凍融集約化農(nóng)區(qū)面源重金屬流失轉(zhuǎn)化特征及原位穩(wěn)定
以三江平原內(nèi)一典型凍融集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在資料調(diào)研和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，通過野外采集土壤和沉積樣品、室內(nèi)模擬與分析、田間原位試驗(yàn)，利用模型模擬與試驗(yàn)分析相結(jié)合的手段，從土壤分析和沉積物應(yīng)用兩個(gè)層面探討了三江平原典型流域的面源重金屬流失特征，研究了凍融集約化農(nóng)區(qū)面源重金屬的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律、高污染風(fēng)險(xiǎn)水平重金屬元素鎘(Cd)的流失特征與機(jī)理以及面源鎘流失的原位控制研究
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面源污染一直是環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題，其中凍融集約化農(nóng)區(qū)典型重金屬污染物流失特征研究尚缺乏系統(tǒng)性，開展這一方面工作，對(duì)于農(nóng)業(yè)大國的土壤環(huán)境和水體環(huán)境保護(hù)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。農(nóng)業(yè)面源重金屬流失是指農(nóng)田土壤中的重金屬在降雨、灌溉等過程形成的徑流沖刷作用下，擴(kuò)散到其他環(huán)境（尤其是水體環(huán)境）中的過程。集約化農(nóng)業(yè)活動(dòng)被認(rèn)為是引起環(huán)境中面源重金屬流失的主要因素之一，低溫，高溫循環(huán)的凍融過程是一種凍融集約化農(nóng)區(qū)相當(dāng)常見的自然環(huán)境因子，不但對(duì)土壤物理化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)有重要影響，而且能夠影響地表徑流和土壤侵蝕過程，進(jìn)而影響土壤中重金屬的面源流失轉(zhuǎn)化特征。
本書內(nèi)容立足于我國凍融集約化農(nóng)區(qū)自然和人為因素的綜合效應(yīng)下的面源重金屬流失問題，結(jié)合室內(nèi)模擬分析與田間原位試驗(yàn)，研究了在凍融集約化農(nóng)區(qū)這種特定環(huán)境中，典型環(huán)境因子FT作用下，代表性農(nóng)用化學(xué)品農(nóng)藥的施用對(duì)面源重金屬流失轉(zhuǎn)化特征的潛在影響，并計(jì)算了各影響因子的潛在貢獻(xiàn)率，探討了其影響機(jī)制。具體開展工作包括：分析了不同開墾方式土壤中重金屬和農(nóng)藥蓄積特征，確定主要環(huán)境和人為影響因素，揭示了長期農(nóng)業(yè)集約化農(nóng)業(yè)活動(dòng)脅迫下典型重金屬的面源流失特征，反演了長期農(nóng)業(yè)大開發(fā)進(jìn)程中典型重金屬的蓄積過程；在室內(nèi)試驗(yàn)分析與模型模擬的基礎(chǔ)上，揭示了典型環(huán)境因素和農(nóng)業(yè)活動(dòng)干擾因素對(duì)典型重金屬流失轉(zhuǎn)化特征的潛在影響，通過回歸通徑分析，探討了其影響機(jī)理；通過固定效應(yīng)模型計(jì)算了各影響因子對(duì)典型重金屬流失轉(zhuǎn)化的潛在貢獻(xiàn)率，通過合理利用當(dāng)?shù)毓腆w廢棄資源控制面源重金屬流失，提供了一種既能有效將典型重金屬固定在土壤中，同時(shí)能夠保持土壤功能和生態(tài)完整性，又能減輕當(dāng)?shù)毓腆w廢物處置壓力的經(jīng)濟(jì)環(huán)保型控制措施，旨在為我國土壤和地表水重金屬污染的防控提供科學(xué)的理論依據(jù)和決策支持。
本書是“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題“東北規(guī)模集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)集成與示范”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“規(guī)�；瘍鋈谵r(nóng)區(qū)水文特征及非點(diǎn)源污染效應(yīng)研究”研究工作的總結(jié)，也是多位研究生論文的精華。