Institutional Repository of Xinjiang Institute of Ecology and Geography, CAS
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Effects of microplastics-antibiotics on antibiotic resistance genes and microbial community structure in aquatic environment
No full text微塑料是自然环境中普遍存在的污染物，而大量的微塑料污染及其携带的化学污染物质可能对水环境生态系统造成危害， 微塑料还可以作为细菌群落的栖息地、传播载体。抗生素作为水环境中的一类新型污染物，也会吸附到塑料表面，并在水动力作用下长距离迁移，造成抗生素、耐药菌及抗生素抗性基因（ARGs）的全球分布及对水生生物引发复合毒性。然而目前关于微塑料-抗生素复合污染物对水体中微生物群落结构的影响方面的研究较少。本论文研究了不同水域环境中微塑料对抗生素的吸附行为以及对耐药菌和 ARGs 的富集、迁移和转化行为，还通过 16S rRNA 高通量测序的方法研究了二者复合污染物对斑马鱼肠道微生物的影响作用，同时探讨了微塑料-抗生素复合污染物在食物链（丰年虾→斑马鱼）中对斑马鱼肠道微生物群落结构的影响。本论文主要的研究成果如下：（1）利用石英晶体微天平探讨了聚乙烯（PE）对抗生素的吸附作用。研究发现 PE 膜对红霉素的吸附量最多， 可达 6.5µg/cm2。另外吸附作用会随着盐度的升高而减弱， 这可能是因为钠离子或者其他阳离子也会吸附到物质表面，与污染物造成竞争吸附。（2）通过比较三种不同盐度的水体中（河水、河口水和海水体系） PE 微塑料对四种抗生素（磺胺甲基嘧啶、罗红霉素、四环素、泰乐菌素）的吸附作用，探讨在这四种抗生素的作用下，水体和 PE 上 ARGs、微生物群落变化情况。结果表明， PE 微塑料可以选择性的富集水体中的抗生素、 ARGs 和微生物。在四种抗生素的压力下， PE 微塑料与其周围水体的 ARGs 和细菌群落结构的分布具有显著性差异。相对于河口水和海水来说， PE 在河水体系中可以富集更多的ARGs。总体上， PE 微塑料上细菌的 α-多样性在河水体系中有所升高，而在河口水和海水体系中则降低，然而水体样本则表现出相反的规律。（3） 采用实时荧光定量 PCR 技术测量了底泥和 PVC 上 ARGs 的含量。 相比底泥， PVC 微塑料可以富集更多的抗生素和 ARGs。不同盐度的水体对样本中α-多样性的影响也很明显，对于 PVC 微塑料来说，在四种抗生素的作用下，多样性指数在河口水和海水中降低，而在河水体系中有所升高。 PVC 微塑料和底泥可以为微生物提供不同的生态位点，其中海水体系中二者的差异性更明显，说明 PVC 在海水中更容易形成与周围环境不同的特有生物膜结构。（4）通过比较不同浓度梯度（ng/L、 µg/L 和 mg/L）的五种抗生素（磺胺甲基嘧啶、罗红霉素、诺氟沙星、四环素和氯霉素）在微塑料（PE 和 PVC）上的吸附作用，分析了在抗生素的选择性压力下，微塑料和水体中 ARGs 的产生及变化情况以及样本的微生物多样性、群落结构组成情况。结果表明，原始水样中的 ARGs，如 SulA/folP-01、 ermF、 qnrS、 tetA、 tetC、 tetG、 tetX 和 cmlA1-01 可以附着到 PE 和 PVC 上。此外在低浓度条件下， PE 和 PVC 上的微生物多样性相对较高。除了含有许多共有细菌外，微塑料和水体中都有其特有的细菌，这些细菌的相对丰度在抗生素的作用下变化明显。其中 PVC 上的细菌在高浓度的磺胺甲基嘧啶和罗红霉素的作用下比较敏感，大多数物种的丰度急剧下降。