厘清植被变化及驱动因素,可为生态修复和社会可持续发展提供参考.本研究基于Google Earth Engine平台获取2000-2020年河南省植被覆盖数据,并结合Theil-Sen Median趋势、Mann-Kendall检验和Hurst指数,揭示河南省及其流域分区(海河流域分区、黄河流域分区、淮河流域分区、长江流域分区)植被分布和变化趋势,并联合因子探测及因子交互,从不同尺度探究了自然和人文因素对植被的影响机制.结果表明:研究期间,河南省植被覆盖度(FVC)呈南高北低的分布格局,以中高植被覆盖为主,其中,长江流域分区最好.河南省及各分区FVC变化规律一致,呈波动上升趋势,均以明显改善为主,其中,长江流域分区的改善面积最大.基于Hurst指数,河南省未来植被状况除了淮河流域分区可能持续改善外,其他分区均表现为从改善转向退化.河南省及各分区植被变化是人文因子与自然因子综合作用的结果,因子影响力随时间而改变,主导因子存在地域差异,土地利用/覆盖类型和夜间灯光等人文因素的影响强于海拔、坡度、年均低温等自然因素.因素间的交互作用,尤其是人文与自然因素的交互作用,呈非线性增强关系.

水生态功能分区是针对水生态系统特征的陆地生态系统划分,是为流域水生态管理提供生态背景和基本单元.陆地-水生态系统的耦合是水生态功能分区的核心,但多停留在个别小流域进行理论探讨,大型流域的实际案例较少.针对海河流域独特的气候、地貌、水文和人类活动特征,提出了水生态功能分区的三级指标体系.一级二级区针对气候、地貌、水文背景进行“自上而下”的分区,三级区针对人类活动对水资源、水环境、生境影响,采用“自下而上”的分区方法.最终,海河流域划分了6个一级区、16个二级区和73个三级区.研究充分体现了“以水定陆、以陆控水”的基本原则,以及“自下而上”和“自上而下”分区方法的优点,结果可为海河流域水生态管理提供科学依据,为水资源空间调配与合理利用、产业结构布局与区域协调等服务.

气候变化是流域物质输送的重要影响因素.近年北方降雨明显增加,在建设海绵城市考虑排水的同时也应考虑物质传输的环境影响.为探究强降雨事件对天津海河氮污染动态变化的影响,本研究选取海河4个重要河流断面在雨季定期采集水样,并依托相关水文站收集降雨相关数据,同时采集城市道路径流样品.通过对样品主离子和硝酸盐氮氧双同位素的分析表明,强降雨事件后,4个研究断面的NO3--N浓度明显升高,经1周后大致恢复到降雨前水平,而硝酸盐氮氧同位素明显降低后升高.综合分析表明,混合作用、生物地球化学过程以及对降雨的不同响应程度共同影响着雨季天津海河氮污染的动态变化.由于降雨时期河流氮负荷明显升高,表明借雨排污情况十分严重,加剧城市河流氮污染.综上所述,降雨期间城市河流物质输送并不遵循稀释效应.同时,城市点源污染的控制是城市水环境质量管理优先考虑的方面.

面源污染是海河流域面临的主要水生态环境问题,如何通过流域景观格局优化实现对面源污染的控制一直是研究的热点问题.通过最小累积阻力模型,以海河流域为研究对象,将流域景观要素及影响流域景观过程的外部因子相结合,对海河流域面源污染风险格局进行了识别,并将阻力格局与海河流域实测水环境指标进行相关性分析及验证,在此基础上对流域污染风险进行识别与优化模拟.结果表明海河流域有40％以上(130380 km2)区域面临高污染风险,集中分布在中南部平原地区以及山区河谷地带;对此设置河流植被缓冲带进行格局优化模拟分析,通过比较不同措施格局优化阻力值变化趋势表明,对于二级河流水系,加强河流两岸600-1600 m范围的人类活动管控,可以有效降低污染物输出,显著降低流域面源污染发生的风险.在面源污染风险等级较高的平原地区,设置300-400 m植被缓冲带,可将风险等级降低50％,设置700-800 m岸边植被缓冲带即可达到最佳效果;而在山区地区因风险较低,设置400-500 m的植被缓冲带即可达到最佳效果,能够将污染风险在现有基础上降低30％-40％.这一研究结果对海河流域景观格局优化和面源污染风险控制提供科学参考.

城市群快速发展严重影响着区域水生态系统的完整性,大尺度流域的河流生境功能辨识和分析尚缺乏系统研究.以海河流域为例,根据河段蜿蜒度、河段比降、断流风险、盐度等4个指标,构建了河流生境功能的分类指标体系.通过多源空间数据和人工判读,划分了6254条河段,在此基础上将河流生境类型划分为15类.通过52个监测样点的鱼类调查数据,分析了不同河流生境的水生生物特征差异,揭示了鱼类多样性高的区域多位于河流比降大、断流风险低的区域,而河流蜿蜒度对于鱼类多样性影响较小.根据京津冀13个地级市的河流生境差异,提出京津冀城市群的生态安全构建需要充分考虑河流生境的空间异质性,并制定融合城市发展目标、水资源利用需求和河流生境功能的综合指标体系.

