浑太河流域多尺度土地利用/景观格局与水质响应关系初步分析

选取浑太河流域为研究对象,采用GIS、相关性分析、多元线性回归分析等多种数理统计分析技术,从子流域和河岸缓冲区尺度分析了土地利用、景观格局对河流水质的影响。结果表明:农业用地面积比例在子流域和1000m河岸缓冲区尺度与NH4+-N、TN、BOD5和COND呈正相关;林地用地面积比例在子流域尺度和河岸缓冲区尺度均与CODMn呈负相关,在300m、400m、1000m河岸缓冲区尺度与TN呈负相关,在1000m河岸缓冲区尺度与COND呈负相关,在子流域与1000m河岸缓冲区尺度与NO3-呈正相关;草地在子流域尺度与NH4+-N、TN、TP、Chl、CODMn呈正相关;建设用地面积比例在子流域尺度与BOD5、COND、TN呈正相关。CONTAG在河岸带缓冲区尺度与COND、TN呈正相关,在子流域和河岸缓冲区尺度与均CODMn均呈正相关,在河岸缓冲区尺度与NO3-呈负相关;PD在子流域尺度上与TN呈正相关,ED在子流域尺度上与NO3-呈正相关,与NH4+呈负相关;SHDI在子流域与河岸缓冲区尺度与NO3-均呈负相关。相对于河岸缓冲区尺度,土地利用类型在子流域尺度上对水质的影响更为显著,表现在调整判定系数Adjusted R2更大。而景观格局指数中对水质影响最大的是CONTAG,相对于子流域尺度,CONTAG在缓冲区尺度上影响更为显著。     

密云水库上游白河地表水质对不同空间尺度景观格局特征的响应

基于密云水库上游北京境内白河段9个监测断面的水质数据,利用多元统计分析方法分析不同空间尺度（100、200、300、500和1000 m）河岸带缓冲区土地利用景观格局特征与水质总氮（TN）和总磷（TP）的关联性,识别水质对景观特征响应的最佳缓冲区尺度.结果表明,密云水库上游北京境内白河周边土地利用景观格局对水质的影响随着河岸缓冲区不同宽度的变化而不同,在河岸小尺度缓冲区表现得更明显,对水质TN和TP空间分异解释的最佳尺度分别为300 m和100 m河岸缓冲区.300 m缓冲区尺度,耕地斑块密度和草地聚集指数是影响河流TN的主要指数.100 m缓冲区尺度,城乡居民点面积比例对河流TP影响显著.该研究表明,优化河岸缓冲区300 m宽度范围内的景观格局,特别是耕地和林草地的合理配置提高农业景观的连通性和聚集度以及岸边城乡居民点面积与污染物排放控制,对于改善北京境内白河段河流水质的生态功能和保障密云水库饮用水安全十分重要.     

三江平原水田氮的侧渗输出研究

为探讨三江平原水田面源污染物氮的输出机制,通过不同尺度田间原位实验,研究了氮在水田-田埂-渠系系统侧渗输出过程中氮含量、田埂截留率及侧渗速率的变化规律.并对水田氮流失负荷进行了量化.结果表明,近沟渠田埂宽度对侧渗速率和截留氮素的能力影响明显.随田埂宽度的增加,侧渗速率降低,而田埂对氮素的截留能力增强,其中,田埂对氨氮(...     

土地利用结构与空间格局对鄱阳湖流域中小河流水质的影响

为揭示土地利用结构与空间格局对中小河流水质的影响机制,于2022年1月与2022年7月在鄱阳湖流域3条中小河流的25个采样点收集水样.采用Bioenv分析、Mantel检验与方差分解量化不同空间尺度的土地利用结构与空间格局对水质的影响,使用广义加性模型拟合水质与土地利用结构与空间格局的关系,广义线性模型构建分段回归模型,并基于逐步递归法计算阈值.结果表明：①土地利用结构与空间格局对河流水质的平均解释率在丰水期（59.72%）大于枯水期（48.95%）;子流域与河岸100 m是土地利用结构与空间格局影响中小河流水质的关键尺度,平均解释率分别为54.70%和64.88%;土地利用结构与空间格局的共同解释部分是驱动河流水质变化的重要因素,占总解释率的66.90%.②土地利用结构对中小河流水质的影响具有显著的阈值效应,当子流域尺度下建设用地占比低于2%、耕地占比低于8%和林地占比高于82%,河岸缓冲区尺度下建设用地占比低于12%、耕地占比低于41%和林地占比高于49%时,均能明显改善水质.③空间格局对中小河流水质的影响也具有阈值效应但弱于土地利用结构,当子流域尺度下斑块形状值大于28.77和斑块多样性大于0.69,河岸缓冲区尺度下斑块形状值大于2.99和斑块多样性大于1.02时,均能改善水质.以上结果表明,加强对子流域与河岸100 m尺度的土地利用的管理,合理规划土地利用结构与空间格局能够有效地防止水质恶化.     