本書寫作分工如下：第1章緒論，由郝芳華、王芳麗和焦偉完成；第2章研究區(qū)概況，由歐陽威、王芳麗和郝芳華完成；第3章凍融集約化農(nóng)區(qū)土壤中重金屬和農(nóng)藥蓄積特征，由王芳麗、歐陽威完成；第4章不同土地開墾方式下重金屬含量與形態(tài)變異，由焦偉、歐陽威完成；第5章長期農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響下土壤重金屬運(yùn)移和分布，由焦偉、歐陽威完成；第6章基于沉積物磷定量關(guān)系的流域土壤重金屬流失負(fù)荷模擬，由焦偉、郝芳華、歐陽威完成；第7章基于沉積物應(yīng)用的流域面源重金屬流失歷史反演，由焦偉、林春野完成；第8章凍融集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤中面源鎘流失特征，由王芳麗、歐陽威完成；第9章凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘等溫吸附.解吸特性影響，由王芳麗、林春野完成；第10章凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘釋放和形態(tài)轉(zhuǎn)化特征影響，由王芳麗、郝芳華完成；第11章凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)不同水分含量土壤中鎘流失的潛在貢獻(xiàn)，由王芳麗、林春野完成；第12章集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤中鎘原位穩(wěn)定技術(shù)，由王芳麗、歐陽威完成；第13章基于生物碳土壤改良應(yīng)用的流域重金屬污染防控建議，由黃威佳、歐陽威完成；第14章基于沉積物應(yīng)用的流域重金屬來源解析及污染防控建議，由焦偉、歐陽威完成；第15章結(jié)論與展望，由王芳麗、焦偉完成。全書由歐陽威和林春野統(tǒng)稿。
在項(xiàng)目研究和書稿的撰寫過程中，得到黑龍江省實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)、黑龍江省農(nóng)科院、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)和大連理工大學(xué)等部門的大力支持。本書的撰寫還得到了北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院程紅光教授的大力協(xié)助。感謝課題組郭波波、魏鵬、高翔、黃浩波、黃威佳、蔡冠清、曹嘉祺、許雪婷、楊萬新、史炎丹、吳雨陽、連仲民、鞠欣妍、徐宜雪、徐逸、鄔吳天和張琦等同學(xué)的努力與貢獻(xiàn)。
全書從重金屬面源污染流失與控制的科學(xué)性和實(shí)用性角度，在總結(jié)我國代表性凍融集約化農(nóng)區(qū)重金屬時(shí)空分布特征、污染風(fēng)險(xiǎn)和典型流域流失研究工作基礎(chǔ)上，闡述了運(yùn)用固體廢棄物并優(yōu)化配置控制重金屬污染的理論、方法和應(yīng)用，供廣大環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)工作者借鑒和批評(píng)。
目 錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義1
1.1.1 研究背景1
1.1.2 研究意義3
1.2 研究現(xiàn)狀4
1.2.1 農(nóng)田土壤重金屬污染評(píng)價(jià)研究4
1.2.2 農(nóng)業(yè)活動(dòng)脅迫下土壤重金屬流失研究6
1.2.3 基于沉積物應(yīng)用的農(nóng)業(yè)面源污染特征研究8
1.2.4 沉積物中重金屬來源解析研究8
1.2.5 農(nóng)田面源重金屬流失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、途徑以及影響因素9
1.2.6 重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染相關(guān)研究進(jìn)展15
1.2.7 環(huán)境因子干擾對(duì)重金屬和農(nóng)藥復(fù)合污染效應(yīng)影響19
1.2.8 集約化農(nóng)業(yè)經(jīng)營對(duì)農(nóng)田面源重金屬流失的影響研究20
1.2.9 凍融過程對(duì)農(nóng)田面源重金屬流失的影響研究23
1.2.10 農(nóng)田面源重金屬流失原位鈍化措施研究25
1.2.11 問題的提出27
1.3 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線28
1.3.1 研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容28
1.3.2 技術(shù)路線30
第2章 研究區(qū)概況 32
2.1 引言32
2.2 自然環(huán)境32
2.2.1 地理位置32
2.2.2 氣候和水文特征33
2.2.3 土壤特性35
2.3 農(nóng)業(yè)活動(dòng)36
2.3.1 土地利用變化36
2.3.2 耕作制度38
第3章 凍融集約化農(nóng)區(qū)土壤中重金屬和農(nóng)藥蓄積特征39
