生态缓冲带作为陆地生态系统和水生生态系统的交错地带,能够有效地拦截地表径流中氮、磷及除草剂等污染物质进入河流、湖泊.选取紫花苜蓿(Medicago sativa)、早熟禾(Poa annua)、高羊茅(Festuca ela-ta)、黑麦草(Lolium perenne)和白花三叶草(Trifolium repens)等5种草本植物构建生态缓冲带.通过野外模拟径流实验,探究植被类型及缓冲带长度对生态缓冲带阻控地表径流、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、溶解磷(DP)、颗粒磷(PP)、乙草胺(AC)、阿特拉津(AT)等污染物质效果的影响.结果表明:5种生态缓冲带均显著提高径流及面源污染物的阻控效率,且随缓冲带长度的增加,其对污染物阻控效率逐渐增大.不同植被生态缓冲带可有效消减地表径流量,大小依次为:黑麦草＞高羊茅＞早熟禾＞白花三叶草＞紫花苢蓿.其中,4 m长的黑麦草缓冲带对NO3--N、TP、DP、PP和AC的阻控效率最高,分别达72.2％、73.2％、68.8％、83.5％和70.8％;4 m长的高羊茅缓冲带对NH4+-N和AT的阻控效率最高,分别达88.0％和77.3％.

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.

干旱内陆河流在维系绿洲形成与发展,连接干旱区绿洲各类生态子系统中具有举足轻重的作用.以克里雅河中游为研究区,基于遥感影像分析了1995年、2005年和2015年3个时期的土地利用/覆被与景观格局变化特征,采用缓冲区分析法,揭示了土地利用/覆被与景观格局的时空变化特征,用土地覆被转移指数模型计算了土地利用转移方向.研究结果表明:1)1995-2015年,克里雅河中游耕地持续增加,草地和水体呈减少趋势,耕地增加和水体减少主要发生在河道附近,草地退化在绿洲边缘较严重.在河道附近,耕地主要由水体和草地转入,水体主要转出到耕地,而在绿洲边缘草地主要转出为其他用地;2)从景观水平看,研究区整体景观具有破碎化趋势,景观多样性降低,分离度变大,整个景观向均匀化发展,此变化在河道附近和绿洲边缘较明显.从类型水平看,耕地斑块数量持续增加,有向连片生成的趋势.草地斑块分离度越来越大,逐渐失去了在绿洲中的优势.水体有破碎化趋势;3)从土地转移指数看,研究区土地覆被总体变差;河道附近土地覆被经历了退化-改善的变化过程,而其他缓冲带则是持续退化,尤其绿洲边缘退化程度最为严重.

河岸缓冲带作为河流-陆地之间重要的生态过渡区,恢复以及优化其退化的植被系统对防止水土流失、改善生态环境及实现该区域生态系统的可持续发展具有重要的现实意义.本文基于植被格局情景模拟和汇流路径长度指数,分析不同植被盖度和坡度下坡面水文连通性对植被格局的响应,探讨黄河下游河岸缓冲带水土保持效应的最优植被格局.结果表明:坡中格局-粗粒度-集群分布的植被配置方式所产生的汇流路径长度最小、水文连通性最弱,是抑制坡面产流汇流效果最优的植被格局类型.对于最优植被格局,其汇流路径长度随坡长的增加而增加,坡长越长,坡度的作用越明显,水文连通性在各坡度之间的差异越显著;汇流路径长度随植被盖度增加而减小,低盖度时各坡度之间的汇流路径长度差异明显,当盖度达到45％时,各坡度之间的汇流路径长度趋于一致、水文连通性差异较小.实证坡面汇流路径长度随植被盖度增加其降低趋势无规律性,而最优植被格局汇流路径长度随植被盖度增加均呈现出一致的先急剧后平缓下降趋势.在设置的5°～20°坡度范围内,最优植被格局在一定程度上改变了盖度变化过程中不同坡度之间汇流路径长度的差异,突显了河岸缓冲带植被格局对水文连通性的影响.

