基于“源-汇”理论的资江下游地区非点源污染风险区划

开展非点源污染风险评估及区划研究对流域生态环境保护、土地利用结构调整和优化具有重要意义。以2010、2018年两期资江下游地区土地利用覆盖数据为基础,基于“源-汇”景观格局理论识别“源”、“汇”景观,综合考虑非点源污染发生和迁移因子的前提下,借助景观空间负荷对比指数(LCI)、非点源污染负荷指数(NPPRI),分析非点源污染风险的时空变化特征;通过识别非点源污染风险中的关键因子,对资江下游非点源污染区划进行分析。结果表明: 研究区非点源污染发生风险总体较低,“汇”景观为主的子流域占61.2%;非点源污染风险呈现西南低,东北平原区以及资江干流、志溪河、桃花江沿岸偏高的空间特征;2010—2018年,非点源污染风险呈现升高趋势,农村居民点、耕地的扩张及林地缩减对非点源污染发生风险分别具有正向与负向的响应关系;LCI、坡度、距离是影响非点源污染风险指数变化的关键因子。在此基础上,将资江下游地区划分为4个控制区,即近河道污染治理区、低坡地污染控制区、生态恢复-风险防控区、生态优先保护区。     

半干旱半湿润地区流域非点源污染负荷模型研究进展

受特殊的地理环境和气候条件影响,半干旱半湿润地区具有较复杂的水文循环过程及非点源污染发生和迁移转化机制。流域非点源污染负荷模型是定量化描述流域系统复杂水文循环及污染物迁移转化过程的有效手段,也是流域生态系统管理的重要工具。本文从半干旱半湿润地区特殊的气候、水文特征及下垫面情况出发,详细阐述了非点源污染的发生机理,系统总结了流域非点源污染负荷模型在解决水环境重要问题中研究与应用的现状、进展与不足,提出了适用于半干旱半湿润地区的非点源污染负荷模型的构建思路,并展望了流域非点源污染负荷模型的发展趋势。     

土地利用变化情景下浑河-太子河流域的非点源污染模拟

近年来非点源污染已经成为水污染的主要来源,对非点源污染发生机理和控制方法的研究有着重要的科学和现实意义.为了研究不同土地利用方式对非点源污染的影响,本文基于土地利用变化模型CLUE-S模拟了城市规划、历史趋势和生态保护3个预案下浑河-太子河流域土地利用未来变化.应用SWAT模型对非点源污染进行了模拟研究,并结合实测数据对模拟结果进行了评价.结合两个模型研究了3个土地利用预案下非点源污染对土地利用和景观格局变化的响应.结果表明: SWAT模型在浑河-太子河流域模拟精度较高,该模型在研究区具有适用性.城市规划和历史趋势预案下非点源污染负荷不断增加,城市规划方案下最高,生态保护预案下非点源污染负荷呈不断下降趋势.不同土地利用和景观格局对非点源污染有一定的影响,科学合理的生态建设能够有效减少非点源污染负荷.研究结果可以为流域的非点源污染研究提供案例,为非点源污染防治和最佳管理措施的制定提供科学依据,为相关政策制定提供参考.     

基于“源-汇”景观的典型半城市化小流域非点源污染风险评价

小流域的水质恶化主要由点源污染和非点源污染引起，随着点源污染控制水平达到一定程度后，非点源污染已成为首要污染源。当前对非点源污染的管控仍存在难监测和难治理的问题，明晰非点源污染发生风险以及背后的原因是亟需解决的问题，因此开展非点源污染风险分析和评价具有重要意义。采用高分辨率影像解译了2010年、2015年和2020年三期厦门市后溪流域土地利用数据；基于"源-汇"景观格局方法计算研究区网格单元的网格污染指数（GPI）；结合土地利用变化数据分析非点源污染风险的时空变异，对风险区成因进行了分析。研究结果表明：当前，"汇"景观占流域面积的67.86%，非点源污染发生风险分布呈现北低南高；十年中，非点源污染风险呈现上升趋势，目前非点源污染发生风险处于低风险水平（GPI=0.27）。通过分析风险区的土地利用构成发现耕地面积的缩减（减少67.08%）和建设用地面积扩张（增加43.02%）是污染风险发生变动的主要原因。计算了风险区转移矩阵，发现非点源污染发生风险区呈现出中高风险区向低风险区和"汇"景观区域转移的趋势。基于"源-汇"景观格局理论计算的网格污染指数（GPI）可以有效地对流域非点源污染风险值进行表征，是评价和分析流域非点源污染发生风险的可用方法。     

