巢湖流域水生态系统状况变化研究

基于已开展的巢湖流域水域生物资源调查,综合2013、2023年水质、浮游植物、着生藻类、底栖动物和大型水生植物等资料,分析巢湖水域生物环境状况变化。结果表明:经过10年治巢项目的实施,巢湖流域整体水质有了明显改善,以南淝河和十五里河的水质改善最为明显。浮游植物群落组成发生较大变化,蓝藻门密度比由33.33%降为2.76%,硅藻门、金藻门密度比由11.43%、0.83%分别上升为26.62%、1.76%。底栖动物多样性呈上升趋势,耐污类群密度呈下降趋势。着生硅藻多样性指数总体呈增长趋势,优势群类依然主要为双壳缝目、无壳缝目和单壳缝目,大型水生植物群落优势种组成变化相对较小。本研究可为山水工程生态修复效果科学评估和生态修复方案制定提供数据支撑。

1861-2010年巢湖流域气候和生产力要素数据集

巢湖是我国五大湖泊之一,人类活动历史长久,并对流域生态环境和湖泊水体造成了重要影响。尤其近百年在全球变暖背景下,巢湖流域工农业发展和城镇化加剧了流域植被退化,导致了水体富营养化、生态环境破坏等严重环境问题。本研究利用实测和模拟的多源数据,建立了高分辨率、长时段的生态系统气候和植被生长数据集,通过采用薄板光顺样条空间插值方法,以STASH软件为基础开发生物气候软件建立了气候数据,包括1861-2010年的高分辨率气温、降水、日照百分比、最冷月均温、最暖月均温、大于0℃积温和大于5℃积温数据,通过机器学习方法结合NPP算法模块计算得到了相同时期的植被数据,包括植被净初级生产力(NPP)、生态系统净生产力(NEP)和叶面积指数(LAI)数据,并进行了质量控制分析。本数据集为区域潜在植被重建及其植被变迁定量研究提供了模型数据,也为准确地评估气候变化对巢湖流域生态环境的影响提供了基础数据,同时也可以作为工业革命以来中国区域典型流域生态系统数据集建设的参考案例。

巢湖流域土地利用碳排放时空变化及影响因素研究

文章基于夜间灯光数据估测巢湖流域土地利用碳排放量,从县域尺度上分析土地利用碳排放时空分布特征及空间相关性,探究其影响因素作用机理。结果表明:2012—2018年,巢湖流域土地利用特征较为显著,主要以耕地为主,建设用地和林地次之,水域、草地和未利用地较少;2012—2018年,巢湖流域碳源主要集中于合肥市区、肥东县和肥西县,碳汇主要集中于舒城县、巢湖市和庐江县,土地利用净碳排放总体呈增长趋势,且存在着显著的空间正相关关系;区域投资、经济发展、人口规模和土地利用结构对巢湖流域土地利用碳排放都有较大影响,且双因子交互作用均超过单个指标影响。研究结果可为制定合理的区域碳排放优化方案提供参考。

2001—2021年巢湖流域植被覆盖时空变化及驱动分析

基于2001—2021年Landsat遥感数据,研究巢湖流域植被覆盖多年变化,利用时空地理加权模型探讨地形、气候及人类活动的驱动影响。结果表明:(1)流域内平均植被覆盖度0.75,近20 a总体呈增加趋势,增速0.12%/a;2009年前,呈下降趋势,2009年后,呈增加趋势。(2)流域内89.79%的区域植被覆盖度高于0.6,不同土地利用的植被覆盖度为林地>旱作农田>稀疏植被>灌溉农田>城市建成区>湿地,湿地受蓄水排涝功能的影响,植被覆盖度相对较低。(3)近20 a,34.78%的区域植被覆盖度发生变化,以增加趋势为主,面积占比62.73%,集中在合肥市老城区、山区林地、沿江北岸平原地带以及环巢湖湿地区域,政策上的生态环境保护和流域治理对植被覆盖产生正影响成效显著;减少趋势发生在城市外围和部分耕地区域,体现城镇化建设、耕地种植模式等人类活动对植被覆盖的负影响,对于引江济淮(派河—东淝河)段施工沿线和柘皋河流域植被覆盖度减少,应值得关注。(4)2010年前,地形因素的影响逐年降低,气候作用逐年增加,2010年后,地形因素持续增加并成为主要因素。(5)人类活动对植被覆盖的影响程度整体呈增强趋势,生态环境得到改善,增强幅度为0.013%/(10 a)。

