潜流带水文-生物地球化学:原理、方法及其生态意义

精确量化潜流带水文交换和生物地球化学反应一直是一个挑战,潜流带水文-生物地球化学研究的核心任务是将小尺度上的水文通量及生物地球化学反应动力学与更大尺度上它们对河流水质和生态的累积效应关联起来.基于潜流带水文-生物地球化学耦合原理,系统综述了渗流仪测量、测压管测量、示踪剂注射试验、温度示踪等潜流带水文学研究方法以及野外示踪试验、室内培养试验等生物地球化学研究方法,针对性地评述了潜流带水文-生物地球化学过程在更大尺度上的累积效应及其对河流生态系统的重要意义,并指出未来的研究将从潜流带研究技术方法的先进化、水文地貌理论与模型的深入化和潜流带生物地球化学过程的尺度化等方面持续地发展.      

河流水系连通性机制及计算方法综述

河流水系连通性具有水文调蓄、保障生物迁徙通畅、改善水土环境等功能,目前主要从水文、景观和生态等方面对其进行了定义,而河流水系连通性对社会发展也发挥着重要作用,故河流水系连通性具有自然和社会双重属性,其连通性机制主要表现为纵向、横向、垂向连通性。目前主要从景观学、水文学、水力学、生态学等学科角度提出了图论法、水文-水力学法、景观法、生物法和综合指标法等计算方法,各方法有其适用性和不足,应用中须针对实际问题选择适宜方法或进行修正。河流水系连通性未来研究应综合多尺度、多领域、多学科,在研究内容上,重点开展尺度协同、连通性含义界定、响应机理及修复问题研究,在研究手段上,重点开展多方法、多技术集成问题研究。     

河岸带潜流层动态过程与生态修复

河岸带潜流层是河岸带内地表水与地下水相互作用的生态交错带,在水文地理学、生态学、环境学上含义不尽相同。河岸带潜流层具有复杂的垂向、横向、纵向结构特征,其边缘效应显著,表现为泥沙、水流、生物、环境化学因子之间的复杂动态过程,主要包括水动力动态过程、生态学过程、溶质循环与化学过程等。水动力动态过程是驱动条件,氧气浓度是生态过程、溶质循环和化学过程的决定性因素。在各动态过程的驱动下,河岸带潜流层具有调蓄洪水、削减污染、净化缓冲环境和提供适宜栖息地等功能。针对河岸带潜流层功能退化的问题,需开展健康诊断,明确致病机理,实施适宜的生态修复。未来中国在开展河岸带潜流层研究时,应根据中国河岸带特点,采用示踪试验、数值模拟等方法,集成GIS等现代技术手段,研究多尺度下,水文条件、地形变化、土壤渗透系数、河岸带建设方式、植被分布等对河岸带潜流层水文、热传导、生化、生态等的影响机制,准确界定河岸带潜流层区域范围,制定适宜的生态修复策略。     

河道潜流交换水动力过程现场监测研究进展

河道潜流带是河水与地下水交互作用的关键过渡区,具有高度的动态性和敏感性,频繁的水力交换易引发其内部的生物地球化学反应,并对河流生态安全产生重要影响。为提高河道潜流交换水动力监测结果的真实性和有效性,介绍渗流、水压、溶质、温度等监测方法及其适用性,归纳河床和河岸的监测点布设参数和不同监测手段的数据采集频率,系统总结河段、河床及河岸的潜流交换理论与计算方法,探讨导致潜流监测结果不确定的因素。针对现有监测方法的不足和未来研究的发展方向,提出今后需加强多方法联合监测和多技术集成的应用,开展河岸侧向潜流监测及不确定性分析等工作,为潜流带水文-生物地球化学过程耦合机制研究提供可靠数据。     

