白洋淀生态需水:进展及展望

采用文献计量、统计分析等手段收集了国内外关于白洋淀生态需水核算的研究成果,系统梳理了15种白洋淀生态需水核算方法,获得了白洋淀不同时间尺度、不同等级生态需水核算结果,并结合雄安新区规划对白洋淀生态需水核算存在的问题及未来的需求提出了展望统计结果表明,白洋淀最小生态水位为7.45±0.66 m,适宜水位为8.61±0.52 m,最大水位为9.46±0.51 m;各等级生态需水月际变化趋势大致相同,8 9月最大,5月最小,但各月不同等级生态需水量的变幅较大;白洋淀最小生态补水量为1.35亿m³,适宜补水量2.40亿m³,最大生态补水量6.20亿m³从支撑雄安新区规划建设的角度来看,目前白洋淀生态需水核算中面临的不足主要集中在生态管理目标和方法选择导致核算结果差异较大、缺乏淀区生态需水机制的阐释、生态需水核算时间尺度较粗略、未考虑淀区空间异质性的需水差异以及忽略河湖水文连通关系与过程5个方面;最后,以恢复白洋淀良性生态系统为导向,从分级分区开展白洋淀生态需水精细核算、分时分段淀区生态需水量质耦合模拟和考虑河湖沼连通的淀区水动力...     

1960s以来白洋淀水文、环境、生态演变趋势

白洋淀是我国华北平原最大的浅水湖泊湿地,享有"华北之肾"、"华北明珠"等美誉,对维持京津冀大城市群的区域生态系统平衡和保持生物多样性发挥着生态安全屏障作用.长期以来,高强度人类活动导致入淀水量锐减、水体污染严重、生物多样性减少、生态系统功能衰退,"明珠"失去了应有的光泽.结合历史文献资料和课题组长期在白洋淀的监测结果,本文系统地梳理了自1960s以来,白洋淀的水文、水环境和水生态演变历程,并分析了导致一系列演变发生的可能原因.随着区域经济的发展,人类活动增强,白洋淀区域水量、水环境以及生态质量自1960s以来逐渐退化.近20年来,随着一系列环境治理政策和生态补水工程的实施,白洋淀水质恶化趋势得到了一定的遏制.2017年,中共中央、国务院宣布设立雄安新区,其"以水定城"的理念突显白洋淀作为新区中心的重要性,白洋淀环境与生态治理工作任重而道远.本文的工作以期能为新时期白洋淀的环境生态治理提供依据和支持.     

生态补水对白洋淀流域地表水和地下水水化学特征的影响

生态补水是维持和改善白洋淀生态环境的重要途径.为研究生态补水对白洋淀水环境的影响,分别在补水前与补水后采集淀水、河水及地下水样品,分析区域地表水和地下水水化学特征.结果表明：（1）白洋淀补水前、后地表水与地下水的水化学组成中Na⁺为主要阳离子,补水后阴离子以HCO₃^-为主,淀区南部地表水电导率高;补水后地表水与地下水Ca²⁺、Mg²⁺和HCO₃^-浓度显著增加,水体电导率降低.（2）补水前地下水为Na-HCO₃型水,地表水主要为Na-Cl·SO₄及Na-Cl·HCO₃类型;补水后地表水与浅层地下水向Ca·Mg-HCO₃型演化,深层地下水水化学类型基本保持不变.（3）生态补水使白洋淀水位升高,淀区水面积增大,缓解了水资源短缺的问题;同时也使浅层地下水水化学组成发生改变,而深层地下水暂未受到影响.生态补水后,受稀释和混合作用的影响,水体Na⁺、Cl^-和SO₄^2-浓度显著下降,Ca²⁺、Mg²⁺及HCO₃^-浓度增加.在白洋淀生态补水中应"先治污,后补水",以减少补水过程中污染物向淀区的运移,还应注意区域地下水位上升过程中的阳离子交换及水岩相互作用,为合理调配生态补水及改善白洋淀生态环境提供科学依据.     

