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长江经济带市域生态环境质量空间分异与影响因素分析——基于三生空间的土地利用转型
田成诗, 孙瑞欣
2023, 32 (7): 1173-1184. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.001
摘要256)   HTML44)    PDF (2376KB)(255)   

随着城镇化和工业化进程加快,长江经济带土地利用主导功能发生较大转变,生产、生活、生态空间(“三生空间”)转型对生态环境质量的影响日益增强,从“三生空间”角度研究长江经济带生态环境质量对于推动长江经济带高质量发展意义重大。基于土地利用遥感监测数据,通过生态环境质量指数模型、地理探测器等方法,定量分析长江经济带130个地级市生态环境质量的空间分异及其影响因素。结果表明,(1)2000-2020年长江经济带生态环境质量处于中等以上,其中2000-2010年生态环境质量等级保持不变,主要有中等和较高质量两种类型;2010-2020年生态环境质量等级发生变化,中等质量区和较高质量区面积减少,高质量区面积增加。(2)生态环境质量空间分布存在明显差异。长江经济带生态环境质量整体呈“东北部低、西部、中部和东南部高”。2000-2010年生态环境质量空间分布一致。2010-2020年多数地区的生态环境质量等级上升,主要趋势为中等质量转化为较高质量、较高质量转化为高质量。(3)不同因子对生态环境质量空间分异的影响程度具有显著差异。土地利用程度、人口密度和坡度对生态环境质量的影响占主导地位,对生态环境质量空间分异的解释力q值分别为0.776、0.409、0.406,其他因子对生态环境质量空间分异的影响相对较弱。(4)任意两因子间的交互作用均大于单因子对生态环境质量空间分异的影响,且土地利用程度与其他因子的结合是影响长江经济带生态环境质量空间分异的最主要因素。

中国不同气候类型森林土壤微生物群落结构及其影响因素
姜懿珊, 孙迎韬, 张干, 罗春玲
2023, 32 (8): 1355-1364. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.08.001
摘要248)   HTML52)    PDF (1769KB)(261)   

森林土壤微生物决定了森林生态系统的能量流动和物质循环,研究其群落结构和影响因素对于维持生态系统稳定性和应对全球气候变化具有重要意义。磷脂脂肪酸(PLFAs)因其仅在活体微生物中存在的特性,可以作为生物标志物直观反映土壤中不同种类微生物群落的生物量和群落结构。以土壤微生物为对象,采用PLFA方法,分析了中国全部6种气候类型中天然森林土壤中微生物的群落结构、生物量和理化性质,并采用相关分析和冗余分析方法分析了影响微生物群落结构的主要因素。结果表明,6种气候类型中,土壤容重、土壤pH、土壤凋落物碳质量分数、土壤有机碳质量分数、土壤总氮质量分数、土壤碳氮比和土壤总磷质量分数存在显著差异。真菌群落生物量在6种气候类型中存在显著差异,随气候类型从寒带-温带-热带变化中呈现先升后降的趋势。暖温带土壤真菌与细菌比值最高(0.7),显著高于亚热带、热带土壤(0.4-0.5)。热带土壤和高原土壤的革兰氏阳性与阴性菌比显著高于其他气候类型(1.3-1.5),亚热带土壤最低(0.7)。气候(年均温、年降水量)和土壤理化性质(土壤pH、土壤容重、土壤总氮质量分数和土壤有机碳质量分数)与PLFAs质量分数所代表的土壤微生物生物量和群落结构呈现显著相关关系(P<0.01)。综上,在中国6种气候类型中,森林土壤中总PLFAs所代表的生物量差异不大,但土壤的理化性质和微生物群落结构差异显著。森林土壤微生物群落结构最主要影响因素是年均温、年降水量和土壤pH值。

福岛核事故后2011-2012年舟山渔场生物样品中 137Cs的分布及剂量评估
姚志鹏, 王锦龙, 毕倩倩, 黄德坤, 于涛, 杜金洲
2023, 32 (4): 715-721. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.04.009
摘要232)   HTML6)    PDF (819KB)(331)   

2011年3月日本福岛发生核事故至今已有10余年,日本政府于近期决定将事故产生的核废水排入海洋,而海洋鱼类可以吸收和积累人工放射性核素而成为人工放射性物质的携带者与传播者,因此,对海洋鱼类中人工核素包括137Cs的监测就十分重要。为了解福岛核泄漏发生以及日后核废水稀释排入海洋后137Cs在中国东海的污染影响情况,于2011-2012年在东海舟山渔场海域采集了包括鲳属(Pampus)、小黄鱼(Pseudosciaena polyactis)、带鱼(Trichiurus haumela)、鮟鱇科(Lophiiformes)、红娘鱼属(Lepidotrigla)、舌鳎属(Cynoglossus)、日本对虾(Penaeus japonicus)、毛蚶(Scapharca subcrenata)和中华绒螯蟹(Eriocheir sinensis)在内的海洋生物样品,利用高纯锗伽马能谱仪对137Cs进行分析。发现137Cs的质量活度为<0.11-1.2 Bq?kg?1,略低于美国西海岸和北太平洋渔场(6-36 Bq?kg?1),明显低于福岛附近海域(5-1200 Bq?kg?1)。137Cs在研究区域生物样品中的生物浓缩系数为 (2.7-20)×102 L?kg?1,是仅次于福岛排污废水中14C的生物浓缩系数(~104 L?kg?1)。居民食用中国东海的海产品带来的辐射剂量为0.039-0.45 μSv?a?1,明显小于美国西海岸、北太平洋渔场和福岛附近海域。研究表明,137Cs在鱼类中生物浓缩系数较高,因此,需要加强海洋中不同种群的鱼类中人工核素(包括137Cs)含量的监测,以评估日本排放核废水对海洋环境、生物以及人类健康的影响。该研究是福岛核事故刚发生后对中国近海渔场海洋生物体内137Cs剂量水平的一次调查,为今后调查福岛核事故以及核废水排放的人工放射性物质对中国近海渔场的后续影响提供了基础资料。建议对中国近海和中国传统的太平洋渔场进行连续性调查,特别是处于福岛东北部海域的北太平洋渔场的调查,因黑潮延伸体可以将福岛排污水直接输送至该区域。

