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基于高通量定量PCR与高通量测序技术研究城市湿地公园抗生素抗性基因污染特征

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环境科学 2024年第1期45卷 576-583页

作者：黄福义周曙仡聃潘婷周昕原苏建强张娴中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建省流域生态重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 中国科学院华南植物园退化生态系统植被恢复与管理重点实验室广州510650

城市湿地公园是城市湿地保护与利用的重要实践,具有重要的生态系统服务价值.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,在水体环境中普遍存在,是当前环境研究和公众关注热点.基于高通量定量PCR与16S rRNA基因高通量测序技术,深入研究了厦... 详细信息

城市湿地公园是城市湿地保护与利用的重要实践,具有重要的生态系统服务价值.抗生素抗性基因(ARGs)作为一种新污染物,在水体环境中普遍存在,是当前环境研究和公众关注热点.基于高通量定量PCR与16S rRNA基因高通量测序技术,深入研究了厦门城市湿地公园水体环境中抗生素抗性基因的种类、丰度水平和分布特征.结合微生物群落特征和水质理化性质,阐释了城市湿地公园抗生素抗性基因污染的影响因子和驱动机制.结果表明,城市湿地公园水体环境总共发现了217种抗生素抗性基因,丰度水平高达6.48×10^(9)copies·L^(-1),抗性基因呈现出丰度较高、种类多样以及普遍共存的特点,城市湿地公园是抗生素抗性基因分布的重要热区和存储库;Marivivens、NS5_marine_group和Planktomarina等9种微生物是41种抗生素抗性基因的潜在携带者,微生物群落结构对城市湿地公园水体环境抗性基因变化的单独解释量达到了51%,因此微生物群落是城市湿地抗生素抗性基因赋存和演化最重要的驱动力.基于研究结果,暗示着城市湿地公园水体环境抗生素抗性基因具有潜在水生态安全及人类健康风险,应该加强城市湿地公园水体环境微生物污染研究与控制.

关键词：高通量城市湿地抗生素抗性基因(ARGs) 水环境新污染物

基于机器学习方法的土壤典型重金属生物毒性和潜在生态风险预测

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中国环境科学 2024年

作者：李国锋于金秋王宏池海峰林姗娜蔡超中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室中国科学院大学

土壤理化性质会显著影响重金属生物毒性，基于土壤理化性质的重金属生物毒性及潜在生态风险预测是当前的研究热点之一。本研究以土壤典型重金属镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）为研究对象，蚯蚓为土壤模式生物，采用文献法搜... 详细信息

土壤理化性质会显著影响重金属生物毒性，基于土壤理化性质的重金属生物毒性及潜在生态风险预测是当前的研究热点之一。本研究以土壤典型重金属镉（Cd）、铜（Cu）、铅（Pb）和锌（Zn）为研究对象，蚯蚓为土壤模式生物，采用文献法搜集已发表论文中重金属对蚯蚓繁殖的半数有效浓度(EC50)与所对应的土壤理化性质数据共113组，分析不同数据间关联性，揭示土壤理化因子对重金属生物毒性的影响规律。利用随机森林（RF）、梯度提升决策树（GBDT）、极限梯度提升（XGBoost）、K近临（KNN）和支持向量机（SVR）五种机器学习算法构建机器学习模型，研选最佳模型并开展我国土壤重金属潜在生态风险阈值预测。结果表明，重金属在不同类型土壤中毒性存在显著差异，重金属对蚯蚓的繁殖毒性强弱趋势表现为Cd>Cu>Pb≈Zn。不同土壤理化性质对重金属生物毒性的影响规律不同，其中土壤pH是影响重金属Pb和Cd的主要因素，对重金属蚯蚓繁殖毒性变化的贡献率分别为57.2%和69.0%；阳离子交换量和有机质含量则分别是重金属Cu和Zn生物毒性的主要影响因子。从模型拟合优度和预测精度对比分析基于土壤理化因子构建的重金属生物毒性机器预测模型的性能，XGBoost模型对Cd、Cu和Zn的生物毒性预测表现较好，而RF模型对Pb的生物毒性预测更准确，训练集和测试集的R2分别达0.939和0.886。利用研选的重金属生物毒性预测模型开展我国34省土壤中重金属生态风险阈值预测，结果发现不同区域土壤潜在生态风险存在明显差异。研究结果可为基于土壤理化性状的重金属生态毒性和潜在生态风险的准确预测与合理评估提供新的策略。