近60年来白洋淀流域河川径流演变及湿地生态响应

白洋淀是雄安新区的核心生态功能区,近几十年来面临水源不足、湿地萎缩等生态环境问题.选取白洋淀流域上游王快、西大洋及拒马河3个子流域开展河川径流演变研究,结合1969年以来18期白洋淀湿地遥感影像,揭示白洋淀流域河川径流驱动湿地演变的过程机制.结果表明：近60年来白洋淀流域山区径流量呈持续衰减趋势,从P1阶段(1961—1979年)至P3阶段(1997—2019年),典型子流域年径流系数均值由0.29降至0.12,山区年径流总量由30.84×10⁸m³/a降至11.37×10⁸m³/a,降幅达63.1%,梯田修建、地下水开采等人类活动是导致径流衰减的主要原因;不同子流域产流和基流减少对径流衰减的贡献率存在差异,以变质岩为主的王快子流域径流衰减的主要原因是地表产流减少,碳酸盐岩分布较广的拒马河子流域径流衰减的主要原因是基流减少;白洋淀湿地面积变化受控于地表水位波动,近60年来白洋淀湿地退化的直接原因是入淀流量减少,根本原因是人类活动影响导致的山区径流衰减.     

洞庭湖区不同退田还湖模式下湿地植被恢复特征的比较

以2006年野外调查资料为依据,对洞庭湖区3种"双退"恢复模式(自然恢复、种植荻和种植杨树)下的植被特征进行了比较分析.结果表明,自然恢复模式下的物种数最为丰富,达79种,而种植荻模式下的物种数最为稀少,仅36种;自然恢复模式下湿生植物种类最为丰富,占物种总数的81.0%,而种植杨树和荻模式下所占比例分别为78.7%和...     

鄱阳湖国家级自然保护区湿地植被的干旱响应及影响因素

近年来鄱阳湖干旱事件频发,干旱导致的气象水文要素变化直接影响植被生长状况,尤其是对于地上植被生物量的影响极为显著.研究鄱阳湖干旱事件对于湿地植被的影响,对于保护鸟类栖息地,认识湿地生态功能和结构的变化具有重要的现实意义.利用长期卫星遥感数据,结合植被生物量野外调查,以2003和2006年极端干旱年份为出发点,从湿地植被面积、生物量密度和总生物量的角度分析了鄱阳湖湿地植被生物量对于极端干旱的响应.研究表明:湿地植被面积、生物量密度以及总生物量均呈现双峰分布特征,在4和11月分别达到上、下半年的峰值.2003年植被生物量与多年均值一致,2006年下半年植被面积、生物量密度以及总生物量均明显超出多年均值.影响湿地植被面积的主要因素为鄱阳湖水位变化;而影响植被生物量密度的主要因素为气温和水位,退水时间提前对于生物量密度影响最大;总生物量同时受到植被面积与植被生物量密度的综合影响,其中植被面积的影响更大,植被面积对于总生物量的影响在2006年表现得比2003年更加显著.总之,2006年湿地植被对水文干旱的响应要比气象干旱强烈得多.     

干旱沙区土壤空间异质性变化对植被恢复的影响

许多涉及草地荒漠化或退化过程的假说及概念模型认为, 干旱、半干旱地区的草地植被灌丛化是草地发生退化或荒漠化的显著特征, 即原来以草本植物为优势的群落被灌丛群落所替代, 该过程增加了草地原生植被土壤资源的时空分布异质性, 使土壤-植被系统的生物过程愈来愈多的集中在灌丛植冠下的沃岛范围内. 大量的研究支持了这一针对荒漠化或草地退化过程的生物生态学解释. 从另一个方面来看, 缀块状分布的灌木植被也是草地恢复或荒漠化逆转的基础, 并且在我国沙漠治理的实践中得到了证明. 沙坡头地区人工固沙植被近50年的演变与区域生境的恢复就是荒漠化逆转的理论范式和成功的实践例证. 该地区人工植被的建立是以设置防风固沙沙障和种植旱生灌木而开始的. 在降水不足200 mm的无灌溉条件下, 由于灌木植被的作用, 使原来质地相对均一的流沙发生了资源分布的空间异质性变化, 促进了土壤成土过程, 为沙土表层隐花植物(藻类、苔藓和地衣)结皮的形成和一年生及多年生草本植物的入侵与定居创造了条件. 而这一过程却减少降水向土壤深层的入渗量, 使固沙植被区灌木主要根系分布层(100 ~ 300 cm)的土壤含水量减少, 导致了灌木种在群落中的优势和盖度降低, 土壤资源分布的空间异质性程度也相应地减弱. 固沙植被趋于以草本植物为优势的、与邻近草原化荒漠和荒漠化草原类似的原生植被类型演变和恢复. 通过对沙坡头地区近50年固沙植被演变监测数据的分析, 提出了干旱区植被恢复或草地荒漠化逆转的概念模型.     

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.     

