太湖典型菜地土壤氮磷向水体径流输出与生态草带拦截控制

农业面源氮磷输出是导致太湖流域地表水富营养化主要原因之一,查明该地区农田土壤地表径流氮磷向水体迁移形态与通量,并实施径流控制,对水体富营养化治理具有重要现实意义。蔬菜地是太湖流域重要的农业种植方式。通过设置野外径流小区,观测了春夏季蔬菜地土壤氮磷径流输出,并探讨了生态拦截草带对径流中不同形态氮磷拦截效果。结果表明,2004年10月25日至2005年8月17日,菜地土壤氮磷径流输出总量分别为3 010.9和695.0 g.hm-2;其中颗粒态为主,分别占64%和75%。可溶态氮中,NH4 -N为主,占50%,可溶态磷中H2PO4-为主,占87%。生态拦截草带对径流氮和磷拦截效率分别为42%~91%,30%~92%。生态草带对颗粒态氮磷拦截效率大于可溶态。拦截草带可有效地控制蔬菜地土壤氮、磷通过径流向水体迁移。     

滨岸带对河流生态系统的影响机制研究进展

从水文调节、水质改善、物质输入调控、生物多样性维持等方面梳理了滨岸带对河流生态系统的影响机制。滨岸带具有良好的水文调节效应, 这种调节效应主要通过滨岸带植被根系对土壤水分持留, 植物残体对径流路径的影响, 以及挺水和沉水植物对水流的物理作用等途径实现。滨岸带显著影响水质过程, 对于面源污染径流具有较好的净化效果。滨岸带能够经历周期性的干湿交替, 同时具有发达的植被系统和丰富的土壤微生物类型, 独特的水文和地球化学条件使滨岸带成为氮磷迁移转化的热区。滨岸带对水生态系统的物质输入起到重要的调控作用, 既能够为水体生态系统提供丰富的物质来源, 又能够避免过量的营养物质输入。这种调控作用对于水生态系统群落结构的维持和生态系统功能的发挥具有重要意义。滨岸带水生和湿生植被的生长使水体生态系统食物链不断完善, 大型无脊椎生物和鱼类种群数量得以增加, 对水体生物多样性的提升具有明显的贡献。自然的洪水扰动可能是滨岸带生物多样性的维持机制, 而水媒传播过程则可能是滨岸带影响河流生物多样性的重要机制。当前对于滨岸带生态机制过程的认识尚不够深入, 今后滨岸带研究要加强物质过程和生态学过程的探讨, 尤其是水文、水质、生物群落等要素的耦合机制, 滨岸带水环境效应的模拟预测, 以及滨岸带对河流生物多样性的影响机制研究等。     

苏州河东风港滨岸带生态景观综合评价研究

通过层次分析法(AHP)对苏州河东风港滨岸带进行了生态景观综合评价,旨在构建一套完整合理且可操作性较强的城市河流滨岸带景观评价指标体系,评价结果表明,苏州河东风港河岸带在景观质量、功能以及管理指标层次均达到了较高的水平,生态景观综合等级达到Ⅱ级。特别是在群落配置、物种丰富度以及病虫害及农药管理这3方面的得分达到Ⅰ级,在景观布局协调性、连续性以及管理成本三项指标的得分为Ⅲ级,说明这三方面还需要进一步改进。文章还讨论了城市河流滨岸带景观评价指标体系的延伸与拓展。     

北京市河流滨岸带植被调查

采用样地样方调查法,通过Margalef指数、Shannon-weiner指数和Pielou指数综合分析了北京市3条主要河流(潮白河、拒马河、清水河)的滨岸带植被物种丰富度、多样性及均匀度。结果表明:在11个样地中共记录植物74科248种,其中蕨类植物3科7种,双子叶植物56科166种,单子叶植物15科75种。清水河滨岸带的植物Mar-galef指数、Shannon-weiner指数和Pielou指数均高于潮白河与拒马河,植被状况保持较好。     

东风港滨岸缓冲带对水生生物群落结构的影响

选择苏州河的支流东风港为研究对象,选取其中一段人工建造滨岸缓冲带作为研究区,调查其水生生物群落并与对照区相比较,以具体说明滨岸缓冲带对水生生物群落结构的影响。通过对研究区与对照区内的浮游植物、浮游动物、底栖动物和大型水生植物的调查研究,结果显示,研究区浮游植物的种类数多于对照区,且以清水种占优势;浮游动物群落结构研究区明显比对照区复杂;底栖动物的种类数、密度和生物量研究区都多于对照区;另外研究区还有较为多样化的大型水生植物群落。这些都表明研究区的水生生物群落结构较对照区更为完善。说明滨岸缓冲带对提高水体生物多样性,完善水生生物群落结构具有较为明显的作用。     

