第一篇 理论分析
　　第1章 绪论
　　根据世界保护监测中心（World Conservation Monitoring Centre）估计，全球湿地总面积约为5.7亿hm2，占地球陆地面积的6%。我国湿地资源丰富，第二次全国湿地资源调查主要结果显示，我国湿地总面积5360.26万hm2，约占国土面积的5.58%，其中50%的湿地面积分布在青海、西藏、内蒙古、黑龙江四省（自治区）（国家林业和草原局，2014）。1971年，在伊朗拉姆萨尔由18个国家首次签订了《关于特别是作为水禽栖息地的国际重要湿地公约》。我国于1992年加入了该公约，现共有国际重要湿地82处，其中6处位于三江平原。
　　三江平原（129°11′20″～135°05′26″E，43°49′55″～48°27′56″N）是由黑龙江、乌苏里江和松花江冲积、汇流而成的低湿地平原（付强等，2016），位于世界三大黑土区之一的东北平原东北部，总面积10.89万km2，占黑龙江省总面积的22.6%。该区域主要地貌类型为广阔的冲积平原和河流形成的Ⅰ级阶地及河漫滩（*艺等，2021），河漫滩上广泛分布沼泽湿地与沼泽化草甸。三江平原被列入《国际重要湿地名录》的湿地占全国国际重要湿地的7.32%，是我国昀大的天然淡水沼泽分布区（吕宪国，2001）。迫于高强度的农垦开发等人类活动的影响，三江平原沼泽湿地资源正面临严峻的生态退化，逐渐呈现水质下降、污染程度加深以及抗灾害能力减弱等生态环境恶化的典型特征。黑龙江宝清七星河自然保护区于2011年被列入《国际重要湿地名录》，是三江平原经5次大规模农垦开发后保留下来的较为完整、具典型性的内陆高寒湿地生态系统之一，也是三江平原唯一一块保存良好的大面积芦苇沼泽区，可作为三江平原原始景观的缩影（Zhang et al.，2020）。为此，本书以七星河及其伴生的沼泽湿地和周边农田为目标研究区域，将农田、积雪、水体、沉积物和水生生物视为复合环境系统，深入系统地开展农田 -河沼系统污染特征识别与调控机理研究。
　　1.1 研究区域概况
　　1.1.1 地理位置
　　七星河为乌苏里江左岸的二级支流，发源于完达山脉七星砬子山，全长189km，中下游流经三江平原腹地，河流两岸地势平坦，排泄能力较低，多沼泽湿地。七星河湿地（132°00′22″～132°24′46″E，46°39′45″～46°48′24″N）地处七星河中下游、三江平原中部，位于黑龙江省双鸭山市宝清县北部，并与友谊县和富锦市毗邻。
　　七星河湿地于1991年被批准建立为七星河芦苇自然保护区，1996年组建了七星河芦苇自然保护区管理委员会，并晋升为市级自然保护区，随着保护区的发展，后于1996年和2000年分别晋升为省级和***自然保护区，主要以保护湿地生态系统和珍稀水禽为主，目前是三江平原保存较为完整、具典型性和代表性的天然湿地之一（周强，2017），其地理位置信息见图1-1。七星河湿地东西长30km，南北宽10km，沿七星河南岸呈东西走向，湿地总面积2万hm2，其中，核心区0.796万hm2，缓冲区0.360万hm2，实验区0.844万hm2。芦苇沼泽面积1.4万hm2，占湿地总面积的70%，是三江平原唯一一块保存良好的大面积芦苇沼泽区；大叶章面积0.2万hm2，占湿地总面积的10%；实验区和缓冲区内部共有耕地9块，耕地面积0.2万hm2，占湿地总面积的10%；沟渠、泡沼0.13万hm2，占湿地总面积的6.7%；其他杂草地0.07万hm2，占湿地总面积的3.3%。
　　图1-1 七星河湿地区域位置图
　　1.1.2 地理与气候条件
　　七星河湿地地势平坦，平均海拔60m，西侧较高、东侧较低，东西高差4～5m，河流坡降比1/4500。由于河谷两岸地势低平，在春季积雪融化以及夏秋多雨时期，上游来水较大时会形成大面积漫滩滞水，特别是七星河在进入下游后地形略为凸起，同时河道变窄，河岸两侧宽阔的漫滩形成了大面积沼泽。地形的略微起伏和距离河道的远近导致部分区域积水时间不同，植被覆盖类型也随之产生差异。
