我国典型沙漠(地)流动风沙土的深层渗漏量及动态变化

土壤水分是干旱生态系统的重要制约因素,一直是干旱区研究和生态建设的热点和难点问题,对降雨的深层土壤渗漏水量仍缺少定量观测研究.本文采用作者自主研发的YWB-01型土壤深层水分渗漏计量仪对毛乌素沙地等4大沙漠(地)的流动沙地测试记录了降雨入渗到150 cm以下深层土壤的渗漏水量,连续2年的资料表明:(1)降雨的深层渗漏水量自东向西由半干旱区向干旱区递减,其中:乌审旗流动沙地渗漏水总量高达508.4 mm,占同期降雨量58.4%,磴口的渗漏水量为23.8 mm,占降雨量13.9%,而阿拉善左旗和右旗未测试到渗漏水量,但≥25 mm的强降水对干旱和半干旱区流沙地深层土壤水分的渗漏补给具有重要作用;(2)渗漏水量的季节变化与降水的变化趋于一致,但有一定滞后,在降雨量较大地区,二者变化的相似性更强;(3)单次较强降雨在降雨开始的40~55 h后出现一个渗漏水量峰值,渗漏速率增加较快但其减少相对缓慢,持续渗漏过程长达150 h左右,降雨量越大,渗漏水量峰值就越高,渗漏水量所占降雨量的比例也越高;受降雨强度、雨量和历时的共同作用,就低强度、长历时和单次降雨量大的降雨事件更有利于降雨对沙地深层土壤的渗漏补给;(4)受土壤冻融作用的影响,在快速消融期3月份出现一个小的渗漏补给峰值.研究结果对我国干旱和半干旱区沙地水资源的准确评估和合理利用及生态建设具有现实指导意义.     

鄱阳湖湿地典型植被群落地下水—土壤—植被—大气系统界面水分通量及水源组成

地下水-土壤-植被-大气系统(GSPAC)界面水分传输是湿地生态水文过程研究的关键.本文选取鄱阳湖湿地高位滩地的2种典型植被群落:茵陈蒿(Artemisia capillaris)和芦苇(Phragmites australis)群落为研究对象,运用HYDRUS-1D垂向一维数值模拟,量化了湿地GSPAC系统界面水分通量,阐明了典型丰水年(2012年)和枯水年(2013年)鄱阳湖湿地植被群落的蒸腾用水规律和水源组成.结果表明:(1)茵陈蒿和芦苇群落土壤-大气界面的年降水入渗量为1570~1600 mm,主要集中在雨季4-6月,占年总量的60%;植物-大气界面的年蒸腾总量分别为346~470 mm和926~1057 mm,其中7-8月植被生长旺季最大,占年总量的40%~46%;地下水-根区土壤界面的向上补给水量受不同水文年水位变化的影响显著,地下水年补给量分别为15~513 mm和277~616 mm,主要发生在蒸散发作用强烈和地下水埋深较浅的时段.(2)植被蒸腾用水分为生长初期(4-6月)和生长旺季(7-10月)2个阶段,丰水年植被的整个生长期蒸腾用水充足,枯水年植被生长旺季的蒸腾用水受到严重水分胁迫,实际蒸腾量仅为潜在蒸腾量的一半左右.(3)不同水文年湿地植被生长旺季的水源贡献不同:丰水年茵陈蒿群落以地下水补给为主,芦苇群落以湖水和地下水补给为主;枯水年茵陈蒿群落以降水和前期土壤水储量为主,芦苇群落以地下水补给为主.本研究结果有助于揭示湿地植被的水分利用策略,为阐明湖泊水情变化与植被演替的作用机理提供参考依据.     

