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过刊目录

  • 2024年, 36卷, 第02期
    刊出日期：2024-06-19
      
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  • 湖泊流域生态系统演化对人类世研究的重要意义
    王荣, 张科, 刘建宝, 董旭辉, 羊向东
    2024, 36(02): 333-338.
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    人类世可能成为一个全新的地质时期,以描述人类活动对地球环境造成极为深远的影响,目前已被广泛讨论。湖泊及流域生态系统作为与人类社会最密切的地球单元之一,受到人类活动显著影响,相关研究成果能为理解人类世做出贡献。本文从湖泊流域生态系统和人类世本身特征为切入点,讨论了湖泊及流域生态系统演化对人类世研究的重要意义。我们认为,湖泊具有相对独立的整体,清晰的内部作用关系、完备的理论支持和时空数据支撑,能够为人类世地球各圈层交互作用提供研究框架。湖泊流域生态系统演化的稳态转换与地球环境进入新的地质时期具有诸多相似之处,相关研究成果能够更好地界定人类世开始时间、总体特征以及演变过程和机制。本文指出人类世湖泊及流域生态系统演化研究依然面临诸多挑战,并提出了对未来相关研究的展望。
  • 湖、库水体CH4冒泡排放研究进展
    康满春, 刘流, 刘佳, 肖尚斌
    2024, 36(02): 339-364.
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    冒泡排放是湖、库水体CH_4排放的主要方式之一,其排放通量和占CH_4总排放量比例均具有极其显著的时空差异性,是当前水体CH_4排放估算不确定性的主要来源之一。然而,目前关于湖、库水体CH_4冒泡排放通量监测、时空分布规律、过程机制和模型模拟的系统梳理鲜有报道。本研究对比了目前水体CH_4冒泡的监测方法技术的适用性及优缺点,分析总结湖、库水体CH_4冒泡排放及通量的时空分布特征,梳理CH_4气泡在沉积物-水体中的产生-成长-迁移-释放的过程、影响因素及模型,并提出了水体CH_4冒泡过程模型框架。最后,本研究提出未来研究应基于湖、库水体分类、设备开发和改进来构建适应性的湖、库水体CH_4冒泡排放监测标准体系,开发基于过程的CH_4冒泡机理模型,为认识变化环境下湖、库水体CH_4冒泡过程和准确估算CH_4排放量提供支撑。
  • 基于GOCI数据的太湖蓝藻垂向迁移特征及关键影响因素
    蒙凌凌, 林育青, 冯韬, 张建云, 严晗璐, 何术锋, 陈求稳
    2024, 36(02): 353-364.
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    蓝藻水华频繁暴发是太湖面临的主要环境问题之一,蓝藻聚集上浮是表层水华形成的前提。为探究蓝藻垂向迁移与水华日变化之间的关系,阐明蓝藻垂向迁移的关键影响因素,基于2015—2020年地球静止海洋彩色成像仪(GOCI)数据,分析了太湖不同湖区蓝藻水华日变化过程,发现太湖蓝藻水华垂向迁移的日变化主要呈现上升、下降、先上升后下降三种类型,且不同湖区存在差异。统计分析和偏最小二乘法结构方程模型(PLS-SEM)结果表明,水环境因子对蓝藻垂向迁移过程影响较小,累积光辐射是驱动蓝藻垂向迁移的主要气象因子。气温升高有利于蓝藻持续维持上浮能力,前一天风速较大且当天风速较小会加速蓝藻上浮。相较于沿岸湖区,湖心区受累积光辐射、风速的影响更大,蓝藻水华日变化过程更剧烈。本研究水环境因子数据为逐月数据,为深入探究水环境因子对蓝藻垂向迁移的影响后续还需进行高频监测研究。本文结果有助于探明浅水湖泊蓝藻水华形成机制,为富营养化湖泊蓝藻水华预测预警及治理提供理论支撑。
  • 输水明渠着生藻类群落结构特征对水动力条件的响应
    段绍祎, 杨梦薇, 管光华, 朱宇轩, 毕永红
    2024, 36(02): 364-376.
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    明渠输水系统的着生藻类异常增殖会淤塞拦污栅,降低明渠输水能力,并增加清理工作压力。目前,有关着生藻类对水动力的响应研究多在天然河流、湖泊中开展野外原型观测,针对混凝土衬砌表面着生藻类的水动力研究仍然少见。由于混凝土基质与泥沙基质的显著差异,着生藻类在衬砌明渠和自然水体中对水动力的响应特性不同。为探究水动力对明渠着生藻类生长及群落结构的影响,特开展明渠中着生藻类的培养观测及水动力冲刷实验。通过分析着生藻类叶绿素a含量、群落结构、无灰干重、细胞密度等指标,以探究不同基质粗糙度、不同生长阶段的着生藻类对不同水动力条件的响应。结果表明:着生藻类建群过程具有3个明显阶段,分别为迟滞期、指数生长期、稳定期;随着流速增大,着生藻类生物量先上升后下降,当流速v>0.6 m/s时,着生藻类的生长被显著抑制;冲刷流速增大至v=0.8 m/s的2天后,着生藻类生物量显著减少,群落多样性下降。在着生藻类建群迟滞期(实验中约3周),该阶段提高流速对着生藻类生物量的冲刷剥离效果最明显;基质粗糙度越小,着生藻类建群迟滞期越长,通过水力冲刷的除藻效果越明显。本研究探索了不同水动力条件下明渠着生藻类的响应规律,有助于认识明渠着生藻类的群落特征,可为明渠输水系统内着生藻类水力调控提供重要依据。
  • 风场对鄱阳湖丰水期表层蓝藻密度的影响
    杨平, 刘聚涛, 胡芳, 温春云, 文慧, 吴桨, 付莎莎, 戴国飞
    2024, 36(02): 377-391.
