极端天气下三峡库区土地利用对河流水质的多时空尺度影响

为探究极端天气下流域内水质对土地利用的响应关系,本研究基于不同空间尺度(1000 m河段缓冲区、500 m河岸带缓冲区及子流域)的土地利用指数以及旱季(2019年11月)、雨季-洪水期(2020年7月)和雨季-干旱期(2022年8月)的水质数据,探究流域内土地利用对水质的多时空尺度影响,从而得到保护流域水质和规划流域内土地利用格局的最佳时空尺度和对水质影响最显著的预测因子。研究表明:(1)流域水质受极端天气影响,降雨会增强水体的稀释能力,高温会加快水中微生物反应速率,具体表现为雨季-洪水期的水质较好,雨季-干旱期次之,旱季较差。(2)土地利用对水质指标的影响存在时空尺度效应,土地利用在子流域和旱季尺度下对河流水质影响最显著。(3)不同土地利用指数对流域水质影响存在差异,耕地、林地、斑块密度、最大斑块指数和边缘密度是影响水质指标最显著的解释变量。其中林地与多数水质指标具有负相关关系,建设用地、耕地、斑块密度与较多水质指标存在正相关关系。本研究结果为合理规划土地利用格局以及保护河流水质提供科学依据,对三峡库区环境可持续发展及生态保护具有一定意义。     

黄河流域多时空尺度土地利用与水质的关系

为探究不同时空尺度土地利用与水质的相互关系,以黄河流域为研究对象,基于2018年河流水质与土地利用数据,提取3种空间尺度(1000 m河段缓冲区、500 m河岸带缓冲区、子流域)的景观格局指数,结合4个季节河流水质指标,采用冗余分析方法定量探讨土地利用对河流水质的多时空尺度影响,获得水质资源管理最有效的时空尺度.结果表...     

溶解性有机碳耦合营养状态解析河流CO2动态及驱动因素

为全面探索河流溶解性有机碳(DOC)与二氧化碳(CO₂)动态及驱动因素的相关关系,以我国三峡库区河流——澎溪河为对象,于雨季和旱季采集表层水体水样,分别通过原位和室内测定,明确水文参数(水温、pH、碱度和流速)、DOC浓度和营养元素(总氮(TN)和总磷(TP))浓度,并计算水体CO₂分压(pCO₂)、水—气界面CO₂交换通量和营养元素化学计量比(DOC:TN、DOC:TP和TN:TP)。以河流CO₂、DOC和营养状态动态变化为基础,通过对DOC、TN、TP、营养元素化学计量比和荧光峰(B、T、A、M、C、D和N)与河流pCO₂的多维分析建立及评估潜在的耦合关系,从而揭示特定区域河流CO₂的来源与驱动因素特征。结果显示,澎溪河水—气界面CO₂交换速率在3.75～22.9 m/d范围内,雨季((9.91±4.93)m/d)>旱季((6.69±4.30) m/(d),pCO₂在65.95～2...     

山地城市河流土地利用结构对水质的影响--以重庆市为例

以重庆主城区6条次级河流为研究区域,运用遥感和地理信息系统计算研究区土地利用构成,借助相关性分析和冗余分析等数理统计手段,分析监测断面汇水区内不同尺度土地利用结构与水质指标间的相关关系.结果表明:研究区土地利用结构以建设用地和林地为主,未利用地和农业用地所占面积比例较少;研究区土地利用结构对各水质指标有重要影响,其中建设用地和农业用地对河流水质恶化具有明显的作用,河流沿岸林地布局能显著改善水质,但随着雨季的到来林地将成为硝态氮的来源.冗余分析进一步证实土地利用类型对水环境有一定影响.研究成果对重庆市河流水环境管理具有重要的实际指导意义,并可为山地城市河流水环境研究提供借鉴.     

溶解性有机质与水生生物的直接相互作用研究进展

溶解性有机质广泛存在于天然水体中,具有重要的生态与环境意义.然而在环境科学领域内,天然水体中的溶解性有机质长期以来仅仅被作为惰性的吸附剂对待,其自身的与生物的直接作用却一直被忽视.近年来,越来越多的研究证据表明溶解性有机质自身即具有生物效应.它能在生物表面吸附.并影响细胞膜的电化学性质与膜渗透性,能被生物吸收,进而诱导...     

