三峡库区消落带植被NPP估算——基于机器学习优化CASA模型

三峡库区蓄水后,其生态效应受到广泛关注。消落带植被固碳量作为衡量库区生态系统健康状态的重要指标,对库区碳循环与生态净化具有重要意义。针对消落带不同高程植被接受光照的时间有所差异,且受河流水位变化影响,传统的CASA模型在计算消落带植被固碳量时,存在对植物的光能利用率计算不够精确等问题。以三峡库区香溪河陡坡消落带为研究区域,提出了一种耦合RBFNN模型(Radial Basis Function Neural Network)与CASA模型(Carnegie-Ames-Stanford approach)的新方法(RBF-CASA)。基于RBFNN建立环境影响因子模型,借助高程数据及植被指数等特征计算适合消落带区域的环境影响因子。结合CASA模型中温度和水分胁迫因子,提高植被在像元尺度上的净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)的估算精度,并对反演结果进行验证。模型验证结果显示:RBF-CASA模型估算值与观测值的决定系数(Coefficient of determination,R^(2))为0.730(P<0.01,n=32)。对比原始CASA模型,平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)降低10.991,均方根误差(Root mean square error,RMSE)降低了23.861,相对均方根误差(Relative root mean square error,RRMSE)降低5.10%,平均绝对百分误差(Mean absolute percentage error,MAPE)降低1.12%。使用提出的RBF-CASA模型在库区水位落干期(7—8月份)进行固碳量估算,结果表明:NPP月均值在66.234—134.144g C/m^(2)之间,NPP随着高程的增加呈现起伏变化,其总量在150—155m之间达到峰值,均值在170m以上区域最高。在2021年9月植被NPP均值为35.883g C/m^(2),2022年9月植被NPP均值为25.964g C/m^(2),由于降雨量减少、长江水位下降,在2021—2022年间植被恢复情况较差。研究结果可为库区碳循环、生态净化及生态修复等决策提供科学依据。

三峡库区香溪河消落区土壤重金属生态风险评价

采用原子吸收光谱法测定香溪河消落区(海拔145～≤175 m)及其上缘(海拔>175～185 m)土壤中Pb,Cu,Cd和Cr含量.并用单因子指数法、多因子综合评价法以及Hakanson生态风险指数法评价了土样中重金属综合污染效应.结果表明,消落区上缘土壤各重金属含量明显高于消落区土壤,多因子综合评价结果表明,前者处于重度污染状态,而消落区土壤基本处于轻度污染状态,部分处于安全或警戒线状态;影响香溪河消落区土壤环境的主要重金属污染因子为Cd,Pb和Cr.生态风险评价得出4种重金属的生态风险大小顺序为Cd>Pb>Cr>Cu,生态风险指数(RI)在消落区上缘土壤的平均值为219.85,在消落区土壤为34.32,上缘土壤大部分处于重金属中等或可观级生态风险.可能是由于季节性水淹原因,消落区土壤都处于低等级生态风险.

三峡库区香溪河库湾水体磷含量对消落带土壤铅和镉迁移转化的影响

[目的]明晰磷对干湿交替消落带土壤重金属的形态与释放的影响,对三峡库区土壤重金属防治具有很大的意义。[方法]本文选取三峡库区香溪河库湾内6个采样点,采集水体和消落带及上缘土壤样品,对水体磷和土壤重金属铅(Pb)和镉(Cd)含量进行为期4个季度(2020年6月—2021年3月)的采样监测。依据香溪河水体磷浓度范围,在水体不同外加磷浓度添加下,进行室内干湿交替模拟试验。[结果]香溪河水体总磷含量与土壤的Pb含量呈显著正相关(P<0.05),土壤有效态Pb与有效态Cd含量呈极显著正相关(P<0.01)。干湿交替试验结果显示,随干湿交替次数增加,水体总磷含量也显著增加(P<0.05);在第2次淹水落干期间,水体外加磷浓度≤0.2 mg·L^(−1)时,淹水期土壤总磷含量高于落干期;土壤中的Pb和Cd呈现由迁移性强的可交换态向迁移性弱的残渣态的转变趋势;水体外加低浓度磷(0.05 mg·L^(−1))时,土壤Pb含量均明显降低(P<0.05),土壤Cd含量随水体磷浓度的增加而升高(P<0.05),尤其是Cd的形态变化更加显著且与水体磷含量相关。[结论]干湿交替过程中,磷在水与土壤之间存在迁移转化,水体磷促进土壤Pb向水体迁移,而抑制土壤Cd向水体的迁移。

