为保障国家粮食安全，构建污染农田土壤环境健康长效修复模式，实现农业水土资源健康可持续利用，《污染农田水土环境健康调控理论与实践》以我国东北、西北地区典型重金属污染农田为研究对象，以污染农田绿色、低碳、边生产边修复为目标，采用室内模拟机理探索和大田试验验证相结合的研究手段，系统地探索了污染农田重金属迁移、转化、富集特征及污染场地长效健康修复模式。《污染农田水土环境健康调控理论与实践》共8章，主要包括农田土壤重金属形态转化影响因素分析、农田土壤重金属传输扩散驱动机制探索、农田土壤重金属富集过程及迁移路径特征、污染农田作物生理胁迫及土壤环境演变研究、污染农田土壤环境健康风险评估及管控技术探索等内容。

第1章 绪论
　　1.1 研究概述
　　农业是我国国民经济的重要基础保障，农田土壤是农业生产和粮食安全的核心战略资源[1]。随着工农业的发展、城市化进程的深入，农田土壤环境污染不断加剧，并且污染来源多样，主要包括农药过度施用、大气沉降、工业“三废”（废水、废气、废渣）等，特别是污水灌溉，其携带大量污染物进入农田生态系统[2]。各类污染物中，镉、砷、铅、汞等重金属污染*为突出，重金属会造成水文环境污染、土壤生态恶化、农作物产量和品质降低，*终通过直接接触、食物链等方式对人体的健康产生威胁[3， 4]。在我国广大北方地区，作物生育期农田灌溉所伴生的土壤水分入渗-蒸发过程影响了重金属的分布状况，导致土壤系统功能紊乱，影响土壤微生物群落丰度以及土壤酶活性，抑制土壤养分的良性循环[5]。特别值得注意的是，广大北方地区普遍存在的土壤冻融循环作用和干湿循环现象破坏了土壤团聚体结构，改变了土壤重金属形态及归趋特性，增加了土壤污染释放风险[6]。在此背景下，迫切需要明晰农田土壤重金属的污染来源，挖掘土壤水文过程协同重金属扩散机制，阐述污染胁迫下土壤养分循环及作物生理效应，进而构建环境侵蚀作用下污染土壤长效稳定化修复模式。本书致力于突破农田污染土壤高效修复技术瓶颈，以期实现农业水土资源健康可持续利用。
　　1. 明确农田重金属迁移转化路径是农业水土环境高效修复的前提
　　水资源是干旱半干旱地区农业及经济发展的一个限制性因素，也是农业可持续发展的重要保障[7]。随着灌溉技术的发展，农业旱情得到了缓解，确保了作物用水需求。伴随着灌溉水的补给，土体内出现了频繁的入渗-蒸发交替现象，影响了土壤水分的空间分布[8]。而近些年来，河流、湖泊等水体污染加剧，导致灌溉排水携带大量重金属进入农田，造成农田生态系统环境恶化。在农田土壤水分入渗过程中，游离态重金属伴随着水分向深层迁移扩散，而在土壤水分蒸发过程中，地表水分大量流失，深层土壤水分不断地补给地表水，其所携带的重金属又在土壤表层聚集。由此可知，农田土壤水分循环增强了重金属的传递扩散效应，增加了重金属迁移路径的复杂性[9]。另外，雪被作为北方地区越冬期土壤特殊的覆盖介质层，调控大气环境与土壤之间频繁的感热与潜热交换过程。在冬季降雪过程中，大气悬浮的粉尘粒子、有害气体、重金属离子、有机污染物等会富集在积雪中。当春季气温回升，土壤、河流解冻时，融雪水携带的污染物会入渗到土壤和河流中，导致土壤和河流的污染[10]。此外，北方地区农田越冬期要经历频繁的冻融循环作用，在土体冻结过程中，液态水转变为固态冰，土壤表层形成稳定的冻结层并会导致该区域基质势降低，未冻水在势能差的驱动作用下向冻结锋面扩散，进而促使土壤养分向着地表迁移聚集[11]。而在融化期，融雪水入渗补给土壤含水率，土壤冰晶转化为液态水，并且在重力驱动作用下发生竖直垂向迁移，增加了土壤溶质时空分布的不确定性[12]。因此，探究农田灌溉以及冻融循环驱动作用下土壤水文循环过程，进而揭示重金属迁移转化协同效应，可为农业水土环境高效修复和可持续利用奠定坚实的理论基础。
