砷(As)和磷(P)为同主族化学类似物,具有相似的化学性质和化学行为。As因赋存形态多变、极强的生物蓄积性及高毒性而被广泛关注,在土壤中主要以砷酸盐(As⁵⁺)形式存在。磷是植物必需营养元素,亦是引起土壤面源污染和水体富营养化的重要因子。土壤中磷主要以有机磷形式存在,占比40%~95%。其中植酸是重要组成部分,占总磷的20%~50%,占有机磷的50%~80%。植酸分子含有6个磷酸基团和12个可解离质子,因此可通过螯合、置换、酸化等作用强烈影响土壤中砷和磷的赋存形态和生物有效性。明确土壤中植酸对砷和磷赋存形态转化与释放的影响、过程与作用机制,对有效阻控土壤和水体砷、磷污染具有重要意义。该研究总结了土壤中砷、磷和植酸的含量、来源与赋存形态,重点阐述植酸对砷、磷赋存形态转化、生物有效性变化的影响与机制,可为降低土壤和沉积物砷、磷污染提供参考。

科学预测中国未来耕地和高标准农田分布对于保障我国粮食安全和提高耕地质量具有重要意义。该研究假设未来各省份耕地和高标准农田占全国总面积比例不变,根据各省份耕地和高标准农田实际面积、未来全国耕地及各省份高标准农田规划面积等数据,基于最小二乘法的二次多项式拟合预测未来30 a全国及各省份耕地面积和高标准农田面积,进而预测未来各省份耕地面积保有率和高标准农田占耕地比例。结果表明:(1)到2050年,我国耕地面积稳定在1.20×10⁸ hm²,耕地面积保有率稳定在100%,高标准农田面积达到1.03×10⁸ hm²,高标准农田占耕地比例从2020年的43.59%增长到2050年的85.89%,增长近一倍。(2)七大区域中,黄淮海区、长江中下游区、东南区的高标准农田占耕地比例较高,在2020年均已达到70%以上,东北区、西北区、青藏区、西南区高标准农田占耕地比例则处于40%~60%之间。到2050年,受耕地比例稳定中略有下降的趋势影响,黄淮海区、长江中下游区、东南区、青藏区高标准农田占耕地比例均达90%以上,东北区、西北区、西南区则处于70%~90%之间。(3)从各省份来看,江西省、浙江省、福建省、广东省等南方省份的高标准农田建设比例较高,而内蒙古自治区、黑龙江省、辽宁省、吉林省、山东省等北方省份的耕地面积保有率较高。研究得到的耕地面积及其保有率、高标准农田面积及其占耕地比例等指标的分省份预测值可以为未来相关部门制定国土空间规划等提供科学依据,也可以为未来耕地布局和农田利用等研究提供分省份的总量参考。

明确太湖胥口湾水质特征及对环境变化的响应有利于维系区域水资源安全。研究追踪2016-2022年胥口湾水质变化趋势,分析了水质指标对水温和水位的响应。结果显示,胥口湾水质环境总体稳定,且总氮(TN)、氨氮(NH₃-N)、总磷(TP)浓度和COD_Mn均呈下降趋势。但胥口湾水温年均值呈现快速上升趋势,上升幅度大于0.086℃·a^-1,对该区域生态稳定性形成威胁。冗余分析显示,虽然水温和水位对胥口湾水质环境波动的贡献率低于5%,但水温变化显著影响了水质环境(P＜0.01),而水位波动不能有效解释水质变化过程。尽管如此,TN、NH₃-N浓度及COD_Mn、pH值对高水温(＞30℃)较为敏感,而高水位(＞3.8 m)显著影响了NH₃-N、TN、TP和叶绿素a浓度。总体而言,胥口湾水环境总体稳定趋好,但受水位尤其是水温影响较大。研究结果可为极端天气下水质管理提供借鉴。

