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| 編輯推薦： |
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本书通过监测浅层地下水氮污染及其来源，研究农田土壤氮的迁移转化，查明河北平原包气带和浅层地下水中氮的污染来源，查明包气带中氮的迁移转化机制，为地下水和包气带中氮的污染防治提供理论依据，对缓解河北平原水环境污染有着重要的现实意义。
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| 內容簡介： |
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本书主要以河北平原为研究区，运用氮氧双同位素示踪技术和环境微生物技术及室内模拟实验，应用数学模型模拟预测氮的迁移转化规律，系统研究了河北平原的包气带和浅层地下水中的氮来源、污染过程及其地下水的氮污染的影响。通过监测浅层地下水中氮污染物并进行双同位素示踪，查明了河北平原包气带和浅层地下水中氮的污染来源;通过研究农田土壤中氮的迁移转化，查明了地下水和包气带中氮的迁移（转化）机制。针对河北平原潮土、褐土中参与氮循环的微生物，对氨化细菌、硝化细菌和异养硝化好氧反硝化细菌进行富集、分离筛选和鉴定，得到八种高效菌种。采集任丘、宁晋、阜城、文安、武强、沧州运河区6个地区的潮土,涿州、无极、宁晋3个地区的潮褐土，运用地表水和地下水两种水质，并加入促进氮素代谢的加强菌和拮抗病虫害促进植物生长的拮抗促生菌，分别对不同水质滴灌下群落结构和氮素代谢产生的影响进行小白菜土培实验。利用高通量测序，能够针对某个菌种，测定出上百株细菌的基因组序列，为分类全基因组信息提供技术基础。本书适合农业土壤、水文水资源、水文地质学和生态环保领域的科研、规划、管理、教学工作者和研究生阅读参考。
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| 關於作者： |
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高太忠，河北科技大学环境科学与工程学院，教育部学位与研究生教育评估和咨询专家、河北省科技奖励评审专家、国家自然科学基金工程与材料科学学部通信评议专家，教授，硕士生导师，长期从事环境化学和水土污染与控制技术研究。主持或承担的20余项科研项目，其中主持和参加国家自然科学基金面上项目各一项No.41373096, 48970175、主持和参加省部级、国家重点开放实验室基金等项目20项；公开发表论文85篇，其中被SCI、EI收录12篇。
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| 目錄：
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第1章绪论1
1.1 氮污染概述 1
1.2 氮迁移转化研究现状 2
1.2.1 同位素技术研究进展 2
1.2.2 氮在包气带中迁移转化过程及研究现状 4
1.3 脱氮微生物的研究现状 6
1.3.1 土壤氮素转化的关键微生物 6
1.3.2 氨化细菌 7
1.3.3 硝化细菌 7
1.3.4 异养硝化好氧反硝化细菌 7
1.3.5 微生物菌剂的相关研究 8
1.4 磷脂脂肪酸生物标记法研究进展 9
1.4.1 磷脂脂肪酸分析法及其命名原则 9
1.4.2 磷脂脂肪酸分析法的原理及其应用 10
1.5 高通量测序 11
1.6 氮污染数值模拟研究 12
1.6.1 国内外数值模拟研究现状 12
1.6.2 地下水数值模拟软件的发展 13
1.6.3 Hydrus-1D 模型研究现状 14
第2章区域概况15
2.1 社会经济概况 15
2.2 自然地理概况 16
2.2.1 地形地貌 16
2.2.2 气候 17
2.2.3 土壤植被 18