大围山高山湿地植物多样性与区系组成研究
李阳, 侯志勇, 陈薇, 于晓英, 谢永宏, 黄鑫, 谭佩阳, 李继承, 黎尚林, 杨辉
2023, 32 (4): 643-650. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.04.001
摘要219)   HTML28)    PDF (899KB)(166)   

高山湿地在水源涵养、固碳、碳循环、保护生物多样性、生态系统恢复与重建等方面,具有重要的生态价值。湖南大围山国家森林公园具有丰富的高山湿地资源,具有较高的研究价值,但目前关于大围山高山湿地的相关研究还鲜有报道。通过实地调查,对大围山高山湿地植物的多样性和区系组成进行分析。结果表明,(1)大围山高山湿地植物共有59科103属126种,其中被子植物共计51科94属115种,优势科为禾本科、菊科、蓼科、蔷薇科、莎草科。(2)植物群落共计24个,Simpson多样性指数(D)值为0.331-1,Shannon-Wiener多样性指数(H)值为0-1.25,Pielou均匀度指数(E)值为0-0.998,物种丰富度(R)指数为1-6。(3)湿地植物物种丰富度与海拔呈单峰分布格局,即植物多样性随海拔的升高先增加后减小。(4)大围山高山湿地植物在科、属的区系组成上存在差异。从科的总体结构上看,世界广布类型具有26科,占总科数的49.1%;温带成分共计12科,占总科数的22.6%。从属的总体结构上看,世界广布共计24属,占总属数的24.7%;温带成分共计47属,占总属数的48.5%。总的来说,大围山高山湿地资源丰富,但由于人类活动干扰,如旅游活动等,部分湿地未得到有效保护,导致湿地部分旱化,面积萎缩等现象的出现。研究结果可为大围山高山湿地的生态恢复和保护提供基础数据支撑和科学依据。

2001-2020年内蒙古植被碳源/碳汇时空动态及对气候因子的响应
郝蕾, 翟涌光, 戚文超, 兰穹穹
2023, 32 (5): 825-834. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.05.001
摘要216)   HTML45)    PDF (4351KB)(264)   

掌握植被动态及其对气候变化的响应,对于提升全球变化背景下陆地生态系统的固碳能力至关重要。内蒙古作为中国北方的重要生态屏障,是气候和生态系统最为多样化的省份之一。虽然已有研究表明植被碳源/碳汇与气候变化密切相关,但这种响应在生态脆弱且包含多种生态过渡带与植被类型的内蒙古,是否存在及如何响应尚不清楚。以净生态系统生产力(NEP)为固碳评估指标,基于遥感植被指数数据、土地覆被数据和气象观测数据,采用净初级生产力和土壤呼吸模型估算了2001-2020年内蒙古植被碳源/碳汇,并通过实测数据验证,重点研究了不同植被类型NEP的时空变化及其对降水、温度和太阳辐射等3种典型气候因子的响应。结果表明,(1)内蒙古植被碳源/碳汇有明显的时空异质性,植被NEP由东北向西南逐渐降低,平均NEP为C 61.2 g·m-2;不同植被类型的NEP有显著差异,森林、草地和耕地的年均NEP分别为C 270 g·m-2、54.7 g·m-2、140 g·m-2。(2)2001-2020年,内蒙古陆地生态系统碳汇呈上升趋势,但存在一定波动,其中森林和草地NEP呈上升趋势,而耕地NEP呈下降趋势。不同植被类型按照其NEP均值由大到小排序依次为森林、耕地、草地。(3)不同植被类型NEP对气候因子的响应存在显著差异,耕地NEP主要受太阳辐射的影响,草地NEP受降水和太阳辐射的共同控制,森林NEP受3种气候因子的共同影响。该研究对于评估内蒙古陆地生态系统碳平衡,以及对评价生态系统的固碳能力和研究其碳循环机制具有重要的意义。

中国生态用地碳汇时空演进及综合分区研究
高威, 李强, 蒲雨池, 吕军骁, 江婉婷
2023, 32 (9): 1537-1551. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.001
摘要215)   HTML30)    PDF (4421KB)(293)   

