掌握植物的水分利用特征及植物间的水源关系对实现荒漠草原地区可持续的植被恢复至关重要.本研究以荒漠草原灰钙土生境(胡杨、中间锦鸡儿和短花针茅)和风沙土生境(胡杨、北沙柳和赖草)中的5种优势植物为对象,测定植物木质部水、土壤水、地下水和降雨中稳定同位素(δ2H和δ18O),并结合不同深度的土壤含水量和根系数据,使用MixSIAR模型对植物的水分利用特征进行定量分析.结果表明:生长季内5种植物主要利用土壤水,且在不同生长阶段会利用不同层次的土壤水.灰钙土生境中,胡杨的水源在整个生长季变化最大,生长季初期(5-6月)主要利用60～100 cm 土壤水,生长旺盛期(7-8月)水源下移至100～200 cm 土壤水,而在生长季末期(9月)水源又上移至0～20 cm 土壤水;中间锦鸡儿在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;短花针茅在生长季初期和末期主要利用20～60 cm 土壤水,而在生长旺盛期上移至0～20cm 土壤水.在风沙土生境中,胡杨在生长季初期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长旺盛期和末期上移至0～20 cm 土壤水;北沙柳在生长季初期和生长旺盛期主要利用60～100 cm 土壤水,但在生长季末期下移至100～200 cm 土壤水;赖草整个生长季都主要利用20～60 cm 土壤水.土壤含水量、降雨的季节变化及植物的根系分布都会影响植物的水分利用特征.在整个生长季中,灰钙土生境中的乔木、灌木和草本3种优势植物间存在水文生态位分离,促进了其对水分的分配和利用;风沙土生境中对应的3种优势植物间存在水文生态位重叠,导致其对水分的激烈竞争(特别是乔木和灌木间).因此,在进行植被恢复时必须同时考虑物种特征和土壤特性,引入具有互补性水分利用特征的物种组合,才能实现荒漠草原地区的物种多样性和植被恢复的可持续性.

生态系统水分利用效率(WUE)是表征碳水耦合过程的关键指标,然而,有关气候变化和退耕还林还草工程背景下黄土高原WUE的时空变化特征及其主导因子仍未明晰.研究利用遥感驱动的生态系统过程模型BEPS模拟2001-2020年黄土高原总初级生产力(GPP)和蒸散(ET),并结合基于敏感性试验的多控制因子联立求解方法定量分析气候和植被因子对黄土高原WUE变化(WUE=GPP/ET)的贡献.结果表明:(1)2001-2020年黄土高原GPP和ET分别以12.9 gC m-2 a-1和3.7 mm/a速率显著升高,并使得WUE增长显著(0.021 gC mm-1 m-2 a-1).(2)2001-2020年间黄土高原80.12％的区域叶面积指数(LAI)显著升高(全区增速为0.014 m2 m-2 a-1)而气候因子变化均不显著.(3)植被因子和气候因子对WUE变化分别呈正贡献和负贡献,植被因子作为主要影响因子主导了黄土高原86.74％地区的WUE变化.研究结果有望为干旱区生态水文管理和相关政策制定提供一定科学参考.

濑溪河流域存在严重的水力侵蚀,同时伴随着水土流失分布点多线长面广的特点.而现有模型几乎只考虑了流域尺度上的坡面和河流侵蚀过程,或者是坡面和流域尺度的基本结合,导致对土壤侵蚀全过程的物理模拟产生高度不确定.为此提出不同尺度模型相互耦合的水土流失监测体系,从三级顺序"坡-沟-河"结构,全面反演流域水沙的时空动态迁移过程.基于多模型耦合体系的流域应用表明:①单一模型在濑溪河流域都表现出良好的适用性和准确性.RUSLE模型预测结果与实际侵蚀规律高度吻合,SWAT模型参数率定的纳什效率系数(NSE)和决定性系数(R2)均达到0.6以上,模拟预测结果鲁棒性较好.②不同侵蚀模型的特征反演相互关联程度都达到极显著相关水平.WEPP和SWAT模型间R2为0.96,RUSLE和WEPP模型间R2为0.77,RUSLE和SWAT模型间R2为0.58,分析表明坡面、细沟和河道尺度下的侵蚀物理过程是紧密耦合的.③多模型耦合的水土流失全过程风险评价较单一模型更为全面.通过对土壤侵蚀物理过程的空间耦合,实现流域土壤侵蚀、细沟冲刷和河道沉积等相关侵蚀过程的整体性评价,利于从不同尺度全面反演流域水沙输移的时空动态迁移过程和预测侵蚀风险发生规律.