三峡库区香溪河库湾不同淹没类型土壤对菲的吸附行为研究

为探讨三峡库区消落带不同淹没类型对土壤多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)吸附行为的影响,以长期处于淹没状态的沉积物(145m以下)、周期性淹没-落干状态的消落带土壤(145~175m)以及落干状态的消落带上缘土壤(175m以上)为研究对象,分析了不同淹没类型土壤理化性质的差异,并采用批量平衡法,研究了消落带典型PAHs单体菲在3种不同淹没类型土壤上的吸附行为,最后对土壤理化性质与模型参数进行相关性分析.结果表明,长期处于淹没状态下土壤的pH值、有机碳、有机质、总氮、总磷更高,土壤粉粒占比更多;3种土壤对菲的吸附过程较复杂,由多个吸附过程控制,呈非线性多分子层不均匀吸附的特征,吸附反应是一个自发的放热过程,3种不同淹没状态土壤对菲的吸附速率及吸附能力:沉积物>消落带>消落带上缘;土壤对菲的吸附速率与pH值和粉粒显著正相关(p<0.05);土壤对菲的吸附能力与有机碳和有机质显著正相关(p<0.05),与砂粒呈显著负相关(p<0.05).不同淹没状态下的土壤,由于理化性质的差异,导致其对菲的吸附特征产生显著差异.研究结果对于三峡库区土壤PAHs环境行为的研究以及污染防治具有重要的意义.

春季敏感时期三峡库区典型支流富营养化评价

基于2014年4月对三峡水库库首9条支流水环境监测分析结果,使用改进的综合营养状态指数法对其水体营养化状况进行分析和评价。结果表明：支流水体中的总氮含量范围为0.450-3.208 mg/L;总磷含量范围为0.001-0.329 mg/L;叶绿素浓度范围为0.737-184.610 mg/m3;透明度范围为0.2-4.5 m;高锰酸盐指数范围为1.032-5.451 mg/L,综合营养指数从库区下游到库区上游有递减趋势。

三峡大学求索溪水质监测与评价

为了探明生态湿地在求索溪水体水质净化中的作用，本研究于2012年2月至12月定期现场监测求索溪水体的溶解氧（DO）、温度和透明度（SD）等环境指标及总磷（TP）、总氮（TN）、叶绿素a（Chla）和pH值等水质指标；利用监测分析得到的数据结果，采用修正的营养状态指数（TSI）进行评价．结果表明，求索溪水质全年营养状态指数分布在68—87之间，超出富营养化标准（TSI〉54）；生态湿地对求索溪水体水质有一定净化作用，求索溪水体下游水体比上游的TN和TP浓度明显降低，sD略有降低，Chla和DO浓度明显升高．

基于SDS临界胶束浓度调控BiOBr合成及其光催化降解头孢拉定研究

以十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)为模板剂,采用沉淀法制备了不同胶束浓度条件下的BiOBr光催化剂(SBr-1、SBr-2、SBr-3、SBr-4).通过XRD、SEM、BET表征BiOBr晶体结构、形貌和比表面积,结果表明在SDS为临界胶束浓度(8.0×10^(-3)mol/L)时制备的SBr-2具有较好的结晶度、特殊的形貌和最大的比表面积;运用UV-vis DRS吸收光谱、PL光谱、EIS电化学抗阻谱等表征BiOBr光电特性,结果证明SBr-2具有良好的可见光吸收能力和电子空穴分离效率.在可见光照射(λ≥420 nm)下,选用头孢拉定(cefradine,CFD)为目标污染物研究光催化活性,结果表明SBr-2具有最好的光催化活性,150 min内降解率达到98%.此外,通过自由基捕获试验,发现该光催化过程超氧自由基和空穴为主要活性物种.本研究为表面活性剂调控改善BiOBr结构、形貌和晶相提升其光催化活性提供了理论参考.