为探明九龙江流域表层水体氮污染分布特征及其污染来源,于2020年7月(丰水期)和2021年1月(枯水期)开展九龙江全流域表层水体多点多断面原位观测,利用正定矩阵因子分析模型(positive matrix factorization,PMF)对不同水期全流域表层水体氮污染来源及贡献率进行解析,耦合相关性统计分析方法研究不同水期流域表层水体氮污染的关键驱动因子。结果表明,九龙江流域表层水体氮污染存在明显的水期分异特征,ρ(TN)为0.72~13.14 mg·L^-1,丰水期ρ(TN)为1.39~10.95 mg·L^-1,枯水期为0.72~13.14 mg·L^-1。硝态氮(NO₃^--N)、氨氮(NH₄⁺-N)、亚硝态氮(NO₂^--N)和溶解性有机氮(DON)浓度均表现为丰水期大于枯水期,但颗粒态氮(PN)浓度则表现为枯水期大于丰水期。丰水期氮污染以NO₃^--N、NH₄⁺-N和DON形态为主,枯水期则以NO₃^--N、DON和PN形态为主。应用PMF模型对流域表层水体氮污染来源进行解析,结果表明,丰水期流域农业化肥施用引起的农业面源污染、生活污水及河流内动植物残体、微生物、矿物颗粒是流域水体氮污染的主要来源,而枯水期流域农业化肥污染、城市工业污水排放及河流中动植物残体等悬浮颗粒则是流域水体氮污染的主要来源。该结果强化了丰枯水期九龙江流域表层水体氮污染受流域农业生产活动和径流变化共同影响的认识,建议将流域农业、工业生产氮污染源头控制和氮污染的水期分异有效纳入流域水体氮污染综合管理。

城市气溶胶污染岛(UAPI)对人体健康、城市热环境、城市气候、大气辐射传输等有重要影响。该研究利用西安市2016-2019年城郊多个站点的PM_2.5数据定量化计算UAPI强度,分析PM_2.5和UAPI强度的日变化和年变化规律,并使用经验模态分解方法(EMD)对UAPI强度的长时间序列多尺度特征进行分析。结果表明,西安市具有明显的城市气溶胶污染岛效应,UAPI强度大于10 μg·m^-3的比例达87.63%。在日内变化上,UAPI强度呈现夜晚高、白天低的特点;在年内变化上,呈现冬春高、夏秋低的"U"型分布特征;在年际变化上,2016-2019年UAPI效应呈逐年减弱的变化特征。利用EMD分解可以很好地揭示UAPI强度的多尺度特征,如IMF2、IMF4、IMF6分别体现了UAPI强度以周、月、年为周期的变化特征。对比PM_2.5和UAPI强度的时间序列,该方法可以较好地排除跨区域传输污染和大区域二次污染等对UAPI强度的影响。

森林是陆地生物圈重要的生态资源,厘清区域长期森林损失状况及其影响因素,对森林资源保护和社会经济协调发展具有重要意义。基于全球森林变化(Global Forest Change)数据集,利用ArcGIS 10.8空间分析技术,对2001-2019年福建省58个县域森林损失的时空演变特征进行分析,并结合时空地理加权回归模型,探究县域森林损失的主要影响因素及其时空分异特征。结果表明:(1)2001-2019年福建省县域森林损失率呈波动上升的基本态势,森林损失面积累计达112.89万hm²,森林损失情况可划分为显著上升阶段、先降后升阶段和显著下降阶段。(2)整体上,福建省县域森林损失具有较强的空间正相关性和空间集聚性特征,相邻区域森林损失率的空间相关性显著,而其空间集聚效应呈现西北低、东南高的基本态势。(3)城镇化率、人均GDP、公路通车里程、人口密度和木材产量对福建省县域森林损失均具有一定的影响,但存在明显的时空异质性特征。该研究有效揭示了福建省县域森林损失时空动态特征及其影响因素,可为森林资源可持续经营提供理论依据。

为评估水体生态健康,量化和确定供水输入的浮游藻类群落对受水水体浮游藻类生长的影响程度具有重要意义。该研究在不同季节的调水期测定了供、受水水体的理化因子,同时利用藻类生长潜力试验比较和分析了不同比例的供、受水水体混合处理后浮游藻类细胞密度和群落结构变化。结果显示,调水期间受水水库的氮磷营养盐浓度没有显著变化(P＞0.05)。不同季节的藻类生长潜力试验显示,夏、冬季处理组的浮游藻类细胞密度峰值时间比对照组提前了4 d,且密度峰值随着混合比例的提高而增大;但夏季培养末期(20 d)处理组的浮游藻类密度均低于对照组,同时夏、秋和冬季处理组的实际藻类密度峰值均低于理论估算值,分别低10%、17%~24%和31%。处理组的群落结构变化表现为夏季受水水库的绝对优势种转变为输入的优势种,秋、冬季绝对优势种的相对丰度随调水比例的提高而增加,明显受到供水优势种生长的影响。供、受水水体的营养盐浓度差异是影响藻类生长的主要因素,持续调水显著影响受水水体浮游藻类的群落结构,但在一定程度上降低了发生藻类水华的风险。

