华北引黄灌区粮食产量与农业土壤资源质量时空分布特征

明确作物产量和土壤养分时空变异可以更好地掌握农田生产力和土壤质量情况,对农业资源合理配置以及提高生产力可持续性有着非常重要的意义。利用华北平原引黄灌区下游农田作物产量数据和耕地质量监测数据,对华北平原引黄灌区下游作物产量的演变以及有机质和养分的空间分布进行分析,阐明该地区作物产量、土壤养分的空间分布特征。结果表明：灌区的农田生产力水平存在显著的空间和时空差异。20世纪80年代末以来,农田生产力水平整体呈上升趋势,冬小麦高产田分布在黄河下游北岸中部地区的齐河县和下游南岸三个县,范围是6084.0~6861.0 kg/hm²,夏玉米产量空间分布整体上呈现出中间高两端低的特征,其中齐河县的产量最高,为7524.0 kg/hm²。灌区农田土壤有机质、氮、磷、钾养分具有明显的时空分布差异,有机质和速效钾含量最高的德州市分别为16.30 g/kg和202.40 mg/kg,全氮含量最高的淄博市为1.17 g/kg,有效磷含量最高的泰安市为34.56 mg/kg。研究表明,灌区的生产力水平一直不断在提升,仍有很大的增长空间。掌握养分分布特征和土壤肥力的空间差异来制定合理的施肥措施,可为今后该地区实现精准农业和高产稳产提供科学依据。     

土壤环境质量预警体系构建与应用

土壤环境质量预警是实施土壤污染风险分类分级管控措施的重要依据.为快速了解区域土壤环境质量水平,在土壤环境质量恶化前及时采取有效措施遏制土壤污染持续加重的态势,基于环境容量和污染物输入-输出通量理论分别构建了简易、有效和可量化的农用地和建设用地土壤环境质量预警体系,进一步结合土壤环境质量标准、食品安全标准和致癌风险系数提出相应的预警方法和预警机制,并以攸县农用地和北京市五环内建设用地为研究区域,评价土壤环境质量现状,预测不同情景下的土壤环境质量超标风险.结果表明,攸县网岭和桃水镇两地农用地土壤环境质量均隶属五级预警水平,相对其他修复措施,污染秸秆不还田可在较短时间内将土壤中镉含量降低至风险筛选值水平以下.北京市五环内建成区土壤质量状况良好,较长时间内不存在健康风险隐患,无突变情景和乐观情景下Cd、Cu、Pb和Zn的风险超标年限均远高于50 a,隶属一级预警水平.     

土壤环境承载力评价体系构建与应用

为了解土壤环境对污染物的容纳能力和对人类活动的承载能力,达到有效遏制土壤污染的加重趋势和实现土壤环境风险全面管控的目的,基于土壤环境质量评价,通过区域土壤污染物输入-输出通量分析和污染风险特征分析,以土壤净化缓冲功能为核心构建全面反映土壤性质、污染演变趋势和风险特征的土壤环境承载力综合评价指标体系,并提出基于评价指标的安全系数核算方法.以北京市建设用地为研究对象开展区域尺度的土壤重金属环境承载力定量评价,验证评价指标体系与方法的科学可行性.结果表明,北京市Cu、Zn、Pb和Cd的土壤环境承载力差异明显,Cd元素土壤环境承载力较其他元素低.明确土壤环境承载力概念与内涵、完善土壤环境承载力评价框架、构建土壤环境承载力信息数据库和开展土壤环境承载力核算试点等4个方面对土壤污染的有效防治具有重要意义.     

北京城市生态系统地表水硝酸盐污染空间变化及其来源研究

利用2009～2010年北京城市生态系统地表水10处监测点水环境监测数据,评价了北京城市生态系统地表水硝酸盐污染状况及其空间分布,结合水化学因子相关关系分析了硝酸盐的主要来源.结果表明,北京城市生态系统地表水硝态氮(NO3--N)质量浓度为0.7～7.6 mg.L-1,其中,位于北京市东南部的地表水监测点(东便门和通惠河)水体NO3--N质量浓度为7.0～7.6 mg.L-1,显著高于上游8个监测点NO3--N质量浓度(P<0.01);Cl-质量浓度为14.8～86.0 mg.L-1,东便门、通惠河地表水监测点水体Cl-质量浓度为81.5～85.0 mg.L-1,约为上游其他8个监测点的2.3～5.8倍.东便门、通惠河地表水监测点水体电导率(EC)、SO24-质量浓度也表现出同NO3--N、Cl-相似的变化规律,表明东便门、通惠河两处地表水监测点附近存在明显的污染源.相关分析表明,地表水Cl-/Na+和SO24-/Ca2+呈明显的线性相关,说明地表水NO3--N污染来源比较单一;水体中NO3--N/Cl-及NO3--N的质量浓度状况说明北京城市生态系统地表水NO3--N污染来源主要是城市污水,包括污水处理厂的废水、垃圾沥出液及生活污水.未来北京市地表水治理应重点关注东便门、通惠河等东南部下游水体污染治理.     

水汽源地和局地蒸发对大气降水氢氧稳定同位素组分的影响

降水氢氧稳定同位素组分是一种良好的示踪剂,对水汽循环的研究有重要意义.本研究基于2016年在南京、溧阳、宜兴和东山这4个站点按降水事件采集的降水样品,测定了降水HDO和H_2~(18)O组分,分析了降水HDO、H_2~(18)O组分以及过量氘的时间变化特征;探讨了水汽源地和局地蒸发对降水稳定同位素组分的影响.结果表明:(1)冬夏季风期间水汽源地的差异使4个站点降水HDO、H_2~(18)O组分及过量氘有明显的季节变化,主要表现为HDO和H_2~(18)O组分夏季风期间贫化,冬季风期间富集;过量氘夏季风期间小于冬季风期间;(2)夏季风期间,太湖蒸发补给使下游地区的降水过量氘变大,局地大气降水线方程的截距变高;冬季风期间,局地蒸发对降水同位素影响很小,降水HDO、H_2~(18)O组分以及过量氘的空间变化不明显;(3) 4个站点局地大气降水线方程的斜率和截距均较高,原因可能是冬夏季风期间的降水水汽来源的差异和冬季风期间水汽再循环过程的影响.     