基于工程能力过程培养的固体废物填埋知识体系解构

以课程中固体废物填埋处理技术为例,从强化学生工程能力过程培养角度出发,开展知识体系构建和解析研究。开展固体废物填埋处理工程知识体系分解、构建、解析和溯源研究,分析所涉及具体课程、教学内容和对应掌握程度要求,并构建相应逻辑关系。该成果明确了阶段(年级)的考核内容和要求,有助于学生过程学习认知水平和动力、工程实践和创新能力的提高。

三峡水库秭归段消落带植物群落特征及其与环境因子的关系

消落带植被群落特征及物种多样性的研究一直是植物生态学和恢复生态学研究的热点。三峡水库的运行对消落带生态系统造成了极大的影响,如引起绝大部分河岸带土著植物消失、生物多样性降低以及土壤侵蚀严重等一系列生态学问题。研究消落带植物群落特征及其影响机制,旨在丰富消落带新生湿地生态学研究内容,为消落带植被的恢复、湿地保护和管理提供科学依据。通过对三峡水库秭归段香溪河与童庄河陡坡消落带植物群落及其环境因子的实地调查,并结合双向聚类分析及典范对应分析(CCA),研究了三峡水库消落带植物群落特征、物种多样性及其与环境因子之间的关系。结果表明:(1)在三峡水库秭归段消落带共发现维管植物34种,隶属于15科32属,其中菊科(Compositae)和禾本科(Gramineae)种类数较多,为优势物种,植物群落组成以草本植物为主,一年生和多年生草本植物为23种和11种,分别占67.65%和32.35%,一年生植物占绝对优势;(2)随海拔升高,物种数、Shannon多样性指数、Pielou均匀度从低海拔到高海拔随着海拔的增加而升高,而Simpson优势度指数指数从低海拔到高海拔呈下降趋势;(3)双向聚类显示消落带主要包括3种植物群落:狗牙根群落、狗尾草+马唐群落以及鬼针草群落,中低海拔以狗牙根单优群落为主,高海拔为狗尾草、马唐、鬼针草及苍耳等为主的共优群落。CCA结果表明海拔与水淹时间是影响消落带植被群落物种组成的主要因子,TN与TK是影响群落物种分布格局的次要因子,同时消落带土壤贫瘠,受N、K的限制。库区植物群落物种多样性仍在下降,需对植物群落和环境因子进行长期的监测与研究。

钴锌铁氧体改性生物炭对水中结晶紫的吸附性能研究

染料在生产和生活中广泛使用,导致环境中染料污染问题频发,尤其是水体,对生态系统和人体健康带来潜在危害。生物炭具有来源广泛且符合“双碳”的要求,被广泛用于环境污染治理。但由于原始生物炭的吸附能力差,且缺乏选择性。因此,对生物炭改性是最常用的方法。为了提高生物炭对染料结晶紫(CV)的吸附效果,研究以橙子皮为原料,通过共沉淀-热解法制备钴锌铁氧体改性的磁性生物炭(Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)@BC)。采用X射线衍射(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、比表面积及孔径分析仪(BET)、Zeta电位仪对改性前后的生物炭进行详细表征。实验结果表明,改性后产生介孔结构,显著增加了材料的比表面积,而且增加了材料的表面正电荷,提高材料的pH适应性,从而促进生物炭对CV的吸附效果。通过批处理实验考察不同实验条件对Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)@BC吸附CV的影响,并对吸附动力学和吸附等温线进行拟合,发现Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)@BC对CV的吸附性能显著提高,去除率可达到99.64%,相较于单独的BC(41.94%)和Co0.5Zn0.5Fe2O4(26.78%)吸附能力显著增强。一级动力学和Langmuir模型更好地拟合吸附过程和吸附等温线。吸附过程是单层吸附,以物理吸附为主,最大吸附量为227.59 mg/g。Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)@BC在pH 5~11都能有效地吸附CV。常见的共存阴阳离子稍微促进Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_(2)O_(4)@BC对CV的吸附。在自来水和长江水中,吸附效果比纯水中好。这说明该材料具有很好的抗干扰能力。经过5次循环后对CV的去除率仍能达到69.75%。研究为CV污染水体的处理提供一种潜在材料,也为生物炭改性对染料废水的吸附提供一种新思路。