生态用地碳汇为从增汇角度实现“双碳”目标提供重要途径,综合分区优化对促进生态保护与经济高质量发展融合具有重要指导意义。在测算中国31省(市、区)各类生态用地碳汇总量及单位面积碳汇量的基础上,运用探索性空间数据分析、核密度估计,探究2000-2020年生态用地碳汇空间集聚特征和时空演进趋势,并基于碳汇与绿色GDP的脱钩关系和协调状态构建综合分区,结合重要生态功能区分布开展优化治理。研究表明,1)研究期内生态用地碳汇总量呈波动上升态势,年均增速为0.077%;在空间上呈显著的集聚效应,湖南、贵州、广西属于高-高集聚区,形成高值辐射中心,山东属于低-低类型,为低值塌陷区。2)生态用地碳汇总量空间差异明显,高碳汇区碳汇能力强于其他地区;核密度估计显示高碳汇区和低碳汇区碳汇呈增加趋势,中碳汇区保持相对稳定,且三者均存在区内集聚特征。3)单位国土面积生态用地碳汇与单位生态用地面积碳汇均以高-高集聚类型和低-低集聚类型为主,呈现出较强的空间集聚特征,尤其南部地区的省(市、区)具有单位面积生态用地碳汇优势和潜力。4)生态用地碳汇与绿色GDP两者以脱钩和多元协调状态为主,大部分省(市、区)单位面积生态用地碳汇处于多元协调区,重要生态功能区的碳汇积极作用显现。研究结果为改善生态用地碳汇能力和潜力,推进生态领域实现“双碳”目标提供有益参考。

基于机器学习算法的干旱区绿洲地上生物量估算
王雪梅, 杨雪峰, 赵枫, 安柏耸, 黄晓宇
2023, 32 (6): 1007-1015. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.06.001
摘要213)   HTML429)    PDF (3163KB)(394)   

植被地上生物量是反映陆地生态系统固碳能力的重要指标,利用遥感技术开展干旱区植被地上生物量估算与空间反演,可为荒漠绿洲生态系统的健康评价与碳储量估算提供重要依据。以野外调查和实地采样数据为基础,利用Landsat 8 OLI多光谱影像提取的7个植被指数和13个波段变量构成4种建模变量组合,采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)、反向传播神经网络(Back Propagation Neural Network,BPNN)、极端梯度提升(eXtreme Gradient Boosting,XGBoost)和随机森林(Random Forest,RF)这4种机器学习算法对新疆渭干河-库车河三角洲绿洲地上生物量进行遥感估算和空间反演。结果表明,(1)由波段变量和随机蛙跳算法优选变量构建的植被地上生物量反演模型,其估测精度明显优于全变量和指数变量,预测能力更为稳定。与SVM和BPNN算法相比,XGBoost和RF算法构建的模型具有更好的估测效果,能更准确地估算研究区植被地上生物量。(2)在构建的估测模型中,波段变量结合RF算法模型的精度最高,稳定性最强,其建模集和验证集的决定系数分别为0.898和0.742,平均绝对误差分别为82.1 g·m-2和79.2 g·m-2,均方根误差为110.8 g·m-2和132.1 g·m-2,相对分析误差均大于1.8,模型拟合效果最佳。(3)研究区植被地上生物量的空间分异较为明显,整体呈现出绿洲区高,荒漠区低,由绿洲内部向绿洲外围逐渐降低的变化趋势。与其他3种机器学习算法相比,随机森林算法构建的估测模型具有良好的估测能力和稳定性,可准确估算干旱区绿洲地上生物量。同时,基于最优变量组合的机器学习算法模型为地上生物量反演提供了科学依据。

青海湖流域生态风险评价及生态功能分区研究
李惠梅, 李荣杰, 晏旭昇, 武非非, 高泽兵, 谭永忠
2023, 32 (7): 1185-1195. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.002
摘要168)   HTML33)    PDF (2287KB)(344)   

将生态风险结合生态重要性区域进行生态功能分区,是缓解人类活动与生态保护矛盾的重要手段。气候变化和旅游对青海湖流域产生了生态风险的威胁,借助GIS空间技术,在生态系统服务的重要性和敏感性评价基础上,遵循压力点-暴露框架,基于压力-状态-响应模型评估了青海湖流域的生态风险,进行生态功能分区并提出管控建议。结果表明:(1)流域生态风险空间分布格局两级分化明显,高风险面积为7.77×103 km2,占流域面积的26.4%,集中在环青海湖地区及刚察县城;低风险区面积为12.7×103 km2,占流域面积的43.1%,主要是流域的水体及草地覆盖区;(2)流域生态系统服务重要性空间格局具有异质性,高值区面积为7.77×103 km2,占流域面积的26.4%,主要包括水体、湖泊、山林和高寒草地覆盖度高的生态区;低值区主要是环湖地区、高海拔地区和城镇扩张明显地区;(3)国家公园的功能区划不仅要考虑生态保护,还要考虑居民的生产生活需求和社区发展的需要,采用功能分区优化以充分体现“生态保护优先和高质量发展”。将高度重要区和高风险区整合为生态红线区,以最大程度保持区域内生态系统的原真性和完整性;将低/中风险区和轻度/中等重要区化为优先开发区,高风险区和较重要区的叠加为生态开发区,是未来国家公园运营过程中的生态畜牧业和生态旅游业发展区;剩余区域规划为保护发展过渡区,是未来的缓冲空间。该分区方案旨在尝试缓解生态保护与发展的矛盾,以有助于推动青海湖国家公园建设,为自然保护地的生态功能区规划提供了新思路,也为区域可持续发展提供科学参考。

