模拟计算平行样对流域生物信息流估算的影响

流域生物信息流是流域生态学研究中的重要内容,是流域生态系统中的物质输移和能量输移过程的信息标记,是用eDNA技术调查评估河流水体中物种组成空间特征的基础。估算流域生物信息流是流域生态系统过程研究和eDNA技术调查评估河流水体中物种组成空间特征的关键。在有限的调查采样中,平行样的数量如何影响流域生物信息流的估算,尚待解答。基于随机抽样调查的基本原理,提出假设--采样数量不影响流域生物信息流估算结果的准确度,但会影响其精密度,然后通过问题简化转化和模拟计算,对该假设进行了检验。模拟计算结果显示,随着样点生物信息检出度(平行样数量)的增大,流域生物信息流估算结果会从偏小逐渐靠近流域生物信息流实际值,同时其99.9%置信区间也逐渐集中于流域生物信息流实际值。即样点生物信息检出度(平行样数量)对流域生物信息流估算的准确度和精密度均有影响。在实际调查研究过程中,建议先在所研究区域对平行样数量和样点生物信息检出度的关系进行预评估,然后基于流域生物信息流估算可信度目标在正式实施方案中经济有效地设置平行样,基于多平行样调查结果估算流域生物信息流,再根据各样点生物信息检出状况对流域生物信息流估算结果进行后验评估。     

植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响

同小流域土壤侵蚀一样,小流域土壤氮素随洪流流失也受到植被覆盖度的影响,通常经过调整小流域内土地利用结构以达到控制水土流失.该研究以8.27 km2纸坊沟流域和1:400比例流域模型为研究对象,研究植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响.结果表明:在模拟降雨下,当流域植被覆盖度分别为60%、40%、20%和0时,流域模型铵态氮流失量分别为87.08、44.31、25.16和13.71 kg/km2,硝态氮为85.50、74.05、63.95和56.23 kg/km2,全氮为0.81、1.18、1.98和7.51 t/km2;在自然降雨下,1998年与1992年相比,全流域年土壤侵蚀量为1 086 t/km2和1 119 t/km2,氮素流失量为8 758.5和7 562.2 kg,减少了15.8%,其中农地减少了52.0%.流域对降水中的矿质氮具有过滤作用,硝态氮的过滤作用明显高于铵态氮.洪流泥沙中＜20 μm微团聚体富集造成了泥沙有机质和全氮的富集.植被覆盖虽能有效地减少流域土壤侵蚀和全氮的流失,却能增加土壤矿质氮的流失.坡地退耕还林草可显著减少流域土壤氮素流失.     

植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响

同小流域土壤侵蚀一样,小流域土壤氮素随洪流流失也受到植被覆盖度的影响,通常经过调整小流域内土地利用结构以达到控制水土流失。该研究以8.27 km2纸坊沟流域和1:400比例流域模型为研究对象,研究植被覆盖度和综合治理对纸坊沟流域土壤氮素流失的影响。结果表明:在模拟降雨下,当流域植被覆盖度分别为60%、40%、20%和0时,流域模型铵态氮流失量分别为87.08、44.31、25.16和13.71 kg/km2,硝态氮为85.50、74.05、63.95和56.23 kg/km2,全氮为0.81、1.18、1.98和7.51 t/km2;在自然降雨下,1998年与1992年相比,全流域年土壤侵蚀量为1 086 t/km2和1 119 t/km2,氮素流失量为8 758.5和7 562.2 kg,减少了15.8%,其中农地减少了52.0%。流域对降水中的矿质氮具有过滤作用,硝态氮的过滤作用明显高于铵态氮。洪流泥沙中<20 mm微团聚体富集造成了泥沙有机质和全氮的富集。植被覆盖虽能有效地减少流域土壤侵蚀和全氮的流失,却能增加土壤矿质氮的流失。坡地退耕还林草可显著减少流域土壤氮素流失。     

