以三江平原内一典型冻融集约化农业系统为研究对象，在资料调研和现场监测的基础上，通过野外采集土壤和沉积样品、室内模拟与分析、田间原位试验，利用模型模拟与试验分析相结合的手段，从土壤分析和沉积物应用两个层面探讨了三江平原典型流域的面源重金属流失特征，研究了冻融集约化农区面源重金属的迁移转化规律、高污染风险水平重金属元素镉(Cd)的流失特征与机理以及面源镉流失的原位控制研究
更多科学出版社服务，请扫码获取。
面源污染一直是环境科学领域研究的热点问题，其中冻融集约化农区典型重金属污染物流失特征研究尚缺乏系统性，开展这一方面工作，对于农业大国的土壤环境和水体环境保护具有重要的理论意义和应用价值。农业面源重金属流失是指农田土壤中的重金属在降雨、灌溉等过程形成的径流冲刷作用下，扩散到其他环境（尤其是水体环境）中的过程。集约化农业活动被认为是引起环境中面源重金属流失的主要因素之一，低温，高温循环的冻融过程是一种冻融集约化农区相当常见的自然环境因子，不但对土壤物理化学和生物学性质有重要影响，而且能够影响地表径流和土壤侵蚀过程，进而影响土壤中重金属的面源流失转化特征。
本书内容立足于我国冻融集约化农区自然和人为因素的综合效应下的面源重金属流失问题，结合室内模拟分析与田间原位试验，研究了在冻融集约化农区这种特定环境中，典型环境因子FT作用下，代表性农用化学品农药的施用对面源重金属流失转化特征的潜在影响，并计算了各影响因子的潜在贡献率，探讨了其影响机制。具体开展工作包括：分析了不同开垦方式土壤中重金属和农药蓄积特征，确定主要环境和人为影响因素，揭示了长期农业集约化农业活动胁迫下典型重金属的面源流失特征，反演了长期农业大开发进程中典型重金属的蓄积过程；在室内试验分析与模型模拟的基础上，揭示了典型环境因素和农业活动干扰因素对典型重金属流失转化特征的潜在影响，通过回归通径分析，探讨了其影响机理；通过固定效应模型计算了各影响因子对典型重金属流失转化的潜在贡献率，通过合理利用当地固体废弃资源控制面源重金属流失，提供了一种既能有效将典型重金属固定在土壤中，同时能够保持土壤功能和生态完整性，又能减轻当地固体废物处置压力的经济环保型控制措施，旨在为我国土壤和地表水重金属污染的防控提供科学的理论依据和决策支持。
本书是“十二五”国家科技支撑计划课题“东北规模集约化农区农业面源污染防控技术集成与示范”和国家自然科学基金项目“规模化冻融农区水文特征及非点源污染效应研究”研究工作的总结，也是多位研究生论文的精华。本书写作分工如下：第1章绪论，由郝芳华、王芳丽和焦伟完成；第2章研究区概况，由欧阳威、王芳丽和郝芳华完成；第3章冻融集约化农区土壤中重金属和农药蓄积特征，由王芳丽、欧阳威完成；第4章不同土地开垦方式下重金属含量与形态变异，由焦伟、欧阳威完成；第5章长期农业活动影响下土壤重金属运移和分布，由焦伟、欧阳威完成；第6章基于沉积物磷定量关系的流域土壤重金属流失负荷模拟，由焦伟、郝芳华、欧阳威完成；第7章基于沉积物应用的流域面源重金属流失历史反演，由焦伟、林春野完成；第8章冻融集约化农区农田土壤中面源镉流失特征，由王芳丽、欧阳威完成；第9章冻融作用下农药施用对土壤中镉等温吸附.解吸特性影响，由王芳丽、林春野完成；第10章冻融作用下农药施用对土壤中镉释放和形态转化特征影响，由王芳丽、郝芳华完成；第11章冻融作用下农药施用对不同水分含量土壤中镉流失的潜在贡献，由王芳丽、林春野完成；第12章集约化农区农田土壤中镉原位稳定技术，由王芳丽、欧阳威完成；第13章基于生物碳土壤改良应用的流域重金属污染防控建议，由黄威佳、欧阳威完成；第14章基于沉积物应用的流域重金属来源解析及污染防控建议，由焦伟、欧阳威完成；第15章结论与展望，由王芳丽、焦伟完成。全书由欧阳威和林春野统稿。
在项目研究和书稿的撰写过程中，得到黑龙江省实验农场、黑龙江省农科院、吉林农业大学和大连理工大学等部门的大力支持。本书的撰写还得到了北京师范大学环境学院程红光教授的大力协助。感谢课题组郭波波、魏鹏、高翔、黄浩波、黄威佳、蔡冠清、曹嘉祺、许雪婷、杨万新、史炎丹、吴雨阳、连仲民、鞠欣妍、徐宜雪、徐逸、邬吴天和张琦等同学的努力与贡献。
