草地植被能有效控制坡面侵蚀,然而不同草地植被类型及其冠层与根系对坡面侵蚀过程的调控作用尚缺乏系统研究.采用人工模拟降雨方法,定量研究了不同雨强下苜蓿与黑麦草冠层与根系对黄土坡面侵蚀过程、径流侵蚀动力及土壤抗侵蚀能力特征的影响.结果表明:与裸坡相比,苜蓿与黑麦草的平均减流效益分别为17.65％和9.80％,减沙效益分别为63.86％和69.88％.不同雨强下两种草被根系减流减沙的平均相对贡献均高于冠层,且根系减沙的相对贡献随雨强的增加而增大.草地植被主要通过削减坡面径流流速和增加坡面阻力的方式实现对降雨径流侵蚀动力的调控,草被根系对坡面径流的减速作用略大于冠层,但其增阻作用却明显小于冠层.黑麦草对坡面径流的减速增阻效益高于相同部位的苜蓿.坡面土壤侵蚀率与水流切应力的关系可用幂函数y=axβ较好地拟合.幂函数系数a解释为单位水流切应力所引起的土壤侵蚀模数,可作为反映土壤抗侵蚀能力的指标.草被根系作用下的幂函数系数减幅远高于冠层,反映了其增强土壤抗侵蚀能力作用明显高于冠层,这主要源于草被根系结构对表层土壤性质的改善.须根系黑麦草强化土壤抗侵蚀能力优于直根系苜蓿.本研究揭示了草地植被调控坡面侵蚀过程是通过地上冠层与根系的共同作用达到同时调控侵蚀动力和土壤抗侵蚀能力实现的,草被根系对坡面侵蚀控制起主导作用,且以须根系草被对黄土坡面侵蚀的调控效果最佳.上述结果可为草地侵蚀过程研究及黄土高原草被建设与管理提供科学依据.

在雨涝灾害威胁日益凸显的背景下,基于生态系统水文调节服务供需匹配分析的规划防涝优先干预区识别,为高效降低城市雨涝风险、利用规划措施防涝提供了新的研究思路与科学支撑.运用数据叠置、水文模拟及公式计算法,将城市原生雨涝供给能力与雨涝需求水平统一至同一评估体系中.结合降雨量、下垫面类型,运用径流曲线模型对街区地表径流调节率进行计算,生成供给能力评估结果;以GIS水文模拟结果计算得出的危险性、暴露性和脆弱性指数生成需求水平评估结果.根据石家庄中心四区3a一遇、50a一遇情景供需匹配结果,划定城市街区尺度的规划干预等级,并分类提出相应规划策略.研究结果表明:石家庄市中心四区低供给高需求街区在3a一遇降雨情景下以点状聚集分布;50a一遇降雨情景下,在京广铁路线沿线呈现纵向聚集形态.同时,在两种降雨情景下,规划干预高等级街区均集中出现于桥西区苑东街道、彭后街道、东华街道,长安区长丰街道、建北街道,裕华区裕翔街道、建华南街道.根据规划干预等级、供需相对关系及供需失衡原因,分别提出3a一遇、50a一遇降雨情景下的九类规划干预策略,为城市雨涝灾害的规划应对提供优化思路.

为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响.结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型Ⅱ(长历时、大雨量、大雨强)＞雨型Ⅲ(短历时、小雨量、中雨强)＞雨型Ⅰ(中历时、中雨量、小雨强).降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子.(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42％、20.8％以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型Ⅰ＞雨型Ⅲ＞雨型Ⅱ.(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布＜聚集分布＜随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33％以上.(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上.产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关.坡面产流量(Y1)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y1=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R2=0.905.以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强.研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑.

洪涝灾害情景模拟与损失预估对湖泊型流域防洪减灾和可持续发展具有重要意义.以我国典型的湖泊型流域南四湖流域为例,利用CA-Markov模型预测2030年三种用地情景,采用P-Ⅲ型概率曲线构建10、20、50、100 a四个重现期强降雨情景,得到12种组合情景;通过InVEST模型和等体积淹没法量化不同情景的径流和淹没深度;在各产业GDP空间预测的基础上计算12种情景的洪涝直接经济损失.结果表明:(1)CA-Markov模型在南四湖流域的土地利用模拟精度较高,三种用地情景的各地类变化显著;(2)用地变化对流域洪涝灾害的影响显著,其中城镇发展情景下洪涝灾害风险最大,而生态保护情景风险最低;(3)暴雨强度会明显增加各用地情景的经济损失,但增幅在50 a重现期后有所减缓;生态保护情景的经济损失最少,介于97.39-128.81亿元之间,与其他情景相比,该情景可在一定程度上减少洪灾损失.为此,在气候变化背景下湖泊型流域可持续发展应充分考虑土地利用变化对洪涝灾害风险的影响,合理扩张城镇建设用地,优化布局生态用地,充分发挥国土空间规划在防洪减灾方面的作用.

