青藏高原高寒草地小流域水体碳氮输出特征及其影响因素

以青藏高原长江源区典型高寒草地小流域为研究对象,基于2012年小流域气象监测数据和小流域径流水样分析,探讨了小流域水体碳氮输出特征,分析了气象因子和土壤水热对小流域水体碳氮输出的影响。结果表明,径流水体碳氮质量浓度均较低,其中可溶性有机碳(DOC)、可溶性有机氮(DON)、铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)含量分别在2.95~6.96mg.L-1、0.45~1.15mg.L-1、0.02~0.88mg.L-1和0.16~0.36mg.L-1之间;DOC、DON、NO3--N在8~10月份之间随时间逐渐升高,9月中旬达到峰值后波动下降,NH4+-N无显著的季节变化特征,溶解氮中DONNO3--NNH4+-N;DOC和DON的输出量与降水、不同土层(20、40、60、90、120cm)地温和不同深度(10、20、40、60cm)土壤水分、水温呈极显著正相关(P0.001),与90、120cm土壤水分呈极显著负相关(P0.001);NH4+-N的输出量与降水、气温、水温呈显著正相关(P0.05);NO3--N与降水呈极显著正相关(P0.001)。     

青藏高原多年冻土区两种高寒草地生态系统土壤氮季节变化及其与环境因子的关系

在气候变化背景下,青藏高原多年冻土区生态环境发生着一系列变化并进一步影响土壤氮循环过程,但目前冻融循环及植被生长周期中土壤氮的动态变化还不清楚。以青藏高原腹地的风火山和特大桥地区的两种典型草地生态系统为研究对象,分析了土壤可利用氮（NH₄⁺-N、NO₃^--N、DON）及微生物量氮（MBN）的季节变化。结果表明：土壤铵态氮（NH₄⁺-N）及可溶性有机氮（DON）含量在非生长季高于生长季,土壤硝态氮（NO₃^--N）在生长季高于非生长季;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤NH₄⁺-N在融化期含量较高;土壤MBN在植被生长旺盛期降低,在植被生长后期升高;风火山地区高寒草甸生态系统中土壤MBN含量、特大桥地区高寒草原生态系统中土壤可利用氮总量与土壤全氮（TN）含量显著正相关。这表明,土壤全氮含量、植被吸收以及冻融作用均可引起土壤可利用氮及MBN的季节变化。     

沱江流域沉积物中氮赋存状态及其垂向分布特征

2004年2月发生在沱江的特大水污染事故给沱江流域的生态环境造成了严重的危害,近年来受工农业和沿岸居民生活的影响,沱江的生态环境依然遭受着一定程度的污染,但对沱江流域氮的地球化学研究甚少。沉积物是水环境中污染元素的重要蓄积库或释放源,为揭示沉积物中氮赋存状态迁移转化特征,并评估该地区生态环境修复状况,本文参照Mackin应用的沉积物中吸附态氨氮提取方法和Smart建立的沉积物中总氮提取方法,采用分光光度法针对沱江流域金堂地区冬季沉积物,开展了河流沉积物中总氮(TN)、可交换态氨氮(AN)、有机氮(ON)赋存状态分析,并对比了十年前后该地沉积物中氮赋存状态的变化情况。实验结果表明:TN含量为518.913~4386.899 mg/kg,ON含量为101.531~3793.683 mg/kg。在-3 cm以上,TN和ON含量较高,且ON是TN的主要组成部分;随着深度增加,两者含量迅速减少,AN含量略有降低。与十年前该地区沉积物中氮的相关数据对比,TN含量增加,其中AN含量增加明显;在-3 cm以上,ON、TN在表层沉积物中增加明显。研究认为:沱江流域沉积物中的氮已经作为内源氮释放至间隙水甚至上覆水中,同时存在外源污染,致使沉积物表层有机氮以及总氮含量升高明显。     

无定河流域碳氮稳定同位素研究

对黄河中游一条很有特点的高悬沙支流--无定河流域进行了碳氮稳定同位素调查,发现该流域植被的碳氮同位素组成分布范围很广,碳同位素组成呈现出明显的双峰特征,说明该流域生态系统属于C3和C4混合植被类型.植物的氮同位素组成与碳同位素组成之间并不存在相关关系.沿河沉积物中的碳氮同位素组成之间存在有弱负相关性.河水悬浮体中碳氮同位素组成显示出良好的负相关关系,反映出该河悬浮体中主要有2种物质来源以及具保守性的物理混合特征.根据无定河流域植被、土壤、沉积物的碳同位素调查结果,估算出该河流颗粒有机质中C3植物碳的贡献可占75%～80%.河水悬浮体中有机质的控制性来源是中下游陆地侵蚀物质,同样也反映了流域植被的同位素特征,C3植物碳的贡献占优势.初步的研究结果已经证明,在研究河流中生源要素的输送通量与降水及径流过程之间的关系和河流物质与陆地生态环境变化之间的关系时碳氮稳定同位素示踪应该是十分有效的手段.     

