科学评价土壤-作物系统重金属污染状态是我国落实“分区、分级”农田污染防控技术与维护耕地资源质量及生态保护的基础性环节，对黑土地质量建设至关重要。传统农田重金属污染评价方法，如内梅罗污染指数法、污染负荷指数等在很大程度上依赖于土壤重金属全量浓度，评价体系较少涵盖其他土壤-作物系统的地化特征指标。国内外学者指出，土壤重金属有效态含量可指示近期农田污染状态、而作物可食部分的重金属累积量则直接影响人体健康，其均在一定程度上指示了不同的土壤-作物系统重金属污染特性与农田利用风险，认为农田重金属污染状态评价不仅应考虑土壤重金属总量，其元素形态转化程度、产出产品是否安全也应成为重要部分。但由于缺少评价标准，相关研究多停留在理论体系搭建阶段，并未开展定量研究与实际应用。

针对以上科学问题，菠菜资源平台大全王冬艳教授科研团队中的博士生王兴佳等人探索性应用突变级数理论（Catastrophe Theory），选取具备高污染风险的典型黑土区城乡交错带作为研究样区，通过构建数学模型将土壤重金属全量、有效量及作物籽实含量三类污染表征指标有机结合，开发出一套集合全量-有效量-富集量“三位一体”的黑土区重金属污染评价方法，结合评价结果探讨了城乡复杂土地利用环境下的黑土地重金属污染异质性成因。取得主要认识如下：

（1）经检验，农田土壤重金属全量、有效态含量与作物籽实富集量间存在显著空间错配（spatial mismatch）现象且其分布的Pearson相关性较弱（图1），三类指标均指示了土壤-作物体系重金属污染在某一方面的属性，但都无法完整刻画黑土区城乡交错带的农田重金属污染特征。

图1土壤重金属全量、有效量和作物富集量空间分布与评价结果Pearson相关性检验

（2）基于突变级数理论（Catastrophe Theory），应用蝴蝶突变模型搭建“三位一体”污染评价体系（图2），依据数学方法寻找农田土壤重金属全量、有效态含量与作物籽实富集量由量变到质变的临界点。该方法突破了传统评价方法完全依赖于土壤重金属全量浓度的特点，较为全面、综合地反映了土壤-作物系统的重金属污染状态。

图2 基于突变级数理论的农田重金属污染三位一体评价方法理念图

（3）依据评价结果与土地格局的双变量LISA聚类分析结果显示，城郊农田重金属污染状态与多种城市人类活动均表现出极强的空间耦合性（图3），说明目前超需、超量的土地城镇化发展已对黑土区城郊耕地资源安全构成威胁，这种威胁不仅仅停留在数量侵占上，还表现为质量减退方面的隐形损失，除目前的刚性约束方法，亟待落位差别化质量保护措施。

图3 城郊农田重金属污染评价结果与土地利用的Bivariate LISA聚类图

研究借助数学模型构建了土壤-作物系统“三位一体”重金属污染评价体系，并在黑土区典型城乡交错带开展定量研究与实际应用。结果对于丰富农田重金属污染防控理论，协调黑土区国土空间开发保护矛盾具有科学意义。

该项研究得到了国家自然科学基金（42071255，42001223）和中国博士后科学基金（2019M651232）的共同资助。研究成果发表在国际权威期刊Ecological Indicators上，论文信息如下：

Wang, X（王兴佳）., Li, W（李文博）., Wang, D*（王冬艳）., Wu, S（吴松泽）., Yan, Z（闫卓冉）., Han, J（韩嘉圻）. 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.