植被过滤带阻控径流污染的机制及研究进展

植被过滤带是阻控径流污染的有效措施,其可通过滞留、下渗、吸附、吸收以及降解等机制截留径流中的污染物。文章综述了植被过滤带的发展历程,介绍了过滤带阻控径流中污染物的主要机制,归纳了植被过滤带的构成因素以及影响截留效率的因素,并概述了植被过滤带模型模拟的研究进展。最后,结合当前国内外研究成果及现状,归纳分析了今后还应继续深入研究的方向。     

塔里木河干流荒漠河岸林的空间分布与生态保护

塔里木河流域荒漠河岸林具有重要的生态、经济和社会效益。论文以塔里木河干流的荒漠河岸林系统为研究对象,借助于卫星遥感、GIS等技术,结合实地调查,应用缓冲区梯度分析方法,对现有林地水平分布结构进行分析。结果表明:①塔里木河干流荒漠河岸林面积为58.42×10⁴ hm²,占研究区总面积的14.07%,自上而下5个河段的林地面积分别占总面积的2.94%、3.75%、3.95%、1.99%和1.44%,并且北岸河岸林面积较南岸明显多,南岸受沙漠化威胁,河岸林退化严重,水资源时空分配不均匀是荒漠河岸林分布特征的重要原因;②荒漠河岸林多沿河道地形分布,随离河道距离的增加呈波动下降趋势,河流对荒漠河岸林显然具有重要影响,径流主要起到补给地下水的作用,近河床区林地分布较集中,波动幅度小,在远离河床区林地易于退化,河流北岸影响范围为38.33~45.51 km,南岸为15.21~39.33 km;③塔里木河干流总体林地率不高,林地分布不均匀,荒漠河岸林形成以河道为中心的带状分布,分布范围达10~80 km,重要保护范围在0.8~12.3 km,恢复范围在2.2~24.5 km,重建范围在4.7~30.1 km。根据荒漠河岸林的分布特征和保护目标,对塔里木河干流用水作统一规划和协调是符合实际的生态治理措施。     

基于区域DNDC的稻田轮作氮素空间分异与驱动分析:以晋江流域为例

稻田轮作氮素动态循环对于保障居民食物需求,实现区域生态可持续发展等目标具有重要现实意义.从区域尺度视角分析各氮素指标空间分异状态,及其驱动影响因素,可为农田管理措施的实施提供宏观决策依据.选取晋江流域内的稻田轮作区作为研究对象,运用反硝化分解(denitrification decomposition, DNDC)模型、热点分析以及地理加权回归(geographical weighted regression, GWR)建模等技术,模拟了稻田生态系统内氮素循环,分析了各氮素指标空间分异特征与驱动归因.结果表明:①经过参数率定与结果验证的DNDC模型体现出较好的区域适应性;②不同轮作模式间对比发现,稻-蔬轮作模式表现为最大氮肥输入量、最高作物氮素吸收效率以及最大氮素损失量,其次为稻-稻轮作模式,最后为稻-空闲轮作模式;③在各氮素指标空间分布方面,除作物氮素吸收量呈随机分布,NH_3排放量、N_2O排放量和氮素淋失表现为空间聚类分布,基于标准差椭圆的集约主趋势线主要以"感德镇—长坑乡"一线为主;④由各氮素指标空间影响因素分析发现,土壤属性因子具有最强影响效果,NH_3排放量和N_2O排放量中SOC_(max)为最强影响因子,空间分布呈现"西高东低",氮素淋失损失量中pH_(min)表现为最强影响因子,空间分布呈"南北高东西低".     

改性膨润土应急截留液态有机物的性能及机制

用长碳链季铵盐阳离子表面活性剂改性膨润土,研究其对典型液态有机物(苯、氯苯、硝基苯、柴油)的截留性能及作用机制,并进行了中试规模的模拟应急处置试验.改性膨润土对液态有机物的单位截留量(2.83～9.01 g.g-1)明显高于常规截留剂(0.28～1.17 g.g-1).表面活性剂的性质、添加量及有机物本身的黏度是影响改性膨润土对液态有机物截留性能的重要因素,其中以溴化十六烷基三甲基铵(CTMAB)为改性剂且其添加量为100%CEC的改性膨润土的截留性能最佳.在液态有机物泄漏模拟处置中,改性膨润土应急截留装置可在短时间内(30 min)完成对液态有机物90%以上的就地截留.研究表明改性膨润土截留液态有机物的主要作用机制是表面活性剂的改性处理增强了改性膨润土的疏水性,并增大了其层间距,从而提高了其对液态有机物的截留性能.     