长江上游森林影响流域水文过程模拟分析

用森林流域水文模型(FCHM)模拟分析长江上游森林植被变化下的平通河流域和刘家河流域森林水文过程。可知随着两个流域森林覆盖率(FR)的提高,林冠截留量的增加和土壤入渗能力的改善,使得径流成分比例也随之发生变化,地表径流Rf逐渐减少,快速流转换为慢速流,因此延迟了流域降水汇流时间,洪峰流量得以削减。以平通河为例,当该流域全部被森林覆盖以后,则流域百年一遇的设计洪水标准可由非森林地时的4520m3/s降到3380m3/s,因此森林的存在可大大提高流域的防洪能力;而两个流域又由于区域结构等条件的不同,使得流域径流成分所占比例不同。其中平通河流域径流成分主要以浅层径流Rs和深层径流Rp为主,而刘家河流域径流成分主要以壤中流Ri为主,且都随森林覆盖的增加而有所增加。不同的径流成分为流域蒸散发带来了不同的水分条件,因此流域蒸散发量随着森林覆盖率的增加各有不同的变化趋势。其中平通河流域随着森林覆盖率的增加,流域蒸散发总量将由非森林地时候的373.3mm减少至289.3mm,根据水量平衡原理,该流域径流总量则会增加,呈流域径流正效应(23.7%);而后者流域则相反,随着森林覆盖率的增加,流域蒸散发总量反而会逐步增加,则流域径流总量会随之减少,呈流域径流负效应(-8.6%)。     

海绵城市建设对流域海绵体生态水文过程的改善

快速城市化驱动的不透水面比例增加是引起流域洪峰和径流总量增加的直接原因,海绵城市建设通过生态基础设施网络构建增加流域透水面比例,是重构流域生态水文过程的重要途径。但是海绵城市建设在流域海绵体生态水文过程中发挥的作用尚不清楚。以深圳市布吉河流域洪湖片区为例,通过雨季水文过程要素在线连续监测来确定海绵城市建设是否改善洪湖片区生态水文过程。结果表明,中观尺度上,雨季降雨量对洪湖片区地表径流总量无直接影响,降雨强度显著影响洪湖片区地表径流峰值流量(P<0.05),日降雨量对布吉河水质影响极显著(P<0.01)。洪湖片区通过28.3%(0.85 km²)海绵面积建设,透水面比例提升,以生物滞留设施和透水铺装等强化片区蒸散和下渗过程,减少雨季径流97.2%(248.72万m³),削减典型降雨峰值流量98.2%以上,降低易涝点积水水位至7.8 cm以下,2.8%形成河川径流(布吉河),海绵面积(比例)和地表径流量削减无直接量化关系。洪湖片区污染物截留时空随保水能力得到提升,控制排放悬浮物月均浓度均低于15.60 mg/L,污染物通过径流裹挟进入...     

亚热带典型流域C、N沉降季节变化特征及其耦合输出过程

大气湿沉降是流域生态系统水体中碳氮的重要来源,对生态系统的健康及稳定性有很大的影响。通过对江西千烟洲典型亚热带流域降雨过程的碳、氮湿沉降和径流过程的季节性动态特征进行监测分析,探讨流域沉降、径流输出的C、N耦合及平衡关系。结果表明:千烟洲香溪流域降雨径流中碳氮浓度明显低于雨水,流域大气降水中DOC浓度和TN浓度呈极显著正相关关系。香溪河流域常规水体C∶N均值为2.81,远低于根据Redfield比率得出的适宜浮游生物生长的C∶N(6.6左右),说明外源性N输入导致该流域水体环境处于N过量的状态,长期输出会提高下游鄱阳湖水系的营养化程度。降雨过程对流域碳输入输出平衡影响较小,对氮输入输出平衡的影响较大。流域湿沉降DOC年输入量为69.41 kg hm~(-2)a~(-1),TN湿沉降通量为77.23 kg hm~(-2)a~(-1),碳氮沉降水平受区域降雨量及空气污染情况控制。香溪流域生态系统截留的沉降TN占当地氮肥年均使用量的33.13%,大气降水对亚热带流域生态系统的大量营养物质输入不容忽视。     

晋西黄土区不同植被覆盖流域的水文响应

为了研究不同植被覆盖对流域径流的影响,以晋西黄土区蔡家川流域内的天然次生林流域和人工林流域为对象进行了对比分析。结果表明,天然次生林流域的年径流量、雨季径流量均小于人工林流域,天然次生林流域的年总径流量、雨季径流量分别是人工林流域的58.57%、48.04%,年地表径流量、雨季地表径流量分别比人工林流域减少了82.95%、81.12%;人工林流域的基流量为零;在短历时高雨强的降雨形式下天然次生林流域的削洪效应显著,其单位面积洪峰流量比人工林流域减少了83.41%;不同植被覆盖下径流对不同雨型的响应不同,人工林流域在A型雨条件下的单位面积洪峰流量是B、C型雨的10.08倍、3.35倍,天然次生林流域在A型雨条件下的单位面积洪峰流量是B、C型雨的6.79倍、1.64倍。     

