在黄河流域生态保护与高质量发展的战略背景下,开展汾河流域生态质量评价与时序动态特征分析对流域的生态保护与可持续发展政策的制定至关重要.基于Google Earth Engine平台,在绿度(NDVI)、湿度(Wet)、热度(LST)、干度(NDBSI)的基础上增加土壤盐度(BCSI)、PM2.5浓度指标,通过主成分分析法构建标准化遥感生态指数(SRSEI)来评价汾河流域的生态质量;通过Theil-Sen median趋势分析、Mann-Kendall检验和Hurst指数,对汾河流域的生态质量进行时序动态特征分析.结果表明:2000-2020年SRSEI与各指标的多年平均相关度为0.8191;2000-2020年汾河流域SRSEI均值由0.4133增长到0.5176;流域内,山地的生态质量最好,盆地的生态质量最差;流域内,生态改善与恶化区域面积比例分别为83.32％和15.96％,生态持续改善与持续恶化面积比例分别为19.3％和5.98％;山地与盆地生态出现恶化的区域分别占流域生态恶化面积的26.21％和52.87％;SRSEI对汾河流域生态评价的结果是可靠的;2000-2020年汾河流域生态质量总体呈现改善趋势;生态恶化主要发生在盆地.应加强盆地生态治理、建设生态设施、营造生态防护林,避免人对自然的过度破坏.

分析国土"三生空间"土地利用功能变化及其驱动因素,对实现"三生空间"协调发展具有重要作用.本研究基于1980、1990、2000、2010和2020年土地利用遥感影像数据,利用土地利用动态度、转移矩阵、重心转移和地理探测器等方法,分析汾河流域"三生空间"变化规律,并探索其影响因素.结果表明:1980-2020年,流域内"三生空间"面积占比分别为生态空间＞生产空间＞生活空间,其中,生态空间和农业生产用地呈下降态势,分别减少72441.19、105882.96 hm2,而生活空间和工业生产用地表现为上升趋势,分别增加119503.02、58821.13 hm2."三生空间"土地利用变化差异明显,转出面积最大的地类是农业生产用地,占转出总面积的47.9％,2000-2010年工业生产用地最大转入面积是农业生产用地,占工业生产用地转入总面积的61.3％.城镇生活用地占农业生产用地现象主要分布在太原盆地各城区的边缘区,其中,太原市区的城镇生活用地增加表现为逐渐向南扩展态势.城镇生活用地和工业生产用地的重心迁移最明显,其中,城镇生活用地重心迁移表现出先向南再向北迁移的趋势,工业生产用地重心向北迁移显著.社会经济因子对流域"三生空间"土地利用变化影响程度明显强于自然因子,社会经济因子之间的交互作用对"三生空间"土地利用变化的解释力更强.研究结果将为理清"三生空间"土地利用变化关系和优化用地功能提供参考.

水体营养元素是影响水体生态系统的重要因素,决定着水体中不同的浮游生物群落结构,也是评价水质和水体营养状态的重要指标.对太原汾河蓄水区9个样点浮游植物和各项水环境及营养元素进行了调查与分析,调查期间发现(1)该流域蓝藻和绿藻为主要优势类群,即构成了以蓝-绿藻门为主要的浮游群落.平水期与丰水期优势种均以蓝藻门的微小色球藻(Chroococcus minutus)、微小平裂藻(Merismopedia tenuissima)、小颤藻(Oscillatoria tenuis)、铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)为主,其丰度分别占平水期和丰水期藻细胞总数的42.95％和59.24％.叶绿素a含量随地理位置变化明显,中下游显著高于上游.(2)太原汾河蓄水区水质均达到富营养状态.由于太原汾河蓄水区沿途的生活垃圾、污水的不合理排放,导致汾河中总氮、总磷等指标偏高,最终导致整个水体处于轻度富营养状态或中度富营养状态.(3)叶绿素a含量与水温、总氮、总磷呈显著正相关,与有机物含量呈极显著正相关,总磷的影响最为明显,说明磷可能是该地区浮游植物生长的限制因子.

