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近年来，高强度人类活动对土壤环境的影响越来越明显，土壤环境中的重金属污染问题日趋严重，特别是在我国资源相对紧缺、经济快速发展的长江三角洲地区，土壤重金属污染问题不容忽视。重金属进入植物体已成为其污染环境和危害人体健康最重要的途径。然而，土壤重金属生物可给性及其在生物体中的积累能力与该土壤中重金属存在的化学形态密切相关，重金属总量虽然能够一定程度上表达土壤重金属的污染程度，但土壤重金属的迁移转化规律、生物有效性、毒性及可能产生的环境效应更大程度上取决于其赋存形态。土壤中重金属元素在介质中的存在形态是衡量其环境效应的关键参数，不同形态的重金属被释放的难易程度不同，生物可利用性也不同，产生的环境效应和生态效应也不同，这直接影响到土壤中重金属的毒性、迁移及在自然界的循环。因此，对重金属化学形态的研究将有助于了解重金属在土壤中的分散富集过程、迁移转化规律及其对植物营养和土壤环境的影响，对预测土壤中重金属的临界含量、生物有效性和生物毒性，进而指导农业生产具有重要的实践意义。
针对长江三角洲地区土壤重金属积累与污染的现实问题以及土壤重金属形态的生态环境学意义，本论文以江苏省昆山市为典型区，在野外调查取样和室内分析的基础上，对长江三角洲地区经济快速发展地区的土壤重金属形态进行了较为系统和详细地研究。论文在揭示该区的土壤重金属有效态和形态总体特征的基础上，从不同功能区、母质、土壤类型和不同剖面层次等方面对研究区土壤重金属有效态和形态的空间变化特征展开研究，并应用通径分析、相关分析和回归分析揭示其主要影响因素，提出减小重金属有效性的调控措施；同时，本文结合普通克立格法、协同克立格法和因子克立格法揭示不同尺度土壤重金属有效态和形态的空间结构特征和空间分布格局，并剖析了不同尺度研究区的土壤重金属污染来源。论文还通过室内模拟酸雨浸泡污染土壤研究了不同酸度和不同污染程度重金属形态的变化，以进一步揭示该区的土壤重金属污染风险，最后，建立了包括土壤理化性质、重金属全量、有效态和形态等指标在内的土壤重金属污染评价的指标体系，并对研究区土壤重金属进行了污染评价，其主要研究结论如下：
(1)土壤重金属有效态含量明显小于土壤重金属总量，除Cd的生物活性达63.8％外，其它均不超过总量的20％。不同功能区重金属的生物有效性差异较大，Cd、Cu、Ni、Pb、Co以冶金电镀区最高，Cr以化工区最高，zn以菜地区最高；不同土壤类型中Cd、Cr、Cu、Pb、Zn的生物有效性均表现为乌栅土>青泥土>黄泥土；不同母质发育的土壤上重金属生物有效性则表现为江海沉积物最高，湖相沉积物最低，且成土母质对土壤重金属的生物有效性的影响程度要大于土壤类型；随着剖面层次的下降，重金属有效态含量和生物活性逐渐减小。土壤重金属有效态含量受重金属总量、土壤pH值、有机质、粘粒、粉粒、砂粒及CEC、FeOx含量和MnOx含量的共同影响，其中，土壤重金属总量对有效态均具有最大的正向影响作用，土壤pH值和有机质对有效态含量均为较大的正向作用，CEC和FeOx含量通过吸附固持重金属离子对有效态含量也有较大的负作用。昆山土壤重金属元素有效态含量和生物有效性系数均可以用有块金效应的球状模型、指数模型或高斯模型进行拟合，各元素大部分表现出中等的空间自相关。单个重金属有效态和生物有效性系数的空间分布格局表明其分布与工业活动、污水灌溉、大气尘降、元素地球化学特性和土壤理化性质密切相关。重金属有效态在空间上可划分为块金尺度、小空间尺度(15 km左右)和大空间尺度(40 km左右)3个尺度，它可用3个尺度的实验(交叉)变异函数的协同区域化模型线性拟合。空间相关分析中，Cd和Zn在三个尺度中的相关性均极显著，且元素在小尺度和大尺度的相关性比块金尺度更强，大尺度的负相关特征较其它尺度明显。空间主成分分析表明，不同尺度的空间污染来源不同。重金属有效态第一、二主成分的空间分布格局结果表明重金属有效态含量与工业活动、污水灌溉、元素地球化学特性和土壤性质密切相关。