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。     

深圳市土地利用变化对流域径流的影响

土地利用所引起的流域下垫面变化严重影响着洪涝灾害的致灾过程,以深圳市为例,探讨下垫面条件对流域径流过程的影响,应用美国农业部水土保持局（Soil Conservation Service)研制的小流域设计洪水模型-SCS模型对深圳市部分流域进行了径流过程的模拟,重点分析 了土地利用方式、土壤类型、前期土壤湿润程度等下垫面因素以及降雨因素对降雨-径流关系的影响。结果表明,随着人类活动的加剧,土地利用的变化使径流量趋于增大;降雨强度越大、前期土壤湿润程度而发生变化,CN值（Curve Number)的高值区主要集中在城市用地和水体;低值区主要出现在林地、灌草地、果园等植被覆盖较好,地势起伏较大的地区。     

我国南方红壤区氮磷湿沉降对森林流域氮磷输出及水质的影响

持续高通量的氮、磷输入导致水体富营养化的问题已引起广泛关注。通过对江西省千烟洲香溪流域水样(常规水样,降雨后的地表径流以及雨水水样)的季节性监测,研究大气氮、磷湿沉降对森林流域氮、磷输出动态及水质的影响。结果表明:从2013年6月至2014年5月,香溪流域内氮、磷湿沉降通量分别为11.86 kg/hm~2和0.38 kg/hm~2,其中氮湿沉降主要集中在夏秋两季,占全年输入量的64%,而磷沉降主要集中在夏季,占全年输入量的43%,表现出明显的季节性差异;水体p H值(6.22—8.89)的变化范围较大,而且氮、磷的输出受土地管理(施肥方式)及降雨事件的影响较为明显,尤其在耕作期,总氮的输出量占全年氮输出总量的96.2%,而总磷的输出量占全年磷输出总量的61.4%;对4场不同强度降雨(按降雨强度从大到小)的氮、磷输出动态过程分析,发现不同强度的降雨对水体氮、磷的输出过程影响不同,在径流未形成前以及降雨强度达到暴雨级别时,降雨对流域水体氮、磷的稀释作用明显,而在大雨强度下水体磷的输出量明显高于其他降雨;研究期间,香溪流域内氮湿沉降对水体的贡献量为101.97 kg,磷湿沉降的贡献量为0.60 kg,4场降雨氮对流域水体的贡献量为4.46kg,占流域氮输出负荷的15.22%,磷对水体的贡献量为0.032kg,占流域磷输出负荷的0.85%。同时,根据营养状态指数(EI),发现流域水体全年处于中至富营养状态,而且研究期间水体氮、磷浓度均超过水体富营养化阈值(氮1.5 mg/L,磷0.15 mg/L),存在爆发水体富营养化的威胁。     

Fluvially-deposited large wood and riparian plant diversity

Out-of-channel wood jams centred by fluvially-deposited large wood represent an important habitat for riparian plant species along large rivers dominated by exposed riverine sediments. Such wood jams often display distinct physical features associated with the jams, such as areas of scour immediately upstream, plumes of fine sediment downstream and abundant organic material deposited throughout the jam. This paper examines the relationship between physical characteristics of young wood jams (1–3 years since deposition) and riparian plant diversity along the braided River Tagliamento in Northeast Italy. Species richness of riparian plants was significantly positively correlated to the depth of scour features and amount of fine sediment around the wood jams, which facilitate improved access to the water table and increase available water in the sediments, respectively. Species diversity was significantly positively correlated to scour pool depth only. Scour depth was in turn influenced by wood jam size, indicating that larger jams may indirectly increase riparian plant diversity. Management and restoration of riparian zones containing exposed riverine sediments should allow for the formation of wood jams and their associated features where possible, in order to potentially increase localised biodiversity.     

