湿地生态水文模型研究进展

建立湿地生态因素和水文因素之间的响应模型是当前湿地研究的一个新领域,可为湿地的保护、评价和管理提供科学依据。本文依据湿地生态水文过程特征,将湿地生态水文模型分为湿地生态水分循环估算模型、湿地生态水文化学过程模拟模型和湿地生物对水文过程的响应模型,综述了当前湿地生态水文模型的研究进展,并在此基础上探讨了湿地生态水文模型的研究重点和发展趋势。     

湿地水文生态学模型的理论与方法

定量模拟生态模式与水文机制间的关系是当前生态学、水文学和湿地科学的一个热点研究领域。本文介绍了湿地水文生态学的概念、多学科理论体系以及跨学科特征,概括了湿地水文生态模型构建原理与方法,及国内外研究进展和特点。分析了湿地水文生态模型存在的尺度冲突、模型变量选择与模型不确定性,缺少有效校验方法等主要问题。指出湿地水文生态模型未来发展中与新兴交叉学科和地学信息技术耦合的特征由当前数学模型为主逐步过渡到物理模型的趋势。本文还以内陆平原淡水湿地为例,构建了以生境湿度特征为核心的湿地水文生态概念模型,同时设计了一个在集水区尺度上基于RS和GIS方法的湿地水文生态模型范式,以便于增加对此类模型的理解和认识。     

若尔盖县湿地稳态转换的水文地貌生态阈值

以若尔盖县湿地为研究对象,在Google Earth影像和野外调查基础上获取若尔盖县人工沟渠的空间分布数据,并计算结构特征指数。从地形地貌和水文条件两个方面选择6项指标,利用熵值法筛选出对湿地稳态转换影响最大的指标并厘定生态阈值,包括理想值和临界值,通过1980-2015年土地利用数据识别若尔盖县湿地稳态转换区,最终基于乡镇尺度确定生态阈值调控范围,划分各乡镇湿地恢复优先性。结果表明：（1）若尔盖县存在四类湿地稳态转换区,其中稳态平衡区面积最大,占全县湿地面积的47.56%,退化转化区次之,占全县湿地面积的35.88%。（2）对若尔盖县湿地稳态转换影响最大的两项水文地貌生态指标为网络联通度和沟渠密度,权重分别为0.162和0.161。若尔盖县网络联通度的理想值为0.033、临界值为0.054;沟渠密度的理想值为0.011 km/km²、临界值为0.360 km/km²。（3）在若尔盖县需要进行湿地恢复的10个乡镇中,按湿地恢复优先性划分出3个三级恢复区、4个二级恢复区、3个一级恢复区,其中一级恢复区应优先恢复。     

黄河干流与河口湿地生态需水研究进展

通过回顾黄河干流和河口湿地生态需水相关研究的发展历程及主要研究成果,从生态需水研究的研究对象及目标、研究内容、研究方法及应用等方面归纳总结了黄河干流和河口生态需水的研究现状和面临挑战。目前,有关黄河干流和河口湿地的生态需水方面的研究已取得一定的成果,对黄河流域生态需水基础理论基本规律的认识相对清晰,但对黄河干流和河口湿地生态系统认识的不足导致目前生态需水计算方法不统一,计算结果存在一定的误差,从而导致黄河生态需水在流域水资源配置与管理实践中难以达到预期结果。今后仍需在逐步积累的实测资料的基础上进行细化的生态需水研究,重点开展基于河流和湿地生态系统完整性的生态需水研究;基于生态-水文响应关系并综合其他保护目标的生态水文过程研究;还要考虑经济、社会、环境"三赢"的权衡以及未来水沙条件等因素的不确定性,寻求合理的能应用到实际水量配置方案中的生态需水量等。并将生态需水成果与黄河水量生态调度有效结合起来,在水量调度实践中予以论证。     

自然湿地生态恢复研究综述

湿地由于具有丰富的资源、独特的牛态结构和功能而享有“自然之肾”之称。为了更好地保护和开发利用湿地,世界各国都在积极采取措施阴止湿地的退化或消失,湿地的生态恢复与重建问题已成为生态学和环境科学的研究热点,在全面综述国内外湿地生态恢复研究进展的基础上,对湿地乍态恢复研究的重点和热点进行了探讨和分析,指出我国为做好湿地生态恢复工作尚需进一步加强湿地生态恢复的方法学、基础理论、应用技术和示范推广等方面的研究。     

