环境DNA揭示东江流域水生昆虫生物多样性变化及影响因素

以东江流域为例,通过环境DNA技术探究了水生昆虫群落的空间分布规律及其环境影响因子。结果显示:1)水生昆虫物种丰富度由高到低顺序为:双翅目(7科)>蜉蝣目(6科)>毛翅目(2科)=蜻蜓目(2科)=鞘翅目(2科)>鳞翅目(1科)。双翅目(84.99%)和蜉蝣目(14.89%)共占总reads数99.88%,摇蚊科(69.20%)、四节蜉科(14.36%)及蚊科(14.26%)三个科合计占总reads数97.82%。2)物种丰富度指数、香农维纳指数、辛普森指数与功能丰富度指数(FRic)、功能离散度指数(FDiv)均与距河口距离呈正相关关系。功能均匀度指数与距河口距离呈负相关关系。3)海拔是影响物种丰富度最重要的环境因子(P<0.01),COD是影响物种丰富度的重要环境因子(P<0.05)。海拔、DO、COD是影响功能丰富度的重要环境因子(P<0.05)。

教育数字化转型背景下高校教学发展新路径——以环境工程微生物学课程为例

在教育数字化转型背景下,对课程教学模式进行数字革新已成为高校教育发展的必要趋势。环境工程微生物学课程作为高校环境科学与工程专业的核心课程,该课程对学生的实践应用能力、创新思维及科研逻辑的培养具有重要意义。该文以环境工程微生物学课程为例,探讨在教育数字化转型阶段所面临的机遇与挑战,并从课程数字革新、实验数字革新及科教融合方面提出一系列应对策略,旨在为全面提升环境科学与工程专业人才的理论基础、实践技能及科学创新思维奠定坚实的基础,以期为教育数字转型背景下高校课程教学效果改善及高素质人才培养提供参考。

沉积物古DNA揭示水生态系统中群落演变的进展与展望

识别和预测环境变化下生物群落演变特征是水生态保护策略制定的关键前提.由于缺乏长时间序列的生态监测数据,如何有效揭示生态系统中物种与群落演变是目前面临的难题.利用沉积物古DNA中封存的物种历史自然资源档案,检测并解译古DNA信息,将提高人们对环境变化驱动的物种迁移与灭绝、群落演变动态、生态系统结构和功能变化的理解.本研究首先介绍了沉积物古DNA技术的原理,并简要概括了从古DNA提取到现有的四大分析方法,以及数据分析等一系列操作流程;随后综述了沉积物古DNA在物种入侵与定殖、物种遗传进化、群落演变和揭示环境压力下生态系统长时间序列变化特征等领域的应用;最后针对沉积物古DNA技术目前存在的问题与缺陷,如古DNA降解、古DNA污染、与其他替代物数据有差异等,整理并总结了目前潜在的解决方案,如统计学模型、多数据源结合、人工智能联用,以期为建立基于沉积物古DNA的水生态系统中生物群落重建提供新技术和思路.

水域空间承载力研究进展

水域空间是水循环的重要场所,具有供给水资源、调节局地气候、行洪除涝、维护生态系统平衡和多样性等多种生态服务功能,对“经济社会-生态环境”复合系统的协调发展有重要的承载作用。从水资源承载力的空间角度,提出水域空间承载力的概念和内涵,进而从水域的空间组成和空间结构两方面综述水域对“经济社会-生态环境”系统的支撑作用。从学科发展和水域空间综合管理实践需求的视角出发,指出未来的研究方向:加强水域空间组成和空间结构联动影响的研究,建立水域空间承载力评价体系;优化研究方法,耦合水域空间承载力的量化研究方法;加强多时空维度耦合效应的水域空间承载力研究,为实现水域空间资源的可持续开发利用、全面提升水资源承载力提供管理决策建议。

