半干旱草原内陆河潜流交换研究——以内蒙古锡林河为例

潜流交换对于地表水和地下水水质以及河流廊道的生态环境有重要作用。针对半干旱草原河流潜流交换作用研究不足的现状,选取锡林河作为典型草原河流,利用水动力学法和温度示踪法对锡林河上游试验河段的垂向潜流交换过程进行定量研究,并讨论了两种方法的适用性。结果表明,试验期间主要为地表水补给地下水,垂向潜流交换主要发生在河床表面以下20~100 cm。受砂质河床流动性较大和空间异质性的影响,河道不同位置的潜流交换速率及其对降雨的响应各不相同。水动力学法与温度示踪振幅法得到的河段垂向潜流交换速率具有一致性:分别为-0.2~0.4、-0.1~0.4 m/d。相比于易受河床形态和水动力学特性影响的水动力学法,温度示踪法具有准确、便捷的特点,更适用于半干旱草原河流的潜流交换研究。

基于SWAT模型的黑河与白河流域水文模拟研究

若尔盖湿地是我国最大的泥炭沼泽地,自然资源丰富。黑河与白河是该湿地中最大的两条河流,黑河与白河流域的水文模拟研究对于了解流域内的水文变化情况具有重要意义。利用黑河若尔盖水文站和白河唐克水文站2009-2016年的实测水文数据,对黑河与白河流域进行SWAT水文模拟。结果表明:唐克站率定期的决定系数R^(2)和纳什效率系数E_(ns)分别为0.79和0.73,若尔盖站率定期的R^(2)和E_(ns)分别为0.72和0.72;验证期唐克站和若尔盖站的R^(2)分别为0.77和0.62,E_(ns)分别为0.72和0.61,模拟结果比较理想;SWAT模型在黑河与白河流域有较好的适用性。

牧区河岸潜流带硝酸盐氮和氨氮浓度对水文过程的响应机制

在牧区和灌溉农业区,大量含氮的畜禽排泄物和氮肥从土壤进入地表水和地下水,是流域面源污染的主要来源。河岸潜流带是削减氮素污染负荷的有效屏障,厘清河岸潜流带对氮素的迁移转化和去除作用是控制流域氮素污染的关键。本研究选取位于典型草原牧区的锡林河上游河段,开展了夏汛期河水与河岸地下水的水位、氨盐(NH_(4)^(+))和硝酸盐(NO_(3)^(-))浓度,以及相关环境因子的连续监测,并利用FEFLOW建立了河岸潜流带水流和氮素溶质反应运移模型。利用实测数据拟合的模型能够准确再现河岸潜流带水位和两种主要氮素浓度的动态变化。结果表明:(1)夏汛期河岸带氮素污染风险较高,河岸带NH_(4)^(+)浓度从降雨前的0.2 mg·L^(-1)升高到降雨后的7.23 mg·L^(-1),NO_(3)^(-)浓度从1 mg·L^(-1)升高到8.27 mg·L^(-1)。(2)实测和模拟结果均显示潜流带中氮素动态与降雨、地表水-地下水交换等水文过程密切相关,且NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-)浓度对暴雨事件的响应机制不同。(3)降雨期间,流动性较强的NO_(3)^(-)在淋滤作用下从河水和地表入渗进入河岸带,导致浓度显著升高。同时,降雨事件加强了河水-地下水的交换作用,通过控制营养物质的输入影响氮素生物地球化学循环,从而调节河岸潜流带NH_(4)^(+)和NO_(3)^(-)浓度的变化。本研究初步揭示了牧区河岸带对于氮素的水文和生物地球化学过程的缓冲作用机制,为牧区氮素污染控制提供了科学参考。