流域单元景观格局与农业非点源污染的关系

农业非点源污染日益成为影响地表环境的主要污染方式之一,正确理解景观格局和农业非点源污染过程的关系是进一步认识农业非点源污染发生机制的关键。本文应用去趋势典范对应分析方法（DCCA）对石头口门水库控制流域13个流域单元的景观格局与农业非点源污染关系进行定量分析。结果表明:DCCA排序前2轴分别与森林比率、植被指数、景观聚集度指数、多样性指数和耕地及居民建设用地比率显著相关,累计解释了景观格局与农业非点源污染关系的92%,证明此方法对研究目标具有较高显示度。各流域单元农业非点源污染养分径流输出特征沿景观因子梯度具有明显空间变异。     

关键源区识别:农业非点源污染控制方法

非点源污染的控制难度大、成本高,必须首先识别流域内的关键源区。对国内外应用的关键源区识别方法从指标筛选、指标体系建立到关键源识别等关键技术环节进行了系统的评述,以促进该方法在我国农业非点源污染控制中的应用。     

流域非点源氮素流失空间分异特征的多时间尺度分析

流域非点源污染关键源区的定位是控制和治理流域非点源污染的重要问题,为进一步揭示时间尺度对流域非点源氮素流失空间分异特征的影响,通过构建山美水库流域SWAT模型,在对各个子流域的总氮(TN)流失强度进行模拟的基础上,从多年平均、多年月平均、场次暴雨洪水过程等3种时间尺度,对氮素流失的空间分异特征和关键源区进行分析,并通过多元线性相关分析,对自然和人为因素的影响进行研究.结果表明： 不同时间尺度下流域氮素流失空间差异均十分显著,氮素流失空间分异程度以多年月平均最高,场次暴雨洪水过程最低;桃溪亚流域氮素流失量最大,是非点源氮污染关键源区.不同时间尺度下,土地利用类型均是影响流域非点源氮素流失空间分布的主要因素,而降雨、径流等自然因子对氮素流失空间分异的影响仅表现在不施肥月份和部分不施肥场次的暴雨洪水过程,这种规律与土地利用及施肥具有显著空间变化、而降雨径流的空间变异程度低有关.     

城市非点源污染控制的景观生态学途径

城市非点源污染是伴随城市快速发展而出现的新问题.城市土地利用的特殊性、不透水层面积的增加,使城市非点源污染不同于农业非点源污染,而控制难度更大.治理城市非点源污染的常用方法是最佳管理措施(BestManagementPractices,BMPs),主要采取一些局部修复措施在地表径流迁移过程中控制污染物.但城市土地利用格局的改变对非点源污染的影响十分显著,结合局部的BMPs和区域的景观规划是控制城市非点源污染的一个理想途径.城市非点源污染控制的景观生态学途径首先需要了解城市景观格局对非点源污染源、污染物迁移过程和受纳水体的影响,明确非点源污染与景观格局的关系,判定造成非点源污染的主要原因和关键环节.在此基础上,根据城市非点源污染控制要求,针对性地重新组合原有景观格局或引入新的景观要素以构建新的景观格局,并将BMPs融入规划之中,将景观规划与管理有机结合,增强城市景观异质性,实现对城市非点源污染的有效控制.     

基于“源-汇”生态过程的长江上游农业非点源污染

景观空间格局是农业非点源污染的主要影响因素之一,关于二者的相互关系缺乏定量研究.针对长江上游的农业非点源污染问题,应用基于"源-汇"生态过程理论提出的景观空间负荷对比指数,选取9个典型的行政单元,探讨了长江上游流域景观空间格局和非点源污染之间的定量关系.结果表明,景观空间负荷对比指数对非点源污染负荷有显著的响应关系,说明景观空间负荷对比指数可作为非点源污染空间风险评价的有用方法之一.在此基础上,进一步分析了长江上游典型行政单元景观空间负荷对比指数时空演变规律.探讨了指数演变时空差异原因,认为该指数主要受到区域景观的坡度、与污染出口相对距离、高程、土地利用类型比重和农业与农村经济政策的影响.最后提出了长江上游非点源污染空间风险控制与管理的对策.     