基于遥感的雄安新区地表水时序变化与区域规划研究

以1970年-2019年KH、Spot-1、Landsat-5/7、ALOS-1 PALSAR-1、Sentinel-1 A、GF-2共30期卫星遥感影像为数据源,使用基于平均强度图阈值分割、面向对象的多尺度分割算法、NDWI波段指数的遥感解译数据,结合区域地质地貌形态成因特征,开展了雄安新区长时间序列地表水及敏感地质地貌分析.结果 表明:(1)卫星遥感影像数据能够有效圈画地表水空间分布,并通过近50年长时间序列地表水空间分析,划定5处白洋淀地区往年最大淹没区范围;(2)基于高分辨率遥感影像纹理信息和敏感地质地貌特征划定雄安新区2处河口三角洲和河漫滩范围;(3)建议上述7处划定区域谨慎开展大规模城镇化建设,推荐作为景观用地及生态涵养区等进行规划统筹.研究表明,卫星遥感技术及其发展能够发挥"天眼"优势,为白洋淀水域治理与保护、大规模城建物的选址、绿色生态涵养区的规划等雄安新区功能区规划与环境治理提供技术支撑,而且能够进一步支持雄安新区的动态地理空间规划与建设.     

浅型富营养湖泊的生态恢复——五里湖水生植被重建实验

依据浅型湖泊生态系统的多稳定态理论,在富营养湖泊治理过程中,当外来污染得到有效控制时,通过人工重建水生植被可以加速湖泊的生态恢复。在五里湖中,挺水植物和浮叶植物都能很好地生长,水底光照不足是沉水植物难以生长的主要原因。在自然条件下建成了永久性挺水植物群落和浮叶植物群落,在人工控制的围隔环境中改善了水底光照条件,建成了沉水植物群落。但这些沉水植物仍不能渡过夏季,主要原因是湖水过深和水温较高,降低水位和建造人工浅滩可为五里湖沉水植被恢复创造有利条件。本研究可为富营养水体的水质控制和植被恢复提供多种实用技术,但在水生植被的结构与环境功能等方面仍需开展深入的定量研究。     

Impact of water resource exploitation on the hydrology and water storage in Baiyangdian Lake

Water resources development and exploitation are critical for a viable and sustainable modern human society. Unfortunately, however, there is a considerable water storage depletion and environmental degradation in especially (semi)‐arid river basins due to the forces of population growth, urbanization, industrialization and intensive agricultural irrigation. Addressing water storage depletion is not only a question of research, but is very much a question of developing appropriate countermeasures to preserve valuable/fragile ecological systems. As one such effort, this study analyzes the hydrology and storage in Baiyangdian Lake as affected by water resources development and exploitation in the Baiyangdian Lake Catchment of Northern China. Three models, WetSpass (Water and Energy Transfer between Soil, Plants and the Atmosphere under quasi‐Steady State), WATBUD (Water Budget) and MODFLOW (USGS three‐dimensional finite‐difference groundwater flow model) were used in combination to simulate the hydrogeologic conditions in the lake catchment for 1956–2008. The model‐calibrated values are in good agreement with the measured values, with R² > 0·8 and RMSE < 10% of measured values. Runoff, the primary source of water for the lake storage, has steadily declined due mainly to multiple dam construction and reservoir impoundments in the headwater valleys and rivers in the catchment. In addition to dwindling runoff, groundwater levels have declined considerably due to over‐abstraction, mainly for agricultural irrigation. Additionally, evaporation or evapotranspiration is increasing in the lake catchment due to rising temperatures. The worsening hydrological conditions, amid the harsh semi‐arid climate, have resulted in considerable depletion of the storage and hydrology of Baiyangdian Lake. Sustainable countermeasures like agricultural water‐saving and infusion of external water (e.g., via by the South–North Water Transfer Project) could be a viable option for preserving not only the hydrology of the lake catchment, but also storage in Baiyangdian Lake. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

