流域-河口-近海系统氮、磷营养盐输移研究综述

综述了流域-河口-近海系统氮、磷营养盐的主要来源、营养盐输移的影响因素等方面的研究,介绍了当前营养盐输移研究的主要方法,并概括了氮、磷营养盐在流域-河口-近海系统的整体性研究。在此基础上,提出了该领域研究存在的主要问题及未来展望,强调了将流域、河口与近海系统作为一个整体,并充分发挥分布式模型的优势开展营养盐输移研究的重要性。

流域-河口-近海系统氮、磷营养盐输移研究概述

随着社会经济的快速发展,在能源与资源方面也出现了很大的消耗,使得人们越来越重视生态环境。在生态环境中,水体环境是一种较为重要组成部分,受到了人们的广泛关注。水体是一种动态的资源,其中蕴含的一些营养盐也会随之输移。本文主要对流域-河口-近海系统中影响氮、磷营养盐输移的因素进行分析,阐述研究氮、磷营养盐输移的方式,对流域-河口-近海系统整体性进行研究。

黄河流域九省区水-土-能-碳关联系统网络特征

基于区域环境扩展型投入产出模型,对黄河流域水-土-能-碳资源消耗及足迹流动、区域资源及碳排放流通状况、水-土-能-碳网络特征进行了模拟分析。结果表明:2017年黄河流域九省区水资源消耗总量为1 073.69亿m^(3),占用土地面积为266.69万km^(2),能源消耗为6.95亿t(标准煤),碳排放量为31.57亿t。在流域内部足迹流动中,河南水、土、能、碳足迹均最大,综合循环利用率最高;宁夏是最大的虚拟水资源供应地;山西能、碳足迹调出量最大;山东土地足迹循环利用率最高;青海是主要的水、土、能资源供应地,四川承接了黄河流域19.3亿t碳足迹。黄河流域水-土-能-碳关联系统的生态关系主要以竞争关系为主,控制、掠夺关系占比较小,无互利共生关系;水-土-能-碳关联系统的生态关系处于高冗余、低效率状态,能源网络的效率最高。

黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全时空特征及驱动因素

水、能源、粮食是实现黄河流域国家战略的关键要素与有力支撑。在分析水-能源-粮食关联系统协同安全机理的基础上构建协同安全度评价指标体系,基于2000-2019年黄河流域85个地级市面板数据,采用改进的耦合协调度模型测度水-能源-粮食关联系统的协同安全度,利用核密度函数、空间计量模型探讨其时空特征及影响因素。结果表明:①2000-2019年黄河流域水-能源-粮食关联系统综合安全水平总体表现为上升态势,空间上整体呈现从东向西递减的态势;②研究期内黄河流域水-能源-粮食关联系统协同安全度的空间差异变化较明显,空间格局由研究初期“下游>上游>中游”向研究末期“下游>中游>上游”演变;③社会发展水平、教育状况、创新投入水平和投资水平对协同安全度产生正向影响,经济运行水平、贸易水平和环境污染程度则产生负向影响。

黄河流域水-能源-粮食纽带系统效率研究

为了促进黄河流域高质量发展,考察黄河流域水-能源-粮食(W-E-F)纽带系统效率及其影响因素,并从中探寻提高系统效率的途径。首先借助三阶段DEA模型测算2005—2021年黄河流域及各省(区)W-E-F纽带系统效率,其次对黄河流域整体及各省(区)效率测算结果进行时空分析,最后使用双向固定效应模型实证考察W-E-F纽带系统效率的影响因素。研究表明:1)黄河流域整体W-E-F纽带系统效率呈现波动上升趋势,并呈现上、中、下游效率依次上升的空间分布格局;2)黄河流域各省(区)具备一定的资源配置能力,第三阶段规模效率有所下降;3)粮食安全、能源安全、环保支出、研发投入以及人均GDP都对W-E-F纽带系统效率起到显著的正向促进作用。