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    目前,在风场对蓝藻的影响研究方面,国内针对太湖、滇池、巢湖等浅水湖泊的研究较多,针对鄱阳湖的研究则多集中于蓝藻群落特征及其与营养盐之间的关系。近年来,作为长江流域重要的通江湖泊,处于轻度富营养化状态的鄱阳湖水体蓝藻水华在局部库湾和部分水域出现,风场如何影响鄱阳湖表层蓝藻密度是一个值得探讨的问题。2019—2021年,在鄱阳湖布设13～49个采样点,于平水期、丰水期和枯水期现场采集各个点位表层水样、藻类、风场和流场数据,分析风场对鄱阳湖丰水期表层蓝藻密度的影响。结果表明,2019—2021年鄱阳湖丰水期风速与表层蓝藻密度呈显著正相关性,风场对水体的充分混合及驱动水体形成的风生流是促进蓝藻生长的原因之一。在流速较高(>0.05 m/s)的区域,无论风速高于还是低于临界风速(3～4 m/s),鄱阳湖表层蓝藻密度的空间分布受流场的影响更大;在流速较低(<0.05 m/s)的区域,风速在临界风速以下时,鄱阳湖表层蓝藻密度的空间分布受风场影响更大。2019—2021年鄱阳湖丰水期蓝藻密度超过水华暴发的阈值,但在高风速高流速的共同作用下未能发生大范围的蓝藻水华,仅能在风速适宜(<3～4 m/s)、流速较低(<0.05 m/s)的内湾、尾闾区等区域发生小面积的蓝藻水华。鄱阳湖丰水期水体处于长江顶托的低流速且微风条件下时,发生大面积蓝藻水华的概率可能会明显上升。
  • 菹草腐解期上覆水浮游细菌群落动态模拟及其环境驱动因子分析
    李昂松, 武闯, 朱琳, 徐丽桦, 张劲, 李兆华, 蔡伟, 冯学高
    2024, 36(02): 389-402.
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    菹草生长期内可以从水体中吸收大量的营养物质,有效抑制水体富营养化。但在季节交替期,菹草衰亡后,其残体腐解会向上覆水释放大量营养物质,对湖泊生态系统造成瞬时冲击。通过实验室模拟,将菹草分别浸泡在不同稀释比的上覆水中自然腐解,旨在研究菹草残体腐解过程上覆水水质变化及环境因子对浮游细菌的驱动作用。结果表明:(1)在稀释组(B、C组)中,菹草腐解的氮素均出现了短期冲击(第1天),冲击程度与稀释比呈正相关。(2)上覆水水质越好,浮游细菌共有OTUs(operational taxonomic units,操作分类单元)数量占比越高,且浮游菌群结构受氮素冲击的变化越剧烈。实验第30天时,稀释湖水4倍组(C组)共有OTUs占比为61%,高于原水组(A组,OTUs占比40%)和稀释2倍组(B组,OTUs占比45%)。群落结构的剧烈变化主要通过影响厚壁菌门(Firmicutes)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、放线杆菌门(Actinobacteriota)和蓝藻菌门(Cyanobacteria)的相对丰度大小实现。(3)变形杆菌门(Proteobacteria)是整个腐解过程中的第一大优势菌群,A、B、C三组的第一大优势菌门均为变形杆菌门,水质提升有助于厚壁菌门的生长和繁殖,在B组和C组中的第二大优势菌群是厚壁菌门,稀释比越高两类细菌门的总相对丰度越大。(4)总悬浮物、氧化还原电位、浊度和总氮对水体中的细菌群落结构产生显著影响,腐解进程可分为2个时段,环境因子对菌群结构影响的变化与腐解进程有关。因此,相关人员可通过适度收割沉水植物残体,调节水体氮素、浊度等上覆水理化指标,调控水体中细菌的群落结构及优势菌群种类,从而降低季节性水生植物腐解引发的负面影响,最终达到科学管理沉水植物的目的。
  • 西藏拉鲁湿地浮游植物群落时空分布特征及其驱动因子
    刘洋, 安瑞志, 杨号, 张艳秋, 陈俊霖, 马文强, 巴桑
    2024, 36(02): 403-417.
