为探索平原区乡村沟渠生态景观系统的优化布局方法,提升生态单元空间配置方案的科学性,选取淮北平原车辙沟流域典型乡村沟渠为对象,开展了沟渠生态单元空间优化配置案例研究,结合生态单元与污染物削减关系代理函数,以固定建设总成本下污染物削减量最多为目标,采用双层粒子群优化算法获得了4种成本限制场景下13种乡村沟渠生态单元的最优空间布局。结果表明:建设生态景观系统可以有效降低乡村沟渠中污染物总量,并且增加景观建设成本可有效增强污染物削减效果,但单位成本的削减效率会有所降低。该研究验证了采用双层粒子群优化算法结合代理函数进行沟渠生态单元空间优化配置的有效性,有助于改进以往乡村沟渠生态景观设计中主观性强、缺少理论和数据支撑的缺点。

超大城市由于要素高度聚集、资源快速流动、空间功能异质而存在更多的安全风险,也面临着更高的生态风险。对超大城市生态质量进行科学、客观的动态评估可以有效监测城市生态问题,为超大城市智慧化治理提供数据基础。以武汉市为例,运用遥感生态指数对城市生态环境质量进行时空信息提取及动态评估,运用Moran’s I指数定量识别生态环境变化的热点区域,并耦合土地利用变化数据发掘出生态质量变化与土地利用转化之间的定量关系。结果表明:①2014—2023年间武汉市生态质量稳中有升,生态质量变化在空间上呈聚集性分布,建设区域外围环状区域生态质量由于城市扩张存在明显的下降;②武汉市两江交汇处的中心城区以及河湖湿地周边是生态质量上升的热点区域,表明武汉市城市人居环境以及河湖湿地的生态环境在不断改善;③武汉市人工环境内部的生态质量差异逐渐增大,耕地向建设用地转化的生态成本越来越高。研究成果可以为武汉市生态环境保护提供科学依据,为超大城市生态环境质量评估提供理论参考。

针对现有海绵城市灰绿基础设施评价中碳足迹核算缺失及多目标协同不足的问题,研究提出了基于博弈论的水-碳-经济全生命周期协同优化评价方法。通过构建“水环境-碳减排-经济成本”三维指标体系,集成径流总量削减率、污染物削减率、全生命周期碳排放及成本等关键指标,采用熵权法与层次分析法结合博弈论模型进行权重优化,以纳什均衡平衡目标冲突,并基于TOPSIS法实现多方案综合评价。以河北水利电力学院主校区为例,设计7种灰绿设施组合方案。结果表明,博弈论模型均衡了主客观分析方法的偏差,提高了评价的科学性;方案5(蓄水池、下凹式绿地、雨水桶组合)综合性能最优,综合贴近度为0.760,径流削减率达到48.5%,污染物削减率达到48%以上,全生命周期成本仅为836.93万元,产生碳汇49 517.71 t。研究构建了较为科学的水-碳-经济全生命周期协同评价体系,解决了传统方法中“重技术轻协同”的局限,为海绵城市低碳化发展及“双碳”目标协同提供了理论支撑与实践路径。

陇东地区是黄土高原重要的生态过渡带和生态脆弱区,植被覆盖指数(NDVI)变化对区域生态安全具有重要影响。基于2000—2024年长序列 NDVI、气候与土地利用等数据,采用Theil-Sen趋势分析、Hurst指数等方法研究陇东地区NDVI的时空演变特征及其对气候变化及人类活动的响应。结果表明:①陇东地区NDVI呈东南高、西北低的空间分布格局,NDVI显著改善区域面积占总面积的54.74%,Hurst 指数为0.35~0.65,表明未来植被改善趋势持续性偏弱;②人类活动是NDVI变化的主导驱动力,主要受退耕还林还草(2 248.11 km²耕地转草地)和城市化(城市化率增幅35.14%)双向影响;③ 86.675 0%的区域受气候-人类活动的共同作用形成了人类活动驱动为主、气候变化基础支撑为辅的空间分布格局。陇东地区NDVI虽显著改善,但其变化主要受人类活动驱动与快速干预使生态系统未来持续性偏弱,存在“绿化后退化”的潜在风险。