氮(N)是水体的重要污染物之一.河岸缓冲带作为连接陆域和水域的生态纽带对N素去除效果显著,是有效控制N素向水体输出的重要途径.本文介绍了河岸带N素的迁移过程,从物理、化学及生物角度阐述了河岸带对N素的去除机理,归纳总结了河岸带对N素的去除效率、影响因素和研究手段.指出不同N素去除途径下N素去除效率的主要影响因素不同,植被结构、土壤渗透和持水特征、河岸宽度和坡度是通过影响物理作用去除N素的主导因素,植被类型、季节动态、植物生长发育是通过影响植物吸收去除N素的主导因素,土壤温度、有机碳含量、pH、硝态氮含量、氧含量是通过影响反硝化作用去除N素的主导因素.最后分析了当前研究中存在的问题,并提出了研究展望及今后研究重点.

农田中氮向河流水体的迁移不但造成化肥利用率低,而且加重水体污染和富营养化.在河流水体与农田间构建合理的植被缓冲带对于水生态保护具有重要意义.本研究在辽河保护区干流近农田处设置了蒿草(CK)、黑麦草(LP)、紫穗槐+黑麦草(AL)和杞柳+黑麦草(SL)4种植被缓冲带.自然降雨后采集地表径流和土壤渗流液,对植被带阻控径流量、固体悬浮物及NO3--N、NH4+-N和TN效果进行了测定.结果 表明:随着河岸植被带宽度的增加,农田地表径流量、固体悬浮颗粒物(SS)和径流中氮阻控率逐渐增大;5m宽黑麦草植被带可有效阻控径流中69.1％的固体颗粒物,黑麦草+紫穗槐植被带可有效阻控56.7％的NO3--N;而13 m宽植被带则平均可阻控95.6％、91.3％、75.9％、82.9％的固体悬浮颗粒物、NH4+-N、NO3--N、TN;植被带对土壤渗流液中各形态氮的阻控率显著低于径流,其中渗流液中NO3--N和TN的阻控率在前5m甚至出现负值,说明植被带的存在加强了径流中氮的下渗作用;4种植被缓冲带中,紫穗槐与黑麦草组合带(AL)对农田径流和渗流液中氮的去除效果均最好.

流域生态环境修复工程对保护和提高流域生态系统服务功能及其价值起到了至关重要的作用.本文基于InVEST模型,选取密云水库上游,潮河流域为研究对象,依据各地区“十三五”生态环境保护规划中针对潮河流域的生态修复措施,设置化肥减量、河岸缓冲带、退耕还林和综合修复四种情景,并采用直接市场法和替代市场法研究生态系统服务价值的变化.经过研究发现:①四种情景都有效的提高了生态服务功能和价值;②单独实施化肥农药减量,不能显著降低TP(-13.14％)、TN(-10.94％)负荷;③采取综合修复的方式能使潮河流域水源涵养,TP、TN拦截,土壤保持能力分别提高了40.18％、53.89％、42.32％以及63.76％,同时生态服务价值增加7.73× 107元.这一发现旨在通过对不同生态修复措施在生态环境修复中的成本与效益分析,帮助决策者和规划单位准确评估生态修复的收益,从而制定提高生态环境系统服务功能的最佳修复方案.

