城市生物多样性为城市生态系统提供了诸多生态系统服务,是实现城市可持续发展的基础。然而,随着城市人类活动加剧,自然景观向人工景观转变,城市生物多样性受到了严重威胁。作为判断生态系统的自然性或人为干扰度的科学方法,自然度评价对城市生物多样性保护和生态系统管理具有重要的指导作用。该文在辨析自然度及其评价概念的基础上,归纳了3种自然度评价方法:指示生物法、自然距离法、多指标综合评价法,从城市生境质量评估、城市景观动态监测、城市生态空间规划3个层面梳理了自然度评价在城市生物多样性保护中的应用研究进展,提出未来应加强城市生态系统自然度评价,并综合考虑生物多样性状态和变化、生态系统完整性、人类干扰和管理决策等因素,进一步将自然度评价纳入土地利用、社会经济和生态效应的综合研究中,揭示城市区域人类活动与生物多样性之间的关系。

生物炭是生物质材料在部分或完全无氧条件下,经热裂解形成的高度芳香化的难溶固体。施用生物炭可改变土壤理化性质,强烈影响土壤微生物的栖息环境,影响土壤固氮微生物、硝化微生物和反硝化微生物的群落结构及活性,进而影响土壤氮循环的主要过程(固氮、硝化、反硝化等)。该研究综述了施用生物炭对土壤氮循环主要过程及微生物功能基因的影响,结果表明,施用生物炭改善了土壤的透气性,提高了土壤pH值,增加了土壤碳和养分的有效性,可使土壤固氮量提高15%~227%,土壤硝化速率提高28%~200%,但土壤氨挥发累积量减少20%~73%,土壤N₂O排放累积量减少11%~78%。此外,生物炭的施用提高了nifH、amoA的基因丰度,进而促进土壤的固氮作用和硝化作用。生物炭的施用还提高了土壤nosZ等基因的丰度以及N₂O还原酶的活性,有利于土壤反硝化作用(N₂O最终转化为N₂),抑制N₂O的排放,且这种效应随着生物炭施用量的增加而增强。此外,生物炭对土壤氮循环及其功能微生物的影响取决于生物炭原料和试验条件,不同调控基因对土壤氮循环过程的贡献不一。生物炭介导下,土壤pH值增大,养分有效性增强,氨氧化细菌(AOB)对土壤硝化作用的贡献可能比氨氧化古菌(AOA)更大。且与其他调控基因(narG、nirS、nirK)相比,nosZ基因对于土壤反硝化作用似乎更为重要。因此,仍需深入研究施用生物炭对土壤微生物氮循环功能基因的影响,尤其是不同功能基因对氮循环过程的贡献大小及其影响因素,进而深化对土壤微生物氮循环功能基因的认识。

为分析2000年1月-2021年4月国内外活性氮循环,特别是梯级流动研究现状及其发展热点,以关键词"nitrogen balance" or "nitrogen flow" or "nitrogen cascade" or "nitrogen cycle"、"氮平衡"或"氮流"或"氮联级"或"氮循环"分别在Web of Science和中国知网上搜索,共获得6 998篇文献。运用CiteSpace进行合作网络和关键词可视化分析,研究结果表明:(1)国外活性氮流动研究主要集中在反硝化、农业、氮循环、氮污染、氮平衡和生态分析;国内氮研究主要集中在氮循环、氮平衡、作物生长性能、作物产量、氮代谢、氮沉降、微生物对氮转化及影响和碳氮循环。国内外共同关注于氮平衡和微生物的氮转化过程及影响研究。(2)2000-2021年氮循环研究的时间演替可划分为4个阶段,其关注内容表现出明显的宏观-微生物-宏观微观耦合的演替趋势。(3)美国和中国是发文量最大的2个国家,结合中心度分析表明,发文量并不完全与影响力有相关性。(4)文献荟萃分析表明,在未来更应注重模型在活性氮定量评估过程中的作用,为优化氮素管理、提升生态环境健康提供重要依据。

微塑料来源广泛,老化后其物理化学性质会发生明显改变,表现出与原生微塑料不同的行为特征,对生态环境产生潜在的风险。该文概述了老化微塑料的来源及老化特征,综述了关于微塑料老化对其在环境中的吸附行为及光敏行为影响的研究进展。微塑料老化后表面形貌、官能团、结晶度的改变会影响其比表面积、内部高分子链排列、润湿性、表面电荷、与污染物间的静电相互作用等,进而影响其对环境中有机物、金属离子的吸附行为。同时,微塑料光老化产生的环境持久性自由基和活性氧化物会影响微塑料的自氧化过程,也会对有机物的光敏行为产生影响。最后该文着眼于当前相关研究的不足之处,对今后研究的重点方向进行展望,以期为未来老化微塑料的相关研究提供参考。