流域尺度农业磷流失危险性评价与关键源区识别方法

农业非点源磷污染是我国农村水环境面临的严重问题之一,由于非点源污染治理难度大,所以识别流域内磷流失的关键源区成为非点源磷污染评价的主要目的.本文在分析流域尺度磷流失危险与分级方案的基础上,根据Gburek等提出的方法,建立了适合我国北方农业区流域尺度磷流失危险评价、分级与关键源区识别的方法.修正的流域尺度磷分级方案重点选取了8个评价因子,分别赋予不同的权重;每个因子的危险性等级根据我国的行业标准和实际情况进行了调整.评价得到的"高"危险性区域就是流域内磷流失的关键源区.这一分级评价方案考虑了数据的可获得性和评价的定量性,在确定各因子时注重与GIS技术、地统计学等方法的结合,具有较强的可操作性和实用性.     

Living within dynamic social-ecological freshwater systems: System parameters and the role of ecological engineering

The objective of ecological engineering is to design sustainable ecosystems that integrate human communities and their natural environment for the benefit of both. In this paper, we illustrate how social-ecological modeling can be used as a tool to clarify this objective at a landscape scale for freshwater systems. Coupled social-ecological systems (SESs) are open, dynamic systems subject to both ecological and socioeconomic perturbations. Here we demonstrate the interactive effects of social and technological uncertainties on SES dynamics over time. Additionally, we integrate research on ecosystem stability, social-ecological modeling, and ecological engineering to offer guidance for research at the human-environment interface. Based on a case study of Lake Erie's Sandusky watershed, we use an integrated human-biophysical model to investigate the influence of two parameters on SES dynamics: (1) regional societal preferences that impact watershed management and (2) technological innovation that alters agricultural nutrient efficiency. Our results illustrate ways in which SES dynamics and optimum management strategies depend on societal preferences within the region, indicating a key area of uncertainty for future investigation. As guidance for SES restoration, our model results also illustrate the conditions under which technological change that increases nutrient efficiency on farms can and cannot create a win-win, or increase both human welfare and SES resistance to eutrophication simultaneously. Using these results, we elucidate the value of ecological engineering and offer guidance for assessments of ecological engineering projects using social-ecological modeling.     

Quantitative Industrial Ecology & Ecological Economics

This article presents a theoretical foundation for integrating three otherwise disparate areas of human thought and understanding: technology, ecology, and economics. The article presents the mathematical foundations for quantifying the biophysical (mass, energy, and informational) aspects of economic production systems and their interaction with natural systems. These mathematical relationships are required for the on-going ecological and economic design of technological production networks by enterprise management, thereby extending the scope and scale of quantitative engineering design from the domain of individual technologies to networks of technologies at enterprise, corporate, and industrial levels of technological organization.
The analytical framework extends the practical utility of ecology, as an applied natural science, from passive environmental monitoring and prediction to active institutional participation in an informational feedback control strategy pursuant to economically abating the ecological risks of industrial growth, development, and modernization at local, regional, and global levels of ecological organization. And it provides the applied natural-science underpinnings and the informational feedback control institutions required to support economics as an applied social science. In this context ecological risk-control pricing is presented as a supplement to conventional economic policies at local, regional, and national levels of economic organization.     

Auditing reforested watersheds on the loess plateau: Fangshan Shanxi

Mapping watershed ecosystems, evaluating their ecological status and modelling land use futures are the aims of a project undertaken by an interdisciplinary team from Shanxi Forestry Academy and Watershed Systems Living Water Foundation. The project introduces geospatial methodologies and iGiS technologies for (a) mapping and modelling watersheds and (b) monitoring and evaluating rangeland restoration after reassigning collective forest lands to local farmers in accordance with land reform policies.Two contemporary geospatial technologies were instrumental in the Fangshan project. These technologies are driving a paradigm shift in the way primary industries like mining, farming and forestry utilize GIS, engage in land evaluations, resource mapping, environmental assessments and product certification.