生态水分利用效率(water use efficiency,WUE)是碳-水循环的重要参数之一,明晰其时空演变特征对水资源短缺地区生态系统的健康发展具有重要的意义.海河流域水资源短缺是区域农业发展的重要制约因素,基于遥感、气象数据,利用趋势分析、相关分析等方法分析了海河流域2000-2014年总初级生产力(gross primary productivity,GPP)、蒸散量(evapotranspiration,ET)及WUE的时空分布特征,并识别WUE对降水、气温及干旱的响应.研究结果表明:(1)时间上,GPP和ET的变化趋势不显著,WUE呈现显著的增加趋势,增速为0.0185 gC/kg H2O a-1(R2=0.6299,P＜0.01);(2)空间上,WUE和GPP均呈现从东南向西北减小的趋势,高值区主要分布在华北平原农业生态区和京津唐城镇与城郊农业生态区.从变化趋势来看,黄土高原农业与草原生态区的GPP和WUE上升趋势最大;(3)植被类型中,农田的WUE值最高,草地的WUE最低,农田、有林草原和草地均呈现显著的增加趋势(P＜0.05);(4)影响因素上,降水对WUE的影响最大,WUE由降水、干旱和气温控制的区域分别占整个流域植被面积的44.44％、39.23％和16.01％.

农村生活饮用水安全是衡量农村经济发展水平和居民生活质量的重要标准之一,和人民群众的切身利益息息相关,是一项非常重要的民生问题.我国是一个严重缺水的国家,同时还是一个水资源严重污染的国家,长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大流域均存在不同程度的污染.由于农村饮用水水源点多面广、单个水源规模较小、农村居民对水资源及环境保护的意识缺乏、农村环境问题的监督和管理薄弱等原因,导致污染不断加剧,农村生活饮水安全仍面临严峻的挑战.统筹规划、因地制宜地解决我国农村生活饮用水安全问题是一项长期且艰巨的任务,需根据不同农村地区的经济发展水平及水污染情况来制定符合当地农村特点的水环境保护政策,进而从根本上来解决我国农村的水污染问题.

目的 了解我国重点流域2013-2018年饮用水化学指标浓度特征.方法 基于环境健康综合监测基础平台,收集全国重点流域10省25区县的饮用水(出厂水,末梢水,二次供水)监测数据,建立水质监测数据库并对一般化学和毒理学指标中的27项指标分布特征进行分析.结果 饮用水中仅铬均合格;硝酸盐不合格率为6.15％(585/9 505);臭氧消毒饮用水中甲醛不合格率较高,为6.73％(44/654).2013-2018年间水质合格率为82.8％～92.4％,呈现逐年上升趋势.丰水期海河流域和东南沿海诸河流域水质合格率最高,分别为94.2％和93.7％,黄河流域最低(49.5％);枯水期东南沿海诸河流域水质合格率(94.8％)高于其他流域,黄河流域最低(5 1.2％).结论 本次分析的我国饮用水水质合格率呈现逐年上升趋势,供水单位应进一步加强管理,提升水处理工艺,加快老旧管网改造,保障饮用水安全.

淇河是海河流域漳卫河水系卫河最大支流,是河南省特有名贵优质鱼类——淇河鲫(Qihe crucian carp Carassius auratus)的原产地.于2014-2015年对淇河河南段12个样点水生植物区系和沉水植物群落特征开展了4次研究.共发现常见水生植物物种49种,隶属25科42属,其中沉水植物12种,漂浮植物3种,浮叶植物1种,挺水植物10种,湿生植物23种.区系分析发现河南段水生植被呈隐域性和热带向北温带过渡的亚热带特征,植物种属以世界分布属为主,其次是北温带分布属和泛热带分布属,分别占总数的45.24％、19.04％和16.67％;这42属水生植物共有中国种子植物所占15个地理分布区类型中的8个,缺少7个.喜旱莲子草(Altemanthera philoxeroides)和水鳖(Hydrocharis dubia)分布广泛,局部堵塞罗玉村河道;沉水植物群落以轮藻(Chara vulgaris)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、穿叶眼子菜(Potamogeton perfoliatus)、菹草(Potamogeton crispus)为优势种,几乎分布在各个样点,但在污染较重(盘石头水库出口和石河岸村)或受工程影响较大河段(王洞村和大来店村)种类组成较单一,群落结构较简单.总之,淇河河南段水生植物群落结构不合理、地理成分复杂程度偏低且具明显隐域性.淇河河南段水生植物保护与恢复迫在眉睫,这对保护该河段水环境质量和淇河鲫野生资源尤为重要.

以海河流域为研究对象,依托系统保护规划的理论、方法和技术手段,建立气候-地貌-湿地生态地理综合分类单元,并将此单元作为宏观尺度湿地生物多样性的替代单元,同时以湿地水鸟作为物种尺度的指示物种,综合考虑道路、居民点等社会因素,确定了海河流域湿地保护优先格局及保护空缺.研究结果表明:湿地结构上,现有保护体系中仅滨海湿地受保护比例较高,经系统保护规划优后,湿地保护比例可达28.55％,保护面积达36.55 km2;在空间分布上,仅徒骇马颊河水系目前得到较好的保护,建议对滦河及冀东沿海区域及海河流域南北水系通过设立保护小区和建立湿地公园等方式加强保护.研究结果可为海河流域湿地保护体系调整提供参考,为湿地、非湿地生态系统的整合优化提供有益启示.