人为水文调控正深刻改变湿地生态系统的结构与功能.由于缺乏长期监测记录,目前针对湿地生态系统如何响应人为水文调控的报道较少.本研究基于神农架大九湖五号湖的一根长44 cm的沉积岩芯多指标记录,重建了近40年来大九湖生态水文变化过程,并探讨其驱动因子.结果表明:五号湖的硅藻群落经历了 3个主要演化阶段:1980-2008年以底栖硅藻为主,2008-2016年浮游硅藻迅速增加,2016年以来小型脆杆藻占主导.冗余分析表明,硅藻组合变化与总有机碳、总氮和Mn/Fe值显著相关.2008年以来硅藻组合变化反映了五号湖由早期富含有机质的泥炭地向浅水湖泊转变,主要响应筑坝提升水位;2016年以来底栖和附生硅藻增多,响应大九湖移民搬迁后水生植物扩张、水体透明度增加的过程.沉积硅藻记录揭示了大九湖的环境变化过程,为湿地保护提供了科学依据.

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.

伴随城市人口快速聚集及人类活动加剧,城市生态环境质量及其对人类社会经济发展的支撑能力正在受到严重挑战,城市生态系统及其变化的研究越来越受到重视,国内外涌现出大量城市生态学长期监测工作,但相关监测方法的讨论还很少.在分析城市生态学长期监测类型和实践经验基础上,从城市面临的环境胁迫和建设管理需求出发,构建了城市生态学长期监测的"胁迫+需求-生态系统响应"总体思路框架;从科学上最基本和社会上最关心的城市生态系统要素、格局和过程着眼,提出城市生态学长期监测的7项内容(土地覆盖与利用、人居环境质量、生物多样性、生物质生产、水文过程、生物地球化学循环和物质代谢);并分析了城市生态学长期监测的4种方法(遥感监测、仪器监测、调查监测、公众科学监测),分析了城市生态学长期监测单元及其空间布局及监测频率.这将为我国城市生态学长期监测工作开展提供方法论基础和实践参考.

林冠穿透雨空间异质性(即不同冠层位置穿透雨量的非均一性)及其在一定时间段内的持续性(即时间稳定性)关系着土壤水分补给数量和效率,通过影响资源有效性作用于植物个体竞争和群落演替.本研究基于关键词检索并分析整理了 Web of Science和中国知网数据库2000-2022年发表的554篇相关主题论文数据,量化并对比了全球不同气候带和植物功能型的穿透雨数量、空间异质性及其时间稳定性特征.结果表明:全球范围内旱区穿透雨比例(72.0％±13.6％)小于湿润(75.1％±9.3％)和半湿润区(79.9％±10.4％),热带(80.9％±14.6％)高于暖温带(74.2％±7.5％)和冷温带(74.1％±14.6％),灌木(68.9％±14.9％)小于乔木(76.7％±9.1％),但阔叶植物(75.2％±11.1％)和针叶植物(75.1％±9.9％)、常绿植物(76.7％±10.0％)和落叶植物(74.7％±11.9％)的林冠穿透雨比例接近,其空间变异系数在上述不同干湿区、温度带和植物功能型之间差异均不显著.穿透雨空间分布格局易保持相对稳定,冠层结构是影响其时间稳定性的主导因子,但缺乏不同时间尺度上典型地理单元(即地理环境条件基本一致的空间单元)之间的对比.建议未来研究通过向上延展至基于全球的空间尺度规律汇总,向下延展至基于过程的时间尺度机制分析,刻画穿透雨空间分布动态变化,并统一观测规范来增进不同研究之间的可参比性,以高效推进林冠穿透雨研究,为保护自然、管理人工、恢复受损生态系统提供生态水文依据.

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.

沉水植物在维持浅水湖泊生态系统健康和稳定等方面起着重要作用,掌握其长期动态及驱动因子对湖泊生态系统恢复和富营养化治理具有重要的理论和现实意义.本研究以长江中下游17个湖泊为研究对象,分析了近70年(1954-2021)来沉水植物的α和β多样性格局及其变化情况,并基于S?rensen相异性指数将β多样性分解为周转(turnover)和嵌套(nestedness)两个组分,探讨了湖泊环境异质性变化与沉水植物群落多样性格局的联系.结果表明:(1)在湖泊尺度上,11个湖泊沉水植物的α多样性呈减小趋势;而大多数湖泊βtemporal多样性(同一湖泊不同年份之间的群落结构相异性)无显著变化,且其变异主要由不同物种间的嵌套成分驱动.(2)在流域尺度上,长江中下游湖泊沉水植物的α多样性在演化过程中呈先增大后减小的趋势,βspatial多样性(同一时期不同湖泊之间的群落结构相异性)在演化过程中呈逐渐减小的趋势,而湖泊环境异质性呈逐渐增大的趋势.(3)环境异质性越高的湖泊,其α多样性越小,β多样性越大.这些变化可能是多种因素综合作用的结果,包括人类活动、水质污染、水文变化和气候变化等.本研究对于长江中下游湖泊生态系统管理和保护具有一定理论价值,为制定有效的保护策略和措施提供了科学依据.

碳循环在参与全球物质能量交换流动与影响气候变化中扮演着关键的作用.淡水生态系统碳循环过程是全球碳循环的重要组成部分,因此研究沉积物储存与释放过程能提高人类对淡水生态系统碳循环过程的认识,同时研究沉积物碳储存与释放的影响因素对延缓和治理全球气候变暖措施的制定提供基础理论依据.文章首先综述了淡水生态系统中沉积物碳储存与释放的途径,其次在全球气候变暖的背景下,从气候、水文条件(水位、水质、温度)、生物因素(浮游植物、微生物、水生动物和沉水植物)等方面讨论了影响碳储存和释放的因素,这些因素之间不仅会相互影响与联系,且都会直接或间接对沉积物碳的储存和释放产生影响,沉积物碳的储存和释放的变化是多种因素综合作用的结果.最后对如何应对富营养化淡水生态系统实施固碳增汇进行展望.