(2)从重金属各形态的分布来看，昆山土壤重金属Cd和Pb的生物有效性及移动性最高，潜在生态风险最大，而Cr、Ca、Ni、Zn和Co的生物有效性低，若以剖面底层重金属次生相富集系数为参照标准，则昆山土壤受到了由人为活动造成的重金属累积，除Ni和Co的累积较小外，其它元素累积均较大，以Cd累积量最大。不同功能区重金属次生相态含量均以冶金电镀区较高，菜地区较低；不同母质发育的土壤上重金属次生相态含量表现为江海沉积物最高，湖积-冲积物最低；不同土壤类型中重金属次生相态含量以青泥土最低，Cd、Cr、Cu、Pb、Zn表现为乌山土最高，Ni和Co表现为黄泥土最高；不同剖面层次中，大部分重金属次生相形态的含量均表现为随着剖面深度增加而逐渐减小。土壤重金属各形态含量也受重金属总量、土壤pH值、有机质、粘粒、粉粒、砂粒及CEC、FeOx含量和MnOx含量的共同影响，其中，重金属总量是最主要因素，其次为有机质和pH值，FeOx含量是影响残渣态含量的主要因素，粘粒含量是影响Zn各形态的主要因素，MnOx含量是影响Pb各形态的主要因素。采用Kriging最优内插法得到了单个重金属各形态含量的空间分布图，发现重金属各形态含量的区域分异与工业活动、污水灌溉和土壤理化性质密切相关。主成分分析结果表明，研究区次生相态重金属主要由2个因子组成，因子1为Cd、Cr、Cu、Pb和zn，主要受到工业污水灌溉、大气降尘、元素地球化学特性和土壤理化性质的影响；因子2为Ni和Co，主要受到元素地球化学特性、土壤理化性质以及工业污水灌溉的影响。重金属有效态和形态的相关分析和回归分析结果，重金属有效态含量主要受弱酸溶解态、可还原态和有机结合态这三种活性形态的影响，受残渣态的影响很小。
(3)模拟酸雨浸泡土壤后，土壤pH值高于酸雨浸泡前的土壤pH值和模拟酸雨的pH值，表明土壤表面存在质子的消耗，这可能与硫酸根的专性吸附释放羟基和矿物表面的质子化有关。经酸雨浸泡后的土壤重金属元素的释放量都较小，且重金属元素溶出量和溶出百分比均随酸雨酸度增加而增加，与国家地表水Ⅱ级环境质量标准相比，Ni和Pb在不同酸度酸雨浸泡下所能溶出重金属的量均明显超过Ⅱ级标准；与国家渔业用水标准相比，Cu、Cd、Ni和Zn均有超标现象，以Cu、Ni和Zn超标最明显。酸雨浸泡土壤能增加土壤活性态重金属的含量，酸雨酸度越大，重金属活化能力越大，其中Cr、Cu、Ni、Pb4种元素的有机结合态含量受酸度影响较大，而Cd和Zn各活性态的含量受酸度的影响均相对较小。土壤重金属污染越严重，重金属活化能力越大；酸雨酸度越大，激活残渣态向活性态重金属转化的能力越强。当昆山土壤pH值平均由7.20下降到6.42时，各重金属元素的活化态含量均有不同程度的增加，Cd的活化率增加幅度为1.27％-13.24％，Cr为0.48％-1.16％，Cu为1.53％-2.44％，Ni为0.45％-1.08％，Pb为0.43％-2.67％，Za为0.30％-1.70％，因此，在昆山土壤酸化非常明显的背景下，其土壤重金属的活化趋势相当明显，说明昆山在酸雨影响下因重金属释放而对人类和生物造成的风险较大。
(4)昆山土壤理化性质和重金属总量污染指数平均值和空间变异较小，但重金属有效态和形态污染指数(特别是重金属活性形态)的平均值和空间分异却很大。若以土壤剖面底层各指标的含量为参比值，昆山土壤理化性质指数具有较小的累积，土壤重金属总量污染指数达轻度污染，重金属有效态污染指数属中度污染，而重金属形态污染指数(特别是重金属活性形态)达严重污染水平。重金属综合污染指数的平均值达中等污染水平，变异性较大，有41.6％的土壤样品受到轻度污染，35.2％的土壤样品受到中度污染，23.2％的土壤样品受到严重污染。不同功能区土壤重金属的各项污染评价指数均以养殖区最低，冶金电镀区最高，但功能区间的污染程度差异未达显著水平；不同成土母质土壤理化性质指数差异不显著，而重金属总量污染指数、重金属有效态污染指数、重金属形态污染指数和重金属综合污染指数的差异均达显著水平，均表现为江海沉积物最高，湖相沉积物较低；不同土壤类型的各项污染指数中除土壤理化性质指数外，其它4项指数的差异也均达显著水平，且都以乌栅土的污染指数最高，黄泥土的污染指数最低。土壤重金属污染指数的空间分布格局表明，昆山市土壤受到重金属总量的污染风险较小，而受重金属有效态和活性重金属形态的污染风险却很大。土壤重金属综合污染指数的结果表明，昆山市土壤重金属污染十分严重，所有土壤均受到了轻度污染至严重污染等不同程度的重金属污染。其中，16.77％土壤面积达轻度污染，48.49％土壤面积达中度污染，34.74％土壤面积达严重污染。