代表性研究工作进展

1、河流水质演变及特征污染物来源解析

我国江河水域普遍受到不同程度的污染，且污染呈加重趋势。七大流域的监控断面中，Ⅳ类水质断面占15%,Ⅴ类和劣Ⅴ类占13.8%，水污染已成为制约和困扰我国可持续发展的障碍。水体污染控制及治理是我国当前亟待解决的重大问题，而河流水质演变规律及其污染来源解析研究是水体污染控制及治理的关键。

针对我国严重的流域性氮污染问题，选取辽河流域典型支流作为研究区，开展了河流水体氮污染来源解析的研究。采用硝酸盐氮氧同位素示踪技术（δ¹⁵N-NO₃和δ¹⁸O-NO₃）与水化学分析方法相结合，分析了河流水体中氮的污染来源及其不同季节的地球化学过程；采用土地利用格局与同位素混合模型（Mixing Model）相结合，计算了河流水体中氮的各种污染来源的贡献率。结果表明，硝酸盐氮是河流水体中氮的主要存在形式，具有季节性变化规律；硝酸盐氮在不同季节受到水体硝化和反硝化作用不同程度的影响；生活污水/粪便是河流水体氮污染的主要来源，其在居民区和农田-居民混合区的平均贡献率分别达到76.4%和62.8%。该研究为辽东湾和渤海地区的氮污染控制及其水域生态质量管理提供了重要科学依据。研究成果已应用在“国家水体污染控制与治理科技重大专项流域水生态功能分区与质量目标管理技术项目”中，为实现河流污染物总量控制目标提供了技术支撑和理论基础。研究结果已发表在Science of the Total Environment、Marine Pollution Bulletin、Ecological Engineering等国际知名期刊上，为从事河流氮污染研究的学者提供了重要的方法指导。

以秦岭南坡山区小流域为研究区，采用锶同位素技术与水化学分析方法相结合，系统研究大气降水、枯落物层水、土壤层水与河水中锶元素（Sr）的含量及其环境同位素组成（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr），揭示了河流水体中Sr的地球化学过程；利用三元混合模型（Three-source Mixing Model），分析河流生态系统中锶元素的来源及贡献率，示踪 Ca、Mg、K、Na 等营养元素的生物地球化学循环过程及污染物质的迁移转化过程，进一步揭示自然过程与人类活动对河流水环境地球化学的影响。结果表明，河水中Sr主要来源于三端元：即大气沉降、碳酸盐及硅酸盐岩石风化，其对河水中Sr的平均贡献率分别为74%、20%和6%。研究成果为南水北调中线工程水源地水质安全和水质保护提供了科学依据；相应的研究成果已发表在Water Research国际著名水资源top期刊上，为从事河流水质研究的学者提供了新的视角。

1)  Bu HM, Song XF, Zhang QF, Burford MA. 2016. Strontium concentrations and isotope ratios in a forest-river system in the South Qinling Mts., China. Water Research, 93: 91-97. (IF=5.991)

2)  Bu HM, Song XF, Zhang Y, Meng W. 2017. Sources and fate of nitrate in the Haicheng River basin in Northeast China using stable isotopes of nitrate. Ecological Engineering, 98:105-113. (IF=2.740)

3)  Bu HM, Song XF, Guo F. 2017. Dissolved trace elements in a nitrogen-polluted river near to the Liaodong Bay in Northeast China. Marine Pollution Bulletin, 114(1): 547-554. (IF=3.099)

4)  Bu HM, Zhang Y, Meng W, Song XF. 2016. Effects of land-use patterns on in-stream nitrogen in a highly-polluted river basin in Northeast China. Science of the Total Environment, 553: 232-242. (IF=3.976)

5)  Bu HM, Liu WZ, Song XF, Zhang QF. 2016. Quantitative impacts of population on river water quality in the Jinshui River basin of the South Qinling Mts., China. Environmental Earth Sciences, 75(4):292.