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    为了解西藏拉鲁湿地浮游植物群落时空分布特征及其驱动因子,于2021年7月、10月和2022年5月在拉鲁湿地主要水系进行定性和定量样品采集,共采集浮游植物水样126个,从不同季节和不同生境浮游植物种类组成、多样性等方面入手,探讨拉鲁湿地浮游植物群落时空分布特征及其驱动因子,为研究拉鲁湿地生态系统和稳定发展提供基础资料。结果表明:1)拉鲁湿地共鉴定出浮游植物532种(含变种和变型),隶属于8门13纲36目74科130属,物种组成表现为硅藻-绿藻-蓝藻型。2)拉鲁湿地浮游植物群落特征参数在不同季节和不同生境之间存在差异。夏季浮游植物群落的Shannon-Wiener多样性指数显著高于秋季和春季,Simpson优势度指数显著高于秋季。秋季浮游植物群落的Pielou均匀度指数显著低于夏季和春季。春季浮游植物群落的Margalef丰富度指数显著低于夏季和秋季。沼泽生境的浮游植物群落的Margalef丰富度指数显著高于湿草甸生境。3)季节是浮游植物群落组成差异的关键因素,生境对浮游植物群落组成的影响较弱,夏季的距离衰减模式比秋季和春季更强。4)拉鲁湿地不同的浮游植物群落参数与不同环境因子之间存在显著的关联。5)空间因素在解释浮游植物群落变异方面具有显著贡献,而快速变化的水质变量在决定浮游植物的季节变化中起着重要作用。季节和缓慢变化水质因子的解释能力相对较弱,但仍对浮游植物群落的变异有一定影响。
  • 广东新丰江水库极端旱情期浮游藻类功能群特征及与环境因子的关系
    张辉, 彭宇琼, 邹贤妮, 张婷婷, 廖志惠, 林小平, 乔永民, 陈瑞
    2024, 36(02): 416-430.
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    为了解极端旱情对新丰江水库的浮游植物功能群(functional group)的演替规律及驱动机制,在干旱期以月为频次开展浮游植物和水质调查。结果表明,水库旱情期(2021年)浮游植物功能群可归类为23个,其中功能群A/E/F/J/K/L_o/M/MP/NA/P/SN/TB/X1/X2/X3/Y频率较高,且A/E/F/J/L_o/MP/P/X3/Y为优势功能群,水库功能群变化趋势为A/E/MP/P/X3(1月)→E/L_o/MP(2月)→A/E/L_o(3月)→A/E/L_o(4月)→A/L_o(5月)→A/L_o/Y(6月)→A/F/L_o/MP/Y(7月)→A/F/L_o/Y(8月)→A/F/L_o(9月)→A/F/L_o/MP(10月)→A/E/F/L_o/MP/Y(11月)→A/E/L_o(12月)。适应贫营养生境的功能群A/E/L_o/Y等为旱情期藻类群落结构的主体优势类群。相关分析(Spearman)和冗余分析(RDA)结果表明,旱情期影响水库浮游植物功能群组成的主要驱动因子是水温和透明度。水库月度生态状态指数(Q)值范围为4.07～4.87,达到极好水平,说明旱情对新丰江水库浮游植物群落结构影响相对较弱。
  • 云南九大高原湖泊流域人类活动强度对水质的多尺度影响
    张洪森, 角媛梅, 陈凡, 张兆年, 徐秋娥, 陶妍
    2024, 36(02): 430-442.
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    人类活动强度的空间异质性是理解区域人地关系和生态环境效应的基础。基于云南九大高原湖泊流域2020年土地利用数据,构建不同景观类型的人类影响强度系数,运用GIS空间分析量化流域人类活动强度与空间分异,探讨人类活动强度对水质的影响。结果表明:人类活动强度总体特征由高到低依次是杞麓湖(4.83)、星云湖(4.71)、滇池(4.19)、阳宗海(4.11)、抚仙湖(4.03)、异龙湖(4.01)、程海(3.93)、洱海(3.88)和泸沽湖(2.96)。人类活动强度指数(HAI)在流域尺度、坝区尺度、湖岸尺度的空间分异特征明显,每个流域都受到高强度人类活动影响,最大值出现在坝区,滇池、杞麓湖岸线存在完全开发的区域。人类活动强度随海拔和坡度增高而下降,高强度区集中在地势低平的湖泊周围。湖泊营养状态指数与流域尺度和坝区尺度高强度区呈显著正相关,这些区域应作为景观优化和管理的重点;与岸线尺度低强度区呈显著负相关,有必要减少湖滨带人类活动。综合考虑流域地形地貌-人类活动强度-水质的级联效应,应从不同空间尺度对各景观要素与过程管控。鉴于人类活动强度对水质的影响,可把湖泊管理分为预防型、保护型、治理型。
  • 甲氧氯的水质基准、沉积物质量基准及生态风险评价
    杨虎成, 肖宇煌, 莫春雷, 高杰, 蔡爱民, 张泽涛, 常亮, 易春瑶
    2024, 36(02): 443-451.