抚仙湖北部沉水植被演变规律及其生态指示意义（1987—2020年）

抚仙湖有近210亿m³的优质淡水资源,具有重要战略价值,但是近年来出现水质退化的现象.沉水植被是湖泊生态系统功能维持的重要生物门类,其演变过程能反映和影响整个生态系统的变化,目前还缺乏对抚仙湖沉水植被长期连续地观测记录.本文基于Landsat遥感数据分析了抚仙湖北部沉水植被面积的动态变化,结合气候变化和水质水文要素分析发现：抚仙湖北部湖区沉水植物在1987—2020年间存在先减少后增加的变化趋势;1987—1995年,沉水植物分布面积约占北部湖区面积的1.64%;1996—2010年北部湖区沉水植被分布面积缩减,湖泊处于高水位低营养状态,水位上升是此时期沉水植物面积减少的主要原因;2011—2020年,水位降低,营养增加,营养和水位的共同作用导致抚仙湖北部湖区沉水植物面积显著增加.沉水植物覆盖度变化伴随着沉水植被以苦草为优势种群转为以穗花狐尾藻为优势种群,沉水植被结构转向耐污染性更强的属种.通过抚仙湖北部湖区沉水植被发育与营养、水位等驱动因子的关系分析,建议现阶段需要严格限制入湖氮磷排放,强化水生植被的长期动态监测,构建水量、水质、水生态一体化监测体系,并开展抚仙...     

小白洋淀水-沉积物系统多环芳烃的分布、来源与生态风险

以端村小白洋淀为研究对象,利用GC-MS测定了6个样点水、悬浮物和沉积物中15种优控多环芳烃(PAHs)的含量,分析了其组成与来源特征,探讨了不同多环芳烃单体的生态风险,结果表明:(1)15种优控多环芳烃的总含量(PAH15),水相为40.1-74.0ng/L,算术均值51.0ng/L;悬浮物为2438.0-5927.0ng/g,算术均值4528ng/g;沉积物为466.9-1366.4ng/g,算术均值为755.6ng/g;与国内外有关研究相比,污染较轻,(2)三相中均以2、3环PAHs为主,其比例均高于80%;并且,从水相、悬浮物相到沉积物相,2环PAHs依次降低,3环、4环依次升高,高环检出率和含量也依次升高,(3)沉积物中多环芳烃的来源以生物质燃料(秸秆、薪材)和煤的燃烧为主,以液体化石燃料(汽油、柴油和原油)的燃烧为辅,(4)沉积物中的芴(FLO)、菲(PHE)含量在潜在生态风险效应区间低值(ERL)与中值(ERM)之间,其生态风险几率介于10%-50%之间;其他PAHs单体的含量均低于ERL,其生态风险几率均低于10%.     

Study on vegetation ecological water requirement in Ejina Oasis

The Ecological Water Requirement (EWR) of desert oasis is the amount of water required to maintain a normal growth of vegetation in the special ecosystems. In this study EWR of the Ejina desert oasis is estimated through the relational equation between normalized difference vegetation index (NDVI), productivity and transpiration coefficient, which was established by a combination of the RS, GIS, GPS techniques with the field measurements of productivity. The results show that about 1.53×108 m3 water would be needed to maintain the present state of the Ejina Oasis, and the ecological water requirement would amount to 3.49×108 m3 if the existing vegetation was restored to the highest productivity level at present. Considering the domestic water requirement, river delivery loss, oasis vegetation water con-sumption, farmland water demand, precipitation recharge, etc., the draw-off discharge of the Heihe River (at Longxin Mount) should be 1.93×108―2.23 ×108 m3 to maintain the present state of the Ejina Oasis, and 4.28×108―5.17×108 m3 to make the existing vegetation be restored to the highest productiv-ity level at present.     

白洋淀沉积物-沉水植物-水系统重金属污染分布特征

通过对白洋淀沉水植物及对应沉积物和水中Cd、Pb、As含量测定,以期揭示白洋淀沉积物-沉水植物-水系统中重金属污染状况及分布规律,明确不同沉水植物对重金属的富集能力.结果表明,地表水Cd、Pb、As浓度均符合我国地表水I类水质标准,不同采样区重金属浓度差异不显著.上覆水Pb浓度显著高于地表水和间隙水,间隙水As浓度显著高于地表水和上覆水;地积累指数法和潜在生态危害指数法评价结果表明,沉积物中重金属污染程度表现为Cd > Pb > As,Cd污染最严重,达到"轻度-偏重度"污染程度,"中等-极强"生态危害级别,As为清洁水平,不同采样区重金属污染程度表现为生活水产养殖区 > 纳污区 > 淀边缘区;沉水植物重金属富集能力表现为金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.） > 菹草（Potamogeton crispus L.）和穗状狐尾藻（Myriophyllum spicatum L.） > 篦齿眼子菜（Potamogeton pectinatus L.）.植物体内重金属含量与体内氮、磷含量呈显著正相关,氮、磷营养盐影响沉水植物对重金属的富集.