　　2. 阐明污染农田生态环境演变过程是农业水土资源有效调控的保障
　　在寒区农田土壤生态体系中，浅层根区土壤是围绕根系生物地球化学过程*活跃的区域，也是土壤-植株-微生物三者相互作用的场所和能量流动的载体，对植株生长同化作用产生重要的影响[13]。土壤碳氮磷是农田土壤肥力和土壤质量评价的重要指标，也是植物生长发育所需的营养和能量元素，在农业生态系统中有着非常重要的地位。土壤碳氮磷元素的矿化及有效养分的补给受到多重因素相互耦合驱动作用影响，包括大气环境、土壤水热、微生物活性等[14]。根区土壤中的微生物群落丰度影响养分元素的固持效果，同时，土壤养分含量的提升增加了植株的元素补给。然而，微生物对土壤质量的变化极为敏感，土壤污染能够破坏微生物细胞的结构和功能，加快细胞的死亡，抑制微生物的活性和竞争能力[15]。另外，在重金属污染条件下，土壤中微生物需要过度消耗能量以抵御环境胁迫，在一定程度上抑制了其生物量[16]。特别是在北方地区，农田土壤灌溉措施以及冻融循环作用导致可溶性污染物大量迁移释放，重金属活性增强，对土壤本身以及微生物群落功能产生不良影响，抑制了土壤碳氮元素的矿化效果，导致土壤生态系统功能失调，威胁生态系统的安全性和稳定性[17]。因此，挖掘重金属污染土壤养分循环过程对修复调控模式的响应效果，阐述作物同化过程机制，可为农业水土资源高效利用模式的研发提供可靠保障。
　　3. 构建污染农田科学管控技术是农业水土环境健康利用的有效途径
　　寒区污灌农田水文循环过程增强了土壤中重金属迁移扩散效应，与此伴生的土壤微生物环境、养分含量水平、作物生长发育以及植株重金属富集效应也将发生改变。同时，冻融循环作用增加了土壤重金属释放风险，这可能导致土壤环境恶化及与其关联的农业生产系统发生对人类不利的演进，进而引发一系列的经济、社会和粮食安全问题[18]。结合农田污染的现状以及污染治理的迫切需求，广大学者开展了一系列物理修复、化学修复、生物修复以及复合修复技术的探索[19， 20]。在国家积极推行农田土壤“减污降碳”的生产模式背景下，生物炭作为一种有机高分子改良材料，具有较大的比表面积和较强的吸附力，不但可以影响土壤孔隙，改善土壤内部结构，还可以作为改良剂提升土壤有机质含量，改善土壤氮磷元素状况，吸附土壤中农药残留和重金属等有害物质[21]。修复受污染的农田，不仅可以抑制土壤中重金属向植物迁移，保障农产品安全，还能降低生态环境风险和土地使用的健康风险[22， 23]。然而，广大北方地区受季节性冻融循环及生育期灌溉排水的侵蚀效应影响，土壤改良材料的稳定性及长效性特征减弱。在冻融循环、干湿循环、紫外辐射及生物化学等多重因素耦合驱动模式下，材料的结构、性能及属性发生演变转化，甚至对土壤养分循环转化及温室气体排放产生严重的负面影响[24]。因此，明晰农田土壤外源介质调控原理及环境修复机制，研发抗侵蚀、抗裂隙、长效稳定的炭基材料，构建农田土壤精准高效的管控技术体系，是实现污灌农田绿色可持续发展的重要途径。
　　综上所述，在城市工业化进程以及人类活动的影响下，针对寒区农田污染土壤生产能力低、危害风险强的背景，探索“污灌农田重金属迁移转化协同效应，污染物对土壤养分循环胁迫作用，植株体内重金属运移富集效应，寒区农田污染土壤高效修复模式”等科学问题，对于提升农业水土资源生产效率，降低粮食产能风险，实现农业可持续健康发展具有重要的现实意义。
　　1.2 国内外研究现状与评述
　　1.2.1 重金属污染来源及分布特征
　　农田生态系统是一个开放的系统，与外界进行着广泛的物质和能量交换，受自然条件及人为因素的影响，土壤中重金属含量高于背景值，给生态环境和人体健康带来了巨大风险。近些年来，国内外研究学者已对农田土壤重金属污染来源及分布特征进行了深入的调研探索。
