奎屯河及玛纳斯河流域平原区地下水中氮素对砷迁移富集的影响

研究奎屯河及玛纳斯河流域氮素对地下水中As浓度的影响,可以深入了解研究区高砷地下水的迁移富集机理.通过对奎屯河和玛纳斯河流域的34个地下水样品的采集和测试,分析了研究区地下水的水化学成分以及地下水中硝酸盐、氨氮与砷浓度之间的关系,并探讨了地下水系统中氧化还原环境对砷迁移富集的影响.结果表明,奎屯河和玛纳斯河流域高砷地下水水化学类型分别主要为SO_4·HCO_3-Na和HCO_3·SO_4-Na型.研究区高砷地下水赋存于低Eh和NO_3^-,高NH_4^+/NT、Fe、Mn的还原性环境中,在水平上主要分布于流域的地下水排泄区、湖积平原处,奎屯河流域地下水样中砷浓度都超标且明显高于玛纳斯河流域;在垂直方向上,主要集中在80—200 m.地下水中砷浓度和NO_3^-浓度呈负相关关系,这是因为在由NO_3^-指示的处于氧化环境的地下水系统中,铁锰化合物未被还原,因此其吸附的砷的化合物也没有释放.地下水中砷浓度随着NH_4^+/NT增大而增大,NH_4^+/NT可以指示地下水系统的还原环境的强弱程度,NH_4^+/N_T越大,地下水系统还原环境越强,含砷化合物越容易产生还原性溶解,将其吸附的砷释放到地下水中,且五价砷被还原成三价砷.

玛纳斯河流域植被净初级生产力时空变化及驱动因素分析

【目的】探明新疆玛纳斯河流域植被净初级生产力(NPP)的时空变化规律及其影响因素。【方法】基于MODIS遥感数据以及地形、气象因子和人类活动数据,运用Slope趋势分析、相关分析和地理探测器,分析玛纳斯河流域2001—2021年NPP的时空变化特征及其驱动因素。【结果】2001—2021年,玛纳斯河流域年平均NPP为125.63 g C/(m^(2)·a),2008年最低,为98.80 g C/(m^(2)·a),2016年最高,为163.98 g C/(m^(2)·a),NPP呈年际上升趋势。玛纳斯河流域NPP的空间分布格局呈北部和南部区域低而中部区域高的特征,近63.84%的区域NPP呈增加趋势,其中26.98%的区域NPP显著增加(P<0.05);19.31%的区域NPP显著下降(P<0.05)。NPP随着高程和坡度的增加呈上升趋势,最高值出现在玛纳斯河流域的低山林草区;NPP与气温和降水呈正相关。各因子对NPP的影响程度由高到低依次为高程>土地利用>降水>坡度>GDP>气温>人口密度>夜间灯光,其中高程与土地利用的交互作用对NPP的影响最大。【结论】玛纳斯河流域NPP存在明显的时空分异特征,高程、土地利用以及降水对NPP的时空分布格局具有重要影响。

新疆玛纳斯河流域地下水砷氟碘分布及共富集成因

为了更好地掌握新疆玛纳斯河流域地下水中As、F、I的分布及富集成因,通过相关性分析和地球化学模拟,分析了高As、高F、高I地下水的水化学特征及空间分布状况;结合地质条件和地下水赋存环境进一步阐明地下水As、F和I的来源、迁移与富集的水文地球化学过程.结果表明:地下水砷、氟、碘含量变化范围分别为1.13~41.35µg/L、0.06~8.02mg/L、<0.025~0.249mg/L,地下水As、F、I超标分别为62.9%、45.7%、45.7%,有31.4%的地下水砷氟碘均超标.砷氟碘共富集的地下水主要分布在玛纳斯河流域东部靠近沙漠边缘的平原区,水化学类型主要为HCO_(3)·SO_(4)·Cl-Na型.自山前单一结构潜水区至平原承压水区,地下水As含量沿流向先增大后在沙漠边缘区减小,水平方向上,地下水的淋滤作用导致南部富As岩层中的As向平原承压水区富集,且碱性条件下SO_(4)2-的还原有助于As的解吸附;地下水F含量沿地下水流向逐渐增大,在古尔班通古特沙漠边缘达到2.5mg/L.高HCO_(3)^(-)、高Na^(+)、高pH值的地下水还原环境是F从含水层基质向地下水释放的重要原因;地下水I含量沿地下水流向整体呈上升趋势,在承压水区潜水中主要受蒸发浓缩作用的影响,在承压水中主要受岩石风化作用的影响.砷氟碘共富集地下水主要分布于100~310m的承压水中.在封闭的承压含水层,碱性还原环境下矿物溶解与沉淀和水岩相互作用是地下水砷氟碘共富集的主要机制.