（5）采用 16S r RNA 高通量测序方法，探讨微塑料及抗生素对斑马鱼肠道及粪便中微生物群落结构的影响。结果发现，斑马鱼可误食投喂的微塑料，大部分通过粪便的形式排出体外。粪便中共检测到 6 种不同类别的耐药基因，包括sul1、 sulA/folP-01、 ermE、 ermF、 cmlA1-01 和 cmlA1-02。 PE 微塑料的存在可显著增加粪便和肠道中微生物群落结构的差异性。（6）研究了微塑料-抗生素复合污染物在食物链（丰年虾→斑马鱼）中对斑马鱼肠道微生物群落结构的影响。结果显示，斑马鱼粪便中检测到的 ARGs 的含量明显高于丰年虾体内的，说明 ARGs 可通过食物链作用富集到高营养级的动物中，而且 PE 微塑料的存在加强了 ARGs 在高营养级动物中的含量。在 PE-氯霉素的共同作用下，斑马鱼肠道微生物的群落结构发生了较大变化，其中假单胞菌属的相对丰度随着氯霉素浓度的升高而降低，而鲸杆菌属的含量随着氯霉素浓度的升高而增加。综上所述，微塑料可作为抗生素、 ARGs 和细菌的附着载体，形成的复合污染物会进一步影响水环境和斑马鱼肠道中的微生物群落结构。本论文为环境中抗生素及 ARGs 的传播与控制提供了理论支撑，具有重要的科学与现实意义
Experimental Study on soil water and salt migration under brackish water irrigation in desert section through geku railway
No full text将地下咸水资源用于植被灌溉， 是一种直接的解决沙漠地区植被生长缺水问题， 对生物防沙固沙体系的建设， 具有重要意义； 在格库铁路沿线沙漠地区， 这里降雨稀少而蒸发强烈， 大规模的利用地下咸水灌溉极易导致土壤盐渍化问题。基于该区域地下水矿化度分布特点， 参考塔克拉玛干沙漠公路防护林灌溉体系，设置了 10g/L、 25g/L、 40g/L、 原水共 4 个盐分梯度和 10L、 20L、 30L 共 3 个水量梯度， 对三种植物（刚毛红柳、 梭梭、 白刺） 进行大田滴灌灌溉实验， 探讨研究高矿化度咸水灌溉情境下， 当地土壤水盐运移规律。 利用 Hydrus 模型软件进行水盐动态变化的模拟， 并通过实测数据对模型进行验证， 为该区域防护林工程建设提供理论依据和有效的技术支撑。 研究结果表明：（1） 不同矿化度水滴灌下土壤水分运动形式不同， 10g/L 灌溉条件下， 土壤含水量在灌溉当日即到达土壤深层， 且在深层土壤持续维持一定量的水分。 25g/L灌溉条件下， 土壤的粘滞系数、 弥散度均在一定程度上增大， 导致土壤水分向下迁移速度减缓， 但仍然可以看出水分向下移动。 在 40g/L 灌溉和原水灌溉条件下，水分受土壤吸附力影响更加显著， 水分向下迁移逐渐停滞， 土壤水分在剖面上的分布多的表现出上层土壤含水量高于下层土壤含水量的现象。（2） 经过不同矿化度水灌溉， 土壤盐分总体上呈现表层集聚的特点， 且在秋季， 这种现象更加明显。 在灌溉水矿化度相对比较稳定的情况下， 对比夏季和秋季土壤盐分含量变化特点， 总体上随着时间的推移和灌溉的进行， 浅层土壤（0~50cm） 盐分含量有增加趋势， 深层土壤（50cm~150cm） 盐分有减小趋势，说明浅层出现盐分含量累积， 而深层没有盐分累积情况出现。 而灌溉水矿化度不是稳定情况下， 部分土壤的含盐量表现为深层集聚。（3） 应用 Hydrus-1D 模型对一年生的柽柳幼苗土壤水盐动态模拟进行水盐模拟， 并通过实测值加以验证， 通过 RMSE 值或者 R2值两种评价指标综合评价，结果表明模型模拟效果良好， 基本上能较好的反映土壤水分动态变化情况， 能够进行恶劣环境下土壤水盐模拟工作。 水分模拟效果土壤表层（0~50cm） 要好于深层(70~90cm)， 秋季略好于夏季。 盐分模拟效果则是整体良好， 实测值与模拟值都比较吻合。（4） 在不同矿化度水灌溉处理下， 三种植物的生长状况差异很大。 刚毛红柳更适合在 30L 灌量和 40g/L 以及原水灌溉条件下生存， 梭梭更适合在 40g/L 及以下矿化度和水量大于等于 20L 条件下生存， 白刺则在灌溉水矿化度低于 30g/L条件下生存， 且灌溉水量越高， 生存率越好。 刚毛红柳和梭梭能够很好的适应沙漠环境， 能够更好的应用于沙漠防护林建设， 而白刺的适应性明显比上述两种植物差
