近百年来洞庭湖粒度指示的沉积环境演变特征

湖泊沉积物储存着长时期的流域环境信息,是百年尺度湖泊环境演变研究的高分辨率记录器。本文通过^(210)Pb_(ex)、^(137)Cs组合定年法,分析放射性核素剖面特征,研究沉积速率时空变化规律,并解析沉积物粒度指示的环境信息,揭示百年尺度湖泊沉积环境演变。结果表明:洞庭湖^(210)Pb_(ex)剖面分布呈现多段衰变型、混合衰变平衡型、衰变本底型和无沉积型4种类型。3大湖体200 cm的沉积深度对应的年代跨度为127~162年,构建了洞庭湖沉积物深度年代关系。洞庭湖平均质量沉积速率为1.47~3.11 g/(cm^(2)·a),整体上呈现南洞庭湖>西洞庭湖>东洞庭湖的空间特征;自1900年后,质量沉积速率增加了3~7倍,呈时序增加趋势。沉积年代上,沉积物粒度特征表明洞庭湖沉积环境呈3个阶段2个过渡期的演变特征,与同时期区域内毁林开荒、水利建设、植树造林等人为活动有较好的对应关系,说明近百年来人为活动是洞庭湖泥沙沉积的重要因素。本研究结果可为强化湖泊及其流域生态环境保护提供理论参考。

洞庭湖流域典型生态系统服务评估及权衡/协同关系研究

运用InVEST模型、GIS空间分析等方法,在子流域尺度上探究洞庭湖流域2000~2020年生态系统服务的时空特征,进而利用耦合协调度模型和地理探测器模型对水产出、水质净化、碳存储等三项关键生态系统服务进行权衡/协同分析。结果表明:(1)洞庭湖流域生态系统服务的水产出服务和水质净化服务在不断地强化,而碳存储服务在不断地弱化。各项生态系统服务功能在空间上亦表现出差异性,2000和2010年水产出东南多于西北,到了2020年,西北部水产出出现最大值;N、P输出量的分布规律大体上上游少于下游,东部多于西部;碳存储则是在洞庭湖区最少,高值集中在上游区。(2)2000~2020年,整个流域两两生态系统服务之间处于中度协同水平,并向良好协同水平发展,两两生态系统服务存在明显的时空分布格局的差异。(3)洞庭湖流域生态系统服务之间非线性动态关系的形成受到自然和人文因素的影响,主要包括地形地势与气候变化、土地利用类型与分布格局,以及人类活动的干扰等,且自然因素的影响程度要大于人文因素。研究结果可为洞庭湖流域生态保护补偿机制建设提供理论依据。

洞庭湖流域碳储量变化对未来气候和政策的响应

为探究气候变化与不同管理政策背景下陆地生态系统碳增汇潜力,以我国洞庭湖流域为例,采用PLUS模型和《2006年IPCC国家温室气体清单指南》模拟预测未来40年间不同气候-政策情景下陆地生态系统碳储量变化.结果表明:①2020~2060年间,自然发展情景和经济协调情景下建设用地快速扩张,林地大量减少;生态优先情景主要是由草地转入林地.②2020年洞庭湖流域总碳储量为3.6×10^(9)t,到2060年自然发展情景下碳储量仅增加2.3×10^(8)t,经济协调情景和生态优先情景下分别增加4.5×10^(8)t和4.7×10^(8)t,验证了实施生态保护政策是促进碳增汇的有效途径.③碳储量变化结果表明,加大耕地和草地的土地管理投入以及实施渐进式造林有利于保持持续碳汇.控制建设用地的扩张并划定规划开发区,有利于减少碳损失.研究结果可为优化土地管理提供理论依据.