2.3 水文地质特征 19
2.3.1 河北平原水系特征 19
2.3.2 地下水系统水文地质特征 21
2.3.3 地下水含水层组水文地质特征 24
2.4 地下水污染现状 28
第3章河北平原浅层地下水中氮的来源29
3.1 浅层地下水中氮的来源及其特征 29
3.1.1 氮污染来源分析 29
3.1.2 硝酸盐氮在地下水中的分布 31
3.1.3 河北平原地下水硝酸盐氮总体特征 33
3.1.4 不同地区间的地下水硝酸盐氮变化 34
3.1.5 硝酸盐氮的示踪 35
3.2 浅层地下水氮迁移转化规律 38
3.2.1 浅层地下水氮迁移机理 38
3.2.2 实验内容与方法 39
3.2.3 研究区地下水氮污染数值模拟 40
3.2.4 模型预测及污染分析 44
3.3 包气带中三氮迁移转化机制 45
3.3.1 实验方法及样品预处理 45
3.3.2 土柱装填及实验 46
3.3.3 土壤水溶液中硝酸盐氮的迁移转化 47
3.3.4 土壤水溶液中氨氮的迁移转化 49
3.3.5 土壤水溶液中亚硝酸盐氮的迁移转化 51
3.3.6 浸出液中三氮的浓度变化 53
3.4 包气带中氮素数学模型的建立及Hydrus-1D 预测
54
3.4.1 水流运动基本方程 54
3.4.2 土壤水分运移模型 55
3.4.3 土壤溶质运移模型 55
3.4.4 Hydrus-1D 软件介绍 57
3.4.5 结果分析 60
3.5 氮污染防治措施 63
3.5.1 建立生态农业体系 63
3.5.2 合理施肥与灌溉 64
3.5.3 加强排污管理 64
3.6 本章小结 64
第4章土壤微生物提取与制剂67
4.1 实验材料和设备 67
4.1.1 试剂 67
4.1.2 实验器具 68
4.1.3 实验设备 68
4.2 实验方法 69
4.3 土壤的理化指标 69
4.4 细菌的富集与筛选 70
4.4.1 实验方法 70
4.4.2 结果与分析 70
4.5 各菌株形态及革兰氏染色 71
4.5.1 鉴定方法 71
4.5.2 结果与分析 71
4.6 各菌株性能的测定 73
4.6.1 实验方法 73
4.6.2 结果与分析 73
4.7 菌株的16S rDNA 序列测定 77
4.8 氮循环微生物菌剂的制备 78
4.9 菌剂活性的测定 78
4.9.1 菌剂活性的测定方法 78
4.9.2 结果与分析 79
4.10 菌剂降解能力的测定 83
4.10.1 菌剂降解能力的测定方法 83
4.10.2 结果与分析 84
4.11 土培实验验证菌株效果 95
4.11.1 总氮浓度随时间的变化情况 95
4.11.2 氨氮浓度随时间的变化情况 97
4.11.3 硝态氮浓度随时间的变化情况 99
4.11.4 亚硝态氮浓度随时间的变化情况 101
4.11.5 PLFA 随时间的变化情况 103
4.12 本章小结 105
第5章氮在土壤中的迁移和转化107
5.1 概述 107
5.1.1 氨化作用与氨化微生物 107
5.1.2 硝化作用与硝化微生物 108
5.1.3 反硝化作用与反硝化微生物 109
5.2 总氮在土壤中的迁移转化 110
5.2.1 总氮在潮土中的变化趋势 110
5.2.2 总氮在褐土中的变化趋势 118
5.3 硝态氮在土壤中的变化趋势 123
5.3.1 硝态氮在潮土中的迁移转化 123
5.3.2 硝态氮在褐土中的迁移转化 130
5.4 氨氮在土壤中的迁移转化 135
5.4.1 氨氮在潮土中的迁移转化 135
5.4.2 氨氮在褐土中的迁移转化 141
5.5 亚硝态氮在土壤中的迁移转化 146
5.5.1 亚硝态氮在潮土中的迁移转化 146
5.5.2 亚硝态氮在褐土中的迁移转化 148
5.6 本章小结 153
第6章基于高通量测序技术下土壤微生物种类与多样性分析154
6.1 高通量测序技术原理及方法 154
6.1.1 土壤的提取和纯化方法 154
6.1.2 PCR 扩增 154