关键词：机器学习土壤重金属理化性质生物毒性生态风险评价

基于形态学空间格局分析和最小累积阻力模型的城市生态安全格局构建——以厦门市为例

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生态学报 2024年第6期44卷 2284-2294页

作者：李倩瑜唐立娜邱全毅李寿跳徐烨中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京100049 福建农林大学福州350002

城市化进程的快速发展加剧了生态系统的退化。如何扭转生态系统的退化,同时满足人类日益增长的生态系统服务需求,成为当前的一个研究热点。生态安全格局的构建在一定程度上可平衡城市发展与生态环境保护之间的关系,对于保障区域生态安... 详细信息

城市化进程的快速发展加剧了生态系统的退化。如何扭转生态系统的退化,同时满足人类日益增长的生态系统服务需求,成为当前的一个研究热点。生态安全格局的构建在一定程度上可平衡城市发展与生态环境保护之间的关系,对于保障区域生态安全、提升生态系统功能具有重大意义。以厦门市为例,基于“生态源地识别—阻力面构建—生态廊道提取”的基本框架构建陆域生态安全格局。结合生态系统服务重要性评价和形态学空间格局分析识别生态源地,该方法兼顾了生态结构和功能,使得所识别的生态源地更具全面性。选取土地利用类型、高程和坡度构建生态综合阻力面,并用人类居住合成指数修正生态综合阻力面,以减少主观赋值的影响,识别各土地利用类型内部的差异,使生态阻力面的构建更加合理。在此基础上通过最小累积阻力模型提取生态廊道,利用重力模型量化潜在生态廊道的相对重要性,并根据重力模型结果划分重要性等级。研究结果表明,厦门市的生态安全格局由14个生态源地、21条生态廊道、15个生态节点及若干个踏脚石所组成。生态源地主要集中在研究区的西部和北部,以林地和草地为主,面积合计为558.64 km^(2)。生态廊道长约159.40 km,其中,关键生态廊道9条,一般生态廊道12条。生态廊道呈现出东西方向联系较为密切,南北方向联系不足的特点。根据对区域生态安全的贡献度,将生态安全格局划分为3个管控区进行分级管控。将研究结果与厦门市当前的实施计划进行对比分析,虽然结果有所差别,但总体上相对一致,造成差异的主要原因在于两者所采用的研究数据及方法不同。因此,研究认为将生态系统服务重要性评价和形态学空间格局分析、最小累积阻力模型和重力模型结合,可为生态安全格局的构建提供科学依据。

关键词：生态安全格局生态源地生态阻力面生态廊道

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九龙江流域农业洪涝灾害损失时空变化特征

水生态学杂志 2024年

作者：王莉红方雪娟黄泓杰张印崔胜辉中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室中国科学院大学资源与环境学院厦门市城市代谢重点实验室

分析九龙江流域农业灾害造成的损失特点，可为该地区农业可持续发展提供科学依据，为该流域不同地区的农业保险提供宏观参考依据，为洪涝灾害农业损失脆弱性曲线积累数据基础。通过分析2014―2019年九龙江流域洪涝灾害资料，揭示了九龙... 详细信息

分析九龙江流域农业灾害造成的损失特点，可为该地区农业可持续发展提供科学依据，为该流域不同地区的农业保险提供宏观参考依据，为洪涝灾害农业损失脆弱性曲线积累数据基础。通过分析2014―2019年九龙江流域洪涝灾害资料，揭示了九龙江流域农业灾害损失特点和时空分布特征，探讨了九龙江流域适应性农业管理对策。结果表明：（1）造成农业损失的作物主要是茶叶、蔬菜、水果、食用菌；（2）九龙江流域农业洪涝灾害损失最大的月份是9月、7月、5月、6月，呈现出与降雨量同步的趋势（R=0.714，P=0.009）；（3）九龙江流域农业洪涝损失最大的县域分别是安溪县、同安区、长泰县、华安县、连城县、漳平市，损失空间分布特征整体呈现出流域中游和下游损失多、上游损失少的特征。

关键词：农业洪涝灾害极端降雨时空分析减灾措施

长三角典型城郊流域溶解性有机质的分子特征:以浙江樟溪为例

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湖泊科学 2024年第2期36卷 477-486页

作者：李文儒陈财万洁婷唐剑锋中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室厦门361021 中国科学院大学北京101408 福建农林大学生命科学学院福州350002 上海应用技术大学生态技术与工程学院上海201418 厦门市城市环境智慧管理重点实验室厦门361021