黄河中游植被恢复对流域侵蚀产沙的影响与治理前景

根据黄土高原不同自然带水环境和侵蚀环境的特点, 研究了黄河中游不同自然带植被类型的变化、林、草的分布界线及植被的恢复能力. 年降雨量530mm是黄河中游林、草分布的临界年降雨量. 在影响流域产沙的地带性、非地带性环境要素中, 悬移质泥沙中径(D₅₀,mm)、林木覆盖率(V,%)起主要作用, 其中, 林木覆盖率(V,%)对流域产沙的影响权重仅小于泥沙中径(D₅₀,mm)作用的3.4%, 近乎相等. 要有效的控制半干旱区、尤其是丘陵沟壑区的土壤侵蚀, 使输沙模数降到6000 t/km²以下, 仅靠林木自然恢复困难较大. 在退耕还林草建设中, 在坡面生物措施和沟壑工程措施治理基础上, 因地制宜的选好树种与人工造林(草), 重点县的流域林木覆盖率至少要达到30%以上. 与60年代以前降雨标准期相比随各期年降雨量的减少, 自然条件下的植物生产力都有不同程度的下降. 降雨量的减少是多年来造林草成活率低的重要原因. 根据年降雨量与自然植被生产力的回归模型, 可以分别得到目前或70年代以来任意时段, 恢复到标准期时所需的流域自然植被生产力和生态用水量的估测值. 从而为黄河中游林草恢复及治理前景提供了科学依据.     

鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子,研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础,作为中国最大的淡水湖泊系统,鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水、地下水、湖水和植物茎水中δ¹⁸O、δD同位素组成,识别鄱阳湖湿地典型中生植被——茵陈蒿（Artemisia capillaris）群落的土壤水分补给来源,并应用直接对比法和IsoSource多源混合模型估算优势种茵陈蒿的主要吸水区间及水源利用比例.结果发现：（1）与降水同位素相比,湖水和湿地土壤水同位素较为富集,地下水同位素较少发生分馏;（2）湿地地下水主要受历史长期降水和湖水共同补给,土壤水在雨季4—6月和秋季9—10月主要受降水补给,夏季7—8月深层土壤水受湖水侧向入渗和地下水的共同补给,并在蒸发作用下水分向浅层土壤传输;（3）茵陈蒿主要利用0~80 cm深度的土壤水,且能够在不同土层水源间灵活转换.当土壤含水量较高时（4—5月）,主要利用0~40 cm浅层土壤水,利用率约49%~68%;当浅层土壤含水量较低时（6—8月）,主要利用40~80 cm深层土壤水,利用率高达74%~95%;当植物进入生长后期（9—10月）,主要利用0~15 cm表层土壤水,利用率介于41%~70%.总体发现,湖水是鄱阳湖湿地中生植物群落土壤水分的重要补给来源,优势种茵陈蒿能够响应土壤含水量的变化改变吸水深度,具有较强的干旱适应能力.研究结果可为鄱阳湖湿地植被生态系统演变和科学保护提供理论参考.     

基于生态系统恢复力的干旱区植被生态需水阈值计算方法与应用

本文以石羊河流域中下游为研究区,采用考虑生态系统恢复力(latitude of ecosystem resilience, LER)的月尺度生态需水评估方法计算1982-2020年植被月适宜生态需水量、最小生态需水量以及相应的生态缺水量,并与土壤水分特征值法(characteristic value of soil water, CVSW)进行比较,分析不同类型植被生长期的水分盈亏关系。结果表明:LER法和CVSW法计算结果相近,但LER法具有更大的生态需水阈值区间;天然降水基本可以满足植被的基本生存,但无法满足正常生长需求;LER法的适宜需水条件下,各植被生长期总体处于缺水状态,缺水严重程度排序为灌木林＞其他林地＞疏林地＞高覆盖度草地＞中覆盖度草地＞有林地,全部植被生长期总适宜生态需水量为3.7×10⁸ m³,亏缺水量为1.2×10⁸ m³,同一植被亏缺水量基本符合春秋多、夏季少的规律;最小需水条件下,只有其他林地存在生长期缺水情况,全部植被生长期总最小生态需水量为0.8×10⁸ m³;在缺乏土壤水分数据的干旱地区,LER法具有良好的适用性。研究结果可为石羊河流域水资源高效利用和干旱区生态系统的恢复与重建提供理论参考。     