生态水文科学研究的现状与展望

生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域 ,其核心内容是揭示不同环境条件下植物与水的相互关系机理 ,探索各种植被的生态水文作用过程。近年来 ,生态与水文相互作用过程的数学模拟和专门模型研制日益成为重要的发展领域 ,同时 ,生态水文学的研究十分注重尺度效应 ,把在一定尺度上获得的水文与生态原理或模型向其它不同尺度转换已成为最具挑战性的问题。山地生态系统成为全球变化研究最为重要的研究场所 ,开展与全球变化相关的生态系统物质与能量循环、生态过程的梯度效应及其与水文过程的耦合关系、生态系统结构与功能及其变化等方面的研究 ,是生态水文学研究最具活力的方向 ,其中建立包含区域气候变化因素的多元生态过程动态模拟模型 ,并使该模型具有不同时空尺度、不同地貌和生态带的广泛适应性是目前广泛关注的热点问题。     

基于生态系统服务的生态保护修复研究——以秦巴生物多样性生态功能区为例

我国高度重视生态保护工作,随着全国生态修复工程的实施,对生态修复实施理论与实践的影响和思考鲜有研究。秦巴生物多样性生态功能区是《全国主体功能区规划》25个国家重点生态功能区之一,同时也是《全国生态功能区划（修编版）》63个重要生态功能区中的秦岭——大巴山生物多样性保护与水源涵养重要区,具有重要的生物多样性维护和水源涵养功能。本文以秦巴生物多样性生态功能区陕西省镇安县为例,结合实际情况选择与归并地类,探讨生态系统服务价值评价在区域生态保护修复中的应用研究。研究结果表明：（1）镇安县各土地类型二级生态功能生态服务价值逐渐降低。食物生产、原料生产、水资源供给、气体调节、土壤保持、维持养分循环等6项生态服务价值都出现不同程度的下降,2011-2020年间生态环境服务价值变化率绝对值最大的是土壤保持功能,为60.05%;(2)镇安县生态环境保护修复需要重点关注土壤保持功能、水文调节生态系统功能以及水资源供给功能;（3）本文提出以农业空间综合整治、城镇空间综合整治以及生态空间生态修复为方向与目标的生态保护修复工程方案;（4）根据镇安县生态红线划定成果,本文确定了确定生态保护红线范围、自然保护区、水...     

生态水文科学古人的现状与展望

生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域，其核心内容是揭示不同环境条件下植物与水的相互关系机理，探索各种植被的生态水文作用过程。近年来，生态与水文相互作用过程的数学模拟和专门模型研制日益成为重要的发展领域，同时，生态水文学的研究十分注重尺度效应，把在一定尺度上获得的水文与生态原理或模型向其它不同尺度转换已成为最具挑战性的问题。山地生态系统成为全球变化研究最为重要的研究场所，开展与全球变化相关的生态系统物质与能量循环、生态过程的梯度效应及其与水文过程的耦合关系、生态系统结构与功能及其变化等方面的研究，是生态水文学研究最具活力的方向，其中建立包含区域气候变化因素的多元生态过程动态模拟模型，并使该模型具有不同时空尺度、不同地貌和生态带的广泛适应性是目前广泛关注的热点问题。     

河流梯级开发生态环境效应与适应性管理进展

筑坝蓄水将迫使淹没区陆生生态系统退化消失,改变其下游受影响河段的环境与生态,破坏自然河流连续性与连通性,是影响河流生态系统显著且强烈的人类活动。河流梯级开发对其生态系统的影响可能存在"累积效应",即将大坝拦截阻隔对河流生态系统的影响逐级"放大"。然而,"累积效应"的作用对象、途径与水文生态机制目前仍不明晰。不仅如此,河流梯级开发的适应性管理的对象、目标、时空范围与作用途径等已不能简单地参照或套用当前以恢复水文自然情势来修复河流生态系统为主线的实践模式,其适应性管理取决于对河流—水库系统生态结构功能、演替规律的科学认识,也受到多利益主体的制约和影响。长江上游梯级开发在全球大河流域开发中独树一帜,将深刻改变长江上游河流生态格局。对长江上游梯级开发的适应性管理应以优化河流—水库生态结构功能、维持河流—水库生态系统健康为目标。揭示长江上游梯级开发"累积效应"的作用对象与形式,通过优化提升生态系统服务以权衡多利益主体诉求,构建长江上游绿色水电运营管理新体系,值得进一步探索。     

