草地植被能有效控制坡面侵蚀,然而不同草地植被类型及其冠层与根系对坡面侵蚀过程的调控作用尚缺乏系统研究.采用人工模拟降雨方法,定量研究了不同雨强下苜蓿与黑麦草冠层与根系对黄土坡面侵蚀过程、径流侵蚀动力及土壤抗侵蚀能力特征的影响.结果表明:与裸坡相比,苜蓿与黑麦草的平均减流效益分别为17.65％和9.80％,减沙效益分别为63.86％和69.88％.不同雨强下两种草被根系减流减沙的平均相对贡献均高于冠层,且根系减沙的相对贡献随雨强的增加而增大.草地植被主要通过削减坡面径流流速和增加坡面阻力的方式实现对降雨径流侵蚀动力的调控,草被根系对坡面径流的减速作用略大于冠层,但其增阻作用却明显小于冠层.黑麦草对坡面径流的减速增阻效益高于相同部位的苜蓿.坡面土壤侵蚀率与水流切应力的关系可用幂函数y=axβ较好地拟合.幂函数系数a解释为单位水流切应力所引起的土壤侵蚀模数,可作为反映土壤抗侵蚀能力的指标.草被根系作用下的幂函数系数减幅远高于冠层,反映了其增强土壤抗侵蚀能力作用明显高于冠层,这主要源于草被根系结构对表层土壤性质的改善.须根系黑麦草强化土壤抗侵蚀能力优于直根系苜蓿.本研究揭示了草地植被调控坡面侵蚀过程是通过地上冠层与根系的共同作用达到同时调控侵蚀动力和土壤抗侵蚀能力实现的,草被根系对坡面侵蚀控制起主导作用,且以须根系草被对黄土坡面侵蚀的调控效果最佳.上述结果可为草地侵蚀过程研究及黄土高原草被建设与管理提供科学依据.

屋顶绿化作为基于自然解决方案的一种生态战略,可以有效缓解城市的一系列生态环境问题.为了更好的挖掘屋顶绿化在城市生态系统中的应用潜力,需要从屋顶绿化生态系统调节服务出发,全面且定量地认识屋顶绿化与城市生态系统的关联机制.阐述了屋顶绿化的构成要素,屋顶绿化生态系统调节服务的内在机制;回顾了屋顶绿化生态系统主要调节服务与政策推动建设效果;从屋顶绿化推行制约因素及生态系统调节服务研究等方面进行了展望.目前,屋顶绿化研究主要侧重于环境调节服务.在水环境调节方面,当前多针对屋顶绿化的水环境调节功能开展研究,还需进一步从屋顶绿化生态系统水循环的角度探究,明确屋顶绿化在什么条件下是径流的污染源.在热环境调控方面,多数研究集中在量化屋顶绿化对城市热环境的影响,而驱动屋顶绿化降温效应的内在机制与城市热环境调节服务之间的定量联系还尚需深入研究.在建筑能耗方面,目前仍然缺乏建筑物的能源性能建模所需的屋顶绿化物理参数,需要基于长时间观测数据构建能量传输模型,从建筑-基质-植被-大气耦合的角度,综合研究屋顶绿化能量流动的过程与机制,明晰屋顶绿化与裸露屋顶之间的能量流动差异.在政策推动效应方面,我国屋顶绿化政策类型相对单一,缺乏覆盖整个屋顶绿化生命周期的推广政策.建议多维度、大范围的推动屋顶绿化建设,以期更好的改善城市生境.

生物滞留系统作为应用最广泛的现代雨洪管理措施之一,能够有效减少地表径流量和峰值流量、延迟产流时间并改善径流水质.本文从生物滞留系统结构与分类、径流调控与水质净化机理和效益、径流调控与水质净化模拟模型、径流调控与水质净化效益影响因素等多个方面综述了国内外研究进展,并从生物滞留系统设计参数优化、基质和植物配置优化、植物和微生物作用机理、气候变化响应、流域/区域尺度径流与水质调控效应、特定和新型污染物净化机理、清理维护方法、全生命周期评价等方面提出了未来研究趋势和重点,以期为生物滞留系统径流与水质调控效应研究及生物滞留系统设计、建设和维护等提供理论和方法参考.

