长江中下游环境DNA宏条形码生物多样性检测技术初步研究

长江生物多样性在人为影响下面临严重威胁,物种监测是生物多样性保护的基础,为完善长江水生态监测体系,实现高效无损伤的物种监测,在长江中下游干流3个江段（新滩、安庆和芜湖）采集水样,建立长江水样环境DNA宏条形码物种检测体系并评估其有效性.结果表明:①长江中下游环境DNA宏条形码检测到32个物种,包括20种鱼类、1种水生哺乳动物（长江江豚）和11种陆生动物,其中鱼类物种包括鲤形目、鲇形目、鲈形目和鲱形目,其种数占鱼类总种数的比例分别为60%、25%、10%和5%.②长江中下游渔获物中资源量居首位的鲤形目在环境DNA调查中序列数最多,占鱼类总序列的96.2%,其次为鲱形目（占比为3.5%）,鲇形目和鲈形目占比较低,分别为0.2%和0.1%,4个类目序列相对丰度与渔获物种资源量组成差异较大.③环境DNA调查次数约占传统渔获物调查次数的几十至几百分之一,采样时间不足努力量最少的渔获物调查的1%,检测到的鱼类种数为传统调查总数的31%~49%.④安庆采样点位于长江中下游长江江豚密度最高的江段,其环境DNA检出率和序列相对丰度在3个采样点中均最高.研究显示:长江水样环境DNA包含水陆复合生态系统的生物多样性信息,利用水样环境DNA宏条形码可检测不同类群的水生和陆生物种;对于鱼类物种检测,环境DNA宏条形码比传统调查方法效率更高,可对传统调查结果进行补充;环境DNA宏条形码生物多样性检测主要受分子标记体系和核酸序列数据库限制,获取全面的物种多样性和资源量信息需要对检测分析方法进行进一步完善.      

关于在长江经济带布局以水质改善为目标的流域生态缓冲体系的思考

生态缓冲带能够有效减缓流域内的人类活动或自然过程对水环境和水生态系统的影响.在长江经济带构建流域生态缓冲体系,对长江生态保护修复具有十分重要的意义.讨论了构建流域生态缓冲体系涉及的生态缓冲带位置选择、缓冲体系所占最低面积比率、宽度划定等一些基本的原则要求;利用卫星遥感影像数据,提取各汇水单元的地形特征、土地利用类型特征、土壤类型、土壤侵蚀强度、水文水系等数据,对长江经济带流域生态缓冲体系进行布局.结果表明:①长江经济带内林草地是主要土地利用类型,占区域总面积的62.46%,但是分布很不均匀,主要集中在西部高地和中下游的丘陵地带,在人口密集、农田密集的区域分布偏少;城镇用地主要集中在长江中下游地区.②土壤类型空间差异显著,浙江省、江苏省、湖南省、江西省及安徽省大部分区域的土壤多是黏性比较大,污染物迁移能力较低;而污染物迁移能力较强的砂质土或者土层较薄的山地草甸土主要分布在四川省北部、西北部.水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀均有分布,且以水力侵蚀为主,建议在中度及以上侵蚀强度区域尽量减少污染源,重点布置缓冲带,增加该区域的缓冲力度.③长江经济带范围内可以利用的中小型湿地、小型河流支浜的面积至少有1.4×104 km2,再结合林草缓冲带,就可以形成一个生态缓冲体系.④在土地利用类型分布结果基础上,叠加土壤侵蚀强度和水系分布,将污染源区、中度及以上侵蚀强度区、水体区作为缓冲对象,建立缓冲体系的重点区域,总面积约14.26×104 km2,占长江经济带总面积的6.95%.对照欧美地区的研究,6.95%的缓冲体系面积占比是偏低的,需要在长江经济带开展深入研究来确定适宜的缓冲体系面积比,推进长江经济带流域生态缓冲体系的构建.      

人工智能技术对长江流域水污染治理的思考

随着经济的快速发展和城市化进程的不断加速,促使水污染严重的长江流域需从污染物去除过程的建模与优化、污水处理过程的优化控制、水污染监测系统的构建开展水污染治理研究.传统的水污染处理技术存在污染物去除效率预测精度较低、污水优化控制成本较高、水污染监测滞后效应严重的问题.人工智能技术能够有效克服上述问题,因此通过梳理国内外学者利用人工智能技术在污水污染物去除过程的建模与优化、污水处理过程的优化控制及水污染监测系统的构建等方面的研究成果,为全面加强长江流域水污染治理能力提供科学可靠的技术指导.结果表明:①利用人工神经网络技术（径向基神经网络、多层前馈网络-人工神经网络、多层感知器神经网络）对污水污染物去除过程进行建模与优化,为精确预测长江流域重金属（Cr、Cu）、营养盐（TN、TP）、持久性有机污染物〔PBDEs（多溴二苯醚）、HCH（六氯环己烷）〕的去除率提供重要参考价值.②采用污水处理的自动控制技术与人工智能技术（递归神经网络、支持向量机、模糊神经网络等）构建污水智能控制系统,为长江流域实现高效节能的污水优化控制提供重要的技术指导.③利用在线监测仪器和人工智能技术（小波神经网络、多元线性回归-人工神经网络、叠层去噪自动编码器等）建立水污染智能监测系统,为解决长江流域水污染监测响应滞后问题提供有力的技术支持.因此,人工智能技术对长江流域提高污水污染物去除率,降低污水优化控制成本,提升水污染监测时效性具有重要的推广价值.      