基于土地利用方式的巢湖流域氮排放情景模拟

土地利用方式及其转移对区域氮素迁移和水体氮负荷产生重要影响,但量化自然发展、耕地保护和生态保护等多情景下土地利用方式氮排放时空变化特征,揭示流域水体氮负荷对土地利用变化的响应机制仍面临挑战。本研究以巢湖流域为研究区,通过遥感解译多时相土地利用类型数据,借助PLUS和InVEST模型探索不同情景下氮排放对各土地利用类型变化的响应机制。结果表明:(1)2000-2020年期间,巢湖流域建设用地面积的增加(626.14 km^(2))主要占据的是耕地(减少了775.64 km^(2)),城市化建设成为土地利用方式变化的主要驱动力;(2)PLUS模型多情景预测结果显示:2020-2030年间土地利用变化特征与2000-2020年基本保持一致,但各用地间的转换频率降低;(3)经InVEST模拟,耕地面积缩减而导致氮排放的减少量(340.17 t)大于建设用地等面积增加带来的氮排放增加量(170.11 t),使2000-2020年间巢湖流域土地利用所排放的总氮量呈降低趋势,由2000年的4768.04 t降至2020年的4597.98 t;(4)不同情景下,2030年各土地利用方式的氮排放量较2020年均呈降低趋势。其中,生态保护情景既有效地保障了巢湖流域生态功能又展现出较好的氮减排效果(113.36 t);鉴于此,建议流域管理部门应通过合理规划各用地类型的发展,严格控制建设用地对林草地、水域等生态用地的侵占,以期削减流域水体氮负荷、缓解氮素治理压力。

巢湖流域“河流-湖泊”系统沉积物中氮、磷赋存特征的研究

巢湖流域作为一个拥有众多支流的大型流域,形成了典型的“河流-湖泊”系统。采集了巢湖流域中入湖河流及湖泊中表层沉积物,测定了各形态氮、磷含量。结果表明:巢湖流域沉积物中各形态氮依次为有机物与硫化物结合态氮(321.2 mg/kg)>离子交换态氮(191.2 mg/kg)>铁锰氧化态氮(79.6 mg/kg)>碳酸盐结合态氮(43.3 mg/kg),其中季节性变化对离子交换态氮的影响最大;各形态磷依次为铁铝结合态磷(331.3 mg/kg)>钙结合态磷(220.7 mg/kg)>有机磷(186.5 mg/kg),其中季节性变化对铁铝结合态磷的影响最大。综合污染指数评价表明,巢湖流域沉积物中总氮、总磷污染水平分别为轻度、中度。

流域景观格局演变对河流水质的影响——以巢湖流域南淝河为例

景观格局由景观组成、地理特征和景观配置等方面共同组成,流域景观格局演变是河流水质时空变化的重要驱动因素。为探讨景观格局演变对城市地区典型河流水质的定量影响与作用机制,本研究基于巢湖流域南淝河2013年与2023年水质数据和土地利用数据,采用单因素ANOVA检验、层次聚类法探究水质时空变化,通过Bioenv分析、VPA分析等多元统计方法探究在不同时空尺度下景观格局中的各个部分对水质综合营养状态指数(TLI)的解释率以及影响TLI的关键因子。结果表明:2023年南淝河水质优于2013年,总氮、总磷和TLI在2013年显著高于2023年,但不同年份水质的季节差异并不一致。不同时期的调查结果均发现,非汛期景观格局对TLI的解释率高于汛期,1000 m河岸带缓冲区和子流域尺度下景观格局对TLI影响较大。景观组成、地理特征对TLI的独立解释率大于景观配置;景观配置对TLI的影响主要集中在与景观组成、地理特征的联合作用中。在景观组成中,建设用地面积占比、园地面积占比与TLI呈显著正相关,水域面积占比与TLI呈显著负相关。在地理特征中,面积高程积分、地形湿度指数与TLI呈显著负相关。研究认为,未来南淝河流域要限制“源”景观的无序扩张,不可忽视地理特征对河流水质的优化作用,并从景观配置中的“复杂度、破碎度和连通性”等方面着手对城市进行合理规划以辅助改善水质。