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    甲氧氯(methoxychlor,MXC)作为一种有机氯杀虫剂,由于在农业生产中的广泛应用,使其在水环境和沉积物中的检出频率均较高,并且对各种水生物种均具有毒性作用。因此,制定中国MXC水质基准(water quality criteria,WQC)和沉积物质量基准(sediment quality criteria,SQC),并开展生态风险评估,对保护中国水生生物至关重要。基于收集和筛选的17种水生生物的急性毒性数据和10种水生生物的慢性毒性数据。选取物种敏感性分布(species sensitivity distribution,SSD)模型的最佳拟合对WQC进行推导,MXC对水生生物的短期水质基准(SWQC)和长期水质基准(LWQC)分别为0.75和0.11μg/L。通过相平衡分配法,在WQC的基础上进一步推导出SQC,沉积物质量基准高值(SQC-H)和沉积物质量基准低值(SQC-L)分别为0.73和0.11 mg/kg。此外,通过收集中国地表水和沉积物中的MXC暴露浓度数据,利用风险商值法(risk quotients,RQ)进行生态风险评价,结果表明我国部分区域的地表水和沉积物存在一定的生态风险。本文的结果将为中国水生生物保护和降低MXC生态风险提供有价值的参考。
  • 富硫型水库沉积物AVS和SEM空间分布特征及重金属风险评价
    关昊鹏, 谢筱婷, 陈思睿, 邓莎, 陈小强, 金业, 林琳, 汪天祥, 许士国
    2024, 36(02): 452-467.
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    随着湖库外源性污染的有效控制,沉积物污染特征成为影响湖库水环境质量的关键因素。本文以富硫型水库——汤河水库为研究对象,分析探讨水库沉积物的理化性质、重金属总量、酸可挥发性硫化物(acid volatile sulfide,AVS)和同步提取重金属(simultaneously extracted metals,SEM)的空间分布特征,采用沉积物基准法(sediment quality guidelines,SQGs)和AVS与SEM关系法对重金属可能诱发的生态风险和毒性效应进行评估。结果表明:汤河水库沉积物中AVS含量在0.03～51.75μmol/g之间,并呈现坝前深水区>东支流库区>西支流库区的空间分布特征。根据Pearson相关性分析可知,汤河水库沉积物AVS含量与间隙水中SO_4~(2-)浓度、沉积物烧失量(LOI)含量呈显著正相关,与沉积物间隙水中NO_3~-浓度和沉积物pH呈现显著负相关。间隙水中SO_4~(2-)浓度和沉积物LOI含量是控制AVS产量的重要因素。水库沉积物中∑SEM变化范围为0.52～2.75μmol/g,呈现出东支流库区>坝前深水区>西支流库区的分布规律。水库沉积物中∑SEM/AVS和∑SEM-AVS的变化范围分别为0.06～22.73和-49.18～2.44μmol/g,显示出水库坝前深水区表层0～10 cm沉积物不具有生态风险,而东、西支流库区沉积物中的SEM因为不能完全被AVS所固定而存在潜在生态风险。就单一重金属而言,汤河水库坝前深水区和东西支流中部区域沉积物Ni、Cu、Pb和Zn含量均介于临界效应含量(threshold effects level,TEL)值和可能效应含量(probable effect level,PEL)值之间,可产生低级风险毒性效应,但Ni的毒性效应风险接近中级,今后应予以重点关注。富硫型水库沉积物中容易出现高含量AVS,沉积物间隙水中SO_4~(2-)和NO_3~-的浓度是决定沉积物AVS净产量的重要因素。流域内重金属土壤背景值以及工业、采矿产业排放的废水类型直接影响着诱发生态风险的重金属种类。
  • 察汗淖尔表层沉积物GDGTs分布特征及影响因素
    卢沛琪, 薛刚, 郑艳红
    2024, 36(02): 467-476.
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    目前,甘油二烷基甘油四醚(GDGTs)组成和分布特征已被成功应用于古气候古环境重建中。然而,越来越多的研究表明除温度和pH值外,GDGTs也受其他环境因素影响,这导致了在同一地区运用多种温度和pH校准公式得到的结果差异较大,特别是在干旱地区尤为显著。因此,有必要开展现代过程GDGTs分布及其影响因素的调查,以提高温度和pH校准公式的适用性。为此,我们以北方察汗淖尔湖泊为中心,分析流域内24个湖泊沉积物和土壤GDGTs组成和分布。结果显示,所有样品GDGTs分布模式相似,其中古菌类异戊二烯GDGTs(简称isoGDGTs)以crenarchaeol为主,GDGT-0次之,crenarchaeol'含量较低,指示GroupⅠ.1b型奇古菌输入较多;细菌支链GDGTs(简称brGDGTs)中五甲基化brGDGTs丰度最高,其次是六甲基化和四甲基化brGDGTs。群落指数(community index,CI)表明,产brGDGTs的细菌群落属于冷簇,且冗余分析显示pH值对brGDGTs分布影响显著,二者可能共同导致了应用多种校准公式计算结果与器测记录之间的差异。通过该项工作我们认为在利用GDGTs重建古气候时应开展GDGTs现代过程调查,明确环境主导因素,并选择合适的区域校正公式以获取准确的气候信息。
  • 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
    李文儒, 陈财, 万洁婷, 唐剑锋
    2024, 36(02): 477-486.
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    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。
  • 鄱阳湖湿地碟形湖-河流水稳定同位素变化特征及其指示意义
    陶士勇, 张翔, 夏军强, 肖洋, 熊兴基, 徐晶
    2024, 36(02): 487-498.