根系水力再分配对陆地碳水循环的影响——以亚马孙流域为例

水力再分配是指在根系-土壤界面水势梯度驱动下,水分经由根系在土壤不同部位之间的被动运输过程,是陆地表层系统地下生态过程的一个重要环节,它影响植被根系与土壤水分相互作用并在生态系统碳水循环过程中起着关键调节作用.利用模式探讨水力再分配对陆地碳水循环的影响,对定量评估水力再分配的作用及促进陆面模式的发展具有重要意义.文章将水力再分配方案应用于通用陆面过程模式CLM4.5,并以亚马孙流域为例进行数值模拟试验,探讨水力再分配对陆地碳水通量的影响.结果表明:在亚马孙塔帕若斯河国家森林(BRSa3)站点,由于湿润季的根区水分充足,根系水力再分配作用较小(小于0.1mm day~(–1));在干旱季水力再分配作用明显,土壤水由下层向上层传输的最大值可达0.3mm day~(–1),使得更多深层土壤水被根系吸收,从而减小干旱季土壤水分对植被的胁迫,改善模式对植被总初级生产力和蒸散发的低估,均方根误差分别减小了14.9g C m~(–2)month~(–1)和7.5mm month~(–1).文章表明,考虑水力再分配作用的陆面过程模式能够更好的再现植被对季节性干旱及严重干旱的响应.     

鄱阳湖典型洲滩湿地水分补排关系

湿地水分在地下水含水层-土壤-植物-大气界面的运移和转换是维持能量和营养物平衡的重要环节,水分运移是湿地生态水文过程研究的关键.数值模型模拟已成为水分运移研究的重要手段,然而限于复杂的湿地自然条件及有限的监测手段,部分界面水分通量连续动态变化数据的获取及定量化工作较为困难,目前应用数值模拟法于湿地水分运移研究的案例仍不多见.本文以鄱阳湖典型湿地为研究区,构建垂向一维数值模型,阐释了湖泊水位显著季节性变化条件下,湿地水分在不同界面的传输过程,量化了湿地水分的补排关系.结果表明:(1)界面水分通量季节性差异大,降雨入渗地面和根系层水分渗漏均对降雨变化响应敏感,主要集中在4—6月,分别占年总量(1450和1053 mm)的65%和73%.土面蒸发和植物蒸腾年总量为176和926 mm,土面蒸发主要受气候条件影响,植物蒸腾还与植物生长特征有关,均集中在7—8月,分别占年总量的30%和47%.深层土壤向浅层根系层的水分补给集中发生在地下水浅埋时段6—8月,占年总量(609 mm)的76%;(2)湿地植物根系层水分补排受鄱阳湖水位季节性波动影响显著.除丰水期(7—9月)主要补给为深层土壤水外,退、枯、涨水期的主要补给均为降水入渗.涨水期(4—6月)和枯水期(12—3月)的主要排泄为根系层水分渗漏,丰水期以植物蒸腾排泄为主,退水期(10—11月),土面蒸发与植物蒸腾为主要排泄,且比重相当.本文定量了鄱阳湖典型湿地不同界面水分连续交换关系,区分了土面蒸发和植物蒸腾,辨析了各界面水分的主要影响因子,研究结果有助于深入理解水分在湿地生态系统地下水含水层-土壤-植物-大气界面的相互作用机制,认识湖泊洲滩湿地水量平衡,为揭示湖泊水情变化对湿地生态的可能影响提供依据,为湿地生态水文过程研究提供重要方法和理论参考.     

叙利亚沙漠(Badia盆地)的雨水收获技术

叙利亚阿拉伯共和国地处地中海东岸,北炜32-37.5,东经35.5-42,属于干旱、半干旱地区,是水资源最缺乏的国家之冬季时短多雨,夏季时长干旱.沿海与内陆降雨分布差别很大.按降雨量分,叙利亚可以分为5个农业区.第五个区(Badia盆地）面积占全国的55%,年降雨约150mm,在五个区中最小,被称为叙利亚沙漠.该地区以平原为主,另有一些山脉,土壤特性为含砂粘性土,长年少雨,夏季多风,蒸发率大,相对湿度随着温度的变化而变化.叙利亚沙漠地区的环境适合草地生长,正因为如此, 这里一直是主要的畜牧场所.为了解决该地区雨水不足的问题,政府兴建了很多重大基础工程来改善这里的植被状况.通过雨水收集工程来解决某些地区的饮用水,牲畜用水和灌溉用水.在不同区域建立了 37 座不同规模的大坝、50座小型水库和在平原谷地、梯田地区修建7个拦水坝,还挖掘了很多水井来储存冬季径流,因地制宜种植植物.所有这些工程都是为了最大限度的利用该地区的降水来发展植被、畜牧业和保证沙漠里牧民生活的基本稳定.这篇论文研究了叙利亚沙漠的多种要素(自然因素,气候因素,植被,牲畜,居民……）,以及该地区水资源管理方法鹤和关于雨水收集的技术、条件、方法选择及管理等.     