长江流域2000—2015年生态系统质量及服务变化特征

分析生态系统质量与服务现状及变化特征,有助于准确了解流域生态系统状况与趋势,为流域生态保护与修复的高效管理提供参考依据.采用相对生物量密度与相对植被覆盖度指数以及生态系统服务（土壤保持、防风固沙、洪水调蓄、粮食生产）评估模型,评估2000—2015年长江流域生态系统质量及服务变化特征.结果表明:①2000—2015年,长江流域森林、灌丛以及草地生态系统质量提升显著,56.56%的森林、45.65%的灌丛以及19.26%的草地生态系统质量得到不同程度的提高.②研究期间,长江流域粮食生产、洪水调蓄、土壤保持、防风固沙均呈显著上升趋势,其中粮食生产能力增加13.7%,洪水调蓄功能提升10.1%,土壤保持服务提高19.5%,防风固沙总量增加30.0%.③长江流域生态系统质量不高,处于低与差质量等级的生态系统面积比例在25%~35%之间;受不同类型的自然和人类活动影响,长江流域生态系统质量与服务均存在局部退化现象.研究显示,在生态质量与服务评估的基础上,分区域、分类型实施不同的生态系统保护与恢复途径,是今后长江流域加强生态系统管理的重要途径.      

石期河流域地下水化学特征及物质来源分析

为明确典型岩溶溶丘洼(谷)地区域地下水化学特征及其成因,以石期河流域为研究对象,运用Gibbs图、Piper图、端元分析及离子比例系数等方法,对地下水水化学特征及物质来源进行了定性和定量分析.结果表明,研究区内地下水pH值介于6.06～8.07之间,Ca~(2+)、 Mg~(2+)和HCO~-_3是地下水中的主要离子,其质量浓度范围分别为2.61～108.7、 0.54～27.61和8.1～370.74mg·L~(-1),符合岩溶水高钙弱碱性特征;地下水物质成分中, Ca~(2+)和Mg~(2+)主要受到碳酸参与的灰岩和白云岩风化作用的控制, Na~+主要来源于硅酸盐岩的溶解,同时, Ca~(2+)和Na~+在地下水流动过程中进行阳离子交替吸附作用; K~+、 Cl~-和NO~-_3主要受到农业化肥施放和生活废水排放的影响.此外,大气降水作为该区域地下水的主要补给来源,对当地地下水化学特征和物质来源也有一定的影响.     

永定河上游流域水生态系统服务价值评估

张家口市是首都的水源涵养区和生态功能支撑区,流经该区域的永定河上游流域发挥着保育水资源的重要作用。为全面认识永定河上游流域水资源生态价值,对流域水生态各项服务功能开展定量评价。以2017年为基准年,综合采用InVEST模型与市场价值法系统评估研究区的水源供给量,以空间和货币的手段直观地表达该地区的水源供给情况;对于空间数据较难获取的地区,采用当量因子法评估水土保持与生物多样性价值;采用分摊法计算水生态旅游价值。结果表明：其总价值量为55.14亿元,约占张家口市各区县平均GDP（81.87亿元）的67.35%。其中,水源供给价值、水力发电价值、水产品生产价值、休闲娱乐价值等直接使用价值为28.64亿元,土壤保持、河流输沙、生物多样性等间接使用价值为26.50亿元,水源供给、休闲娱乐和水土保持功能对研究区域水生态系统价值提升和发展具有重要作用。研究区单位面积的生态价值和经济效益分别为0.35亿元和0.23亿元,生态价值远高于经济效益。本文因地制宜的综合评价方法提升了价值评估的科学性和可靠性,对于基础数据较为缺乏的地区,有一定的参考意义。     