洞庭湖流域全新世孢粉记录的植被、气候变化及人类活动

本研究选择洞庭湖流域内湖南十万古田泥炭(SWGT)、贵州梵净山九龙池湿地(JLC)和湖北江陵剖面(JL)三处研究点。SWGT钻孔深度为250 cm,通过AMS 14C测年使用Bacon软件进行线性插值建立年龄-深度模型,最底部年代达到约11.6 cal.ka B.P.;JLC钻孔深度为400 cm,通过AMS 14C测年使用Clam软件进行线性插值建立年龄-深度模型,最底部年代达到约11.9 cal.ka B.P.;JL剖面深度为594 cm,常规14C测年后经过树轮校正,用线性插值法内插和外推获得各对应深度的年代,最底部年代外推达到约9.4 cal.ka B.P.。通过对SWGT进行孢粉分析,集合已发表的JLC和JL的孢粉分析结果,获得了早中全新世洞庭湖流域的植被和气候变化特征,并利用现代类比法(MAT)重建了三处研究点的人类活动指数(HII),探讨了全新世人类活动的影响。研究结果显示:1)全新世早期,花粉类型以Evergreen Quercus、Cyclobalanopsis、Castanopsis、Fagus、Carpinus等亚热带植物花粉类型为主,草本植物的花粉含量整体较低,此时植被主要是亚热带常绿阔叶林,气候温暖湿润,东亚夏季风(EASM)强度较强。2)全新世中期,约9.0~4.0 cal.ka B.P.,乔木花粉含量最高,草本植物花粉含量最低,森林覆盖度最高。该阶段最主要特征是以Evergreen Quercus、Cyclobalanopsis为主的亚热带常绿阔叶树含量升高,气候更加暖湿,揭示了EASM强度进一步增强;尤其是6.0~4.0 cal.ka B.P.之间,Evergreen Quercus、Cyclobalanopsis含量达到最高,气候最为暖湿,标志着全新世适宜期的出现。3)晚全新世,4.0 cal.ka B.P.以来,HII出现最高值,反映了人类对环境影响更加剧烈;此时花粉数据显示较低的栎属、栲属、青冈栎属等植被含量,结合研究区出现较高的松属花粉百分比含量,表明人类大量砍伐阔叶森林,导致次生松树林扩张,与此同时,禾本科植物含量升高,揭示了人类活动开始在低海拔地区进行农业活动。4)太阳辐射、北半球高纬冰量和冰盖融化导致的融水通量等因素可能对早中全新世气候变化产生较大影响,而该区晚全新世记录更多受人类活动影响。本研究认为,在该区域利用孢粉进行全新世古气候定量重建时,很有必要对晚全新世人类活动信号进行识别。

流域水力侵蚀碳汇效应对土壤碳流失的平衡作用

明确土壤碳循环过程及其主控因素,是估算和提升土壤固碳能力的重要前提.本文在流域尺度上探究了水力侵蚀在土壤碳循环中扮演的“源汇”角色.通过耦合空间分布式泥沙输移模型与生物地球化学模型,提出了一种定量估算水力侵蚀驱动下土壤有机碳横向迁移和垂向通量的方法.将该耦合模型应用于洞庭湖流域,结果表明:1980~2020年间洞庭湖流域年均土壤侵蚀量为1.33×10^(8)t,呈先减后增的趋势.水力侵蚀驱动下,仅有12%发生迁移的有机碳最终流入河流系统,其余均随泥沙在流域陆上沉积并被埋藏.水力侵蚀造成的土壤有机碳横向流失量在1980年为8.86×10^(11)g C, 2020年为1.50×10^(11)g C,减少了83%.侵蚀过程中由于沉积泥沙的埋藏作用和土壤碳的动态置换,土壤有机碳垂向通量呈现5.54×10^(11)g C a^(-1)的净碳汇. 40年间土壤有机碳横向流失量减少及侵蚀引起净碳汇量增加源于大规模生态恢复工程的实施和耕作方式的改良,其对于减少水土流失和提高土壤碳储量具有重要意义.本研究提出的耦合模型可在大空间尺度和长时间段内对侵蚀引起的土壤碳动态过程进行空间显式模拟,为预测未来气候和土地利用变化下土壤碳储量提供科学支撑.