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    为深入认识鄱阳湖湿地区域水循环过程,于2019年1—12月在鄱阳湖国家级自然保护区对降水、河流水、主要碟形湖水进行系统采集,综合分析碟形湖-河流水稳定同位素的动态变化特征及其指示意义。结果表明,鄱阳湖湿地修河和赣江的同位素组成具有明显的季节性变化规律,4月河水同位素最为富集,5—7月逐渐贫化,之后呈现出不断富集的变化趋势,整体上与降水同位素的时间变化特性相似。在空间分布上,各段河水的同位素组成均具有相对稳定的沿程分布特征,赣江在修河汇入点上、下游的同位素特性在大多数月份没有呈现出明显变化。碟形湖水同位素的年内变化范围比河水大,并且相对富集。主要碟形湖水的δ~2H-δ~(18)O关系接近当地大气降水线,具有更小的蒸发线斜率以及系统性偏离的特征,反映碟形湖主要受到当地降水补给,经历了一定程度的蒸发作用。基于指数模型方法估算修河和赣江水体的平均滞留时间(mean residence time,MRT)分别为1.54和0.81年,赣江较短的MRT表明鄱阳湖流域具有不同水体组分相互快速转化的水力条件,修河上游柘林水库的调蓄作用导致其MRT明显大于赣江。通过假定碟形湖水的蒸发过程遵循瑞利分馏模型,全年的同位素监测结果揭示蚌湖、沙湖、大湖池的年平均蒸发损失量分别为15.5%、15.0%、14.1%,不同碟形湖之间蒸发程度的差异可能与地形、植被和水动力条件等因素的综合影响有关。
  • 亚热带城市湖泊与河流CO_2气体通量特征及其影响因素
    刘纪明, 赵优, 肖启涛, 屈琦, 胡又心, 李郑杰, 易心钰, 卢伟志
    2024, 36(02): 499-512.
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    湖泊、河流等内陆水体是连接陆地生态系统和海洋的“长程碳环路”的重要节点,也是温室气体二氧化碳(CO_2)排放源,在调节陆地、海洋间的碳迁移转换中发挥着重要作用。相对于自然水体,城市水体因面积小、水深浅且受监测方法限制,水-气界面碳通量经常被忽略。为探讨我国亚热带城市水体温室气体排放特征,本研究以湖南省长沙市典型城市水体,包括洋湖、西湖、松雅湖、月湖4个湖泊和湘江长沙段为研究对象,分别于2022年4和10月采用光化学反馈-腔增强吸收光谱法(OF-CEAS)和扩散模型法对水-气界面CO_2通量进行对比测定。结果表明,长沙城市湖泊与河流春季为CO_2排放源,秋季为吸收汇,河流水-气界面CO_2通量呈显著季节差异。河湖之间CO_2通量在春季表现为显著差异,秋季差异不显著。CO_2通量与水体溶解氧、水体总氮浓度等呈显著正相关。2种方法的CO_2通量对比测定在湖泊上显著相关,但对河流而言相关性不显著。研究揭示的城市湖泊与河流CO_2气体的排放特征有利于深入探究城市水体碳的迁移转化,可对全面了解全球气候变化过程和河湖湿地温室气体减排和调控提供科学支撑。
  • 基于底栖动物生物完整性指数的黄河干流生态健康评价
    冯治远, 侯易明, 阴琨, 金小伟, 韩谞, 潘保柱
    2024, 36(02): 512-529.
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    黄河为世界上最长的多沙河流,全河段水沙异质性及其生态健康的空间差异明显。本文基于黄河干流全河段44个断面春秋两季(2019年)底栖动物的系统调查数据,构建黄河底栖动物生物完整性评价体系。该体系融入指示水沙过程变化的ASPT指数及EPT分类单元个体相对丰度,且参照点与受损点得分差异显著,适用于多沙河流生态健康评价。评价结果显示:黄河干流亚健康及以上状态的断面占比为秋季(75.0%)高于春季(54.5%);自源区沿河而下,底栖动物生物完整性指数值呈下降趋势;库区断面底栖动物生物完整性指数低于临近自然河段。回归分析表明,黄河干流底栖动物生物完整性指数与盐度、总氮、城镇及农田用地占比呈显著负相关,与林地及草地占比呈显著正相关。本研究结果可为黄河生态保护与管理提供科学依据。
  • 基于环境DNA技术的黄河流域下游山区河流大型底栖动物群落多样性特征及其影响要素分析
    赵茜, 潘福霞, 李斌, 臧小苗, 丁森
    2024, 36(02): 523-536.
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    河流生物群落组成由多种环境因子共同作用形成,但其影响机制尚不清楚。本研究基于环境DNA技术,选择黄河流域下游4条山区河流(锦绣川、锦阳川、锦云川和三川汇合后河流)的10个样点开展大型底栖动物监测。结果发现:不同溪段水质状况有所差异,锦云川盐化程度(以电导率EC表征)和营养盐浓度较高,锦阳川抗生素浓度较高,锦绣川水质较好。山区河流大型底栖动物群落组成差异明显,锦绣川以水生昆虫为主,软体动物占比较低。其中,昆虫纲的大蚊(Tipula abdominalis)、天角蜉(Uracanthella punctisetae)和寡毛纲的顠体虫(Aeolosoma sp.)是造成锦绣川与其他河流大型底栖动物群落结构差异的关键物种。冗余分析和变差分解分析结果表明,盐化、营养盐和抗生素均会对大型底栖动物群落组成产生影响。其中,EC的解释率为22.86%,营养盐中的TP、NH_3-N和TN的解释率分别为20.12%、13.25%和7.81%;此外,盐化可与营养盐和抗生素通过耦合效应对大型底栖动物群落组成产生影响,贡献率分别为21.60%和16.20%;抗生素与营养盐的贡献率为19.60%。逐步判别回归模型结果显示,Margalef指数(d)受盐化(EC)和营养盐(NH_3-N和NO_3~--N)的共同影响;随着河流中EC浓度升高,d与NH_3-N之间的正响应关系及其与NO_3~--N之间的负响应关系显著增强。因此,多环境因子对水生生物的影响不容忽视,在大型底栖动物生物多样性保护中应关注各类环境因子的影响贡献。
  • 澜沧江下游补远江大型底栖动物群落结构的时空分布及其影响因素
    鲍思敏, 张凯, 丁城志, 陶捐, 王军
    2024, 36(02): 536-550.