　　国外对于土壤污染的普查及防治工作起步较早。据不完全统计，从20世纪70年代至今，排放到全球环境中的重金属约达到镉2.2万t、铅78.3万t、锌35万t、铜93.5万t，其中有相当部分进入土壤，导致世界各地土壤受到不同程度的重金属污染[25， 26]。土壤中重金属的来源有很多途径，在自然条件下，土壤重金属主要来源于成土母质，不同的成土母质和成土过程导致土壤中重金属含量差异较大[27]。另外，人类活动是土壤重金属污染的重要原因，主要涵盖金属矿山的开采冶炼、工业废气中重金属的沉降、含重金属废水灌溉农田、化肥的大量使用以及城市固体废弃物的堆放等，并且这些外源重金属常常富集在土壤表面[28， 29]。与自然成土过程摄入的重金属相比，由于人类活动而富集到土壤中的重金属生物活性更高[30]。重金属主要通过植物或水生动物富集进入食物链，极大程度影响了粮食产量与安全，对人体产生毒害作用[31]。
　　随着我国农业资源的大力开发以及种植结构的调整，土壤生态环境污染恶化问题逐渐凸显，农田土壤污染程度日益加重，逐渐由点源污染向面源污染扩散。根据农业部环境监测系统对全国24个省市，320个严重污染区的土壤调查，农田污染超标面积约占监测调查总面积的20%。其中，重金属含量超标面积占80%[32， 33]。相关报道指出，辽宁省沈阳市张士灌区因使用遭受镉污染水源灌溉造成灌区农田污染面积达到2533hm2，其中，严重污染的农田面积占 13%以上，粮食中重金属污染物含量超标，给当地农业造成巨大经济损失。湖南省株洲地区为重金属污染的重灾区，土壤重金属污染还会通过生物富集作用危害人类的健康及畜牧业产品安全，当地群众的血、尿中镉含量是正常人的2～5倍，且自2011年以来血铅中毒事件频发。另外，从区域尺度来看，南方重金属污染程度要大于北方，并且从全国范围农田土壤重金属输入的贡献分析可知，重金属镉的污染形势*为严峻，其次为重金属汞、镍、锌等[34]。以上研究完善了土壤污染类型统计数据集，有效地揭示了我国农田重金属污染样地的区域分布特征及污染引发的人体健康风险。
　　1.2.2 重金属胁迫下土壤微生物环境演变机理
　　农田土壤中重金属污染具有长期性、隐蔽性、累积性等特点，重金属富集对土壤质量和生态环境造成一定程度的威胁。近些年来，土壤重金属污染所引发的生态环境问题引起了国内外学者的广泛关注。
　　重金属污染会导致土壤中微生物群落的变异性增大，稳定性降低，微生物群落系统的改变主要表现在微生物生物量、活性及群落结构多样性这三个方面[35]。土壤微生物生物量是土壤养分的源和库，其对土壤中有机质含量以及理化性质具有较强的协同作用，Beattie等[36]研究指出Cu、Zn、Pb等重金属污染矿区土壤微生物生物量要显著低于远离矿区的土壤，微生物生物量的变化显著受周围污染环境的制约。重金属进入土壤还会导致微生物呼吸强度发生变化，微生物代谢熵作为微生物活性的评价指标，反映了单位时间内单位生物量的呼吸强度，Cabral等[37]认为高浓度重金属土壤中微生物将有机碳转化为CO2并释放，微生物的代谢熵与重金属浓度呈正相关。另外，土壤微生物群落结构多样性对维护生态系统群落结构稳定有着十分重要的意义，Akerblom等[38]结合碳素利用法和磷脂脂肪酸法进行识别研究，发现微生物群落丰富度Shannon-Wiener（香农-维纳）多样性指数、均匀度指数均显著低于无污染对照土壤。以上研究表明，土壤微生物生物量、活性及群落结构多样性对于重金属污染表现出复杂的响应关系。
