基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计探索

近年,水生态景观的建设性破坏现象与问题层出不穷。如何协调水生态景观复杂系统中并存的水利安全、生态安全和景观需求引发了业界的广泛思考。从水环境特点及其评价因子入手,提出基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计方法。该方法能够借助计算机模拟技术建立起水景观物理形态与其内在生态特征的动态关系,并通过设计—分析—评价—再设计的循环设计路径,实现多方案比选,提高水生态景观规划设计的科学性和合理性,并进一步促进其多目标融合。结合2个实践案例,对基于数值模拟仿真技术的水生态景观规划设计原理、流程和工具予以阐释,为水生态景观规划设计提供了新思路。     

基于附石藻类生物完整性指数对汝溪河水生态系统健康的评价

以三峡库区支流-汝溪河自然河段为研究区域,调查了自然河段内9个样点的附石藻类群落和水环境理化特征,并在此基础上应用生物完整性评价指数（Index of Biotic Integrity,IBI）,对汝溪河水生态系统进行健康评价。结果表明,汝溪河自然河段附石藻类群落结构具有明显的空间和时间异质性,驱动附石藻类群落结构形成的水环境因子为电导率、浊度、硝态氮和溶解氧。IBI结果表明,上游生物完整性较高;中下游和下游生物完整性较差;枯水期生物完整性较高,而平水期和丰水期生物完整性较低。由此可见,汝溪河自然河段生物完整性一般,表明汝溪河水生态系统已处于亚健康程度。     

巢湖流域生态安全评价研究

目前,巢湖流域的生态安全问题非常突出,已严重影响流域社会经济的可持续发展。基于巢湖流域社会经济、水体环境质量及水生生态系统的数据资料,应用驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)模型,提出了基于水环境和水生态的巢湖流域生态安全评价框架模型和指标体系,并采用熵权物元模糊评价法进行巢湖流域生态安全评价研究。研究结果表明,2003和2007年巢湖流域整体处于生态安全中度风险状态,水体环境质量的变化和水生生态系统的演替将严重威胁巢湖流域的生态安全,水体中的TP浓度、NH-N浓度以及TN浓度是决定巢湖流域生态安全的最关键因子。     

太湖流域圩区水生态系统服务功能价值

以遥感图像、气象水文资料和实地水生态状况调查数据为基础,利用构建的评价指标体系对太湖流域圩区的水生态系统服务功能进行了评价,并分析其空间差异性。结果表明:太湖流域的圩区水生态系统服务功能价值为325.93×108元,以对生态系统的调节、维持功能等间接使用价值为主,是直接使用价值的6.18倍。主要受水域分布面积大小的影响,圩区水生态系统服务功能价值总量呈现出杭嘉湖区阳澄淀泖区湖西区浙西区武澄锡虞区浦西区太湖区浦东区的特点。太湖流域单位面积圩区水生态系统服务功能的平均价值为22.73元m-2a-1,整体表现为南高北低,西高东低的空间分布格局。     

水环境中工程纳米颗粒物的生态毒理学机理及理想模式生物的筛选

随着纳米技术产业的高速发展,大量工程纳米颗粒物(Engineering nano-particles,ENPs)被排放到自然水环境中,因此对其进行生态毒性及环境风险的研究尤为迫切。综述了ENPs在水环境中的毒理学机理及理想模式生物筛选的研究进展。目前的研究表明ENPs的毒性作用机制主要包括两方面:一是影响细胞信号通路,二是氧化应激造成基因表达的变化。此外,光催化活性、细胞表面附着、溶解特性、表面特征、赋存形态、溶剂效应及与其他环境污染物的协同作用也是可能的毒性作用机理。模式生物的筛选与确定在纳米生态毒理学研究中极为重要。鱼类作为水环境中普遍存在的脊椎动物,群落庞大,其具有行为端点敏感性高、且在生物毒性实验中存在明显的量效关系等特征,被认为是研究ENPs生态毒理学最适合的水生模式生物。研究表明针对在ENPs影响下的未成年鱼类的行为特征研究比传统的胚胎发育及致死率研究更为有效。无脊椎动物和浮游植物同样在各种水环境中普遍存在,对环境污染物极为敏感,且对有害物质具有显著的富集放大效应,因此作为模式生物也具有一定的优势。     

北京松山自然保护区蒙古栎林的空间结构特征

以松山自然保护区面积为0.6 hm²样地的调查数据为基础,利用角尺度、大小比数和混交度3个林分空间结构参数,分析了蒙古栎天然林的空间结构特征.结果表明：蒙古栎林乔木层共有10个种群,蒙古栎种群密度和断面积占有明显优势,是乔木层的优势种和建群种;蒙古栎林平均混交度为0.299,林分混交程度低,优势种以零度混交和弱度混交为主,伴生种的混交状况普遍较好;蒙古栎和油松种群在空间结构单元中以优势木、亚优势木和中庸木为主,分别占种群总株数的68%和58%,其他种群的树种优势度不明显,多为被压木;该林分的空间分布格局为聚集分布,但林木聚集程度和聚集规模较低.     