基于无偏灰色-马尔科夫链模型的北京市水资源需求预测研究

开展区域需水量预测研究是促进水资源高效利用和社会经济可持续发展的必然要求。针对目前预测方法无法有效量化需水量随机波动的影响程度等不足,本研究耦合无偏灰色与马尔科夫链模型,预测了北京市2021—2030年的水资源需求量。结果表明:(1)无偏灰色-马尔科夫链模型的模拟精度良好,能较好地模拟北京市的农业、工业、生活和生态需水量;(2)马尔科夫链模型适合处理波动性较大的随机性数据,修正后的需水量预测精度显著提高;(3)2021—2030年北京市需水量预测结果以区间值表述,有效表征了需水量随机波动的不确定性信息;(4)北京市要坚持“开源节流”原则,在保障城市最低需水量的前提下,坚持节水优先,严格控制用水总量,调整用水结构,强化水资源优化配置,确保不超过最大需水量。本研究提高了需水量预测结果的准确性,对水资源的优化配置和城市的可持续发展具有重要的指导和借鉴意义。

非点源特征区水环境承载力预警与调控研究—以承德市为例

水环境承载力预警是当前水环境管理的重要内容,现有水环境承载力预警大多停留在评价层面,预警技术方法体系尚处于探索阶段.以水环境承载状态指数为预警指标,以经济社会发展、水污染治理、水资源利用等14个指标作为调控指标,建立基于系统动力学(SD)的水环境承载力预警调控模型,并以非点源为主要污染源的承德市为例开展实证研究.结果表明:按照现状趋势发展,承德市未来水环境承载状态指数将呈现不断上升趋势,并于2023年开始超载.3种调控方案的结果显示,污染治理调控方案不能满足水环境系统支持承载力的要求,推荐经济社会发展调控与污染治理调控双约束方案,该方案下,2035年水环境承载状态指数为0.65,可承载的GDP为3866亿元,人口数量为368万人,需通过提高灌溉水有效利用系数、再生水回用率、污水处理率、以及调整种植结构和畜禽养殖规模等实现.本文为以非点源污染为特征地区的水环境承载力预警与调控研究提供思路与方法,并为承德市水环境与经济社会协调发展提供定量化方案.

天然光催化物质的光电特性与环境效应研究进展

自然界中存在许多天然光催化物质,它们对驱动地球生物化学循环产生着不可忽视的影响,挖掘绿色天然的光催化物质无论是在环境效益还是经济效益上都具有重要意义.本文总结了目前已发现的自然界中具有光催化性能的天然物质,介绍其光催化特性的表征方法,重点阐述天然金属矿物、天然色素、天然溶解性有机质及天然硫四类物质的光催化特性及原理,从强氧化性的光生空穴/自由基及强还原性的光生电子的角度探讨天然光催化物质在驱动非光合微生物生长代谢、加速污染物降解转化、促进电活性微生物生长等方面的效应与机制,并从效应研究和工程应用的角度展望其今后的发展方向.

灌区干支渠渗漏估算方法及其在水资源优化配置中的应用

为解决大尺度农业水资源规划中遇到的渠道渗漏估算精度低且估算方法不符合渠道渗漏机理问题,该研究在对前人的研究成果与渠道渗漏关键要素进行分析基础上提出了渠道渗漏估算方法。根据提出的渠道渗漏估算方法,渠道渗漏系数通常是随渠道引水量变化的单调函数,传统方法中使用固定的渠系渗漏系数方法在渠道引水量变化时会对渠道渗漏量有一定程度的低估和高估。为进一步验证不同的渠道渗漏估算方法对于农业水资源优化配置的影响,以甘肃省黑河中游17个大中型灌区的水资源优化配置问题为例,建立了农业水资源多目标随机规划模型对有限水资源进行合理分配。模型同时选择了渠道渗漏估算方法与传统的固定系数方法。优化结果显示,使用固定渗漏系数的传统方法不能体现黑河中游灌区干支渠的渠道渗漏系数随渠首引水量的动态变化关系,使用固定渗漏系数方法可能会导致对渗漏量的估计产生10%以上的偏差,进而影响实际的田间可用水量、预期产量、预期收益的估计,使得优化目标不能真正实现。同时,对比研究发现,当可用地表水量发生改变时,渠道渗漏估算方法可以更好反映出渠道渗漏率动态变化,为农业水资源规划提供更加精确的水量信息,增加了水资源规划方案的有效性与可行性。