全书从重金属面源污染流失与控制的科学性和实用性角度，在总结我国代表性冻融集约化农区重金属时空分布特征、污染风险和典型流域流失研究工作基础上，阐述了运用固体废弃物并优化配置控制重金属污染的理论、方法和应用，供广大环境科学与生态学工作者借鉴和批评。
目 录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义1
1.1.1 研究背景1
1.1.2 研究意义3
1.2 研究现状4
1.2.1 农田土壤重金属污染评价研究4
1.2.2 农业活动胁迫下土壤重金属流失研究6
1.2.3 基于沉积物应用的农业面源污染特征研究8
1.2.4 沉积物中重金属来源解析研究8
1.2.5 农田面源重金属流失环境风险、途径以及影响因素9
1.2.6 重金属和农药复合污染相关研究进展15
1.2.7 环境因子干扰对重金属和农药复合污染效应影响19
1.2.8 集约化农业经营对农田面源重金属流失的影响研究20
1.2.9 冻融过程对农田面源重金属流失的影响研究23
1.2.10 农田面源重金属流失原位钝化措施研究25
1.2.11 问题的提出27
1.3 研究内容和技术路线28
1.3.1 研究目标和研究内容28
1.3.2 技术路线30
第2章 研究区概况 32
2.1 引言32
2.2 自然环境32
2.2.1 地理位置32
2.2.2 气候和水文特征33
2.2.3 土壤特性35
2.3 农业活动36
2.3.1 土地利用变化36
2.3.2 耕作制度38
第3章 冻融集约化农区土壤中重金属和农药蓄积特征39
3.1 引言39
3.2 材料和方法40
3.2.1 样品采集和处理40
3.2.2 重金属和农药总量分析41
3.2.3 土壤污染风险评价41
3.2.4 质量控制和数据统计42
3.3 结果43
3.3.1 不同开垦方式的土壤中重金属蓄积特征43
3.3.2 不同开垦方式的土壤中农药蓄积特征45
3.3.3 集约化农业活动胁迫下土壤中重金属和农药总量之间内部联系46
3.3.4 土壤污染风险评价47
3.4 讨论48
3.4.1 集约化农业活动胁迫下土壤中重金属和农药的内部联系与源解析48
3.4.2 冻融农区集约化耕作模式对土壤中重金属和农药蓄积特征影响49
3.4.3 冻融农区集约化耕作下土壤污染环境和健康风险50
3.4.4 代表性典型污染物选取50
3.5 小结51
第4章 不同土地开垦方式下重金属含量与形态变异53
4.1 引言53
4.2 材料和方法53
4.2.1 样品采集53
4.2.2 样品分析54
4.2.3 统计分析55
4.3 结果55
4.3.1 不同土地利用类型土壤理化性质55
4.3.2 不同土地利用类型土壤重金属含量与形态组成56
4.3.3 不同土地开垦方式下土壤重金属含量变异57
4.3.4 不同土地开垦方式下土壤理化性质与重金属关系58
4.4 讨论60
4.4.1 土地利用方式对重金属含量与形态分布的影响60
4.4.2 农田开垦中影响土壤重金属变异的主要因子61
4.4.3 长期农业开发下土壤重金属环境和食品安全风险62
4.5 小结63
第5章 长期农业活动影响下土壤重金属运移和分布64
5.1 引言64
5.2 材料和方法64
5.2.1 样品采集64
5.2.2 样品分析65
5.2.3 统计分析65
5.3 结果66
5.3.1 不同景观类型土壤理化性质.66
5.3.2 不同景观类型土壤重金属含量与形态组成66
5.3.3 不同景观类型土壤重金属环境风险.67
5.3.4 土壤重金属多元统计分析69
5.4 讨论70
5.4.1 长期农业活动影响下土壤重金属运移和分布70
5.4.2 面源重金属污染过程阻控71
5.4.3 土壤重金属分布控制因素72