构建适用于中国粮食主产区农业水资源脆弱性与粮食安全的评价指标体系,利用D-S证据理论合成主客观权重并确定综合权重,对2010-2019年粮食主产区的农业水资源脆弱性和粮食安全进行评价。采用耦合协调度模型和相对发展度模型,分析两者的耦合协调水平及耦合协调发展类型。结果表明,2010-2019年粮食主产区的农业水资源脆弱性和粮食安全呈持续改进优化的趋势,两者得分分别提高6.22%和17.22%。农业水资源脆弱性与粮食安全的耦合协调度上升5.11%,耦合协调度等级从勉强协调升至初级协调,耦合协调度呈南高北低的空间分布特征。粮食主产区耦合协调发展类型主要为低度磨合-农业水资源滞后型、高度磨合-同步发展型,农业水资源系统改进和发展滞后已成为制约粮食安全的主要障碍因素,笔者据此提出了降低农业水资源脆弱性、促进2个系统耦合发展的路径。

秦巴山区是横跨我国南北地区的重要地理过渡带,为全面了解秦巴山区近20年的生态变迁及影响因素,基于MODIS-EVI数据,结合气温、降水和DEM数据,利用最大值合成法、趋势分析法和偏相关分析,以海拔为基础,分析了秦巴山区2000-2020年不同海拔高度上不同类型植被增强指数(EVI)的时空变化及其与气温、降水的相关性。研究结果表明:(1)2000-2020年秦巴山区植被年均EVI呈现波动上升趋势,有80.67%和13.29%的区域EVI呈现明显改善和轻微改善趋势,在海拔1 600~1 800 m处EVI变化处于相对稳定状态,较适宜植被生长。(2)栽培植被和阔叶林为秦巴山区主要植被类型,各植被类型EVI值由大到小依次为阔叶林、灌丛、针叶林、草地、栽培植被和其他,在1 000~2 000 m海拔区间植被面积占大多数,1 600~1 800 m为适宜植被自然生长的区间。(3)2000-2020年秦巴山区向暖湿方向发展,EVI与气温相关性在区域分布上较均匀,降水对植被EVI的影响强度要高于气温对其的影响强度;随着海拔高度的上升,植被 EVI与气温的相关性总体上高于其与降水的相关性。

黄淮海地区是我国重要的生猪养殖和种植业基地,研究农田生猪承载力对指导生猪养殖规划和猪场粪污还田有重要意义。该文估算了黄淮海地区生猪养殖污染物产量及耕地负荷,并基于"以种定养、以需定养"的理念,以整个黄淮海为研究范围,以该地区最常见的6种作物为研究对象,研究不同作物农田生猪承载力。结果表明:2017年黄淮海地区共出栏生猪18 071.25万头,年产猪粪、污水、TN、TP量分别为3 886.84万、28 769.43万、96.44万、13.62万t,Cu和Zn量分别为5 799.13、8 805.32 t,耕地负荷为6.22~11.33头猪当量·hm^-2。就研究的6种作物而言,黄淮海农田生猪承载力为1.58~20.96头猪当量·hm^-2,作物和地域是重要的影响因素。总体而言,黄淮海不同作物农田生猪承载力大小顺序为小麦＞水稻＞棉花≈玉米＞油菜＞大豆。整个黄淮海地区水稻、小麦、油菜、玉米、大豆和棉花的单位面积农田生猪承载力分别为10.32、11.47、4.72、5.39、3.77和5.53头猪当量·hm^-2。综上所述,在评价生猪养殖粪污还田量及猪场农田配套时,需考虑该农田的作物种类、农作物产量、土壤肥力、粪肥替代比等因素。