模拟排水沟渠非点源溶质氮迁移实验研究

农田排水沟渠是由水-底泥-植物组成的复合生态结构,其间非点源溶质的迁移转化对研究沟渠拦截、控制和管理农业非点源污染具有重要意义.本研究以模拟排水沟渠静态实验为基础,以典型非点源溶质氮素为例,分析了实验期内水体、底泥及芦苇不同介质内氮含量变化过程,分析了底泥吸附与解析、芦苇生长与衰败等年内不同时期对水体中氮素浓度的影响,探讨了水-底泥-芦苇复合生态体内氮迁移及对水体中氮浓度的影响机制.结果表明,底泥的吸附与解吸、芦苇生长的吸收和同化对水体中氮素浓度均有影响,10月之前这种影响表现为促使水体中氮素浓度降低,是水体的氮净化过程;10月之后这种净化作用开始降低,11月之后表现为促使水体中氮素浓度升高.同时,模拟沟渠水-底泥-芦苇生态体内氮迁移联系密切,任一介质内或介质间氮素迁移转化都会引起水体中氮素浓度相应调整.     

植被过滤带阻控农业径流污染特性与机制进展

植被过滤带作为一种防治农业面源污染的有效措施,在截留泥沙侵蚀、保护河道水质等方面效果显著。该文主要综述分析了国外中试实验(小区实验)研究过滤带截留农业径流污染物(沉积物、N、P营养物、农药等)的效能与机制及其有效运行的影响因素,介绍了污染物在过滤带中迁移转化的数学模型;探讨分析了小区实验与实际田间过滤带的差异;概述了国内过滤带的研究情况。结合目前过滤带的研究不足点以及国内研究现状提出了今后的重点研究方向。     

库滨带土壤释氮负荷模型的构建与田间尺度模拟分析

岸边带生态系统对氮元素的去除机理主要包括化学释放含氮气体过程.植物吸收过程和泥沙截留3方面.其中,土壤反硝化释氮是岸边带系统最为重要的生态功能之一.因此,建立适当的岸边带土壤释氮模型(包括土壤反硝化、硝化和氨挥发过程),对准确评估岸边带生态功能和构建合理的岸边带生态系统具有重要意义.本研究依据岸边带去氮机埋,参照已有的土壤释氮模型研究成果,构建了适用于水库库滨带土壤特性的土壤释氮速率估算模型(简称土壤释氮模型),并以官厅水库库滨带小区为研究对象,对水库库滨带土壤释氮特性进行模拟分析与验证.模型模拟结果表明,在监测期间(6～9月)土壤水分平均含量分别为16.6%、37.3%、43.9%和55.2%的情况下,土壤反硝化释氮速率分别为0、(102.1±59.3)、(169.3±87.6)和(203.2±119.6)mg·m-2·d-1(以N计);硝化速率分别为(233.3±121.4)、(177.9 ±69.3)、(187.7±75.0)和(166.7 ±121.9)mg·m-2· d-1(以N计);氨挥发速率分别为(3.00±1.13)、(2.64±1.01)、(2.76 ±1.04)和(2.51±1.89)mg·m-2·d-1(以N计);总释氮量分别为1.18、33.64、92.50和65.74g(以N计).同时,结合同步监测的实验数据,应用总量平衡法对模拟结果进行了验证.验证结果表明,实验小区土壤释氮量模拟值与实验值的决定系数(R2)为0.83,证明了该模型可有效地应用于水库库滨带区域.     

流域尺度氮流失的环境风险评价

采用故障树及概率分析方法,对九龙江流域氮的流失风险进行定性与定量评价.通过建立故障树定性分析了九龙江流域氮流失的主要风险来源.结果表明,氮流失风险大小主要与肥料施用、畜禽养殖废物的处置及农田耕作有关.在GIS技术支持下,通过土地利用、土壤等数据的计算,结合田间调查结果与专家意见,确定故障树基本故障事件概率,继而对氮流失风险进行定量评价.最佳管理措施模拟评价结果表明,降低施肥水平,在养殖场周边建立植被过滤带,增加河岸林截留入河沉积物等措施可以有效降低氮流失风险,在九龙江流域可以考虑优先实施.      