1990~2016年湘江流域水质时空变化及驱动因素分析

为探讨湘江全流域水质时空变化特征及其驱动机制,收集湘江流域1990~2016年共26年113个站点16个水质参数数据,采用水质指数法等对流域水质进行综合评价并识别其主要污染物,分析其形成机制,重点剖析水位和土地利用格局对水质的驱动作用.结果表明:(1)研究期间湘江流域整体水质等级为“良好”.时间上,水质呈现出先恶化再改善的变化态势,1990~2003年为水质恶化阶段,2004~2016年为水质改善阶段;水质季节变化不明显,丰水期水质波动较大.空间上,干流水质污染负荷从中游、下游和上游依次减小.上游支流水质最好,水质较差区域主要分布在中下游支流河口处,尤其是有多条支流汇流的地方.(2)有毒重金属具有毒性、持续性和生物累积性的特点,在水体中若超过一定浓度就难以净化,对自然环境和人类健康都危害极大.毒性金属指标(CI1)是影响湘江水质的主导因素,其中汞(Hg)和镉(Cd)是影响湘江流域整体水质的主要参数.(3)水位通过稀释环境参数对湘江水质产生正面影响,土地类型对重金属浓度影响不大,林地可以起到改善水质的作用,草地在较大尺度范围(≥5 km)与高锰酸盐指数存在负相关,流域内水体、耕地和不透水面面积的增加使得水体粪大肠菌浓度偏高的概率增加.(4)土地利用方式对水质的解释能力呈现出随缓冲区尺度增大而增强的态势,在河岸带10 km缓冲区尺度上,土地利用方式对水质的解释度最高,是湘江水质治理的有效尺度.研究显示,湘江流域重金属污染与其他污染驱动因素不同但区域差异均较明显,因此污染治理应分类和因地施策.

湖南城步十万古田泥炭地现生莎草δ^(13)C_(cell)观测

莎草是泥炭地中的常见植物,对其开展现代观测研究,可为利用泥炭岩芯开展古气候变化研究提供重要参照.2021年3月~2022年7月,对湖南城步十万古田(Shiwangutian,SWGT)泥炭地开放环境和林下环境的新生莎草嫩叶(SCNY)进行了大致的逐月采集,并对其开展了α-纤维素稳定碳同位素(δ^(13)C_(cell))测试.将获得的δ^(13)C_(cell)数据与原地观测的采样前1个月的气温、水温、降水量和相对湿度数据进行了相关分析.结果表明:(1)开放环境中,SCNY的δ^(13)C_(cell)与温度(包括气温和水温)均呈显著正相关关系,但是其与降水量和相对湿度并无显著相关性,表明温度是SWGT开放环境中莎草δ^(13)C_(cell)的主要环境控制因素;(2)林下环境中,SCNY的δ^(13)C_(cell)与气温、水温、降水量和相对湿度均无显著相关性,表明了局地环境对莎草δ^(13)C_(cell)的影响;(3)位于亚热带季风湿润地区的SWGT开放环境中的莎草δ^(13)C_(cell)研究结果,与中亚干旱区阿尔泰山哈拉沙子泥炭地(Sahara sand peatland,SSP)的研究结果具有一致性,暗示泥炭地莎草δ^(13)C_(cell)的确可能具有开展古温度变化研究的潜力.鉴于古温度,尤其是全新世古温度历史研究的重要性,对于泥炭地莎草δ^(13)C_(cell),尤其是高纬度和高海拔地区开放型泥炭地当中的莎草δ^(13)C_(cell),值得在将来开展更多更深入的研究工作.