2、水沙监测资料稀少区小流域侵蚀产沙变异及模型模拟

水沙监测数据是开展土壤侵蚀过程、机理和模型模拟研究的基础，在水沙监测资料稀少区寻找有效方法解决数据短缺是有效开启土壤侵蚀和水土保持研究的一把钥匙。项目组通过应用核素示踪技术和野外实地测量，引进土壤侵蚀物理模型，深入围绕流域侵蚀产沙时空特征、泥沙来源和流域产沙对水土保持措施的响应等关键问题，深入揭示了我国商品粮基地黑土区小流域侵蚀产沙及对水土保持措施的响应机制，取得了国际认可的成果。主要贡献点如下：

l  揭示了水沙资料稀少区小流域侵蚀产沙时空特征与变异机制

通过水库淤积测量和核素示踪泥沙信息的方法，有效解决了东北黑土区小流域水沙监测数据不足的难题，发现了近60年来黑土区不同泥沙源地对小流域产沙的贡献及动态特征，揭示了我国黑土区小流域侵蚀产沙的变异机制，阐明了不同影响因素对小流域侵蚀产沙的贡献及对气候变化的响应。通过解译的淤积泥沙数据，发现流域土地利用模式、地形和土壤可蚀性因子对流域产沙的贡献分别为25.1%、20.9%和26.1%，流域泥沙中来自耕地的泥沙占60%，且随降雨而变化。拜全县水文局认为，利用水库淤积的泥沙信息替代水沙监测水沙数据，对于研究小流域产沙、水土保持治沙很有意义。

l  明确了水沙监测资料稀少区水土保持措施对小流域侵蚀产沙的贡献

率先将流域土壤侵蚀物理模型引进我国黑土区，系统评价了小流域坡面、沟道水土保持效益，阐明了土地利用变化、库坝建设对对流域产沙的贡献，明确了黑土区水土保持实施中需要注意的问题。利用流域出口水库泥沙和流域内核素示踪的侵蚀产沙数据校正和验证模型，在弥补水沙资料稀少的同时，也有效解决了目前土壤侵蚀模型模拟中存在的“异参同效”难题，使得模型模拟更具意义。研究发现，1954年以来土地利用变化及水土保持措施、水库和塘坝减沙分别占总产沙的80%和20%，土地利用变化中农田防护林带拦截沙占8.7%。审稿专家认为，将WaTEM/SEDEM模型引进黑土区，应用于水土保持治理评价很有价值。

[1] Fang HY^﹡, 2016. Impact of land use change and dam construction on soil erosion and sediment yield in the black soil region, northeastern China. Land Degradation and Development, DOI: 10.1002/ldr.2677. (SCI一区; IF = 8.145)

[2] Fang HY^﹡, Sun LY. 2017. Modelling soil erosion and its response to the soil conservation measures for the black soil region, northeastern China.Soil and Tillage Research 165: 23-33. (SCI二区; IF = 2.709)

[3] Li ZY, Fang HY^﹡. 2016. Impacts of climate change on water erosion: a review. Earth-Science Reviews, 10.1016/j.earscirev.2016.10.004 (SCI一区, IF = 6.991).

3、流域水-生物地球化学循环及其耦合均衡模拟

揭示我国河流碳输出量及人类活动的影响。近几十年，气候变化与人类加剧了河流-近海碳交换并对近海蓝色碳汇产生重大影响，研究综合评估了中国河流向近海输送碳为64.35×106吨/年,占全球河流向海洋输送碳量的 4.8～8.1%；全球陆-海交错带蓝色碳库为10.8 ×109吨，其固碳潜力为86.59 ×106吨/年，中国蓝色碳库共计存储蓝碳为3.04×106吨/年，中国蓝色碳汇潜力仅占全球的1.7%。但人类活动改变了传统蓝色碳汇格局，是增强蓝色碳汇的技术手段和措施。中国近海人类活动导致蓝色碳汇增汇达6.32～7.89×106吨/年, 占全球的人类活动对蓝色碳汇增汇的20.9～23.7%（支持性成果1）。因此发展蓝色碳汇技术对解决全球气候变化及固碳封存与转移具有重要意义。

