水文尺度转换探讨

水文尺度问题是当今水文学研究的热点和前沿.水文尺度包括过程尺度、观测尺度和模拟尺度三方面含义.主导过程尺度作为尺度的特征量,是水文研究中的重点.水文尺度转换工作包括了对水文模式、参数、状态变量和输入的尺度转换四方面,每一方面都有其特殊的研究方法.水文系统的有组织复杂性、时空变异性和数据不足是当前水文研究的难点所在.自然河网的自相似特性使其成为水文尺度研究的重要组成部分.进一步深入研究水文尺度问题需要多种研究思路、技术手段和理论工具的结合.     

硝基苯类化合物微生物降解研究进展

硝基苯类化合物是一类具有稳定化学性质、高毒性和易在生物体内积累的优先污染物.微生物降解在硝基苯类化合物废水废气治理和污染环境修复方面具有明显优势.从降解菌的驯化筛选、降解途径、降解机理、共代谢、趋化性和分子遗传学角度,阐述了硝基苯类化合物微生物降解研究的最新进展,指出应进一步加强工程菌的构建及其应用开发研究.在硝基苯类化合物污染环境的微生物修复方面,共代谢和混合菌株的协同作用具有重要的应用前景.     

湿地生态系统服务价值评估的空间尺度转换研究进展

湿地生态系统服务取决于一定空间尺度中的生态系统结构和生态过程,而人类从湿地生态系统获得利益的大小也与其空间尺度有着密切联系。同时,湿地生态系统服务价值评估的空间尺度转换问题也一直是整个湿地生态学研究中的热点和难点之一。在分析湿地生态系统服务空间尺度特征的基础上,提出了湿地生态系统服务价值评估研究中空间尺度转换的概念,即是指通过一个已经有的、与被估算湿地生态系统相似的更大空间范围的或更小空间范围的另一湿地生态系统的价值来估算该湿地生态系统的价值量的过程。介绍了常用的空间尺度转换的方法,主要包括成果参照法和空间模型分析两种方法,成果参照法又包括数值直接外推法和调整函数参照法(Meta分析法)。对目前空间尺度转换研究中存在问题进行总结,并对未来的研究进行了展望。     

生态学中的尺度及尺度转移方法

尺度作籽生态学的重要范式,已经引起了广泛重视,但对尺度问题的研究还不够成熟。尺度具有多样性特点,即功能尺度,空间尺度、时间尺度等,但生态学研究的重点是空间和时间尺度。并且时空尺度还具有复杂性、变异性特征、尺度研究的根本目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的生态学规律。为此,科学有效的尺度选择和尺度转换方法不可或缺。常见的尺度转换方法有图示法、回归分析、变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波变换,同时遥感和地理依信息系统技术在尺度研究中也发挥着重要作用。结合实例对上述方法进行了分析和论述,认为各种方法都有有其内在的优势和不足,新方法的引入和应用对于尺度转换方法体系的充实和完善非常重要。有关尺度的研究将进一步加强,研究的重点是尺度变异性、不同尺度间的相互作用机制以及尺度转换方法等。     

生态学中的尺度及尺度转换方法

尺度作为生态学的重要范式,已经引起了广泛重视,但对尺度问题的研究还不够成熟.尺度具有多维性特点,即功能尺度、空间尺度、时间尺度等,但生态学研究的重点是空间和时间尺度.并且时空尺度还具有复杂性、变异性特征.尺度研究的根本目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的生态学规律.为此,科学有效的尺度选择和尺度转换方法不可或缺.常见的尺度转换方法有图示法、回归分析、变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波变换,同时遥感和地理信息系统技术在尺度研究中也发挥着重要作用.结合实例对上述方法进行了分析和论述,认为各种方法都有其内在的优势和不足,新方法的引入和应用对于尺度转换方法体系的充实和完善非常重要.有关尺度的研究将进一步加强,研究的重点是尺度变异性、不同尺度间的相互作用机制以及尺度转换方法等.     