人工堆垫地貌由城镇、工矿建设中松散易侵蚀的弃土、弃渣堆垫而成,全世界每年数百亿立方米的堆积物压占大量土地并造成严重的岩土侵蚀.微地形改造可调控地表径流,有效控制水土流失,改善地表微生境.鉴于此,本文阐述了人工堆垫地貌岩土侵蚀特征;对梯田、水平阶、水平沟、鱼鳞坑、挡水埂等微地形改造方法的国内外研究进展进行了系统梳理和总结,对比分析不同微地形改造方法的适用范围、优缺点;探讨了不同微地形整地措施的减流减沙、蓄水保肥、植被恢复等方面的水土保持效果;并指出当前人工堆垫地貌微地形改造方法、整地措施组合应用等方面存在的问题,同时提出了堆垫地貌径流侵蚀机理、水文学原理研究发展方向,以期为人工堆垫地貌岩土侵蚀治理、生态脆弱区水土保持提供新思路.

从水文调节、水质改善、物质输入调控、生物多样性维持等方面梳理了滨岸带对河流生态系统的影响机制.滨岸带具有良好的水文调节效应, 这种调节效应主要通过滨岸带植被根系对土壤水分持留, 植物残体对径流路径的影响, 以及挺水和沉水植物对水流的物理作用等途径实现.滨岸带显著影响水质过程, 对于面源污染径流具有较好的净化效果.滨岸带能够经历周期性的干湿交替, 同时具有发达的植被系统和丰富的土壤微生物类型, 独特的水文和地球化学条件使滨岸带成为氮磷迁移转化的热区.滨岸带对水生态系统的物质输入起到重要的调控作用, 既能够为水体生态系统提供丰富的物质来源, 又能够避免过量的营养物质输入.这种调控作用对于水生态系统群落结构的维持和生态系统功能的发挥具有重要意义.滨岸带水生和湿生植被的生长使水体生态系统食物链不断完善, 大型无脊椎生物和鱼类种群数量得以增加, 对水体生物多样性的提升具有明显的贡献.自然的洪水扰动可能是滨岸带生物多样性的维持机制, 而水媒传播过程则可能是滨岸带影响河流生物多样性的重要机制.当前对于滨岸带生态机制过程的认识尚不够深入, 今后滨岸带研究要加强物质过程和生态学过程的探讨, 尤其是水文、水质、生物群落等要素的耦合机制, 滨岸带水环境效应的模拟预测, 以及滨岸带对河流生物多样性的影响机制研究等.

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区,如何合理开展坡改梯工程对防治水土流失具有重要意义.本研究应用WEPP模型模拟坡面尺度降雨-侵蚀过程,模拟分析径流小区(10 m坡长)在不同坡度的水土流失特征和二阶、三阶水平阶在不同台面宽度(1,1.5,2m)的减流阻蚀效应.结果表明:1)坡面尺度上,径流量和侵蚀量随坡度增加而增加.坡度达到20°时,径流量随坡度增加保持稳定,产沙量增加趋势渐缓;2)与坡面小区对比,二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从6.5％增加到61.2％,从10.1％增加到69.7％;二阶水平阶在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨强下,台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面,泥沙调控率从1.1％增加到68.8％,三阶水平阶泥沙调控率从1.4％增加到82.3％;3)依据单位台宽减沙量,合理设计水平阶,使其减沙效益最大化.小雨强(0.5 mm/min)时,二阶、三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1 m时可发挥优良的水土保持效果;中雨强(1.0 mm/min)时,台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳;大雨强(1.5 mm/min)时,则以2m台宽的三阶水平阶效果更好.应用WEPP模型为定量评价工程措施的水土保持效益提供技术支撑.

定量刻画土地利用与水体营养物浓度的关系,有助于指导流域土地利用管理,以控制水体富营养化.以往研究较多关注土地利用的数量结构,对其强度、空间分布等刻画相对不足.本研究以密云水库上游流域为例,基于覆盖全流域52个子流域的水质采样,通过遥感解译和空间计算,提取土地利用强度、所处坡度、与河道及监测断面距离以及位置邻接关系等信息,构建土地利用与总氮、总磷和化学需氧量浓度的多元线性回归方程.结果表明:土地利用与总氮、总磷和化学需氧量浓度回归方程的决定系数由未纳入任何信息的0.294、0.471和0.223分别增加到0.532、0.685和0.489,显著提高了模型的解释能力.在厘定每一空间位置土地利用对监测断面营养物浓度贡献率的基础上,比较与河道不同迁移路径距离下土地利用对营养物浓度的平均累积贡献率及面积累计百分比,确定了距离河道1 km范围内的河岸带为水体富营养化的关键控制范围.最后提出了优化农田施肥管理、加强牲畜粪便处理、建设林地过滤带和河岸缓冲带等水质污染控制和调控的措施建议.

