大渡河是长江上游重要支流,水电资源丰富,流域内现存大量特有物种和珍惜物种,具有较高的生态及经济价值.生态流量是保障河道生态环境不退化、维持河道健康的重要指标,开展对大渡河生态流量的计算,对大渡河水生态环境保护和水资源合理利用具有重要意义.当前对生态流量的研究众多,本文基于大渡河中下游2008-2017年天然来水情况,分别选取水文学方法中的Tennant法、改进Tennant法,水力学法中的湿周法,以及鱼类生境适宜度法,提出了水文-水力学-水生态的结合法(下称结合法).将结合法计算的生态流量与多年实测流量对比,确定需要进行生态补水的月份,并根据水利部印发的第四批重点河湖生态流量保障目标对大渡河生态流量进行满足程度分析.研究结果表明:结合法考虑了水文学、水力学以及不同月份鱼类繁殖的需求,满足年内不同时段河道生态需求.大渡河中下游泸定站2-4月、沙湾站2月的来流量无法满足生态需水,应进行生态补水,使河道流量满足鱼类繁殖要求.与水利部制定的大渡河生态流量保障目标相比,本文计算的生态流量在鱼类繁殖期高于保障目标,在非鱼类繁殖期低于保障目标.本文提出的结合法考虑了河道生态需水的年内差异,且计算方法简便,实用性较强,大渡河生态流量的计算能够为年内生态补水提供科学依据.

喀斯特地区岩石裸露、土壤浅薄、持水能力差.对比分析喀斯特和非喀斯特森林树种叶性状有利于了解叶片对喀斯特生境的生理生态适应.前期比较研究集中在叶经济学性状,对叶水力学(抗旱)和机械抗性(防御)性状关注较少.该研究测定热带-亚热带地区典型喀斯特和非喀斯特森林共101种乔木的叶形态解剖、机械抗性和水力学性状,比较两个植物类群叶性状以及性状网络的差异.结果发现:(1)与非喀斯特森林乔木相比,喀斯特森林乔木叶撕裂力(Ft)较大、最大导水率(Kleaf max)较高,膨压丧失点(Ψtlp)和气孔安全边界均较低.(2)喀斯特森林乔木叶性状网络的平均路径长度和直径较短,边缘密度较大,表明叶性状之间的关联程度更高.(3)喀斯特森林乔木叶性状网络的关键性状为比叶质量(LMA)和机械抗性,而非喀斯特森林则为叶厚度(LT)和叶密度.喀斯特森林乔木LMA与Ψtlp负相关,与Ft正相关,即增加叶构建成本可同时提高机械抗性和耐失水能力;非喀斯特森林乔木无此相关关系.(4)喀斯特森林乔木Kleaf_max与叶抗栓塞能力(耐旱性)之间权衡,它们与叶形态解剖和机械抗性均不相关;非喀斯特森林乔木无水力学权衡关系,Kleaf_max与LT和叶密度显著相关.该研究进一步揭示了与非喀斯特森林相比,喀斯特森林乔木倾向于采取异水策略,且叶性状之间密切协同.

刺槐是黄土高原广泛栽植的水土保持树种,然而人工刺槐林的树木个体生长衰退已经成为该区域开展植被恢复建设、实现森林可持续经营所面临的重大生态环境问题之一.目前人工刺槐林生长衰退的定义、界定标准、量化指标尚未形成统一标准.探讨刺槐生长衰退的机理不仅是植被恢复的理论基础,也是退耕还林还草工程持续开展的直接需求,具有实际价值和研究意义.通过汇集相关研究文献,综合国际和黄土高原关于森林生长衰退、死亡率增加的研究,从生态学(气候变化、土壤干化、群落结构失调、森林经营管理不当)和树木生理学(水力学故障、碳饥饿、遗传及分子调节)两个角度概述了黄土高原人工刺槐林生长衰退的机制以及取得的研究进展.最后提出黄土高原人工刺槐林生长衰退研究的不足,并对未来研究进行展望.

