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08/19 2020

南科大环境学院冯炼课题组在长江中下游湖泊研究取得重要成果

近日,环境学院冯炼课题组在遥感旗舰期刊Remote Sensing of Environment发表了题为“Anthropogenic transformation of Yangtze Plain freshwater lakes: patterns, drivers and impacts”的论文。研究基于1973-2018年间所有Landsat遥感数据,追踪了近半个世纪以来人类活动对长江中下游112个大型湖泊(约占该区域湖泊总面积的97.8%)的围垦侵占过程。研究表明,在上世纪70年代,湖泊围垦活动以农业与建筑用地的扩张为主;自80年代中期以来,渔业养殖则成为湖泊开发利用的主要形式。分析显示,湖泊开发利用的变化过程与政策及重大社会经济事件的联系十分紧密。此外,对自然湖泊的围垦提高了长江流域洪涝的风险,而围垦养殖导致了湖泊富营养程度的增加。论文所有Landsat围垦提取结果数据都已经公开,下载链接:https://figshare.com/articles/dataset/Reclamation_shapefile_rar/12687230。冯炼课题组多名成员,以及环境学院郑春苗、刘俊国、郑一、王俊坚等多位老师参加了本研究。 研究背景 受人类活动及全球变暖的影响,全球湖泊环境在近几十年间发生了巨大变化。湖泊围垦是人类活动对湖泊改造的典型表现,它指的是将湖泊的自然开放水域转变为农业/城市用地或水产养殖区域,以满足日益增长的粮食和活动空间需求。人类开发利用长江中下游平原的湖泊和洼地已有数千年的历史,通过围垦湖泊增加稀缺的土地资源、农业用地及水产养殖区,以支持该地区的城市发展和农业生产。但围垦活动也给当地生态环境造成了严重的影响,比如生物多样性减少、湿地退化和水质下降等。对此,政府制定了一系列的政策措施来保护湖泊淡水生态系统。因此,准确详细地评估长江中下游湖泊围垦情况,将有助于理解人类发展对生态环境的影响,为政府决策提供科学支持,具有重要的研究应用价值。 主要发现 在过去近50年间,112个湖泊都存在不同程度的围垦活动。至2018年,长江中下游湖泊围垦总面积达6056.9 km2(与上海市面积相当),占1970s年湖泊总面积的41.6%。自80年代中期以来,水产养殖区显著扩大,水产养殖面积从1973年的1101.9 km2增加至2018年的3429.2 km2。与此同时,农业/城市用地面积从802.3 km2增加到2627.7 km2。鄱阳湖上游区域的农业/城市用地围垦面积相比下游更为突出,而在江苏省的湖泊中,围垦面积占比相对较小(图1)。 图1 长江中下游湖泊围垦的格局和长期变化。(a)2018年各湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的占比;(b)1973-2018年所有湖泊水产养殖、农业/城市用地及自然水体面积的变化 基于聚类分析,可将湖泊覆盖类型变化划分为3个时间阶段:1973-1985,1985-2000,2000-2018。 图2(a-b)用颜色标记了湖泊三种覆盖类型(即自然水体,农业/城市用地和水产养殖区)在各个时间阶段的面积变化百分比,以展现围垦的变化发展过程。第1阶段为最广泛的围垦活动,分别有92.9%和76.8%的湖泊农业/城市用地面积和水产养殖面积呈增加态势。第2阶段,围垦的发展以水产养殖的扩张为主,水产养殖面积增加了1186.7平方公里,增加的水产养殖面积由自然水域(562.5 km2)和农业/城市用地(624.2 km2)转换而来。第3阶段,大多数湖泊覆盖类型的变化以两种围垦类别之间的转换为主,然而从农业/城市用地转变为水产养殖区的面积(435.9 km2)大大超过由水产养殖区转变为农业/城市用地的面积(171.2 km2)。 图2 湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化特征和潜在的社会经济驱动力。(a)湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积变化;(b)湖泊三种覆盖类型在不同时间阶段的面积转变;(c)影响湖泊围垦的主要社会经济事件和政策。 湖泊围垦给长江流域带来了显著的经济效益,然而对自然生态系统造成的影响也是显而易见的。几乎所有湖泊的蓄水量都显著减少,进而导致了洪水发生风险的增加(图3a-b)。112个湖泊的蓄水总量下降了12.7 km3,占70年代湖泊蓄水量的29.8%。因此,湖泊蓄洪能力下降,在强降雨后地表径流增加,形成洪水泛滥。这种现象在“百湖之市”的武汉更为明显,围垦导致的湖泊蓄洪能力下降及城市化带来的不透水面增加,是武汉内涝问题形成的主要因素。此外,湖泊围垦也引发了水质问题,水产养殖区的隔断造成水交换减少,从而削弱了湖泊对主要污染物的稀释功能,而且水产养殖区广泛投放营养丰富的饵料用于渔业养殖,会进一步增加湖泊的营养负荷,造成富营养化和蓝藻繁殖。研究团队通过对实地采样的营养盐、叶绿素等水质参数的分析发现水产养殖区的叶绿素浓度和营养盐含量普遍高于自然水体区域(图3d)。 图3 围垦对湖泊水文和水质的影响。(a)1973年和2018年湖泊蓄水能力的对比,每个点代表一个湖泊;(b)长江流域洪水频率和年平均降雨的长期变化;(c)水产养殖区和自然水体区Landsat水体颜色指数(FUI,无量纲)的对比;(d)水产养殖区和邻近自然水体区的实测水质参数对比。 论文标题:Anthropogenic transformation of Yangtze Plain freshwater lakes: patterns, drivers and impacts 发表期刊:Remote Sensing of Environment 论文全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425720303680?via%3Dihub