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    自然流淌的支流在维持建坝河流水生生物多样性中起着重要作用。补远江是澜沧江下游的重要一级支流,保持了较为天然的河流状态,人类活动干扰相对较少,是流域土著鱼类保护区和水生生物重要栖息地。在澜沧江流域水电开发的背景下,掌握补远江大型底栖动物群落结构的时空分布及其影响因素,对澜沧江乃至西南河流的水生生物多样性保护和恢复具有重要参考意义。于2019年4月(旱季)和2019年10月(雨季)对补远江的大型底栖动物进行了详细调查,共检出大型底栖动物150个分类单元,隶属于5门7纲68科,其中水生昆虫121种,软体动物20种,蛭类3种,寡毛类2种,甲壳类2种,涡虫、线虫各1种。毛翅目和蜉蝣目为全流域优势类群。补远江底栖动物密度和生物量在旱季和雨季均表现为上游大于中下游,物种丰富度和Shannon-Wiener多样性指数在雨季显著高于旱季。功能摄食类群中,滤食者(41.09%)和收集者(31.81%)占绝对优势,其次为刮食者(11.00%)、捕食者(11.21%),撕食者(4.89%)较少。Mantel检验分析表明,河宽(RW)、硝态氮(NO_3~--N)、化学需氧量(COD_(Mn))是影响补远江大型底栖动物群落结构的主要环境因子;不同功能摄食类群所受到的环境影响因素不同。生物指数(BI)和生物监测工作组记分(BMWP)系统评价显示,补远江大部分样点处于良好及以上水平,少数样点处于中等及以下水平,总体水生态状况良好。
  • 不同营养水平下浮游细菌群落对盐度干扰的响应与稳定性
    毛振镀, 王洪伟, 周天旭, 夏炎雷, 李化炳, 邢鹏, 吴庆龙
    2024, 36(02): 548-563.
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    微生物群落是湖泊生态系统的重要组成部分,其结构和功能的稳定性对于生态系统正常执行功能和服务具有至关重要的作用。以营养富集和盐度增加为特征的全球变化深刻影响湖泊生态系统,揭示这些因素对微生物群落结构及其稳定性的影响机理具有重要意义。本研究以浮游细菌群落为研究对象,开展2个营养水平和3个盐度干扰强度水平(对照组、3‰和9‰)的室内模拟实验;基于同一时间点的实验组和对照组之间细胞密度的差异,计算反应力、抵抗力、恢复力和时间稳定性等多个稳定性指标,尝试揭示群落的稳定性机制;借助细菌16S rRNA基因高通量测序对群落结构进行分析,阐明不同营养水平下浮游细菌群落不同类群对盐度干扰的响应。研究发现,浮游细菌的细胞密度和物种丰富度在盐度干扰后降低,对盐度敏感类群相对丰度减少;盐度干扰后水体中溶解性有机碳增加,促进了适应干扰后环境的浮游细菌生长。更高的干扰强度显著降低了细胞密度,导致了更低的抵抗力;盐度干扰和营养水平在反应力、恢复力和时间稳定性方面存在显著交互作用,在9‰盐度干扰下,高营养水平群落表现出最低的稳定性。多数稳定性指标之间表现出了显著的正相关,可以协同指示浮游细菌群落的稳定性;抵抗力和恢复力之间并不显著相关,但是可以从不同角度反映群落稳定性。未来淡水生态系统的富营养和盐度增加将显著降低浮游细菌群落稳定性,多个稳定性指标的应用和高频次观测有助于了解浮游细菌群落对干扰的响应与稳定性机制。
  • 融合星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像的长江中游洲滩典型禾本科植物高度动态研究
    石希, 夏军强, 周美蓉, 辛沛
    2024, 36(02): 562-574.