改性粘土辅助沉水植物修复技术维持清水稳态的原位研究

在富营养湖泊治理实践中,修复沉水植被被认为是改善水质的长效措施,而壳聚糖改性粘土是短期快速改善水质的有效手段.本研究利用改性粘土辅助沉水植被修复,旨在探索改善水质的长效方案.2011年5-11月在太湖梅梁湾开展了四组不同处理(对照、水草、水草+粘土、粘土)围隔实验,在水草(盖度13.0%)和水草+粘土(盖度52.3%)围隔中不同程度重建了苦草群落.实验期内每3 d一次的水质监测表明,粘土处理可显著改善水质,水体总氮(TN)、总磷(TP)、正磷酸盐(PO34--P)和叶绿素a(Chl.a)含量分别比对照下降了20.7%、74.6%、31.0%和80.4%,透明度(SD)升高了90.4%;粘土辅助植被修复改善水质效果最长稳,水体TN、TP、PO34--P和Chl.a含量分别比对照下降了36.2%、64.0%、28.6%和71.1%,SD升高了76.4%;低盖度苦草群落单独处理对水质改善效果不显著.在三种处理中,粘土辅助植被修复改善底质效果最好,使间隙水的TN、TP、PO34--P、NH4+-N分别比实验前下降了15.6%、61.7%、55.8%和82.8%.本研究表明改性粘土辅助沉水植被修复可作为重富营养水体中水质改善的整合技术,但其长期生态效应仍需谨慎评估.     

中国草本沼泽植被地上生物量及其空间分布格局

草本沼泽是沼泽湿地生态系统中分布最广的沼泽类型,具有涵养水源、调节气候、储碳固碳、提供珍稀物种栖息地等重要生态功能.草本沼泽的固碳功能在减缓气候变暖,维持区域环境稳定性等方面发挥着关键作用.植被生物量是反映湿地固碳能力的重要指标,明确沼泽湿地植被生物量可为估算沼泽湿地碳储量及固碳能力提供科学基础.文章利用全国草本沼泽植被地上生物量实地调查数据,结合中国沼泽湿地分布数据集,首次从全国尺度对中国草本沼泽植被地上生物量及其空间分布格局进行了研究.结果表明:中国草本沼泽总面积为9.7×10~4km~2,草本沼泽植被地上生物量平均密度为(227.5±23.0)g C m~(-2)(95%置信区间,下同),总地上生物量为(22.2±2.2)Tg C(1Tg=10~(12)g).中国草本沼泽植被地上生物量密度总体表现东北和青藏高原地区低、华北中部和滨海地区高的特点.在中国不同沼泽分布区,草本沼泽植被地上生物量平均密度从小到大依次为:温带湿润半湿润沼泽区((182.3±49.3)g C m~(-2))青藏高原沼泽区((243.9±26.6)g C m~(-2))温带干旱半干旱沼泽区((300.5±73.2)g C m~(-2))亚热带湿润沼泽区((348.4±59.0)g C m~(-2))滨海沼泽区((675.4±73.8)g C m~(-2)).由于草本沼泽面积的不同,不同沼泽分布区草本沼泽植被总地上生物量在温带湿润半湿润沼泽区最大((9.6±2.6)Tg C),而在滨海沼泽区最小((1.1±0.1)Tg C).中国草本沼泽植被地上生物量空间分布具有明显的非地带性特征,但在部分地区也呈现出一定的地带性规律,青藏高原草本沼泽植被地上生物量总体随海拔的升高而降低,温带湿润半湿润区和温带干旱半干旱区草本沼泽植被地上生物量随干旱程度的增加先降低后趋于平缓,温带湿润半湿润区草本沼泽植被地上生物量在年均温度越高的地区相对越大.研究结果可为精准评估沼泽湿地对气候的调节作用提供科学依据,为湿地生态系统适应性管理提供决策支持.     