随着社会经济的发展,人类对生态系统服务选择的加剧,生态系统服务面临的形势更加严峻.以汾河上游流域为研究区,以遥感影像、气象、土壤、统计数据及专题地图等为数据源,基于ArcGIS平台,采用CASA、InVEST等模型,评价了2000年和2008年汾河上游流域泥沙截持、产水量、NPP、固碳释氧、粮食生产五项生态系统服务变化情况;同时,整合人口、居民点、道路定量评价了研究区2000和2008年人类活动强度,并采用SPSS典型相关分析方法(CCA),对生态系统服务的自然与人文驱动因素进行了分析.结果表明:2000-2008年间,研究区5项生态系统服务变化明显.其中,泥沙截持服务减少43.30 t/hm2,减少范围占整个流域87.5％,只有北端局部区域有所增强;产水服务增加4.74 t/hm2,产水服务增加的区域占到了流域总面积的89.6％:NPP生产服务增加0.86 t/hm2,NPP增加的区域占研究区的93.7％,仅边缘零星区域NPP减少;固碳释氧服务与NPP生产服务呈现一致的时空格局,增加量达2.18 t/hm2,仅流域边缘零星分布减少的斑块;粮食生产服务总体上有所降低,下降幅度为15.65 kg/hm2,粮食生产减少的区域占到整个流域的65％.同期,该区域人类活动强度有所增强,人类活动指数(HAI)由0.19增加到0.21,呈现出北低南高的空间格局.相关性分析表明,2000-2008年前,人类活动与泥沙截持和产水服务呈现极显著的正相关(r=0.637**和r=0.656**).典型相关分析则(CCA)表明:影响泥沙截持服务的主要驱动因子是坡度,影响产水量的主要因素是降雨量和温度;2000-2008两年间生态系统服务变化量的典型相关分析表明泥沙截持和产水服务受日照时数、相对湿度、降雨等自然因子的影响,NPP生产/固碳释氧的主要影响因子为温度和坡向.

[背景]河流交汇区日益成为流域生态治理的焦点和热点之一.[目的]探明汾河入黄口微生物群落结构及其主要环境影响因子.[方法]应用16S rRNA基因Illumina MiSeq高通量测序技术,分析了汾河入黄口夏季微生物群落结构,并利用典范对应分析(Canonical correspondence analysis,CCA)了解影响微生物群落的主要环境因子.[结果]多样性指数分析表明该区域微生物群落多样性较高.微生物多样性分析发现优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria);在属分类水平上,相对丰度最高的菌属为芽孢杆菌属(Bacillus),其次为乳球菌属(Lactococcus)和hgcI_clade.Spearman相关性分析及典范对应分析表明环境因子对水体微生物群落结构具有显著影响.[结论]汾河与黄河微生物群落组成具有一定的差异,不同环境因子对不同微生物的影响程度不同,pH和溶解氧(Dissolved oxygen,DO)是汾河入黄口微生物群落结构的主要影响因子.

流域生态系统涵盖山、水、林、田、湖、草等自然生态各要素,对流域生态系统进行总体保护、系统修复和综合治理,是践行习近平总书记生态文明建设理念的重要抓手.黄土高原地处半干旱半湿润气候带,水土流失严重,生态环境脆弱,探索黄土高原典型流域生态保护修复的理论与实践,对于实现国家生态文明建设具有重要作用.从黄土高原典型流域生态系统特征及存在的生态问题出发,提出流域生态系统修复治理的四大核心理念:(1)宏观规划调控与局地修复调整相结合理念;(2)区域生态功能提升与社会经济发展相协调理念;(3)由“头痛治头、脚痛治脚”转向“整体把脉,系统治疗”理念;(4)由“开刀治病”工程治理向“健康管理”自然恢复逐步引导理念.以山西省汾河中上游为例,在梳理山水林田湖草生态保护修复工程项目实践设计思路的基础上,详细介绍了汾河中上游五大生态保护修复分区(管涔山汾河源头水源涵养及生物多样性保护区、汾河干流中上游水生态保护修复区、水土保持生态保护修复区、汾河上游水源涵养生态保护修复区和矿山生态环境治理修复区)及其修复任务.总结山水林田湖草生态保护修复基本经验,并对完善黄土高原典型流域生态保护修复体制建设与技术服务进行展望,以期为黄土高原乃至全国区域开展流域生态保护修复工作提供借鉴和参考.