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    植物是大型河流生态系统的重要成分。但受气候变化和人类活动影响,洲滩禾本科植物高度不断发生调整,进而影响洲滩生境和河道防洪安全,故需长期监测。近年来,伴随着星载激光雷达(LiDAR)技术的发展,应用LiDAR卫星数据反演洲滩禾本科植物高度成为一种可能。本文融合新一代星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像,基于XGBoost算法构建了考虑物候、累积温度与光合有效辐射指标的洲滩典型禾本科植物高度外推模型,同时利用Attention-UNet算法搭建了洪淹区域识别模型。随后以长江中游洲滩为例,探明了星载LiDAR技术在获取洲滩植株高度方面的性能,分析了各指标对模型精度的影响,并初步得出了洲滩典型禾本科植物高度对不同淹没条件的响应模式。主要结论包括:(1)星载LiDAR系统GEDI具有准确探测洲滩植物高度的能力,与无人机航测数据相比RMSE=0.43 m;(2)运用GEDI数据构建禾本科植物高度外推模型时,考虑物候和累积温度等指标可有效提升模型精度,提升幅度为6.8%～10.7%;(3)利用无人机航测数据对模型外推植物高度进行评价,RMSE=0.80m。同时从模型外推结果中可知,受2020年流域尺度洪水影响,中游各河段平均植物高度下降了0.03～0.24 m;(4)在2020年流域尺度洪水作用下,淹没历时≤10天的洲滩禾本科植物,其次年株高整体呈增长趋势;而淹没历时>10天时,其次年株高平均下降了2.3%～3.1%。此外,对于日均淹没水深与株高的比值>0.95的洲滩,随着比值增加,洪水对禾本科植株高度的负面作用逐步增强。
  • 近60年洞庭湖水位演变态势研究
    董世杰, 李英海, 吴江, 杨恒, 李清清
    2024, 36(02): 575-586.
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    辨析洞庭湖历史水位演变态势对保护湖泊生态系统健康运转以及确保长江中下游防洪安全和水资源利用均至关重要。为了定量评估洞庭湖近60年来水位变化特征、程度及规律,基于洞庭湖鹿角、杨柳潭和南咀水文站1961—2020年逐日水位监测数据,应用Mann-Kendall检验法、小波分析法、累积距平法、滑动t检验法等方法对洞庭湖水位变化趋势性、周期性、突变性进行分析,进而采用IHA-RVA法综合评价洞庭湖突变年前后各站点水位改变度和整体水位改变度。研究结果表明:(1) 1961—2020年,鹿角站和杨柳潭站年均水位呈上升趋势,南咀站年均水位呈下降趋势;3个站点水位周期性变化较为明显,呈现4～5个时间尺度的周期变化规律,第一主周期为55～56年;鹿角站水位突变年份为1979、2003年,杨柳潭站水位突变年份为1978、2003年,南咀站水位突变年份为2003年,综合确定2003年为3个站点突变年份。(2)通过分析突变前后3个站点的水位、时间、频率、延时和改变率5组32个水位指标改变度,发现杨柳潭站水位改变度大于鹿角站和南咀站,鹿角、杨柳潭、南咀站的整体水位改变度分别为43%、48%、42%,均属于中度改变。该研究可为进一步解析洞庭湖水文情势演变规律以及为长江中下游通江湖泊水资源合理利用和水生态环境保护提供参考依据和数据支撑。
  • 我国城市湖泊空间分布格局特征分析及影响因素探讨
    李林森, 王涵, 刘凯, 宁一航, 陈思, 宋春桥
    2024, 36(02): 587-601.
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    城市湖泊作为城市与自然之间进行水气交换的蓝色空间,具有供水、防洪、休闲、气候调节以及改善城市生态环境等诸多生态服务功能。中国地域辽阔、城市众多,不同区域的城市湖泊受自然地理环境和社会经济发展等因素的影响而具有显著的空间差异特征。目前已有研究对我国省会城市和个别大型城市的湖泊空间分布及变化特征等开展研究,但全国范围内各行政等级单元内城市湖泊分布的空间格局及其影响因素仍缺乏综合分析。本研究基于中国城市湖泊数据集,从城市分布的地域单元、行政等级、城市规模3个方面对城市湖泊分布特征进行统计分析和比较,并结合自然和人类活动要素,初步探讨影响城市湖泊分布规模和丰度的主控因子。结果表明,2020年全国共有约11万个面积大于0.001km~2城市湖泊(不包括太湖、滇池等大型湖泊),总面积约2112 km~2,约占全国城市(遥感城市不透水层区域)面积的1.1%。城市湖泊的分布具有显著的集聚和分异特征,数量超过70%的城市湖泊分布在约20%的县(区)级行政单元,约21%的县(区)级行政单元基本没有(<10 m遥感影像分辨率下10个像元)城市湖泊分布。城市湖泊数量最多的县(区)级单元是天津市滨海新区,数量达到了1846个,而武汉市洪山区拥有的城市湖泊的面积最大,达到了67.2 km~2。总体上,城市等级更高的省会城市拥有更加密集城市湖泊分布,其湖泊密度(湖泊面积/城市面积)达到了1.6%,显著高于地级市的1.3%和县(区)级单元的0.8%。经统计分析,城市湖泊的分布与温度、降水、人口、GDP和城市面积呈现显著正相关,与城市海拔和地形起伏度呈强负相关。统计回归模型分析结果表明,城市面积、降水、GDP和地形起伏度是影响我国城市湖泊空间分异特征的主控因子。本研究将为全面认识我国城市湖泊的分布特征提供科学参考,为城市湖泊的资源利用和生态环境保护提供地理本底信息。
  • 黄河上游近60年水沙变化特征及其影响因素
    张曦泽, 杨丽虎, 宋献方
    2024, 36(02): 602-621.