低氧、高铵和低光对沉水植物苦草(Vallisneria natans)生长与C-N代谢生理指标的影响特征

湖泊富营养化导致沉水植被大面积衰退和群落逆向演替,诱发一系列次生环境问题,并严重影响到水域生态环境质量.为了从对植物表型生长与C-N代谢生理指标影响的角度深度揭示富营养化水体中沉水植被的致衰退机制,本文以我国长江中下游淡水湖泊常见沉水植物优势种群——苦草(Vallisneria natans)为研究对象,利用L_(16)(4~5)正交试验设计方法,实验模拟研究富营养化水体中低氧、高铵和低光3种重要因素对苦草生长与C-N代谢生理指标的胁迫影响特征.本试验设置了3因素4水平,分别为4个低光照强度(50%、40%、30%和20%自然光照)和4个高铵浓度水平(0.5、1、2和4 mg/L)以及4个低氧处理浓度(7.5、6.5、5.5和4 mg/L).结果显示:光照强度低于30%、溶解氧浓度低于5.5 mg/L时,植株生长与C代谢受阻严重,碳水化合物储存量降低;铵态氮1.0 mg/L时,苦草N代谢活跃,游离氨基酸(FAA)含量明显升高,可溶性糖(SC)/FAA比降低,淀粉呈降低趋势.研究表明富营养湖泊中苦草的衰退是多种因素综合作用的结果,低氧、高铵与低光均会对苦草的生长与C-N代谢产生不利影响;受损沉水植被在藻-草稳态转换的富营养化湖泊中应通过控制水体高铵浓度,严控低氧出现,及时提高水下照度或透明度(如控磷)来予以保护和科学管理;而在次生裸地且藻类占优势的富营养化水体中沉水植被的恢复与重建过程不仅要降低水体营养盐水平尤其是氨氮的水平,还应着重考虑如何有效提高水下光强与溶解氧浓度,并将如上环境因子控制在一定变幅范围内,且控制条件应原则上严于保护受损沉水植被所需的条件.     

坡地土壤降雨入渗性能的径流-入流-产流测量方法与模型

坡地土壤的降雨入渗性能对于水文过程、作物水分利用、灌溉管理、土壤侵蚀等方面的研究和实践非常重要. 提出了测量坡地降雨条件下土壤入渗能力的径流/入渗方法. 依据水量平衡原理, 根据径流在坡面上的推进过程和有积水情况下积水深度随时间的变化过程推导得到了计算土壤入渗率(入渗能力)的数学模型. 采用两种工况: 雨强为20 mm/h、坡度0°和雨强60 mm/h、坡度20°, 径流/入渗坡面长度比均为1:1测量土壤入渗性能. 还用双环入渗仪测量了入渗性能用于比照. 用含水量10%的粘黄土进行室内试验, 获取了相关的数据, 并据此计算得到了两种工况的降雨入渗率曲线. 结果表明, 这种新方法可以很好地表征土壤入渗性能的概念, 并能获得很高的初始入渗能力. 分析了这种测量方法和计算模型的合理性. 采用降雨量、入渗量对比方法, 计算了上述两种工况的测量误差各为1.82%/1.39%和4.49%/3.529%(试验/模型), 说明了该方法的测量精度. 由于初始阶段供水能力的限制和土壤团聚体崩解的影响, 双环入渗仪测量得到的瞬态和稳定入渗能力均远小于用该方法测量得到的结果. 本方法可以克服以往降雨器和双环入渗仪方法的不足, 可以用于测量坡地降雨/径流/土壤侵蚀等因素影响下的整个降雨入渗过程曲线. 为相关研究提供了有力的工具.     

基于多源数据分析维多利亚湖流域水储量变化

本文利用CSR发布的GRACE RL06时变重力场模型,结合两种水文模式、卫星测高、降雨和蒸散等多源数据,从多个角度综合系统地分析维多利亚湖流域2003-01—2017-06的陆地水储量变化.比较了正向建模方法和单一尺度因子对泄漏误差的改正效果,经对比采用正向建模方法在此流域效果更好.基于多源数据得出以下三点与此前研究不同的结论:(1)GRACE RL06版本数据探测到流域内的水储量在2003-01—2017-06呈增加趋势,球谐位系数和Mascon产品得到的变化速率分别为14.9 mm·a^-1和16.7 mm·a^-1,观测误差小于RL05版本的结果,RL05版本低估了流域水储量的变化速率;(2)2013-01—2016-02期间GRACE和测高探测到湖泊水量增长,而水文模式探测到流域内水储量减少,推测这一现象由大坝蓄水造成;(3)受El Nino事件影响,2016-03—2017-06流域降雨减少,流域水储量减少,GRACE球谐位系数和Mascon探测到的变化速率分别为-100.3 mm·a^-1和-129.7 mm·a^-1.本文结果表明卫星观测数据可为在缺乏直接观测数据的情况下分析人类活动和自然变化对区域水储量的影响提供一种可行的途径,这也为研究我国湖泊流域水储量变化提供参考.     