河流潜流带地表-地下水过程对典型水生生物活动的响应研究进展

河流潜流带是地表-地下水连通和交换的主要区域,地表-地下水过程不仅促进了生源物质的迁移转化过程,还能涵养水源、稳定区域生境,为水生生物提供良好的栖息环境。因此掌握水生生物活动与地表-地下水交换关系是深刻认知和科学保护水生生态系统的关键。本文综述了前人有关水生生物活动反馈于地表-地下水交换过程的研究,例如,底栖微生物形成的生物膜可以吸收或滞留生源物质,改变迁移的时间和路径;水生动物的行为可能通过改变河床渗透系数和孔隙率等物理参数影响各类物质的地表-地下水交换通量;水生植物对水流的阻滞和扰动也会作用于地表-地下水交换过程。基于目前研究,本文提出了该领域的3个未来研究方向：潜流交换和水生生物互馈理论,水生生态功能与地表-地下水相互作用关系,河流潜流带生物-地球-化学耦合过程。     

山坡表层关键带结构与水文连通性研究进展

山丘区是洪水的"策源地",山丘区坡地、沟谷及间歇性河道为洪水的形成提供了通道,同时也是水文连通时空变化最为强烈的地带。然而,对流域表层关键带结构特征及其水文连通机制等的认识尚存不足,限制了产汇流理论及模型方法的发展和应用。通过对比国内外山坡水文实验,发现山坡物理结构连通性控制并深刻影响着水流的连通过程,现有水文连通实验侧重孔隙等微观尺度的规律研究,与水文模型理论存在尺度上的巨大偏差。为此,提出水文连通性应侧重揭示水流在山坡地表、地下的宏观表象通道及分布特征,探索径流连通的动力学机制,即山坡水文连通性研究重在剖析其结构特征的水文累积效应,应保持关键带结构特征合理概化与产汇流理论适度复杂之间的平衡。     

筑坝对河流生态系统影响研究进展

河流是陆地生态系统和水生态系统间物质循环的通道,筑坝人为改变河流物理、化学、生物地球化学循环模式,影响河流生态系统的结构、功能.分析了筑坝对河流水文水力特性、生源要素(氮、磷、硅等)、水生态系统结构和功能的影响以及河流生态系统恢复等研究的进展.随着水库成为陆地水分循环的一个主要组成部分,对流域生态系统健康的影响日益显著,进而对大坝的生态效应、河流生态恢复等需要进行深入的研究,减轻大坝的负面效应.     

多水塘系统水文连通及其对磷输移影响研究进展

多水塘系统是农业流域常见的小型水利工程,空间交错的沟塘结构导致其水文连通过程复杂多变,对流域营养盐截源控污影响显著。为强化多水塘系统水文连通对磷输移影响的认知,以多水塘系统及其水文连通的定义内涵为切入点,归纳了多水塘水文连通性评估方法;基于景观格局、水文过程和生物地球化学过程聚焦多水塘系统对磷输移的调控作用;阐明了水文连通变化通过驱动干湿交替对磷输移环境以及通过调节水分滞留时间对磷输移通量的影响。指出多水塘系统水文连通变化的驱动机制、沟塘滞留效率的尺度扩展、定量模拟和优化调控是未来多水塘系统环境效应研究的重要方向,以期为保障多水塘水质改善功能提供理论依据。     