三峡澎溪河回水区流速对藻类原位生长速率的影响

为明晰不同流速水平对三峡支流回水区库湾藻类原位生长的影响,本文采用可调速的环形实验槽,选择三峡水库不同运行状态(低水位、高水位),对三峡澎溪河高阳平湖库湾藻类生物量(用叶绿素a浓度表示)变化特征进行原位受控实验.通过流速在0(对照)、0.1、0.2和0.3 m/s的实验发现,夏季低水位阶段澎溪河水域光热充足,但流速升高(0.2m/s)对藻类原位比生长速率具有一定影响.大体上,高阳平湖水域藻类原位比生长速率与流速水平呈对数关系.冬季高水位运行期间,流速的升高将可能在一定程度上促进水柱扰动,成为维持藻类在上层水体受光生长、避免下沉的主要因素.该时期,采用调节流速、流量的方法抑制藻类生长的难度相对较大.     

马营河流域1967~2000年土地利用变化对河流径流的影响

自1960年代以来, 干旱内陆流域土地利用格局发生了以耕地持续扩张和天然林草地不断减少的剧烈变化, 分析流域土地利用变化对水文过程的影响对于流域管理十分重要. 以河西走廊中部的马营河流域为例, 选择年径流量、基流量、最大洪峰流量以及流域典型的春季和秋季汛期流量为径流过程参量, 基于流域降水和径流各参量的变化趋势分析和显著的统计回归关系分析, 区别了气候变化对径流过程的影响. 利用1956年以来4期土地利用变化数据, 分析了耕地土地利用和径流过程各参量之间的定量关系, 建立了基于降水和耕地面积两种因素的径流过程统计模拟模型, 研究结果表明, 1967年以来, 由于流域土地利用变化, 尤其是上游林草地大规模转为耕地, 使流域年均径流量减少28.12%, 基流量减少35.32%, 最大洪峰流量减少35.77%, 春季和秋季的平均季节流量分别减少了36.05%和24.87%, 其中耕地面积扩张对年径流量的影响贡献率在77%~80%, 对春季流量的影响贡献率在73%~80%, 对基流量的影响贡献率在62%~65%之间, 流域冬春季节的持续升温也对春季径流减少具有一定影响; 合理规划流域土地利用格局, 对于流域水资源可持续利用河流域可持续发展具有重要意义.     

珠江口沉积物溶解性有机质来源及光谱特征的空间变化

作为海陆交互作用的重要区域,河口在海洋碳循环中扮演着重要角色.近年来,溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM)在河口区的来源、降解和保存一直是关注的热点.本研究结合三维荧光光谱和紫外可见吸收光谱,对珠江口3个沉积柱(SI、S2、S3站位,盐度依次增加)孔隙水溶解性有机质的空间分布和来源进...     

铁（氢）氧化物介导的溶解性有机质、无机磷的固定及相互作用研究进展

铁(氢)氧化物介导的溶解性有机质(DOM)和无机磷(DIP)的固定在水生态系统中普遍存在,对碳、磷元素的生物地球化学循环有重要的影响.铁(氢)氧化物主要通过吸附和共沉淀两种过程固定DOM和DIP,且铁(氢)氧化物、DOM和DIP三者存在复杂的相互作用.本文主要从铁(氢)氧化物对DOM和DIP的固定,铁(氢)氧化物、DOM和DIP之间的相互影响等方面综述了相关研究进展,梳理了铁(氢)氧化物、DOM和DIP在吸附和共沉淀过程中的相互作用机制与影响因素.DOM的存在会通过占据铁(氢)氧化物表面吸附点位、络合、抑制铁水解沉淀等途径影响铁(氢)氧化物对DIP的固定;且不同机制与DOM的不同性质如分子大小、芳香组分、羧基官能团含量等有关.而DIP的存在会改变铁(氢)氧化物对DOM的固定分馏过程,改变溶液中DOM的组分和性质.在明晰三者相互作用基础上,探讨了铁(氢)氧化物介导的DOM和DIP的固定过程对湖泊内源磷释放和碳埋藏的可能影响,并对未来的研究方向进行了展望.     