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。

黄河流域九省(区)人口-水资源-经济-生态环境系统耦合协调发展及障碍因素分析

黄河流域九省(区)人口扩张和经济发展带来一系列资源和环境问题,亟待探究其人口-水资源-经济-生态环境(PWEE)系统耦合协调关系,促进黄河流域高质量发展。针对黄河流域九省(区)构建了PWEE系统耦合协调发展评价指标体系,采用熵权法、耦合协调度模型和障碍度模型,对2008—2020年黄河流域九省(区)PWEE系统综合发展水平、耦合协调状态和障碍因素进行分析。结果表明:黄河流域九省(区)PWEE系统及其各子系统综合发展水平呈上升趋势,耦合协调度从2008年的0.56上升至2020年的0.69,由勉强协调进入初级协调阶段,水资源子系统一直是影响九省(区)PWEE系统协调发展的限制因素,其平均障碍度从2008年的49.05%增加至2020年的55.48%,人均水资源量为主要障碍因子。

黄河流域水-能源-生态系统协同增效战略体系构建研究

黄河流域生态保护和高质量发展国家重大战略加快推进实施,流域水资源、能源、生态安全作为战略实施的核心要素、基础动力和约束性要求,三者形成互为基础、相互依存、彼此促进的有机整体.本文构建了水-能源-生态系统协同增效概念模型,评估了黄河流域水资源承载、生态系统质量、碳排放并揭示了其驱动因素,系统分析了黄河流域水-能源-生态系统之间的纽带关系,构建了黄河流域水-能源-生态系统协同增效战略体系.结果表明:(1)2021年黄河流域水资源严重超载,除青海省和四川省以外,其他7个省区水资源开发潜力很小;同时流域生态系统敏感脆弱、生态系统服务功能重要,极度、重度敏感区域面积占比共计52%,生态系统服务功能极重要、较重要区域面积占比共计63.2%.2005-2021年黄河流域CO_(2)排放量上升,但排放强度总体下降,青海省、甘肃省和山西省CO_(2)排放强度下降明显.(2)自然生态本底脆弱、天然河川径流量减少、供水量平稳但耗水量增加、用水结构不合理、上游用水效率不高、以煤为主的能源消费结构是导致黄河流域生态系统敏感、水资源超载、碳排放量增加的主要驱动因素.(3)黄河流域水-能源-生态系统相互依存、相互影响,具体表现在流域水量减少直接影响生态系统质量,干流人工化导致河流生态系统受损,水资源过度开发利用引发生态环境问题,忽略水资源承载的生态治理引发新问题,煤炭开采加剧水资源短缺造成生态恶化,能源利用效率较低不利于污染物和CO_(2)协同减排等方面.基于以上分析,提出以“刚性约束”为核心综合调控水资源、以“以水定绿”为核心实施一体保护修复、以“清洁低碳”为核心加快能源多元转型、以“联动增效”为核心推进流域协同治理、以“工程引领”为核心推动协同目标实现等对策措施.

海河流域水-能-碳系统耦合协调发展及驱动因素研究

水、能资源短缺及碳排放超标是制约区域经济转型升级和生态文明建设的主要障碍,探究水-能-碳系统耦合关系是实现区域绿色低碳发展的重要基础。以海河流域水-能-碳系统为核心,基于组合赋权法和综合分析法,构建流域水-能-碳系统综合评价体系,利用耦合协调度、障碍度和地理探测器模型,探究2000—2021年海河流域水-能-碳系统耦合协调时空演变特征及驱动因素。结果表明:①海河流域水-能-碳系统的综合发展水平总体上呈上升态势,碳排放系统处于最高位水平,评价指数多年平均值为0.45。②海河流域水-能-碳系统的耦合协调度总体上呈现平稳发展特征,发展水平由濒临失调过渡到中级协调阶段。③地表水资源量、污水处理能力、经济发展水平、产业结构、政府调控能力和居民生活水平是制约水-能-碳系统发展最大的障碍因子和外部驱动因素。研究结果可为促进海河流域经济社会全面绿色转型和可持续发展提供理论支撑。