选用秦岭及其周边74个气象站点的逐日气温实测数据,采用M-K检验、Anusplin等研究方法,对1960-2019年秦岭山地≥10 ℃积温的时空变化以及亚热带-暖温带的界线变化进行分析。结果表明:(1)从时间尺度上看,秦岭山地≥10 ℃积温呈现增加的趋势,其变化率为71.72 ℃·(10 a)^-1。＞1 000~2 000和＞2 000~3 000 ℃积温段区域面积占比逐年减少,＞3 000~4 000和>4 000 ℃积温段区域面积占比逐年增加;≤1 000 ℃积温段区域面积占比呈先增加后减少的变化趋势。(2)从空间尺度上看,秦岭山地≥10 ℃积温在南北方向表现出中间低周边高、东多西少、南多北少,由低海拔向高海拔逐渐减少的规律;研究区积温高值区面积增加,积温低值区面积减少;秦岭山地≥10 ℃积温增加趋势显著,其中秦岭北坡增加最为明显。(3)对比阶段Ⅰ(1960-1989年)和阶段Ⅱ(1990-2019年),亚热带-暖温带分界线整体向高海拔攀升和向高纬度北移,秦岭以北"跨越式"进入了亚热带气候格局,随着气候变暖,秦岭亚热带北界可能会跨越秦岭山脉。

研究植被物候对气候变化的响应是理解区域陆地生态系统生产力历史和未来变化机制的关键。基于MODIS NDVI数据、草地类型数据、地面物候实测数据,辅以Sen趋势分析法和Person相关分析法,研究了2001-2020年青海省草地物候时空分布特征、变化趋势及其对气候变化的响应。结果表明:(1)随海拔升高,青海省草地生长季始期(SOS)逐渐推迟,生长季末期(EOS)缓慢提前,生长季长度(LOS)不规律变化。(2)SOS集中在4月中旬到5月下旬(110~150 d),79.32%的草地面积SOS呈显著提前趋势,提前速率为0~1.5 d·a^-1,其中,SOS值的排序为山地草甸<温性草原、灌草丛和荒漠<高寒草甸<高寒草原。EOS集中在9月中旬到10月中旬(260~290 d),表现为推迟趋势。LOS为130~180 d,表现为延长趋势。(3)年均降水减少、春季温度升高、气温的极端气候指标增加和最大5 d降雨量减少会导致草地SOS提前。年均气温升高、最大1 d降雨量增加、夏冬气温升高和秋季气温降低使草地SOS呈不显著的推迟趋势。(4)年均降水量增多、日最高气温最大值增加和秋季气温升高会使草地EOS推迟,而年均气温升高会导致草地EOS提前。以上研究结果可为青海省草地适应未来气候变化、草地育种等方面提供借鉴。

基于江西省林业厅1998年的环鄱阳湖水鸟地面同步调查数据,对鄱阳湖自然湿地中的白鹤(Grus leucogeranus)、白头鹤(Grus monacha)、白枕鹤(Grus vipio)和灰鹤(Grus grus)4种越冬鹤类在2001-2019年的种群数量动态和空间分布变化进行了分析。结果表明:(1)近18 a来,白鹤、白头鹤、白枕鹤和灰鹤的种群数量年平均值分别为(3 058±797)、(322±192)、(1 291±1 016)和(3 594±3 721)只,其中白鹤种群数量相对稳定,白头鹤和白枕鹤数量减少,灰鹤数量增加,且存在较大的年际波动;(2)4种鹤类每年冬季在鄱阳湖均呈聚集型分布,蚌湖、大汊湖、大湖池、南湖、汉池湖、大莲子湖、珠湖和企湖8个湖泊是重点活动区;(3)三峡大坝全面运行后白鹤、白头鹤和白枕鹤数量减少,灰鹤数量增加;4种越冬鹤类在鄱阳湖国家级自然保护区的分布更为集中。可见,鄱阳湖是鹤类的重要越冬地,在鹤类资源保护中具有重要地位,应加强保护。

生态沟渠是农业面源污染治理的关键环节。自主研发黑麦草生态草帘并将其应用于生态沟渠中,探讨其对模拟农田排水中氮的去除效果并考察植物的生长状态。结果表明:致密型草帘外加5 kg·m^-2过筛细土培育的黑麦草长势最好。流水试验中,低氮浓度〔ρ(TN)=8.16 mg·L^-1〕进水阶段,高流量(5.0 L·min^-1,D1)和低流量(2.5 L·min^-1,D2)下黑麦草草帘对NH₄⁺-N去除率分别可达到56.8%和40.5%,高于无植物对照(25.6%),这可能是反硝化及植物拦截吸收等共同作用的结果;在高氮浓度〔ρ(TN)= 20.53 mg·L^-1〕进水阶段,D1与D2对NH₄⁺-N平均去除率有所下降,分别为44.6%和32.1%。整个流水试验阶段,黑麦草草帘对TN的平均去除率不高(13.1%~22.3%),且上、中、下层水之间均无显著差异。在ρ(TN)=8.16 mg·L^-1、进水流量为1.5~2.5 L·min^-1条件下黑麦草长势较好,且对NH₄⁺-N去除效率较高。因此采用致密型草帘上覆一定细土进行育苗,制成的黑麦草草帘浮床可用于低氮负荷污染水体的拦截净化。今后可通过混播其他草种或增加草帘浮床覆盖率等方式进一步增强氮去除效率,提升其应用潜力。