• •Firstly, high resolution, true image 3D orthophoto mapping was produced as the iGiS map platform for the Fangshan project. The true colour orthophoto maps produced by the team proved very suitable, with the high resolution imagery achieving cartographic standards allowing draft mapping at 1:2000. Because unique x,y,z geocentroid coordinates are generated for each and every pixel in the orthophoto mapping process, detailed iGiS data bases with multiple attributes ranked parametrically were readily captured and recorded for every habitat and regolith.
• •Secondly, the Shanxi Forest Academy team were trained in geospatial methodologies for mapping watershed ecosystems and modelling their habitat/regolith/energy relationships. Using GiS imaging technologies, these cartographic simulation methodologies enable ecological modelling of watersheds and their subterranean water systems, while providing a framework for monitoring and evaluating the environmental health of watersheds using permanent benchmarks and ecological indicators.

Habitat mapping and modelling of Fangshan watersheds revealed how ecological restoration is gradually occurring through strategic combinations of planned reforestation, traditional terrace farming systems and natural regeneration. These ecological strategies are shown to be beneficial land use partners in restoring the mountain rangelands, riparian ecostructures and ecosystem functions of degraded loess plateau watersheds.     

湖泊-流域生态系统管理的内容与方法

在流域生态系统管理研究综述的基础上,对湖泊一流域生态系统管理的概念进行了界定,对水环境管理、综合流域管理与流域生态系统管理之间的差异进行了对比分析。确定了生态系统生态学、流域生态学、生态系统健康和流域方法为湖泊．流域生态系统管理的理论基础,生态系统方法和流域分析为其方法学基础。在上述分析的基础上,提出了湖泊．流域生态系统管理的6个主要步骤：研究范围界定、基础信息收集与基本生态学问题的分析和评价、管理目标设定、系统综合、生态系统综合评价、适应性管理;识别出湖泊-流域生态系统管理中的3个关键问题：①生态系统管理中的不确定性和障碍分析;②流域土地利用变化对湖泊水质和生态系统的影响;③流域生态子系统与社会子系统的关联。     

太湖流域生态风险评价

随着城镇的急剧扩张和经济的快速增长,流域生态环境遭到极大冲击和破坏,致使生态系统出现资源退化、环境恶化与灾害风险加剧的趋势,生态环境面临前所未有的挑战.从复合生态系统入手,深入分析流域内各生态系统要素之间的相互作用与影响机制,综合考虑多风险源、多风险受体和生态终点共存情况下的风险大小,从风险源危险度、生境脆弱度及受体损失度三方面构建了流域生态风险评价技术体系,并选取太湖流域为实证区域,对太湖流域2000年、2008年两个时期生态风险的时空演化特征进行评价与分析.结果表明:太湖流域生态风险指数介于0.015-0.253之间,以中等和较低生态风险为主.至2008年,高、较高生态风险所占面积逐渐扩大,已由2000年的5.66％、13.42％增加至6.05％、18.42％,主要集中在流域北部的常州市区、江阴市大部分地区以及无锡市区.     

粤港澳大湾区水生态修复及展望

水是生态系统物质循环和能量流动的重要纽带,水生态系统修复在区域生态系统修复中起到关键作用。粤港澳大湾区剧烈人类活动对江河湖库生态系统造成破坏和干扰,江河湖库污染严重,水生物减少,导致流域水生态服务功能退化甚至丧失;从生态修复科学内涵出发,判断湾区水生态系统健康状况已处于非生物控制跃迁阈值之下;针对该形势,从工程建设、水环境治理、空间规划和管理机制四个方面,梳理湾区近期开展的与水生态修复相关的水生态文明建设、水污染防治行动计划、水生态空间划定和推进河长制等工作,并对其中用到的技术、指标和制度进行条理;然后以茅洲河流域综合治理和广东万里碧道作为水生态修复的点、面代表,从水生态修复的整体目标、采用的技术措施、效果评价的指标体系和管理制度方法等方面分析当前的工作现状;总结湾区现状水生态修复工作,认为湾区水生态系统的非生物修复阶段基本结束;基于生态系统修复理论结合湾区江河湖库生态系统特点,提出适合湾区的水生态修复框架,讨论水生态系统修复面临的问题和未来工作的展望,为大湾区水生态修复提供直接依据。     