05/27 2020

环境学院冯炼课题组在遥感旗舰期刊Remote Sensing of Environment发表文章

近日,环境学院冯炼课题组在遥感领域旗舰期刊《Remote Sensing of Environment》发表题为“Eutrophication changes in fifty large lakes on the Yangtze Plain of China derived from MERIS and OLCI observations”的文章,课题组博士生关琦为文章第一作者,冯炼为通讯作者,合作作者包括学院郑一老师,哥本哈根大学的Guy Schurgers博士与Jing Tang博士。该研究基于长江中下游流域湖泊大量现场观测数据,构建了水体叶绿素浓度遥感定量反演高精度算法,同时利用2003-2017年间欧空局所有的MERIS与OLCI卫星长时序观测数据,获取了长江中下游流域50个大型湖泊的水体叶绿素浓度及蓝藻水华爆发的时空动态过程,进而量化了影响湖泊水体富营养化程度的主要原因。 该研究不仅为长江中下游水体富营养化的遥感定量获取提供了算法基础,并通过遥感观测发现了如下重要信息: 1. 长江中下游流域湖泊发生水体富营养化的概率普遍超过80%,水体富营养化形式较为严重; 2. 除目前报道较多的太湖和巢湖外,另有北民湖、黄盖湖、汤逊湖、网湖和涨渡湖等湖泊出现了不同程度的蓝藻水华。 3. 由于近年来各项环境保护措施的实施,有21个湖泊的水体富营养化发生概率出现了显著的下降趋势。 由于超量营养物质的排放,全球地表水均出现不同程度的水体富营养化现象,湖泊水体富营养化形式是全球备受关注的环境问题。长江中下游流域作为我国经济最发达的地区之一,密集的人类活动对湖泊水环境产生严重的影响。2007年,太湖和巢湖爆发严重的蓝藻水华,严重威胁周边城市居民生活用水安全和湖泊生物种群的生存。本研究成果可为相关环境保护政策的制定与实施提供科学数据的支持。 图 1 冯炼团队在长江中下游湖泊观测照片 图2 长江中下游50个大型湖泊水体叶绿素浓度与富营养化概率时空变化图 《Remote Sensing of Environment》被公认为遥感领域最权威的期刊(IF=8.218),主要发表利用遥感手段开展的重要创新性研究成果(Describe important significant new results or methods that will advance the science or application of remote […]