共沉淀引发的溶解性有机质在水铁矿/水界面的分子分馏特性

土壤矿物与溶解性有机质(DOM)的相互作用会引起DOM在矿物/水界面的结构分馏,进而影响DOM在土壤中的长期保存及其环境行为。水铁矿在环境中广泛存在,可通过两种不同方式(表面吸附或共沉淀)与DOM结合。目前,鲜有研究从分子尺度上揭示共沉淀反应诱发的DOM在水铁矿/水界面的结构分馏特性。为此,通过共沉淀方式在碳/铁比(C/Fe)不同的溶液中制备水铁矿-DOM复合体,将传统光谱手段(如,紫外(UV)-可见光光谱、Fe K边X射线吸收光谱(XAS)等)和近年来兴起的电喷雾-傅里叶变换-离子回旋共振质谱(ESI-FT-ICR-MS)相结合,从分子水平解析共沉淀过程中DOM在水铁矿/水界面的结构分馏行为。结果显示:水铁矿-DOM复合体中Fe主要以水铁矿的形式存在,所占比例与C/Fe值有关,介于68.0%~95.9%之间。UV和ESI-FT-ICR-MS分析共同表明,在共沉淀过程中,水铁矿优先固定DOM中具有高分子量的富含氧的芳香性组分(主要为燃烧过程中产生的致密多环芳香类物质和维管植物来源的多酚类物质),表明无论表面吸附还是共沉淀,水铁矿均倾向于固定芳香性强的高分子量组分。此外,本研究率先发现水铁矿对DOM的结构选择性随反应时间呈一定动态变化,表现为:燃烧过程中产生的致密多环芳香类组分优先被固定在复合体中,随着反应推进,维管植物来源的多酚类组分被固定。本研究结果有助于深入理解水铁矿形成过程中,通过共沉淀作用影响DOM环境地球化学行为的分子分馏机制。

改性生物质炭钝化修复土壤重金属污染的研究进展

我国土壤重金属污染形势严峻,已对粮食安全构成威胁.以生物质废弃物资源化利用为基础所制备的生物质炭,因其廉价和高吸附性能等特点,被广泛用于土壤中重金属的钝化.本文基于生物质炭在土壤重金属污染修复方面的研究进展,系统概述了生物质炭的制备和性质以及不同改性方式对生物质炭结构特征的影响,探讨了改性处理在强化生物质炭吸附重金属性能上的效果,并客观分析了改性生物质炭对土壤重金属生物有效性的影响机制.根据当前的研究现状,总结了未来研究的重点,包括建立生物质炭结构特征与其吸附固化土壤重金属能力间的定量构效关系,引入土壤重金属生物有效性的原位分析方法,开展长期的田间试验,关注改性剂的经济成本和潜在环境风险,力图为面向土壤重金属污染修复的改性生物质炭设计和科学应用提供科学依据.

气候变化条件下基于河岸带生态韧性的防洪堤高程优化模型

针对基于河岸带生态韧性的防洪堤高程优化过程中存在的不确定性问题,建立一个区间混合整数随机鲁棒优化模型(IMISRO)。该模型不仅能够通过防洪堤高程的优化设计来达到调控河岸带应对洪水的生态韧性的目的,还可以处理防洪堤高程优化设计中以概率分布函数和区间值形式存在的包括洪峰水位、经济成本等参数的不确定性。同时,决策者可以通过在模型中设置不同的风险参数对系统稳定性与经济性进行权衡。将所开发的IMISRO模型应用于城市河道两岸的3个规划区域,在不同的洪峰水位及河岸带生态韧性条件下可得出最优的防洪工程设计。该案例验证了模型能够为决策者提供考虑河岸带生态韧性的防洪优化策略,可为气候变化条件下城市防洪堤安全策略的研究提供借鉴。

区域用水效率关联度时空演变及影响因素

通过构建用水效率引力模型并结合ArcGIS空间相关分析技术,揭示区域用水效率及其关联强度的时空演变特征,进一步采用多元回归分析方法辨识用水效率关联度潜力的主要影响因素,并以广东省2004-2018年21个地级市的面板数据为例进行计算与分析。结果表明:广东省万元GDP用水量与农田灌溉亩均用水量存在较强的空间相关性,珠三角为用水效率高值区,粤北与东西两翼为用水效率低值区;全省用水效率关联度随时间推移呈增强趋势,珠三角用水效率引力值最强,粤东次之,粤北与粤西较弱;研究与试验发展经费对用水效率关联度潜力的影响更为持久,为主要驱动因素。主要从充分发挥珠三角用水效率高值区联动效应和加大水利科技创新投入等方面提出对策建议,可为区域用水效率的空间均衡提供理论依据与参考。