湿地生态水文结构理论与分析

针对水土资源开发利用引发的湿地消退问题,通过研究湿地水分运动与补给规律,分析湿地和径流进退的关系、湿地生境和生物的扩展关系,分析湿地水文连接度下降引起的湿地消退效应.根据湿地水循环原理和湿地生境空间分布规律,建立湿地径流场与生物多样性场的概念,从而提出湿地生态水文结构理论.以维持湿地存在、保障湿地生物多样性为目标,通过湿地径流场与生物多样性场的耦合关系,将湿地划分为中心区和适宜活动区,以维持湿地生态水文结构所需要的水分条件定义为湿地生态需水.湿地生态需水问题的核心为确定湿地生态水文结构,并以湿地中心区和适宜活动区为边界条件,通过地表水地下水转化的水量平衡模型对湿地生态需水量进行分析计算.以维持中心区的水分条件作为最小生态需水;维持适宜活动区的水分条件作为适宜生态需水.湿地生态水文结构更对湿地管理提供生态安全阈值.根据湿地生态水文结构的稳定程度,建立湿地生态安全危机管理机制,进行不同级别的预警管理.     

大尺度生态水文模型的构建及其与GIS集成

基于过程模拟手段揭示森林植被的生态水文功能和变化机制,已经成为生态水文学研究的重要手段。由于陆地生态水文过程的非线性和尺度问题的广泛性,基于过程的坡面或小流域尺度的分布式水文模型不适合大流域的水文过程的分析和预测;另外,传统的水文模型主要侧重水文物理过程,只有充分耦合植被生态过程,才能从机制上揭示森林植被参与水文循环的调控作用。依据大流域的水文过程特点,从5个方面阐述了大尺度生态水文模型构建过程中的主要问题：①大尺度生态水文模型的概念和结构;②尺度的界定与匹配;③离散化数据集的建立,着重分析了植被覆盖、土壤质地、山地气候等主要数据集的建立方法;④分布式与集总式模型,这两类模型可以从他们的基本空间单元上进行区分,数字流域的建立和空间分析手段使得集总式模型和分布式模型得到了很好的结合;⑤生态水文模型与GIS的集成。分析了4种不同的集成方式,“松散型”的集成方式因其编程工作量小而被广泛采用。集成的目的不仅是要提高模拟的技术水平,更要提高系统整体的概念化水平。     

基于水文地貌分类的滨海湿地生态功能评价——以盐城滨海湿地为例

盐城滨海湿地生态功能的空间差异对该区的保护/开发具有重要的指导意义,水文地貌分类为生态功能的评价提供了良好的前提条件。根据盐城滨海湿地2006-2007年Alos遥感影像数据制作湿地景观图,同时通过DEM和水文水动力条件图,借助Arcgis9.2的空间分析功能确定水文地貌单元(HGMU)。在此基础上,利用实地调查数据和湿地景观数据对不同水文地貌单元的湿地生态功能进行评价。结果表明:(1)盐城海滨湿地包括7类水文地貌单元(HGMU),不同HGMU生态系统类型差异较大;(2)同种HGMU生态功能基本处于同一等级,不同HGMU的生态功能差异明显;(3)盐城海滨湿地不同HGMU单元生态功能由大到小排序为:淡水双向-冲积区(河口)、海水天双向-泥粉砂带、海水月双向-泥滩带、海水年双向-草滩带、淡水单向-冲积区、淡水单向-海积区和淡水单向-冲积海积区。其中,河口湿地、淤泥质滩涂和草滩带湿地在维护盐城海滨湿地生态功能中具有重要地位。     

流域尺度生态水文研究评述

根据国际上生态水文学发展的主要方向,归纳了现阶段流域生态水文学的生态水文过程与生态水资源两大主要学科领域及其进展。全球变化下流域生态过程对水文循环加剧的应对策略,基于土地利用与覆盖变化的流域水土界面可持续管理将是未来流域生态水文过程研究的前沿核心问题。以生态需水量为主,分析了生态水资源领域存在的问题,评述了河道内与河道外生态需水量评价的方法与问题,建立更加适用的生态需水量评价体系是目前生态需水量研究的关键问题,一个全新的面向生态系统的水资源评价和规划的理论体系是未来人类社会可持续发展的基础     

基于水文地貌法模型的城市湿地水环境功能评估——以南京仙林典型湿地为例

我国正处于快速城市化发展过程中,许多湿地被改造利用成为城市湿地。如何科学评估城市湿地功能及其改变程度,是科学认识城市湿地的重要内容。基于水文地貌法,通过选取区域受城市化影响小、生态系统结构与功能接近于自然湿地的湿地作为参考湿地,利用遥感和GIS的手段以及野外实地调查方法,从湿地水环境功能角度,对南京仙林区域内典型城市湿地的水环境特征与功能进行评估。结果表明:(1)城市湿地水环境功能明显降低,其蓄水功能、净水功能、水文调节功能明显低于参考湿地;(2)受城市化景观复杂性影响,城市湿地水环境功能的改变程度呈现个性化特征,纪家边、采月湖和西湖西这3个湿地可以作为城市化过程中湿地改造的典范。这一结论可为城市化区域内湿地的合理开发利用以及湿地的保护、恢复提供科学依据。     