在雨涝灾害威胁日益凸显的背景下,基于生态系统水文调节服务供需匹配分析的规划防涝优先干预区识别,为高效降低城市雨涝风险、利用规划措施防涝提供了新的研究思路与科学支撑.运用数据叠置、水文模拟及公式计算法,将城市原生雨涝供给能力与雨涝需求水平统一至同一评估体系中.结合降雨量、下垫面类型,运用径流曲线模型对街区地表径流调节率进行计算,生成供给能力评估结果;以GIS水文模拟结果计算得出的危险性、暴露性和脆弱性指数生成需求水平评估结果.根据石家庄中心四区3a一遇、50a一遇情景供需匹配结果,划定城市街区尺度的规划干预等级,并分类提出相应规划策略.研究结果表明:石家庄市中心四区低供给高需求街区在3a一遇降雨情景下以点状聚集分布;50a一遇降雨情景下,在京广铁路线沿线呈现纵向聚集形态.同时,在两种降雨情景下,规划干预高等级街区均集中出现于桥西区苑东街道、彭后街道、东华街道,长安区长丰街道、建北街道,裕华区裕翔街道、建华南街道.根据规划干预等级、供需相对关系及供需失衡原因,分别提出3a一遇、50a一遇降雨情景下的九类规划干预策略,为城市雨涝灾害的规划应对提供优化思路.

青藏高原水分循环研究是一个受到广泛关注的热点问题,但流域尺度内水分运移的研究相对薄弱.本文基于氢氧稳定同位素技术(δ2H和δ18O)研究了青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站(海北站)的典型流域内的降水、浅层地下水、中层地下水、沼泽水、泉水、河水、湖水和土壤水的时空变异,利用MixSIAR模型定量分析各水体的水分来源与交换.结果表明:海北站小流域不同水源氢氧稳定同位素特征存在显著差异,湖水和降水同位素值变幅大于其他水体,湖水同位素富集程度高于其他水体;浅层地下水(3 m)是小流域水源涵养发挥的重要调节库,泉水是浅层地下水的地表表现形式;土壤水是小流域重要的水源涵养体,是大气降水-浅层地下水(3 m)-中层地下水(20 m)垂向交换的过渡,土壤水、浅层地下水通过横向径流向河流、沼泽进行水分补充.本研究可为高寒小流域水文模型的优化和水资源利用提供依据.

参考作物蒸散(Reference crop evapotranspiration,ET0)是生态水文过程中的关键因子,研究ET0在干旱绿洲区的演变,不仅有助于理解气候变化背景下的绿洲水文过程响应,亦对绿洲水土资源高效配置和生态系统稳定性维持有指导意义.以宁夏沿黄绿洲为例,基于 1960-2019 年的气象资料和Penman-Monteith模型计算ET0,利用Mann-kendall突变检验、相对敏感系数和Morlet小波分析等方法,对宁夏沿黄绿洲近60a的ET0演变特征及其归因进行研究.结果表明:(1)宁夏沿黄绿洲ET0年内呈单峰形态,ET0在5-7月间较高,累积ET0占年总ET0的43.6%;近60a的ET0年均值为1226.38 mm,并以1.66 mm/a(P＜0.01)幅度上升,但年际波动特征明显,其中在 1988 年突变之前,ET0无显著变化趋势,而突变之后则以每 10a左右的周期显著增加或降低.(2)年ET0主要以 20-40 a和 50-60 a周期振荡,且有多重时间尺度的复杂嵌套现象,不同季节的周期振荡差异较大,夏、秋季振荡幅度较强,其周期接近于年ET0规律,而冬、春季振荡幅度较弱.(3)虽然ET0与 6 种气象因子均存在显著相关性,但ET0对不同气象因子的敏感性存在差异,其中对最高温度和相对湿度的敏感性较高,敏感系数分别为 11.58%和 8.40%.(4)宁夏沿黄绿洲ET0与区域气候变化特征有较强的耦合性,区域气候的持续升温和相对湿度持续降低、以及由此引发的饱和水汽压亏缺持续增强是推动ET0上升的重要原因,而气候由湿润向干旱的突变和平均风速的异常波动是诱发ET0突变的原因.

为了实现水源涵养量计算和不同功能的综合评估,基于分布式水文模型(WEP-L)提出了一种新方法,即利用WEP-L模型计算次降水过程中降水量和地表产流、冠层截留量的差值作为水源涵养量,并分别评估削洪(地表径流量)、补枯(地下径流量)、维持植被生态系统用水(植被蒸腾量)等不同水源涵养功能的评估方法.为了验证该方法的合理性,以渭河流域咸阳站以上区域为例,对比了该方法和InVEST模型方法的计算结果,由于两种方法在评估内容和使用模型上都存在差异,为了保证计算结果的可比性,先对比了基于相同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和InVEST模型方法,再对比了基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法Ⅱ,结论如下:基于相同评价内容的WEP模型法Ⅰ和InVEST模型法计算结果数值接近,研究区2000-2018年水源涵养量年均值分别为12.43 mm(5.76亿m3)和12.08 mm(5.6亿m3),两种方法所得结果空间分布特征相似,稍有差异之处与InVEST模型的参数没有经过本地化处理有关;基于不同评价内容的WEP-L模型法Ⅰ和WEP-L模型法Ⅱ计算结果数值相差较大,研究区2000-2018年水源涵养量均值分别为12.43 mm和432.57 mm,空间分布特征上有差异的地方分布于研究区的北部、东部及东北部,主要与两种方法评价时是否考虑蒸散发有关.WEP-L模型法Ⅱ评估结果中削洪、补枯、维持植被生态系统用水等功能多年变化趋势分别为:2006-2010年期间增加、2012年以后下降以及增加.2012年后补枯功能和维持植被生态系统用水功能之间可能存在权衡关系.通过不同方法计算结果差异原因分析,证明了基于WEP-L模型的不同涵养功能评估方法的合理性,其结果也可为渭河涵养区水资源和生态保护策略的制定提供更多依据.