典型岩溶地区岩溶泉溶解性碳浓度变化及其通量估算

溶解性无机碳(DIC)和溶解性有机碳(DOC)是岩溶作用、碳汇与碳循环研究的重要指标.为增进对小流域岩溶泉DIC和DOC运移特征的认识,提升离散、有限的水质监测数据条件下碳通量的估算精度,研究了贵州普定陈旗岩溶泉DIC和DOC浓度的变化特征,采用LOADEST模型建立了估算DIC和DOC日通量的回归方程,并估算了陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度.结果表明,陈旗岩溶泉DIC和DOC的浓度分别为16. 47～42. 31 mg·L~(-1)和0. 87～6. 89 mg·L~(-1),它们分别随瞬时径流量的增加呈指数减小和增加.从LOADEST模型构建的回归方程可知,DIC日通量主要受径流量的影响,DOC日通量受径流量和时间的影响;陈旗岩溶泉DIC和DOC的估算通量分别为9 490. 01 kg·a~(-1)和1 704. 87 kg·a~(-1),陈旗岩溶泉的岩溶碳汇强度为3. 40 g·(m~2·a)~(-1). LOADEST模型是低频率水质监测条件下估算岩溶泉DIC和DOC通量的有效工具.     

黄土高原坝系流域干湿季交替下氮输出特征及其源解析:以羊圈沟为例

本研究通过对干湿季氮湿沉降过程、降雨过程及基流过程进行动态监测,分析干湿季交替下降雨及基流过程的各形态氮浓度变化,探讨黄土高原坝系流域氮湿沉降对流域氮输出的影响并利用同位素方法解析氮输出来源.结果表明,2015年湿季(7、8月)共11场降雨,产生的氮湿沉降负荷约达814.18 kg,氮沉降通量约为4.26 kg·hm-2;干季(9月)共3场降雨,产生的湿沉降负荷约达155.58 kg,氮沉降通量为0.83 kg·hm-2,呈现出极大的季节变异性.通过对其中4场降雨过程进行动态分析发现,不同降雨强度对水体氮输出过程影响不同,4场降雨对流域水体的氮贡献量为16.94 kg.降雨径流氮输出负荷占流域水体氮输出负荷的比率为14.45%~64.84%,说明降雨对流域水体氮输出贡献很大.羊圈沟坝系流域δ15N变化范围较大,为-0.844‰~12.791‰,δ18O值在8.166‰~15.115‰范围内波动.     

北京城市地表河流硝酸盐氮来源的氮氧同位素示踪研究

为了有效防治城市地表河流硝酸盐氮的污染并进行针对性水体治理,利用δ15N和δ18O双同位素示踪技术,对北京城区地表河流硝酸盐污染进行了溯源。选取北京9条河流的10个监测点,分析了硝酸盐氮污染的浓度分布特征,并运用MAT253氮氧双同位素技术解析了硝酸盐的各种来源。研究结果表明,北京城区地表河流硝酸盐氮污染自上游至下游逐渐加重,上游8个监测点的硝酸盐氮平均浓度在0.7～3.4 mg/L之间,下游东护城河和通惠河2处硝酸盐氮的浓度均值分别达7.6 mg/L和7.0 mg/L。利用同位素质谱MAT253分析,得知北京城区地表河流δ15N值总体分布范围为-1.2‰～+28.88‰,δ18O值分布范围为+0.09‰～+6.62‰,依据δ15N和δ18O的特征范围,得出北京城区地表河流硝酸盐来源主要是粪肥和污水。     

草地生态系统生物和功能多样性及其优化管理

草地生态系统作为陆地生态系统的主要类型之一,能够为人类提供丰富多样的生产和服务功能,在维持和保护生物多样性、提供生产力、土壤碳库、养分循环、防风固沙、保持水土、涵养水源、调节气候等方面发挥着重要功能。然而,随着城市化和工业化进程的加快,人类对自然界进行了高强度掠夺式开发利用,为谋求经济发展而不惜以牺牲环境与自然资源为代价,致使社会经济的发展同资源与环境保护之间的矛盾日益突出,如越来越多的生物面临灭绝、生态系统服务功能下降、全球气候变化等,而这些问题反过来又影响了社会经济的可持续发展。在人类活动附加于自然草地生态系统后,草地的利用与经营管理方式以依赖实践和经验为主导,而关于草地生态系统结构和功能的理论研究一直处于探索积累阶段而不能很好地指导实践,致使草地利用与发展经历了缺乏科学指导和合理调控的盲目发展模式。随着数学方法和信息技术等在生态学中的广泛应用,对生态系统结构、组分之间机理联系的深入认识,生态学家正试图利用信息科学、系统科学和网络分析技术,准确模拟生物多样性、多元生态功能网络,分析多功能之间的权衡关系,优化生态系统服务,实现对草地发展趋势的科学预警,加强草地良性发展的人为调控,以最终实现生物多样性保护、优化生态功能和可持续发展的科学管理系统。文章综述了生物多样性和草地生态系统功能与管理的重要研究进展,提出了促进草地生态系统可持续发展的建议与研究展望。