西安浐河、灞河硝酸盐氮同位素特征及污染源示踪探讨

硝酸盐是河流主要污染物之一,近些年,对西安市各主要河流监测发现硝酸盐氮污染有加重的趋势,然而对这些河流硝酸盐氮污染源尚缺乏足够的认识.由于不同氮来源的硝酸盐氮同位素组成不同,氮同位素示踪技术被应用到河流硝酸盐污染源方面的研究.笔者通过对西安市东部补给水源(泸河、灞河)无机氮含量变化调查,并利用河水硝酸盐氮同位素组成和特征,初步讨论了这两条河流硝酸盐氮的可能污染源.结果显示,泸河、灞河在源头附近δ15N-NO3是由岩石和天然土壤中的有机氮起主导因素;中游δ15N值偏重是由于农业活动施加化肥引起;下游δ15N达到最高,说明工业废水、生活污水和粪肥的影响占主导.该结论为以后深入研究陕西地区河流水质提供基础.     

中国西南河流碳、氮运移机制及其对水文条件变化的响应:以西江为例

流域碳、氮的生物地球化学循环过程关联着区域/全球尺度的气候变化,同时受到气候条件变化的影响。本次研究以我国西南喀斯特地区的西江为例,通过时间序列的高频次样品采集和分析,揭示水文条件变化对河流碳、氮动态变化的影响及其控制机制。结果表明,在高流量条件下,化学风化的加速、土壤CO2的汇入及流域内有机质的降解导致了水体δ13CDIC偏负,碳酸盐矿物的快速风化致使河水HCO3-浓度表现出强烈的"化学稳定性";对DIC、δ13CDIC、流量、温度的联合分析表明,矿物溶解、土壤CO2的汇入与河流中有机质降解的共同作用导致了西江河水碳动态的季节变化;河水NO3-浓度在高流量条件下并未表现出明显的稀释效应,反应了人为输入和化学转化过程对NO3-浓度的影响;硝酸盐氮、氧同位素的分析结果表明,西江NO3-来源受人为活动影响较大,主要转化过程为硝化作用;同位素和水化学证据表明碳酸、硫酸、硝酸共同参与流域岩石化学风化,雨季外源酸参与风化的减弱是河流中HCO3-稀释的重要原因。     

星云湖南岸主要入湖河流氮入湖污染特征及南岸调蓄系统削减效果研究

为明确星云湖主要入湖河流向湖体的氮素营养盐输送特征,研究以星云湖南岸4条主要入湖河流单元雨季与旱季不同形态氮素的监测数据为基础,系统研究了星云湖南岸主要入湖河流单元不同形态氮的入湖浓度时空变化及不同形态氮对入湖TN的贡献,并探讨了已建南岸带状调蓄系统入湖污染削减效果。结果表明:①星云湖南岸主要入湖河流单元TN浓度为1.1～18.69 mg/L,DTN浓度为1.88～8.61 mg/L,且农田径流污染导致雨季TN浓度均高于旱季。②南岸大多数入湖河流单元样点中氮素以NO_3-N为主,占TN 39.49%;PN和NH3-N含量相近,分别占TN的28.50%与24.75%;DON含量相对较少,占TN的9.97%。雨季NH3-N、NO_3-N及PN对入湖TN的贡献显著增加。③星云湖南岸四条入湖河流在经过调蓄系统调蓄后,TN浓度均呈现下降趋势,TN平均削减率达到32.35%。不同形态氮素削减效果以NO_3-N最佳,平均削减率达到58.22%;NH_3-N及PN削减效果相对不显著。④星云湖南岸带状调蓄系统应考虑不同形态氮污染季节性差异,并进一步与湖滨湿地串联,提升调蓄系统对NH_3-N与PN的削减效果。     