长三角典型城郊流域溶解性有机质的分子特征:以浙江樟溪为例

溶解性有机质(DOM)在流域水环境中广泛存在,参与各种生物地球化学循环过程。快速的城镇化过程和人类活动显著改变了流域水体DOM含量和特性,从分子层面上解析DOM在流域尺度上的时空分异特征对流域水质管控具有重要的理论和应用价值。以长三角地区樟溪流域为研究对象,依据土地利用和人类活动强度布设采样点,于2022年7月采集水样。结果表明,樟溪流域水体溶解性有机物主要的分子式元素组成为CHO、CHON、CHOS,其中木质素/富羧酸脂环分子类有机物相对占比最高。在子流域空间分布上,人类活动强的子流域CHON、CHONS类型化合物含量更高。选取采样点距城镇距离、距源头距离以及土地利用类型所占采样点缓冲区的比例来表征人类活动的影响。结果表明,流域内DOM杂原子受人类活动强度影响,距源头的距离与水体DOM分子中氮原子的强度加权平均值(N_wa)和CHON化合物百分呈显著正相关,与碳、氢原子和荷质比的强度加权平均值(C_wa、H_wa、m/z_wa)呈显著负相关。CHON分子的相对丰度与林地面积比例呈显著负相关,与农业用地比例呈显著正相关。比较具有典型土地利用类型的水体DOM:典型农田、城镇土地利用类型DOM含有更多独特的CHON分子式,农田DOM在木质素/富羧酸脂环分子区域出现CHON分子式的富集,城镇DOM在脂肪类和木质素/富羧酸脂环分子区域均出现了CHON分子式富集。研究表明在城郊流域中,人类活动显著改变了水体DOM的分子特征,增加了分子多样性,促进了特定分子式的富集。     

三峡库区消落带土壤有机质和全氮含量分布特征

在三峡库区消落带落干期间(2010年4月),对库区巫山-重庆主城区段消落带土壤有机质(OM)和全氮(TN)含量分布及与土壤理化性质的相关性进行了调查研究.结果表明该区域消落带土壤OM和TN含量均较低,分别为10.70±4.03和0.84±0.39 mg/g,且服从正态分布.消落带土壤碳氮比(C/N)较低,推测消落带土壤无机氮在淹水期间存在向上覆水体释放的可能性.在与其它关于土壤OM和TN含量研究的比较中,研究区域内土壤OM和TN含量处于偏低的水平;而在与对照带样品的比较分析中发现,消落带样品的OM和TN含量变异系数均偏低,因此消落带干湿交替可减小不同区域消落带之间土壤OM和TN含量差异.相关性分析表明,消落带土壤pH、ORP、TN与OM之间呈显著正相关,可见研究范围内消落带土壤氮形态可能主要以有机氮的形式存在于有机质中,而C/N与TN呈负相关,与OM相关性不显著,表明C/N的大小主要取决于TN含量.     

Optical signatures of dissolved organic matter in the watershed of a globally large river (Yangtze River,China)

Parallel factor analysis of fluorescence excitation emission matrices of surface water samples of a globally large river (Yangtze River, China) watershed identified three classes of fluorescent dissolved organic matter (FDOM) that had ex/em = 280/330 nm, 305/385 nm and 350/450 nm respectively, resembling “peak T”, “peak M” and “peak C” commonly identified in natural water, respectively. Peak T (a tyrosine/tryptophan-like FDOM) did not show correlations to peak M or C which were humic-like substances, while a positive correlation (r = 0.935, p < 0.001) was present between the natural log-transformed maximum fluorescence intensity (F_max) of peaks T and M indicating a tight link during their production and processing. F_max values (in Raman unit nm^?1) normalized to dissolved organic carbon (DOC) concentration were low, varying in ranges 15.93–85.95, 29.83–83.54 and 19.73–51.05 × 10^?5 nm^?1 (μmol/L)^?1 for peaks T, M and C, respectively, in line with the history of strong photobleaching of the water samples as indicated by fairly high absorption spectral slope ratios (0.75–1.53 with a mean 1.03). Intermediate fluorescence index (FI) (1.46–1.83 with a mean 1.61) and small specific absorption at 254 nm (0.64–1.93 with a mean 1.15 m^?1 mg^?1 L) of the water samples, indicated the presence of both aquatic microbial DOM (e.g. peak T) and soil DOM (e.g. peak C). Peak C could be substantially removed by UV-A (320–400 nm) irradiation, while peak M was slightly increased when a microbe-containing water was exposed to the same UV-A irradiation. Taken together, peak C was attributed to diffuse soil source while peak M was likely attributed to joint effects of microbial activities and solar irradiation on the chromophores in the sample.     