渭河流域地表植被覆盖对气候变化的响应研究
巫晨煜, 许帆帆, 魏士博, 樊晶晶, 刘观鹏, 王坤
2023, 32 (5): 835-844. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.05.002
摘要158)   HTML16)    PDF (2774KB)(112)   

气候变化通过改变植物生长环境,从而影响植物生长。了解植物与气候之间的内在关系,长期动态监测和评估植被覆盖情况至关重要,同时有利于深刻理解生态恢复机制。渭河流域地理位置特殊,生态环境脆弱,在其周围及黄河下游生态环境保护中有重要地位。为揭示植被时空变化格局以及对气候变化的响应,以渭河流域作为研究对象,采用差值法、线性回归斜率法及相关系数法分析2000-2019年渭河流域在不同气候分区下NDVI分布特征及NDVI与降水、气温的相关性和滞后性。研究结果显示:(1)2000-2019年,渭河流域NDVI呈波动上升的趋势,各分区NDVI增长率表现为半干旱区 (0.0538/10a)>半湿润区 (0.0443/10a)>干旱区 (0.0366/10a);(2)2000-2009年、2009-2019年NDVI均表现为改善态势,但2009-2019年改善程度减缓,斜率从0.0727/10a降低为0.0351/10a,差值法改善区面积由98.20%降低到86.12%,线性回归斜率法改善区面积由87.69%减小到61.86%;(3)在季尺度、月尺度上,与降水相比,气温对渭河流域植被生长影响更为显著;(4)渭河流域及其各分区(除干旱区短期气温对NDVI的滞后效应)NDVI与降水、气温双向滞后效应在短期(1-3月)与长期(3-6月)同时存在。在不同气候分区下,NDVI与降水双向滞后效应表现出1-3月为正,3-6月为负的特征;NDVI对气温的滞后效应表现为1-3月为正,4-6月为负;气温对NDVI的滞后效应1-2月为正,3-4月为负。

农用地土壤中邻苯二甲酸二乙基已基酯的污染现状及生态风险评估
胡习邦, 关晓彤, 谢紫霞, 张修玉
2023, 32 (12): 2083-2093. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.12.001
摘要158)   HTML37)    PDF (806KB)(197)   

邻苯二甲酸二乙基已基酯(Diethylhexyl phthalate,DEHP)广泛存在于各种环境介质中,且非常容易累积在土壤环境中,通过多种途径进入生态系统循环,并沿着食物链传递影响人体健康。中国尚未出台DEHP基于农用地安全的生态阈值基准,因此,开展DEHP农用地土壤生态风险和生态安全等研究非常必要。通过从国内外数据库和相关文献中筛选出土壤酶反应活性、植物、无脊椎动物和脊椎动物等15种为代表性物种陆地生物最敏感测试终点毒性数据,应用物种敏感性分布(Species Sensitivity Distribution,SSD)方法构建了DEHP对陆生生物的SSD曲线;计算了DEHP对不同陆生生物的5%危害浓度(HC5),分析比较DEHP对不同生物类别的毒性敏感性差异及其特征,并利用风险商(RQ)评价了中国不同地区土壤环境DEHP对不同生物类别的生态风险。结果表明,中国不同地区农用地中DEHP的污染程度差异较大,其平均质量分数范围为0-18.3 mg∙kg−1,平均质量分数较高的地区从高到低依次为:青岛 (18.3 mg∙kg−1)>贵州 (14.3 mg∙kg−1)>广州 (8.87 mg∙kg−1)>大连 (2.84 mg∙kg−1)>杭州 (1.48 mg∙kg−1)>南京 (1.37 mg∙kg−1)>重庆 (1.04 mg∙kg−1)。基于发育、繁殖和行为等慢性毒性数据推导出的预测无效应浓度(PNEC)为1.24 mg∙kg−1;各地区的DEHP慢性毒性的风险商值范围为0-14.7,中国不同地区土壤存在一定的生态风险差异,青岛、贵州等地调查点农用地土壤生态风险商(RQ)较高,分别为14.7、11.5,表明生态风险较高,但大部分地区生态风险较低。该研究通过采用SSD方法推导DEHP农用地生态环境基准,可为农用地土壤生态风险评估与管控提供技术支持。

1983-2020年西南地区气象干旱时空演变趋势及干旱事件识别
葛元凯, 赵龙龙, 陈劲松, 任彦霓, 李洪忠
2023, 32 (5): 920-932. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.05.010
摘要155)   HTML12)    PDF (8202KB)(199)   