　　七星河湿地土壤类型主要以沼泽土和白浆土为主。其中，沼泽土分为腐殖质沼泽土、草甸沼泽土和泥炭沼泽土，主要分布在常年积水的低洼地段，植被类型以芦苇、大叶章、毛果苔草和修氏苔草等为主；白浆土主要分为潜育化白浆土和草甸白浆土，植被类型分别以沼柳、大叶章和沼泽草甸为主。
　　七星河湿地地处中纬度区，受温带大陆性季风气候影响，秋季降温剧烈，冬季寒冷干燥，每年11月中旬至翌年4月上旬为结冰期，1月平均气温-17.5℃，湿地内部冬季水面结冰厚度多年平均94cm，昀大冻深可达到134cm。春季气温回升快，夏季温暖多雨，7月平均气温22.3℃。历史上极端昀高气温37.2℃，极端昀低气温-37.2℃，年平均气温在2.4～2.5℃，平均无霜期143天，属于温和农业气候区，利于植物生长。
　　1.1.3 水文水资源概况
　　七星河湿地的水量主要来源于大气降水及七星河径流的补充。根据湿地上游保安站2005～2014年实测七星河径流量数据，其水量为0.66亿～2.4亿m3，年际变化较大。湿地内部建有调蓄作用的生态蓄水池800hm2，蓄水量可达0.12亿m3，开挖了引水渠1000m，常年引七星河河水注入湿地（崔守斌等，2017）。
　　由于七星河湿地内部无降水观测资料，故采用湿地周边宝清县与富锦市1960～2019年降水资料推求七星河湿地内部降水情况（气象数据来源于中国气象网，http://data.cma.cn）。由图1-2可以看出，七星河湿地年降水量波动较为明显，整体呈上升趋势，多年平均降水量509.30mm。1960～1979年降水量呈下降趋势，并在1977年出现降水量的极小值312.85mm；1980～1998年降水量有所增加，平均降水量为528.31mm；1999～2019年降水量虽整体呈现上升的趋势，但近半数年份的降水量低于多年平均降水量，而在2019年出现了降水量的极大值985.9mm。
　　图1-2 七星河湿地 1960～2019年降水量（宝清-富锦）随时间演变趋势
　　1960～2019年降水量累计频率*线图如图1-3所示，降水量累计频率*线图可以得到不同保证率下的降水量及代表年份。由图1-3可知，丰水年（累计频率小于25%）降水量大于590.90mm，枯水年（累计频率大于75%）降水量小于418.80mm，平水年（累计频率位于25%～75%，以累计频率50%所在年份作为代表年份）降水量介于枯水年与丰水年之间。枯水年、平水年和丰水年出现次数分别为15、31、14。选择1961年、2006年和2002年分别为七星河湿地枯水年、平水年和丰水年代表年份，其降水量分别为406.95mm、531.30mm和591.65mm。

目录
前言
第一篇理论分析
第1章绪论3
1.1研究区域概况4
1.1.1地理位置4
1.1.2地理与气候条件5
1.1.3水文水资源概况5
1.1.4生物多样性概况7
1.2河沼系统生态环境污染9
1.2.1常规水质指标污染9
1.2.2重金属污染11
1.2.3农业面源污染17
1.3水环境污染修复20
1.4主要生态问题与解决思路及方案21
1.4.1主要生态问题21
1.4.2解决思路及方案24
参考文献25
第2章污染物分析处理与研究方法35
2.1样品预处理与仪器分析方法36
2.2常规水质指标污染评价方法38
2.2.1熵权法38
2.2.2集对分析法39
2.2.3判别分析法41
2.3重金属污染评价方法42
2.3.1综合污染水质指数42
2.3.2地累积指数43
2.3.3富集因子43
2.3.4改进的Nemerow污染指数43
2.3.5潜在生态风险指数45
2.4生物富集评价方法46
2.4.1重金属风险指数46
2.4.2生物富集因子47
2.5人体健康风险评估模型47
2.6湿地候鸟重金属暴露风险评价48
2.6.1单一重金属元素暴露风险指数48
2.6.2重金属综合暴露风险指数50
2.7数据处理方法51
参考文献51
第二篇生态环境效应
第3章河沼系统水质等级评价与影响因素分析57
3.1样品采集58
3.2常规水质指标浓度58
