Zn＞Pb的规律。可交换态重金属含量能更好地表征土壤—植物系统中重金属的生物有效性,但重金属总量也是不可替代的重要指标之一。土壤pH值和硅水平以及两者之间的交互作用都显著抑制黑麦草中重金属的含量;Si对碱性和中性土壤中的Zn、Cd和Pb以及酸性土壤中的Pb具有明显的抑制作用,但对酸性土壤中的Zn和CA抑制作用不明显,土壤pH和Si的交互作用的存在,可能是导致这种差异的主要原因。