湖北省村镇污水特征与污水处理设计研究

文章选取湖北省宜昌市及周边县市山区、丘陵和平原等典型地貌特征农民居住点为调研对象,通过对分散农户在日常生活产生的黑水和灰水分别进行收集、在采样和水质指标分析的基础上,分别研究了湖北省村镇生活污水中黑水和灰水的水量产生特征、水质分布特征以及各自的主要影响因素。结果表明,黑水和灰水水质影响因素复杂,其中农户生活习惯及与之相关的多种因素的综合影响相对显著;由于农村污水收集及预处理方式不同,导致集中站点进水与农村分散户排水水质间存在显著差异。

水分梯度对麦冬种植土壤碳氮磷生态化学计量的影响

通过麦冬盆栽试验,控制土壤水分(10%、30%、70%、100%,W/W),对麦冬生长特性、土壤碳氮磷生态化学计量特征、磷素形态以及磷酸酶活性等进行测定,并分析各测定参数之间的相关性。结果表明,随着水分含量的增加麦冬种植土壤总有机碳、全氮呈降低趋势,但是全磷含量呈上升趋势,土壤磷素各形态占比对水分梯度响应差异性不明显;土壤C/N、C/P、N/P分别为8.79~10.46、15.95~18.68和1.53~2.15,对水分梯度响应特性不同,均属于弱变异;30%水分处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于其他3种水分处理(P<0.05),可以直接利用磷比例为52.76%,略高于其他水分组;在30%水分组中,麦冬生物量、总根长、叶片全磷含量显著高于其他处理组(P<0.05),根面积、叶绿素含量略高于70%水分组(P>0.05)且显著高于10%和100%水分组(P<0.05),100%水分组麦冬生长被显著抑制。30%水分梯度利于麦冬改善土壤质量,提高麦冬对土壤碳氮磷的利用,增加土壤对氮素的累积,利于其生长。

三峡水库蓄水过程中神农溪库湾营养盐的动态分布

基于2013年9-11月神农溪库湾水动力过程及营养盐变化连续监测数据,研究三峡水库蓄水期干流倒灌这一特殊水动力过程对支流库湾营养盐分布的影响。结果表明:在蓄水过程中,干流水体分别以表层、中层和底层异重流的形式倒灌入神农溪库湾,蓄水第一阶段库湾上游区域的(N/P)介于10到22之间,上游区域暴发水华的风险大于下游;第二阶段库湾中TP浓度由最初的0.056 mg/L上升至0.11 mg/L,TN浓度由1.30 mg/L上升到2.02 mg/L,库湾(N/P)几乎都集中在14到20之间,满足藻类生长的最佳条件,水华暴发风险最大;第三阶段TP由0.11 mg/L降至0.049mg/L,TN由2.02 mg/L降至1.77 mg/L,整个库湾(N/P)>22,此阶段由于磷营养盐的限制,相较于前两个阶段水华暴发的风险明显降低。