气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的影响

借助Mann-Kendall趋势检验和突变检验对气象水文序列进行一致性分析,划分基准期（1961—1979年）和影响期（① 1980—1989年、② 1990—1999年、③ 2000—2016年）,利用基准期校准的可变下渗容量（VIC）模型,采用步进式方法,探究气候变化和人类活动对伊逊河流域径流变化的波动影响过程。结果表明:研究区近56年年均气温显著升高,年降水量无明显变化趋势,流域年径流量下降趋势明显,季节尺度上流域非汛期降水量增加显著。气候变化和人类活动均会对径流产生显著影响且作用机理复杂,步进式方法对影响机理的研究较传统方法更能体现其变化过程;在降水丰沛的影响 ② 期,冬季降水量增加会显著增加流域径流量,而在降水略少的影响 ① 期和 ③ 期,蒸发量增加以及土壤含水量降低使得流域径流减少;人类活动耗水在影响 ① 期和 ③ 期引起流域径流减少并且影响作用逐渐增强,影响 ② 期由于城镇化和耕地扩张使得流域产流能力增强导致径流增加。深入研究气候变化和人类活动对径流的影响机制,可为流域水资源管理和规划提供理论依据。     

基于SVR的长江经济带水环境承载力评价

基于DPSIRM模型构建区域水环境承载力评价指标体系,并基于SVR模型构建了区域水环境承载力评价模型,利用交叉验证法对SVR模型参数进行优化选择,进一步提高模型预测精度.运用该模型研究了长江经济带2009~2018年的水环境承载力演变趋势及空间差异,结果表明：长江经济带水环境承载力等级整体呈现升高趋势,其中上游城市群承载等级由II级（超载）提升到了IV级（弱可承载）;中游城市群承载等级由II级（超载）提升到了IV级（弱可承载）;下游长三角区域承载等级由I级（重超载）提升到了IV级（弱可承载）.将评价结果与熵权-TOPSIS法的评价结果相比较,相同率达到91.7%,说明SVR模型评价区域水环境承载力可行,评价结果可靠.以下游区域为例,分别对其6个子系统的承载力进行剖析,并运用单因素轮换OAT法对各子系统内的评价指标进行敏感性分析,便于决策者识别指标敏感性.     

珠江口夏季海陆源有机碳的模拟研究——分布特征、贡献比重及其迁移转化过程

基于经过验证的三维水动力-水质模型,对珠江口夏季有机碳进行海陆源区分,并对海陆源有机碳的分布特征、贡献比重及其通量过程进行研究.结果表明,水平方向上,珠江口夏季陆源（海源）有机碳浓度从口门到外海逐渐降低（升高）,在表、底层海水中平均浓度分别为1.45和0.87mg/L（0.97和1.05mg/L）;垂直方向上,在层化水域陆源（海源）有机碳浓度从上到下逐渐递减（升高）,在非层化水域海陆源有机碳浓度垂向分布较为均匀.珠江口夏季海源有机碳贡献率表层海水低于底层海水,平均贡献率为48.26%,沿向海方向海源有机碳贡献率逐渐增加--从内伶仃洋水域的4.43%逐渐提升到外伶仃洋东侧水域的81.20%.珠江口水动力条件复杂,在径流、潮汐、季风等因素的作用下陆源有机碳向海输送且向海输送量逐渐递减;海源有机碳在不同水域动力输送特征不同,西南水域向海输送,向海输送量逐渐递增;东北水域向岸输送,向岸输送量逐渐递减.陆源有机碳生化反应活性较弱,只有小部分被生化过程消耗,其迁移转化主要由沉降过程控制,而海源有机碳的迁移转化,则由口门的动力输送过程主控向外海的生化耗碳过程主控过渡.此外,海源有机碳沉降作用明显低于陆源有机碳,生化作用明显高于陆源有机碳.     

基于地形位置指数的赤水河流域植被时空变化研究

地形因子和植被覆盖是区域灾害评价的关键指标,也是山区型村镇建设生态安全评估的重要内容.为探析山区型村镇建设的生态约束条件,以赤水河流域为研究对象,基于1998—2018年SPOT_VGT NDVI数据,利用地形位置指数（Topographic Position Index,TPI）和坡度位置指数方法,研究了赤水河流域植被生长季NDVI时空变化及地形分异特征.结果表明:①赤水河流域内,1998—2018年植被生长季平均NDVI呈缓慢上升趋势,斜率为0.004 7;NDVI>0.60的集中连片区域主要分布在古蔺县北部、赤水市大部和习水县西北部,占赤水河流域总面积的8.42%;Sen's slope在0.009~0.015区间时,赤水河流域植被生长增强趋势最明显,主要集中分布在赤水河中上游、二道河以及下游的大同河干流地区.②TPI在-39.4~34.3区间的面积最多,为6 221.63 km2,占赤水河流域总面积的34.05%;将赤水河流域坡度类型划分为山脊、上坡、中坡、平坡、下坡、山谷6个坡度位置类型,其中,中坡面积（7 792.02 km2）最大,占流域总面积的42.64%,表明TPI数值较小且坡度大于5°的区域是赤水河流域地形主体.③赤水河流域植被在山脊的平均NDVI最高,为0.747,且山脊平均Sen's slope最高,为0.007 2;山谷平均NDVI最低,为0.709.研究显示,赤水河流域植被分布在118.5~486.9的TPI区间或分布在山脊处时整体生长较好,且生长增强趋势最明显.