阐明城乡梯度变化下大型底栖动物多样性与土地利用间的关系,对河流生态修复与保护、区域土地利用规划有重要意义。以苏北典型平原区为例,采用相关分析、主成分分析与回归分析法,对不同城乡梯度下大型底栖动物群落特征与土地利用结构之间的关系进行研究。结果表明:从北到南,随着城镇化水平的提高,水田和水塘面积呈递减趋势,建设用地和道路面积不断增加,大型底栖动物门类、物种数、丰度和生物量呈减少趋势。总体上,水塘、水田、道路和建设用地的规模、形态与布局特征对大型底栖动物多样性有显著影响。此外,河流形态规则化、建设用地形态复杂化、水塘邻域景观多样性下降将导致大型底栖动物多样性降低。建议严格控制建设用地规模,规范用地布局,在农耕区域尽可能采用水田种植模式,在郊区、城郊和城市营造多样化湿地景观。研究结果可为河网地区土地利用格局优化、区域统筹管理体系构建提供科学依据。

该文研究了厌氧条件下奥奈达希瓦氏菌(Shewanella oneidensis) MR-1对氟西汀的降解性能,并从转录组学分析遗传分子代谢机制。结果表明,Shewanella oneidensis MR-1在厌氧条件下可有效降解体系中93.12%的氟西汀,降解速率达0.94 mg·L^-1·h^-1。采用Illumina高通量测序平台对降解氟西汀后的细菌与对照组细菌进行测序,通过基因本体数据库(GO)和京都基因与基因组百科全书数据库(KEGG)富集分析,结合筛选的高表达高上调的差异表达基因,得到了耐受和降解氟西汀的功能基因,其中包膜应激反应膜蛋白基因、ABC转运蛋白基因、噬菌体休克蛋白PspA基因、氧化应激防御蛋白基因等在Shewanella oneidensis MR-1对环境的耐受中起重要作用;细胞色素C基因、硝基还原酶NfsB基因、乳酸利用蛋白基因等在氟西汀的降解转化中起关键作用。该研究从转录组水平分析了氟西汀的降解机制,可为Shewanella oneidensis MR-1在环境修复中的应用提供参考依据。

该研究旨在探明十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对黄颡鱼(Pelteobagrus fulvidraco)胚胎发育毒性和仔鱼神经毒性的影响,科学评估水体中SDBS污染的环境生态风险。将受精后4 h的黄颡鱼胚胎暴露于质量浓度为0、0.2、0.4、0.6、0.8 mg·L^-1的SDBS中,观察胚胎孵化累计死亡率、畸形率;并通过检测5日龄仔鱼脑组织中乙酰胆碱酯酶活性及相关基因的转录水平、5-羟色胺及相关基因的转录水平,探讨其神经毒性的潜在机制。结果显示,与对照相比,暴露处理的黄颡鱼胚胎孵化畸形率提高4.5~14.5百分点(P＜0.05),死亡率提高7.8~23.4百分点(P＜0.05)。与对照相比,暴露处理正常仔鱼和畸形仔鱼的乙酰胆碱酯酶活性分别显著降低12.0%~50.5%和15.0%~53.9%(P＜0.05),暴露处理仔鱼乙酰胆碱酯酶基因mRNA转录水平下降;暴露处理正常仔鱼和畸形仔鱼5-羟色胺含量分别显著降低2.6%~9.9%和3.0%~11.1%(P＜0.05),暴露处理仔鱼5-羟色胺基因的转录水平降低。上述结果表明,十二烷基苯磺酸钠暴露显著提高了黄颡鱼胚胎孵化的死亡率和畸形率;SDBS通过抑制乙酰胆碱酯酶活性和5-羟色胺含量水平影响神经传导,抑制神经递质相关基因表达,从而对黄颡鱼产生胚胎发育毒性及神经毒性作用。

