生物滞留系统径流与水质调控效应研究进展

生物滞留系统作为应用最广泛的现代雨洪管理措施之一,能够有效减少地表径流量和峰值流量、延迟产流时间并改善径流水质。本文从生物滞留系统结构与分类、径流调控与水质净化机理和效益、径流调控与水质净化模拟模型、径流调控与水质净化效益影响因素等多个方面综述了国内外研究进展,并从生物滞留系统设计参数优化、基质和植物配置优化、植物和微生物作用机理、气候变化响应、流域/区域尺度径流与水质调控效应、特定和新型污染物净化机理、清理维护方法、全生命周期评价等方面提出了未来研究趋势和重点,以期为生物滞留系统径流与水质调控效应研究及生物滞留系统设计、建设和维护等提供理论和方法参考。     

三江平原湿地多级沟渠系统底泥可溶性有机碳的分布特征

沿着土壤和土地利用类似的三江平原多级沟渠系统采集不同沟渠单元底泥,这些不同沟渠系统单元由湿地和农田边界排水沟渠到相当大的主干渠变化着,测定底泥中可溶有机碳（DOC）含量,研究多级沟渠系统底泥中DOC的分布特征。结果发现,随沟渠等级增加,DOC在底泥中所占的比重逐渐增加（40～60cm层增加近5倍）,DOC富集层逐渐有规律的向底泥底层转移（40～60cm）。研究表明,排水沟渠既是湿地或农田DOC的最初汇聚地,又是河道DOC的输出源;沟渠重复性的排水将湿地或农田DOC通过零星径流带入沟渠系统中,连续的沟渠径流携带着大量DOC与不同等级沟渠系统相互作用使得沟渠系统底泥中DOC呈现出一定的水平、垂直分布特征;排水沟渠排水历时、DOC流量、滞留时间、径流发生频率等都会影响多级沟渠系统底泥中DOC的分布特征;另外,沟渠系统内生长的植被也通过径流阻塞和有机质过程影响底泥中DOC的分布特征。     

师法自然 管理雨洪 让环境更美好

我的学术研究兴趣集中于城市和郊区景观背景下的雨洪水质和水量管理,由德州运输部资助的生物滞留研究与我的研究方向不谋而合。     

干湿交替对生物滞留系统中氮素功能微生物群落的影响

【目的】为探究生物滞留系统干湿交替下环境因子对氮素功能微生物群落的影响。【方法】应用高通量测序技术(Illumina MiSeq PE300),并以amoA和nirS功能基因为分子标记,对无植物型和植物型生物滞留系统在干湿交替下不同土壤空间位置(种植层、淹没层)的硝化和反硝化细菌的多样性和群落结构进行研究,并对微生物群落与环境因子的相互关系进行相关性分析。【结果】微生物种群的功能基因存在显著的空间差异,相比淹没层,种植层的功能细菌更丰富。种植层的OTUs高于淹没层,而进水再湿润促使两种功能基因在种植层和淹没层的OTUs占比差异性增大。群落组成分析表明,amoA型硝化细菌和nirS型反硝化细菌的优势细菌门均为变形菌门(Proteobacteria)。虽然植物根系对氮素功能微生物的多样性指数影响不显著,但在属水平上,植物系统种植层的反硝化菌群种类高于淹没层,而无植物系统则刚好相反。CCA/RDA分析表明,土壤空间位置是影响硝化和反硝化菌群结构的最重要环境因子。【结论】本研究证实干湿交替运行下生物滞留系统中的氮素功能微生物群落受土壤空间位置、水分含量和植物根系的共同调控,其机制有待进一步研究。     