WASSI-C生态水文模型响应单元空间尺度的确定——以杂古脑流域为例

模型基本单元空间尺度的确定是大尺度生态水文模型应用的前提, 也是提高模型模拟精度的关键。该文以长江流域岷江上游的杂谷脑河上游流域为例, 通过设置最小流域面积阈值, 构建不同的水文响应单元划分方案, 探讨生态水文模型WASSI-C响应单元的最佳空间响应尺度。结果表明: 模型响应单元空间尺度的变化对模型精度有显著影响, 模拟效果存在随响应单元划分面积阈值增加先提高再稳定的趋势, 面积阈值小于85 km²时, 模型的模拟效果较好。此外, 面积阈值小于85 km²时, 模型模拟的水、碳循环变量验证的拟合相关性系数和效率系数均趋于稳定, 因此可以将模型水文响应单元流域划分的面积阈值确定为85 km²。基于这一尺度的模拟与验证研究, 分析了WASSI-C模型中关键变量设置对模拟结果的影响。     

黄河三角洲横向水文结构连结空间尺度变异性分析

水文连通是影响滨海湿地生态和水文过程的基础要素之一。引入无标度网络模型改进已有横向静态水文连通参数化方法,将其应用于较大尺度(100 hm²)量化黄河三角洲滨海湿地的水文连通,并结合已有研究结果分析3个尺度(1 m²,100 m²和100 hm²)水文连通的空间变异性。研究结果显示,潮间区和生态补水区的水文连通较强,3个尺度的空间变异性主要来自于水文连通指数较高的样点;盐沼区和河滨区相对较弱,空间变异性主要来自于水文连通指数较小的样点,且大尺度水文连通空间变异性相对中尺度和小尺度更高。小尺度和中尺度方法描述了一个样地与周边较小范围的空间区域土壤水分连通状况,在大的潮汐或补水条件下不同区域各个样地倾向于保持一致;而大尺度方法则侧重于描述区域内的水文过程,这是导致尺度差异的根本原因。     

恢复演替中草地斑块动态及尺度转换分析

研究了９ａ草地恢复油潜系列中斑块边界形状和斑块面积分布动态,并进行了凡度转换分析。獐茅斑块的边界分维数和斑块化指数最高,羊草斑块的较低,碱蓬斑块的斑块化指数略小于羊草斑块,边界分维数大于洋草斑块。共他类型斑块的两种指数基本上介于獐茅斑块之间,斑块化指数的年限变动滞后于斑块边界分维数,斑块边发维数在整个试验的尺度范围内符合同一自相似规律,斑块的面积分布格局在不同的尺度上有不同的自相似规律。     

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.     

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一.尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法.目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换.在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路.认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局（环境因子空间组合）-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法.     

土地覆被变化的水文响应模拟研究

采用近年来快速发展的水文模型模拟的手段,应用SWAT模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系,定量地评估了梭磨河流域的土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响．结果表明,随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被,径流深减小,蒸发量增加,枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度,而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期．相同的洪水重现期,流域全为有林地覆被的情景比无植被的情景洪峰流量减小31．2％．现状覆被与未来最佳覆被之间在较大洪水上的差别不大,在较小洪水上的差别稍大．     

Quantitative hydrological preferences of benthic stream invertebrates in Germany

Current knowledge regarding the flow preferences of benthic stream invertebrates is mostly based on qualitative data or expert knowledge and literature analysis. These established flow preferences are difficult to use in predictions of the effects of global change on aquatic biota. To complement the existing categories, we performed a large-scale analysis on the distribution of stream invertebrates at stream monitoring sites in order to determine their responses to various hydrological conditions.We used 325 invertebrate surveys from environmental agencies at 238 sites paired to 217 gauges across Germany covering a broad range of hydrological conditions. Based on these data, we modelled the respective probabilities of occurrences for 120 benthic invertebrate taxa within this hydrological range using hierarchical logistic regression models.Our analyses revealed that more than one-third of the taxa (18–40%) can be considered as ubiquitous and having a broad hydrological tolerance. Furthermore, 22–41% of the taxa responded to specific ranges of flow conditions with detectable optima. “Duration high flow event” represented the flow parameter that correlated best with the abundance of individual taxa, followed by “rate of change average event”, with 41 and 38% of the taxa showing a peak in their probability of occurrence at specific ranges of these metrics, respectively. The habitat suitability for these taxa may be potentially affected by global change-induced hydrological changes.Quantified hydrological traits of individual taxa might therefore support stream management and enable the prediction of taxa responses to flow alteration. The hydrological traits of stream benthic invertebrates may be used in forecasting studies in central Europe, and the methods used in this study are suitable for application in other regions with different flow regimes.     