巢湖流域不同空间尺度土地利用对河流水体碳氮磷及其化学计量特征的影响

为更好地理解土地利用对水质和化学计量比的影响,本研究采用相关分析和冗余分析,定量探讨了2022年巢湖流域丰水期和平水期多个尺度土地利用与河流水体中总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)浓度及C、N、P元素摩尔比的关系。结果表明:巢湖流域河流水体中的主要污染物是TN,与巢湖及全球尺度地表水平均值相比,其氮磷比(N︰P)偏高。在大部分研究尺度,TN、TP与建设用地占比呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)正相关,与耕地占比无显著相关性,表明建设用地是TN、TP的重要来源。在子流域尺度,N︰P与建设用地占比呈极显著正相关(P<0.01),与耕地占比呈极显著负相关(P<0.01),表明建设用地占比的提升会加剧氮磷不平衡,而耕地占比的提升会缓解这一现象。土地利用对所有指标变异的总解释率在子流域尺度最高,各研究尺度土地利用的总解释率在丰水期更高。本研究结果可为巢湖流域的水质管理和土地利用规划提供理论指导。

基于景观类型及其生态风险评价的巢湖流域生态安全格局优化建议

科学合理地构建生态安全格局是维护区域可持续发展的重要保障。为优化巢湖流域生态安全格局分区,本文以该流域2010年、2016年、2022年3期景观类型遥感数据为基础,通过景观风险评价模型,研究巢湖流域近年来景观生态风险的时空变化,并结合自然本底特征提出了巢湖流域生态安全格局分区优化建议。结果表明:2010~2022年,巢湖流域低风险小流域数量在减少,较低风险小流域数量后期开始增加,中等风险小流域在增加,较高、高风险小流域数量有减少趋势。对比发现,景观生态风险在区域各主要流域内部及主要流域之间差异性较大,但同一流域变化等级未出现越级变化现象,均为相邻等级之间转化,因此,同一主要流域景观生态风险随时间变化特征差异较小。基于巢湖流域自然本底及景观风险时空变化特征,提出了“两区、三廊、四片、两带”流域生态安全格局分区优化建议。

巢湖流域山水林田湖草空间协调性评估

空间协调性评价可为提高国土空间利用效率提供数据支撑。本研究通过筛选符合巢湖流域特征、涵盖山水林田湖草各要素的指标,构建综合评价指标体系,并采用熵值法确定指标权重,基于耦合协调度模型分析2016—2021年巢湖流域三类空间耦合协调的时空分异特征。结果表明:2016—2021年巢湖流域耦合协调度为0.35~0.38,流域内三类空间处于轻度失调状态,三类空间的评价指数总体呈现生态空间指数>农业空间指数>城镇空间指数的特征,生态空间指数在巢湖流域空间协调性评价中的贡献最大;巢湖流域的空间布局呈“总体均衡,局部失衡”的特征,其中,六安市的耦合协调度高于其他4个城市,合肥市的耦合协调度低于其他4个城市,建议合肥市在发展城镇经济的同时,坚持多措并举优化农业结构,继续加大生态环境保护力度。研究结果可为巢湖流域的协调发展提供参考。

巢湖流域氮肥减施下2种控释肥料对水稻产量、氮肥利用率及环境效益的影响

探讨2种控释肥料减氮施用对作物产量与氮素利用率及环境效益的影响,为巢湖流域氮肥减量增效、作物丰产及面源污染防控提供理论依据。于2022年在巢湖流域进行2种新型控释肥料减量施用田间试验,采用两因素随机区组设计,选取无机包裹肥和增效控释肥2种控释肥料,并设置5个施氮水平(不施氮、农户模式施氮量及在农户模式施氮量的基础上减量20%、28%和40%,即施氮量为0 kg/hm^(2)、263 kg/hm^(2)、210 kg/hm^(2)、189 kg/hm^(2)和158 kg/hm^(2))。分析2种控释肥料氮肥减量施用对水稻产量及其构成要素、氮素转运利用及水稻季环境效益的影响。与农户模式相比,减氮20%施用2种新型控释肥料对水稻产量无显著影响,可以实现减氮不减产,且显著降低了水稻季活性氮损失的风险。通过回归分析得出,无机包裹肥和增效控释肥的最佳施氮量为230 kg/hm^(2)和195 kg/hm^(2)。