5.5 小结72
第6章 基于沉积物磷定量关系的流域土壤重金属流失负荷模拟73
6.1 引言73
6.2 材料和方法74
6.2.1 研究框架74
6.2.2 样品采集和分析74
6.2.3 SWAT 模拟流域泥沙、磷流失负荷75
6.2.4 田间尺度土壤颗粒态重金属流失估算76
6.2.5 统计和空间分析77
6.3 结果77
6.3.1 流域不同土地利用类型土壤重金属含量77
6.3.2 流域出口沉积物中重金属含量垂直分布78
6.3.3 流域出口沉积物中重金属与总磷含量关系78
6.3.4 流域颗粒态重金属流失负荷长期估算79
6.3.5 流域颗粒态重金属流失关键源区识别80
6.4 讨论81
6.4.1 流域沉积物重金属累积变化81
6.4.2 土地利用方式转换对流域面源重金属流失负荷的影响82
6.4.3 流域面源重金属污染模拟的不确定性83
6.5 小结84
第7章 基于沉积物应用的流域面源重金属流失历史反演 85
7.1 引言85
7.2 材料和方法85
7.2.1 样品采集与处理85
7.2.2 210Pb 活度分析86
7.2.3 沉积速率测定86
7.2.4 重金属含量分析87
7.3 结果87
7.3.1 流域沉积年代序列建立87
7.3.2 流域沉积物重金属含量历史变化89
7.3.3 流域重金属沉积通量历史变化90
7.3.4 流域沉积年代序列验证91
7.4 讨论94
7.4.1 挠力河流域土壤侵蚀动态变化94
7.4.2 挠力河流域面源重金属流失历史95
7.5 小结96
第8章 冻融集约化农区农田土壤中面源镉流失特征97
8.1 引言97
8.2 材料和方法98
8.2.1 样品采集98
8.2.2 样品分析99
8.2.3 统计分析100
8.3 结果100
8.3.1 冻融集约化农区土壤中镉空间分布特征100
8.3.2 冻融集约化农区农田土壤面源镉流失特征102
8.3.3 冻融集约化农区流域面源镉流失历史反演102
8.4 讨论103
8.4.1 长期集约化耕作和冻融过程对土壤中镉空间分布影响103
8.4.2 长期集约化耕作对农田土壤镉流失的影响104
8.4.3 长期集约化耕作对水体环境污染风险影响105
8.5 小结106
第9章 冻融作用下农药施用对土壤中镉等温吸附-解吸特性影响107
9.1 引言107
9.2 材料和方法108
9.2.1 样品的采集和理化性质分析108
9.2.2 试验设计110
9.2.3 质量控制和上清滤液中镉含量分析110
9.2.4 统计分析方法110
9.3 结果112
9.3.1 冻融作用下农药施用对土壤等温吸附镉特征影响112
9.3.2 冻融作用下农药施用对土壤镉解吸特征影响117
9.4 讨论120
9.4.1 冻融作用下农药施用对土壤中镉的等温吸附-解吸特性影响120
9.4.2 冻融作用下农药对农业面源镉流失的影响121
9.5 小结122
第10章 冻融作用下农药施用对土壤中镉释放和形态转化特征影响124
10.1 引言124
10.2 材料和方法125
10.2.1 样品采集和理化性质分析125
10.2.2 土壤老化试验126
10.2.3 冻融作用下农药处理试验126
10.2.4 冻融作用下农药施用后土壤中镉提取试验126
10.2.5 冻融作用下农药施用后土壤中镉形态测定127
10.2.6 冻融作用下农药施用后土壤理化性质分析127
10.2.7 镉含量分析、质量控制和统计分析127
10.3 结果130
10.3.1 冻融作用下农药施用对土壤中镉释放特征影响130
10.3.2 冻融作用下农药施用对土壤中镉形态变化影响133
10.3.3 冻融作用下农药施用后土壤理化性质变化特征134
10.3.4 土壤中镉释放量影响因子分析136
10.4 讨论137
10.4.1 冻融作用下农药施用对土壤中镉释放特征的影响137
10.4.2 冻融作用下农药施用对土壤中镉的再补给能力和释放动力学过程影响138