玛纳斯河流域生态系统服务及其权衡关系的驱动因素

为缓解玛纳斯河流域绿洲农业经济发展与生态保护之间的矛盾,本研究以玛纳斯河流域为研究对象,利用InVEST模型量化了碳储量(CS)、产水量(WY)和土壤保持(SR)服务的时空分布特征,并在此基础上分析了生态系统服务(ESs)变化之间的权衡关系,通过MGWR(多尺度地理加权回归)模型揭示了生态系统变化及其权衡与驱动因素之间的空间关系。结果表明:2000—2015年,耕地和建设用地面积分别增加50.81%和91.95%,未利用地和草地面积分别减少16.88%和6.71%;CS和WY分别增加4.76%和37.12%,而SR则减少9.94%;CS、SR与WY之间存在显著的权衡关系,且权衡强度空间异质性明显,南部山区是权衡强度的高值区域;ESs变化及其权衡关系与影响因子之间关系的性质和强度在空间分布上具有异质性,土地利用综合动态度、植被覆盖度和土壤有机碳含量是驱动ESs变化及其权衡关系的主导因子。研究表明,在玛纳斯河流域山区种植草地、绿洲区建立水资源保护区同时加大绿洲农业科技的投入,是促进生态系统服务可持续供给和缓解绿洲农业发展与生态保护之间矛盾的有效途径。

玛纳斯河流域降水泥沙变化特征分析

结合玛纳斯河流域肯斯瓦特水文站1954—2015年降水和泥沙数据,对其近61a降水和泥沙变化特征进行分析。结果表明:肯斯瓦特水文站近61a降水和泥沙总体呈现递减变化,年递减倾向率分别为-15.9mm/10a和-2.47×104t/10a,其中泥沙递减趋势较为明显,人类活动对泥沙递减影响程度较为明显。研究成果对于玛纳斯河流域水文变化特征分析具有重要参考价值。

新疆玛纳斯河流域水资源合理化配置与对策

随着乡村振兴战略的开展及生态文明建设的发展,我国经济发展与布局发生重大改变,在水资源保护与利用方面也提出新要求。文章旨在探究玛纳斯河流域现状的同时优先保护玛纳斯河流域资源,通过健全水资源利用制度体系、合理运用地下水、实行二次供水、保护水资源、加强监管工作等对策,提高水资源利用效率,使水资源得到合理化配置,继而实现玛纳斯河流域的可持续发展。

玛纳斯河流域水文特性及流量分析

玛纳斯河作为新疆的代表性河流,其为流域周边的农业生产以及城市建设等提供了必要的水资源支持。近来的数十年间,水资源调配、地下水开采等活动的开展对玛纳斯河流域的生态造成了不小影响,使得水资源开发与利用变得更为复杂和困难。本文简要介绍了玛纳斯河流域,并着重围绕降水和蒸发、径流变化、历史和趋势分析、含沙量、汛期、结冰期、水能资源、水质、流域流量等,对玛纳斯河流域的水文特性以及流量进行了探讨。