　　土壤酶作为一类具有高度催化作用的蛋白质，主要参与土壤中各种生物化学过程。重金属限制了微生物体内酶的合成和分泌，从而导致土壤中各种酶的机能下降[39]。但是不同重金属污染浓度会对土壤微生物及酶活性产生不同的影响效果，赵永红等[40]研究发现低浓度重金属污染促进了微生物生长，土壤酶活性增强，而随着重金属浓度提升，则出现抑制效果。重金属污染对土壤微生物及酶活性所产生的胁迫作用，*终导致土壤生态系统功能遭到严重破坏[41]。而土壤中微生物及酶活性的变化又会影响植株的生长发育及物质的积累，周艳丽等[42]提出镉污染改变了植株根区土壤微生物环境及酶活性特征，严重制约了水稻植株有效物质的积累，降低了土壤生产效率，同时也危害粮食质量安全。以上研究阐述了重金属污染对于土壤微生物、酶活性的胁迫作用效果，解析了污染农田生态环境恶化效应机制。
　　1.2.3 重金属污染风险评估理论体系
　　农业土壤重金属污染所引发的环境问题逐渐成为制约社会、经济发展的关键性因素，而科学有效地评估重金属污染风险则是推动农田污染土壤绿色可持续修复的前提[43， 44]。针对该问题，国内外学者展开了大量的研究，并不断完善土壤健康评价体系。
　　自20世纪70年代起，国外学者开始致力于土壤污染评价理论的探索，较为**的方法有指数法、综合评价法及地统计学法等[45]。其中，指数法将土壤污染程度用比较明确的

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究概述 1
1.2 国内外研究现状与评述 3
1.2.1 重金属污染来源及分布特征 3
1.2.2 重金属胁迫下土壤微生物环境演变机理 4
1.2.3 重金属污染风险评估理论体系 4
1.2.4 重金属长效稳定化修复技术 5
1.2.5 研究评述 6
1.3 主要研究内容 6
1.4 研究技术路线 7
参考文献 8
第2章 研究区域概况 12
2.1 东北松嫩平原黑土区概况 12
2.1.1 自然地理概况 12
2.1.2 气候特征 13
2.1.3 土壤质地及河流水系 13
2.2 东北某省典型镉污染区概况 15
2.2.1 自然地理与气候概况 15
2.2.2 工业发展 16
2.2.3 经济产值状况 16
2.3 西北某省典型汞污染区概况 16
2.3.1 自然地理概况 16
2.3.2 地质条件 17
2.3.3 环境样本采集 17
参考文献 18
第3章 农田土壤重金属形态转化影响因素分析 20
3.1 概述 20
3.2 材料与方法 21
3.2.1 试验材料 21
3.2.2 样品养护 22
3.2.3 老化方案构建 22
3.2.4 样品测试 24
3.2.5 统计分析 25
3.3 土壤重金属形态转化及有效态分析 26
3.3.1 土壤理化特性分析 26
3.3.2 土壤团聚体水稳性 28
3.3.3 土壤孔隙特征演变 33
3.3.4 重金属化学形态分布 36
3.3.5 重金属DTPA浸提浓度 39
3.4 土壤重金属稳定化作用机理分析 41
3.4.1 溶解有机碳分析 41
3.4.2 稳定化材料结构特征 44
3.4.3 功能性材料官能团 45
3.5 本章小结 46
参考文献 46
第4章 农田土壤重金属传输扩散驱动机制探索 50
4.1 概述 50
4.2 材料与方法 51
4.2.1 试验材料 51
4.2.2 稳定化方案 52
4.2.3 老化方案构建 52
4.2.4 模拟酸雨淋溶 52
4.2.5 土壤重金属浸出毒性特征分析 53
4.2.6 样品测试 54
4.2.7 统计分析 54
4.3 重金属毒性浸出特征分析 54
4.3.1 土壤理化特性分析 54
4.3.2 重金属浸出毒性效应 59
4.3.3 模拟酸雨淋溶条件下重金属释放特征 61
4.4 重金属稳定化长效机制 66
4.4.1 XPS分析 66
4.4.2 土壤团粒分析 69
4.4.3 稳定化材料老化分析 70
4.5 本章小结 71
参考文献 72
第5章 农田土壤重金属富集过程及迁移路径特征 76
5.1 概述 76
5.2 稳定化材料对铜和锌吸附机理研究 77