Flow variability maintains the structure and composition of in‐channel riparian vegetation

1. Naturally variable river flows are considered to be important for structuring riparian vegetation. However, while the importance of floods for the ecology of riparian vegetation is well recognised, much less is known about the importance of small fluctuations in river flows. 2. We investigated the effect of water supply diversion weirs on the riparian vegetation of upland streams. These weirs remove within‐channel fluctuations in flow but do not prevent large floods downstream. We surveyed the in‐channel and banktop vegetation of five streams, three of which were regulated by weirs and two of which acted as controls. 3. Unexpectedly, we observed greater species richness within the channel downstream of the weirs. This was because of increased numbers of exotic and terrestrial (‘dry’) plant species. Grass cover was also greater downstream of the weirs. There were no significant differences in the banktop vegetation between the upstream and downstream sites of the regulated streams. 4. Our results highlight the role of within‐channel flow variability in maintaining the composition of vegetation within the stream channel. We suggest that greater species richness does not necessarily indicate a less‐disturbed environment. Rather, a greater number of ‘dry’ species is indicative of the impacts of flow regulation. 5. Small fluctuations in river flows are probably necessary to protect the ecosystem structure and function of regulated streams. It is recommended that variable within‐channel flows be provided in regulated streams.     

流域生态服务价值供给的补偿标准评估——以渭河流域上游为例

十九大报告明确提出,健全河流湖泊休养生息制度,建立多元化的生态补偿机制,而准确核算流域生态服务价值供给的补偿标准是建立科学的流域生态补偿机制的关键要素。对于补偿标准的核算,鲜有学者从公平的视角出发,考虑补偿标准应在生态服务价值供给的基础上剔除本地区的自身消费。首先对流域生态服务供给方的供给行为与流域生态补偿标准的评估依据进行理论探讨,提出流域生态补偿标准应以生态环境价值为依据,对生态保护行为的生态外溢环境价值进行补偿;其次,在理论分析的基础上以渭河流域为例,构建当量因子模型测算渭河上游2006—2015年供给的生态服务价值,并结合水足迹法测算并剔除2006—2015年渭河上游自身消费的生态服务价值;最后,测得渭河上游应获得的补偿标准由2006年的12.82亿元上升至2015年的44.09亿元,总体呈增长趋势,说明上游为保护流域生态环境不断付出努力,不断增加对下游的剩余生态服务价值供给。     

河湖生态系统生态用水优化研究——以滇池流域为例

生态需水是河流与湖泊生态系统健康的重要基础。湖泊流域的河流与湖泊生态系统之间存在密切的水量联系,目前对流域内生态用水的研究多为单一生态系统生态需水简单相加,忽略了河流和湖泊之间复杂的水量联系。基于河湖复合生态系统之间的水量联系构建了河湖生态系统生态用水优化模型,并以滇池为例分析了河湖生态系统生态用水规律。结果表明：湖泊流域中单一河流或湖泊生态需水计算结果不能满足复合生态系统的生态用水要求,需要综合考虑河流和湖泊之间的水量联系;在当前水质状况下,牛栏江每年的调水量不能满足滇池流域的生态用水要求;滇池流域水体污染对流域内生态用水影响较大,随着水体污染程度的下降,流域生态用水量和调水量呈指数下降,河流生态用水呈线性下降。     

Asymmetric dispersal structures a riverine metapopulation of the freshwater pearl mussel Margaritifera laevis

Unidirectional water flow results in the downstream‐biased, asymmetric dispersal of many riverine organisms. However, little is known of how asymmetric dispersal influences riverine population structure and dynamics, limiting our ability to properly manage riverine organisms. A metapopulation of the freshwater pearl mussel Margaritifera laevis may be sensitive to river currents because mussels are repeatedly exposed to downstream drift during floods—a parasitic life stage is the only, limited period (~40 days) during which larvae (glochidia) can move upstream with the aid of host fish. We hypothesized that water‐mediated dispersal would overwhelm upstream dispersal via host fish, and therefore, that upstream subpopulations play a critical role as immigrant sources. To test this hypothesis, we examined the effects of both up‐ and downstream immigrant sources on the size of target subpopulations in the Shubuto River system, Hokkaido, Japan. We found that target subpopulation size was dependent on the upstream distribution range of reproductive subpopulations and the number of upstream tributaries, which are proxies for the number of potential immigrants moving downstream. In contrast, little influence was observed of downstream immigrant sources (proximity to downstream reproductive subpopulations). These results were consistent even after accounting for local environments and stream size. Our finding suggests that upstream subpopulations can be disproportionately important as immigrant sources when dispersal is strongly asymmetric.     