大气有机氮沉降及其对海洋生态系统的影响

有机氮是大气中含氮物质的重要组成部分。大气中有机氮化合物的种类繁多,按其存在的形态可分为：氧化型、还原型以及生物/颗粒型有机氮,这些有机氮可来自自然源和人为源的直接释放,也可来自于无机氮与碳氢化合物间的大气化学反应。大气有机氮对海洋的输入不仅可以促进海洋初级生产力的增长、进而增加二氧化碳的吸收速率,还可能影响海洋生态系统的结构和功能。分析了海洋大气有机氮沉降的最新研究进展,结果表明：气溶胶中的有机氮在总氮中所占的比例为39.6%±14.7%;陆地雨水中以有机形式存在的溶解氮为30.2%±15.0%,而海洋上,溶解有机氮可达到雨水中总氮的62.8%±3.3%。可见,目前仅包括无机氮沉降的入海通量可能低估了1/3。因此,开展大气有机氮沉降的研究,有助于评价有机氮在全球氮循环中的作用,以及对海洋生态系统的短期和长期的影响。     

我国西南地区氮沉降量不同的森林小流域中土壤自然15N丰度的分布特征

稳定性同位素¹⁵N自然丰度法近年来在生态系统氮素循环研究中发挥了和正在发挥着极为重要的作用。在森林生态系统中,自然¹⁵N丰度值是氮循环转换的综合结果,被有的研究者用作生态系统氮饱和状态的指示指标。在本研究中,我们测定了我国西南三个典型森林小流域的植物和土壤的自然¹⁵N丰度值,并进行了比较。植物的自然¹⁵N丰度值的变化范围为-5.0‰~2.7‰,土壤自然¹⁵N丰度值的变化范围为从有机层的 -6.9‰增加到矿质土壤的6.9‰,这些值的变化范围和温带森林生态系统的自然¹⁵N值的变化范围没有明显的区别。在土壤表层,鹿冲关和铁山坪的自然¹⁵N丰度值是明显低于雷公山流域的。在缺氮的鹿冲关流域,土壤表层低的¹⁵N丰度值表明了该流域比较封闭的氮循环状态,而在氮相对饱和的铁山坪流域表层土壤并没有出现¹⁵N富化,这可能是由于大量¹⁵N贫化的氮沉降输入的结果。这些结果表明,土壤的¹⁵N丰度值在我国西南部并不一定能单独作为森林生态系统氮饱和程度的指示指标, 但土壤和植被的δ¹⁵N值对于理解当地森林生态系统的氮循环具有一定的意义。     

滁州花山水文实验流域径流与氮素耦合模拟研究

采用SWAT模型方法对滁州花山水文实验流域进行了径流与氮素耦合模拟,探讨了流域土地利用对氮素输移的影响。构建了花山水文实验流域SWAT模型,采用2008年1月~2013年12月的降雨、径流等数据对径流模型进行率定和验证,以2012年5月~2013年12月的氮浓度监测数据对氮负荷模型进行验证。利用所建立的模型对现状土地利用情形和土地利用变化情景假设下进行了径流与氮素耦合模拟,计算了现状和不同土地利用情景假设下流域的径流深和氮负荷。结果表明:汛期的氮流失量占全年氮流失的比重较大,每年的汛期是控制氮流失的关键时期;旱地的氮流失潜力较水田大,林地的增加对氮负荷具有一定的消减作用;控制氮肥的使用,加强水土保持能力,可以有效减少流域氮负荷。     

太湖流域雪堰镇氮素流失规律及形态特性

以太湖流域雪堰镇为例,通过2009年3月~2010年2月连续12个月及两场次降雨事件的水质监测进行分析,研究不同河流、月份、区域、汛情、土地利用类型下氮素流失规律及形态特性,分析降雨过程中不同尺度3个流域(上涧村、龙泉河、雪堰镇)氮流失特征和不同河段氮流失规律。研究结果表明,雪堰镇氮素为劣Ⅴ类,非汛期污染比汛期严重,变化幅度大,不稳定,氮以溶解态为主,溶解态氮以硝氮为主;镇区硝氮浓度较非镇区低,氨氮比非镇区高,坑塘水面氮流失最严重,有林地(乔木较多)氮流失最少,茶园硝氮占溶解态氮百分比最高,果园氨氮占溶解态氮百分比最高;降雨前期未产流前氮素流失稳定,产流后流失越来越大,不同河段氮沿程变化基本稳定。     

