快速的城镇化、工业化驱动着国土空间功能格局的演变,探究国土空间"三生"功能时空演化规律,可为国土空间功能优化布局提供科学依据。以三峡库区重庆段为例,利用区域自然地理、土地利用和社会经济等数据,采用时空差异、障碍度和比较优势指数等模型方法,对研究区国土空间"三生"功能演化过程及结果开展研究。结果表明:(1)2010-2020年研究区国土空间"三生"功能演化总体呈现生产功能下降、生活功能提升和生态功能稳中略升的时空格局差异性特征。生产功能低值区主要集中在以中心城区为主的8个区,高值区分布在中心城区以外的14个区县,高低极值之间差距呈缩小趋势;生活功能高低值分布呈现出与生产功能相反的空间变化态势;生态功能集聚态势不明显,高低值分布呈现出与生产功能相近的空间分布态势。(2)基于"三生"功能演化时空差异及发展障碍和优势功能诊断识别,提出研究区未来国土空间格局优化建设的主导方向,即在以山地丘陵地貌为主的主城8个核心区构建以建设国际现代都市为目标的现代都市生活生产核心集聚区,在以平行岭谷丘陵地貌为主的涪陵区等7个区县构建以现代工农业发展与良好生态保护相宜为目标的城乡融合发展生产生态区,在以武陵山和大巴山山地地貌为主的武隆区等7个区县构建良好生态恢复建设与特色农旅融合发展为目标的生态生产一体化保育示范区。

生境质量评估是区域土地利用和综合管理政策制定的重要基础,对区域生态环境保护和可持续发展具有重要意义。以湖南张家界大鲵国家级自然保护区及张家界市为研究对象,基于土地利用转移矩阵、景观格局指数和InVEST模型等方法,分析了其土地利用和景观破碎度变化对生境质量的影响。结果表明:(1)2000-2020年,两者土地利用类型总体较为稳定,变化类型以草地、耕地和林地之间的相互转化为主。(2)2000-2020年,两者景观破碎度增加,斑块间连通性降低,平均斑块面积变小,受人类活动干扰明显。(3)2000-2020年,两者生境质量均呈现不同程度的下降,主要表现为部分生境质量优-良地区退化为良-中和差-极差等级。其中,张家界市生境质量下降明显,生境质量降低1.86%;大鲵保护区生境质量下降不显著,但其核心区与实验区周围生境质量均明显下降,分别降低1.69%和1.57%。(4)大鲵保护区生境质量随坡度和海拔升高而上升,随人口密度升高而下降。研究结果对大鲵保护区和张家界市生境保护及生态系统功能调控具有一定的理论与实践价值。

了解国家级新区生态系统服务动态变化及权衡关系对新区建设中资源合理配置及可持续发展具有重要意义。基于2000、2010和2020年南京江北新区土地利用类型变化,结合InVEST模型和GIS技术识别不同尺度生态系统服务(碳储量、生境质量和产水量)的动态变化及权衡协同关系。结果表明:(1)2000-2020年南京江北新区生境质量和碳储量呈下降趋势,分别由0.490 5和2.502×10⁷ t降低到0.461 3和2.460×10⁷ t,两者高值区主要分布在林地,低值区位于六合开发区等城镇建设用地;产水量增加6.65×10⁸ m³,高值区位于建设用地,低值区主要位于长江沿岸的水域;(2)区域尺度上,产水量与碳储量和生境质量以权衡关系为主,生境质量与碳储量以协同关系为主,协同部分占比为11%;街道尺度上,江北新区直管区生态系统权衡协同度维持较高水平,一般区与生态区权衡协同度较低;建设用地和水面面积的增加与减少是权衡与协同关系变化的重要驱动机制。