10.4.3 冻融作用下农药施用对农田面源镉流失的影响139
10.5 小结140
第11章 冻融作用下农药施用对不同水分含量土壤中镉流失的潜在贡献142
11.1 引言142
11.2 材料和方法143
11.2.1 样品采集143
11.2.2 土壤老化试验143
11.2.3 冻融作用下水分和农药处理试验144
11.2.4 土壤中镉形态提取和活性计算144
11.2.5 数据统计144
11.3 结果145
11.3.1 土壤中镉形态分布和镉活性对各处理响应145
11.3.2 土壤中各形态镉和镉活性不同处理组内差异146
11.3.3 土壤中各形态镉和镉活性不同处理组间差异147
11.3.4 冻融作用下农药施用对不同含水量的土壤中镉流失的潜在贡献率150
11.4 讨论151
11.4.1 冻融作用下农药施用对不同含水量土壤中镉形态和活性的主效应及交互效应151
11.4.2 冻融作用下农药施用对不同含水量土壤中镉形态和活性的影响机制152
11.4.3 冻融集约化农区面源镉流失防控的意义153
11.5 小结154
第12章 集约化农区农田土壤中镉原位稳定技术156
12.1 引言156
12.2 材料和方法157
12.2.1 试验区土壤基本理化性质157
12.2.2 钝化材料收集158
12.2.3 试验设计158
12.2.4 植物和土壤中镉含量分析159
12.2.5 质量控制和统计方法160
12.3 结果160
12.3.1 土壤pH 和镉的植物有效性对钝化剂响应160
12.3.2 钝化剂对土壤中镉的释放特征影响162
12.3.3 土壤中镉生物有效性和渗出特性变化163
12.3.4 土壤中镉的形态变化164
12.3.5 土壤中各参数相关性分析165
12.4 讨论167
12.4.1 钝化剂对土壤pH 和镉的植物有效性影响167
12.4.2 钝化剂对土壤中镉释放特征影响168
12.4.3 钝化剂对土壤中镉生物有效性和渗出特性影响168
12.4.4 钝化剂对农田面源镉流失影响169
12.5 小结170
第13章 基于生物碳土壤改良应用的流域重金属污染防控建议172
13.1 引言172
13.2 材料和方法173
13.2.1 样品和仪器173
13.2.2 土壤培养174
13.2.3 生物碳土壤改良174
13.2.4 实验方法176
13.3 结果177
13.3.1 污染负荷与降雨强度对镉运移的影响177
13.3.2 镉累积淋溶污染负荷179
13.3.3 不同污染负荷下土壤中镉的垂向运移180
13.3.4 生物碳改良土壤对镉的去除率181
13.3.5 不同生物碳添加水平对镉运移的影响182
13.4 讨论183
13.4.1 农田面源重金属镉流失风险183
13.4.2 生物碳对农田面源镉流失的影响184
13.4.3 应用生物碳土壤改良方法控制流域农业面源污染物184
13.5 小结185
第14章 基于沉积物应用的流域重金属来源解析及污染防控建议187
14.1 引言187
14.2 材料和方法187
14.2.1 样品采集187
14.2.2 元素含量分析188
14.2.3 Pb 稳定同位素分析189
14.2.4 人为贡献率计算189
14.2.5 统计分析190
14.3 结果190
14.3.1 流域沉积物和背景土壤中重金属含量190
14.3.2 流域沉积物重金属富集因子191
14.3.3 流域沉积物和背景土壤中Pb 稳定同位素组成192
14.3.4 流域沉积物重金属主成分分析193
14.4 讨论195
14.4.1 挠力河流域重金属人为贡献率195
14.4.2 挠力河流域重金属人为来源195
14.4.3 三江平原农区重金属污染防控对策196
14.5 小结198
第15章 结论与展望200
15.1 主要结论200
15.2 研究特色与创新点203
15.3 研究展望204
参考文献 206
书单推荐