青藏高原沙柳河流域自然径流驱动的流域生物信息流量化特征——以环境微生物为指标

物质流、能量流、信息流是生态系统过程研究中的三大主题。然而,在流域生态学研究中,有关信息流的研究一直缺位。为了推动流域信息流研究,从生物信息流切入,提出"流域生物信息流"概念,将其定义为"生物信息依托于流域生态系统过程在不同空间和系统之间进行传递、交流、作用、反馈的路径、过程与控制",并将其研究内容拟定为主要关注于水陆间、干支流间、上下游间、不同生态斑块间的流域生物信息流及其周期性节律和趋势性变迁,以及地貌、水文、人类活动等对这些生物信息流的影响等。然后,以青藏高原上青海湖重要入湖河流--沙柳河的河流水体微生物和岸带土壤微生物为研究对象,利用环境DNA技术,对沙柳河流域的自然径流驱动的流域生物信息流进行量化研究。结果表明（1）岸带土壤到水体的流域生物信息流主要由地表表面流、地下潜流等驱动,并受环境过滤效应影响,其输移效率降雨天约为62.76%、晴天约为44.16%,其中输移能力降雨天约为68.49%、晴天约为56.82%,环境过滤效应降雨天约为8.38%、晴天约为22.28%;（2）水体上游到下游的流域生物信息流主要由河川径流驱动,并受衰减效应影响,其基础综合输移效率约为97.41%/km,其中径流输移能力约为99.42%/km,无效流域生物信息流占比约为43.46%,无效流域生物信息流的半衰距离约为14.52 km;（3）降雨通过增加地表表面流等的冲蚀搬运能力并削弱环境过滤效应,促使岸带土壤到水体的流域生物信息流输移能力和输移效率增大;（4）流域生物信息流的输入在一定程度上增加了输入地的可检出生物多样性,但这种增加对于流水生态系统来讲是非累积的。     

干旱地区经济-生态环境系统规划方法与应用

从干旱地区经济－生态环境系统的动态性,综合性,多目标性和不确定性等特征出发,提出用不确定性多目标规划（IMOP）模型来解决干旱地区以水资源为核心的生态环境规划优化问题,建立了干旱地区经济与生态环境系统不确定性多目标规划模型（IMOPMEES）,应用模型算法退化形式进行多目标规划的求解,并以新疆和墨洛地区为具体研究对象,采用IMOPMEES进行可持续发展规划,应用交互式调整和情景分析的方法得到模型在两种情景下的优化方案,进而对两种情景进行综合分析比较,为决策者提供科学合理的决策依据,研究表明IMOP模型可以充分反映干旱地区经济－生态环境系统的不确定性和动态性,并有效地协调目标之间的冲突,为干旱地区经济－生态环境规划工作提供了一种较为有力的工具。     

德州汉族人群37个Y⁃STR基因座遗传多态性分析

调查德州汉族人群598名男性无关个体37个Y-STR基因座的遗传多态性,分析其在法医学和群体遗传学方面的应用价值,用AGCU Y37荧光检测试剂盒对德州汉族群体的37个Y-STR基因座进行扩增,用3500xL基因分析仪对其进行检测。用MEGA 7.0软件,通过邻接法（neighbor-joining, NJ）构建德州汉族群体和其他15个参考群体的系统发生树,探索群体间的遗传关系。结果共检出593种单倍型,基因多样性（genetic diversity, GD）值为0.113 9（DYS645）～0.971 4（DYS385a/b）,单倍型多样性（haplotype diversity, HD）和识别能力（discriminative capacity, DC）分别为0.999 971 989和0.991 6。结果表明,这37个Y-STR基因座在德州汉族人群中有较高的多态性分布。群体遗传分析中,遗传距离、多维尺度分析( multi-dimensional scaling,MDS) 和系统发生树分析结果表明,德州汉族与其他地区的汉族群体遗传距离更近。不同群体的遗传特征与语系划分、历史形成、地理分布等方面具有一致性。研究结果可为德州汉族人群的法庭科学和群体遗传学研究提供基础数据支持。     

基于扩展的Budyko模型定量评估平江流域森林恢复和气候变异对季节性径流的影响

流域季节性径流变化反映了年内水资源的动态特征。在以森林为主的流域中,森林变化和气候变异被普遍认为是影响流域水文过程的两大驱动因素。因此在全球气候变化背景下,研究流域森林恢复和气候变异对流域季节性径流的影响,可为协调区域碳-水关系和制订可持续的森林经营管理策略提供参考。选择鄱阳湖流域上游的平江流域为研究对象,根据流域历史森林覆盖率变化情况,将研究期划分为参考期（1961-1985）和森林恢复期（1986-2006）,采用Mann-Kendall趋势分析研究流域长时期水文气象数据是否存在显著变化趋势。同时引入月干旱指数（潜在蒸散发和有效降雨的比率）,将一年定义为能量限制季（1-6月）和水分限制季（7-12月）,结合扩展的Budyko模型定量分析平江流域森林恢复和气候变异对季节性径流的相对贡献。在本研究流域整个研究期内（1961-2006）,通过Mann-Kendall趋势分析发现,研究流域水分限制季径流呈现显著增加趋势,而能量限制季水文和气候变量变化趋势均不显著。其次,相较于参考期,流域森林恢复使能量限制季径流降低了11.71 mm/a （24.40%）,使水分限制季径流增加了12.27 mm/a （17.23%）。同时,气候变异导致能量限制季径流减少了36.28 mm/a （75.60%）,而使水分限制季径流增加了58.94 mm/a （82.77%）。上述研究结果表明,森林恢复对径流影响具有累积效应。森林恢复对季节性径流具有积极的调节作用,同时季节性径流对森林恢复的响应存在时间差,而且森林恢复对径流的影响在能量限制季和水分限制季具有相互抵消的作用,气候变异与森林恢复的影响效应类似。此外,本研究也证实,平江流域季节性径流变化主要是受气候变化主导,但森林恢复对季节性径流的贡献也不容忽视。     