鄱阳湖典型洲滩湿地土壤含水量和地下水位年内变化特征

湿地植被空间分布受多个水分因子共同影响,为了探求鄱阳湖典型洲滩湿地不同植被类型下地下水、土壤水的变化特征,本文选择鄱阳湖吴城湿地保护区内一个长约1.2 km的典型洲滩湿地为实验区,建立了气象-土壤-水文联合观测系统.对观测的气象、水文要素进行分析发现:(1)洲滩湿地地下水位年内呈单峰变化,季节性差异显著,最大埋深可达10 m,出现在1月份,丰水期8月份地下水位最高时可出露地表,且地下水位与湖泊水位变化具有高度一致性;(2)由远湖区高地至近湖区低地,不同植被带中地下水平均埋深变化为藜蒿带(4.76 m)芦苇带(2.87 m)灰化薹草带(1.61 m).地下水埋深小于50 cm的持续时间分别为:藜蒿带27 d、芦苇带112 d、灰化薹草带170 d;(3)土壤平均含水量沿不同植被带梯度变化为:藜蒿带最小(15.9%),芦苇样带(40.7%)和灰化薹草样带(43.7%)较大.土壤含水量年内变幅为:藜蒿带最大(2.5%~55.2%),芦苇带和灰化薹草带相对较小,分别为22.1%~48.1%和28.4%~54.1%;(4)不同植被带土壤含水量季节变化规律不同,藜蒿带土壤含水量年内呈单峰型,仅夏季土壤含水量较高,其余季节均在10%左右,而芦苇带和灰化薹草样带春、夏、秋季均维持较高含水量(42%以上),仅冬季水分含量较低.     

岩石裂隙决定喀斯特关键带地表木本与草本植物覆盖

地球关键带研究将地表植被组成和功能与岩石层的特性联系起来,为研究喀斯特地区特殊的岩石和土壤条件如何影响地表植被提供了新的思路.文章基于贵州中部喀斯特关键带白云岩和石灰岩分布区岩石、土壤和植被调查结果,发现木本植物覆盖度随宽度1mm以上的裂隙数目增多而线性增加,而草本植物覆盖度则呈相反的趋势(p0.01).白云岩分布区由于岩性致密、裂隙不发育、土层厚度一般在20cm以内,适合浅根系的草本植物分布.石灰岩分布区由于裂隙发育、土壤分布深、树木的深根系分布在裂隙中,植被组成和结构复杂.基于2001～2010年MODIS遥感数据获取的每16天一个时相的归一化植被指数(NDVI)和年净第一性生产力(NPP)结果进一步表明,石灰岩分布区各时相NDVI总体显著高于白云岩分布区,但多年平均NPP则相反.本文结果表明,在喀斯特关键带,岩性决定土壤的结构和分布,进而决定地上植被木本植物和草本植物的覆盖.尽管石灰岩地区土壤量可能比白云岩地区偏低,但发达的裂隙结构更适合深根系的树木生长,植被活动强.当前喀斯特地区石漠化治理需要充分考虑地球关键带岩石-土壤-植被-大气相互作用,提出适合不同岩性的植被恢复措施.     