5.2.1 模拟方案设计 77
5.2.2 冻融条件下稳定化材料理化性质变化 80
5.2.3 冻融条件下稳定化材料对重金属吸附性能的影响 82
5.2.4 稳定化材料各指标对生物炭吸附性能的影响 84
5.2.5 稳定化材料吸附机理解析 86
5.3 稳定化材料对土壤理化性质及重金属富集的影响 87
5.3.1 野外场地布置与研究方法 87
5.3.2 稳定化材料对土壤理化性质影响分析 90
5.3.3 土壤理化特性与重金属富集效应分析 94
5.4 融雪期土壤Cu和Zn迁移特征及阻控机制研究 97
5.4.1 大气PM2.5中Cu和Zn浓度变化特征 97
5.4.2 雪被中Cu和Zn浓度变化特征 98
5.4.3 融雪期生物炭对土壤中重金属浓度分布特征的影响 99
5.4.4 稳定化材料对土壤重金属形态转化的影响 101
5.4.5 稳定化材料对土壤重金属淋滤特征的影响 102
5.4.6 稳定化材料对土壤重金属污染程度的影响 105
5.5 本章小结 108
参考文献 109
第6章 污染农田作物生理胁迫及土壤环境演变研究 111
6.1 概述 111
6.2 材料与方法 112
6.2.1 试验材料选取 112
6.2.2 试验方案设置 113
6.2.3 样品测试 114
6.2.4 统计分析 116
6.3 灌溉条件下农田土壤镉运移及累积过程 116
6.3.1 穿透试验设计 116
6.3.2 土壤溶质运移理论 118
6.3.3 保守离子在土柱中的穿透*线 120
6.3.4 重金属在土柱中的穿透过程 122
6.3.5 污水灌溉条件下重金属积累特征 124
6.3.6 污水灌溉条件下重金属运移模拟及预测分析 125
6.3.7 污染农田重金属在土壤剖面积累趋势预测 128
6.4 污染农田镉有效形态及土壤环境演变特征 131
6.4.1 土壤理化特性分析 131
6.4.2 土壤有效态重金属含量 134
6.4.3 土壤氮矿化过程 136
6.4.4 土壤碳矿化过程 138
6.4.5 土壤酶活性特征 140
6.4.6 土壤微生物多样性 145
6.4.7 土壤环境因子与稳定化处理冗余分析 147
6.4.8 土壤环境-生物-化学互作效应关系解析 149
6.5 污染农田作物生理过程及重金属富集效应 152
6.5.1 作物根系形态 152
6.5.2 作物长势发育状况 154
6.5.3 作物叶绿素变化 156
6.5.4 作物生物量 157
6.5.5 各器官重金属的迁移富集 158
6.5.6 作物生境改良效应评价 160
6.6 本章小结 167
参考文献 167
第7章 污染农田土壤环境健康风险评估及管控技术探索 174
7.1 概述 174
7.2 农田土壤汞污染特征分析及风险评估 175
7.2.1 研究理论与方法 175
7.2.2 环境多介质汞污染水平与空间分布 176
7.2.3 汞污染迁移扩散及赋存形态特征 189
7.2.4 汞污染地块生态风险评估 195
7.3 农田土壤汞污染修复技术及长效性研究 196
7.3.1 材料与方法 197
7.3.2 稳定剂制备及工艺优化 203
7.3.3 稳定剂的改性及汞吸附特征研究 209
7.3.4 改性稳定剂的稳定效果评价 212
7.3.5 改性稳定剂的长效性评价 213
7.4 基于全周期管理的汞污染风险管控技术 217
7.4.1 汞污染的源头防治 217
7.4.2 汞污染的分类风险管理 217
7.4.3 汞污染地块的长期环境管理 218
7.4.4 汞污染全周期管控体系构建 219
7.5 本章小结 222
参考文献 223
第8章 重要研究发现与展望 226
8.1 重要研究发现 226
8.2 污染农田绿色、健康、低碳修复展望 228