流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

渭河源流域源汇景观演变对径流泥沙的影响

探讨源汇景观演变特征与径流泥沙的关系对定量识别源汇景观功能对生态过程的影响具有重要的科学意义。以位于黄土高原和西秦岭山地交错区域的渭河源为例,分析了流域源汇景观格局演变与降雨耦合驱动对径流和泥沙的影响,结果表明:(1)研究区1982—2017年汇景观比例逐渐增加并超过源景观,源汇景观功能演变主要发生在黄土丘陵区,源汇景观负荷比指数呈逐年下降趋势;(2)影响流域径流和泥沙的主要因素不同,洪峰流量与含沙量主要受源景观面积比例和源汇景观负荷比的影响,呈显著的下降趋势,而径流量仅与降水量存在相关性;(3)基于信息理论方法的相对重要性分析表明,降雨对流域径流量的相对重要性高于源汇景观负荷比,而源汇景观负荷比对洪峰流量和含沙量的相对重要性较高,传输距离和海拔分布对径流泥沙和洪峰流量具有重要影响。在长时间尺度上,源汇景观格局演变影响了径流及泥沙特征,并且对泥沙影响的相对重要性高于径流。源汇景观合理的时空分布可以有效调控水土流失过程,对黄土高原生态可持续发展具有重要意义。     

三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响

以三峡库区秭归县25个典型农林复合小流域作为研究对象,斑块类型水平上选取斑块面积比例指数(PLAND),景观水平上选取斑块丰富度密度(PRD)、双对数回归分维数(DLFD)、Shannon-Weaver多样性指数(SHDI)、聚集度(CONT)等5类景观指数,基于遥感和GIS技术,应用AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型模拟流域径流和泥沙输出,FRAGSTATS软件计算流域景观格局指数,SPSS19.0分析景观指数和径流、泥沙的相关回归关系,从景观水平探讨景观格局特征对径流、泥沙输出的影响。结果表明：流域径流量与农坡地PLAND、农梯地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等指数显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND与径流量显著负相关;农坡地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等与泥沙输出量显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND、SHDI等与泥沙显著负相关。景观指数(因子)与径流和泥沙输出量复相关系数R为0.856和0.962(均高度相关),复相关系数R均大于相对应的单因子相关系数。流域景观水平上,景观格局对径流和泥沙输出影响均显著,景观空间格局是景观功能多样性的反馈,本文是景观格局影响生态过程(径流、泥沙输出)的又一例证。     

滨岸不同植物配置模式的根系空间分布特征

崇明岛位于长江河口,是世界上最大的冲积岛。滨岸植物配置模式对防止侵蚀、坍塌等具有不同的作用。以崇明岛南岸4种不同的植物配置模式:芦苇(Phragmites australis)-海三棱藨草(Scirpus mariqueter)模式(PSM)、池杉(Taxodium ascendens)-芦苇-海三棱藨草模式(TAPSM)、杂交柳(Salix matsudana×alba)-芦苇-海三棱藨草模式(SPSM)及落羽杉(Taxodium distichum)-芦苇-海三棱藨草模式(TDPSM)为对象,对不同植物配置模式在低、中、高3个潮位根系空间分布进行了调查和分析。结果表明:(1)4种模式中0-40cm土层内平均总根长最大的为SPSM模式,其值为137.0cm/cm2,平均总根长最小的为TAPSM模式(91.4cm/cm2);在3种乔木增配模式中,草本植物根长占总根长比例达94.6%-98.1%。(2)除SPSM模式外,其他3种植物配置模式根长密度均随土层加深而减小,这3种模式根长密度最大的土层皆为0-10cm土层,分别为各自最底层根长密度的15.1倍(PSM)、4.9倍(TDPSM)和2.0倍(TAPSM);SPSM模式在10-20cm土层根长密度最大。(3)在所有4种模式中,直径Φ0.1mm的微细根对总根长密度的贡献均为最大,比例从74.7%到81.7%,其次为直径0.1mm≤Φ1mm的细根,直径Φ≥5mm的大根极少。(4)秩和检验显示,4种模式在低、中、高3个潮位根长密度的差异并不一致。根系能够提高土壤抗侵蚀能力,研究4种模式根系空间分布特征,可以为崇明岛滨岸植物配置,建设抗蚀护滩植被带提供科学依据。     