鄂尔多斯遗鸥保护区植被-水资源模拟及其调控

鄂尔多斯遗鸥保护区是典型的半干旱区内陆湖泊湿地,2002年被列为国际重要湿地,但是近年来湖泊面积急剧萎缩,一级保护动物遗鸥在此基本消失。为了查清湿地缺水的原因,并寻找解决的途径,基于SWAT模型,模拟了集水区的生态水文过程,结合气候演变规律,分析出该湿地缺水1004.3万m3。其中气候因素综合影响的水量为593.4万m3,饲草料基地建设共增加用水377.7万m3,植被封育减少径流24万m3,大口井和截伏流工程耗水9.2万m3。同时,计算了尾闾湿地的生态需水,从资源利用的角度调控集水区的生态水文过程,提出饲料地发展规模以不超过692hm2为宜、适当放牧以减少封育影响并节省饲料地用水、合理布设水利工程等措施,从而实现集水区坡面生态、尾闾湿地以及经济的协调发展。     

松辽流域湿地生态水文结构与需水分析

以我国重要湿地生态区--松辽流域为对象,对其主要湿地的生态水文结构及生态需水进行分析计算.通过分析湿地水面面积变化与水文连接度的关系确定湿地中心区;通过分析保持生物完整性的生物场最小范围确定适宜活动区.通过典型研究与对水文地区规律分析,建立无资料地区生态水文结构分析计算经验公式.以湿地生态水文结构(中心区、适宜活动区)为边界条件,进行地表地下水转化的水量平衡模型分析,获得湿地生态需水.经过大量分析研究论证,总体而言,松辽流域湿地中心区水深占湿地多年平均水深接近2/3,中心区面积占湿地多年平均水面面积40%左右,这对控制湿地萎缩及湿地安全管理是一个重要指标.通过松辽流域湿地近几年的补水实践分析,发现计算结果基本合理,研究成果可为湿地的规划管理和安全保障提供科学依据.     

绿色基础设施研究进展

综述了绿色基础设施的起源发展,总结了推动其概念形成的发展脉络,分别是人居环境视角、生态保护视角和绿色技术视角。提出了绿色基础设施在空间、功能、要素上的内涵,阐述了它与生态系统服务的外延关系。通过文献研究,综述了绿色基础设施在气候变化、人体健康、空气质量、雨洪管理、公众认知和社区参与、评价研究等领域的国际研究进展。结合我国绿色基础设施的研究现状和问题进行评述,并对未来发展提出展望。     

Predictive models for phosphorus retention in wetlands

The potential of wetlands to efficiently remove (i.e., act as a nutrient sink) or to transform nutrients like phosphorus under high nutrient loading has resulted in their consideration as a cost-effective means of treating wastewater on the landscape. Few predictive models exist which can accurately assess P retention capacity. An analysis of the north American data base (NADB) allowed us to develop a mass loading model that can be used to predict P storage and effluent concentrations from wetlands. Phosphorus storage in wetlands is proportional to P loadings but the output total phosphorus (TP) concentrations increase exponentially after a P loading threshold is reached. The threshold P assimilative capacity based on the NADB and a test site in the Everglades is approximately 1 g m^–2 yr^–1. We hypothesize that once loadings exceed 1 g m^–2 yr^–1 and short-term mechanisms are saturated, that the mechanisms controlling the uptake and storage of P in wetlands are exceeded and effluent concentrations of TP rise exponentially. We propose a One Gram Rule for freshwater wetlands and contend that this loading is near the assimilative capacity of wetlands. Our analysis further suggests that P loadings must be reduced to 1 g m^–2 yr^–1 or lower within the wetland if maintaining long-term low P output concentrations from the wetlands is the central goal. A carbon based phosphorus retention model developed for peatlands and tested in the Everglades of Florida provided further evidence of the proposed One Gram Rule for wetlands. This model is based on data from the Everglades areas impacted by agricultural runoff during the past 30 years. Preliminary estimates indicate that these wetlands store P primarily as humic organic-P, insoluble P, and Ca bound P at 0.44 g m^–2 yr^–1 on average. Areas loaded with 4.0 g m^–2 yr^–1 (at water concentrations>150 g·L^–1 TP) stored 0.8 to 0.6 g m^–2 yr^–1 P, areas loaded with 3.3 g m^–2 yr^–1 P retained 0.6 to 0.4 g m^–2 yr^–1 P, and areas receiving 0.6 g m^–2 yr^–1 P retained 0.3 to 0.2 g m^–2 yr^–1. The TP water concentrations in the wetland did not drop below 50 g·L^–1 until loadings were below 1 g m² yr^–1 P.     