祁连山生态环境保护是建设我国西部生态安全屏障的关键环节,而核算祁连山生态系统服务价值是制定合理有效的生态环境保护措施的有力依据.然而受气候变化和人类活动的共同影响,祁连山地区生态环境问题依旧突出,亟需对该地区生态系统服务价值开展研究以服务后期生态环境建设.基于此目的,使用1990-2020年祁连山地区土地利用数据,运用土地利用动态度、土地利用转移矩阵揭示该地区土地利用变化规律.并使用生态系统服务价值评估模型测算了祁连山地区生态系统服务价值,探究了其动态变化过程,并明确了各土地利用类型与生态系统服务价值变化之间的内在联系.结果表明:(1)1990-2020年,草地和荒漠是祁连山地区最主要的土地利用类型,单一土地利用动态度分别为水域＞湿地＞耕地＞荒漠＞草地＞林地.草地和耕地以及草地和荒漠相互转化成为该地区最主要的土地利用变化特征;(2)祁连山地区生态系统服务价值呈持续增加趋势,由1990年的7231.36亿元增加至2020年的7836.07亿元,在空间上呈现出东高西低的变化趋势.生态系统服务价值构成主体主要为水域、草地和林地,单项生态系统服务价值以水文调节和气候调节为主,反映了调节服务是祁连山地区生态系统的主要功能;(3)水域、草地和湿地这3种土地利用类型是近30年祁连山地区生态系统服务价值变化的主要贡献因子.1990-2020年,祁连山地区生态系统服务价值对土地利用的敏感性总体呈增加态势(1.48％-7.91％),土地利用变化对该地区生态系统服务价值的影响逐步增强.系统揭示了过去30年祁连山地区生态系统服务价值的演变及其与土地利用变化的内在联系,重点阐释了水域、草地、林地和湿地对该地区生态系统服务价值和生态环境保护的重要性,可为祁连山地区生态产品价值实现及生态保护管理等提供基础科技支撑.

[目的]定量分析评估复杂环境条件与红树林分布特征之间的交互作用,探索一定区域尺度上红树林生境适宜性及适生区空间分布格局.[方法]以万宁市小海为研究区,选取水文动力、水质底质、地形高程3个大类环境变量,通过层次分析法搭建评价结构模型,结合德尔菲法获得各指标权重,并将各环境指标经归一化处理后基于GIS技术获取小海红树林适生区的空间分布.[结果]影响小海红树林生长分布的主要环境变量为水深高程、潮位、潮差、盐度等因子;研究区港北口门附近区域红树林生境适宜性较高,面积约121.6 hm2;西南侧及东南侧区域适宜性适中,面积约328.5 hm2;南侧及中间部分区域适宜性较低,面积约137.2 hm2.[结论]小海区域的气候、水质和水文动力条件均较适宜红树林存活、生长,相当一部分清退的养殖塘具备红树林种植修复的基本生态条件,但需进行生境改造,并依据生态位原理合理搭配红树物种,以期达到修复效果.

推广实施最佳管理措施(BMPs)被认为是防治农业面源污染的有效途径,然而许多流域实施BMPs后通常难以在预测的时间内实现水质改善目标,导致人们对BMPs的有效性提出质疑.受流域内养分遗留效应影响,BMPs实施后的环境质量改善效益可能不会立刻显现(也即"滞后期"),这是由于过去人为活动输入的过量营养物质在流域水文传输和生物地球化学转化过程中的积累所致,当来自外部的污染负荷减少时,这部分营养物质的汇集和释放可能掩盖治理措施对于水质改善的影响.鉴于遗留的营养物质在延迟水质改善方面的关键作用,滞后期的量化评估对于全面分析污染成因,科学配置BMPs,有效治理流域农业面源污染,提升水质改善效率非常重要.以农业面源氮控制措施的滞后效应形成机理和评估方法为主线,概述了流域尺度氮累积和滞后效应产生的主要机理,述评了氮污染滞后效应的量化评估方法,提出目前大多数流域模型尚不能很好的表述滞后效应以及缺乏解决水文和生物地球化学遗留效应的能力,并对未来BMPs优化配置研究提出建议:(1)摸清流域水文传输过程和生物地球化学转化过程对BMPs控氮效益滞后期的影响,分析污染负荷削减的时空响应规律;(2)构建包含土壤、浅层含水层和地下水动力学组合的流域尺度BMPs控氮效益滞后期模型,分析不同管理情景下污染物减排和水质目标改善所需时间;(3)建立涵盖滞后效应的BMPs优化配置方案,以寻求短时间内实现治理效能最大化以及环境与经济效益双重协同的流域农业面源污染防治策略,有效提升资金使用效率,为相关管理措施和政策制定提供理论基础和数据支撑.