为探究三峡库区土壤呼吸的时间和林分尺度上空间变异特征,以及微生物生物量机理,选择不同马尾松林(马尾松纯林、马尾松麻栎混交林)开展不同季节的土壤呼吸速率以及微生物生物量碳氮的监测,并使用壕沟法进一步测定自养呼吸和异养呼吸组分,以及采用单因素方差分析差异性。结果显示:混交林总呼吸和异氧呼吸速率均高于纯林,两种林型下异氧呼吸均占比88%,自养呼吸12%,异氧呼吸贡献率随季节变化呈先降低后升高趋势,自养呼吸则相反。混交林微生物生物量碳和氮含量均比纯林丰富,微生物生物量碳和碳氮比均驱动土壤碳释放,纯林微生物生物量碳氮比15.70,混交林12.82,混交林在无根系及其分泌物情况下碳氮比提高,以便分解较难分解的底物。研究成果可为三峡库区碳循环和生态建设研究提供重要参考。

河流河岸带的草本植物在冬季可能表现为碳源,对“碳中和”具有潜在的负面影响。传统研究主要针对单项温室气体,缺少对河岸带CO₂、CH₄、N₂O等多种温室气体的综合评估。以雄溪河为例,选择南方河流河岸带3种常见的草本植物(麦冬、葱莲、狗牙根),采用LI-7810/7820温室气体通量分析仪,分析不同植物冬季的CO₂、CH₄、N₂O通量特征,并基于全球变暖潜能值(GWP)模型,对不同植被的冬季温室气体排放状况进行综合评估。结果表明: ①综合考虑CO₂、CH₄、N₂O这3种温室气体下,狗牙根区、麦冬区、葱莲区、裸地区的冬季GWP分别为3 817.77±249.24、3 963.31±265.66、6 876.89±536.17、8 653.71±756.08 mg/(m²∙d)。虽然4个区域均表现为碳源,但相比于裸地区,种植草本植物均有助于减少河岸带的冬季碳排放。②河岸带GWP的日变化规律为中午高、早晚低,主要影响因素为土壤温度。③使用GWP模型,能更好地评估不同温室气体的综合影响。从“碳中和”角度,建议选择狗牙根作为南方河流河岸带的主要草本植物。

明确天津市植被活动的动态变化及其对水热条件响应的时滞性,可为区域生态环境治理和持续发展提供科学依据。以2000—2022年的天津市MODIS13数据集、气温和降雨数据集为研究对象,采用Hurst指数、Theil-Sen趋势分析、M-K检验、地理信息系统(GIS)空间分析和时滞偏相关分析等方法,探究近23 a天津市植被动态变化特征及其水热效应。结果表明: ①天津市年归一化植被指数(NDVI)均值为0.782,年内波动趋势与气温、降雨的变化存在一定的正向联系;②全市Hurst指数均值为0.493,59.62%的区域NDVI向恶性发展;③天津市分别有10.943%和61.408%的区域与气温和降雨存在时滞效应,植被对气温的平均滞后时长为2.737个月,对降雨的平均滞后时间为1.016个月;④不同植被类型对气温和降雨的响应有所不同,阔叶林对降雨的响应时间最短,草本植物覆盖的响应时间最长;稀疏植被对气温的响应最快,阔叶林对其响应最慢。近23 a天津地区植被整体覆盖水平较好,呈现过去退化但未来改善的趋势。降雨与植被相关性更高,气温的滞后时间更长。

三北防护林是我国重要的生态建设工程,但近10 a来,三北地区的防护林出现了不同程度的衰退,防护功能明显下降。为揭示三北地区防护林的水分影响树木退化的过程以及三北地区防护林衰退过程,以张北地区广泛分布的小叶杨防护林为研究对象,基于树木年轮和树轮稳定碳同位素技术分析不同退化程度小叶杨防护林的退化过程及其对干旱事件的响应差异,探讨同一地区杨树正常生长或出现退化的可能原因。结果发现不同退化程度的小叶杨内在水分利用效率(iWUE)差异显著,重度退化和轻度退化的小叶杨iWUE显著高于未退化的小叶杨iWUE,干旱胁迫可能是导致防护林出现退化的主要原因;1997年极端干旱的发生以及1999年5月—2001年6月长时间的干旱可能是导致张北小叶杨防护林发生衰退的起点,2006年9月—2012年8月长时间的干旱进一步加剧了这种衰退;树木自身抵抗力的差异是导致张北地区防护林出现部分退化的重要原因。