全球变暖背景下,区域干湿变化特征不确定性增强,研究不同时间尺度下气象干旱的时空演变趋势并对干旱事件热点区域进行识别,对农业生产和防旱减灾具有重要意义。基于生成的西南地区1983-2020年5.5 km的长时序多时间尺度标准化降水蒸散指数(SPEI)面状数据,构建了干旱最长持续月数Maxmon、年均干旱月数Meanmon、干旱事件次数CDE和干旱事件平均持续月数MMDE 4个指标(干旱事件定义为至少连续3个月1月尺度的SPEI≤-1),并分3个时间尺度(38 a、18 a和10 a)研究了西南地区气象干旱趋势及干旱事件时空演变特征。结果显示:(1)西南地区容易发生月度干旱和季节干旱,1983-2020年整体呈阶段性干湿波动,1983-2000年四川南部和2001-2010年云南南部显著变干,2011-2020年全区整体以变湿为主;(2)构建的干旱强度指标Maxmon和Meanmon可有效反映西南地区气象干旱的易感性及其空间分布,Maxmon显示云南、四川约50%以上的区域易发生至少连续5个月的持续干旱,Meanmon显示3个时段内云南的平均干旱强度呈持续增强趋势,而四川、重庆和贵州呈先增强后减弱的趋势;(3)构建的干旱事件指标CDE和MMDE可有效识别不同时段内干旱事件的热点区域,1983-2000年干旱事件的热点区域位于四川北部,2001-2010年位于云南中部,2011-2020年位于云南中部、北部和四川南部,云南省在2001-2010年干旱事件最严重,平均MMDE可达4.70月/次。该文生产的SPEI高分辨率产品可提供精细化的气象干旱分布信息,基于长时序SPEI构建的干旱强度和干旱事件指标可有效识别西南地区气象干旱的常发区和干旱事件的热点区。

山地岩溶区生态系统服务时空演变特征分析——以贵州省为例
徐梓津, 张雪松, 陈明曼
2023, 32 (7): 1196-1206. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.003
摘要153)   HTML14)    PDF (4038KB)(179)   

从水平空间与纵向空间对山地岩溶区开展长时序的生态系统服务演变研究可以增进对山地岩溶区生态系统发展演变规律的理解,为山地岩溶区生态保护政策和石漠化防止措施的制定提供科学参考,对区域可持续发展具有重要意义。基于InVEST模型,实现了2000-2020年研究区陆地生态系统服务产水量、土壤保持与生境质量功能的定量评估,并揭示研究区在水平空间和纵向空间的生态系统服务功能变化特征,更为立体的了解山地岩溶区生态系统服务功能变化特点。研究结果表明,(1)2000-2020年,研究区土地利用类型变化最大的为建设用地,变化最小的为耕地。(2)从水平空间看,不同土地利用类型的产水量、土壤保持及生境质量功能存在显著差异。2000-2020年间,研究区裸地的单位面积产水量最高,林地单位面积产水量最低。土壤保持功能则与之相反,表现出林地单位面积土壤保持量最高而裸地单位面积土壤保持量最低。建设用地与裸地的生境质量均较低。(3)从纵向空间看,产水量、土壤保持和生境质量功能在不同海拔等级具有显著的空间异质性。2000-2020年,研究区产水量与土壤保持功能均表现出随海拔升高而波动式降低的变化特点;生境质量随海拔上升呈现出先下降后上升(浅U型)的分布特征。(4)根据研究结果,研究区生态保护及石漠化防治政策和措施应重点关注裸地、建设用地和林地,同时也应关注不同海拔等级各类生态系统服务功能变化特点,必要时可以对高海拔和低海拔区域实施有差别的生态保护措施。这些发现可为山地岩溶区的生态可持续性提供更切实可行的措施,并为其他类似地区提供参考。

亚硝酸盐对厌氧氨氧化耦合系统的脱氮效能及微生物群落的影响
梁燚彤, 李泽敏, 吴宇伦, 邱光磊, 吴海珍, 韦朝海
2023, 32 (7): 1275-1284. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.010
摘要146)   HTML15)    PDF (1554KB)(111)   

在连续流反应器中,逐步增加$\mathrm{NO}_2^{-}$的浓度,构造阶梯积累比例,对过程调控与稳态运行具有积极意义。考察了耦合系统的脱氮性能和微生物群落的响应特征,探究$\mathrm{NO}_2^{-}$对厌氧氨氧化(Anammox)耦合自养反硝化(AuDen)系统中厌氧氨氧化菌(AnAOB)和硫自养反硝化菌(SOB)相互作用的长期影响及反应机制。有效容积为2.50 L的厌氧生物流化床(AFBR)连续140 d的运行结果表明,与对照组($\mathrm{NO}_2^{-}$=0)相比,随着所积累$\mathrm{NO}_2^{-}$浓度的增加,耦合系统的脱氮效率(NRE)及Anammox对总氮(TN)去除的贡献百分比显著提高,$\mathrm{SO}_4^{2-}$的实际产生值/理论值明显减小,这说明了所积累的$\mathrm{NO}_2^{-}$能够促进AnAOB与SOB之间的协同,提高了耦合系统TN的去除能力。在氮含量相同的情形下,存在$\mathrm{NO}_2^{-}$积累的环境能够使系统脱氮效率从80.3%±3.2%提高至88.1%±3.4%,Anammox对TN去除的贡献从81.7%±2.4%提高至92.5%±2.3%。上述过程的高通量测序结果显示,随着$\mathrm{NO}_2^{-}$浓度的增加,主要功能微生物(ThiobacillusCandidatus kueneniaDesulfurivibrio等)的相对丰度维持稳定或上升,水解菌(SM1A02、1013-28-CG33、SC-I-84等)的相对丰度也上升,而其他功能微生物的相对丰度下降,证明了存在$\mathrm{NO}_2^{-}$积累的水质环境能够优化耦合群落的结构和功能。典型相关性分析(CCA)表明,$\mathrm{NO}_2^{-}$浓度与Ca. kuenenia的丰度(P=0.539)呈负相关,而与Thiobacillus的丰度(P=0.00533)呈正相关,所积累的$\mathrm{NO}_2^{-}$与Anammox、AuDen对总氮去除的贡献均为正相关关系(P=0.00767)。总体而言,所发现的$\mathrm{NO}_2^{-}$在Anammox+AuDen耦合反应体系中的浓度-诱导-适应机制,演绎了如下规律:环境决定了微生物种群的结构与功能,相反,微生物种群也会通过结构调整来适应及影响它们的环境。