巢湖流域景观格局和生态风险的时空分异特征

基于地形位梯度深入探究巢湖流域景观生态风险的分布特征,对于制定小流域生态风险规避措施和未来发展策略具有重要意义。采用景观格局指数和生态风险指数来展示研究区内景观格局和生态风险的演变机理,利用地形位指数和分布指数强化地貌描述,开展巢湖流域景观格局和生态风险的时空分异研究。结果表明:巢湖流域以低等级地形为主;在低、中低等级地形区内,人类活动干扰逐步增强,景观不规则程度加深;较低风险等级区对于高等级梯度空间具有更强的适应性,而高风险区域更多地分布于低等级地形位;景观生态风险等级变化中,以稳定型为绝对主导分布。巢湖流域在未来规划中要因地施策,注重水生态环境改善,严守生态红线,并防止过度扩张破坏生态。

基于CiteSpace的巢湖流域农业面源污染研究动态分析

基于巢湖流域农业面源污染防治相关国内外文献,分析该研究领域的动态变化,包括发展过程、研究热点、动态前沿和未来可能的研究方向。以1998—2023年6月中国知网、万方数据、维普网及Web of Science核心合集收录的394篇相关文献为数据源,利用CiteSpace软件绘制巢湖流域农业面源污染研究知识图谱,分析作者、机构、来源期刊分布,从动态视角研究主题的发展过程。结果表明:(1)该研究领域的发展过程可分为4个阶段,发文量与巢湖总氮、总磷变化趋势相关,整体认知水平有待提高。(2)中文文献对该领域的研究热点主要集中在氮磷流失、畜禽养殖、空间分布和对策等方面,英文文献对该领域的研究热点集中在径流、污染物的影响、分析污染物的来源和管理措施等方面,人工湿地对面源污染的研究仍是其空白领域。(3)未来研究的突显方向包括利用“3S”等技术定量刻画污染发生的复杂时空过程,揭示农业面源污染迁移转化的过程机理,预测污染物负荷下水环境的变化;在保证粮食产量的前提下,全过程靶向施肥,精准控肥,减少氮磷流失。巢湖农业面源污染治理是一项长期持续性的工作,需要增加各部门、机构之间的联动协作建立统一的信息数据库,让更多国内外学者了解和参与巢湖治理。

巢湖流域生境质量时空演变特征与多情景模拟研究

运用PLUS模型模拟巢湖流域土地利用变化,耦合InVEST模型探究多情景下生境质量变化规律。结果表明:2000—2020年耕地为建设用地扩张提供贡献度最高。自然发展情景下,耕地、林地减少;经济发展情景下,耕地流失最严重,达410.45 km^(2);绿色发展情景下,林地面积增加。2000—2020年生境质量平均值分别为0.243、0.236、0.231,低质量区是影响生境质量的主要等级类型。各情景下生境质量指数均值为0.228、0.226、0.229,自然发展情景中,较低、低质量区是生境质量恶化的主要区域;经济发展情景下,较低、低质量区转移剧烈;绿色发展情景下,耕地向林地转移是生境质量提升的关键,是最具生境优化潜力的发展情景。

巢湖流域生物多样性评估指标体系构建

生物多样性评价是生物多样性保护与管理的基础。本研究基于压力-状态-响应(PSR)模型框架,构建了14个流域尺度指标以及23个生态系统尺度指标的巢湖流域生物多样性评价指标体系。该指标体系可全面反映生物多样性状态、变化、威胁和决策等综合因素的影响,为评估巢湖流域等长江中下游地区山水林田湖草系统保护修复成效、优化生物多样性保护策略提供指导。评价结果显示:2022年巢湖流域水环境一级保护区内湖泊、湿地生态系统的生物多样性水平均处于较高级别,系统反映了近10年巢湖的综合治理成效。