基于水生态因子的沼泽安全阈值研究——以三江平原沼泽为例

在分析沼泽的蒸发,蒸腾,降雨,产流等水循环节和沼泽水量的季节动态基础上,利用系统动力学原理和方法对沼泽湿地蓄水量进行动态仿真,以预测沼泽蓄水量的动态变化;通过对比研究,分析沼泽的冷湿效应及其与治泽面积消长的相互关系,建立相关的统计模型;再通过植物生长的现场实验,研究沼泽代表植物对水分条件的依赖性,找出沼泽最小生态需水量临界;最后以沼泽最小生态需水量临界值为依据,结合统计模型和沼泽蓄水量动态仿真手段,计算沼泽的安全阈值,对三江平原沼泽湿地的案例分析验证了该方法的可行性。     

氮肥运筹对稻茬冬小麦土壤无机氮时空分布及氮肥利用的影响

以宁麦9号和豫麦34号为材料,研究了氮肥基追比对土壤无机氮时空变化、氮素表观盈亏和氮肥利用率的影响。结果表明,施用基肥提高了越冬期0-60 cm土层NO3--N和NH4+-N含量,拔节期追肥对孕穗期各土层无机氮含量无显著影响,追施孕穗肥显著提高了开花期0-60 cm土层硝态氮含量和0-20 cm土层铵态氮含量。不施氮处理各生育阶段均表现为氮素亏缺,施氮处理氮素盈亏呈明显的阶段性,播种至孕穗阶段出现氮素盈余,孕穗至成熟阶段出现氮素亏缺;全生育期氮素表观盈余量两品种平均以5∶5处理最低,7∶3处理最高。两品种氮肥农学效率、氮肥表观回收率和产量均随基肥比例的增加呈先增后降的趋势,均以5∶5处理最高。因此,在小麦生产中应适当减少基施氮肥用量,在小麦拔节孕穗期适当增加追肥比例有利于提高产量和氮肥利用效率,并降低土壤氮素损失。     

中国水生态足迹广度、深度评价及空间格局

运用生态足迹方法对水资源进行流量资本和存量资本区分,测算分析了中国31个省市1997—2014年的水生态足迹广度与深度。结果显示:(1)中国的水生态足迹广度受年际水资源量丰枯影响,总体呈波动趋势;各省市的水生态足迹广度存在着明显差异,南方地区水生态足迹广度普遍大于北方地区;(2)研究期内,中国的水生态足迹深度只有1998年为1,其余年份的水资源流量资本已不能满足人类生产生活的需求,需要消耗水资源存量资本;各省市之间水生态足迹深度相差较大,整体上北方高南方低,其中14个省份18年的平均水生态足迹深度为1,平均水生态足迹深度最高的地区是宁夏的308.12;(3)运用空间自相关方法对31个省市的水生态足迹广度和深度进行分析得出,中国省际水生态足迹广度与深度均存在明显的空间集聚现象。水生态足迹广度H-H集聚地区主要集中在中国南方地区,水生态足迹深度H-H集聚地区主要集中在中国北方地区。通过对全国水生态足迹广度与深度的测度分析为水生态足迹分析提供新的研究方法,同时也为区域水资源可持续利用提供理论依据。     

基于物种敏感性分布的微囊藻毒素与氮污染水体生态风险评估

应用物种敏感性分布(SSD)方法,可正向和反向评估物种的生态风险及确定保护物种的污染物浓度阈值,为水体生态风险管理提供依据.本文通过采集淡水生物毒性数据,构建SSD方程,在95%物种保护基础上评估微囊藻毒素、氨氮和亚硝态氮对淡水生物的生态风险浓度阈值(HC₅)和复合生态风险,以及不同暴露浓度下的潜在影响比例(PAF).结果表明: 微囊藻毒素对淡水生物的HC₅值为19.22 μg·L^-1,其水生态风险高于氨氮(HC₅ 6583.94 μg·L^-1)和亚硝态氮(HC₅ 334.33 μg·L^-1).不同类别生物对微囊藻毒素和氨氮、亚硝态氮的敏感性随暴露浓度不同存在差异.当微囊藻毒素与亚硝态氮的浓度低于临界浓度125.04、2989.40 μg·L^-1时,甲壳类对微囊藻毒素敏感性高于鱼类,对亚硝态氮敏感性则低于鱼类,而高于临界值其物种敏感性呈相反效应,但氨氮所引起的物种敏感性差异不显著.在代表性水体中,复合生态风险高于单一污染风险,微囊藻毒素、氨氮、亚硝态氮对全部物种的复合潜在影响比例msPAF为2.6%～5.6%,且太湖和红枫湖已超过HC₅生态风险阈值.