重庆市退耕还林工程实施的生态和经济效益分析

为了给进一步推动退耕还林工程的实施提供科学的理论依据,以西南地区重庆市为研究区域,通过收集退耕还林相关监测数据、重庆市历年统计年鉴资料和历年环境状况公报等,并结合野外参与式农户调查,对该区域退耕还林的生态和经济效益两个方面进行了分析与探讨。结果表明:退耕还林不仅明显提高植被覆盖率,也对水土保持、改善土壤质量状况、净化大气和固碳释氧起到积极作用。生态林在此次退耕还林中为主要林木类型,但经济林生长势和覆盖度整体上要好于生态林。乔灌混交林所占比例较低;退耕还林后,耕地面积减少,但粮食产量逐渐恢复到原有水平。人均收入显著增长,年均增长率达31.9%。林业产值也在逐年增加。退耕还林的实施对生态环境、当地经济兼具有促进作用,但相关部门还需进一步提高乔灌混交林的比例,并加强对生态林的管护。另外,采取有效措施来提高林业产值。

窟野河水-气界面CO_(2)交换通量变化特征及其影响因素分析

近年来内陆水体CO_(2)释放受到广泛关注,为揭示黄土高原地区内陆水体CO_(2)的释放特征,于2018年7月和10月及2019年3月和6月利用LI-7000 CO_(2)分析仪对窟野河及代表性水库开展了高频次的水体CO_(2)分压(pCO_(2))和水-气界面CO_(2)交换通量(FCO_(2))观测,并分析其时空变化规律。结果表明:窟野河水体pCO_(2)和FCO_(2)(分别为996μatm和94.5 mmol·m^(-2)·d^(-1))均高于水库(分别为752μatm和10.3 mmol·m^(-2)·d^(-1))。FCO_(2)季节性差异明显:对于河流而言,表现为秋季最高(165.7 mmol·m^(-2)·d^(-1)),春季最低(42.9 mmol·m^(-2)·d^(-1));对于水库而言,变化趋势则完全相反,表现为春季最高(16.6 mmol·m^(-2)·d^(-1)),秋季最低(-5.4 mmol·m^(-2)·d^(-1))。生物地球化学活性更强的支流FCO_(2)(107.4 mmol·m^(-2)·d^(-1))高出干流(66.5 mmol·m^(-2)·d^(-1))约50%;同时,位于中下游黄土丘陵区的水库FCO_(2)(16.4 mmol·m^(-2)·d^(-1))显著高于位于上游呼鄂丘陵区的水库FCO_(2)(1.2 mmol·m^(-2)·d^(-1))。整体来看,流域水体pCO_(2)受碳酸盐体系影响最大,有机碳分解作用次之;流速是控制水-气界面气体交换速率的关键因素。在年尺度上,窟野河的河流与水库水体均为大气持续碳源。窟野河平均CO_(2)释放量与我国长江及国外温带河流相近,但低于黄河中游的其他支流。

放牧方式对人工草地植被生物量及碳密度的影响

以温带农牧交错区混播人工草地为研究对象,分析优势种羊草(Leymus chinensis)和紫花苜蓿(Medicago sativa L.)在不同放牧方式下地上、地下生物量的变化规律,研究放牧方式对优势种碳分配及人工草地碳密度的影响。结果表明:划区轮牧能够有效地缓解草地压力,合理的放牧制度可以提高人工草地牧草的生产力;不同的放牧制度在一定程度上可改变绵羊的采食规律;连续放牧使得草地植被碳密度和土壤碳密度均显著降低,划区轮牧与对照样地(禁牧管理)保持相当的水平。在该研究中,不同的放牧制度对于牧草生产力和碳密度影响显著,土壤碳密度占人工草地碳密度的比例较大且随土层深度增加而减少。