流域生态风险评价研究进展

流域生态风险评价是流域生态环境保护与管理的重要研究内容,与一般的区域生态风险评价相比,具有其独特的流域特征。在已有研究基础上,对流域生态风险评价进行了概念界定与特征分析,并按照风险源、生态受体、生态终点的分类标准对流域生态风险评价进行了类型划分,简要评述了流域生态风险评价的相关研究主题,并尝试构建反映流域时空尺度变化规律的生态风险评价概念模型。最后针对流域生态风险评价的研究现状,重点讨论了目前存在的不足及未来的研究趋向。     

经济学视角下的流域生态补偿制度——基于一个污染赔偿的算例

近年来,随着流域水污染问题日益严重,流域上下游之间的利益冲突日趋明显,流域生态补偿成为协调流域上下游利益冲突的重要途径。虽然我国一些地区已经开展了流域生态补偿的实践,并取得了一定成效,但在具体执行中还存在许多问题。通过分析不同制度安排下流域上下游利益相关者的福利变化,来说明制度的重要作用。在介绍有关制度的重要概念后,通过比较"囚徒困境"和"囚徒梦想"两个博弈案例,指出了制度安排对效率的重要影响,即效率和公平的是由现有制度安排决定的,在每一种制度安排下,效率和公平的含义会有所不同。基于一个流域污染赔偿的算例,分析了四种制度安排下的效率差异。在这个例子中,甲代表上游的排放污水的企业,乙代表下游受害的居民。在第一种制度安排下,甲不用考虑对乙造成的损失,双方的总收益实现了最大化,但大多数人会认为这种制度安排对乙不公平。在后三种"更公平"的制度安排下,存在着对乙的利益进行补偿的不同方案,且在第三种制度安排下,双方的总收益同样达到了最大化,只有在对甲进行强制的制度安排下(即强制要求甲安装污水处理设施),双方的总收益均少于其它三种制度。对案例的分析表明:(1)通过设计合理的制度,公平和效率可以"兼得";(2)如果利益相关者拥有影响制度安排的机会,将能够促进社会公平。研究为决策者提供一个分析框架,对缓解目前流域生态补偿中上下游的利益冲突具有重要的意义。     

喀斯特断陷盆地石漠化演变及治理技术与示范

岩溶断陷盆地区是国家石漠化综合治理工程、生态安全屏障、连片特困区,同时也是石漠化治理科技投入薄弱。针对断陷盆地盆-山共存的环境地质结构分异,及水土资源不匹配和石漠化严重等问题,在滇东蒙自、建水、泸西为重点区,开展"喀斯特断陷盆地石漠化演变及综合治理技术与示范(2016YFC0502500)"项目的国家重点研发活动,阐明流域尺度石漠化演变机理,以水土资源高效利用为基础、生态服务功能提升为核心,研发石漠化综合治理技术,形成生态治理-生态产业协同发展模式,为生态富民和生态文明建设提供技术与示范。形成喀斯特断陷盆地石漠化机理识别-治理技术研发-生态产业模式构建-综合效益评估-国土资源空间高效利用对策等系列成果,培养一支高水平创新团队。     

Systems ecological accounting for wastewater treatment engineering: Method,indicator and application

Wastewater treatment facility is vital for sustainable urban development. In the course of removing contaminants and discharging ready-for-reuse water, wastewater treatment consumes resources and triggers environmental emission during its lifetime. A comprehensive framework to analyze the embodied ecological elements as natural resources and environmental emissions of wastewater treatment is presented in this work. The systems method as a combination of process and input–output analyses is applied and a set of indicators are accordingly devised. Two representative ecological elements, i.e., greenhouse gases emissions and solar emergy of alternative wastewater treatment systems, i.e., a traditional activated sludge wastewater treatment plant and a constructed wetland have been taken into consideration. For each ecological element, five indicators have been calculated and compared to assess the impact on climate change and resources utilizing style of the case systems. The framework raised in this paper is fully supportive for optimal decision-making among different wastewater treatment technologies, and could be transplanted to be applied to systems ecological accounting for other production systems.