南方红壤丘陵区规模化果园开发主要生态问题及全生命周期治理技术

果园在推动南方红壤丘陵区乡村振兴中发挥着中坚作用,并呈现规模化快速发展趋势。然而,果园开发过程中的系列生态问题成为其有序高效发展的重要障碍。为了缓解生态问题对果园开发造成的影响,促进南方红壤丘陵区生态与经济可持续发展,以全局观聚类分析国内外研究进展,总结出不合理开发、生物栖息地破碎化和营林不当等造成的水土流失、面源污染和低生物多样性是红壤丘陵区规模化果园开发三大主要生态问题,且在果园不同经营时期表现出的主次不同。基于全生命周期视角,将果园发展划分为规划建园期、幼林期、壮林期、老龄衰退期4个阶段,提出了相应的治理对策,包括合理留植育林、科学整地布施、优化坡面径流管理、快速植被覆盖、适时林下复合经营等,并配置了相关技术及参数。

表土δ^(13)C揭示C_(4)植物比C_(3)植物更易分解和消化

表层土壤中总有机碳(TOC)与相应上覆植物/植被之间的正/负δ^(13)C偏移量已被广泛报道,并被认为可能是由多种因素(如大气、气候和土壤因素)变化引起的。开展更大空间尺度的研究,可以更好地揭示其主导因素。本文对中国内陆空间跨度数千公里的107个样点的表土和食草动物粪便样品进行了采集,对表土TOC、表土中分离出来的植物残体全样(PL)、食草动物粪便全样(HF)、表土植物残体和食草动物粪便中提取的α纤维素(α-cellulose)开展了δ^(13)C分析测试。数据分析显示,表土TOC与表土中植物残体全样之间的δ^(13)C偏移量(Δ^(13)C_(TOC-PL))和食草动物粪便全样与表土中植物残体全样之间的δ^(13)C偏移量(Δ^(13)C_(HF-PL))均与δ^(13)C_(PL)呈负相关关系。同样,食草动物粪便α纤维素与表土中植物残体α纤维素之间的δ^(13)偏移量(Δ^(13)C_(HF-PL-cell))也与δ^(13)C_(PL-cell)呈负相关关系。对这些负相关关系最合理的解释是,在表土中的分解过程和食草动物体内的消化过程中,C_(4)植物的分解/消化速度比C_(3)植物更快。研究结果表明,基于现代表土、沉积物和动物残骸δ^(13)C数据估算的C_(4)植物相对丰度,可能被普遍低估,在以后的相关研究当中应当予以适当考虑和评估。

中亚热带典型植物群落下表土植硅体组合及其保存特征

现生植被与植被代用指标的对应关系是准确复原历史时期植被面貌的基础,本研究系统分析了中亚热带地区隶属于森林(常绿阔叶林、常绿/落叶阔叶混交林和落叶阔叶林)、灌丛和草本群落的39个样点的植物群落及其对应表土植硅体的组合特征和保存特性,共鉴定出32种植硅体类型。结果表明,森林、灌丛、草本群落及其相应表土间的植硅体组合特征均具有明显差异。其中,森林群落以短细胞植硅体、扁平状和硅化气孔为主,灌丛群落中短细胞植硅体、扁平状和棒型较多,而草本群落则以短细胞植硅体、棒型和尖型为主。同时,不同植物群落下表土植硅体组合表现出与其地上植物群落相似的特征,且依据表土植硅体组合可以在一定程度上定量区分不同植物群落。此外,基于保存指数(R值),发现不同植物群落下表土植硅体的保存明显不同,其中,森林群落保存最好、灌丛群落其次、草本群落最差;且森林群落中常绿阔叶林中植硅体的保存好于落叶阔叶林、常绿/落叶阔叶混交林与落叶阔叶林相近。表土中不同类型植硅体的保存也具有明显差别,扇型、块状和尖型在土壤中保存较好,短细胞植硅体、棒型和扁平状保存适中,硅化气孔、表皮植硅体和毛发状保存较差。因此,本研究不仅有助于理解表土中植硅体的埋藏机制,也可为中亚热带地区基于植硅体的古植被重建精度的提高提供重要依据。