人工湿地去污模型的统一结构特征

通过对典型人工湿地去污模型的分析比较,提出了基于各模型微分方程而建立的统一去污模型。该模型能够将典型去污模型作为特例而导出,并能很好地解释这些模型之间的过渡关系。以潜流湿地中NH4^＋和BOD5的降解为例,对统一去污模型的应用情况进行了简单探讨,表明利用统一去污模型结构有助于深入揭示去污机理,从而提出更为精确的去污模型。     

Landscape pattern and eco-hydrological characteristics at the upstream of Minjiang River, China

Based on three scenes of Landsat 5 Thematic Mapper (TM) satellite images acquired on June 26, 1994, 12 land cover types were identified by the supervised classification techniques. The precipitation, runoff, and normalized difference vegetation index (NDVI) data of six catchments were accumulated from April to September in 1992, 1993, and 1995. A new eco-hydrological index, expressed by the difference between precipitation and runoff divided by the product of precipitation and NDVI, was used in this study to represent the eco-hydrological functions of different catchments. The results were: (1) The selected six catchments at the upstream of Minjiang River, China were different in landscape patterns in terms of landscape type and cover. There were higher contagion, lower edge density and diversity index in the Shouxi catchments and lower contagion, higher edge density and diversity index in the Zagunao catchments. (2) Eco-hydrological indexes had remarkable differences among different catchments. The highest eco-hydrological index was found in the Shouxi catchments, which indicated higher precipitation holding capacity of vegetation therein. While the lower eco-hydrological index was found in the Zagunao catchments, which indicated its lower precipitation holding capacity of vegetation. (3) High correlation was detected between the landscape indexes and eco-hydrological indexes. Eco-hydrological index was positively correlated with landscape contagion in contrast with the negative correlation with landscape diversity and edge density. __________ Translated from Acta Ecologica Sinica, 2005, 25(4): 691–698 [译自: 生态学报, 2005, 25(4): 691–698]     

岷江上游景观格局及生态水文特征分析

基于1994年岷江上游TM遥感影像分类,结合6个不同集水区1992、1993、1995年植被生长季降雨、径流及同期NOAA/AVHRR的N DVI数据,构建了植被保水指数作为表征植被生态水文功能分析的指标。并用此对岷江上游6个不同集水区景观格局与生态水文特征进行分析。结果表明:不同集水区植被组成及景观结构有显著差异;不同集水区植被保蓄降雨能力即保水指数有明显差异;不同集水区景观结构指数与保水指数之间具有很高相关性,其中边界密度、多样性指数与保水指数呈负相关,聚集度指数与保水指数呈正相关。保水指数的构建对植被建设具有一定的科学意义     

应对暴雨洪涝灾害的平原城市生态水文调节服务供需评估——以天津市为例

生态水文调节服务是生态系统服务的重要组成,能够有效调节地表径流,缓解暴雨洪涝灾害。但由于城市建设扩张、生态环境退化、极端降雨频发等因素,导致生态水文调节服务出现供需失衡。平原城市中地形水动力较弱及城市发展需求高的特征更是加剧了这种现象。基于生态系统供需视角,以生态水文调节率表征城市生态水文调节服务的生态供给,以暴雨洪涝风险表征城市生态水文调节服务的社会需求,构建应对暴雨洪涝灾害的平原城市生态水文调节服务供需研究框架。以典型平原城市天津市为例,应用SWAT模型、随机森林模型和ArcGIS定量测度城市生态水文调节服务供需水平,划分四种供需空间匹配类型,识别供需失衡关键区域,并进行五级规划干预等级分区。结果表明：(1)供给能力呈现“东南沿海高,西北近山低”的空间分布;需求水平表现出“多中心聚集,圈层向外递减”的分布规律。(2)供需空间分布呈现正相关关系,低供-低需在四种供需匹配类型中占据主导,同时空间聚集性最明显。(3)规划干预分区存在明显的空间差异,优先干预区占比5.41%,整体与建成区分布一致,大部分集中在市内六区,其次分布在滨海新区核心区,是未来规划治理的重点。研究结果为城市规划管理从...     

小微湿地研究综述:定义、类型及生态系统服务

小微湿地作为一个"新兴"的概念,受到学者和政策制定者的日益关注。虽然小微湿地面积较小,但是却发挥着独特的生态功能。针对小微湿地的深入研究,有助于进一步拓展湿地科学的研究尺度,促进学科体系发展。介绍了小微湿地研究兴起的背景,总结了小微湿地的面积范围和分类体系,归纳了小微湿地的累加作用和景观特征,着重分析了小微湿地在维持关键物种种群、提供生物迁移踏脚石、调节雨洪、改善水质,以及营造城乡优美景观等方面提供的生态系统服务。提出未来需要进一步加强小微湿地生态过程和相关机理研究,将小微湿地建设与现行湿地保护体系和城乡生态环境建设有机结合,促进小微湿地建设的有序和可持续发展。