京津冀地区是我国近年针对大气颗粒物污染治理的重点区域。采用Kolmogorov-Zurbenko(KZ)滤波分析2015-2021年京津冀地区13个城市细颗粒物(PM_2.5)、可吸入颗粒物(PM₁₀)和粗颗粒物(PM_2.5-10)的时间序列。结果表明,PM_2.5和PM₁₀年均浓度总体呈下降趋势,其下降速率分别为5.07和8.10 μg·m^-3·a^-1。KZ滤波分析结果表明,PM_2.5、PM₁₀和PM_2.5-10的短期分量、季节分量和长期分量之间相互独立。短期分量贡献占比(大于50%)最高,其次为季节分量,说明原始时间序列的波动主要受控于污染源排放以及气象条件的短期变化和季节变化。针对KZ滤波分解出的浓度序列,建立逐步多元回归线性模型,定量评估气象和减排对变化趋势的贡献。逐城分析结果表明,秦皇岛市气象条件对PM_2.5浓度的影响(14.86%)最大,衡水市减排措施对PM_2.5浓度的影响(96.77%)最大;秦皇岛市气象条件对PM₁₀浓度的影响(13.69%)最大,廊坊市减排措施对PM₁₀浓度的影响(93.96%)最大;沧州市气象条件对PM_2.5-10浓度的影响(26.23%)最大,廊坊市减排措施对PM_2.5-10浓度的影响(91.80%)最大。整体分析结果表明,减排对2015-2021年京津冀大气颗粒物污染改善起着至关重要的作用。

通过构建投入产出体系,采用基于非导向、规模报酬可变的超效率EBM模型和GML指数对2011-2020年我国31个省(区、市)畜牧业绿色全要素生产率进行测度及分析,在此基础上采用Dagum基尼系数和核密度估计方法探究区域差异和动态演进,并采用固定效应模型和Driscoll-Kraay标准差估计方法检验畜牧业绿色全要素生产率的影响因素。结果表明,2011-2020年我国畜牧业绿色全要素生产率总体水平偏低,且呈现"东北-东-中-西"依次递减的梯度格局,绿色技术进步是拉动我国畜牧业绿色全要素生产率的主要驱动力;畜牧业绿色全要素生产率区域差异呈持续上升趋势且具有极化现象和梯度效应,区域差异是畜牧业绿色全要素生产率地区差异的主要来源,东部与西部之间区域差异最大,东北与中部之间区域差异最小;就影响因素而言,产业集聚、财政支农水平和人均GDP对我国畜牧业绿色全要素生产率呈显著负向影响,交通通达对我国畜牧业绿色全要素生产率呈显著正向影响。研究结果可为推动中国畜牧业绿色发展提供参考。

合理地评价植被变化的地形效应,可以为横断山区生态稳定和可持续发展、生态保护与生态建设效益评估提供科学依据。基于MODIS植被遥感产品和数字高程模型(DEM)资料,采用Sen+M-K趋势分析并结合地形差异修正方法,分析了2000-2020年横断山区植被与地形因子的变化关系。结果表明:(1)近21年横断山区植被归一化指数(NDVI)呈南高北低、低海拔地区大于高海拔山脉地区的分布格局,随海拔变化规律性显著,存在明显的岭谷差异。64.13%的区域植被稳定,极显著增加和显著增加区域面积占比分别为12.54%和11.77%,平均年际变化速率为0.013 (10 a)^-1。(2)横断山区植被NDVI分布和变化存在明显的地形效应,植被NDVI在海拔小于3 845 m的区域小幅波动,超过3 845 m后呈阶梯式减小;不同坡向的植被NDVI差异较小,但北坡大于南坡,西坡大于东坡,西北坡最大;植被NDVI在0~38.9°随坡度增加呈阶梯式增大,而坡度高于38.9°后急剧减小。(3)在海拔小于1 919 m、坡度小于3.8°的平地区域植被NDVI年际增加速率较小,显著退化分布明显;在海拔为1 919~3 162 m,坡度为3.8°~25.1°,坡向为西北坡、西坡和北坡的区域植被NDVI以稳定和增加为主,年际变化速率高;在海拔为2 739~3 534 m、坡度为22.2°~28.0°、坡向为东坡和西坡的过渡区域植被NDVI易出现波动,是生态治理中需着重注意和加强的区域。