因陆源污染输入和沿岸养殖业发展,我国近岸和入海口海域富营养化严重。该研究利用海蓬子(Salicornia europaea)高耐盐碱性、潮汐带生长的特点,通过浮床栽培探究了其对富营养海水的净化效果。实验构建褐牙鲆(Paralichthys olivaceus)养殖池和浮床净化池的循环水净化系统,模拟持续污染的富营养化海水环境。通过在浮床上移植海蓬子幼苗,测定不同水体中氨氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO₃^--N)、亚硝态氮(NO₂^--N)和磷酸盐(PO₄^3--P)浓度4种营养盐指标的变化情况及植物存活、生长状况,研究海蓬子的净化效果。实验结果表明,海蓬子对NH₄⁺-N吸收效果显著(P＜0.05),在12 h的水力停留时间下最高去除率为32.97%;对NO₂^--N的净化效果显著(P＜0.05),最高去除率为35.66%;对PO₄^3--P和NO₃^--N有去除效果,但不显著;浮床上的海蓬子存活率达93%以上,植株有明显生长,25 d总体长度增长12%,鲜重增加102%,干重增加83%。研究结果说明海蓬子可以作为生态浮床的工具植物,对近岸和入海口富营养化海水进行净化,为海洋生态环境保护提供技术支撑。

由于土壤理化性质不同,不同肥力的红壤上适宜的有机物料种类可能存在差异。为精准分类指导不同肥力红壤选择适宜的有机物料种类,选择长期进行花生、油菜轮作的红壤旱地,采集0~20和＞20~40 cm深度土壤样品,分别代表高肥力和低肥力土壤,设置不施有机碳(C0)以及施用油菜秸秆碳(OSC)、水稻秸秆碳(RSC)、玉米秸秆碳(MSC)、猪粪碳(PMC)处理,其中各有机物料处理的碳投入量相同,进行连续90 d的避光培养,测定不同处理团聚体组分及有机碳、氮含量,分析有机物料投入C/N比与团聚体组分C/N比的相关关系。结果表明:(1)与C0对照相比,各有机物料处理均显著提高了＞2 mm团聚体比例。在高肥力土壤中,OSC、RSC、MSC和PMC处理＞2 mm团聚体组分比例分别增加217.89%、283.97%、286.63%和210.63%,低肥力土壤中上述处理的增幅分别为72.25%、84.45%、72.11%和46.47%。(2)有机物料投入后,＞2、＞0.25~2、≥0.053~0.25和＜0.053 mm团聚体组分有机碳含量均显著提升,但不同肥力土壤中各有机物料处理下团聚体组分有机碳的增幅差异较大,以＞2 mm团聚体组分有机碳为例,高肥力土壤表现为RSC和MSC处理较高,而低肥力土壤则表现为OSC处理较高。(3)高肥力和低肥力土壤中添加不同有机物料均显著增加了＞0.25~2和＜0.053 mm团聚体组分全氮含量,且各处理均大体呈现出PMC处理最高的趋势。(4)在高肥力和低肥力土壤中添加不同有机物料均增加了团聚体组分C/N比,但高肥力和低肥力土壤中存在明显分异。以＞0.25~2 mm团聚体组分C/N比为例,高肥力土壤表现为OSC、RSC和MSC处理较高;而低肥力土壤则表现为RSC和MSC处理较高,且大体呈现出PMC处理下土壤团聚体组分C/N比显著低于其他有机物料处理的趋势。(5)高肥力土壤中,提高有机物料C/N比可显著增加土壤＞2和＞0.25~2 mm团聚体组分C/N比;而低肥力土壤中,仅＞0.25~2 mm团聚体组分C/N比与有机物料投入C/N比呈显著正相关。结合拟合方程的斜率分析发现,当投入有机物料的C/N比增加时,高肥力土壤中＞0.25~2 mm团聚体组分C/N比的增幅明显小于低肥力土壤。与猪粪相比,秸秆类有机物料对团聚体碳、氮积累的促进效果较好。建议参考土壤肥力水平精准调控投入有机物料的C/N比,以期合理提升土壤团聚体组分的C/N比。