软体动物贝壳表型是适应性进化的结果,为探究贝壳形态特性与软体动物随水流扩散功能的相关性,实验选取9种具代表性的腹足纲和双壳纲贝类作为研究对象,研究了其成体的壳-体质量比与静水沉降特性及二者的相关性.结果表明:体质量的变异系数(C.V.=1.11)大于壳长(C.V.=0.67)、壳宽(C.V.=0.54)的变异系数;壳-体质量比具较强的种属特异性,种内变异系数小(C.V.=0.20),而种间差异极显著(P＜0.01).受试贝类的平均壳-体质量比为0.32±0.13,陆生贝类的壳-体质量比显著小于水生贝类(P＜0.01),壳-体质量比最大的河蚬(0.54±0.06)是最小的非洲大蜗牛(0.17±0.04)的3倍,福寿螺的壳-体质量比为0.50±0.06.双壳类和螺类的沉降行为差异明显,只有中华园田螺、铜锈环棱螺和河蚬不能在静水中漂浮;沉降速度最大的河蚬((24.99±4.22)cm/s)是最小的椭圆萝卜螺((4.13±0.96) cm/s)的6倍,入侵种非洲大蜗牛((18.30±3.64) cm/s)和福寿螺((21.77±5.23)cm/s)与土著种铜锈环棱螺((19.48±3.14) cm/s)和中华园田螺((21.44±3.92) cm/s)在沉降速度上无显著差异(P＜0.01).成体贝类的壳-体质量比与沉降速度(R2 =0.28)、沉降加速度(R2 =0.39)之间存在一定的相关性.在此基础上,贝类沉降特性随生活史变化的研究将进一步揭示贝类进化与种群扩散中的生态水力学作用.

钉螺水利生态控制及水利血防措施是我国血吸虫病综合治理的重要组成部分,为我国血吸虫病防治工作发挥了重要作用.在长期的防治研究与实践中,我国逐渐发展形成了比较完善的水利血防技术规范,其理论基础则与钉螺水生态和钉螺水力学相关.本文重点回顾了水、泥土、草、光照等相关的钉螺生态要素,并对血吸虫病防治现场应用的钉螺水利生态控制技术和现行水利血防措施进行了初步评述,对未来水利血防技术的发展提出了建议.期望在新形势下水利血防深入发展,为我国消除血吸虫病发挥更加重要的作用.

桂西南喀斯特地区生物多样性丰富、特有种多,同时也是石漠化问题较为严重的区域.由于该喀斯特地区土层浅薄、岩石裸露、表层储水能力差,植物在干旱季节经常会受到水分胁迫.植物水力学特征不仅是探讨喀斯特地区植物的生理生态适应性的关键,还能够为石漠化地区的植被恢复提供重要参考.该研究测定了桂西南喀斯特季雨林17种代表性木本植物(包括不同生活型、叶片习性和生境)的木质部脆弱性曲线、最低水势、叶片膨压丧失点和边材密度等水力性状,结果发现:(1)喀斯特植物木质部导水率丧失50％时的水势值(P50)的种间差异较大(-0.51--2.51 MPa),其中常绿种的抗栓塞能力比落叶种强;(2)喀斯特植物的木质部水力安全边界值(最低水势与P50之间的差值)的均值为0.36 MPa,说明喀斯特森林植物在自然最低水势状况下木质部发生栓塞的程度较高;但是不同植物种间存在显著差异,这可能与喀斯特峰丛洼地生境的复杂性以及物种不同的抗旱策略有关;(3)由于喀斯特植物水分适应机制的多样化,导致木质部水力安全边界与叶片膨压丧失点、边材密度的相关性并不显著.在区域气候干热化的背景下,结合喀斯特植物的栓塞脆弱性和长期水势监测(尤其极端干旱事件)分析它们的水力安全,对预测未来喀斯特森林物种分布和群落动态具有重要的指示作用.

植物为适应陆地环境进化出木质部维管系统,通过水力学机制高效安全的向光合器官长距离运输水分,木质部水分运输对蒸腾、气孔运动、光合碳同化等生理过程有调控和协调作用,被称为植物生理学的支柱.植物水力学作为木质部水分运输的研究内容和手段,已成为整合植物与生态系统功能的中心枢纽.该文首先概述了植物水分运输的水力学机制、运输系统的局限性,以及木质部结构与功能之间的关系;其次,阐述了木质部栓塞的形成机制并详细介绍了栓塞的诱导方法和测试技术,分析了水分运输系统安全与效率之间的权衡关系,总结了植物对环境的响应和干旱致死的预测模型,讨论了测试技术问题及其引发的当前木质部逆压力修复和指数型木质部栓塞脆弱性曲线有效性的争议;最后,总结了目前植物木质部水力学研究的成果,提出了尚待解决的主要问题,探讨了研究机会与方向.