基于生态系统服务价值的浑河-太子河流域生态承载力分析

探究流域生态承载力变化是协调人类活动与资源压力、经济增长与生态保护、人地和谐与可持续发展的关键,可为城市群流域生态系统服务与生物资源生态承载力评估提供参考。基于遥感和统计数据,分析了辽宁中部城市群所在的浑河-太子河流域1990-2018年长时间序列的土地利用变化,并以居民消费指数(CPI)和粮食产量修正的生态系统服务价值当量为基础,以生态足迹模型为框架,研究浑太流域生态服务价值与具有生态服务功能的森林、草地、农田、水生态系统的生物资源生态承载力变化。结果显示,林地和耕地为浑河-太子河流域主要用地类型,二者主要呈东西分布,1990-2018年建设用地增加最多,面积达11.97×10^(4)hm^(2),主要由耕地和林地转入。浑太流域1990年、2000年、2010年、2018年的生态系统服务价值(ESV)分别为1117.04×10^(8)、653.35×10^(8)、1182.83×10^(8)、1215.34×10^(8)元,1990-2000年ESV总值下降最明显,达到了41.51%,2000-2010年涨幅最高,为81.05%,1990-2018年涨幅为8.80%,调节服务为流域主导功能。浑太流域生物资源生态承载力空间上大体呈东高西低分布,低值区域主要出现在城市群主城区;时间上总体稳定,1990年生物资源生态承载力最强,为281.20×10^(4) ghm^(2),生态赤字仅出现在2000年。研究表明,浑河-太子河流域生态系统服务功能对区域生态稳定有重要作用。

黄河流域水资源-生态-社会系统耦合协调分析

充分认识水资源-生态-社会系统的耦合协调状态,对缓解黄河流域水资源和生态压力、实现流域可持续发展具有重要意义。选取2006—2021年黄河流域九省(区)的面板数据,基于压力-状态-响应理论(PSR)确定各子系统的评价指标,采用主成分分析法、耦合协调度模型分析水资源-生态-社会系统耦合协调状态及其时空变化特征,并利用GM(1,1)灰色预测模型进行协调度预测。结果表明:1)黄河流域水资源-生态-社会系统综合评价指数整体呈上升趋势,各省(区)历年水资源子系统综合评价指数波动较大但整体向好,大多省(区)生态子系统发展情况较好,社会子系统发展在经济和人口大省有较大优势;2)各省(区)的水资源-生态-社会系统耦合协调度在研究期内均逐步上升,但各省(区)发展差距较大,2021年内蒙古和四川已达到良好协调,而宁夏刚迈入中级协调;3)预测显示,2022—2025年黄河流域整体水资源-生态-社会系统耦合协调度会继续上升至0.798,接近良好协调。

基于驱动力-压力-状态-响应模型的黄河流域甘肃段生态系统健康评价

基于驱动力-压力-状态-响应(DPSR)模型和熵权-变异系数综合赋权法对2010—2020年黄河流域甘肃段57个区(县)生态系统健康进行评价,分析各流域及各区(县)生态系统健康等级时空演变及障碍因子,有助于发现生态系统问题并提出合理的管理恢复策略。结果表明,2010—2020年黄河流域甘肃段生态系统健康状况整体显著提升,2013—2016年生态系统健康状况较差,2016年后健康状况得到明显改善。黄河干流流域1健康程度较高且健康值变化幅度最大,洮河流域健康状况改善较大,其余流域健康程度低且健康值涨幅较小。在整体准则层层面,黄河流域甘肃段驱动力、压力指数波动增长,状态与响应指数持续上升,表明2010—2020年黄河流域甘肃段生态系统健康状况得到稳定改善。人口增长、人均水资源量、建设用地比例和工业固体废物综合利用率等是影响黄河流域甘肃段生态系统健康等级变化的主要因素。优化土地利用、促进人口均衡分布、推动水资源均衡分配以及加强生态环境保护与修复是促进黄河流域甘肃段绿色发展与生态屏障建设的有效措施。

南渡河流域农田土壤-水稻系统硒与镉富集特征及其相互关系

测定南渡河流域农田表土和水稻共80份样品的硒(Se)和镉(Cd)含量,采用生物富集系数分析土壤-水稻系统中Se与Cd的富集特征,并结合Pearson系数分析表土与稻米Se含量、Cd含量、pH以及有机碳含量的相互关系。结果表明,研究区农田土壤达到了足硒-富硒标准,且有40%稻米样品达到富Se大米标准;土壤中Cd含量均未超出国家农用地土壤污染风险筛选值(0.300 mg/kg),稻米Cd含量均小于食品安全国家标准限值(0.200 mg/kg),未发现有Cd污染。研究区土壤-水稻系统中Se含量呈正态分布,有明显的分段现象;Cd含量受外源干扰强,空间分布较不均衡。Se与Cd在水稻中都达到中等富集,其中稻米对Cd的富集能力强于对Se的富集能力。研究区的富Se土壤与当地酸性土壤环境以及高有机碳含量有着密切联系。综上,南渡河流域农田土壤Se资源丰富,不存在“富硒镉米”现象,可加以开发利用生产绿色富Se农产品。