秸秆还田下中国农田土壤微生物生物量碳变化及其影响因素的Meta分析
唐志伟, 翁颖, 朱夏童, 蔡洪梅, 代雯慈, 王捧娜, 郑宝强, 李金才, 陈翔
2023, 32 (9): 1552-1562. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.002
摘要146)   HTML21)    PDF (993KB)(207)   

秸秆还田能改变农田土壤微生物生物量碳(Soil Microbial Biomass Carbon,SMBC)含量,分析秸秆还田条件下SMBC含量变化及其相关影响因素,对理解秸秆还田下土壤养分周转与碳循环机制具有重要意义。基于中国知网和Web of Science数据库2001-2022年公开发表的68篇文献,建立了839组包含秸秆还田和秸秆不还田下SMBC含量的数据库,按照气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量进行分组,采用Meta分析对秸秆还田条件下SMBC含量变化的特征进行综合分析。结果表明,与秸秆不还田相比,1)秸秆还田显著提升SMBC含量(51.4%,置信区间为0.373-0.654),且对不同土层SMBC含量的提升效果不同,浅层和深层SMBC含量分别提升47.9%和42.7%。2)秸秆还田下温带季风气候区和亚热带季风气候区SMBC含量分别增加71.0%和35.8%,但在温带大陆气候区对SMBC含量影响表现出显著负效应,降低幅度为35.6%。3)不同耕作方式下旋耕(99.2%)对SMBC含量的增幅影响最为明显,约为常规耕作和免耕下的2.4倍和4倍。4)旱地秸秆还田SMBC含量的增幅明显高于稻田。玉米秸秆对SMBC含量的响应度最高,增幅达到99.5%,水稻秸秆次之,增幅为30.8%;小麦秸秆最低,降低幅度为5.8%。5)施氮量对SMBC含量增幅在−34.5%-183.9%之间,0-100 kg•hm−2和101-225 kg•hm−2施氮量下秸秆还田可显著提升SMBC含量,而在226-325 kg•hm−2和326-425 kg•hm−2施氮量下秸秆还田对SMBC含量的影响表现出显著的负效应;6)对于秸秆还田量而言,当秸秆还田量 <4500 kg•hm−2时增幅52.60%,4500-9000 kg•hm−2时增幅47.7%,>9000 kg•hm−2时增幅44.2%,但SMBC含量的增幅表现出随着秸秆还田量的增加呈递减趋势。由此可见,不同的气候类型、种植方式、耕作方式、秸秆种类、施氮量、秸秆还田量等条件下,秸秆还田对中国农田SMBC含量的影响存在显著差异。

两种生物炭对滨海盐碱土的改良效果
赵维彬, 唐丽, 王松, 刘玲玲, 王树凤, 肖江, 陈光才
2023, 32 (4): 678-686. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.04.005
摘要142)   HTML10)    PDF (813KB)(139)   

近年来,生物炭作为土壤改良剂在降低盐碱土壤盐分、养分流失和改善土壤性质方面具有良好表现。为更好发挥生物炭在盐碱土壤改良方面的应用潜力,选用骨炭(AB)和竹炭(PB)为改良材料,以浙江省台州市重度滨海盐碱土为研究对象,设置4种不同施用量(0、2%、5%、8%,w/w),通过室内土培实验,研究并分析骨炭和竹炭这两种生物炭在不同施用量下对滨海盐碱土壤的理化性质和养分含量的影响效果及可能规律,以筛选最佳处理,为生物炭应用于滨海盐碱土壤改良提供基础科学依据。结果表明,两种生物炭对盐碱土均具有一定的改良效果,(1)随骨炭施用量增加,盐碱土的土壤有机质(SOM)、总氮(TN)、总磷(TP)、碱解氮(AN)和有效磷(AP)含量呈现上升的趋势,添加2%—8%的骨炭,较对照(CK)相比分别提高了43.9%-125%、61.1%-238%、632%-1973%、49.3%-155%和42.9%-89.2%;(2)随竹炭施用量增加,土壤理化性质得到明显改善,添加8%的竹炭时,土壤含水量、孔隙度和阳离子交换量(CEC)较对照(CK)提高了8.37%、1.59%和179%,土壤容重和含盐量降低了6.03%和22.7%,土壤SOM含量显著提升了535%。综上,两种生物炭均能起到改善盐碱土壤结构和提高土壤持水能力、降低土壤盐碱程度并抑制土壤养分流失的作用,其中,骨炭适用于提高盐碱土壤的孔隙结构和养分含量,而竹炭有更强的提升盐碱土壤的理化性质的能力。考虑到经济成本和施用效果,5%施用量的骨炭是进行滨海盐碱土养分含量及有效性的改良的理想选择,5%施用量的竹炭是改良盐碱土壤理化性质的理想选择。