三峡库区香溪河消落带及库岸土壤重金属迁移特征及来源分析

在测定香溪河消落带(海拔145~175 m)和库岸(海拔175~185 m)土壤重金属含量的基础上,分析重金属的迁移特征,运用地累积指数进行污染评价,同时采用因子分析-多元线性回归(FA-MLR)分析重金属的来源和各来源的贡献比率.结果表明,2012年落干时段内(6~9月),香溪河库岸上层和下层土壤重金属含量都在减少,消落带重金属含量上层土壤减少,下层土壤增多;库岸重金属向消落带迁移,消落带重金属向下层积累.重金属污染级别是Cd>Pb>Cu>Cr,主要风险元素为Cd,各重金属污染程度评价等级都在中等以下.FA-MLR分析表明,消落带75.60%的Pb来源于交通运输,62.03%的Cd来源于农业,64.71%的Cu和75.36%的Cr来源于天然矿石.在库岸,82.26%的Pb来源于交通运输,68.63%的Cd来源于农业,65.72%的Cu和69.33%的Cr来源于天然矿石.FA-MLR成功地模拟了香溪河消落带和库岸土壤重金属的来源,并给出各来源的贡献率;同时揭示了重金属的迁移特征,能为香溪河流域重金属污染防治提供有益参考.

喜旱莲子草对Pb、Cd胁迫响应的研究

采用营养液培养法,以喜旱莲子草为对象,选择重金属Pb在浓度梯度0,0.1,10,50,100和200 mg/L条件下,Cd在浓度梯度0,0.01,1,10,20和40 mg/L条件下,研究了不同浓度Pb、Cd单一及复合胁迫对喜旱莲子草生长的影响。结果表明,在试验条件下,对单一Pb及Cd对喜旱莲子草生长及生理影响而言,与对照相比,当Pb处理浓度为0.1 mg/L时,植物最高株高和最长根长分别增加了3.8%和15%。随着Pb处理浓度增加到200 mg/L时,植物生长受到明显抑制,茎叶株高呈显著下降。当Cd处理浓度为1 mg/L时,与对照相比,植物最高株高和最长根长分别增加了9.0%和10.0%,随着Cd处理浓度增加（20~40 mg/L）,植物生长受到明显抑制,茎叶株高呈显著下降。随Pb和Cd处理浓度增加,喜旱莲子草叶绿素含量呈下降趋势,POD活性先升后降,MDA含量呈上升趋势,植株体内Pb、Cd积累量呈上升趋势。在研究Pb、Cd对喜旱莲子草生长及生理胁迫的基础上,选择Pb、Cd不同配比浓度,探讨其对喜旱莲子草的复合胁迫作用,研究植物对重金属Pb、Cd富集特性,结果表明,低浓度Pb、Cd处理表现出相互促进吸收富集,高浓度处理表现出相互抑制吸收富集的特性。

圆口铜鱼幼鱼可持续游泳能力及活动代谢研究

以圆口铜鱼（Coreius guichenoti）幼鱼为研究对象,通过自制的鱼类游泳实验装置,测定了4个温度（10,15,20和25℃）下圆口铜鱼幼鱼游泳速度达到临界游速过程中及运动疲劳后耗氧率的变化情况;在自然水温条件下,测定了5个不同流速下的可持续游泳时间,并通过摄像记录分析了不同游泳速度下的游泳行为。结果显示：圆口铜鱼幼鱼在运动疲劳前耗氧率随流速的增加显著上升（P〈0.05）,在临界游速时达到峰值;运动疲劳后耗氧率逐渐下降,40~50 min内耗氧率恢复至低流速时的水平。自然水温（18.0±1.5）℃条件下幼鱼的可持续游泳时间随流速增加逐渐减小（P〈0.01）,在1.31倍临界游速的固定流速下,平均可持续游泳时间达29 min,体现了较强的游泳耐力及无氧代谢能力。录像分析表明,摆尾频率（TBF）与游速的关系呈线性正相关（P〈0.001）,且随着温度升高,TBF随流速增加的趋势越明显。