迁安三里河滨水缓冲带雨水径流及污染物消减效果与设计优化

滨水缓冲带在入河雨水径流消减及水质净化方面起着关键作用。以迁安三里河滨水缓冲带为研究对象,利用SCS-CN模型、地表径流人工模拟以及水体样品实地采集等方法,揭示了缓冲带的雨水径流消减及水质净化效果,并分析了地表特征对其的影响。研究结果:(1)对雨水径流的消减率可超过80%。前期土壤含水量越低、坡长越长、坡度越小,消减量越大。灌木比草坪、花卉、铺装的消减量大。(2)植被带对TP、TN、NH_3-N、COD和SS的消减率可分别达到85.35%、13.41%、68.32%、87.76%和98.5%。径流时长为60 min比30 min的水质净化效果好。草坪、花卉、高草、灌木对污染物的消减率高,砾石的消减率低。坡度从10°降低到5°,消减率可提升50%以上。坡长的增加对净化作用增加不显著。     

坡度和植被盖度对粉砂质河岸带坡面流侵蚀水动力特征的影响

揭示坡面水流水动力参数特征对于深入了解坡面土壤侵蚀的内在机制具有重要意义.本试验在黄河下游河岸带原生坡面上,采用野外模拟径流冲刷的方法,研究了4个坡度(5°、10°、15°、20°)和3个植被盖度(0%、15%、30%)在特定放水量(15 L·min^-1)条件下坡面薄层水流剥蚀土壤的水动力学过程,分析了径流剪应力(τ)、水流功率(ω)、径流能量(F)等水动力学参数的变化及其对坡度、植被盖度以及二者交互作用的响应差异.结果表明: 在坡度和植被盖度的影响下,τ、ω和F变化规律明显,坡度不变情况下,τ随着植被盖度的增加而增加,ω和F随着植被盖度的增加而减小;植被盖度不变情况下,τ、ω和F均随坡度的增加而增加.坡度小于10°时,坡度和植被盖度的变化对坡面土壤侵蚀的影响不明显;坡度大于10°时,相同坡度条件下植被盖度越大减蚀效果越明显,相同植被盖度下坡面侵蚀量随坡度的增大而增加.τ、ω均与土壤剥蚀率呈显著的线性关系,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率;F与土壤剥蚀率则呈现良好的对数关系.双因素方差分析表明,坡度和植被盖度对τ、ω和F的影响显著,两者的交互作用对ω影响显著,但对τ、F的影响不显著.     

Nitrogen dynamics of storm runoff in the riparian zone of a forested watershed

The influence of storm runoff processes on stream nitrogen dynamics was investigated in a headwater riparian swamp on the Oak Ridges moraine in southern Ontario. Hydrologic data were combined with analysis of an isotopic tracer (¹⁸0) and nitrogen (NH ₄ ⁺ , NO ₃ ^– ) concentrations in saturation overland flow and stream discharge. Storm runoff was separated into its event and pre-event components using¹⁸O in order to examine the effect of water source on nitrogen chemistry. Laboratory experiments were also used to study nitrogen transformation associated with storm runoff-surface substrate interactions in the swamp. In most storms N0₃-N and NH₄-N concentrations in the initial 3–4 mm throughfall increment were 10–20x and 20–100x higher respectively than stream base flow concentrations. Maximum stream N0₃-N concentrations were < 2x to 6x higher than base flow concentrations and preceded or coincided with peak stream discharge. Storm-to-storm variations in stream N0₃-N behaviour also occurred during the hydrograph recession phase. NH₄-N concentrations attained an initial peak on the rising hydrograph limb, or at peak stream discharge. A second NH₄-N increase occurred during the late recession phase 3–5 h after maximum stream discharge. Inorganic-N concentrations in surface runoff were similar to peak streamflow.The close agreement between observed N0₃-N concentrations and values predicted from a chemical mixing model indicate that stream N0₃-N variations were controlled mainly by the mixture of throughfall and groundwater in surface stormflow from the swamp. Laboratory experiments also indicated that N0₃-N in surface runoff behaved conservatively when mixed with swamp substrates. With the exception of the late hydrograph recession phase, observed stream NH₄-N concentrations were much lower than concentrations predicted by the chemical mixing model. The rapid loss of NH₄-N from mixtures of surface stormflow and swamp substrates in laboratory experiments and the absence of uptake in sterilized substrates indicated that NH₄-N retention in surface storm runoff was due to biotic processes.     

河距对连香树雌雄植株分布、形态和叶片N、P重吸收效率的影响差异

近年来,河岸带植被的分布及其生物多样性的维持机制成为研究热点,然而目前对河岸带雌雄异株濒危植物的生态适应机制的研究较少。以河岸带专性濒危树种连香树（Cercidiphyllum japonicum）为研究对象,比较不同河岸距离下雌雄植株的数量、形态、叶片N、P重吸收效率及土壤水分、全N、全P的差异及相关性。结果表明：河距的增加显著降低了雌株的数量,而对雄株的数量影响不大,进而降低了种群的性比（雌/雄）。离河岸带远的地方,连香树种群性比显著偏雄（雌雄性比为0.289;χ²=4.57,P<0.05）,且雄株株高、成熟叶N含量、叶P重吸收效率均显著高于雌株,而在距河岸近的地方以上指标在性别间均无显著差异。雄株叶N重吸收效率、雌株的叶P重吸收效率与其叶片养分、土壤因子相关性较强。且连香树（尤其是雌株）的株高与叶片N、P重吸收效率均呈显著正相关。这些结果表明,连香树对河距的适应性响应具有性别差异,且雌雄植株叶片的N和P重吸收效率对其植物、土壤因子的响应不同。雌株对河岸生境的依赖可能限定了该种群的分布。     