气候变化及人类活动对玛纳斯河流域的径流及干旱影响

根据玛纳斯河流域降水和径流有关资料,需要使用多种方式对玛纳斯河流域径流年际变化趋势进行全面分析,从而可以了解到气候变化、人类活动对玛纳斯河径流变化带来的影响。与此同时,除了能够通过积极探究气候变化、人类活动影响下的流域季节尺度干旱变化,还能够获得最终结果,即流域年径流量提升,而导致这一结果的根本原因就是气候变化,人类活动削弱了流域干旱产生的几率,有效改善了流域干旱情况。

新疆玛纳斯河流域地下水砷氟分布及共富集成因

砷(As)、氟(F)污染水体及其共存问题是环境领域的热点问题,长期暴露其中对公众的身体健康存在巨大威胁。以新疆玛纳斯河流域为研究区,分析高As、高F地下水的水化学及空间分布特征,结合地质条件、赋存环境和人类活动的影响进一步阐明地下水As和F的来源、迁移与富集的水文地球化学过程。结果表明:研究区地下水整体为弱碱性、还原环境的淡水,地下水As、F质量浓度变化范围分别为1.13~41.35μg·L^(-1)、0.06~8.02 mg·L^(-1),高As、高F地下水水样占总水样的62.9%、45.7%,砷氟共富集占总水样的37.1%。砷氟共富集地下水主要分布在平原区北部靠近沙漠边缘,水化学类型主要为HCO_(3)·Cl型和HCO_(3)·SO_(4)·Cl型。研究区南部山区高As、高F岩层是地下水As、F的原生来源,区域地质构造与水文地质条件是影响地下水砷氟富集的重要因素。玛纳斯河流域高As地下水具有高pH值、低γSO_(4)^(2-)/γCl^(-)比、低Eh等特征,说明弱碱性的还原环境有利于地下水中As富集;高F地下水具有高pH值、高HCO_(3)^(-)、高Na^(+)和低Ca^(2+)等特征,说明高Na^(+)和低Ca^(2+)的碱性环境有利于地下水中F富集。

再分析数据在玛纳斯河径流模拟中适用性研究

气象数据是水文过程研究的关键因素,但是因为流域地形复杂,上游没有足够实测数据的气象站点,流域水文过程研究在较大程度上受到了限制。以玛纳斯河流域为研究区,研究对象选取CMFD、ERA5-Land和CFSR 3种再分析数据,构建基于物理过程的SWAT模型和基于数据驱动的AdaBoost模型,验证不同数据集在2种类型水文模型中径流模拟的适用性,选用纳什效率系数(NSE)和决定系数(R^(2))进行定量分析。结果表明:(1)数据集在AdaBoost模型中的表现要好于SWAT模型,各数据集和气象站NSE与R^(2)均有所提升,AdaBoost模型由于对输入数据的限制更少其更适用于资料缺乏地区。(2)验证期ERA5-Land在2种模型中拟合效果均为最好(ERA5-Land+SWAT:NSE=0.83,R^(2)=0.85;ERA5-Land+AdaBoost:NSE=0.87,R^(2)=0.87),再分析数据集ERA5-Land可为西北实测气象资料不足的干旱区径流模拟提供参考。

玛纳斯河流域不同灌区棉田土壤CO_(2)和N_(2)O排放通量

为探究石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区之间土壤温室气体排放的差异性,通过长期的野外观测及样品采集,采用静态箱—气相色谱法,于2019年棉花出苗期、花铃期、吐絮期对玛纳斯河流域石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区棉田土壤温室气体进行日观测,应用统计学方法,并结合土壤温度、含水量、pH、有机碳、铵态氮、硝态氮等因素分析。结果表明:(1)土壤CO_(2)和N_(2)O具有明显的季节变化和日变化,土壤CO_(2)和N_(2)O排放通量的峰值出现在花铃期,分别为527.160,1.713 mg/(m^(2)·h)。同时,CO_(2)排放通量日变化峰值出现在13:00,N_(2)O排放通量日变化峰值出现在17:00,表现为单峰曲线。2种土壤温室气体在生育期内的排放通量在不同灌区之间有所差异,呈现出新湖总场灌区>莫索湾灌区>石河子灌区。(2)土壤CO_(2)和N_(2)O排放通量受温度影响更为显著,土壤CO_(2)和N_(2)O均与温度呈显著正相关。石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区Q 10分别为1.31~1.82,1.40~2.68,1.32~1.92。(3)石河子灌区、新湖总场灌区、莫索湾灌区在棉花生育期碳库储量分别为3.34,2.93,2.8 Tg。