为探究香根草对水体中磺胺类抗生素的净化潜力,在温室水培模拟试验条件下,采用MCX固相萃取小柱的前处理方法,以高效液相色谱-串联质谱联用仪(LC-MS)为检测仪器,添加初始浓度为100 μg·L^-1的磺胺类抗生素(SAs),分析香根草及营养液中SAs的残留动态。和无植物组相比,香根草栽植第15天对磺胺吡啶(SPY)、磺胺甲唑(SMZ)、磺胺二甲氧嘧啶(SDM)和磺胺喹啉(SQX)的去除率分别提高27.88%、32.81%、29.9%和20.03%。在15 d的培养试验中,香根草对SAs的吸收在第6天和12天出现2次高峰,栽植香根草营养液中的SAs在1~6 d去除率较高。处理时间与营养液中SAs的残留浓度呈极显著负相关(P<0.01),与水体中的去除率呈极显著正相关(P<0.01);转移系数与香根草茎叶、根中的SAs浓度呈极显著正相关(P<0.01)。根系是香根草积累SAs的主要器官组织。香根草对SDM有较高的吸收能力,对SMZ、SQX有较强的根部富集能力,对SPY有较好的转运能力。综上所述,种植香根草可显著提高水体中SAs的去除率,具有较好的净化潜能。

为探究污泥基生物炭的重金属潜在生态风险,考察污泥基生物炭对植株生长及土壤微生物多样性变化的影响,以城市污泥为原料热解制备污泥基生物炭,采用风险评估指数、米勒地质累积指数以及潜在生态风险指数对污泥及污泥基生物炭的潜在生态风险进行评估;通过盆栽试验探讨污泥基生物炭的施用对黑麦草(Lolium perenne)生长的影响;通过16S rRNA 测序技术和生物信息学研究,分析黑麦草根系土壤微生物多样性的变化。结果表明,与对照相比,污泥基生物炭处理的风险评估指数和潜在生态风险指数均明显减小,生物有效态重金属含量降低,但米勒地质累积指数有所增高;污泥基生物炭施加比例为5%时,黑麦草的发芽率、单株叶片均重和平均叶长分别达到94%、0.179 8 g、13.74 cm,相比于未施用时分别增加16百分点、62.12%和29.15%;添加污泥基生物炭对黑麦草根系土壤细菌群落丰度影响较小,群落多样性有所降低。研究表明,污泥基生物炭能够对重金属起到稳定化作用,其重金属含量低于GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农田风险筛选值,潜在生态风险较低,在一定的施炭比例下可以促进黑麦草生长。

针对粉末状吸附剂易于流失、难以固液分离的现状,模拟研究了铝污泥、固定化菌、固定化藻/铝污泥、固定化菌-藻/铝污泥对污水的脱氮除磷效果。结果表明,藻粉与铝污泥的复合使吸附剂比表面积增加,可为氮磷提供更多的吸附点位;藻/铝污泥(体积比1∶10)、藻/铝污泥(1∶5)和藻/铝污泥(1∶2)吸附剂对磷最大的吸附量分别为8.45、10.06和6.68 mg·g^-1,是普通铝污泥的2.41、2.87和1.91倍。固定化菌-藻/铝污泥(1∶5)对污水的处理效果优于铝污泥、固定化菌和固定化藻/铝污泥(1∶5),对COD_Cr、TP、NH₃-N和TN的去除率分别为80.35%、91.88%、90.92%和92.51%。固定化菌-藻/铝污泥(1∶5)吸附剂对磷的去除主要取决于铝污泥与磷酸盐之间的离子交换作用与静电作用,固定化胶球的传质性可为细菌同步硝化反硝化提供优良条件。