随着气候变化,鄱阳湖流域的降雨也发生一定改变,对土壤侵蚀产生潜在影响。通过对共享社会经济路径(SSPs)和通用土壤流失方程(USLE)耦合,建立了未来时期气候影响下土壤侵蚀模拟方法。结果显示:在时间上,未来时期鄱阳湖流域土壤侵蚀面积减少,但土壤侵蚀量增多。SSPs2-4.5、SSPs4-6.0、SSPs5-8.5情景下侵蚀面积分别减少906、916、912 km²/a;土壤侵蚀量分别增加2 022.60×10⁴ 、2 098.61×10⁴ 、3 154.35×10⁴ t/a。在空间上,未来时期西北部和南部强烈及以上侵蚀面积增加,流域整体土壤侵蚀加剧。SSPs5-8.5情景下流域土壤侵蚀最严重,土壤侵蚀量达17 247.61×10⁴ t/a;SSPs2-4.5情景下流域土壤侵蚀相对最少,土壤侵蚀量为16 115.86×10⁴ t/a。

为探究不同水位下三峡水库近坝段消落区土壤碳排放情况,选取龙潭坪和兰陵溪消落区160 m以下、160~170 m和170 m以上的3个高程区间进行土壤呼吸原位测定和分析。结果显示:不同高程与土壤呼吸之间不存在正相关关系,随水位高程增加,土壤呼吸速率先升高后降低,并在中度水淹胁迫情形下达到最大值;土壤呼吸存在显著的时间变异性,整体呈现7月=8月>9月>6月>5月的趋势,不同消落区虽存在微小差异,但均在8月达到土壤呼吸峰值。综上,中等程度的干湿交替会使得土壤碳排放达到最大,过高或过低的水淹胁迫均抑制碳排放强度。夏季是消落区植被生长旺盛和代谢活动最为旺盛时期,土壤呼吸速率明显高于其他季节,尤其是7月和8月土壤呼吸速率相对较高,且8月的中等水淹区土壤呼吸达到峰值。研究成果可为三峡水库消落区碳排放定量分析及岸滩生态建设后的碳循环研究提供依据。

为落实中共中央办公厅、国务院办公厅《关于加强新时代水土保持工作的意见》,加强生产建设活动水土保持监管工作,对长江中游地区农林开发等生产建设活动开展了水土保持监管试点研究,以期掌握农林开发等生产建设活动和水土保持监管现状,探索监管技术、方法和体制机制。研究采用3S、计算机、无线网络等先进技术,结合现场核查、调研、空间分析等方法开展。研究表明,2023年江西省万年县生产建设活动扰动面积为6 924.60 hm²,占总面积的6.07%;其中93%以上为林业、自然资源和农村农业等部门的项目或补助项目;约78%的生产建设活动未采取有效的水土保持措施防治水土流失,存在水土流失风险;水土保持监管工作基本未开展。研究认为应加强对政府投资项目的水土保持监管工作,出台农林开发等生产建设活动水土保持监管办法;建立“行业监管、水保协同”的监管体制机制,推行分类监管。

干热河谷区土壤侵蚀强烈,生态环境脆弱,土壤抗冲性的研究对干热河谷区生态环境建设极为重要。采用原状土冲刷法及室内理化分析法,分析了乔木林地、坡改梯+农耕地、灌草地3种典型生态修复模式下土壤抗冲性能及其影响因素。研究结果表明:所有土层抗冲指数平均值在不同典型生态修复模式下呈现乔木林地(0.566 L/g)>坡改梯+农耕地(0.501 L/g)>灌草地(0.428 L/g)的规律,不同土层间呈现0~20 cm(0.568 L/g)>20~40 cm(0.514 L/g)>40~60 cm(0.413 L/g)的规律。各土壤粒级中,粗粉粒含量最高,粗砂粒含量最低,土壤颗粒的分形维数在2.540~2.648之间,均呈灌草地>坡改梯+农耕地>乔木林地的规律,且达显著性差异;抗冲指数与土壤相对重度、细黏粒含量、粗黏粒含量、细粉粒含量、粗粉粒含量、累计冲刷土量、分形维数呈负相关关系,而与含水量、细砂粒含量和粗砂粒含量整体呈正相关关系。研究成果对干热河谷地区土壤抗冲性机制研究具有指导意义。