不同辅料对高水分水葫芦青贮发酵品质及营养成分的影响

该试验中减少玉米粉、秸秆、米糠、苜蓿草4种辅料的添加量,使水葫芦青贮初始含水率为(80±2)%,考察该高水分水葫芦青贮能否达到适用的发酵品质和营养价值。结果表明,添加玉米粉和苜蓿草为辅料的高水分水葫芦青贮相对饲喂价值分别达到特级和一级水平,干物质体外消化率及粗蛋白含量均能达到低水分原料制备的青贮水平,且霉菌含量等安全性指标均达标。糖蜜的添加能进一步提高高水分水葫芦青贮的相对饲喂价值,并抑制粗蛋白的分解。该研究结果可为提高水葫芦青贮发酵的经济效益提供科学指导。

湿地景观格局研究前沿热点及发展趋势

湿地景观格局研究是近十余年来新兴的热点领域,对进一步开展湿地演化和发展的基础研究及可持续化管理具有重要意义.基于知识图谱,通过文献发表情况、关键词共现、聚类和突现检测手段,对CNKI和Web of Science平台的文献进行计量分析,识别该领域的主题演变路径和前沿热点,透视其发展趋势.结果表明:①国外研究起步较早,国内较晚,都经历了“形成期—发展期—繁荣期”3个阶段,表现出理论研究转向实例验证的共性特征;②国内外的研究热点集中于景观格局量化评估、动态模型、驱动机制、研究尺度和保护修复5个方向,其演变进程与政策规划具有强耦合性;③国内外研究热点的差异主要表现为国外对湿地的生物地球化学循环过程和生物多样性更为关注,与生态水文学的交叉融合更紧密.最后提出展望:①加强湿地景观格局与碳储量的变化规律研究,助力“双碳”目标;②构建驱动机制模型,定量表征驱动因素对景观格局演变的影响程度;③探讨湿地与周边环境相互作用的生物地球化学循环过程,推进陆海统筹发展;④通过多学科交叉融合,研究景观格局与生态过程的耦合作用机制仍是景观生态学的核心主题.

生物炭对土壤重金属形态及生物有效性影响的研究进展

考察生物炭施入土壤后重金属形态以及生物有效性的变化是土壤学近年来的研究热点.重金属形态变化是衡量其生物有效性的一个较为重要的指标.将生物炭添加到土壤-动植物系统中,并评估重金属生物有效性有利于推进生物炭应用于土壤改良及重金属修复.因此,本文首先收集了大量关于生物炭对土壤重金属形态含量变化的数据.统计发现,生物炭添加下土壤中重金属Cd、Cu、Zn和Pb的不稳定态(可交换态/酸溶态)下降的平均百分率分别为25.6%、36.4%、16.5%和26.1%,稳定态(残渣态)升高的平均百分率分别为35.9%、22.9%、32.8%和46.5%.生物炭的原料、热解温度和土壤质地是影响重金属形态变化的主要因素.探讨了生物炭的添加对土壤重金属形态转化的影响机制.其次,总结了生物炭对土壤和生物体中的重金属生物有效性的影响,以及阐述了相应的影响机制.最后,基于目前的研究现状提出了未来的研究方向.

大清河-白洋淀流域生态功能评价及分区初探

基于生态系统服务功能对流域生态环境进行功能分区是流域生态环境保护与修复的重要基础.本研究使用InVEST模型,对大清河-白洋淀流域2010、2015及2018年的生境质量、碳储量及土壤侵蚀等生态系统服务功能进行评价.结果表明:2010—2015年流域生态环境相对稳定;2015—2018年生境质量提升,土壤侵蚀缓解,但碳储量有所下降;流域内72.91%的区域处于中度敏感状态,3.99%的区域处于高度敏感状态,生态功能现状不容乐观.在此基础上叠加分析各子功能评价地图,将研究区划分为3个一级功能区及7个二级功能区,旨在今后对各功能区采取针对性的利用和管理策略,以维持和改善生境质量,为区域可持续发展提供支撑.