随着我国城镇化进程加快,城市不透水面积急剧增加,城市内涝问题日益严重.为此我国基于低影响开发理念提出了海绵城市概念.本研究以辽宁省沈抚新城中心城区作为研究区域,利用暴雨强度公式构建不同重现期的降雨过程,基于海绵城市理念对研究区进行景观格局优化,并运用暴雨径流管理模型模拟预规划方案和景观格局优化方案两种情景下的地表径流和雨水调控能力的差异,分析景观格局优化方案对城市地表径流和雨水调控能力的影响.结果表明:随着降雨重现期的增大,研究区内径流总量和径流系数呈上升趋势;在相同降雨重现期下,景观格局优化方案的径流系数明显降低,径流总量的削减量逐渐增加,1年一遇、3年一遇、5年一遇和50年一遇重现期下的削减量分别为2.94、3.58、3.72、4.19 mm;相对应的削减率逐渐降低,分别为23.9％、16.4％、14.3％、9.3％;优化后的方案可满足降雨重现期p=1时设计降雨量20.8 mm、p=3时雨水管网不超载且p=50时河道不溢流的要求.

针对华北平原麦玉轮作区氮肥用量大、氮损失及土壤氮素累积严重的问题,探索不同减氮调控施肥措施对作物产量、氮损失及土壤无机氮累积的影响.通过(2016-2017年)设置两年大田试验,以农民施肥为对照,研究控释肥处理、微生物肥处理及配施硝化抑制剂处理减少氮用量后对小麦、玉米产量和地上部吸氮量、氮损失及土壤无机氮含量的影响.结果表明:2016年微生物肥处理的小麦产量显著低于控释肥处理和硝化抑制剂处理,与农民施肥处理无显著性差异;且小麦和周年作物地上部吸氮量都显著降低.2017年各处理间作物产量和吸氮量无显著性差异.3种减氮调控施肥处理均能保持和改善耕层土壤肥力;且微生物肥处理随种植时间延长对土壤碱解氮、速效钾和有机质含量均有提升.随种植时间延长无机氮累积严重,微生物肥处理和添加硝化抑制剂处理均可降低40～ 100 cm土壤剖面的无机氮含量,而控释肥处理可提高0～ 40 cm土层无机氮含量.氮损失中氨挥发＞淋溶量＞N2O排放＞径流,径流损失可忽略不计,其中以农民施肥处理氮损失最大,微生物肥处理可显著降低氨挥发损失量,但淋溶量较大.综上所述,减量施氮条件下,控释肥处理和添加硝化抑制剂处理可保证作物产量及地上部吸氮量,微生物肥处理随种植年限的延长可保证作物产量和吸氮量.微生物肥和添加硝化抑制剂处理可降低40～100 cm土层无机氮含量,控释肥处理对削减无机氮量效果不明显;几种减氮调控措施均可降低氮损失,但微生物肥处理需调整措施来降低氮的淋溶量.

基于前置塘+二阶表流湿地组合的雨水湿地系统的室内降雨径流模拟实验数据,研究了不同降雨重现期、不同常水位、不同湿地出水口高度、不同湿地级数以及不同污染负荷等设计参数对湿地水量水质调控效果的影响规律,研究结果表明:前置塘+二阶湿地组合的雨水湿地系统通过截留、缓冲和存储作用,对不同降雨径流条件下的产流时间、流量、径流削减率具有多重调控作用,延长了污染物在流域内部的滞留时间,减少了污染负荷的输出,对降雨径流过程中污染物总量具有较好的截留效果.并随设计参数的变化有明显的变化规律.随着降雨重现期的增加,湿地出水口高度的降低,湿地常水位的增加,以及湿地级数的减少,湿地出流量增加,产流时间提前,出流持续时间延长,径流削减率降低.从场次降雨污染物平均浓度(EMC)削减率上看,降雨过程中,雨水湿地仅对SS削减比较明显,削减率达70％-80％,对其他污染物浓度的削减效果不明显.从场次降雨污染物总量削减率来看,雨水湿地对降雨径流污染物具有较好的截留效果,并随着降雨重现期减少、湿地出水口高度增加、湿地常水位降低,呈逐渐增加趋势.