3.3常规水质指标空间分布特征59
3.4水质等级评价60
3.5主控污染因子识别62
3.6污染源分析64
3.7本章小结65
参考文献65
第4章河沼系统水环境重金属污染特征67
4.1样品采集67
4.2沉积物中重金属浓度水平与污染特征68
4.2.1重金属浓度水平68
4.2.2重金属空间分布特征73
4.2.3重金属污染程度75
4.3水体中重金属浓度水平与污染特征78
4.3.1重金属浓度水平78
4.3.2重金属空间分布特征80
4.3.3重金属污染程度82
4.4本章小结85
参考文献85
第5章积雪中重金属污染特征与残留清单88
5.1样品采集89
5.2重金属浓度水平89
5.3重金属污染程度92
5.4重金属残留清单94
5.5本章小结98
参考文献99
第6章河沼系统重金属污染生态风险与暴露风险评估101
6.1生态风险评估101
6.1.1水体中重金属生态风险101
6.1.2沉积物中重金属生态风险102
6.2重金属生物富集及影响评估104
6.2.1野生鱼类重金属浓度水平104
6.2.2水生生物不良影响评估106
6.2.3生物富集水平评估108
6.3人体健康风险评估110
6.4湿地候鸟重金属暴露风险评估111
6.4.1湿地夏候鸟重金属日暴露剂量111
6.4.2湿地夏候鸟单一重金属暴露风险113
6.4.3湿地夏候鸟重金属综合暴露风险117
6.4.4湿地越冬鸟类重金属暴露风险117
6.5本章小结118
参考文献119
第三篇污染修复与调控
第7章河沼系统水环境重金属污染修复技术123
7.1生物炭吸附去除重金属的应用124
7.2生物炭吸附去除重金属污染面临的问题125
7.3生物炭制备原料的选择126
7.4生物炭制备条件的优化126
7.4.1生物炭的制备126
7.4.2响应面法127
7.4.3热解参数取值范围的选择127
7.4.4回归模型的建立129
7.4.5模型有效性分析131
7.4.6热解参数对响应值的影响134
7.4.7*优制备策略136
7.5园林废弃物生物炭对Cd的吸附机制136
7.5.1吸附动力学136
7.5.2吸附热力学139
7.5.3生物炭的表征141
7.6本章小结149
参考文献149
第8章河沼系统农业面源污染负荷估算156
8.1农业面源污染负荷估算模型原理156
8.2农业面源污染负荷估算模型构建157
8.3单位面积农田施肥量解析159
8.4流域农田面积演变趋势159
8.5农业面源污染负荷估算结果验证与分析160
8.6农业面源污染负荷估算模型不确定性分析与改进163
8.7本章小结164
参考文献164
第9章河沼系统农业面源污染数值模拟166
9.1数据收集与数据库构建166
9.1.1基础数据库构建166
9.1.2水文水质数据库构建171
9.1.3作物管理数据库构建171
9.2模型参数率定与验证172
9.3模型适用性评价173
9.4率定与验证结果分析173
9.5敏感性分析和不确定性分析175
9.6本章小结178
参考文献178
第10章河沼系统农业面源污染负荷时空分布特征180
10.1时间分布特征180
10.2空间分布特征183
10.3不同土地利用贡献率186
10.4本章小结187
参考文献187
第11章农田-河沼系统面源污染调控189
11.1情景设置189
11.2不同施肥量对面源污染的影响191
11.2.1年际影响191
11.2.2月际影响193
11.2.3空间影响194
11.3调整种植结构对面源污染的影响196
11.3.1年际影响196
11.3.2月际影响199
11.3.3空间影响201
11.4保护性耕作对面源污染的影响204
11.4.1年际影响204
11.4.2月际影响207
11.4.3空间影响209
11.5植被过滤带对面源污染的影响211
11.5.1年际影响211
11.5.2月际影响213
11.5.3空间影响216
11.6本章小结218
参考文献219
第12章结论220