长江流域水资源-经济-生态系统的耦合协调及影响因素研究

长江流域水资源、经济与生态之间协调发展有待提高,亟待探索水资源、经济与生态之间的协调关系及其影响因素,助力长江流域可持续发展。以2011—2020年长江干流10省市为研究对象,首先建立水资源-经济-生态(water-economy-ecology,WEE)系统耦合协调度模型;其次利用趋势面映射耦合协调度全域分布,并探究长江流域耦合协调度发展的局部特征;再利用空间自相关分析,解析耦合协调度全局和局部相关性;最后采用因子探测器,探究耦合协调度的影响因素。结果表明:长江流域水资源子系统、经济子系统、生态子系统两两之间的耦合协调度逐年上升,但上升趋势存在显著差异;WEE系统耦合协调度全域呈现“U”型变化的态势,局部表现为“中游<上游<下游”;WEE系统耦合协调度空间集聚水平不断提高,局部空间相关性逐年向好;WEE系统耦合协调度主要影响因素可概括为水资源开发利用、水资源条件、经济发展水平、城镇化水平、污染排放及治理。长江流域未来可依据耦合协调度分布及影响因素贡献率,改善地区相应影响因素的现状,拓宽长江流域各省市高质量发展空间。

氮负荷增强对闽江口短叶茳芏湿地植物-土壤系统氮累积与分配的影响

选择闽江河口短叶茳芏(Cyperus malaccensis)湿地为研究对象,基于野外氮负荷增强模拟实验,探讨了不同氮负荷水平下(NNT对照处理,0 g N m^(-2)a^(-1);LNT低氮处理,12.5 g N m^(-2)a^(-1);MNT中氮处理,25.0 g N m^(-2)a^(-1);HNT高氮处理,75.0 g N m^(-2)a^(-1))湿地植物-土壤系统的氮累积与分配特征。结果表明,不同氮负荷处理下湿地土壤(TN)、NH+4-N和NO-3-N含量均发生了明显改变。相较于NNT,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均明显增加,增幅分别为9.44%、3.57%、11.99%(LNT)和6.71%、9.37%、46.50%(MNT)。与之不同,HNT的TN含量相比NNT增幅不大,而其NH+4-N、NO-3-N含量均显著降低,降幅分别为9.26%和40.77%。不同氮负荷处理下土壤氮含量的垂直分布特征亦发生了明显变化。除HNT外,LNT和MNT的TN、NH+4-N和NO-3-N含量均以表层土壤最高。不同氮负荷处理下的TN和NH+4-N含量分布主要受SOM的影响,而NO-3-N含量分布主要受植物吸收和垂直淋失的影响。氮负荷增强条件下植物不同器官的TN含量整体表现为叶>茎>根。不同氮负荷处理下植物-土壤系统的氮储量整体以LNT和MNT较高,而HNT最低。研究发现,短叶茳芏在中低氮负荷条件下可能将更多的氮优先分配给根系,进而以拓展地下空间和提高地下生物量的方式来适应环境;而在高氮负荷条件下,其可能通过增强“自疏效应”,并通过拓展地上空间的方式来适应环境。

小流域经济-环境-社会系统协调发展评价研究

以克什克腾旗大东沟小流域为研究对象,通过现状调查,选取反映经济-环境-社会协调发展的主要指标,采用主成分分析与回归分析相结合的综合评价方法,对大东沟小流域经济-环境-社会系统协调发展进行评价。研究表明,大东沟小流域经过9 a的水土流失治理,取得了一定成效。其中:大东沟小流域植被覆盖率、水土流失治理率逐年提高,土壤侵蚀模数逐年下降,水土流失面积逐渐减少;人均产值、人均纯收入以及单位面积粮食产量逐年增加,土地利用结构趋于合理;小流域内生产生活条件得到明显改善。虽然大东沟小流域经济-环境-社会系统的动态协调状态在治理过程中呈波动性递增趋势,但是在治理末期(2020年)仍未完全实现协调发展,在今后的社会经济建设以及水土流失治理工作中仍需长期不懈的努力。