6.1.3 PCR 产物的混样和纯化 155
6.1.4 文库构建和上机测序 155
6.1.5 数据计算方法 155
6.2 土壤细菌种类及多样性分析 155
6.2.1 土壤细菌高通量测序分类总结 156
6.2.2 土壤细菌物种相对丰度统计 157
6.2.3 土壤细菌Alpha 多样性指数分析 159
6.2.4 稀释曲线分析 161
6.2.5 土壤氮循环功能细菌统计 161
6.3 土壤古菌种类及多样性分析 162
6.3.1 土壤古菌OTU 聚类分析和物种注释 163
6.3.2 土壤古菌物种相对丰度统计 163
6.3.3 土壤古菌Alpha 多样性指数分析 164
6.3.4 土壤氮循环功能古菌统计 165
6.3.5 稀释曲线分析 165
6.4 土壤真菌种类及多样性分析 165
6.4.1 土壤真菌OTU 聚类分析 166
6.4.2 土壤真菌相对丰度统计 166
6.4.3 土壤真菌Alpha 多样性分析 166
6.4.4 样品稀释曲线分析 168
6.5 本章小结 168
第7章结论与建议170
7.1 主要成果与认识 170
7.2 河北平原包气带和浅层地下水氮污染控制对策 174
附录 176
附录1 7种菌株的测序序列 176
附录2 实验相关照片 183
参考文献 185
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| 內容試閱：
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水是人类赖以生存的基本物质资源,而当今水环境恶化加剧，直接威胁着人类的生存和社会的可持续发展，其中地下水的氮污染是一个不容忽视的问题。河北平原，即京津以南平原，是华北平原的重要组成部分，总面积约80432km2。河北平原为我国重要的粮食产地和蔬菜基地，2015年耕地面积为632.7万公顷，氮肥的使用量逐年升高，成为地下水氮污染的重要来源。据有关资料统计，我国氮肥的产量从2003年到2015年增长了75.1%，施用量平均为527kgha，而利用率却仅为30%～35%，多余的氮肥造成了我国15耕地面积的污染。氮肥的过度施用，导致土壤中氮含量超过了植物的氮素吸收量和土壤的容纳量，造成失肥。残留的氮素通过土壤的包气带渗入地下水中，造成地下水的氮污染以及水体的富营养化，使人类的生活饮用水受到威胁。因此说，虽然氮肥是农业生产中常用到的一种肥料，促进了农业生产，但若使用不当会引发重大环境问题，对农业的自然环境构成严重的损坏，对人类的生存造成很大的隐患。此外，河北省作为畜牧和养殖大省，畜禽类粪便等也是水环境的氮污染源。《海河流域地下水可持续开发利用水权及取水许可管理战略研究2008》、《全国地下水污染防治规划（2011～2020年》和《2016年河北省环境状况公报》的结论表明：河北平原受人类活动影响的浅层地下水污染面积为5.92万平方千米，污染物主要有氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等因子；2016年河北省水质总体污染为中度污染，Ⅰ～Ⅲ类水质比例为50.95%，Ⅳ类水质比例为8.18%，Ⅴ类水质比例为8.80%，劣Ⅴ类水质比例为32.07%，与上年相比基本持平；氨氮浓度均值与上年相比下降了32.3%，化学需氧量浓度均值升高了2.6%；其中永定河水系水质为优，大清河水系和漳卫南运河水系为中度污染，子牙河水系为重度污染。针对河北平原地下水污染的现实情况，如何查明氮污染物来源、探索氮的迁移转化机制及污染控制机理，从而科学有效地遏制水环境恶化，使占河北平原可利用地下水总量20%的21亿立方米浅层地下水得到科学有效利用，此研究不但十分必要，而且迫在眉睫。氮氧双同位素技术是一种应用于水环境、水文地质监测领域的先进的示踪技术，具有识别和追踪地下水和包气带氮的污染源，监测氮在包气带、地下水系统的迁移转化规律，以及检验防治措施的效果等用途，为包气带和地下水氮污染提供了一种新的监测与防治手段。