土地生态安全关乎人类生存与发展,是土地资源可持续利用的核心.研究土地生态安全对于揭示区域内土地利用安全特征,促进人口、资源与环境的协调发展具有重要意义.本文以汾河流域为研究区域,根据“压力-状态-响应(PSR)”模型,构建土地生态安全评价指标体系,采用层次分析法和熵值法确定指标权重,运用物元模型对汾河流域土地生态安全状况进行评价.结果 表明:2006年汾河流域土地生态安全状况处于“向安全转化”状态,2012和2017年均处于“向较安全转化”状态,整体发展状况较稳定;2006-2017年,景观破碎度、人均水资源量和河网密度是制约区域土地生态安全水平的主要因素;2017年处于“安全”状态的县(市/区)占15％,多数集中在上游,上游土地生态安全水平整体高于中下游地区.

基于CASA模型估算了2000-2015年汾河流域植被净初级生产力,采用趋势分析、相关分析等方法对汾河流域NPP的驱动因素进行研究,并对汾河流域不同梯度的NPP进行分析.结果 表明:2000-2015年汾河流域植被NPP呈现波动上升趋势,年均增长6.62gC ·m-2·a-1,均值为291.57 g C·m-2·a-1,整体呈现中部低两翼高的空间分布特征;不同地类的年均NPP为林地＞草地＞耕地＞其他用地＞建设用地＞水域用地;NPP与气温、降水量之间均为正相关;棕壤区植被NPP最大,栗褐土区植被NPP较小;NPP受地形和人为因素的影响,高值出现在海拔高、坡度大、人类活动较少的山区,低值主要在海拔低、坡度小、人类活动密集的沿河盆地;在汾河流域的东西条带上,距离汾河越远的梯度带NPP越大,在南北条带上,煤炭开采严重、城市化率高的梯度带NPP相对较低.

基于格网尺度,在定量构建景观生态风险敏感性、水土流失敏感性、生物多样性敏感性的基础上,对汾河流域综合生态敏感性进行评价,采用空间自相关分析与圈层分析方法,揭示其时空演变特征.结果表明:2000-2018年研究区重度、极度敏感区面积减少,生态环境得到改善,生态敏感性空间分异与流域地形分布具有一致性;生态敏感性具有显著的空间正相关关系,在空间上呈连片连带式分布,具有明显的聚集性特征,随着高高、低低聚集网格数量的减少,生态敏感性空间结构逐渐趋于离散化;结合圈层分布,可将西南象限9-13圈层的吕梁山区与东南象限9-13圈层的太岳山区识别为流域生态环境治理的重点区域,此类区域地形以山地丘陵为主,体现了地形因素对流域生态敏感性空间分布的影响;研究区生态敏感性变化是生态本底与人类胁迫共同作用的结果.

随着人类对于河流的开发利用日益增强,显著改变了河流的天然径流过程,生态供水不足成为流域生态系统健康的重要制约因素.以山西省汾河流域为研究区,基于天然和实测径流数据,利用SWAT模型分别模拟了流域近30年天然径流和近10年跨流域调水情况下现状径流过程,并在此基础上对流域各河道生态流量及现状径流量进行时空量化,探讨了不同生态流量标准下生态缺水量在时间和空间上的变化情况.研究结果表明:(1)汾河流域各河道生态流量时空差异明显,汛期(0.50-18.80m3/s)河道生态流量需求显著高于非汛期(0.05-1.81m3/s),总体分布特征为中下游干流远高于上游支流;(2)在Tennant法的不同生态流量标准下,汾河流域非汛期生态流量保障情况整体优于汛期,高频缺水区主要分布在支流,呈上下游分散分布;(3)在中等级生态流量标准下,流域约84％的区域能保障基本生态流量需求,关键缺水区为岚河、潇河、浮山县及涂河地区;(4)建议流域生态补水在时间上侧重汛期补水,空间上侧重高频缺水地区,基于流域生态缺水量时空分布特征分配跨流域调水资源,提高水资源利用效率.研究从时空上量化了跨流域调水工程实施后流域生态流量满足程度,可以为未来流域水资源管理提供有效指导.