藻菌共生处理污水的机制与应用研究进展

在污水处理领域,藻菌共生有同步脱氮、除磷效率高、排放温室气体量低、生物质可资源化回收等优势,近年来受到学者的重视。目前鲜有综述污水处理中藻类与细菌、真菌及混合藻菌间互作机制的文章。本文从藻类-细菌、藻类-真菌、混合藻-混合菌3个方面介绍藻菌共生处理污水的研究进展,重点阐述藻菌间营养物质交换、信号传导及生物絮凝3种不同互作机制,总结污水处理中常见的藻菌共生生物反应器及其应用效果,并从互作机理研究、规模化应用及生物质回收利用的角度展望了今后的研究方向。

潮滩冲淤扰动下外来与乡土红树植物幼苗稳定性差异

引种外来树种是我国各地在红树林修复实践中常用的措施。由于更容易在困难立林地存活,外来树种被认为更具竞争优势。为弄清外来与乡土红树植物物种在困难立林地存活能力的差异及其原因,本研究选取典型外来引种先锋树种拉关木(Laguncularia racemosa)与乡土先锋植物白骨壤(Avicennia marina)为研究对象,通过控制实验探究潮滩冲淤扰动条件下幼苗稳定性差异及其形成机制。结果表明,幼苗抗侵蚀能力与幼苗根冠比显著正相关,泥沙淤积抑制幼苗根系生长,而底床侵蚀则促进根系伸长。与白骨壤相比,拉关木幼苗的主根更长,根冠长度比更大,更能抵抗底泥的侵蚀扰动,且通过根系伸长以增强幼苗稳定性的能力也更强。拉关木幼苗比白骨壤更能适应潮滩冲淤扰动,其竞争优势从幼苗阶段就已经建立。本研究结果可为红树林修复实践中树种和宜林地的选择提供参考,亦可为评估外来红树物种入侵风险评价提供依据。

2016—2019年长江流域湖库群氮磷污染源解析

长江流域是我国淡水湖库最为集中的区域,近年来由于氮、磷人为富集导致富营养化问题较为突出.现有单一湖库污染源解析的研究具有局地性,难以揭示长江流域湖库群氮、磷污染源的区域性特征.因此,本研究构建了基于Moran’s I模型、绝对主成分-多元线性回归(APCSMLR)模型和层次聚类分析(HCA)的污染源解析模型,分析了长江流域38个湖库的氮、磷来源及其区域性特征,并评估了不同空间范围的土地利用/覆盖变化(LUCC)对氮、磷浓度的影响.结果表明:①长江流域湖库群TN和TP浓度的空间相关性均较差,不适合将某一区域内的多个湖泊进行合并解析污染源.②在所有污染源中,内源是长江流域湖库氮、磷的主要贡献源,TN和TP源贡献分析表明内源占比最大的湖泊数量分别占55.26%和34.21%,且在逐月尺度上内源对于水体中的TN、TP主要起源的作用.③湖库群TN、TP浓度受其流域范围内的LUCC影响较大,其中,TN与耕地、水域、建设用地呈显著正相关,与林地呈显著负相关;TP与建设用地呈显著正相关,与林地呈显著负相关.

红树林湿地多环芳烃的微生物降解

红树林(mangrove)是海陆交汇带重要的湿地生态系统,也是环境污染物蓄积与转化的热区。多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)因其环境蓄积特点在红树林生境中广泛分布,威胁生态系统健康,其降解转化是近年的研究重点。本文聚焦红树林湿地多环芳烃的微生物降解研究现状,从红树林生境的PAHs生物降解规律、降解功能微生物、降解影响因素等角度综述了国内外最新的研究进展。总结发现,红树林中的PAHs含量高于林外光滩,集中于垂向10−20 cm深的沉积物中。PAHs厌氧降解相应的电子受体中,以SO_(4)^(2–)浓度最高,且渗入泥层更深,是红树林沉积物的主要电子受体;其次是NO_(3)^(-)、CO_(2)、Fe(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)。PAHs降解菌多样性高,其中以Sphingomonas、Bacillus、Novosphingobium和Sphingobium报道最多。红树林生境中好氧-厌氧交替的独特环境、湿地植物根际泌氧和分泌物以及外源生物刺激因子是影响PAHs生物降解的主要因素。目前多数结果都是基于室内实验,而红树林生境复杂,建议未来面向PAHs污染修复的实际需求,针对红树林的环境特点挖掘相应的PAHs降解功能微生物种质资源,并从应用工艺等方面开展深入的研究。