典型断陷盆地流域生态系统服务价值时空差异研究

以典型断陷盆地——小江流域为研究对象,以1982年的TM影像、2003年的Landsat ETM+影像和2016年的Landsat OLI影像为数据源,结合云南省测绘局所提供的150 000的土地利用状况图,采用 Costanza 公式对生态系统服务价值进行评估,精细刻画出云南小江流域“盆—山”共存的地质分异结构下生态系统服务价值的时空变化特征。结果表明:（1）小江流域以农田生态系统为主,研究期内生态系统格局总体稳定,耕地、建设用地、林地和园地都有不同程度的增加,而未利用地面积减少,水域面积基本不变;（2）1982-2016年,研究区生态系统服务总价值呈上升趋势,1982、2003和2016年生态系统服务总价值分别为90.11×108元、105.65×108元和136.81×108元,耕地、林地、园地和水域的生态系统服务价值整体上升,而未利用地的生态系统服务价值减少;（3）整体上,小江流域南部和东部生态系统服务价值增加明显,而中部和西部地区生态系统服务价值呈阶段性变化或持续下降趋势,小江岩溶河谷区的生态系统服务价值最高,而沉积平坝区的生态系统服务价值密度最低,且为唯一一个衰退型生态系统服务功能区;（4）研究期内小江流域各项生态系统服务价值均呈上升趋势,调节服务居主导地位,且以气候调节服务价值最高。小江流域生态系统服务价值缺乏弹性,水域生态系统面积变化对研究区生态系统价值的变化具有放大作用。实施封山育林、退耕还林、小流域治理工程等石漠化综合治理工程可增加生态系统服务价值。      

内陆河流域水文过程研究的一些科学问题

水科学研究的发展,对水文科学提出了新的挑战,即如何在流域、区域和全球尺度进行学科交叉、综合集成和协同研究,从而更全面地认识水在地球资源和环境变化中的作用,认识水圈及其与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用。为了解内陆河流域水文循环和水量平衡各分量之间的变化和转化关系及其与生态和环境之间的相互作用,以及对全球变化和人类活动的响应和反馈,基于内陆河流域上游山区径流形成区、中游人工绿洲水资源开发利用区和下游荒漠绿洲径流散失区的流域水文循环特征,从能水通量、生态和生物地球化学过程讨论了山区水文过程;从生态水文、尺度转换、阈值和反馈讨论了水文和植被的相互作用;从国外提出的关键作用带的概念讨论了内陆河流域地下水—土壤—植被作用层的水文过程。提出了开展内陆河流域水文过程观测和研究的基本框架。     

干旱区内陆河流域的生态安全与生态需水量研究——兼谈塔里木河生态需水量问题

结合对干旱区生态安全和生态需水量关键科学问题的探讨,提出干旱内陆河流域生态脆弱区的生态安全分析是以水过程研究为核心的,水文过程控制着生态过程,对流域生态系统的稳定性有着直接影响,而水资源开发利用和水循环对生态系统功能有重要影响,天然植物恢复和生长的合理地下水位的研究是确立生态需水量的基础.并实证分析和计算了维系塔里木河生态安全的生态需水量,塔里木河干流现状生态需水量为31.74×108 m3,其中,上、中、下游分别为9.95×108 m3、18.47×108 m3和3.32×108 m3.     

哈尔滨-绥化地区土壤氮储量及其时空变化特征

依据多目标区域地球化学调查成果,按照中国地质调查局下发的《全国土壤碳储量及各类元素（氧化物）储量实测计算暂行要求》,以表层土壤样品分析单元（4 km²）为计算单位,对哈尔滨-绥化地区表层土壤（0~20 cm）氮储量进行计算.研究了不同生态系统和不同土壤类型土壤氮储量、氮密度的差异,研究了20年来土壤氮储量的变化特征及成因.结果表明研究区土壤氮储量略微增加,这主要是由于湿地生态系统和森林生态系统对土壤的固氮效果显著造成的.     