三峡支流澎溪河消落带落干初期N2O释放与反硝化特征初探

水库近岸湿地(消落带)土壤N2O释放和反硝化作用是消落带氮的生物地球化学过程的重要组成部分.以三峡水库支流澎溪河高阳平湖库湾消落带为研究对象,于2013年落干初期,采用C2H2抑制-原状土柱培养法研究该处自然植被恢复区、农耕区和对照组等不同土地类型土壤的N2O释放速率和反硝化速率,并测定了土壤p H值、氧化还原电位、温度、有机质、总氮、铵态氮、硝态氮和土壤孔隙含水量等环境指标.结果表明,自然植被恢复区土壤N2O释放速率为9.88±6.49 g N/(hm2·d),反硝化速率为58.94±52.84 g N/(hm2·d);农耕区土壤N2O释放速率和反硝化速率分别为7.71±4.44和30.70±25.68 g N/(hm2·d).不同土地类型间N2O释放速率差异显著,落干初期土壤氧含量、含水量及氮含量对不同土地类型N2O释放和反硝化作用影响明显.土壤氧含量的升高促进了自然植被恢复区的N2O释放,并在一定程度上抑制了该区域反硝化作用.农耕区土壤含水量高于自然植被恢复区,可能致使N2O释放速率低于自然植被恢复区,而反硝化速率高于自然植被恢复区.消落带土壤氮含量降低同反硝化速率降低有一定联系.     

三峡水库156m蓄水前后澎溪河回水区藻类多样性变化特征

为了解156 m蓄水前后三峡水库次级河流藻类多样性变化特征,对2007年7月至2008年1月澎溪河回水区的藻类种群结构的变化进行连续监测.基于三峡水库水位调度特点,将监测期划分为蓄水前、中、后三个时段,即7-9月、10月、11月至翌年1月,应用Shannon-Weaver多样性指数H’对藻类多样性进行评价,通过Connell中度扰动假说理论结合优势藻种探讨蓄水过程水动力变化及藻类多样性的变化特征.结果表明:2007年7-9月蓄水前H’均值为3.466±0.317,10月蓄水期则降为3.246±0.338,而11月蓄水后高水位阶段H’均值上升为3.431±0.352.蓄水前澎溪河回水区具有河流型特征,流量与降雨作为主要的物理扰动因子影响水体扰动强度,进而引起多样性变化.10月蓄水期间水位突升、流量骤降导致水体扰动强度加剧,较蓄水前藻类多样性下降.自11月蓄水后的高水位阶段,降雨较小、流量趋于稳定,水体扰动降低,多样性回升并维持在相对稳定的状态.     

基于非线性时序分析的三峡支流浮游植物因果响应

水华的频发已成为当前三峡水库最为突出的生态环境问题之一。尽管水动力调控叠加上温度变暖和营养负荷增加会诱导水华暴发强度和频率增加,但仍缺乏有效的方法框架去利用野外观测数据评估环境因子与浮游植物间的因果关联。本研究以三峡水库澎溪河监测数据为例,采用非线性时序分析的建模框架来量化浮游植物的因果响应规律。数据来自于2007年6月至2018年9月澎溪河流域的高阳平湖和汉丰湖两个观测点,其中包含了水文、气象和水质及叶绿素a等11种变量。首先,利用奇异谱分析(SSA)分离了叶绿素a和环境因子的低维确定性动力学信号;其次,采用收敛交叉映射(CCM)方法检验了叶绿素a与环境因子间的因果关联。结果显示:(1)气象因子、支流流量、水温、三峡大坝水位和上游调节坝水位是影响高阳平湖叶绿素a时序变化的重要因素;(2)总氮、总磷为代表的营养盐只在汉丰湖观测点中表现出与叶绿素a的因果关系,且总氮较之于总磷对叶绿素a变化影响更为显著;(3)CCM结果与传统的皮尔森相关性分析及格兰杰因果检验比较,证实非线性时序分析方法在分析浮游植物的因果响应上更具优势。本研究为水生态系统的因果建模提供了研究范例,也为推动利用长期观测数据...     