黄土丘陵区生物结皮坡面产流产沙与其分布格局的关联

生物结皮在黄土丘陵区退耕地广泛发育,并在干扰等因素下形成不同分布格局。为明确生物结皮分布格局对坡面产流产沙的影响,采用模拟降雨试验研究了生物结皮条带状、棋盘状和随机3种分布格局对坡面产流产沙的影响,借助景观生态学方法,计算了生物结皮斑块的分布格局指数,解析了生物结皮分布格局与坡面产流产沙的关联。结果表明,（1）生物结皮分布格局显著影响坡面初始产流时间、径流率和土壤侵蚀速率。相同盖度条件下,生物结皮坡面的随机分布格局较带状和棋盘式分布格局显著降低了坡面径流量和产沙量,其径流率与土壤侵蚀速率分别是带状格局的71.7%、12.9%,是棋盘格局的89.6%、31.8%。（2）坡面径流率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈极显著负相关,与分离度呈极显著正相关,与景观分裂指数呈显著正相关。（3）土壤侵蚀速率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈显著负相关,与景观分裂指数、分离度呈显著正相关。（4）坡面径流率（Y₁）和土壤侵蚀速率（Y₂）与分离度（SPLIT,Splitting Index）的关系式为：Y₁=1.116+0.017SPLIT,R²：0.957;Y₂=22.767+17.936SPLIT,R²：0.801。（5）以上结果表明分布格局主要是通过影响生物结皮在坡面的分离度进而影响坡面产流产沙,随着生物结皮斑块分离度增大,生物结皮斑块破碎度增大,坡面产流产沙增多。从分布格局的角度解析了生物结皮对产流、产沙的影响,量化了生物结皮坡面径流率与侵蚀率与格局指数之间的关系,为量化认识生物结皮的水土保持功能提供了科学依据。     

纵向岭谷区高速公路建设对沿线植物生物量的影响

选定西南纵向岭谷区大保（大理-保山）和思小（思茅-小勐养）两段高速公路,按照地貌条件的不同（山顶和山腰）,在垂直公路方向上对沿线各样点（距离公路分别为5m、20m、40m、80m、120m和200m）及其参照点处的各类植被（乔木、灌木和草本）的生物量进行了测定;对比分析了高速公路建设对沿线各样点处各类植物生物量的影响特征和强度;拟合了公路建设干扰下其沿线各类植物的生物量随距离公路远近而变化的回归方程,确定了公路建设的影响范围;对不同地貌条件下两条公路对沿线各类植物生物量的影响范围和强度进行了比较分析。结果表明：（1）高速公路建设通过影响绿色植物的数量和光合作用等生理过程对沿线植物生物量产生了影响,其影响类别有正负两种,乔木主要受负面影响,灌木和草本主要受正面影响;（2）高速公路沿线乔木层的生物量随距离公路远近变化的曲线呈“J”形。最大值出现在距离公路最远样点处,最小值出现在距离公路最近样点处;灌木和草本层生物量的变化曲线呈“单峰”形,最大值在距离公路20—50m范围,紧邻和远离公路的样点处均较小;（3）两条公路对沿线植物生物量的影响范围和强度因路段、地貌条件和植被类型而不同,大保高速公路对沿线各类植物生物量的影响范围、对乔木层生物量的影响强度大于思小公路,对灌木和草本层生物量的影响强度小于思小公路;高速公路建设在不同地貌条件下的影响范围和强度满足：山腰〉山顶,对各类植物的影响范围满足：草本〉灌木〉乔木,影响强度满足：乔木〉草本〉灌木。     