西双版纳山地橡胶林凋落物的生态水文效应

森林凋落物具有阻滞径流、拦截泥沙和均衡土壤水热状况等功效.以西双版纳地区20年生橡胶林为对象,采用径流微小区法和剔除-对照凋落物等实验,测定了其凋落物的生态水文效应,结果表明:橡胶林坡地剔除凋落物径流微小区(2009年10月-2010年9月)径流量为625.7±18.5 mm,显著高于对照的185.1±72.7 mm;剔除凋落物径流泥沙浓度与最大1h降雨强度呈显著正相关.剔除凋落物使橡胶林坡地(6、7月除外)和台地(8月除外)表层土壤(0～10 cm)湿度均显著降低;剔除凋落物表土平均温度在雾凉季(11月-翌年2月)显著低于对照,而在干热季(3-4月)显著高于对照,且剔除凋落物表土温度整年都比对照具有更大日变化幅度.可见橡胶林凋落物具有较好的生态水文功效,然而,受频繁人为割胶活动等的影响,台地凋落物的分解速率在雨季中、后期加快,不利于其生态水文效应的发挥,故在营林活动和生态恢复中应加强对凋落物的管理与保护.     

暴雨和缓冲带特征对城市滨水缓冲带雨洪消减与水质净化效果的影响机制

通过设置多组实验,模拟不同暴雨径流及缓冲带条件,对城市滨水缓冲带在不同暴雨雨型、历时、重现期、缓冲带坡度、植被覆盖度、初期冲刷等条件下的径流削减和水质净化作用进行研究。得出在不同实验条件下,滨水缓冲带的雨量动态径流系数结果在0.29—0.55之间。分析实验结果发现缓冲带对峰型靠前、历时较短、重现期短的暴雨径流削减效果更好,同时更平缓与植被覆盖度更高的缓冲带对径流的削减效果更佳。模拟实验显示,径流中不同污染物去除率范围分别为:SS为66.41%—90.29%、TN为44.48%—64.90%、NH_3-N为32.72%—63.68%、TP为89.83%—95.04%、COD为34.32%—66.23%。缓冲带的径流水质净化效果在应对不同暴雨雨型时未显示明显规律,而缓冲带对中高浓度径流污染物削减率更高能够应对较强的初期冲刷效应。同时更平缓与植被覆盖度更高缓冲带,即表流流速更缓慢时,显示出更好的径流净化效果。     

Influence of an ecosystem engineer,the emergent macrophyte Sparganium erectum,on seed trapping in lowland rivers and consequences for landform colonisation

1. Plant physical ecosystem engineers can influence vegetation population and community dynamics by modifying, maintaining or creating habitats. They may also have the potential to act upon biotic processes, such as seed dispersal. 2. Examples exist of reduction in seed dispersal distances in vegetated compared to unvegetated terrestrial environments, and concentration of seed deposits associated with plant patches. Such effects in aquatic environments have been little studied, but the engineering effect of plant patches on patterns of flow velocity and sediment deposition in streams suggests that they may play a similar role. 3. In this study, we assess the potential of an emergent aquatic species, Sparganium erectum, to play a role in physically modifying river habitats and trapping seeds by examining patterns of seed deposition and substrate type in 47 river reaches across England and southern Scotland, U.K. 4. Areas of the river channel within or adjacent to S. erectum patches harboured more plant seeds and more species than unvegetated areas and had finer, sandier substrates with higher organic matter, total nitrogen and total phosphorus content. Most seed species were competitive, indicating that they were well suited to colonise the competitive environment of an S. erectum patch, and could potentially further stabilise accumulated sediments and contribute to landform development. 5. We demonstrate that S. erectum patches influence both the physical environment and the retention of seeds, in consistent patterns across the channel bed, for a range of lowland rivers that vary in stream power and geology and which can be expected to vary in levels of supply of fine sediment and seeds. 6. Our findings support the hypothesis that the fundamental influence of a riverine ecosystem‐engineering species on slowing fluid flow links the habitat creation process of sediment sorting and retention to seed trapping. We suggest the process is applicable to a wide range of aquatic and riparian vegetation. We also suggest that the mono‐specific and competitive growth, which is typical of these engineering species, will strongly influence the recruitment of trapped seeds.