应用MODIS数据监测千岛湖流域植被覆盖动态(2001-2013年)

流域植被覆盖状况对于水源地生态环境保护具有重要的指示作用.当前的水质目标管理不仅要着眼于湖库水质参数控制,更应该从整个流域的角度维系生态平衡.在此背景下,依托长时间序列MODIS遥感数据对千岛湖流域2001-2013年植被覆盖状况进行监测,采用最小二乘法趋势分析和Mann-Kendall显著性检验方法分析了千岛湖流域植被的空间分布特征、时间变化特征与长期变化趋势.研究表明该方法能够有效地监测流域植被覆盖的时空动态变化:1)从空间分布上来看,千岛湖流域植被覆盖状况整体较好,但同时也发现受人为干扰较大的地域如河、湖附近的城镇建设用地、农业用地以及园地,其NDVI值明显低于自然林地;2)从时间变化特征上看,2001-2013年千岛湖流域植被年际NDVI在0.69~0.73之间波动,且近年来有增长趋势,年内季节性NDVI动态分析表明高时间分辨率的MODIS数据能够用来区分常绿植被与落叶植被的物候特征,以分析不同植被类型对流域氮、磷流失的风险差异;3)从变化趋势上看,2001-2013年植被覆盖状况改善的区域远大于退化的区域,其中改善区域约占流域面积的55.90%,呈现出一定退化状态的区域约占29.60%(严重退化区域仅占3.97%),而相对稳定不变区域约占14.51%.经与气温与降水等气候因子进行相关性分析表明,植被NDVI与气温呈显著正相关,而降水则不敏感,说明气温是研究区植被生长的主导气候因子.同时发现,人类活动对局部植被变化影响较大.研究结果可为流域水资源与生态环境保护提供空间数据支撑.     

用生态修复调控浮游植物种群局部控制富营养化——以贵州红枫湖水质生态修复工程为例

利用物理生态工程在水深10 m左右,水位变幅7 m左右的贵阳红枫湖/水库(正常水位时57.2 km2)右二湾富营养水体进行局部(围隔水体面积1.33 hm2)生态修复.对工程前后和内外水体浮游植物的群落结构、丰度、生物量等进行比较,结果表明,当植物浮岛覆盖率超过1/5～1/3时(可视为阈值),物理生态工程可以调控浮游植物种群结构和丰度,浮游植物优势种群由生态修复前的微囊藻属、角甲藻属及同期外环境的蓝藻门蓝纤维藻属转变为硅藻门的直链藻属.工程内与工程外比较,种属数减少了29.4%,特别是减少了蓝藻中可能释放藻毒素的微囊藻、鱼腥藻等属,蓝藻丰度和生物量分别减少了55.5%和57.9%;而硅藻的种属数则增多120.0%,且其丰度和生物量分别增加了56.4%和60.3%.从藻类总体统计资料看,工程内与工程外比较,藻类丰度减少53.6%,生物量减少39.1%,透明度提高了数十厘米以上,稳定在120～220 cm.当工程区外浮游植物优势种群是蓝藻,暴发蓝藻水华,且可释放藻毒素的种属有多次检出时,工程区内仍然以硅藻为优势种,未曾检测出可释放藻毒素的种属,从而在红枫湖局部水体实现了水质改善和富营养化控制.在目前高污染负荷下恢复浅水湖泊沉水植被时,本项目发展的可全年镶嵌式种植包括香根草、杞柳等高杆植物在内的多种水面植物的浮岛可作为防浪削浪、遏制蓝藻、改善水质、提高透明度的先锋性措施,以保障局部水面植被覆盖面积超过上述阈值,成为保护沉水植物生长、遏制暴发蓝藻水华的可操作途径.     

利用薄膜扩散平衡技术分析沉积物间隙水溶解态反应性磷

沉积物间隙水溶解态反应性磷(SRP)是反映沉积物磷地球化学特征的敏感指标,对其高分辨率获取一直是难点.基于薄膜扩散平衡(DET)原理,以琼脂糖为原料制备薄膜,通过平衡、切片、提取、测定等步骤,获得溶解态反应性磷的含量信息.实验确定薄膜在磷溶液中的平衡时间为24h,通过0.25mol/L硝酸提取16h可将薄膜萃取的磷提取完全.利用DET技术对不同沉积物间隙水SRP进行了分析,与实际浓度的差异在±5%以内;对沉积物剖面的分析结果与Rhizon、微型Peeper等采样技术基本一致,垂直分辨率可达到3mm左右.利用DET技术对太湖草型和藻型湖区沉积物间隙水SRP进行丁分析,发现草型湖区间隙水剖面SRP呈峰形分布,且横向空间分异明显;藻型湖区间隙水SRP随沉积深度的增加呈升高趋势,扩散梯度随水温升高而增强.     