3.1 引言39
3.2 材料和方法40
3.2.1 樣品采集和處理40
3.2.2 重金屬和農(nóng)藥總量分析41
3.2.3 土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)41
3.2.4 質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)42
3.3 結(jié)果43
3.3.1 不同開墾方式的土壤中重金屬蓄積特征43
3.3.2 不同開墾方式的土壤中農(nóng)藥蓄積特征45
3.3.3 集約化農(nóng)業(yè)活動(dòng)脅迫下土壤中重金屬和農(nóng)藥總量之間內(nèi)部聯(lián)系46
3.3.4 土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)47
3.4 討論48
3.4.1 集約化農(nóng)業(yè)活動(dòng)脅迫下土壤中重金屬和農(nóng)藥的內(nèi)部聯(lián)系與源解析48
3.4.2 凍融農(nóng)區(qū)集約化耕作模式對(duì)土壤中重金屬和農(nóng)藥蓄積特征影響49
3.4.3 凍融農(nóng)區(qū)集約化耕作下土壤污染環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)50
3.4.4 代表性典型污染物選取50
3.5 小結(jié)51
第4章 不同土地開墾方式下重金屬含量與形態(tài)變異53
4.1 引言53
4.2 材料和方法53
4.2.1 樣品采集53
4.2.2 樣品分析54
4.2.3 統(tǒng)計(jì)分析55
4.3 結(jié)果55
4.3.1 不同土地利用類型土壤理化性質(zhì)55
4.3.2 不同土地利用類型土壤重金屬含量與形態(tài)組成56
4.3.3 不同土地開墾方式下土壤重金屬含量變異57
4.3.4 不同土地開墾方式下土壤理化性質(zhì)與重金屬關(guān)系58
4.4 討論60
4.4.1 土地利用方式對(duì)重金屬含量與形態(tài)分布的影響60
4.4.2 農(nóng)田開墾中影響土壤重金屬變異的主要因子61
4.4.3 長期農(nóng)業(yè)開發(fā)下土壤重金屬環(huán)境和食品安全風(fēng)險(xiǎn)62
4.5 小結(jié)63
第5章 長期農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響下土壤重金屬運(yùn)移和分布64
5.1 引言64
5.2 材料和方法64
5.2.1 樣品采集64
5.2.2 樣品分析65
5.2.3 統(tǒng)計(jì)分析65
5.3 結(jié)果66
5.3.1 不同景觀類型土壤理化性質(zhì).66
5.3.2 不同景觀類型土壤重金屬含量與形態(tài)組成66
5.3.3 不同景觀類型土壤重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).67
5.3.4 土壤重金屬多元統(tǒng)計(jì)分析69
5.4 討論70
5.4.1 長期農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響下土壤重金屬運(yùn)移和分布70
5.4.2 面源重金屬污染過程阻控71
5.4.3 土壤重金屬分布控制因素72
5.5 小結(jié)72
第6章 基于沉積物磷定量關(guān)系的流域土壤重金屬流失負(fù)荷模擬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 樣品采集和分析74
6.2.3 SWAT 模擬流域泥沙、磷流失負(fù)荷75
6.2.4 田間尺度土壤顆粒態(tài)重金屬流失估算76
6.2.5 統(tǒng)計(jì)和空間分析77
6.3 結(jié)果77
6.3.1 流域不同土地利用類型土壤重金屬含量77
6.3.2 流域出口沉積物中重金屬含量垂直分布78
6.3.3 流域出口沉積物中重金屬與總磷含量關(guān)系78
6.3.4 流域顆粒態(tài)重金屬流失負(fù)荷長期估算79
6.3.5 流域顆粒態(tài)重金屬流失關(guān)鍵源區(qū)識(shí)別80
6.4 討論81
6.4.1 流域沉積物重金屬累積變化81
6.4.2 土地利用方式轉(zhuǎn)換對(duì)流域面源重金屬流失負(fù)荷的影響82
6.4.3 流域面源重金屬污染模擬的不確定性83
6.5 小結(jié)84
第7章 基于沉積物應(yīng)用的流域面源重金屬流失歷史反演 85
7.1 引言85
7.2 材料和方法85
7.2.1 樣品采集與處理85
7.2.2 210Pb 活度分析86
7.2.3 沉積速率測(cè)定86
7.2.4 重金屬含量分析87
7.3 結(jié)果87
7.3.1 流域沉積年代序列建立87
7.3.2 流域沉積物重金屬含量歷史變化89
7.3.3 流域重金屬沉積通量歷史變化90
7.3.4 流域沉積年代序列驗(yàn)證91