Simulation of nitrogen and phosphorus loads in the Dongjiang River basin in South China using SWAT

Population growth, urbanization, and intensified agriculture have resulted in mobilization of nitrogen and phosphorus, which is the main cause of river water quality deterioration. Environmental regulation has expedited the necessity for agricultural producers to design and implement more environmentally suitable practices. Therefore, there is a need to identify critical nutrients and their loss/transport potential. Watershed model can be used to better understand the relationship between land use activities/management and hydrologic processes/water quality changes that occur within a watershed. The objective of the study is to test the performance of the SWAT model and the feasibility of using this model as a simulator of water flow and nitrogen and phosphorus yields over the Dongjiang River basin in South China. Spatial data layers of land slope, soil type, and land use were combined with geographic information system (GIS) to aid in creating model inputs. The observed streamflow and sediment at Boluo station in the Dongjiang River basin were used to calibrate and validate the model. Time series plots and statistical measures were used to verify model predictions. Predicted values generally matched well with the observed values during calibration and validation (R ²≥0.6 and Nash-Suttcliffe Efficiency ≥0.5) except for underestimation of sediment peaks and overestimation of sediment valleys at Boluo. This study shows that SWAT is able to predict streamflow, sediment generation, and nutrients transport with satisfactory results.     

Transport of dissolved organic nitrogen in Mississippi River plume and Texas-Louisiana continental shelf near-surface waters

Dissolved organic nitrogen (DON) in near-surface (<20 m depth) waters of the Texas-Louisiana continental shelf is the predominant form of total dissolved nitrogen that is advected by the Mississippi-Atchafalaya River plume. Relatively high DON concentrations associated with low-salinity (<33 psu) waters throughout the year can be traced within the plume along the Texas-Louisiana inner shelf. DON concentrations throughout the shelf were significantly higher near the Mississippi-Atchafalaya outflow region relative to downstream inner Gulf shelf locations. Significant intercruise variations were also evident, with the highest concentrations during May 1992 and lower values in October 1992. At a fixed location off the Mississippi River outflow region DON concentration covaried inversely with salinity on time scales of hours to months, confirming that source water is a determining factor for variations of bulk DON concentrations in the region. Similar variations in upper water DON concentrations at different locations and seasons occurred in both plume and nonplume waters, which resembled the seasonal concentration changes of riverine nitrogen, and show that this pool is useful in tracing the influence of riverine-derived nitrogen on the overall nitrogen balance of the NW Gulf of Mexico’s continental shelf. Plume and nonplume DON concentrations deviated from mixing lines between riverine and oceanic endmembers, suggesting that plume waters may be a sink and nonplume waters may be a source of a labile fraction of DON in the region.     

内陆河流域山区水文与生态研究

以河西走廊黑河干流山区流域为例,从山区水文循环、水文与生态系统以及径流形成和预测等方面讨论山区流域水文和生态相互作用研究的有关问题。山区降水的空间和时间分布规律和固态、液态降水组成变化主要受制于海拔和地形的影响,而不同海拔和地形条件下的下垫面不同土地覆被和复杂的空间异质性则主要影响蒸散发量。对内陆河山区流域的水文小循环的研究,有助于进一步研究和认识内陆河流域上、中、下游水文和生态系统的相互联系问题。至今,对山区水文过程与生态系统的相互作用问题的研究还非常薄弱,需要研究山区森林草地生态系统在山区水文循环中的作用以及在维持和保护山区生态和环境中的作用和意义。内陆河流域山区水文过程复杂而综合性强,须加强对山区径流形成机理的多学科交叉研究,不断改善出山径流对气候变化和人类活动响应过程的模拟和预测水平。     

Variations in nitrogen isotopic values among various particle-sized fractions in modern soil in northwestern China

Ratios of stable nitrogen isotopes in organic matter derived from plants and preserved in soil are potential tracers for nitrogen cycles in natural ecosystems and valuable for evaluation of climate change. However, the rela-tionship between nitrogen isotopic compositions in surface soil and in plant litter during the decomposition process from plant litter to soil organic matter is not well understood. By using nitrogen isotopic analysis of soil parti-cle-sized fractions, nitrogen isotope discrimination between plant litter and surface soil organic matter in various modern ecosystems in northwestern China was conducted. The results of our study indicate that: (1) in general, the nitrogen isotopic compositions of particle-sized fractions from surface soil are different, and δ15N values increase from plant litter to fine soil organic matter; (2) the δ15N values in the soil particle-sized fractions become larger with increasing relative humidity and temperature, and the largest variation in the δ15N values is from -5.9‰ to -0.3‰; and (3) under a controlled climate, significant nitrogen isotope differences in δ15N values (Δδ15Nplant-soil) between plant litter and bulk soil organic matter were observed, with the values of 1.52 to 4.75 at various sites. Our results suggested that comparisons of Δδ15N values between bulk soil and the particle-sized fractions of soil could reveal the effect of humidity on transferring process of nitrogen from plant to soil in arid and semi-arid ecosystems.