采用温室大棚内袋栽培的方法,研究了有机肥、生物炭、海泡石及生物炭和海泡石的混合物(质量比为1∶1)对重金属污染土壤的pH值、镉和铅有效态含量的影响,并分析了三叶青块根中镉、铅含量的变化。结果表明,不同钝化剂处理均能不同程度提高土壤pH值,降低土壤中有效态镉、铅含量,降低三叶青块根中镉、铅含量。与对照相比,添加w为1%~5%的钝化剂可使土壤pH值升高0.05~1.03,土壤中有效态镉、铅含量分别降低2.95%~42.46%和6.21%~55.77%,三叶青块根中镉、铅含量分别降低15.61%~48.33%和8.18%~61.67%,其中以添加5%的生物炭和海泡石的混合物对土壤的pH值、镉和铅有效态含量及三叶青块根中镉、铅含量的影响最大,说明在土壤-三叶青体系的重金属钝化修复中,添加w为5%的混合钝化剂(生物炭与海泡石质量比为1∶1)效果最佳。

农田土壤镉(Cd)污染修复对粮食安全意义重大,伴矿景天(Sedum plumbizincicola)是我国发现和报道的Cd超积累植物。为探索不同生长期伴矿景天的Cd积累特征及其对根际土壤Cd剖面分布的影响,选择相同成土母质的中度和轻度Cd污染农田进行原位修复试验,分析伴矿景天分枝初期、分枝盛期、开花盛期、开花后期地上部生物量和Cd吸收情况及其根际土壤pH值与有效态Cd含量的剖面分布特征。结果表明,伴矿景天的生物量、Cd含量及Cd积累量均不会随着种植时间延长而升高。轻度Cd污染农田伴矿景天开花盛期株高可超过60 cm,地上部单株鲜重可达1.59 kg,单株地上部Cd积累量达2.26 mg。伴矿景天不同部位比较而言,花的Cd含量最高,开花盛期中度和轻度Cd污染农田伴矿景天花的Cd含量分别是其他部位的1.60~3.42倍和1.88~6.53倍。中度和轻度Cd污染农田伴矿景天地上部Cd积累量在4个生长期均差异显著,分别于分枝盛期和开花盛期达最大值。根际土壤pH值和有效态Cd含量均随着土层深度的增加表现为先降低再升高,近根区略低于远根区。中度Cd污染农田土壤pH值在分枝初期最低,近根区＞2~6 cm土壤pH值为4.37~4.43,而土壤有效态Cd含量在分枝盛期最低,近根区为0.16~0.31 mg·kg^-1,变异系数最小(26.5%)。土壤pH值降低有利于伴矿景天对Cd的吸收,生物量是影响伴矿景天修复效率的关键因素。

砷(As)主要通过硅和磷通道进入水稻根系,合理的硅和磷施用方式可有效调控水稻对As的吸收转运。研究通过在水稻育秧阶段进行硅或磷富集,探讨富硅或富磷秧苗移栽至As污染土壤后对糙米As含量的影响及分子机制。试验结果表明,富硅或富磷育秧在不影响生长的前提下,可使秧苗的硅或磷整株吸收量分别增至对照的19.6和2.3倍。与常规育秧相比,富硅育秧处理糙米中总砷、三价砷、五价砷以及二甲基砷含量分别降低31.1%、32.1%、58.3%、33.5%。富磷育秧对糙米总砷含量没有显著影响,但使糙米五价砷含量降低59.2%。富硅或富磷育秧可显著增加As在水稻根系中的滞留且不同程度影响As在水稻各部位之间的转移系数。根系As转运基因相对表达量的分析结果表明,与对照相比,富硅育秧对OsLsi1的相对表达量没有显著影响,使OsLsi2的相对表达量下调26%,OsABCC1的相对表达量上调203%;富磷育秧对OsPT1的相对表达量没有显著影响,使OsPT4以及OsPT8的相对表达量分别下降51%和71%,OsABCC1的相对表达量上调22%。综上,富硅或富磷育秧可通过调控水稻根系As相关转运基因的表达来影响水稻对As的吸收及转运,从而降低糙米As含量。研究结果可为稻田As污染风险管控提供重要参考。