玛纳斯河流域NPP时空变化及其生物多样性维护功能重要性评价

基于植被净初级生产力(NPP)法开展干旱区流域生物多样性维护功能重要性评价可为区域生态安全建设提供科学依据。基于玛纳斯河流域MODIS13Q1数据和环境数据,利用卡内基-艾姆斯-斯坦福方法模型(CASA)估算2001—2020年流域植被NPP,结合地形因子构建流域生物多样性维护功能重要性评价模型,利用地理探测器分析气候、地形、土壤类型等因子对流域NPP的空间异质性影响。研究结果表明:(1)近20年,流域植被NPP均值呈上升趋势,高值集中于山地区低山丘陵带和绿洲区中部,低值区分布于荒漠生态区;(2)从流域不同土地利用类型的NPP均值看,耕地>林地>草地>建设用地>未利用地>水域;(3)流域生物多样性维护功能的一般重要区、中等重要区、重要区和极重要区的数值范围为:0—0.12、0.12—0.22、0.22—0.47和0.47—0.84,分别占流域总面积的20.17%、20.14%、19.91%和19.85%,山地区低山丘陵带和绿洲区中部是流域生物多样性维护功能的极重要区;(4)年平均降水、土壤类型是流域NPP空间分异解释力最强的因子;各因子的影响呈非线性增强及双因子增强作用,年平均降水与海拔的交互作用最强(q=0.44),与年平均太阳总辐射(q=0.42)的交互作用次之。

HBV模型在玛纳斯河流域的适用性

新疆天山北坡山区流域水文气象资料稀缺,融雪径流模拟比较困难。为研究HBV模型在新疆天山北坡玛纳斯河流域径流模拟的适用性,通过分析流域积雪覆盖率与径流的相关性,并基于中国地面降水与气温日值0.5°×0.5°格点数据集,经空间插值得到研究区多年平均降水和气温的空间分布,运用HBV模型模拟了玛纳斯河流域2000—2013年日尺度和月尺度径流过程,与SRM的模拟效果进行对比分析。结果表明:①多年月平均积雪覆盖率与多年月平均流量呈负相关,相关系数R^(2)=0.67,流域内积雪融水对径流的补给作用明显;②数据集经空间插值得到研究区多年平均降水和气温的空间分布能基本反映流域的垂直气候差异性,数据集可作为玛纳斯河流域缺乏气象资料的高山区径流模拟的输入数据;③HBV模型与SRM在玛纳斯河流域日尺度和月尺度的径流模拟效果评价等级均为良好,且HBV模型对洪峰流量模拟效果更好,整体的模拟值与实测值偏差更小,HBV模型在玛纳斯河流域具有较好的适用性。

水资源总量约束条件下玛纳斯河流域绿洲水资源承载力研究

水资源承载力是衡量人水和谐的重要参照目标和尺度之一,分析和研究水资源承载力对指导区域经济社会可持续发展有重大意义。新疆兵团第八师作为天山北坡经济带重要城市,近年来随着区域工农业的发展加之水资源“三条红线”约束下水资源供水量的减少,导致区域用水供需问题日益尖锐。本文采用系统动力学模型与模糊综合评判法相结合,构建了玛纳斯河流域绿洲城市水资源承载力系统动力学模型,基于水资源总量约束设置现状延续型、高效节水型、环境保护型及综合发展型4种情景,对研究区水资源承载力历史状况(2013-2019年)和未来趋势(2020-2030年)进行评估和模拟预测。结果表明:在现状延续型发展下,区域水资源用水总量到2030年将超出水资源用水总量控制指标的50%;在高效节水型和环境保护型情景下,到2030年区域水资源承载值分别达到0.433和0.432,增长幅度较小;在综合发展型情景下,区域水资源承载力显著提高,到2030年增长至0.471,有效兼顾了水资源和环境保护及社会经济发展,为最佳方案。本文研究结果可为西北干旱区绿洲水资源和社会经济的可持续发展提供科学参考。