条带休闲轮种对坡地水土流失和水分利用效率的影响

为提高宁南旱区坡耕地土壤保水能力、减少水土流失,于2007-2010年在10°～15°坡耕地上,以传统无条带种植模式为对照,研究条带隔年休闲轮种模式对农田土壤水分动态、水土流失特征和水分利用效率的影响.结果表明:经过4年休闲轮种,条带处理比传统无条带种植处理显著增加0 ～200 cm土层土壤含水量4.9％～7.0％;条带轮种比无条带模式有效保蓄雨季休闲期降水,明显改善了作物生育前期的土壤水分状况,条带处理0～200 cm土层土壤含水量比对照显著增加5.4％～8.5％.与对照相比,条带休闲轮种处理地表径流减少0.7 ～3.2 m3·hm-2,泥沙量减少0.2～1.9 t·hm-2,土壤全N损失量减少42.1％ ～73.3％,作物水分利用效率提高6.1％ ～24.9％,降水利用效率提高6.3％ ～15.3％.     

岷江干旱河谷土石混合边坡不同种植处理下乡土植被的生态效益

岷江干旱河谷生态环境脆弱,植被恢复困难,大规模的公路建设极易对当地生态环境造成破坏。筛选适宜的植被恢复措施对干旱地区道路边坡的乡土植被恢复重建和生态功能提升尤为重要。以岷江干旱河谷极端退化的土石混合的道路边坡为案例,选取乡土灌木和草本植物构建植物群落,进行裸地播种、播种后覆盖纤维毯和添加腐殖土后播种并地表覆盖纤维毯3种不同的种植处理,揭示了不同处理下群落结构、土壤改良以及水土保持效益的差异。发现,乡土灌草群落是干旱河谷适宜的道路边坡植被恢复模式,种植后第3年群落特征趋近于岷江干旱河谷区自然生态系统的多年生灌草植被。纤维毯覆盖+覆土处理在促进植物生长和群落构建,水土流失防治上效果最好,群落总盖度为74%,群落总生物量为506.35 g/m²;生长季内,与自然恢复相比小区径流量减少了87.8%,泥沙流失量降低了92.1%。土壤改良效应在3种处理之间差异不明显,但是与自然恢复样地相比,各处理均提升了边坡0—20 cm土层土壤养分。不同种植处理下植物群落结构差异是影响干旱河谷土石混合的道路边坡水土流失的关键因子。     

奎屯河流域春季融雪期SCS-CN模型参数取值方法

水资源是保障我国西北干旱半干旱地区生态环境安全的关键因素。以新疆奎屯河流域为例,通过修正SCS模型土壤持水量及初损率参数计算方法,寻找适用于干旱半干旱地区山区典型流域春季融雪期径流模拟模型,为流域掌握水资源量及生态用水提供决策依据。与以往研究不同之处在于:首先,引入度-日模型修正降水量参数,以满足流域降雨-融雪混合补给径流特征。其次,利用多期MODIS数据驱动的TS/VI特征空间理论结合土壤水分吸收平衡原理计算土壤持水量参数(S);再运用聚类分析法对初损率(λ)取值方法进行改进。通过参数算法改进后的SCS模型,参数率定期和验证期纳什效率系数和相对误差系数分别为0.92和0.64,0.7%和-1.5%。结果表明:1)参数算法改进后SCS模型能实现奎屯河流域春季融雪期日径流模拟。2)利用遥感大尺度地表信息参数化技术反演SCS模型参数,实现了遥感数据为SCS模型提供大尺度空间数据的同时,间接实现了模型参数由点状数据向面状数据转化的可能;3)初损率(λ)多组取值法可有效提高干旱半干旱地区大尺度流域径流模拟精度。     

Above and below ground development of Acacia saligna shrubs grown under different irrigation frequencies in an arid environment

Many arid and semiarid areas of the world remain barren due to the lack of water even though the use of ephemeral local water sources, such as runoff water, could change the biomass production patterns. The objective of the present study was to determine the effects of levels of water application and modes of application on the biomass below and above ground development of mature Acacia saligna (Labill.) H.L. Wendl. shrubs. The application treatments were: flooded once a year, low and high frequency irrigation with and without an additional annual flooding, and well-watered. An analysis of the standing biomass data after 5 years of growth indicated that the yearly runoff floods contributed significantly to increase the total above ground biomass. The data collected during the 1999 season, indicated however that during this season flooding had no significant effect on any of the measured growth parameters, while application frequency had a significant effect on the growth rates, water use efficiency and leaf and stem production of shrubs. Below ground, two periods of root growth were observed for the higher irrigation frequency treatments: an initial moderate increase followed by a rapid reduction. The period of rapid reduction in root biomass matched well with the period of rapid increments in above ground biomass production. Furthermore, increased irrigation frequencies resulted in bigger root systems but for lower irrigation frequencies rooting depth increased.     