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    由于受人类活动及气候变化影响,黄河上游干流水沙特征发生显著变化。为探究黄河上游水沙变化情况,基于黄河上游5个水文站1964—2019年水沙、遥感影像等数据,利用Mann-Kendall检验法、滑动t检验法、累积距平曲线和双累积曲线等突变检验方法和小波分析法,对黄河上游水沙变化特征进行研究。利用水沙关系曲线及线性回归法等方法估算人类活动和气候对水沙变化的贡献率,并着重讨论梯级水库建设及土地利用变化对水沙的影响。结果表明:1)黄河上游玛曲-小川段流域内降雨量和径流量变化幅度不明显,贵德站、循化站、小川站1986—2019年年均输沙量分别减至1964—1985年的9.8%、24.6%、38.8%,输沙量大大减少。黄河上游玛曲-小川段径流量突变多在1986年,输沙量突变多在1969、1986、2004年,径流量存在8、16、22 a周期,输沙量存在4～8、18～21、27 a周期。2)1969年后,河流输沙能力增强,水沙关系显著改变。在不同时段内,人类活动对径流量变化在1987—2019年贡献率为66.3%,对输沙量变化在1970—1986、1987—2004、2005—2019年的贡献率为72.96%、70.73%、69.7%。人类活动对黄河上游干流水沙影响占据主导因素。3)刘家峡水库淤积最为严重,单库运行期水库淤积量为2.39亿t,排沙比变化范围为1.39%～10.7%。梯级水库联调使得径流量在1964—2004年间减少47.8%,1964—2019年间梯级水库减沙94.8%,梯级水库对输沙量影响远大于对径流量的影响。4) 1980—2020年间,草地面积增加了1880.03 km~2,增幅3.1%,有利于减少输沙量,草地拦沙效益大于截流效益。
  • 基于REOF的两种卫星降水产品（IMERG和MSWEP）在金沙江流域降水分区尺度精度评估
    薄会娟, 林青霞, 李璐, 魏冲, 龚成麒
    2024, 36(02): 620-634.
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    高时空分辨率降水产品的精度评估是卫星降水用于水文气象干旱等研究的前提。本研究提出在降水分区尺度下评估IMERG和MSWEP两种卫星降水产品的精度,并与不分区尺度(即流域尺度)进行比较。首先采用旋转经验正交函数(REOF)对金沙江流域(JSB)进行降水分区,通过贡献率得出8个分区较为适合。然后识别降水的空间分布特征,发现2种降水产品都可以很好地捕捉降水呈现出的从上游到下游逐渐增加的趋势。最后在日尺度、降水发生概率和极端降水探测能力3个方面对降水产品在分区尺度和不分区尺度的性能进行评估。结果表明,在日尺度上,MSWEP的精度在多数降水分区优于IMERG,被推荐5次(1、3、6、7和8区),集中在流域的中游。同时流域尺度也推荐MSWEP。在降水事件发生概率方面,MSWEP能再现不同等级降水强度的概率密度分布,但过高估计0.1～1 mm/d降水事件的发生概率;而IMERG过高估计小于0.1 mm/d降水事件的概率。在极端降水探测能力方面,流域尺度的KGE值都是正值,且IMERG优于MSWEP,但分区尺度上,KGE值在部分降水分区中存在负值,表明IMERG和MSWEP均不能很好地探测出该区的极端降水事件。本研究成果表明降水分区尺度是必需的,能够更加精细地评估降水产品。研究结果可为具有类似气候条件的卫星降水评估提供参考。
  • 汛期洪水资源化利用对三峡水库淤积影响研究
    赵汗青, 任实, 闫静, 张成潇, 刘志武, 高宇
    2024, 36(02): 634-644.
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    作为三峡水库诸多优化调度方式中的一种,洪水资源化利用对水库淤积的影响受到持续关注,开展针对场次洪水的相关研究有助于进一步深化对水库淤积科学问题的认识,有望为调度工作提供一定的技术支撑。通过2013年以来的历史水文资料分析与水沙运动数值模拟,探究了入库洪水的输沙过程以及洪水资源化利用对库区淤积与水库排沙的影响。结果表明:洪峰流量介于30000～55000 m3/s的中小洪水是近年三峡入库洪水的主要形式,随着入库洪峰流量的增加,洪水的地区组成逐渐趋向于金沙江下游、嘉陵江共同主导;常年回水区淤积、水库排沙是“消化”入库泥沙的两种主要途径,且以前者的作用为主;针对Ⅰ-3类入库洪水,坝前起调水位Z_0的抬升或洪水资源化利用对水库淤积的影响主要在于造成了库区淤积的重分布,次要在于改变了水库的排沙作用,在Z_0≤150 m条件下,洪水资源化利用对水库淤积的影响相对较小;针对典型洪水,当武隆洪峰流量Q'_(WL)与入库洪峰流量Q'_(RK)的比值小于1/5(即Q'_(WL)/Q'_(RK)<1/5)且朱沱洪峰流量Q'_(ZT)与北碚洪峰流量Q'_(BB)。的比值介于3/2和3之间(即3/2
  • 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
    雷逸甦, 粟晓玲, 褚江东, 张特, 刘雨翰
    2024, 36(02): 645-656.
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    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3.7×10~8 m~3,亏缺水量为1.2×10~8 m~3,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0.8×10~8 m~3;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。