Water balance analysis based on quantitative evapotranspiration (ET) inversion in NUKUS irrigation area, Lower Armu River Basin
No full text咸海危机已演变为二十世纪最严重的生态环境问题之一，成为全球热点。 咸海的快速萎缩对周边生态环境、人们的生活生产造成不可逆转的恶劣影响，如土壤盐渍化、荒漠化、 盐尘暴等。已有研究表明，人类活动是咸海危机主要的诱因，咸海流域的人类活动主要表现为大规模开垦荒地、修筑水利设施、不合理灌溉等，致使咸海流域的农业生产过度利用、浪费地表水资源，从而加剧了咸海流域灌区农业生产需水与湖区入流量之间的矛盾。然而，咸海流域灌区水文过程以及对咸海水量的影响至今尚不明确，并且蒸散发作为水文过程中重要的一环，现有咸海流域的蒸散产品存在一定的局限性。因此，本研究选用阿姆河尾闾灌区－努库斯灌区为研究区，基于多期 Landsat 遥感影像和气象站数据，利用改进的 SEBAL模型反演了近 30 年来努库斯灌区蒸散发，并结合气象水文数据、 地表径流量数据、地下水变化数据等建立水量平衡公式，定量探究努库斯灌区水文过程以及对咸海水量的影响。该研究可为咸海流域的农业生产、咸海生态保护提供一定建设性意见。主要研究结果如下：(1) 对 SEBAL 模型作如下改进： 利用高程、坡度改进了地表温度、 光谱反射率的算法；引入了不同地物类型的参数的经验公式，如比辐射率等； 建立了‘冷热点’的选择规则。结果表明改进 SEBAL 模型的模拟结果与 Penman-Monteith 公式计算的蒸散发在日尺度与月尺度均有较高的拟合度，各作物的验证系数 R2 均高于 0.6，并且与蒸发皿实测数据的相关系数达到 0.82， 表明改进的 SEBAL 模型能较好的模拟中亚干旱区咸海流域典型灌区的蒸散发。(2) 努库斯灌区的蒸散发在空间上呈现南高北低的分布规律，这主要是和植被覆盖度有关；在年内分布规律呈现单峰分布，七月份为峰值；在近 30 年年际间中， 经历两个主要变化阶段，第一阶段是 1992 年至 200 年，年蒸散发量呈现减少趋势，第二阶段是 2005 年至 2015 年，年蒸散发量呈现增加趋势，其变化原因主要是由耕地面积变化导致的。并且近 30 年来了，努库斯灌区北部湖泊等湿地周围的蒸散发量呈现减少的趋势，这与灌区水体面积减少有关，而东南部、西南部灌区的蒸散发呈现增加的趋势，这是耕地扩张的结果。(3)努库斯灌区的耕地、林地的日蒸散发量在 5mm～8mm 之间，裸地的日蒸散量在 0mm～4.5mm 之间。生长季期间，水体的总蒸散发量在 1100mm~1500mm之间，耕地的总蒸散发量在 700mm~1100mm 之间， 灌区的水体蒸发量近 30 年来呈现减少的趋势，由 1992 年 1340mm 减少至 2015 年 1123mm， 而耕地、草地、灌丛的蒸散发量呈现先减少后增加的趋势，耕地平均每年蒸散发量为 900mm，而草地、灌丛的年均蒸散发量为 700mm，裸地的蒸发量无太大变动，维持在每年 450mm 左右。(4) 努库斯灌区地表径流量存在明显的干湿季之分，致使灌区的地下水位随着地表径流量出现波动， 地表径流量主要分为三个阶段： 2002 年～2005 年为来水丰年， 2006 年～2009 年为来水枯年， 2010 年～2015 年为来水较多年。