生物结皮的分布格局是影响坡面产流产沙的因素之一,但其格局对侵蚀动力的影响机理尚不明确,妨碍了进一步解析生物结皮影响坡面产流产沙的机制.本研究通过室内模拟降雨试验,采用景观生态学方法,对带状、棋盘和随机3种分布格局下生物结皮坡面景观指数和水力学参数的变化规律与裸土坡面进行对比研究.结果 表明:生物结皮显著影响坡面侵蚀动力,其分布格局是影响坡面侵蚀动力的因素之一.与裸土相比,生物结皮显著降低了坡面流速(54.6％)和弗劳德数(67.0％),显著增加了径流深(86.2％)和阻力系数(10.68倍),但对雷诺数和径流功率的影响较小;除径流深外,3种格局的生物结皮坡面的各水力学参数均存在显著差异,其中,随机格局对坡面侵蚀动力的影响最大.基于因子分析和聚类分析,筛选出斑块占景观面积比例、斑块密度、景观形状指数、斑块连结度和分离度5个指标作为描述生物结皮斑块分布特征的指标.其中,生物结皮斑块间的斑块连结度和分离度是影响坡面侵蚀动力的主要格局因子.随着生物结皮斑块间斑块连结度减小、分离度增大,坡面流速增加,阻力减小,坡面侵蚀加剧.

南亚热带地区人工纯林面积大,但是结构简单,对气候变化响应敏感.在区域气候干旱化的背景下,造林树种的生理生态策略及其对季节性干旱的响应亟待研究.该研究选择南亚热带地区10种造林树种(包括6种乡土种和4种外来种),测定这些树种的平均生长速率、水力学性状以及经济学性状,分析性状与生长速率之间的相关关系,并比较水力安全边际和气孔安全边际的种间差异.结果发现:(1)造林树种的生长速率与木质部导水率显著正相关,但与木材密度、比叶面积以及水力安全性指标无显著相关性.(2)造林树种的水分传导效率性和安全性之间没有权衡关系,外来树种Aeacia crassicarpa和Eucalyptus grandis×urophylla同时具有较高的木质部导水率和较强的抗栓塞能力.(3)造林树种的水力安全边际和气孔安全边际的种间差异显著,大叶相思(Acacia auriculiformis)、红锥(Castanopsis hystrix)、壳菜果(Mytilaria laosensis)和阴香(Cinnamomum burmannii)在干季发生水力失败的风险较高.建议南亚热带人工林的生态监测指标体系中应包括树木水力学性状,进而为人工林的可持续经营管理提供重要参考.

植草沟被广泛应用于海绵城市建设中,可有效改善城市生态环境.为探究植草沟径流调控作用的机理,通过放水模拟试验,研究了 5个坡度(1％、2％、3％、4％、5％)、5个放水流量(20、30、40、50、60 L·min-1)组合条件下植草沟径流的水力学特性与断面流速分布变化规律.结果表明:植草沟径流水力学特性主要表现为,随流量和坡度的增加,流速、雷诺数和佛汝德数均逐渐增加,曼宁糙率系数与Darcy-Weis-bach阻力系数逐渐减小.流速(V)可以用流量(Q)与坡度(S)的幂函数V=0.3387Q0.555S0.6601来表示.雷诺数和佛汝德数变化范围分别为1160.95～6596.82和0.17～1.21,径流流态均为紊流,流型受坡度影响较大.流量和坡度较小时,两者对阻力系数的影响较大,试验条件下水流阻力系数与雷诺数呈负相关关系.植草沟径流断面流速分布表现出关于中心两侧对称分布,最大流速点位于中心水面处,断面流速等值线随流量和坡度的增加而逐渐变密,流速变化梯度增大.本研究可为黄土区海绵城市建设中植草沟的设计应用与水力计算提供理论基础,也可以通过分析植草沟径流水力学特性以探索其径流调控机理.