7.4 討論94
7.4.1 撓力河流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化94
7.4.2 撓力河流域面源重金屬流失歷史95
7.5 小結(jié)96
第8章 凍融集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤中面源鎘流失特征97
8.1 引言97
8.2 材料和方法98
8.2.1 樣品采集98
8.2.2 樣品分析99
8.2.3 統(tǒng)計(jì)分析100
8.3 結(jié)果100
8.3.1 凍融集約化農(nóng)區(qū)土壤中鎘空間分布特征100
8.3.2 凍融集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤面源鎘流失特征102
8.3.3 凍融集約化農(nóng)區(qū)流域面源鎘流失歷史反演102
8.4 討論103
8.4.1 長期集約化耕作和凍融過程對(duì)土壤中鎘空間分布影響103
8.4.2 長期集約化耕作對(duì)農(nóng)田土壤鎘流失的影響104
8.4.3 長期集約化耕作對(duì)水體環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)影響105
8.5 小結(jié)106
第9章 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘等溫吸附-解吸特性影響107
9.1 引言107
9.2 材料和方法108
9.2.1 樣品的采集和理化性質(zhì)分析108
9.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)110
9.2.3 質(zhì)量控制和上清濾液中鎘含量分析110
9.2.4 統(tǒng)計(jì)分析方法110
9.3 結(jié)果112
9.3.1 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤等溫吸附鎘特征影響112
9.3.2 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤鎘解吸特征影響117
9.4 討論120
9.4.1 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘的等溫吸附-解吸特性影響120
9.4.2 凍融作用下農(nóng)藥對(duì)農(nóng)業(yè)面源鎘流失的影響121
9.5 小結(jié)122
第10章 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘釋放和形態(tài)轉(zhuǎn)化特征影響124
10.1 引言124
10.2 材料和方法125
10.2.1 樣品采集和理化性質(zhì)分析125
10.2.2 土壤老化試驗(yàn)126
10.2.3 凍融作用下農(nóng)藥處理試驗(yàn)126
10.2.4 凍融作用下農(nóng)藥施用后土壤中鎘提取試驗(yàn)126
10.2.5 凍融作用下農(nóng)藥施用后土壤中鎘形態(tài)測(cè)定127
10.2.6 凍融作用下農(nóng)藥施用后土壤理化性質(zhì)分析127
10.2.7 鎘含量分析、質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)分析127
10.3 結(jié)果130
10.3.1 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘釋放特征影響130
10.3.2 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘形態(tài)變化影響133
10.3.3 凍融作用下農(nóng)藥施用后土壤理化性質(zhì)變化特征134
10.3.4 土壤中鎘釋放量影響因子分析136
10.4 討論137
10.4.1 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘釋放特征的影響137
10.4.2 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)土壤中鎘的再補(bǔ)給能力和釋放動(dòng)力學(xué)過程影響138
10.4.3 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)農(nóng)田面源鎘流失的影響139
10.5 小結(jié)140
第11章 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)不同水分含量土壤中鎘流失的潛在貢獻(xiàn)142
11.1 引言142
11.2 材料和方法143
11.2.1 樣品采集143
11.2.2 土壤老化試驗(yàn)143
11.2.3 凍融作用下水分和農(nóng)藥處理試驗(yàn)144