福建省森林植被NEP时空变化及影响因子分析
翁升恒, 张玉琴, 姜冬昕, 潘卫华, 李丽纯, 张方敏
2023, 32 (5): 845-856. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.05.003
摘要137)   HTML21)    PDF (4743KB)(210)   

不断加剧的气候变化和人类活动增加了区域生态系统碳循环研究的不确定性。净生态系统生产力(NEP)能够定量描述陆地生态系统与大气间的碳交换量,探究区域生态系统NEP的时空变化及对气象、植被等因子的响应有助于明晰区域生态系统碳收支状况和应对气候变化。基于TEC模型和生态系统呼吸模型评估了福建省森林2000-2020年NEP时空格局,并借助地理探测器和贡献率方法探究了福建省NEP时空变化的主要驱动因子。结果表明:(1)2000-2020年福建省森林多年年均NEP为528 g·m-2,呈极显著的增强趋势。空间分布规律为“高值主要分布在福建南部的内陆地区,低值主要分布在中北部和南部沿海地区”,约48.3%的地区NEP呈显著上升趋势,主要分布在福建省的中部偏西南地区,而仅有1.00%的地区呈显著下降趋势;(2)空间分布上,影响福建省森林NEP的空间分异的主要因子为植被、地形和气象要素。归一化植被指数对森林NEP空间分布的影响最大,是影响福建省森林NEP空间分异的主要驱动因子,其次是地形和太阳辐射,高程的最适区间为891-1491 m,而辐射的最适区间为128-130 W·m-2。与单因子相比,双因子间的相互作用均增强了对NEP空间分布的影响,其中归一化植被指数与太阳辐射的交互作用对NEP解释力最强;(3)时间变化上,气候与植被因子综合解释了福建省森林NEP年际变化的46.7%,其中归一化植被指数的升高是NEP多年变化的主导因素,而气象因子的变化均对NEP的上升趋势起到了负抑制作用,这说明在“双碳”建设时需要有效提高植被对气候变化的适应能力。

稻田土壤氮循环与砷形态转化耦合的研究进展
朱忆雯, 尹丹, 胡敏, 杜衍红, 洪泽彬, 程宽, 于焕云
2023, 32 (7): 1344-1354. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.017
摘要126)   HTML10)    PDF (887KB)(139)   

中国稻田砷污染问题突出。淹水厌氧条件下,五价砷被微生物还原为活性较高的三价砷,易于被水稻吸收积累,从而威胁人类健康。另一方面,水稻生产需要施用大量的氮肥,水稻土中氮素氧化还原活性高,对稻田砷形态转化具有重要影响。文章在系统总结稻田土壤氮循环主要过程及功能微生物特征、稻田干湿交替条件下砷形态转化及相关功能微生物等国内外研究现状的基础上,深入分析了稻田土壤氮循环过程(硝化作用、反硝化作用、厌氧氨氧化、铁氨氧化以及硝酸盐异化还原成铵等)对水稻土砷迁移转化的影响及关键环境因子,总结出硝化和反硝化作用有利于砷的吸附固定;而厌氧氨氧化、铁氨氧化及硝酸盐异化还原成铵,可促进砷的还原释放。此外,反硝化作用可耦合砷脱甲基化过程,从而提高砷的毒性。其中,水稻土中铁氧化还原过程扮演重要角色,其可作为氮循环影响砷迁移转化的桥梁。比如,硝酸盐抑制铁还原有利于砷的吸附;硝酸盐还原耦合亚铁氧化生成氧化铁矿物,促进砷的吸附固定;铁氨氧化促进铁还原有利于吸附态砷的还原释放。基于以上的总结,认为不同氧化还原条件下土壤氮循环过程及其与砷形态转化的耦合机理,水稻土中铁氨氧化反应的主要功能微生物及该过程对砷迁移转化的贡献,以及如何定向调控氮循环耦合砷转化过程,是今后该领域需要关注的重要科学问题和主要发展趋势。以上科学问题的解决,可为稻田砷污染控制技术的研发提供重要理论支撑,同时为稻田合理施氮降低稻米砷风险提供科学依据。

大气环境中全(多)氟烷基化合物(PFASs)的来源、分布及健康风险研究进展
李姝亭, 胡冠九, 罗小三
2023, 32 (12): 2103-2114. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.12.003
摘要125)   HTML12)    PDF (2902KB)(102)   