巢湖流域小城镇面源污染湿地净化技术工程设计及应用

巢湖作为全国水污染重点防治的“三河三湖”之一,城镇面源污染已成为其重要污染源。为治理流域面源污染并优化工程费效比,以槐林镇新建人工湿地为例,提出“前置生态塘+表流人工湿地”组合工艺。通过多水塘活水链技术、地形改造和植物种植等工程措施,构建丰富多样的水生态系统。工程建设有效湿地面积2.2万m^(2),日处理水量2000m^(3),年去除COD总量可达16.6t,NH_(3)-N总量2t,TP总量0.64t,有效截流了初雨,净化石茨河上游来水,削减槐林镇面源污染,改善了入巢湖水质。工程实施实现了生态修复、水质净化和景观效果提升,工程造价优化成效显著。

基于GIS的巢湖流域碳储量及碳汇现状研究

陆地生态系统的碳储量及碳汇研究可为国家实行“双碳”战略提供数据支撑。本文运用InVEST模型与CASA模型分别对巢湖流域的碳储量及固碳速率进行定量研究。结果表明:2022年巢湖流域碳储存总量为3350万t,NPP均值为469 g/(m^(2)·a),NEP均值为348.595 g/(m^(2)·a)。巢湖流域西南区大别山山区碳储量较高,合肥市城区内碳储量较低,该分布规律与巢湖流域固碳速率空间分布大致相似,且秋季固碳速率高于其它3个季度。土地利用类型是影响巢湖流域碳汇能力的重要因素之一,林地是巢湖流域碳密度与碳汇最高的土地类型,退耕还林是增加区域碳汇的重要手段。

环巢湖流域有机肥替代对土壤肥力、氮磷利用率和水稻产量的影响评价

为考察相同磷施用水平下有机肥料部分替代化肥对水稻产量、养分利用情况、氮磷肥效率和土壤肥力的影响,开展了田间小区试验。试验共设置6个处理,分别为不施肥(CK)、常规施肥(CF)以及100%、70%、50%、30%商品有机肥替代化肥(M1、M2、M3、M4)处理。结果表明:M4处理的水稻产量最高,较CF处理的提升了8.18%;M4处理的氮磷肥偏生产力、氮磷肥农学效率、氮磷肥利用率均最大,且随着有机肥替代比例的增大,氮磷肥偏生产力、氮磷肥农学效率、氮磷肥利用率逐渐降低;M1~M4处理的水稻地上部氮素积累量无显著性差异,M2、M3处理的水稻地上部磷素积累量比CF处理的分别提高了37.73%、36.30%;水稻收获后,M1~M4处理的土壤pH和有机质含量随有机肥替代比例的增加而增大。有机肥替代化肥的比例为30%~50%时较合适。

1962—2019年巢湖流域土地利用变化遥感监测及驱动因素分析

为掌握巢湖流域土地利用类型变化及驱动因素,给巢湖流域生态环境保护和产业发展规划提供参考,基于1962—2019年巢湖流域10期遥感影像,解译了耕地、林草及未利用土地、水域、建设用地4种土地利用类型,分析了巢湖流域近60年来土地利用类型变化和转移情况,重点探讨了改革开放后不同年份农业联产承包责任制、城镇化、生态恢复等因素对流域土地利用变化的影响。结果表明:建设用地面积逐年增加,耕地、水域面积逐年减少。城镇扩张、生态恢复、农业开发是影响巢湖流域土地利用变化的3个主要驱动因素。

巢湖流域土壤侵蚀动态变化及驱动分析

基于RUSLE完成巢湖流域2000年、2010年和2022年土壤侵蚀模数计算与强度分级,对侵蚀空间分布及动态变化规律展开分析,借助地理探测器完成侵蚀强度布局成因和格局变化影响因素分析。成果显示:微度和轻度全域面积占比超90%,全域整体处于轻等侵蚀水平,越向西南方向延伸全域土壤侵蚀现象越明显;22年内,微度全域面积占比处于持续升高变化状态增加了2.36%,中度和重度均波动下降了0.32%和0.25%;虽然坡度对侵蚀强度空间布局的形成起主导作用解释力为26.17%,而人类活动才是主导侵蚀强度格局的动态变化的关键因素。对巢湖流域土壤侵蚀的变化规律及驱动因素进行探讨,可助力流域土壤侵蚀综合治理。