溶解性有机质(DOM)在流域水环境中广泛存在,参与各种生物地球化学循环过程。快速的城镇化过程和人类活动显著改变了流域水体DOM含量和特性,从分子层面上解析DOM在流域尺度上的时空分异特征对流域水质管控具有重要的理论和应用价值。以... 详细信息

溶解性有机质(DOM)在流域水环境中广泛存在,参与各种生物地球化学循环过程。快速的城镇化过程和人类活动显著改变了流域水体DOM含量和特性,从分子层面上解析DOM在流域尺度上的时空分异特征对流域水质管控具有重要的理论和应用价值。以长三角地区樟溪流域为研究对象,依据土地利用和人类活动强度布设采样点,于2022年7月采集水样。结果表明,樟溪流域水体溶解性有机物主要的分子式元素组成为CHO、CHON、CHOS,其中木质素/富羧酸脂环分子类有机物相对占比最高。在子流域空间分布上,人类活动强的子流域CHON、CHONS类型化合物含量更高。选取采样点距城镇距离、距源头距离以及土地利用类型所占采样点缓冲区的比例来表征人类活动的影响。结果表明,流域内DOM杂原子受人类活动强度影响,距源头的距离与水体DOM分子中氮原子的强度加权平均值(N wa)和CHON化合物百分呈显著正相关,与碳、氢原子和荷质比的强度加权平均值(C wa、H wa、m/z wa)呈显著负相关。CHON分子的相对丰度与林地面积比例呈显著负相关,与农业用地比例呈显著正相关。比较具有典型土地利用类型的水体DOM:典型农田、城镇土地利用类型DOM含有更多独特的CHON分子式,农田DOM在木质素/富羧酸脂环分子区域出现CHON分子式的富集,城镇DOM在脂肪类和木质素/富羧酸脂环分子区域均出现了CHON分子式富集。研究表明在城郊流域中,人类活动显著改变了水体DOM的分子特征,增加了分子多样性,促进了特定分子式的富集。

关键词：地表水城郊流域溶解性有机物傅里叶变换离子回旋共振质谱樟溪流域

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我国城市水源水库水质风险成因及对策

湖泊科学 2024年第1期36卷 1-16页

作者：朱广伟许海朱梦圆肖曼国超旋邹伟张运林秦伯强中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室/湖泊与流域水安全全国重点实验室南京210008

我国城市水源中约40%为湖泊或水库,且大部分为水库,因此水源水库的水质状况对我国城市安全极其关键。本文综述了我国水源水库水质问题研究进展,分析了22个代表性水源水库的周年水质状况。结果发现,当前我国城市水源水库水质风险类型主... 详细信息

我国城市水源中约40%为湖泊或水库,且大部分为水库,因此水源水库的水质状况对我国城市安全极其关键。本文综述了我国水源水库水质问题研究进展,分析了22个代表性水源水库的周年水质状况。结果发现,当前我国城市水源水库水质风险类型主要是异味问题、藻类水华、铁锰超标、有机质偏高、营养盐超标等。引发水源水库水质问题的主要原因包括流域开发强度过大、库底淤积及内源释放、生态系统结构失衡、气候与水文异常变化等。针对上述主要问题,提出了构建在线水质监测预警体系、控制流域土地开发强度、构建面源拦截及流域净化系统、疏浚底泥、优化生态系统结构、实施应急曝气与控藻工程、完善流域生态保护法律法规等多种水源水库水质安全保障技术措施。鉴于水源水库水质及水生态对暴雨、高温热浪等极端气象响应敏感而复杂,在当前极端天气事件频发、强度不断增加的气候背景下,还应加强水库生态学基础研究,以深入理解水源水库水质对气候变化的响应机制,提高水库水安全保障科技支撑能力,满足我国城市高质量发展的水资源需求。

关键词：水源地水库嗅味物质藻类水华生物操纵水安全

城市水系统综合治理关键技术及其在长江经济带的示范应用

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地理学报 2024年第9期79卷 2163-2175页

作者：夏军张世彦张永勇佘敦先杨军吴胜军武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室北京100101 中国科学院城市环境研究所福建省流域生态重点实验室厦门361021 中国科学院重庆绿色智能技术研究院重庆400714

内涝、水污染与水体黑臭、河湖生态系统退化是城市面临的主要水问题,已成为限制长江经济带绿色发展的关键瓶颈问题之一。深入认识城市发展过程中水系统的演变规律以及各要素之间的相互影响,阐明城市水问题的形成机制,构建城市水系统综... 详细信息