干旱地区斑块状植被格局形成的水分驱动机制及其研究进展

斑块状分布是植被在水分匮乏环境中长期适应的结果,其演替过程可以作为生态系统响应气候变化和人类活动产生突变的"指示器"。本文通过对斑块状植被的起源、生态水文过程及其对干旱区植被恢复的启示等方面进行综述,提出了我国干旱区植被恢复中目前尚存在的主要问题。认为斑块状植被的形成可能受气候变化、人类活动、植物自身的生物学特性及其对环境胁迫的适应等方面的影响,但不是主要因素,植被斑块和裸地斑块之间在不同空间尺度的水分再分配是其在干旱半干旱地区形成并且能够维持稳定的关键。斑块状植被是一个高效的雨水集流系统,裸地斑块是整个系统径流的"源",而植被斑块是整个系统径流的"汇",保护植被斑块的同时维持一定面积的裸地对于整个生态系统的稳定都具有极其重要的意义。斑块状植被也是一个非常脆弱的生态系统,气候的剧烈波动以及人类的过度活动都可能导致生态系统功能丧失,最终产生不可逆转的影响,因此需要加以严格保护。     

Response of benthic macroinvertebrate communities to highway construction in an Appalachian watershed

Highway construction in mountainous areas can result in sedimentation of streams, negatively impacting stream habitat, water quality, and biotic communities. We assessed the impacts of construction of a segment of Corridor H, a four-lane highway, in the Lost River watershed, West Virginia, by monitoring benthic macroinvertebrate communities and water quality, before, during, and after highway construction and prior to highway use at upstream and downstream sites from 1997 through 2007. Data analysis of temporal impacts of highway construction followed a Before-After-Control-Impact (BACI) study design. Highway construction impacts included an increase in stream sedimentation during the construction phase. This was indicated by an increase in turbidity and total suspended solids. Benthic macroinvertebrate metrics indicated a community more tolerant during and after construction than in the period before construction. The percent of Chironomidae and the Hilsenhoff Biotic Index (HBI) increased, while percent of Ephemeroptera, Plecoptera, and Trichoptera (EPT) decreased. Our 10-year study addressed short-term impacts of highway construction and found that impacts were relatively minimal. A recovery of the number of EPT taxa collected after construction indicated that the benthic macroinvertebrate community may be recovering from impacts of highway construction. However, this study only addressed a period of 3 years before, 3 years during, and 4 years post construction. Inferences cannot be made concerning the long-term impacts of the highway, highway traffic, runoff, and other factors associated with highway use. Continual monitoring of the watershed is necessary to determine if the highway has a continual impact on stream habitat, water quality, and biotic integrity.     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。     

生物结皮与草本植物共生坡面的产流-入渗过程特征

干旱半干旱地区生物结皮与草本植物互生,发挥了重要的水土保持价值,但二者的耦合作用对坡面土壤产流-入渗过程与机理的影响尚不清楚。本研究利用人工模拟降雨试验,设计裸土、生物结皮、长芒草、长芒草+生物结皮4种坡面处理,研究生物结皮与草本植物的产流-入渗过程与径流水动力学特征。结果表明: 2个有生物结皮处理的坡面产流量变化平稳。4种处理的总产流量大小分别为:生物结皮>长芒草+生物结皮>裸土>长芒草,说明生物结皮具有抑制土壤水分入渗的作用,而长芒草可促进土壤水分入渗。在土壤深度为16和24 cm处,生物结皮处理的累计入渗量均小于长芒草+生物结皮处理,且差异显著,说明随着土壤深度增加,长芒草会减小生物结皮抑制水分入渗的作用。除了裸土坡面的弗劳德数(Fr)大于1以外,其余3种处理的Fr值小于1,属于缓流。生物结皮、长芒草和长芒草+生物结皮处理坡面的径流动能比裸土坡面分别减少83.3%、59.5%和88.1%。综上,水动力学参数的变化说明生物结皮调控径流的作用大于长芒草。