新型降水分布数学模型研究及其应用

在分布式水文模型中,单元栅格内的降水输入是准确模拟各种水文过程的关键因素,寻求产生分布式降水数据的方法是水文模型研究的热点之一.在对国内外降水模型分析基础上,认为流域面上实际降水分布是天气系统降水与下垫面地形影响共同作用的结果,如果不受地形影响,天气系统降水的降水量等值线在平面上的分布近似为一组同心椭圆.根据这一原理,建立了一种能够模拟天气系统降水分布,并利用牛顿插值法对模拟结果进行地形影响修正的新型降水分布数学模型,提出了对降水中心位置及其中心降水量的模型模拟.利用黄土高原西川河流域实测资料对模型进行了检验,结果表明,该模型具有较高精度.由于模型概念简单明晰,且能指明降水中心位置及其中心降水量,因此在流域暴雨分析和洪水预报中具有一定价值.     

土地覆被变化的水文响应模拟研究

采用近年来快速发展的水文模型模拟的手段,应用SWAT模型模拟了长江上游梭磨河流域不同土地覆被情景下的多年降水径流关系,定量地评估了梭磨河流域的土地覆被变化对径流、蒸发和洪峰流量的影响.结果表明,随着土地覆被状况由无植被到全是有林地覆被,径流深减小,蒸发量增加,枯季径流深减小幅度明显小于雨季的减小幅度,而且雨季初期径流深减小的幅度大于雨季后期.相同的洪水重现期,流域全为有林地覆被的情景比无植被的情景洪峰流量减小31.2%.现状覆被与未来最佳覆被之间在较大洪水上的差别不大,在较小洪水上的差别稍大.     

丘间低地生态过程研究进展

丘间低地是《国际保护日程》所列的重点保护生境,近50年来一直受到生态恢复和生物多样性保护专家的关注.本文从丘间低地植被过程、土壤发育过程、水文过程、尺度对丘间低地生态过程的影响,以及丘间低地生物多样性保护及生态恢复等方面概述了丘间低地生态过程的主要研究内容、趋势和进展.近十几年,丘间低地生态过程研究体现了从单尺度到多尺度或跨尺度、从表征描述到机制探讨、从野外调查到控制试验过渡的趋势.然而,丘间低地生态过程的尺度性仍有待进一步探讨,丘间低地景观格局对生态过程的影响尚不清楚.今后,半干旱内陆地区丘间低地生态过程的研究将趋于增多,干扰生态学和景观生态学的理论和方法将会在丘间低地研究中得到更多应用.     

Biogeochemical and hydrological controls on carbon export from a forested catchment in central Japan