内涝、水污染与水体黑臭、河湖生态系统退化是城市面临的主要水问题,已成为限制长江经济带绿色发展的关键瓶颈问题之一。深入认识城市发展过程中水系统的演变规律以及各要素之间的相互影响,阐明城市水问题的形成机制,构建城市水系统综合治理技术体系,是解决城市复杂水问题的根本途径。本文针对上述水问题,从水循环系统多过程耦合的角度出发,总结了城市水系统的概念和特征,提出了城市水问题系统治理关键技术体系,并以2016—2022年长江经济带城市(群)治理案例为例开展应用。研究表明:泵站抽排和海绵措施可有效减少武汉市发生极端降水时的严重内涝面积和消除成渝城市群内涝点;微生物—植物—水动力一体化协同调控组合工艺可以显著强化武汉市典型黑臭水体的氮磷去除效果;源头控制—路径耗散—末端治理的城市河湖生态综合修复体系使重庆市两河流域水体富营养化水平明显下降;实施上述治理技术体系后,长江中游城市群绿色发展指数平均提升4.8%。本文可为长江经济带绿色发展重大战略提供城市水系统理论和技术支持。

关键词：城市水系统水环境绿色发展内涝城市群长江经济带

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福建桉树异速生长方程与生物量估算

中国科学院大学学报（中英文） 2024年第3期41卷 321-333页

作者：郑小曼翁闲欧玲珑任引中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建省流域生态重点实验室福建厦门361021 中国科学院大学北京100049 福建省建阳范桥国有林场福建南平354200 福建农林大学生命科学学院福州350002

以中国南方主要速生丰产树种桉树为研究对象,利用野外破坏性实测的90棵桉树解析木数据,研究桉树单木器官生物量的分配及规律,构建最佳单木异速生长方程,计算桉树根冠比并将其应用于桉树树根生物量的估算。结果表明:1)桉树生物量的分配... 详细信息

以中国南方主要速生丰产树种桉树为研究对象,利用野外破坏性实测的90棵桉树解析木数据,研究桉树单木器官生物量的分配及规律,构建最佳单木异速生长方程,计算桉树根冠比并将其应用于桉树树根生物量的估算。结果表明:1)桉树生物量的分配策略如下:随着林龄的增大,桉树树干的生物量分配比例不断增多,而树枝、树叶和树根的生物量分配比例不断减少。2)应用桉树分林龄的根冠比数据估算桉树树根生物量是最为可行且有效的方法。3)在桉树生物量的异速生长方程构建中,乘幂方程优于线性方程,最优自变量则根据各器官有所差异。

关键词：桉树单木生物量器官分配根冠比异速生长方程

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人工技术土壤研究进展与展望

土壤学报 2024年第1期61卷 1-15页

作者：郑瑞伦朱永官孙国新北京市农林科学院草业花卉与景观生态研究所北京100097 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院城市环境研究所福建厦门361021 中国科学院大学北京100049

城市绿色基础设施可以解决由城市化引发的诸多环境问题,但城市绿色基础设施建设所需要的大量土壤资源却很匮乏。人工技术土壤(ConstructedTechnosols,CT)是利用有机和无机固体废弃物创造的用于种植植物的新土壤,可通过调整组成材料和配... 详细信息

城市绿色基础设施可以解决由城市化引发的诸多环境问题,但城市绿色基础设施建设所需要的大量土壤资源却很匮乏。人工技术土壤(ConstructedTechnosols,CT)是利用有机和无机固体废弃物创造的用于种植植物的新土壤,可通过调整组成材料和配方满足不同的植被类型、土地用途和立地条件等要求,最终回归城市,用于绿色基础设施建设。CT可同时缓解大量城市固废的处置难题和解决城市绿色基础设施建设的土壤缺乏问题,具有低碳、低成本、低影响的特点,还可产生经济效益。本文主要从CT对植物生长、碳捕获、生物多样性保护、径流污染物滤除方面的作用和人为生物调控方面介绍了CT的研究现状及在我国的应用潜力,并对CT的研究发展进行了展望,提出了一些CT研究中需要解决的问题与建议。旨在推动城市固体废物资源化综合利用和绿色基础设施低碳发展,增加城市碳固存,改善城市地区生态环境和增进人民健康福祉。

关键词：人工技术土壤城市绿色基础设施低碳固体废物资源化生物多样性