草原曲流河垂向潜流交换及其氮素迁移转化

潜流带是地表水与地下水之间发生水分和物质交换的关键区域,研究河流潜流带氮素转化对于改善河流水质,维持水生态系统稳定具有重要意义.为探究半干旱区草原曲流河潜流带内的氮素迁移转化过程,以锡林河弯曲河段为研究对象,结合水动力学和水化学法,分析了潜流带内的垂向潜流交换模式及氮素转化特征.结果表明:非降雨时期垂向潜流交换以微弱的上升流为主,平均水力梯度为-0.023.降雨和上游来水可能导致交换方向逆转,出现下降流,平均水力梯度为0.086.垂向潜流交换速率随深度增加而递减,河床表面以下20、50和100 cm处的平均交换速率分别为0.102、0.041和0.017 m·d^(-1),100 cm是垂向交换的下边界.潜流带中可能存在氨化、硝化、反硝化及异化还原反应,50 cm是热点反应深度,出现生物地球化学梯度的逆转.草原曲流河的垂向潜流带是NO_(3)^(-)的汇,且对NO_(3)^(-)的去除作用存在空间差异,深层沉积物的去除作用强于浅层.上升流和下降流条件下的NO_(3)^(-)平均去除率分别为34%和28%.曲流河段顶点处相对于入流及出流处,其垂向交换较弱,而氮素浓度较低,可能是曲流驱动下生物地球化学反应发生的热点位置.

黄河源区水库二氧化碳逸出暖季变化规律及影响因素分析——以刘家峡水库为例

河流上修建水库改变了自然状态下的水流运动,而且深刻影响着物质传输和交换过程.本文以黄河源区12级梯级水库群末端的刘家峡水库为例,在2016年4、8月和2017年5月进行了3次野外试验,采用Li-7000静态箱法监测了刘家峡水库入库前、库中和出库河道内的二氧化碳分压(p(CO2))、二氧化碳逸出量(F(CO2)),并测定了相关水化学因素,包括pH、溶解氧(DO)和水温(T),综合分析了水库碳逸出的暖季时空变化规律及其影响因素.结果表明:在河流流向上,刘家峡水库库区内的p(CO2)和F(CO2)(601.6μatm和85 g·m-2·a-1,以C计,下同)均低于入库前水体(670μatm和328 g·m-2·a-1)和出库后水体(680.5μatm和372 g·m-2·a-1),水体的pH变化范围为7.90~8.80,DO变化范围为102%~145%;垂向上,pH为7.81~8.65,DO为82%~140%,从水面至水库库底p(CO2)的变化范围为617~1087μatm,p(CO2)、pH和DO均随水深增加而降低,且8月变化强于4月和5月;水温在垂向上存在明显的分层现象,温度范围为5~25℃.库区内的光合作用降低了水体溶解CO2的含量,出库水体由于水流波动较大,F(CO2)明显增加,8月水体的F(CO2)均低于5月,可能是由于水库中的热分层现象更加显著,进一步促进了浮游植物的生长,对溶解性CO2的利用增加.通过对世界范围内不同纬度和海拔高度的水库F(CO2)的统计发现,刘家峡水库的F(CO2)在温带地区水库的F(CO2)中呈较低水平,其高海拔的地理位置及梯级水库的拦截作用是重要原因.本研究可为高寒高海拔地区水库的F(CO2)评估和全球水库碳排放评价提供依据.

融冰期与非融冰期水库CO2逸出昼夜变化及CO2分压影响因素研究

以位于黄土高原北洛河流域的南沟水库为研究对象,采用Li-850静态箱法,于融冰期(3月)、非融冰期(5月)对水体CO2分压(p(CO2))和水-气界面CO2逸出(F(CO2))分别进行了5 d 40次昼夜监测,同时测定了各种水体理化指标,着重对比了水体p(CO2)在两个时期间的差异和两时期内的昼夜变化特征,系统分析了水体p(CO2)的影响因素.结果表明:融冰期p(CO2)((324.8±59.4)Pa)比非融冰期((124.9±14.1)Pa)高出近3倍,差异性显著(p<0.05),但两个时期内昼夜p(CO2)值并无显著性差异(p>0.05);水体p(CO2)与水温、pH、叶绿素(Chla)、溶解氧(DO)呈显著负相关,与溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)呈显著正相关,水体p(CO2)受流域碳酸盐体系和水温影响最大,相关系数分别达0.92和-0.91,光合呼吸作用的影响其次;研究区小水库F(CO2)范围为101~1589 g·m^-2·a^-1,是大气持续碳"源",其平均排放量与个别温带、亚热带小型水库接近,但低于热带水库.