从土壤侵蚀角度诠释泥沙连通性

泥沙连通性是近10年来国际上的研究热点,从土壤侵蚀角度准确理解泥沙连通性至关重要。泥沙连通性表征流域内不同地貌或景观单元间的泥沙级联关系,受气候、地质地貌、流域特性、地形条件、土壤属性、植被特性、水文过程、土壤侵蚀以及人类社会活动及其时空变化的综合影响,泥沙连通性具有明显的时空变异特征。研究泥沙连通性的方法包括野外调查法、图论法、指标法和模型模拟法,不同方法的理论基础、数据要求、实施过程与结果存在一定差异,连通性指数目前应用最为广泛,但该指数更多强调结构连通性。亟需加强泥沙连通性概念与物理含义、影响因素及其动力机制、研究方法与指标体系等方面研究,明确泥沙连通性与水文连通性、土壤侵蚀和泥沙输移比的关系,分析水土保持措施对泥沙连通性的影响及其动力机制。     

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式（包括天然生态模拟模型和作物生长模式）进行耦合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。     

Generalizing Ecological Effects of Shoreline Armoring Across Soft Sediment Environments

Despite its widespread use, the ecological effects of shoreline armoring are poorly synthesized and difficult to generalize across soft sediment environments and structure types. We developed a conceptual model that scales predicted ecological effects of shore-parallel armoring based on two axes: engineering purpose of structure (reduce/slow velocities or prevent/stop flow of waves and currents) and hydrodynamic energy (e.g., tides, currents, waves) of soft sediment environments. We predicted greater ecological impacts for structures intended to stop as opposed to slow water flow and with increasing hydrodynamic energy of the environment. We evaluated our predictions with a literature review of effects of shoreline armoring for six possible ecological responses (habitat distribution, species assemblages, trophic structure, nutrient cycling, productivity, and connectivity). The majority of studies were in low-energy environments (51 of 88), and a preponderance addressed changes in two ecological responses associated with armoring: habitat distribution and species assemblages. Across the 207 armoring effects studied, 71% were significantly negative, 22% were significantly positive, and 7% reported no significant difference. Ecological responses varied with engineering purpose of structures, with a higher frequency of negative responses for structures designed to stop water flow within a given hydrodynamic energy level. Comparisons across the hydrodynamic energy axis were less clear-cut, but negative responses prevailed (>78%) in high-energy environments. These results suggest that generalizations of ecological responses to armoring across a range of environmental contexts are possible and that the proposed conceptual model is useful for generating predictions of the direction and relative ecological impacts of shoreline armoring in soft sediment ecosystems.     

基于生态网络构建与优化的太仓国土空间生态保护修复关键区域诊断与识别

以江苏太仓作为研究区域,基于生态系统服务评估确定生态源地,采用最小累积阻力模型（MCR）和重力模型构建生态廊道,提出生态网络优化模式和对应管控策略。经计算和分析,提取面积30 365.46 hm2的重要生态功能区作为生态源地;识别生态源地161.46 km2,其中水域生态源50个、陆域生态源地47个;提取水域生态廊道53条、陆域生态廊道56条,且水域生态廊道相较于陆域生态廊道更为完善,连通性和稳定性更高;识别需优先保护的生态夹点25个,优先修复的生态障碍点18个。研究成果可为系统性开展国土空间生态保护修复提供借鉴和指导。     

基于主导生态功能的江西省国土空间生态修复分区研究

以地域分异特征、主导生态功能、典型生态问题为基础依据,探讨江西省国土空间生态修复分区,为江西省编制和实施生态修复规划、实现国土空间管控提供科技支撑。在研究方法上,以“生命共同体理论”“三生协调理论”“适宜性管理”等理论为指导,基于主体功能区划和生态功能区划,综合“三生”空间实际生态问题及综合整治需求,采用多因素综合空间分析法,“自上而下”和“自下而上”相结合,实现国土空间生态修复三级分区。研究结果表明,可将江西省国土空间生态修复区域划为赣北平原湖泊生态修复区、赣中丘陵盆地生态修复区、赣西山地丘陵生态修复区、赣南山地丘陵生态修复区、赣东丘陵山地生态修复区5个大区及24个亚区和42个修复小区。通过江西省国土空间生态修复三级分区,摸清国土空间地域特征,明确生态主导功能,确定生态修复重点区域,承上启下,为实施生态修复工程和国土空间管治提供决策依据,为实现国土空间整体保护、系统修复、综合治理提供科技途径。