红壤具有黏性重、易开裂、持水性差、土壤水分变化大等特征,为明晰干湿交替作用下糯米胶重构对红壤持水特性的影响,以云南省红壤为研究对象,在干湿交替条件下设置素土为对照,分析3种不同含量(0.5%、2.5%和5.0%)糯米胶红壤重构土的土水特性变化,采用滤纸法测定基质吸力,并利用Logistic 模型拟合其土-水特征曲线(SWCC),提示糯米胶重构对红壤持水特性的影响机理。研究结果表明:①干湿交替作用对红壤基质吸力有显著影响,基质吸力降幅区间为8.56%~79.43%,随着糯米胶含量增加,基质吸力降幅逐渐减小;②糯米胶重构土在干湿交替影响下,SWCC滞后效应较素土影响较小,含水率变幅增大,5.0%糯米胶重构土在2次干湿交替过程中滞回度较素土降低了80.76%、72.42%;③Logistic模型拟合糯米胶重构土SWCC参数时决定系数均高于0.99,SWCC呈反S线型;④糯米胶能抑制干湿交替作用对红壤进气值、残余值和斜率的消减效应。研究结果对红壤区水土保持和生态修复提供科学依据,具有重要理论和工程实践意义。

当前水土流失动态监测成果无法充分应用于耕地水土流失综合治理工作,存在治理对象不明确,监测体系不完善等问题。基于全国水土流失动态监测成果对耕地水土流失综合治理对象进行优先序划分,提出基于聚集度分析的耕地水土流失综合治理对象多尺度识别方法。以四川省越西县为例,综合考虑耕地水土流失面积、侵蚀强度、坡度等级等因素,根据各变量的取值范围,设置合适的决策因素阈值,得到综合治理区域优先序划分的5级耕地水土流失综合治理区域,不同等级土地面积、水土流失面积占比及土壤侵蚀强度随治理等级升高,治理难度也相应增大。研究表明,综合考虑上述3个因素影响所提取的综合治理区域,可覆盖该县耕地水土流失分布较严重区域,反映了该县耕地水土流失空间分布特征,明确了耕地治理力度的优先序等级。同时,适当增加其他决策因素,可提高研究的准确性与适用性,为地方部门对耕地水土流失面积的科学规划、分区施策提供重要的依据。

准确估算生态系统碳源/汇量,探究其时空演变规律对于河北省国土空间优化管理及低碳转型具有重要意义。基于能源消耗数据、遥感数据、碳密度数据、水体碳通量数据、盐沼和滨海养殖数据,分别计算了河北省能源消耗碳排放情况、陆地生态系统碳汇和水体碳通量情况,并对河北省碳中和度进行了分析。结果表明:①河北省2000—2019年能源碳排放整体呈现不断增长的趋势,2019年碳排放量约为2000年的4倍,年均增长率约为6.98%。②河北省2000—2020年间生态系统净生产力(NEP)总量变化趋势波动大,但整体呈现上升的趋势;内陆水体碳通量年际变化不大,呈现略微上升的趋势;海水养殖蓝碳总体呈现出增长趋势,从2000年的0.66万t上升至2020年的3.56万t。③汇总河北省国土空间碳源/汇的核算结果,分析可知,2020年生态系统碳汇总量约能抵消3.54%能源碳排放。由此看来,河北省目前碳中和能力较低,低于全国平均水平(15%),减碳增汇压力巨大。

水库的修建严重破坏了库岸生态环境,水位的高频大幅涨落导致消落带生态环境恢复困难。选择河南天池抽水蓄能电站水库为研究对象,对其岩质边坡消落带进行生态修复,保障水资源安全。根据消落带生境特征,围绕抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带生态修复重大需求,探讨面向植被生长基质构建、植物群落恢复和植被管护的复绿模式。经历一年多的修复后,该水库消落带植被长势较好,各段均未出现断裂及水土流失的现象,植物出水后的恢复、扩展和拓殖能力较强。在抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带生态修复时,可将工程措施和生物措施相结合。常露区和水淹交替区采用土工格栅+生态袋+挂网复合技术,常淹区采用长丝生态袋+挂网复合技术,并在各段合理配置中山杉等13种适生植物。研究成果对于科学指导抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带植被复绿具有重要意义。