Here we review research on the links between hydrological processes and the biogeochemical environment controlling the dynamics of dissolved organic carbon (DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) in temperate forested catchments. In addition, we present the results of original experiments. The spatial and temporal changes in DIC and DOC concentrations were investigated in tandem with observations of elementary belowground hydrological processes for a forested headwater catchment in central Japan. The soil CO₂ gas concentration, which is the source of DIC, increased with depth. The hydrological characteristics of groundwater also affected the spatial variation of partial pressure of dissolved CO₂ (pCO₂) in groundwater. The temporal variations in the soil CO₂ gas concentration and the pCO₂ values of groundwater suggested that the dynamics of DIC were strongly affected by biological activity. However, the geographical differences in DIC leaching were affected not only by the link between climatological conditions and biological activity, but also by other factors such as geomorphologic conditions. The DOC concentrations decreased with selective removal of hydrophobic acid during vertical infiltration. The major DOC-removal mechanisms were retention of metal-organic complexes to soil solids in the upper mineral soil layer and decomposition of DOC in the lower mineral soil layer. The responses of the DIC and DOC concentrations to changes in discharge during storm events were explained by the spatial variation in the DIC and DOC concentrations. Seasonal variation, which represents a long-term change, in stream water DOC concentrations was affected not only by the temporal variation in DOC concentrations in the topsoil, which may be affected by biological activity, but also by water movement, which transports DOC from the topsoil to stream water. These results indicate that both a biogeochemical approach and a method for evaluating the hydrological effects on carbon dynamics are critical for clarifying the carbon accumulation-and-release processes in forested ecosystems.     

River hydrological seasonality influences life history strategies of tropical riverine fishes

Under a particular set of selective forces, specific combinations of traits (strategies) will be favored in a given population, within the particular constraints of the considered species. For fishes, three demographic strategies have been suggested to result from adaptive responses to environmental predictability (i.e., seasonality): periodic, opportunistic and equilibrium [Winemiller KO, Rose KA (1992) Patterns of life-history diversification in North American fishes: implications for population regulation. Can J Fish Aquat Sci 49:2196–2218]. These strategies optimize fitness within predictable, unpredictable and stable systems, respectively. We tested these predictions of life history trait distribution along a gradient of hydrologic seasonality in West African tropical rivers at the drainage basin scale. We used logistic regression of species presence–absence data to test whether dominant life history traits of species caused community compositional change in response to a gradient of seasonality in hydrologic regime across basins. After accounting for taxonomic relatedness, species body size and statistical redundancy inherent to related traits, we found a higher proportion of species producing a great number of small oocytes, reproducing within a short period of time and presenting a low degree of parental care (the periodic strategy) in highly seasonal drainage basins (e.g., rivers with a short and predictable favorable season). Conversely, in more stable drainage basins (e.g., rivers with a wet season of several months), we observed a greater proportion of species producing small numbers of large oocytes, reproducing within a long period of time and providing parental care to their offspring (the equilibrium strategy). Our results suggest that distributions of tropical freshwater fishes at the drainage basin scale can be partly explained by the match between life history strategies and seasonality gradients in hydrological conditions. Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

生态系统服务竞争与协同研究进展

生态系统服务作为生态系统评估的核心领域,是生态学的研究热点。生态系统提供服务的形式与能力受人类活动强烈影响,反之,生态系统服务的变化又影响着人类相关决策的制定。不同生态系统服务之间很难甚至不可能同时达到利益最大化,即存在着不同程度此消彼长的竞争关系。此外,不同生态系统服务之间也可能形成相互促进或抑制的协同作用。探讨不同生态系统服务的相互关系(竞争与协同作用),有利于揭示不同尺度利益相关方与生态系统服务之间的作用与反馈机制,避免生态系统服务的重复估算;同时可为制定与实施生态补偿、提高人类福祉提供科学依据,优化生态系统服务管理。综合研究了近期国外生态系统服务竞争关系与协同作用的相关文献,在简述当前生态系统服务研究若干问题的基础上,以生态系统服务竞争与协同为视角,厘清了生态系统服务竞争与协同的基本内涵,总结了生态系统服务竞争与协同的主要类型,探讨了生态系统服务竞争与协同的空间与时间尺度效应;介绍并总结了生态系统服务竞争与协同两种主要研究方法(生态-经济综合模型方法、基于土地利用的情景分析法)的特点与适应范围。     

蚧虫化学生态学研究进展

概述了蚧虫性信息素、植物-蚧虫-天敌三者关系中的化学联系研究进展,介绍了蚧虫化学生态学在生物防治上的应用,并探讨了蚧虫化学生态学的发展前景