同时利用 2000 年、 2005 年、 2010 年、 2012 年对应时间段的地表径流量数据、地下水变化数据、年降水量数据、蒸散发数据，构建了典型年份的努库斯灌区的生长季水量平衡公式，计算了各月、 生长季之间努库斯灌区地下水对南咸海水量的补给量。发现近 20 年来，努库斯灌区地下水对咸海的补给量正逐步减少， 2000 年、2005 年、 2010 年的补给量为 67.42、 15.62、 8.43 亿立方米。(5) 利用滞后相关分析发现努库斯灌区的地下水位同南咸海面积存在明显的正相关关系，相关系数为 0.44， 存在一个显著的两年滞后周期，说明努库斯灌区的地下水量影响着咸海面积的变化， 并且其地下水的补给作用存在一个两年的滞后
Spatio-temporal characteristics of the matching degree of water,soil and heat resources based on ecosystem services in Central Asia
No full text生态系统服务功能是生态系统与人类福祉之间重要的纽带， 它对于维持生命支撑系统的良好运转有着重要意义。从资源供给、物种多样性保护，到气候调节、灾害控制，生态系统服务在多个方面保证着地球生物圈的稳定可持续。 水资源、土地资源、热量资源是生态系统中重要的基础自然资源，与农业生产及粮食安全问题关系密切，同时也是自然生态系统可持续发展的重要支撑。近年来，随着自然资源短缺问题的加剧，这三个要素之间的内在联系开始逐渐凸显。水、土、热资源三者的匹配程度影响一个地区水、土、热资源综合利用效率，进而影响该地区的农牧业生产和生态环境可持续发展。 研究水土热资源匹配度可以为区域水土热资源高效利用与管理决策提供依据， 为区域水土热资源空间优化配置奠定基础。然而，现有的研究多针对单一资源，对其脆弱性、承载力或配置情况进行探讨，关于水资源、土地资源和热量资源匹配的研究较少。中亚五国位于内陆干旱区，属于丝绸之路经济带的核心区域，该地区生态系统脆弱且对环境变化响应敏感，随着区域人口增长和社会经济的发展，资源的供求矛盾不断加深。 研究该地区水土热资源匹配度的时空分布状况， 对于协调区域资源利用、维持丝绸之路经济带社会—经济—自然复合生态系统的稳定有重要意义。生态系统服务功能将生态系统与人类社会可持续发展紧密联系在一起，在水土热资源优化配置中考虑生态系统服务十分必要。因此，本研究针对生态环境脆弱的中亚五国地区，引入与人类福祉相关的生态系统服务的概念，利用基于遥感数据的植被净初级生产力（NPP）指标法，计算了 4 种生态系统服务（植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养、生物多样性保护服务），分析其时空变化特征。并在此基础上， 利用生态系统服务构建中亚水土热资源匹配度指数，采用趋势分析和 Hurst 指数方法，分析了中亚水土热资源匹配度的时空变化特征，探讨其与气候因子及水分利用效率的相关性。此外， 应用粒子群优化法自组织特征映射（PSO-SOFM） 神经网络模型，并利用植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养、生物多样性保护等四种生态系统服务作为水土热资源匹配度分区指标，完成了中亚地区水土热资源匹配度分区，以期为优化区域水土热资源开发利用模式提供决策参考，为生态环境保护提供合理依据。主要结论如下：1） 中亚地区植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养、生物多样性保护这四种生态系统服务的空间分布具有一致性， 总体自东向西呈山地—绿洲—荒漠方向降低趋势。在 2000—2015 年期间，四种生态系统服务均有不同程度降低。2）中亚地区水土热资源匹配度总体偏低（9.3），且在不同生物群区具有明显的空间差异性，总体表现为高山森林区>高山草甸区>典型草原区>荒漠草原区>湖区>荒漠区。 