因此本项目应用此技术，对河北平原包气带和地下水环境的氮污染状况进行研究并进行趋势预警。本书主要以河北平原为研究区，通过野外调查与室内实验研究，分析浅层地下水氮污染及其来源，研究了农田土壤氮的迁移转化过程，查明了河北平原包气带和浅层地下水中氮的污染来源以及包气带中氮的迁移转化机制，并应用数学模型模拟预测氮的迁移转化规律。此研究拟为地下水和包气带中氮的污染防治提供理论依据，对于缓解河北平原水环境污染有着重要的现实意义。书中运用氮氧双同位素示踪技术进行了氮氧双同位素示踪及水化学分析。对研究区内21口浅层地下水井中的15N、18O、NO-3、Cl-、SO2-4进行测定，利用水化学分析的方法，查明河北平原浅层地下水氮的污染现状。通过室内土柱淋滤实验，在分析河北平原的氮污染现状、水文地质条件的基础上，揭示了氮在河北平原浅层地下水中的迁移规律，并以检测数据为基础，应用Visual MODFLOW软件模拟河北平原浅层地下水氮迁移过程及可能造成的影响，将污染物运移过程简单化，为浅层地下水的污染防治提供科学依据。以氮的迁移转化实验为基础，应用Hydrus-1D软件对实验结果进行模拟预测，探讨包气带中氮的迁移转化规律，同时利用氮氧双同位素技术进行氮元素来源的示踪，为减少氮污染提供依据。通过查询资料，获取模型中的相关参数，构建包气带中水流运移模型及氮迁移转化的数值模型，与实验室的实测数据进行对比，确定模型的正确性。本书针对河北平原潮土中参与氮循环的微生物进行研究，主要对氨化细菌、硝化细菌和异养硝化好氧反硝化细菌进行富集、筛选和鉴定，采集任丘、宁晋、阜城、文安、武强、沧州运河区6个地区的潮土和涿州、无极、宁晋3个地区的潮褐土，以地表水和地下水为基础滴灌用水，加入8种高效菌株（分别为氨化细菌、硝化细菌、HN-AD菌）混合菌（强化菌）液和解淀粉芽孢杆菌（促生菌）液培养土壤，分析土壤理化性质的变化规律，应用磷脂脂肪酸（PLFA）生物标记法和高通量测序技术分析微生物群落结构变化。本书选择分别使用地表水和地下水两种水质，并加入促进氮素代谢的加强菌和拮抗促生病虫害的拮抗促生，分别对不同水质下群落结构和氮素代谢产生的影响进行讨论和分析，通过实验结果分析，具体哪一种水质，哪一种菌剂更有助于植物对氮素的吸收，更好地促进植被生长。对深入研究河北平原的典型农田土壤对中的氮来源、污染过程及其地下水的氮污染影响有着重要的实际意义。利用高通量测序，能够针对某个菌种，测定出上百株细菌的基因组序列，为分类全基因组信息提供技术基础。应用高通量测序技术对各种环境微生物的研究在很大程度上提高了对环境中微生物多样性的认识，探索出了未知的环境微生物及其功能。通过以上对潮土土壤中功能微生物在氮素迁移转化过程中的作用和群落特征变化的研究，为河北平原潮土中的氮循环和生物脱氮以及发展地表水灌溉和微生物土壤修复技术提供理论依据。高太忠负责本书的编写提纲拟订。高太忠撰写前言、第7章；高太忠、庞会从撰写第1章；庞会从撰写第2章、第5章；李秀荣撰写第3章；刘艳芳撰写第4章、第6章、附录。课题组刘福亮、沈洪艳、肖云川、张静等在项目执行期间承担了相关研究。研究生付海燕、张灿灿、李晓玉、付胜霞以及本科生刘芳源、王路瑶参与了本项目的相关实验及资料整理工作。书中插图由刘艳芳统编，文稿由李秀荣校对。最后,高太忠、庞会从对全部文稿进行统编和定稿工作。本书的相关研究得到了国家自然科学基金的大力资助，同时得到了河北科技大学环境科学与工程学院的支持。最后，特别感谢中国地质大学（北京）翟裕生院士、赵伦山教授，中国地质大学（武汉）蔡鹤生教授，河北科技大学赵地顺教授、罗人明教授，河北省环境地质勘查院雒国忠教授级高级工程师等专家对本项目的长期悉心的指导。感谢翟裕生院士在百忙中，欣然为本专著作序。值本书出版之际，对支持和帮助本研究的专家、各级领导表示衷心的感谢。本书在出版过程中得到了化学工业出版社的鼎力相助，在此一并致以诚挚的谢意。著者2017年7月
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