最佳管理措施对非点源污染控制效果的预测——以北京密云县太师屯镇为例

选取北京市密云水库上游太师屯镇为研究区,针对该区农业非点源污染特征,设计了最佳管理措施(BMPs).同时,在非点源污染损失估算的基础上,率先尝试从经济学角度预测8种不同非点源污染措施在控制氮、磷和泥沙流失的效果及所获得的环境效益、经济效益,并将各单项措施的控制效率进行了比较分析.研究结果表明：改变土地利用类型的3种措施中,25°以上荒草坡还林措施效果最好,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果都超过15%,最高可达30%以上,且经济效益最大;25°以上坡耕地还林效果次之,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果都超过5%,最高可达12%;15°~25°坡耕地变果园措施最差,对总氮、总磷、泥沙流失的控制效果一般为4%~8%.坡度为0°~15°坡耕地在土壤侵蚀控制中具有重要地位;坡耕地植物篱和保护性耕作对土壤侵蚀类非点源污染的控制效果相近,削减的污染损失占非点源污染损失总价值的13%,具有明显的环境效益.针对畜禽养殖污染设计的农村户用沼气池,其经济效率在10%左右;测土施肥技术可减少氮素流失、节约大量化肥,且削减的污染损失达到非点源污染损失总价值的19%.作为综合污染控制措施的河岸缓冲带,可以有效地拦截氮、磷和泥沙的流失,对泥沙的控制效果最好,为83%,对氮的控制效果最低,仅为27%;而从经济效益方面比较,缓冲带减少氮素流失所获得的经济效益最大,约为该措施总经济效益的56%,泥沙次之,占28%;植被缓冲带削减非点源污染的总经济效率最高,可达35%,折合经济价值约1.69×106元.     

Agricultural non-point nitrogen pollution control function of different vegetation types in riparian wetlands： A case study in the Yellow River wetland in China

Riparian wetland is the major transition zone of matter, energy and information transfer between aquatic and terrestrial ecosystems and has important functions of water purification and non-point pollution control. Using the field experiment method and an isotope tracing technique, the agricultural non-point nitrogen pollution control function of di erent vegetation types in riparian wetland was studied in the Kouma Section of the Yellow River. The results showed that the retention of agricultural non-point nitrogen pollution by riparian wetland soil occurs mainly in top 0–10 cm layer. The amount of nitrogen retained by surface soils associated with three types of vegetation are 0.045 mg/g for Phragmites communis Trin Linn, 0.036 mg/g for Scirpus triqueter Linn, and 0.032 mg/g for Typha angustifolia Linn, which account for 59.21%, 56.25%, and 56.14% of the total nitrogen interception, respectively. Exogenous nitrogen in 0–10 cm soil layer changes more quickly than in other layers. One month after adding K15NO3 to the tested vegetation, nitrogen content was 77.78% for P. communis Trin, 68.75% for T. angustifolia, and 8.33% for S. triqueter in the surface soil. After three months, nitrogen content was 93.33% for P. communis Trin, 72.22% for S. triqueter, and 37.50% for T. Angustifolia. There are large di erences among vegetation communities respecting to purification of agricultural non-point nitrogen pollution. The nitrogen uptake amount decreases in the sequence: new shoots of P. communis Trin (9.731 mg/g) > old P. communis Trin (4.939 mg/g) > S. triqueter (0.620 mg/g) > T. angustifolia (0.186 mg/g). Observations indicated that the presence of riparian wetlands as bu ers on and adjacent to stream banks could be recommended to control agricultural non-point pollution.     

RIP-N模型对官厅水库库滨带去氮效应的流域尺度模拟分析

以官厅水库库滨带为研究对象,构建适用于流域尺度岸边带去氮负荷估算的生态水文模型——RIP-N(Riparian-Nitrogen)模型,对官厅水库库滨带2007年3~9月间岸边带去氮效应进行分析.同时,在延庆水保站开展田间尺度的野外模拟实验,结合室内外试验分析和以往研究成果,对模型模拟结果进行验证.RIP-N模型包括土壤化学过程模拟和植物生长过程模拟.前者包括土壤反硝化模拟、硝化模拟和氨挥发模拟;后者包括植物净第一性生产力(net primary productivity,NPP)模拟、植物生产力分配模拟和植物营养元素吸收模拟.结果表明:①RIP-N模型模拟值与实验值的决定系数大于0.5,证明该模型在空间尺度模拟上的有效性及模拟结果的可靠性;②模型模拟结果表明官厅水库库滨带流域3~9月对N的总去除量为5.91×103t;③RIP-N模型对官厅水库库滨带去氮环境效益分析表明,当前库滨带土地利用格局中,滩地、林地和草地是去污效果较好的土地利用类型,3~9月对流域的去N量占流域总去N量的76.5%,在非点源污染防治中起到"汇"的作用;但是研究区中专属湿地的"汇"作用表现不明显,3~9月去N量仅占流域总去N量的5.9...     