新疆玛纳斯河流域1961-2020年水文气象要素变化分析

结合新疆玛纳斯河流域5个气象站点的降水、气温、大气压强数据,对其近59年水文气象要是变化进行分析。分析结果表明:流域年气温均值具有明显递增变化,年递增率为2.31℃/10a,年降水总体呈现递减变化趋势,年递减率6.52 mm/10a,降雨递减趋势从东部向西部逐步增加。流域大气压强和气温具有较好的相关性,年相关系数均值可达到0.82以上。玛纳斯河流域湿润指数总体呈现递减变化。研究成果对于玛纳斯河流域气候变化影响分析具有重要参考价值。

玛纳斯河流域草地覆盖度动态变化及影响因素研究

玛纳斯河流域草地覆盖度及其空间异质性的研究,有助于及时掌握干旱半干旱流域草地现状,对进行草地保护、生态恢复及建设具有重要意义。基于流域9类天然草地类型数据,利用2001-2020年MODIS NDVI数据,采用像元二分法模型和趋势分析法分析不同草地类型覆盖度及其动态变化趋势;基于气候、地形、土壤数据,利用地理加权回归模型分析草地覆盖度与自然环境因子的空间异质性。结果表明:(1)近20 a,流域草地覆盖度呈显著增加趋势,年均值为28.78%,增速为0.0032/20 a,高值集中于43.5°N左右的南部山地区,低值集中于北部荒漠区;其中山地草甸覆盖度最高为67.13%,温性荒漠覆盖度最低为23.33%。(2)草地覆盖度提升面积和下降面积分别占流域草地总面积的75.39%与24.31%,其中流域西部的温性荒漠提升面积最广,山地草甸退化最为严重。(3)年平均降水、土壤有机碳含量对草地覆盖度主要为正向影响,年平均气温、海拔变幅、土壤酸碱度、土壤含沙量主要为负向影响。各因子与草地覆盖度的互作表现出明显的空间差异性,在流域北部草地覆盖度受降水和海拔变幅控制作用较为显著,中部主要受气温、降水影响,而南部主要受气温、降水和土壤含沙量的影响。

近50a土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响——以新疆玛纳斯河流域为例

土地利用变化与景观格局间的相互作用机制是全球环境变化的研究焦点。大规模土地开发导致的土地利用变化及其对景观格局影响的定量评估对区域土地资源可持续利用具有重要意义。评价长时间尺度土地利用变化对干旱区典型流域景观格局的影响,以期为经济发展与生态环境保护政策的制定提供有益信息。选择的研究区新疆玛纳斯河流域是中国西北干旱区水土开发的典型代表区域。以1962年地形图,1976、1989、1999和2008年遥感影像为基础数据源,利用数学模型和景观格局指数重建土地利用和景观格局变化过程,并探讨了土地利用变化对流域景观格局的影响。结果表明:(1)近50a玛纳斯河流域土地利用变化剧烈,耕地和建设用地"涨势"显著,未利用地和林地"落势"较明显,草地和水域先"涨"后"落",土地利用变化整体处于不平衡态,单向转换频繁。(2)研究区景观破碎度和多样性增加,优势度减小,各景观类型间差异缩小,异质性程度和景观结构复杂性加大。(3)土地利用变化改变了流域景观格局,导致景观结构趋于多样化、均匀化和破碎化。最后,提出通过发展大规模集约化农业降低土地利用变化引起景观格局负面生态效应的观点。

