科學(xué)評(píng)價(jià)土壤-作物系統(tǒng)重金屬污染狀態(tài)是我國(guó)落實(shí)“分區(qū)、分級(jí)”農(nóng)田污染防控技術(shù)與維護(hù)耕地資源質(zhì)量及生態(tài)保護(hù)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)，對(duì)黑土地質(zhì)量建設(shè)至關(guān)重要。傳統(tǒng)農(nóng)田重金屬污染評(píng)價(jià)方法，如內(nèi)梅羅污染指數(shù)法、污染負(fù)荷指數(shù)等在很大程度上依賴于土壤重金屬全量濃度，評(píng)價(jià)體系較少涵蓋其他土壤-作物系統(tǒng)的地化特征指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者指出，土壤重金屬有效態(tài)含量可指示近期農(nóng)田污染狀態(tài)、而作物可食部分的重金屬累積量則直接影響人體健康，其均在一定程度上指示了不同的土壤-作物系統(tǒng)重金屬污染特性與農(nóng)田利用風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為農(nóng)田重金屬污染狀態(tài)評(píng)價(jià)不僅應(yīng)考慮土壤重金屬總量，其元素形態(tài)轉(zhuǎn)化程度、產(chǎn)出產(chǎn)品是否安全也應(yīng)成為重要部分。但由于缺少評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)研究多停留在理論體系搭建階段，并未開(kāi)展定量研究與實(shí)際應(yīng)用。
針對(duì)以上科學(xué)問(wèn)題，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院王冬艷教授科研團(tuán)隊(duì)中的博士生王興佳等人探索性應(yīng)用突變級(jí)數(shù)理論（Catastrophe Theory），選取具備高污染風(fēng)險(xiǎn)的典型黑土區(qū)城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶作為研究樣區(qū)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型將土壤重金屬全量、有效量及作物籽實(shí)含量三類(lèi)污染表征指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一套集合全量-有效量-富集量“三位一體”的黑土區(qū)重金屬污染評(píng)價(jià)方法，結(jié)合評(píng)價(jià)結(jié)果探討了城鄉(xiāng)復(fù)雜土地利用環(huán)境下的黑土地重金屬污染異質(zhì)性成因。取得主要認(rèn)識(shí)如下：
（1）經(jīng)檢驗(yàn)，農(nóng)田土壤重金屬全量、有效態(tài)含量與作物籽實(shí)富集量間存在顯著空間錯(cuò)配（spatial mismatch）現(xiàn)象且其分布的Pearson相關(guān)性較弱（圖1），三類(lèi)指標(biāo)均指示了土壤-作物體系重金屬污染在某一方面的屬性，但都無(wú)法完整刻畫(huà)黑土區(qū)城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶的農(nóng)田重金屬污染特征。
圖1土壤重金屬全量、有效量和作物富集量空間分布與評(píng)價(jià)結(jié)果Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)
（2）基于突變級(jí)數(shù)理論（Catastrophe Theory），應(yīng)用蝴蝶突變模型搭建“三位一體”污染評(píng)價(jià)體系（圖2），依據(jù)數(shù)學(xué)方法尋找農(nóng)田土壤重金屬全量、有效態(tài)含量與作物籽實(shí)富集量由量變到質(zhì)變的臨界點(diǎn)。該方法突破了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法完全依賴于土壤重金屬全量濃度的特點(diǎn)，較為全面、綜合地反映了土壤-作物系統(tǒng)的重金屬污染狀態(tài)。
圖2 基于突變級(jí)數(shù)理論的農(nóng)田重金屬污染三位一體評(píng)價(jià)方法理念圖
（3）依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果與土地格局的雙變量LISA聚類(lèi)分析結(jié)果顯示，城郊農(nóng)田重金屬污染狀態(tài)與多種城市人類(lèi)活動(dòng)均表現(xiàn)出極強(qiáng)的空間耦合性（圖3），說(shuō)明目前超需、超量的土地城鎮(zhèn)化發(fā)展已對(duì)黑土區(qū)城郊耕地資源安全構(gòu)成威脅，這種威脅不僅僅停留在數(shù)量侵占上，還表現(xiàn)為質(zhì)量減退方面的隱形損失，除目前的剛性約束方法，亟待落位差別化質(zhì)量保護(hù)措施。
圖3 城郊農(nóng)田重金屬污染評(píng)價(jià)結(jié)果與土地利用的Bivariate LISA聚類(lèi)圖
研究借助數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了土壤-作物系統(tǒng)“三位一體”重金屬污染評(píng)價(jià)體系，并在黑土區(qū)典型城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶開(kāi)展定量研究與實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果對(duì)于豐富農(nóng)田重金屬污染防控理論，協(xié)調(diào)黑土區(qū)國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)矛盾具有科學(xué)意義。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（42071255，42001223）和中國(guó)博士后科學(xué)基金（2019M651232）的共同資助。研究成果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Ecological Indicators上，論文信息如下：
Wang, X（王興佳）., Li, W（李文博）., Wang, D*（王冬艷）., Wu, S（吳松澤）., Yan, Z（閆卓冉）., Han, J（韓嘉圻）. 2021. Trinity assessment method applied to heavy-metal contamination in peri-urban soil–crop systems: A case study in northeast China. Ecological Indicators 132. https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2021.108329.