滨海湿地碳储量巨大,研究其时空分布对实现“双碳”目标具有重要意义。以上海崇明岛滨海湿地为研究对象,利用2015年、2017年、2019年、2021年Sentinel-2遥感影像,在修正碳密度基础上,结合土地利用状况得到了其碳储量时空分布特征,并通过地理探测器定量分析了碳储量的影响因素。研究结果表明:崇明岛外围为湿地,内侧为非湿地区域,人工湿地与自然湿地面积增加显著,增加约2万hm²;崇明岛碳储量整体呈逐年增加的向好趋势,增加约60万t,非湿地向自然湿地和人为湿地的转化均表现为碳储量增加;自然因素对崇明岛湿地碳储量的影响均较弱,而社会经济发展对崇明岛湿地碳储量的影响较大,其中经济增加值与土地利用强度的地理探测器q值分别达到了0.79和0.82。崇明岛滨海湿地碳储量逐年增加,湿地保护初见成效,同时其碳储量受社会经济因素影响较大。

明确不同雨型条件下紫色土坡面产流产沙对水土保持措施的响应特征可为评估紫色土水土保持措施效益提供理论依据。基于紫色土区10个不同水土保持措施径流小区的37场降雨的产流产沙数据,采用K-Means聚类方法,依据平均雨强(I_ave)、最大30 min雨强(I₃₀)、降雨历时(T)、降雨侵蚀力(R_r)指标划分降雨类型,分析不同雨型和水土保持措施对坡面产流产沙的影响。结果表明:①37场降雨可划分为5种雨型,包括Ⅰ型(弱侵蚀、小雨强、长历时)、Ⅱ型(中弱侵蚀、中小雨强、中长历时)、Ⅲ型(中侵蚀、中雨强、中历时)、Ⅳ型(中强侵蚀、中大雨强、中短历时)、Ⅴ型(强侵蚀、大雨强、短历时),其中Ⅲ型为引起坡面水土流失的主要雨型,该雨型导致的产流量和产沙量分别是另外4种雨型的1.2~6.4倍和2.7~19.4倍。②农地窄面埂沟梯地种植和台地种植分别在小雨型(Ⅰ、Ⅱ型)和大雨型(Ⅳ、Ⅴ型)条件下减流效益最佳,主要是由于梯地能有效拦截低雨强、小雨量降雨的径流泥沙,而在大雨量、高雨强的降雨条件下,梯地易蓄满,台地能更有效拦截径流泥沙;其次,林地隔离草带在Ⅰ型降雨条件下的减流效益最佳,主要是由于草带能有效减缓其径流流速,促进下渗和泥沙沉积。研究结果可为进一步明确紫色土区的降雨-水沙关系提供依据。

受气候变化和大规模水土保持措施等因素共同作用下,黄河水沙情势发生剧烈变化。以黄河宁夏段面积最大、侵蚀最为严重的清水河流域为研究对象,基于1955—2016年实测水沙资料,解析水沙对关键影响因素的响应规律,探究水土保持作用下流域水沙关系演变特征。结果表明:清水河流域整体上呈现水沙减少趋势,人类活动引发的下垫面剧烈改变是水沙变化的主要因素,加快了流域水沙关系的演变;2000年后流域水沙关系发生明显转变,具体表现为水沙关系曲线系数a的显著降低,流域下游指数b明显上升。本研究认为流域水沙关系受到大规模水土保持措施实施的驱动而发生演变,基于泥沙的“储存-释放”效应,在新水沙条件下,强输沙事件出现的概率仍旧存在,因此需要加强预防措施。

在实际修复工程中,对高黏粒含量的重金属污染土进行淋洗是十分困难的。这既是因为高黏粒含量土渗透性差,也是因为黏粒含量对于污染土淋洗的具体影响规律和机理尚未明晰。通过固结试验和振荡离心试验探究了不同黏粒含量土壤的固结和重金属吸附解吸特性。研究结果显示,不同黏粒含量土壤的物理力学特性存在显著差别,高黏粒含量土壤具有更高的液塑限和更大的压缩性,而土壤的渗透性和孔隙比则更低。并且,黏粒含量的增加显著提高了土壤对重金属离子的吸附能力,同时降低了药剂淋洗的去除效果。黏粒含量从20%增加到50%,重金属吸附量最大可提高50%,去除率最大可降低20%,其中,在20%和30%黏粒含量之间的变化尤为显著,主要原因是大量团聚体的形成。这些物理力学特性和吸附解吸特性的差别将对土壤淋洗技术和参数的选择产生较大影响,研究结果可为重金属污染土淋洗修复技术的优化提供一定的参考依据。