构建考虑生物地球化学过程的流域水循环系统模型。传统水循环研究重点关注水文过程，并不能综合考虑水循环多过程的相互作用机制。自全球水系统计划(Global Water System Project) 提出以来，水循环已被多数人认为是联系流域诸多与水相关过程（水文过程、水环境过程、土壤营养源过程、以及作物生长过程等）的关键性纽带。研究探索了水循环与氮、碳等生物地球化学循环的相互作用机制，以水和营养源循环作为联系各个与水相关过程的主要纽带，构建了考虑生物地球化学过程的流域水循环系统模型（支持性成果2、6和7）。该模型能够模拟气候变化、土地利用、水利工程以及农业管理措施等影响下地块、子流域\流域、河道断面等多种尺度径流、水-土及营养源流失、水体水质浓度、作物产量等要素时空变化特征，可为生态水文扩展模拟研究提供参考和借鉴，也为流域综合管理提供重要技术支撑（支持性成果5）。

提出水循环多过程多要素均衡率定方法。随着水循环模型模拟过程和要素的增多，传统率定方法均以径流量为目标，或者是先率定水文过程再率定其他过程，这往往不能使水循环其他要素或其他过程模拟效果达到最优。研究综合考虑水循环各过程或径流各要素之间的制约，提出了水循环多过程多要素均衡率定方法，有效回避了目标函数优化时先后次序的主观判断（支持性成果3和4）。在河西走廊两个流域径流量、变率和频率、历时、事件出现时间等径流情势指标的综合率定来看，69%的径流情势指标模拟精度得到明显提高；而在淮河流域重点断面水量水质过程模拟结果来看，在不显著影响水量模拟效果的情况下，氨氮浓度的模拟精度可提高20%左右。

1.   Gao Y, Yu GR*, Yang TT, Jia YL, He NP, Zhuang J. New insight into global blue carbon estimation under human activity in land-sea interaction area: a case study of China. Earth-Science Review, 2016, 159, 36–46. (IF=6.99,五年平均影响因子为8.96, 一区期刊)

2.   Zhang YY*, Shao QX*, Ye AZ, Xing HT and Xia J. Integrated water system simulation by considering hydrological and biogeochemical processes: model development, with parameter sensitivity and autocalibration. Hydrology and Earth System Sciences, 2016, 20:529–553. (IF=3.99, 五年平均影响因子为4.54, 一区期刊)

3.   Zhang YY*, Shao QX*, Taylor JA. A balanced calibration of water quantity and quality by multi-objective optimization for integrated water system model. Journal of Hydrology, 2016, 538:802-816. (IF=3.04, 五年平均影响因子为3.882, 一区期刊)

4.   Zhang YY*, Shao QX, Zhang SF*, Zhai XY, She DX. Multi-metric calibration of hydrological model to capture overall flow regimes. Journal of Hydrology, 2016, 539:525-538. (IF=3.04, 五年平均影响因子为3.882, SCI一区期刊)

5.   Zhang YY*, Zhou YJ, Shao QX*, Liu HB, Lei QL, Zhai XY, Wang XL. Diffuse nutrient losses and the impact factors determining their regional differences in four catchments from North to South China. Journal of Hydrology, 2016, 543:577-594. (IF=3.04, 五年平均影响因子为3.882, 一区期刊)

6.   徐冯迪，高扬*，董文渊*，郝卓，徐亚娟. 我国南方红壤区氮、磷湿沉降对森林流域氮、磷输出动态及水质的影响. 生态学报，2016，36(20): 1-11.

7.   韩宁，郝卓，徐亚娟, 高扬*，于贵瑞. 亚热带流域干湿季交替下底泥氮释放机制及其对流域氮输出的贡献. 环境科学，2016，37(2): 4403-4413