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随着城市化、工业化、高投入农业的快速发展，引发了对城市周边农田土壤环境污染的担忧。本研究以北京农田土壤为对象，开展多年连续监测分析了土壤中重金属的变化趋势；开展多尺度农田土壤重金属调查，结合多元统计分析、地统计分析和地理信息系统等技术手段，分析了土壤中重金属的主要来源；通过老化实验评价了老化效应对土壤重金属形态和生物可利用性的影响。为农田土壤环境质量评价和土壤重金属污染防治提供了科学依据。最后，针对农田环境监测对快速现场检测的实际需要，研究完善了X射线荧光光谱测定土壤中重金属的方法。
论文首先通过对2005年至2009年北京农田土壤中重金属含量的持续监测，分析了北京农田表层土壤中As、Hg、Cu、Cd、Cr和Pb等重金属的统计特征和年度变化趋势，并结合采样点的土壤分类、地理位置和土地利用类型等信息，研究了农田土壤中重金属的来源。2005年至2009年间，As、Hg、Cu、Cd、Cr和Pb等重金属中Hg和Cr的含量有逐年上升的趋势。2005年至2009年Hg的含量分别为0.053、0.065、0.077、0.090和0.116 mg kg-1，Cr含量为50.0、53.3、55.8、56.1和61.8 mg kg-1。其它重金属含量则呈上下波动，无上升或下降的变化趋势。As在潮土和褐土中、Hg和Pb在近郊和远郊农田土壤中的含量有显著差异(P<0.05)，不同农业土地利用类型土壤中未发现重金属的含量差异(P>0.05)。研究结果表明：北京农田土壤中As来源于成土母质，Hg和Pb来源于城市污染的大气扩散，Cu、Cr和Cd来源于农业活动中肥料的过量使用。
为进一步了解农田土壤中重金属的空间分布格局与解析其主要来源，对北京市顺义区农田土壤中重金属含量开展了监测调查，采样密度约每平方千米农田面积1个样品，采集412个表层(0-20 cm)土壤样品。土壤中的重金属As、Cd、Cu、Hg、Pb和Zn应用等离子发射光谱或原子荧光光谱测定。研究结果表明，顺义农田土壤中重金属含量与北京市土壤中重金属背景值相当，未发现农田土壤中重金属的严重积累。应用多元统计、地统计和地理信息系统分析农田土壤中重金属的来源。分析结果表明土壤中重金属Cd、Cu和Zn属第一主成分，主要受农业活动控制；As和Pb属第二主成分，主要来源于土壤母质；Hg单独属于第三主成分，主要源于北京城市的大气沉降影响。
在上述工作的基础上，为明确农业活动对土壤中重金属含量的影响，对北京市东南郊大兴区某生态农场的进行了采样分析，共采集102个表层(0-20 cm)土壤样品，测定了其中Cu、Zn、Cr、Pb和Cd的含量。统计结果表明，大田地块的土壤属性之间没有显著差异(P>0.05)，而大田与菜地间的Cd、Cu、Zn和Mn的含量差异显著(P<0.05)。大田的重金属含量低于国家一级土壤质量标准，而菜地个别采样点的Cu高于一级标准，Cd高于二级标准。进一步通过相关性分析和主成分分析研究表明，该区域土壤中重金属可归纳为三个主成分，Cu、Zn和Cd为第一主成分，Pb和Cr分别为第二和第三主成分。对3个主成分因子进行空间分析，第一主成分有较强的空间相关性，而第二和第三主成分的空间相关性较弱。采用克里格插值法做图分析了主成分因子的空间分布特性。第一主成分受农业活动影响，Cu、Zn和Cd在菜地土壤的含量高于大田土壤，第二和第三主成分受公路影响，Pb和Cr含量从东向西逐渐降低。这一分布结果表明，土壤中Cd，Cu和Zn积累来源于蔬菜生产中的农业投入，Pb和Cr受外界影响较小。
以铜为代表研究了老化效应对土壤中金属离子的形态和生物可利用性的影响，将模拟重度铜污染水平的硝酸铜溶液加入到土壤中，放置老化3至56天不等时间，研究老化过程对土壤中Cu形态和小麦(Troticum aestivum L.)与蚯蚓(Eisenia.fetida)生物吸收和毒性的影响。老化土壤中的Cu趋向于从可交换态向更稳定的氧化态和还原态转化，但老化过程对土壤中Cu的生物可利用性几乎无影响。比较老化3天和56天的实验结果，小麦根中Cu浓度从14.5降低到12.8mg kg-1，植物茎和蚯蚓体内的Cu浓度没有显著差异(P>0.05)，植物茎中浓度约为2.0 mg kg-1，蚯蚓中约为50 mg kg-1。土壤中CaC12提取Cu的浓度与小麦根中的Cu含量呈线性相关(R2=0.65，P<0.05)，但与植物茎和蚯蚓中 Cu含量无线性相关(R2=0.12和0.14)。该结果表明老化效应影响了土壤中Cu的形态和植物根部吸收，但生物体内Cu的积累更受控于生物体的自身调控机制。
为完善X射线荧光光谱快速检测土壤中重金属的方法，应用X射线荧光光谱测试了土壤中的重金属元素Cr、Cu、Zn、Pb和As，分析了土壤粒径、含水量、土壤类型对检测的影响，并选用采自北京、新疆、黑龙江、云南和江苏的典型土壤研究了重金属元素含量与X射线荧光光谱特征峰强的关系。研究结果表明，土壤粒径影响测试的精密度，土壤粒径从40目降低到100目，检测的相对标准偏差从15.6减少至6.9％；土壤含水量主要影响样品检测的特征峰强，土壤含水量从5提高到25％，与无水样品相比的相对峰强从86降低到69％，相对峰强与土壤含水量符合方程I=100e-0.015C，I为相对峰强，C为土壤含水量(R2=0.83，n=30)。在0-1500 mg kg-1区间，土壤中重金属元素含量与X射线荧光光谱特征峰强间有着良好的线性相关关系。但由于土壤基质效应，不同土壤类型间的线性方程有着较大的差异。综合不同类型的土壤样品，建立了X射线荧光光谱与土壤中重金属含量的偏最小二乘模型来校正基质效应，相关系数和验证标准差显示该模型准确度较高(R2>0.9，n=7)。通过检测土壤标准样品，验证了X射线荧光光谱检测土壤中重金属有着较好的准确度和精密度，适用于土壤中重金属的快速检测。