滨岸缓冲带控制农田氮磷流失的作用和机理研究

农田面源氮磷的流失是导致河流湖泊等水体产生富营养化的主要原因之一,其带来的环境、经济及社会问题已引起国内外广泛关注。近年来,关于滨岸缓冲带截留污染物的效率和机理已成为研究热点。文章介绍了滨岸缓冲带在农业面源污染防治上的功能和作用,论述了滨岸缓冲带对氮磷养分的截留转化机理以及稳定同位素技术在机理研究中的应用,讨论了影响滨岸缓冲带截留转化氮磷养分的调控因子,在此基础上就目前滨岸缓冲带控制农田氮磷流失研究中存在的问题提出了未来的研究展望。     

寒冷地区滨岸缓冲带植物筛选

为在寒冷地区建立高效的滨岸缓冲带水体工程,选择早熟禾、高羊茅、3种本地耐寒性植物,研究剪股颖构建河流滨岸缓冲带植物的经济性、生长特性、光合作用及其对悬浮物、氮、磷的净化能力。结果表明,3种植物在经济性方面高羊茅与早熟禾差别不大,远低于剪股颖;在生长特性方面,早熟禾与高羊茅的表现相近,高羊茅略好,但比剪股颖表现优秀,早熟禾在净光合作用速率、蒸腾速率以及水分利用效率方面比高羊茅及剪股颖出色;在面源污染物去除率方面,地表径流悬浮物的去除中,早熟禾表现突出;在溶解性磷与总氮的净化中,3种植物表现差异不大,早熟禾略有优势。综合比较各项指标,早熟禾可作为寒冷地区构建滨岸缓冲带较为理想的备选植物。     

河岸植被土壤系统对面源污染的削减和净化研究

具有一定群落结构的河岸植被土壤系统内部具有较大的生物生存空间和相互作用区域,其间生物地球化学联合机制,可以减缓径流,捕获泥沙,截断或去除地表径流、壤中流或渗漏水及浅层地下水中的氮磷等元素。各种污染物的净化效果受系统内部和外部条件影响,主要包括：污染负荷、系统宽度、植被类型、水文地质、土壤条件等因素。     

岸边带湿地对富营养化河流的净化作用研究

对北运河上游污染严重流域实地调查发现,水中TN、TP和NH4+-N的最大超标倍数分别为12、10和7,以NH4+-N污染为主要特征.对北运河流域沙河水库附近一处典型岸边带湿地进行深入研究发现,天然河流岸边带湿地系统对河水中NH4+-N、TN和TP浓度有明显的削减作用,分别由河水中的27.0、29.0、1.82mg·L-1降至湿地中的2.50、6.54、0.12mg·L-1.由于微生物驱动的硝化-反硝化脱氮作用以及岸边带植物对营养元素的吸收作用,植被型岸边带沉积物中NH4+-N、TN和OM含量(分别为23.0mg·kg-1,0.66g·kg-1和9.13g·kg-1)分别为裸露型岸边带沉积物的0.20,0.48,0.67倍.植被型岸边带沉积物各层C/N比(平均为8.68)是裸露型岸边带沉积物各层C/N比(5.53)的1.6倍,为反硝化作用的发生提供了相对充足的碳源.与裸露型岸边带相比,植被型岸边带更利于营养元素的去除.作为工程实例,模拟天然河流岸边带湿地的罗马湖旁路/离线人工湿地系统对水体营养元素有显著的去除作用.     

影响潜流人工湿地脱氮主要因素及其解决途径

文章综述了潜流人工湿地除氮的各种机理,包括基质吸附、植物吸收、氨挥发、硝化-反硝化等,其中硝化-反硝化是最主要的脱氮过程。在人工湿地脱氮工艺方面,短程硝化反硝化和厌氧氨氧化是今后研究的前沿。此外讨论了影响人工湿地除氮效率的主要影响因素,包括温度、溶解氧、pH、碳源、重金属、水力学因素等,其中碳源、重金属和水力学方面的影响是研究的热点和前沿。最后,进一步综述了提高人工湿地脱氮效率的研究方法,并对今后的相关研究方向进行了展望。