11.2.4 土壤中鎘形態(tài)提取和活性計(jì)算144
11.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)144
11.3 結(jié)果145
11.3.1 土壤中鎘形態(tài)分布和鎘活性對(duì)各處理響應(yīng)145
11.3.2 土壤中各形態(tài)鎘和鎘活性不同處理組內(nèi)差異146
11.3.3 土壤中各形態(tài)鎘和鎘活性不同處理組間差異147
11.3.4 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)不同含水量的土壤中鎘流失的潛在貢獻(xiàn)率150
11.4 討論151
11.4.1 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)不同含水量土壤中鎘形態(tài)和活性的主效應(yīng)及交互效應(yīng)151
11.4.2 凍融作用下農(nóng)藥施用對(duì)不同含水量土壤中鎘形態(tài)和活性的影響機(jī)制152
11.4.3 凍融集約化農(nóng)區(qū)面源鎘流失防控的意義153
11.5 小結(jié)154
第12章 集約化農(nóng)區(qū)農(nóng)田土壤中鎘原位穩(wěn)定技術(shù)156
12.1 引言156
12.2 材料和方法157
12.2.1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)157
12.2.2 鈍化材料收集158
12.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)158
12.2.4 植物和土壤中鎘含量分析159
12.2.5 質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)方法160
12.3 結(jié)果160
12.3.1 土壤pH 和鎘的植物有效性對(duì)鈍化劑響應(yīng)160
12.3.2 鈍化劑對(duì)土壤中鎘的釋放特征影響162
12.3.3 土壤中鎘生物有效性和滲出特性變化163
12.3.4 土壤中鎘的形態(tài)變化164
12.3.5 土壤中各參數(shù)相關(guān)性分析165
12.4 討論167
12.4.1 鈍化劑對(duì)土壤pH 和鎘的植物有效性影響167
12.4.2 鈍化劑對(duì)土壤中鎘釋放特征影響168
12.4.3 鈍化劑對(duì)土壤中鎘生物有效性和滲出特性影響168
12.4.4 鈍化劑對(duì)農(nóng)田面源鎘流失影響169
12.5 小結(jié)170
第13章 基于生物碳土壤改良應(yīng)用的流域重金屬污染防控建議172
13.1 引言172
13.2 材料和方法173
13.2.1 樣品和儀器173
13.2.2 土壤培養(yǎng)174
13.2.3 生物碳土壤改良174
13.2.4 實(shí)驗(yàn)方法176
13.3 結(jié)果177
13.3.1 污染負(fù)荷與降雨強(qiáng)度對(duì)鎘運(yùn)移的影響177
13.3.2 鎘累積淋溶污染負(fù)荷179
13.3.3 不同污染負(fù)荷下土壤中鎘的垂向運(yùn)移180
13.3.4 生物碳改良土壤對(duì)鎘的去除率181
13.3.5 不同生物碳添加水平對(duì)鎘運(yùn)移的影響182
13.4 討論183
13.4.1 農(nóng)田面源重金屬鎘流失風(fēng)險(xiǎn)183
13.4.2 生物碳對(duì)農(nóng)田面源鎘流失的影響184
13.4.3 應(yīng)用生物碳土壤改良方法控制流域農(nóng)業(yè)面源污染物184
13.5 小結(jié)185
第14章 基于沉積物應(yīng)用的流域重金屬來源解析及污染防控建議187
14.1 引言187
14.2 材料和方法187
14.2.1 樣品采集187
14.2.2 元素含量分析188
14.2.3 Pb 穩(wěn)定同位素分析189
14.2.4 人為貢獻(xiàn)率計(jì)算189
14.2.5 統(tǒng)計(jì)分析190
14.3 結(jié)果190
14.3.1 流域沉積物和背景土壤中重金屬含量190
14.3.2 流域沉積物重金屬富集因子191
14.3.3 流域沉積物和背景土壤中Pb 穩(wěn)定同位素組成192
14.3.4 流域沉積物重金屬主成分分析193
14.4 討論195
14.4.1 撓力河流域重金屬人為貢獻(xiàn)率195
14.4.2 撓力河流域重金屬人為來源195
14.4.3 三江平原農(nóng)區(qū)重金屬污染防控對(duì)策196
14.5 小結(jié)198
第15章 結(jié)論與展望200
15.1 主要結(jié)論200
15.2 研究特色與創(chuàng)新點(diǎn)203
15.3 研究展望204
參考文獻(xiàn) 206
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