全氟和多氟烷基化合物(PFASs)是一类极具多样性的新型持久性有机污染物,用途广泛、性质复杂且具有毒性,其环境污染导致的生态和健康危害问题引起了广泛关注。已有综述主要总结了土壤、水体中PFASs的来源和分布,缺乏对大气环境中PFASs污染来源、时空分布及人体健康风险评价的系统归纳,该文对此进行了概括和分析。PFASs可通过含氟聚合物的工业生产和应用、消费品使用、废弃物处理以及土壤和水环境中的挥发和升华过程进入大气环境,易在颗粒物中富集。大气颗粒态PFASs的质量浓度在不同地区和季节间存在显著差异,工业活动、人口密度、气象条件等是主要影响因素,通常在暖季广泛分布但质量浓度较低,冬季则质量浓度较高且多集中于排放源附近。近10年来,中国大气PFASs浓度下降明显,但其种类显著增多,主要归因于政策措施向PFASs替代品生产转型的影响。大气PFASs可通过呼吸暴露、皮肤接触和口腔摄入等途径进入人体从而造成健康风险,目前主要采用吸入暴露评估模型对其进行健康风险评价。污染防控方面,美国、欧洲等发达地区的系列管理措施在一定程度上减少了PFASs的环境排放,但多针对单一物质,且生产逐渐向替代物发展,然而其环境健康风险尚不明确。未来大气PFASs的研究需求和方向包括进一步解析其迁移和转化机制,阐明其与其他污染物(如颗粒物)的协同效应和毒性风险,建立长期监测网络以及定量源解析方法,深入揭示其健康危害机制,并建立系统全面的人体健康风险评估模型。

外来植物入侵对生态系统碳循环影响的研究概述
倪广艳
2023, 32 (7): 1325-1332. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.07.015
摘要123)   HTML18)    PDF (350KB)(137)   

外来植物入侵改变陆地生态系统的植被覆盖与组成,降低生态系统内物种丰富度和多样性,影响系统内碳循环过程,进而影响基于植被组成估算生态系统碳储量结果的准确性。近年来,不少学者展开了植物入侵对生态系统碳循环的影响研究,发现入侵阶段、被入侵生态系统的环境因素及群落组成等均影响生态系统内碳循环过程及碳储量;然而,对于被入侵生态系统的“碳源汇”功能认定目前仍存在较大争议,其中最不确定的为生态系统地下部分。文章综述了国内外关于植物入侵影响生态系统碳循环研究的最新进展,并就被入侵生态系统地上和地下碳循环过程的改变系统阐述了入侵引起的碳源、汇变化;同时,以地下生态过程为核心,从气候因素、植物个体特征及其与周围生物的牧食关系等方面阐述了植物入侵影响地下碳过程的机理。总体上,气候因素可在大区域范围内影响植被更替的速度与物种多样性的发展方向,但不能解释入侵在气候环境一致的特定区域内所引起的差异性影响;入侵植物因叶片光合优势往往会向生态系统输入更多有机碳,当其以凋落物和根系分泌物等形式向系统外输出时则受物质组成、分解速率及土壤环境等多因素的影响;土壤生物既是土壤有机碳的重要组分,也是有机碳向土壤输入与输出的调节者,通过改变有机碳的净通量来调节碳源、汇功能,这可能是造成入侵植物碳源、汇争议的重要原因之一。最后,文章就植物入侵影响生态系统碳循环的关键环节,结合全球变化背景下的学科发展和入侵防控需求,提出若干未来亟需深入研究的科学问题。

3种有机改良剂对铅锌矿尾砂适生性改善的研究
代德敏, 蒋旭升, 刘杰, 王路洋, 陈诗奇, 韩庆坤
2023, 32 (4): 784-793. DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.04.016
摘要118)   HTML7)    PDF (1847KB)(81)   

铅锌矿尾砂由于肥力低、物理结构差且重金属镉(Cd)铅(Pb)锌(Zn)浓度高,植物难以生长,从而严重制约了尾砂库的生态恢复。利用改良剂改善尾砂的适生性是尾砂库生态恢复的重要方法。通过基质改良试验探究添加不同质量分数(1%、2.5%、5%)的发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭对铅锌矿尾砂养分、物理结构的改良效果和对重金属镉铅锌的固定效果,再通过黑麦草(Lolium perenne L.)盆栽试验验证对适生性的改善效果。结果表明,添加改良剂使有效态氮、磷、钾以及有机质分别提高了0.87-9.56、1.87-37.7、1.87-43.7和0.85-7.28倍。添加质量分数为2.5%时,3种改良剂对尾砂的导水性、总孔隙度和持水性的积极影响最为显著,表现为发酵羊粪>生物炭>污泥。此外,3种改良剂显著(P<0.05)降低有效态重金属质量分数,Cd、Pb、Zn分别降低了28.6%-64.6%、30.4%-70.6%、14.4%-45.5%。其中,椰壳生物炭对3种重金属的固定效果最好。添加改良剂显著提高了黑麦草的发芽率、总高度和总干质量分别提高了16.1%-20.3%、10.8%-48.9%和7.55%-19.5%,其中发酵羊粪效果最好。因此,发酵羊粪、污泥和椰壳生物炭可作为改良剂改善铅锌矿尾砂的适生性并促进植物生长。Pearson相关性分析表明,植物地上部分干质量和株高与阳离子交换量和速效钾呈极显著(P<0.01)正相关,与饱和导水率和有效态重金属呈极显著(P<0.01)负相关。植物根干质量和根长均与饱和含水量呈显著正相关,而与1-2 mm的粒径呈显著负相关。该文可为养分贫瘠、物理结构差和高重金属污染尾砂库的植被恢复提供理论依据。