流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区

流域生态敏感性是流域生态系统遇到干扰时产生生态失衡与生态环境问题的难易程度和可能性大小,生物多样性是其影响最为重要的生态因子。主要考虑物种丰富度、珍稀程度、濒危程度、保护等级和生态系统类型等生物多样性敏感因子,借助GIS强大的空间数据采集和建模分析能力,在专家打分求取敏感因子权重基础上,通过空间模型计算生物多样性敏感度综合得分。基于二级流域综合得分最大值,采用ARCGIS自然间断点法实现敏感度分区,结果表明:极敏感区域主要分布在长江区的岷沱江、金沙江石鼓以下、金沙江石鼓以上、宜宾至宜昌、嘉陵江流域,珠江区的郁江、红柳河和西江流域,西南诸河区的澜沧江、红河和怒江及伊洛瓦底江流域,黄河区的龙羊峡以上流域等,这些区域水生生物特有种和受威胁物种丰度大,国家级自然保护区密集,是陆地生物多样性最丰富的地区。不敏感区域主要分布在松花江区除第二松花江以外流域,西北诸河区的塔里木盆地荒漠、古尔班通古特荒漠、中亚西亚内陆河、塔里木河干流等荒漠区,松花江区低温高寒,具有大森林、大草原、大湿地、大农田和大水域的特点,库坝工程对其生物多样性产生影响的可能性较小,西北诸河的荒漠区生境严酷,生物多样性贫乏,也不具备修建大型水库的条件,生物多样性敏感度也较低。其它区域介于二者之间,因其所处的生态系统类型、物种丰富度、珍稀程度、濒危程度和保护等级不一样,生物多样性敏感度各异。对流域库坝工程产生的生物多样性敏感度进行辨识,可为未来流域水资源合理和适度开发提供科学依据。     

Integrated stream and wetland restoration: A watershed approach to improved water quality on the landscape

Water quality in Upper Sandy Creek, a headwater stream for the Cape Fear River in the North Carolina Piedmont, is impaired due to high N and P concentrations, sediment load, and coliform bacteria. The creek and floodplain ecosystem had become dysfunctional due to the effects of altered storm water delivery following urban watershed development where the impervious surface reached nearly 30% in some sub-watersheds. At Duke University, an 8-ha Stream and Wetland Assessment Management Park (SWAMP) was created in the lower portion of the watershed to assess the cumulative effect of restoring multiple portions of stream and former adjacent wetlands, with specific goals of quantifying water quality improvements. To accomplish these goals, a three-phase stream/riparian floodplain restoration (600 m), storm water reservoir/wetland complex (1.6 ha) along with a surface flow treatment wetland (0.5 ha) was ecologically designed to increase the stream wetland connection, and restore groundwater wetland hydrology. The multi-phased restoration of Sandy Creek and adjacent wetlands resulted in functioning riparian hydrology, which reduced downstream water pulses, nutrients, coliform bacteria, sediment, and stream erosion. Storm water event nutrient budgets indicated a substantial attenuation of N and P within the SWAMP project. Most notably, (NO₂⁻ + NO₃⁻)-N loads were reduced by 64% and P loads were reduced by 28%. Sediment retention in the stormwater reservoir and riparian wetlands showed accretion rates of 1.8 cm year⁻¹ and 1.1 cm year⁻¹, respectively. Sediment retention totaled nearly 500 MT year⁻¹.     

武夷山小流域生态系统服务(簇)权衡/协同及对地形起伏度的响应

地形起伏度(RDLS)通过影响生态系统的格局、过程和功能而作用于生态系统服务,揭示二者间的作用关系对提升生态系统服务认知具有重要意义。综合运用地形起伏度模型、InVEST模型、K-mean聚类分析、生态系统服务变化指数(ESCI)及权衡协同度指数(ESTD)等方法,探究2009—2016年武夷山国家公园武夷山九曲溪流域主要生态系统服务、生态系统服务簇及其权衡/协同关系对地形起伏度的响应规律。结果表明：(1)2009—2016年生物多样性维持、固碳、水源涵养和水质净化服务及其增益面积均随着RDLS等级的升高而增加。(2)生态脆弱型服务簇聚集在RDLS较低地方,生态调节型服务簇则聚集在RDLS较高区域,而生态保育型服务簇无明显分布规律。2009—2016年,RDLS较低和较高区域分别有19%、18%的生态保育型服务簇转变为生态脆弱型服务簇和生态调节型服务簇。(3)生态系统服务权衡/协同关系对RDLS的响应模式有两种模式,即以二级或四级RDLS为峰值的倒U型曲线(固碳与生物多样性维持的权衡关系,固碳与水源涵养的协同关系)和以二级、四级RDLS为拐点的N型曲线(水质净化与固碳、水源涵养的协同关...