考虑产流模式空间分布的流域-城市复合系统洪水预报模型

为解决流域-城市复合系统洪水协同预报问题,本文将流域和城市纳入统一空间范畴,在提出易发生产流模式辨析框架的基础上,耦合网格产流计算模型(GRGM)和长短时记忆神经网络(LSTM)构建了GRGM-LSTM洪水预报混合模型。以贾鲁河中牟站控制流域为例,基于18场实测洪水进行模型检验,同时将预报结果与暴雨洪水管理模型(SWMM)、GRGM-SWMM模型进行对比分析。研究表明:①GRGM模型模拟产流量相对误差、决定性系数平均值分别为8.41%、0.976,考虑产流模式空间分布的产流计算更为准确;②预见期小于6 h时,GRGM-LSTM混合预报模型纳什效率系数大于0.8,比GRGM-SWMM、SWMM等物理机制模型具有更好的模拟性能;③预见期大于6 h时,GRGM-LSTM混合模型出现一定的精度损失,预见期增至12 h时,GRGM-SWMM模拟精度高于GRGMLSTM模型。研究成果可为流域-城市防洪减灾协同管理提供科学依据。

人水和谐视角下黄河流域经济-文化-生态系统和谐发展水平评价

为推动黄河流域生态保护和高质量发展,基于2001—2019年黄河流域经济、文化、生态3个子系统的数据,引入人水和谐理论,评价了黄河流域经济-文化-生态系统的和谐发展水平,结合空间自相关分析了其时空演化特征,并利用障碍度模型识别出了主要障碍因子。结果表明:黄河流域经济-文化-生态系统的和谐发展水平由“较不和谐”向“接近不和谐”过渡,并有持续向好的趋势;黄河流域各地市的和谐发展水平逐渐趋于均衡化;空间上共有23个地市出现集聚现象,主要呈现出“高-高”和“低-低”集聚的现象,“高-低”和“低-高”集聚现象并不明显;阻碍黄河流域经济-文化-生态系统和谐发展的主要指标为实际利用外资额、旅游外汇收入、人均绿地面积、A级景区数量、工业废水排放量、产水模数,且各指标的障碍度均呈现增强趋势。

面向生态系统服务供需的开都-孔雀河流域生态安全格局研究

构建干旱区生态安全格局有利于促进区域生态系统服务供应与需求之间的动态平衡。以干旱区开都-孔雀河流域为研究区,利用InVEST模型、RWEQ模型和Getis-Ord Gi*模型分析生态供给源地,以土地利用程度、地均GDP、人口密度和夜间灯光指数分析生态需求源地,并基于最小累积阻力模型确定供给源地与需求源地之间的生态廊道,从而构建研究区生态安全格局。研究结果表明:(1)开都-孔雀河流域生态供给源地14个,占研究区面积的21.46%,重点生态需求源地共9个斑块,占流域总面积4.63%;生态廊道126条,重要廊道17条,总长度654.68km;生态节点65个,重点生态节点24个。(2)开都-孔雀河流域生态系统服务供给与需求空间错位明显,高供给区域与高需求区域呈现出以城镇边界为分界线的明显特征。(3)结合研究区自然地理特征和景观生态系统服务流动性,运用阻力面模型,构建“两核心、两片区、三横四纵多节点”的开都-孔雀河流域生态安全格局可为保障区域生态系统服务功能和可持续发展政策的制定提供科学参考。

黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力评价

为综合评价黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力,基于能值分析理论与方法,并结合熵值法,构建了黄河流域水资源-能源-粮食系统生态可持续发展能力评价指标体系,综合评价了该系统2008—2018年的生态可持续发展能力。结果表明:(1)从黄河流域整体视角来看,2008—2018年该系统属于资源消耗型经济发展模式,经济快速发展的同时对当地生态环境产生了很大压力,系统长期处于高环境负荷状态,造成系统生态可持续发展能力不断减弱。(2)从黄河流域各省(区)视角来看,流域下游生态环境压力日益加重,生态可持续发展能力较弱,应加大对可更新资源的开发力度,减小对不可更新资源的依赖;上游省(区)环境压力相对较小,生态可持续发展能力较强,应加强基础设施建设,促进经济发展。(3)黄河流域各省(区)水资源-能源-粮食系统均衡性在时间和空间上呈现明显的差异性,系统的生态可持续发展能力不断减弱。