流域径流过程及其组分来源识别是水资源合理利用的前提.为明确植被类型对流域径流组分的影响与定量贡献,本研究以山西吉县蔡家川主沟流域及5个不同植被类型小流域为研究对象,监测2场典型降雨产流过程及其氢氧同位素时空变化特征,探讨小流域径流过程差异及其组分来源.结果表明:在中雨条件下,事件水对各个流域河道流量的贡献率为封禁森林(94.3％)＞蔡家川主沟(83.1％)＞农牧复合(64.3％)＞人工-次生林(52.4％)＞农地(0.3％)＞次生林(0.0％);而在小雨条件下,人工-次生林(52.4％)＞封禁森林(58.5％)＞农地(40.6％)＞次生林(15.8％)＞农牧复合(12.5％)＞蔡家川主沟(9.3％),次生林、封禁森林小流域事件水对径流贡献率大于人工林,次生林具有更强的径流调蓄能力.封禁森林、农牧复合流域在中雨强度条件下事件水的贡献率大于小雨强度条件,而农地、人工-次生林、次生林流域则相反.事件水对林地小流域径流贡献率大于农地小流域,可能与农地小流域沟口建有淤地坝有关.本研究结果可为晋西黄土区水源涵养和径流变化归因分析提供科学依据.

降雨和景观格局是影响流域径流过程的两大主要因素,开展二者的径流效应研究对流域水资源管理、生态建设等具有重要意义.本研究以赣南红壤丘陵区的濂水流域为对象,基于1958-2020 年的降雨、径流和土地利用数据,分析降雨、景观格局和径流的变化特征,以及降雨、景观格局与年径流、洪枯径流的关系.结果表明:研究期间,流域年降雨量、年径流量、年最大1d径流量均呈非显著下降趋势,年最小 1d径流量呈非显著上升趋势且年际变化幅度最大;有林地为流域内占比最高的景观类型,其他林地的变化最剧烈;景观水平上,流域的Shannon 多样性指数、Shannon 均匀度指数、斑块密度、景观形状指数分别由 1980 年的1.125、0.541、0.667、16.925 上升至2020 年的1.348、0.614、0.731、18.172,景观蔓延度指数由1980 年的68.237下降至2020 年的64.293,流域整体景观多样性、破碎化程度、形状复杂程度提高,空间分布趋于均匀,连通性降低.降雨量与年径流、洪水径流、枯水径流的相关系数分别为0.907、0.594、0.558;类型水平上,耕地减少对年径流、洪枯径流的影响均较大,而景观水平上的整体变化促进了年径流和洪水径流减少、枯水径流增加.降雨变化和景观格局演变对年径流、洪水径流和枯水径流变化的贡献率分别为 17.8%、82.2%,1.5%、98.5%和-8.8%、108.8%.研究成果可为流域景观格局配置、水土流失综合治理等提供理论参考.

揭示亚热带森林土壤有机碳流失规律是制定相应措施以巩固和维持森林生态系统碳汇的关键.然而已有研究存在的监测对象单一、频率过低、时间过短等问题,导致对这一规律的认识仍然不足.选择亚热带典型的常绿阔叶林和杉木人工林为研究对象,每次降雨过后监测其径流量、泥沙量,分析径流和泥沙中的可溶性有机碳(Dissolved organic carbon,DOC)含量以及颗粒有机碳(Particle organic carbon,POC)含量.旨在比较两种森林DOC和POC流失量的差异,并分析二者与降雨量、降雨强度、5 min最大雨强和降雨侵蚀力四个降雨特征值的关联.拟验证以下两个问题:(1)杉木人工林的DOC和POC流失量是否高于常绿阔叶林;(2)降雨侵蚀力对DOC和POC的解释是否优于降雨量、降雨强度和5 min最大雨强.研究结果发现常绿阔叶林径流量、泥沙量、径流水中DOC浓度和POC浓度、DOC和POC流失量均显著高于杉木人工林.回归分析表明常绿阔叶林和杉木人工林DOC和POC流失量与降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力呈显著的线性或幂函数相关,其中降雨量与DOC和POC流失量之间的拟合关系最优.常绿阔叶林产流和产沙量高于杉木人工林可能与前者的林下植被生物量较低有关,前者径流水中DOC浓度和POC浓度较高可归因于其较高的总生物量和土壤有机碳含量.在未来森林经营过程中应合理管理林下植被,尽量减少和避免林下植被的抚育伐,从而能够降低有机碳的水土流失,达到巩固和维持森林碳汇的目的.在未来气候变暖导致降水变化背景下,利用降雨量作为预测指标能够较好评估我国亚热带森林有机碳流失的风险.