半干旱露天采矿严重破坏生态环境,亟需厘清植被、土壤和微生物之间互作机制,从而挖掘微生物固碳潜力和路径,激发退化生态系统的恢复能力,实现基于自然的解决方案对受损矿山大规模生态修复具有重要意义。为此,采集内蒙古准格尔旗黑岱沟露天矿排土场油松(YS)、油松+杨树(DYS)和油松+杨树+苜蓿(DYX)3种典型复植类型共18个表土样品,利用高通量测序和实时荧光定量PCR技术测定土壤微生物固碳基因丰度和群落结构变化。结果表明:(1)植被类型对复垦土壤理化性质影响显著(P<0.05)。植被类型越复杂,土壤pH和含水率下降越显著,同时有机碳、全氮和硝态氮含量增加也越显著。(2)植被类型对复垦土壤细菌群落组成影响不显著,但对固碳基因丰度影响显著,即rbcL、korA、acsA、acsE、pccA、smt和frda基因丰度随植被种类增加显著上升(P<0.05)。(3)土壤含水率、有机碳、全氮和硝态氮是细菌群落结构变化的主导因子,不同植被组合改变环境因子进而调控固碳潜力及路径。该研究有助于理解多样化植被组合对矿区复垦土壤碳循环的影响,为黄土高原生态修复及固碳增汇提供理论依据。

图们江下游的敬信湿地是吉林省唯一的近海湿地,在维护地区生态平衡方面有着至关重要的作用。近年来,敬信湿地地区许多稻田被废弃,其面积逐年增加。弃耕稻田作为一种自然演替而来的半自然湿地,对区域生物多样性具有显著影响,但在自然演替过程中弃耕稻田植物群落的变化机制尚不明确。通过现场和文献调查,确定图们江下游敬信湿地的生境情况,采用空间序列代替时间序列的方法,比较不同弃耕年限稻田和自然湿地的植物物种群落,以确定植物多样性在自然演替过程中的变化。结果表明,不同弃耕年限稻田和自然湿地植物共99种,隶属于33科64属,主要为湿地草本植物,并以湿生和水生植物为主;从群落特征来看,敬信湿地以莎草科(Cyperaceae)、蓼科(Polygonaceae)和禾本科(Poaceae)植物为优势种;随弃耕年限增加,湿地植物群落优势种逐渐接近自然湿地植物群落优势种,弃耕稻田植物多样性远高于自然湿地,并随着演替时间推移而降低,进而接近自然湿地。但与同纬度湿地相比,弃耕稻田湿地植物演替速率较慢,建议在弃耕稻田的生态恢复中关注土壤水分和有机质的补充,并加强管理和保护。

为阐明外来入侵植物长芒苋(Amaranthus palmeri)对土壤种子库群落特征的影响,选取长芒苋不同入侵压力下的弃耕地土壤种子库为研究对象,通过野外调查和萌发试验,揭示弃耕地土壤种子库群落对长芒苋入侵的响应,旨在为入侵植物的科学防控提供依据。结果表明:(1)土壤种子库共计出现30种植物,隶属于17科30属,以一年生草本为主。与轻度入侵区组相比,重度入侵区组土壤种子库物种多样性指数和种子密度都显著降低;土壤种子库物种多样性指数对土层深度的响应不明显,且入侵压力与土层深度之间无交互作用。(2)土壤种子库NMDS排序及PERMANOVA分析结果进一步表明,轻度入侵区组与重度入侵区组群落结构差异显著;重度入侵区组长芒苋已在该地建立长久性土壤种子库,影响本地生态系统的稳定性。(3)种间相关分析结果表明,轻度入侵压力和重度入侵压力均会对大豆(Glycine max)、狗尾草(Setaria viridis)和碱蓬(Suaeda glauca)3种植物产生负面效应。