水草腐烂引发的黑臭水体应急处置技术研究

水草腐烂加速水体耗氧和水体还原性物质的溶出进程,在夏、秋季高温条件下极易引发局部水体黑臭.以太湖沉水植物优势种马来眼子菜(Potamogeton malaianus)、苦草(Vallisneria natans)及浮叶植物优势种莕菜(Nymphoides peltatum)为受试材料,利用太湖原位底泥培养模拟水草腐烂形成的黑臭水体,考察不同的环境材料处置方式(壳聚糖(CTS)、聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)、CTS+PAC和PAC+PAM)对黑臭水体浊度、溶解氧浓度、挥发性硫化物等黑臭水体特征污染物的絮凝沉降规律及去除机理.结果表明:(1)絮凝处理24 h后,CTS+PAC组合对黑臭水体的浊度去除效果最佳,浊度去除率达70.3%,上覆水溶解氧浓度明显提高,增加率为261.5%;(2)加石英砂悬浊液加速絮体沉淀,形成絮体之后加石英砂使水体浊度稳步下降,4 h之后,浊度去除率达74.9%,显著高于与絮凝剂一起加入的处理组(29.8%);(3)植物腐烂释放的含硫特征嗅味物质主要为硫化氢(H_2S)、甲硫醚和二甲基三硫醚.不同植物体腐烂释放的含硫挥发性有机物浓度差异显著,马来眼子菜释放的4种含硫有机物总和分别为莕菜和苦草释放的319.8%和252.2%;(4)CTS+PAC处理后苦草及马来眼子菜腐烂水体中挥发性有机硫化物浓度较对照组分别降低了18.6%和44.5%.PAC+PAM组合絮凝处理组对莕菜腐烂水体中H2S有较好的去除效果,去除率达到52.4%.CTS+PAC絮凝剂组合处理的H2S浓度均低于对照组,苦草、马来眼子菜和莕菜腐烂后黑臭水体中H2S浓度分别降低了27.4%、41.0%和28.6%.CTS+PAC组合对H2S和二甲基硫醚类物质等致臭物释放的抑制效果优于PAC+PAM组合絮凝处理.     

几种水陆交错带植物对湖滨带底质的稳固作用

为了研究几种常见水陆交错带植物对底质稳固性的影响,选取太湖贡湖湾水陆交错带内的双穗雀稗(Paspalum distichum)、李氏禾(Leersia hexandra)、香菇草(Hydrocotyle vulgaris)、黄花水龙(Ludwigia peploides)和黄菖蒲(Iris pseudacorus)5种水生/湿生植物植物,并利用长江下游常见沙壤土和湖滨带新生底质两种土壤,开展了5种植物对底质稳固作用的室内研究.结果表明底质孔隙度减少、细小粒径(50μm)增加有利于底质稳固,改善上覆水指标,减少扰动给上覆水所带来的悬浮颗粒物.直径≤1 mm的须根量、须根长度和须根面积与底质孔隙度和粒径分布增益值之间存在线性回归关系,双穗雀稗、李氏禾、香菇草的根系参数与增益值之间存在斜率为0.006~1.727的线性正相关关系;黄花水龙、黄菖蒲植物根系参数与增益值之间则存在斜率为-0.091~-0.011的线性负相关关系.黄菖蒲与黄花水龙的根长密度分别为11.495和9.475 cm/cm~3,根表面积密度分别为0.368和0.294 cm~2/cm~3,根重密度分别为1.844和0.944 mg/cm~3,两种植物对底质孔隙度的增益值分别为15%和9%,对底质粒径分布的增益值分别为92%和47%;双穗雀稗、李氏禾、香菇草的根长密度分别为1.057、7.368和0.651 cm/cm~3,根表面积密度分别为0.033、0.228和0.022 cm~2/cm~3,根重密度分别为0.678、2.537和0.160 mg/cm~3,3种植物根系参数对底质孔隙度的增益值分别为6%、36%和1%,3种植物根系参数对底质粒径分布的增益值分别为16%、17%和-13%.5种植物通过根系提高底质的稳定性,减少底质在水力扰动下悬浮物质以及营养盐的释放,从效能上表现为李氏禾双穗雀稗黄菖蒲黄花水龙香菇草.