为探究大型水库浮游植物优势属演替的驱动因子和丝状蓝藻增殖机制,研究了千岛湖2017-2021年浮游植物群落结构变化及其与环境因子之间的关系.研究发现,千岛湖浮游植物密度和生物量均呈逐年上升趋势,其中蓝藻密度显著上升.2021年,浮游植物年均密度和生物量分别达到1.54×107 cells/L和2.23 mg/L,比2017年分别上升了 161.02％和52.74％.2017-2021年千岛湖浮游植物蓝藻门优势属由微囊藻属(Microcystis)和长孢藻属(Dolichospermum)占优势,演替为假鱼腥藻属(Pseudanabaena)、细鞘丝藻属(Leptolyngbya)、尖头藻属(Raphidiopsis)和Dolichospermum等多种丝状蓝藻共同占优势.浮游植物功能群分析表明,由功能群M和有异形胞的丝状蓝藻H1功能群占绝对优势向功能群H1、S1和SN等多种丝状蓝藻共同占优势转变.在监测期间,千岛湖全湖平均TN和TN/TP显著下降,而TP呈上升趋势.曼特尔检验(Mantel Test)和结构方程模型(SEM)分析结果表明,降雨形成的地表径流输入对TP升高贡献较大,浮游植物总生物量主要与TP、WT、DO、pH、SD和Temp显著相关,浮游植物总密度则受TN、WT、pH、SD和Temp驱动.其中,蓝藻密度和生物量的变化均受TN、WT、pH、SD、Pre和Temp共同驱动.通过冗余分析(RDA)表明浮游植物优势属和优势功能群变化由TN、TP和WT等共同驱动.丝状蓝藻Pseudanabaena、Raphidiopsis、Leptolyngbya与TN负相关,而Dolichospermu与TN正相关、Microcystis与TP正相关,研究表明,TN的降低是导致丝状蓝藻种类增加的主要原因之一.在营养盐较低的水库中,浮游植物群落结构较易受极端气候(暴雨、高温等)、营养输入和水体扰动等因素的影响.较强降雨导致水体混合增加和营养脉冲补给,可能诱发水库浮游植物生物量增加及丝状蓝藻增殖问题.研究结果对于贫-中营养水库蓝藻水华预测和防控具有重要的意义.

生态水文调节服务是生态系统服务的重要组成,能够有效调节地表径流,缓解暴雨洪涝灾害.但由于城市建设扩张、生态环境退化、极端降雨频发等因素,导致生态水文调节服务出现供需失衡.平原城市中地形水动力较弱及城市发展需求高的特征更是加剧了这种现象.基于生态系统供需视角,以生态水文调节率表征城市生态水文调节服务的生态供给,以暴雨洪涝风险表征城市生态水文调节服务的社会需求,构建应对暴雨洪涝灾害的平原城市生态水文调节服务供需研究框架.以典型平原城市天津市为例,应用SWAT模型、随机森林模型和ArcGIS定量测度城市生态水文调节服务供需水平,划分四种供需空间匹配类型,识别供需失衡关键区域,并进行五级规划干预等级分区.结果表明:(1)供给能力呈现"东南沿海高,西北近山低"的空间分布;需求水平表现出"多中心聚集,圈层向外递减"的分布规律.(2)供需空间分布呈现正相关关系,低供-低需在四种供需匹配类型中占据主导,同时空间聚集性最明显.(3)规划干预分区存在明显的空间差异,优先干预区占比5.41％,整体与建成区分布一致,大部分集中在市内六区,其次分布在滨海新区核心区,是未来规划治理的重点.研究结果为城市规划管理从生态水文调节服务供需视角防控平原城市暴雨洪涝灾害提供科学依据.

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素.为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征.结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程.(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显.(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6％-46.2％,TN在7.0％-48.5％之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5％-57.0％之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5％以上.研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据.