2000—2015 年间，中亚地区各生物群区的水土热资源匹配度与区域总体水土热资源匹配度均表现为波动下降，但变幅小、持续性较差。3）气温和降水在空间分布上的巨大差异性及错位性是中亚水土热资源匹配度总体偏低的主要原因，降水对中亚水土热资源匹配度的影响强于气温，在相同温度区内匹配度随降水的增加而增加。此外，中亚水土热资源匹配度与水分利用效率之间也有较强的相关性，这可能与该地区植物生理活动、地表覆被特征等有关。4）利用 PSO 优化算法改进的 SOFM 神经网络模型可以良好地避免训练过程中死神经元的出现， 有效实现中亚地区水土热资源匹配度分区。 结合分类效果指数进行最优类别筛选后，最终可将中亚地区水土热资源匹配度划分为 5 大类21 个子区， 且五类分区之间生态系统服务表现出明显的空间分异特征，即森林—草原高匹配区>草原中高匹配区>草原—半荒漠中等匹配区>半荒漠中低匹配区>荒漠低匹配区
Drought Risk Assessment in Central Asia Using Run Theory and a Probabilistic Copula Function Approach
No full text中亚地处干旱半干旱地区，降水较少而蒸散发较大，干旱已经成为限制五个中亚国家发展和区域稳定的重要因素。 准确地描述中亚干旱的时空变化特征，量化研究干旱，评估干旱的风险和重现期，对保证当地人民正常的生产实践活动具有十分重要的作用。 本研究基于 CRU 数据集计算了中亚五国标准化降水蒸散指数（SPEI） ， 研究了 1961-2017 年间中亚五国干旱的时空变化特征， 全面分析了中亚地区SPEI的年际、年内变化变化特征，基于SPEI和游程理论定义了干旱历时、干旱强度和干旱峰值，通过 Copula 函数构造联合分布模型，计算联合概率密度和联合重现期，对1961-2017年中亚五国的干旱风险进行了具体地统计与分析， 旨在为维护中亚地区地稳定发展，合理有效地进行水资源的管理和分配，减轻干旱对于当地的不利影响提供一些参考。论文主要分析结果如下：1. 中亚五国 SPEI 时空变化趋势： 年际变化上， 1961-2017 年间中亚的干旱年际波动较大； 1961-2008 年间中亚地区的气候呈持续变干趋势。 1975、 1995 和2008 年中亚分别经历了中度干旱，轻度干旱和中度干旱； 1994 年中亚干旱发生了突变； 年内变化上，春季和冬季干旱变化缓慢，夏秋两季干旱加重明显；四季突变发生情况具有异质性。空间上， 中亚不同季节的干旱分布空间差异性较大，总体上中西部干旱化趋势较明显。春季中部及西南部地区干旱显著；夏秋季中亚大部分地区干旱有加重趋势，其中西部干旱更明显；秋季吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦的临界处变干趋势显著；冬季以哈萨克斯坦南部、 土库曼斯坦以及乌兹别克斯坦干旱化趋势显著。2. 中亚五国气候变量与 SPEI 变化趋势： 1961-2017 年中亚地区的降水除在哈萨克斯坦中部、乌兹别克斯坦中部和土库曼斯坦小部分地区呈减少趋势外，在其他大多数地区呈现缓慢增加趋势；温度在整个中亚地区呈现持续上升态势，潜在蒸散发增长速率以咸海流域为中心，呈环形向四周递减； SPEI 值的变化说明，土库曼斯坦、乌兹别克斯坦中部、哈萨克斯坦中南部等地的干旱趋势加重，其他区域则有所缓解。 通过计算 1、 3、 6、 9、 12 个月尺度的 SPEI，发现在 1961-1974年和 1979-1995 年间整个中亚地区 SPEI 值波动不大，反映气候较稳定；而1974-1979 年和 1995-2017 年间中亚地区 SPEI 值相对较低，表明地区经历了较长时间的干旱期。 并且随着时间尺度增加，干旱事件的发生频次和强度开始变低，但其干旱历时逐渐延长。