丹江口库区是南水北调中线工程重要水源地,通过探究库区景观格局变化与氮磷净化能力,对未来景观规划和生态系统功能提升提供科学依据.在县域尺度上以丹江口市为研究区,运用景观格局指数和InVEST模型研究2003-2018年库区景观格局和氮磷净化能力,并利用Pearson相关分析和RDA分析法探讨二者之间的关系,分析引起氮磷净化能力变化的因素.结果 表明:在斑块类型上,水域面积和林地面积不断增加,耕地和园地面积逐渐减少,建设用地面积整体上呈增长趋势;在景观水平上,景观形状指数不断减少,蔓延度指数和聚集度指数整体呈增长趋势,形状复杂程度降低,景观聚集程度提升,散布与并列指数增加了5.58,香农多样性指数变幅较小,各斑块类型趋于规则,呈均衡趋势分布.2003年、2008年、2013年和2018年氮磷净化能力呈持续增强趋势,其中TN输出总量分别为899.224、801.481、776.979、672.149 t,TP输出总量分别为77.308、69.921、68.163、60.802 t,15年间TN、TP的净化能力分别增强了25.3％和21.4％;对氮磷净化能力重要性等级划分表明,极重要、高度重要区主要分布于库区、河流两岸和林地区域.利用Pearson相关分析和RDA分析法表明,在斑块类型上林地与氮磷的输出呈显著负相关,耕地、园地和建设用地与氮磷输出量呈正相关;在景观水平上氮磷输出量与景观形状指数呈显著正相关,和散布与并列指数表现出显著负相关,与蔓延度指数、聚集度指数呈负相关.因此,可在库区氮磷输出量较高的地区种植喜氮喜磷植物,通过调节景观格局结构,合理规划土地利用,增加林地面积,建设河岸植被缓冲带充分滞缓径流等一系列措施,充分保障库区水源水质安全.

森林生态系统完整性动态评估能反映森林生态系统结构和功能的变化,对于制定长期有效的生态系统管理措施有着重要意义.本文以长白山国家级自然保护区及周边8 km外围缓冲带为研究区域,将生态系统完整性评估框架与森林景观模型LANDIS PRO相结合,使用空间主成分分析法构建模型计算生态完整性指数,评估长白山2005、2030、2070和2100年的森林生态系统完整性状况.结果表明:从时间来看,长白山森林生态完整性呈现前期略微下降,后期持续增长的趋势.随着森林演替,长白山森林各等级生态完整性之间的转移面积不断减少,生态完整性结构逐渐趋于稳定.从空间来看,长白山森林整体的生态完整性较高,而局部地区由于历史上受到风灾或人类干扰,出现了低生态完整性的斑块.保护区内的生态完整性高于保护区外的生态完整性,北坡和西坡的生态完整性高于东坡的生态完整性,未来需要对低生态完整性的区域加强管理,促进森林恢复.

滨岸缓冲带作为湖泊生态系统的重要组成部分,研究其土地利用变化及生态系统服务价值(ESV)对维持湖泊水安全和生物多样性具有重要意义.基于1988—2018年间7期Landsat遥感卫星影像数据,采用土地利用相关分析、ESV当量因子估算等方法,深入分析了鄱阳湖滨岸缓冲带近30年土地利用时空演变特征及ESV变化.结果表明:(1)近30年鄱阳湖滨岸缓冲带土地利用类型逐渐形成了以耕地为主导,林地、草地、水域、建设用地等主要地类占比相对均衡的格局.耕地面积明显增加,增幅为21.48％;建设用地和林地面积增幅分别为542.90％和326.23％,耕地、水域、草地是二者面积增加的主要来源;草地面积出现明显减少,幅度达66.79％,主要转变为林地、耕地和水域;水域和未利用地面积出现小幅减少.研究区内,南昌县综合土地利用动态度以1.81％高于其他11个区(县),土地利用较其他区(县)出现更大的变化.(2)近30年鄱阳湖滨岸缓冲带生态系统服务价值总体呈现先上升后下降的趋势,总损失25.54亿元,降幅为24.18％;各类ESV的变化趋势与各土地利用类型面积变化的趋势相似,其中水文调节为研究区内最主要的生态服务功能,占总ESV的66.03％.(3)水域和草地对ESV变化的贡献率最大,是鄱阳湖滨岸缓冲带ESV变化的主要影响因素;水域面积减少是导致滨岸缓冲带ESV下降的主要原因.总体而言,修复和保护滨岸缓冲带内的水域和草地对维持鄱阳湖生态系统生物多样性和服务功能具有重要作用,对周边乃至长江中下游地区的生态环境保护亦具有重要意义.