对生物多样性进行长期的系统监测是实现生物多样性保护的基础,公众科学的发展实现了用较少的资源投入对鸟类进行跨时空尺度的大规模监测。为了探讨传统样线法鸟类调查和公众观鸟对鸟类多样性监测效果的相似性和差异性,收集了老山地区2015年7月至2021年6月的观鸟数据,并在2020年7月至2021年6月采用固定距离样线法对老山地区鸟类进行调查。结果显示,采用两种方法共记录到鸟类214种,其中有83种鸟类仅被观鸟活动记录到;2020年7月至2021年6月,公众观鸟记录到125种,样线法记录到131种。样线法监测强度为11,公众观鸟监测强度为2.4~8;观鸟活动高峰时期集中在5-6月,地点主要分布在研究区域西南部,且避开村庄和城市主干道。比较采用两种方法得到的物种报告率结果,发现报告率差异最大的是研究区域的繁殖鸟类、猛禽以及稀有鸟类。观鸟爱好者每次出行记录到的鸟类物种平均数量大于样线法监测结果,公众观鸟为(23.57±20.04)种,样线法为(19.81±6.84)种。短期内两种调查方式都无法完整记录研究区域的全部鸟类;长期来看公众观鸟数据可以在一定程度上弥补传统鸟类监测的空缺。但公众观鸟活动很容易受到参与者偏好的影响,在时间、空间以及物种报告率上存在偏差,且存在监测强度不足、数据记录不准确等问题,因此需要加强设计和规范,减少公众观鸟数据集中存在的偏差,实现其在更广阔的领域为鸟类研究和保护提供数据基础。

周丛生物在稻田土-水界面上广泛存在,可通过多种途径影响土壤养分转化,但其生物质的腐烂分解对土壤中溶解性有机质(DOM)、铁和磷耦合关系的影响尚不清楚。通过开展微宇宙实验向水稻土中添加不同量的周丛生物,利用傅里叶变换离子回旋共振质谱法(FT-ICR MS)表征DOM分子组成,分析周丛生物腐解对水稻土DOM组分、Fe²⁺含量、氧化铁活化度(Fe_o/Fe_d)、不同形态磷含量的影响。结果表明,周丛生物的腐解显著提高土壤DOM含量,改变DOM不同组分占比,其中,单宁类物质相对丰度增加1.97%~9.74%。同时,土壤Fe²⁺含量显著增加,Fe_o/Fe_d升高,土壤还原性增强。此外,土壤无机磷含量增加,其中,磷酸铁盐(Fe-P)变化幅度最大,土壤磷的有效性增加。周丛生物腐解改变土壤DOM组分和铁形态,而DOM中单宁类物质等惰性组分可以通过影响矿物对磷的吸附来影响磷的有效性。主成分分析(PCA)结果表明,添加周丛生物腐解处理与对照之间DOM含量、单宁类物质相对丰度、磷酸铝盐(Al-P)含量、Fe²⁺含量和Fe_o/Fe_d等指标存在显著差异。相关性结果表明,Fe²⁺含量与Fe-P含量、Fe_o/Fe_d与Al-P含量之间呈显著正相关,且单宁类物质相对丰度与Fe_o/Fe_d和Al-P之间呈显著正相关,土壤DOM组分、铁形态及磷形态之间相互影响,其中,单宁类DOM增加和铁形态的转化都对土壤磷有效性增加有积极影响。上述结果揭示周丛生物腐解对土壤DOM、铁、磷耦合关系的影响,为利用周丛生物调控土壤碳、铁、磷耦合过程,提高土壤中磷的有效性提供理论支撑。