3. 中亚五国干旱变量特征和 Copula 函数的选择：不同的干旱变量从不同的角度说明了中亚干旱的特征。中亚的干旱强度西部大于东部；干旱历时与干旱强度具有显著的空间对照性，即干旱强度高（低）的区域，干旱历时也高（低）；干旱峰值反映除去轻度干旱，中亚干旱主要以重度干旱为主，中度干旱较少，极端干旱在哈萨克斯坦中部有发生。干旱历时的值大致以环形分布从外围向中心递减。通过 Pearson product-moment， Pearman’s rank-order 和 Kendall rank 相关系数衡量干旱变量之间的相关性，发现中亚五国的干旱强度（ Ds）、干旱历时（Dd）与干旱峰值（Dp）三组变量之间显著相关。 本研究采用 MVCAT 软件依次对变量进行拟合，其中 Generalized pareto 和 Generalized extreme value 两种函数出现频次最高。通过计算 RMSE、NSE 和 AIC 值，发现五国的二维 Copula 函数以 Frank和 Gumbel 为主； 通过反 Kendall 参数法计算参数， 发现五国均适宜以三维 Gumble对称性函数构建相关性结构。4. 中亚五国干旱等级情况和干旱风险分析：不同等级的干旱在中亚的发生频次不同。一方面在干旱频次发生的基数上，轻旱>中旱>重旱>极端干旱；另一方面同一等级的干旱类型在不同国家的发生频次也存在较大的差异性，其中极端干旱发生的频次空间差异性最大。 时间尺度上，三维 Copula 函数反映的干旱危险性在 1961-2017 年经历了中等强度到低强度再到高强度的变化过程，其中2000-2017 年间中亚五国干旱风险较高。空间尺度上，哈萨克斯坦的干旱风险波动较大，最高值出现在 1990-1999 年间，最低值出现在 1980-1989 年间；吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦两国的干旱风险变化相对稳定在 0.254-0.5 之间。 由三维干旱强度、干旱历时和干旱峰值定义的1961-2017年中亚五国所有类型干旱事件中，重现期为 2 年的约占 80％， 2-10 年的约占 15％， 10 年以上的约占 5％
Design and Implementation of Multi-source Remote Sensing Data Sharing System Based on Django
No full text随着现代卫星遥感技术和航空摄影技术的不断发展与进步， 遥感卫星的传感器种类、遥感数据类型不断增加， 遥感数据体量也呈爆发式增长。海量、多源和异构的遥感影像数据给影像数据的管理和共享工作带来了巨大的挑战。 目前大多数从事遥感研究的单位仍采用文件方式管理影像数据， 但当数据量过大时， 这种管理方式就容易出现数据假丢失、数据重复存储、数据查找困难等一系列问题。因此针对以上问题， 本文利用 Python 主流的 Django 作为 Web 开发框架，设计了一个基于 B/S（浏览器/服务器） 架构的多源遥感影像数据管理与共享系统， 有效的集成与管理部门收集的海量多源遥感数据，并为用户提供一站式的多源遥感元数据查询服务。首先分析国内外常用的几种地理空间元数据标准和不同类型遥感数据的元数据特点， 结合系统的需求，针对不同遥感影像数据制定相应的遥感核心元数据规范，并基于制定的遥感核心元数据规范设计了一个元数据自动化提取程序。其次基于关系型数据库 PostgreSQL 的空间扩展插件 PostGIS， 建立海量多源遥感影像数据库， 并采用元数据表的形式来存储和管理遥感影像元数据信息， 实现了对海量多源遥感影像的快速存取与访问。最后采用当前流行的 Bootstrap 框架设计系统前端架构，运用 jQuery、PyEcharts、 OpenLayers 等技术实现了各个功能模块界面的可视化及影像数据云覆盖率柱状图