三峡水库蓄水后对支流大宁河富营养化特征及水动力的影响

三峡水库蓄水后支流大宁河水华频发,为了揭示水库蓄水以来,大宁河富营养化变化趋势以及水华暴发期间水动力等环境因子的影响特征,自2005年长期跟踪监测大宁河的水质状况,并于2010年针对东坪坝库湾2次典型水华事件,初步探讨了水华暴发期间的主要影响因素.结果表明:2005年以来,大宁河水体处于中度营养状态,水质尚好,但低估了水华敏感期的富营养化状况.东坪坝3月水华暴发期间,叶绿素a浓度与流速呈显著负相关,与pH、DO也呈显著相关,表明在此次水华期间,流速对藻细胞的增殖或聚集产生直接或间接的影响,pH和DO是引起水华暴发的主要水质因子;5月水华暴发期间,叶绿素a浓度与流速呈显著负相关,与流量呈显著正相关,同时与pH、透明度(SD)呈显著相关,表明在这次水华期间,流速和流量都对藻细胞增殖或聚集产生直接或间接的影响,pH和SD成为水质敏感因子.3月和5月水华暴发时间分别处于水库高水位运行期和泄水期,这可能是导致水华影响因子不同的主要原因,但具体机理还有待于进一步研究.本文结果表明在三峡水库调度运行的不同阶段支流库湾水华暴发的机制不同,需要针对不同时段支流库湾水环境特征分别加以调查研究.     

三峡澎溪河高阳平湖高水位期间磷-藻生态模型研究

通过在前期建立的总磷模型基础上建立磷-藻模型.从正磷酸盐所代表的无机磷和藻类生物量所代表的有机磷入手,分析蓄水期所累积的磷在高水位时期各种形态转化和循环机制,以期从定性和定量两方面说明冬季末水华暴发所消耗磷的来源.研究表明:高水位蓄水期、稳定期和水华期这3个阶段中各磷库磷通量各不相同.淹没消落带磷释放是该时期高阳平湖溶解性正磷酸盐的主要来源(占总输入通量的72.69%),其释放量与被淹没消落带面积和消落带水土界面磷交换速率有关,淹没消落带面积越多,磷交换速率越高,磷释放量越大,对整个磷循环的贡献越大.但水华期间藻磷的合成率最大仅为14.4%,藻类对冬季高水位期间所积累磷的利用量依然相对较低.     

三峡澎溪河高阳平湖碳通量初步分析及不确定性

为明确三峡水库支流澎溪河回水区的碳收支特征,以澎溪河高阳平湖水域为研究对象,建立了河道型水库主要路径碳收支估算方法,对高阳平湖从2011年9月至2012年8月一个完整水文周年内主要路径的碳通量进行了收支动态分析.结果表明,2011年9月至2012年8月,澎溪河高阳平湖水域河流输入的碳通量为133548.55 t C,输出的碳通量为125651.82 t C,水-气界面的扩散碳通量为762.56 t C,消落带土-气界面的扩散碳通量为123.74 t C,水中气泡的释放碳通量为0.38 t C,降水输入的碳通量为104.58 t C,全年高阳平湖水域碳的净积累量为7114.63 t C,宏观上呈现碳积累特征;澎溪河高阳平湖水域水体碳素总体上呈现出河道型水库特有的纵向输移特征.高阳平湖水域上游大量碳素的输入及其在高阳平湖水域的滞留可能会是该水域水-气界面温室气体释放的主要来源.尽管总体上高阳平湖全年呈现出碳积累的特点,但一些方法依然存在不确定性(水-气界面扩散碳通量和气泡释放碳通量的时空异质性等),需要更系统、更长期的工作予以验证或改进.