新疆玛纳斯河流域不同地貌类型土壤盐分累积变化

为详细分析干旱荒漠区土壤盐分长期累积变化的区域差异,以玛纳斯河流域为例,选择冲积洪积扇、冲积平原和干三角洲3种主要地貌类型,通过取样、典型调查等方法讨论其土壤盐分变化情况,结果表明:位于山前冲洪积扇缘以上部位是最稳定的地区,地下水位低,基本不存在盐碱化问题。相比之下,冲积洪积扇缘部分地区由于普遍较高的地下水位和地下水矿化度,短期内仍将处于持续积盐状态。冲积平原部位表土虽明显脱盐,但由于底土含盐量高,且部分地段地下潜水埋深上升至临界深度以下,仍处于脱盐不稳定或脱盐积盐反复型状态。干三角洲部位经过多年的开垦,地下水位出现上升,随着深层盐分上移,也将导致土壤盐渍化发生。分析认为冲洪积扇缘、冲积平原和干三角洲部位部分地区将来土壤盐渍化威胁依然很大。该研究将为区域土壤盐渍化治理提供依据。

新疆玛纳斯河流域2000—2010年土地利用/覆盖变化及影响因素

在2000年和2010年两期遥感影像解译的基础上,从土地利用类型的结构、变化速率、变化方向及土地利用程度等方面分析了玛纳斯河流域土地利用的变化特征,并分析了影响土地利用变化的主要因素及不同因素之间的交互作用。结果表明:(1)近10年来,流域土地利用程度增强,人工绿洲呈扩张趋势,耕地和城乡工矿居民用地大量增加,林地和未利用地减少;上游地区草地和冰川积雪覆盖地面积增加。(2)耕地向内部外部双向扩张,主要来源于林地、荒漠和盐碱地;新增草地以山地裸地和山前荒漠的转变为主;林地主要转变为中游的耕地和城乡工矿居民用地及上游的草地和裸地;城乡工矿居民用地的增加主要来自荒漠、耕地和林地;未利用地变化以向人工绿洲土地类型的转变为主。(3)上游土地利用变化主要受气候变化的影响,降水量增加可能是冰川积雪面积扩张的主要原因;中游人类活动密集,耕地和城乡工矿居民用地扩张,荒漠植被退化;下游受气候和人类活动共同作用,尾闾湖泊萎缩,河岸和湖周植被退化。

玛纳斯河流域扇缘带不同植被类型下土壤物理性质

对生长在玛纳斯河流域扇缘带上的柽柳、盐穗木、白刺、猪毛菜4种植被类型下的土壤物理性质进行了研究。结果表明:在水平方向上,1m剖面内柽柳土壤pH值、全盐含量、土壤容重最小,分别为8.75、0.97g/kg和1.42g/cm3;土壤有机质、含水率、总孔隙度、毛管孔隙度均最大,分别为9.04 g/kg、16.67%、45.57%和36.18%,表明柽柳能够显著降低土壤盐分,改善土壤结构。沿垂直剖面,4种植被类型在表层0—20 cm土壤盐分均达到最高,出现盐分"表聚"现象而形成"盐霜";随着土层深度增加,含水率和土壤容重均呈显著性升高,土壤有机质、田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度均呈显著性降低(P<0.05)。相关性分析显示,土壤有机质是引起其他土壤物理性质变化的主要原因。相比空裸地,4种植被覆盖类型1 m剖面内土壤有机质、总孔隙度和毛管孔隙度均呈显著性提高,土壤容重显著性降低,有机质分别提高了162.94%、82.94%、85.59%和27.94%,总孔隙度分别提高了44.90%、20.83%、36.06%和15.80%,毛管孔隙度分别提高了58.27%、30.71%、43.48%和25.72%,土壤容重分别降低了18.86%、10.86%、17.14%和7.43%,表明干旱荒漠区盐碱土上生长的不同盐生植物能够显著改善土壤质量。