随着工业化和城市化的推进,土壤环境安全已成为我国面临的一个严峻问题。原位热脱附是实现场地快速、高效修复的技术之一,然而能耗高、成本大等缺点成为该技术广泛应用的"瓶颈"。目前国内外尚无统一的定量方法用于评价原位热脱附的能耗。在国外能耗分析的基础上,基于原位热脱附的工作原理和能耗计算模型,结合我国有机污染场地特征,构建了两种能耗评价方法,即污染物能效评价和污染土水体积能效评价。以华北某原位热脱附修复及其耦合化学氧化技术处理的工程项目为例开展能效评价,探讨两种能效评价方法的适用性。基于原位热脱附技术作用(含耦合化学氧化技术)能量受体的能耗分析结果表明,原位热脱附技术作用于土水加热的能耗占总能耗的61.80%~74.43%,而作用于污染物的能耗仅占2.11%~17.57%。考虑到热脱附技术能量受体的能耗分析结果和污染物量计算的不确定性,认为对于原位热脱附技术采用体积能效评价方法更有意义。污染土水体积能效评价结果表明,耦合区能效为7.91×10^-6 m³·kJ^-1,而热脱附对照区能效为1.06×10^-6 m³·kJ^-1,耦合化学氧化技术后的原位热脱附技术能效提升约6.5倍。

太阳能辅助好氧堆肥可以实现较好的腐殖化效果,但环境温度过高易造成氮素损失。为实现太阳能辅助猪粪好氧堆肥的氮素保持效果,选择猪粪和杂草作为堆肥原料,以水稻秸秆为调理剂,设计2个堆体,即堆体1添加2.5%磷酸钙,堆体2添加5%过磷酸钙,进行为期20 d的好氧堆肥。通过分析理化性质和微生物群落变化,探究氮素保持效果。结果表明,堆体1铵态氮含量从1.40 mg·g^-1下降到1.34 mg·g^-1,堆体2则从1.13 mg·g^-1上升到1.27 mg·g^-1,结束堆肥时2个堆体硝态氮含量分别为0.29和0.33 mg·g^-1,氮损失分别为22.64%和17.44%,堆体2的氮素保持效果更好,添加5%过磷酸钙有更好的保氮效果。2个堆体全磷含量分别增加26.9%和9.3%,随着过磷酸钙添加量的增加,有效磷含量有所降低,分别降低2.3%和18.3%。2个堆体种子发芽指数(GI)均大于100%,C/N值也达到腐熟要求。随着反应的进行,致病菌种〔松鼠葡萄球菌(Staphylococcus sciuri)、阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)和铅黄肠球菌(Enterococcus casseliflavus)〕丰度趋于0。堆体2的pH更低,细菌群落丰度和多样性更高,氨挥发更少。堆体2中反硝化菌〔假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)、极小单胞菌属(Pusillimonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)〕丰度低于堆体1,热酸芽孢杆菌(Bacillus thermolactis)、胺芽胞杆菌(Ammoniibacillus agariperforans)和地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)等保氮菌种丰度得到提高,有利于氮素保持。

氨基酸水溶肥具有全水溶、高活性和营养丰富等优势,可提高农作物的产量和品质,并且能平衡土壤酸碱度,改良土壤性状,是一种新型的功能性肥料。以菜粕和豆粕的混合物作为原料,利用实验室保藏的植物乳杆菌G71、商品化酵母菌和枯草芽孢杆菌进行发酵,采用正交试验、Plackett-Burman试验和爬坡试验设计以及Box-Behnken Design等方法优化发酵条件生产氨基酸水溶肥。结果表明:最优发酵条件为发酵时间217.68 h,起始pH 9.12,料水比1∶7.008,接种量3%,翻料间隔24 h;经验证,游离氨基酸产量可达到76.8 g·kg^-1。因此,通过混菌发酵方式能够有效地提高菜粕和豆粕农业废弃物发酵液中氨基酸含量,提升资源利用率,对发展生态高值农业具有重要意义。