镉污染环境下中华蚊母树的镉积累与生长及叶绿素荧光动力学响应

以三峡库区优势物种中华蚊母树(Distylium chinense)为试验对象,在其生长土壤中添加不同w(Cd^(2+))(0、2、5、15、30 mg·kg^(-1)),研究植物镉积累、生长高度及叶绿素荧光参数对不同含量镉胁迫的响应。结果表明,中、高含量镉胁迫对植物的生长高度及叶绿素总量具有显著抑制作用;叶绿素荧光参数对植物的耐受性可以进行生理学解释,镉胁迫下植物光反应中心PSⅡ受到可逆性损伤,叶绿素荧光参数Fv/Fm与RET值随胁迫时间先降低后逐渐恢复;添加w(Cd^(2+))为2 mg·kg^(-1)时,根、茎、叶的镉富集系数最大,分别为7.4、8.1和8.2;茎、叶的转移系数最大,分别为1.01和0.94;中华蚊母树具有很强的富集性和转移能力,可以作为镉污染土壤植物修复技术的潜能物种。

湿生植物酸模对重金属富集作用研究

通过野外调查和室内分析实验,研究了宜昌城区10个污灌区自然生长的酸模(Rumex acetosa)和对应根际土壤样品中重金属Pb、Cu、Cr含量及其理化性质。结果表明,在宜昌城区的10个污灌区的酸模根部对重金属Pb、Cu、Cr的富集能力大于茎和叶;氮磷含量较高的土壤吸附重金属Cu的能力较强,在一定程度上保护了植物在重金属Cu污染废弃地的正常生长;土壤中Cu含量的增加,促进了Cu在酸模体内从根部转运到茎和叶,可以通过刈割收获酸模地上部分处理重金属Cu的场地污染;酸模可以作为Cu污染场地的植物修复的备选物种。

羟基自由基引起的脱氧核糖核酸损伤研究

以鲱鱼精脱氧核糖核酸(Herring sperm DNA)为研究对象,利用紫外光(UV,200～275 nm,66.4 Lx)激发纳米TiO2发生光催化作用介导产生羟基自由基(Hydroxyl radical,.OH),探讨.OH引发DNA氧化损伤特性。采用凝胶电泳和高效液相色谱(HPLC)分析法跟踪DNA损伤历程;应用电子自旋共振(Electron spinresonance,ESR)及分光光度法跟踪损伤过程氧化物种及H2O2相对浓度的变化;运用生物标准样8-羟基脱氧鸟苷(8-Hydroxy-2'-deoxyguanosine,8-OHdG)为内标物,通过HPLC分析DNA损伤产物,研究DNA损伤机理。结果表明,较单纯UV辐照或暗光(Dark)催化条件,DNA浓度10 mg/L,TiO2浓度1.5 g/L、pH 7～8,紫外光激发纳米TiO2介导产生.OH引发DNA损伤程度最大;DNA损伤为.OH氧化历程,并伴随有深度氧化过程;DNA结构中鸟嘌呤最易氧化损伤,8-OHdG为DNA氧化损伤中间产物及鸟嘌呤氧化损伤的特异产物。

镉暴露对鲢幼鱼游泳行为影响的研究

为了探讨水体镉(Cd)污染对鱼类的生态毒理效应,在实验室条件下,测定了不同浓度Cd(0、0.36、0.73、1.09和1.46 mg/L)暴露对鲢(Hypophthalmichthys molitrix)幼鱼半致死浓度、组织(肝、鳃、肌肉)Cd累积量、相对临界游泳速度(Ucrit)、以及耗氧率(MO_2)的影响。结果显示:Cd暴露导致重金属在幼鱼组织中累积,与对照组比较,Cd在鳃和肌肉中累积量差异不显著;肝脏中累积量差异显著,暴露浓度为0.73 mg/L时肝脏中镉累积量最高。鲢幼鱼相对临界游泳速度随着Cd暴露增加显著降低,浓度为1.46 mg/L时Ucrit为对照组的69.75%。临界游泳速度与鳃和肌肉组织中镉累积量呈显著负相关,相关系数分别为-0.96(P=0.01)和-0.90(P=0.04)。Cd暴露导致鲢幼鱼耗氧代谢范围增加,暴露浓度为0.73 mg/L时耗氧代谢范围较对照组增加了19.32%。低浓度Cd暴露导致鳃和肌肉损伤,并引起鲢幼鱼游泳过程中耗氧代谢效率降低,有氧运动能力和游泳能力下降。