08/26 2019

我校环境学院助理教授冯炼获“第二届中国环境科学学会青年科学家奖”优秀奖

近日,我校环境科学与工程学院助理教授冯炼荣获“第二届中国环境科学学会青年科学家奖”优秀奖。 “中国环境科学学会青年科学家奖”由中国环境科学学会设立,旨在激励从事环境保护科学技术研究、年龄在40周岁及以下的优秀青年科技工作者。 冯炼在珠江口采样 冯炼博士毕业于武汉大学,于2017年加入南方科技大学环境科学与工程学院,是广东省珠江青年学者。他曾在美国南佛罗里达大学海洋学院从事博士后工作,并担任美国国家海洋和大气管理局(NOAA)水环境顾问,主要从事气候变化和人类活动影响下的海岸带与内陆水环境遥感研究。 冯炼主持或参与国家自然科学基金等科研项目有10多项,发表SCI论文50多篇,其中一半以上刊登在Remote Sensing of Environment,Journal of Geophysical Research, Environmental Science & Technology等顶级期刊,并参与众多学术期刊审稿(>150次)。其研究工作曾被中央电视台、美国NASA、国际海洋水色协调工作组(IOCCG)等报道,也在国内相关部门(中央办公厅、环保部卫星应用中心、中国资源卫星应用中心、江西省地理信息中心等)得到成功应用。他同时担任IEEE Access副主编,以及比利时科技政策办公室对地观测项目,中国国家自然科学基金青年、面上项目评审专家。 据悉,中国环境科学学会于1978年经中国科学技术协会批准成立,是国内成立最早、规模最大、专门从事环境保护事业的全国性、学术性科技社团。作为国家一级学会,中国环境科学学会也是国内环境学科最高学术团体,汇聚了国内环境领域的专家学者和社会知名人士,基本代表了中国环境科学技术领域的最高水平。 投稿:环境科学与工程学院 编辑:程雯璟

08/01 2019

环境学院2019年粤港澳大湾区夏季航次海上作业圆满结束

2019年7月17日至7月23日,南方科技大学环境科学与工程学院冯炼助理教授课题组王野、许杨、童艳及李海龙教授课题组罗满华、刘伟等一行五名硕博生,同中国科学院南海海洋研究所、山东大学等多个科研机构开展了为期一周的粤港澳大湾区夏季航次海上作业。 本次出海作业依托于国家基金委“粤港澳大湾区陆海相互作用关键过程及生态安全调控机理”重大研究项目。该项目由南方科技大学、中科院南海海洋研究所、中科院地理科学与资源研究所、深圳大学和中山大学等五家单位共同承担。 项目下设四个子课题,包括“高强度扰动下海洋水文动力过程的响应”、“陆海相互作用下营养物质迁移转化过程与机理”、“生态系统与关键生物种群对环境变化的响应”和“生态安全影响机制及其调控”,旨在面向粤港澳大湾区当前和未来发展,厘清高强度扰动下大湾区海域的陆海界面的水动力机制与物质输运关键过程,探究生态响应内在机理与生态安全调控方法,建立大湾区水文-大气-海洋动力-生态动力学及物质循环模型,把脉大湾区陆海相互作用关键过程及生态安全调控机理,为大湾区海洋环境保护、生态安全保障和空间优化提供基础科技支撑。 粤港澳大湾区航测作业由中科院南海海洋研究所牵头,于7月1日先期举行了项目珠江口航次筹备会,各单位代表赴中科院南海所参与讨论。此外,南科大冯炼课题组还于7月12日前往陕西中科启航科技有限公司广州办事处参加了走航仪器的培训工作,该次培训为本航次的顺利开展提供了良好的理论和实践基础,是海上实验作业不可或缺的一部分。 本航次作业平台外景 走航式水体表观光谱观测仪器及其他辅助仪器 7月17日,各课题组迎着日出,从珠海渔港交通艇码头启航,正式开始了珠江口2019年夏季航次观测工作。 此次海上作业包含3个断面,17-19日、20-21日、22-23日三个时间段分别开展了中间主断面(A)、大亚湾断面(B)、黄茅海断面(C)的观测工作。冯炼课题组主要进行了光谱、透明度、水质参数、海底沉积物、风速、风向、温度等的采集及测量工作。    粤港澳大湾区观测断面及站位图 冯炼课题组出海人员测量光谱及风速等参数 李海龙课题组出海人员测量营养盐、重金属含量等参数    船上各课题组成员各司其职   从实际观测环境来看,从近海岸向外海,海水透明度逐渐变大,海洋水色呈现显著差异。近岸海洋水色偏向黄色,外海则呈现蓝色。 同时发现海岛边建有多个工厂,这些都将为大湾区海洋水质的动态变化提供背景知识。上述作业将为开展粤港澳大湾区海洋环境保护及管理提供有力的数据基础。 海洋水色变化 海岸边的工厂 在本航次的粤港澳大湾区海上作业中,各课题组成员各司其职、通力合作,共同完成本航次作业,获取了珠江口及附近海域的第一手观测数据和资料。短短一周的时间让作业人员倍加珍惜这来之不易的出海经历,在海上壮丽朝阳和旖旎晚霞的相伴下,航次作业也别有一番趣味。强烈的日光照射在澎湃汹涌的海面上,具象化了浮光跃金;夜晚的月光投射到温热海面上,波光粼粼的画卷则跃然呈现。在奇妙的光影下,本就千差万别的海洋水色更是变幻无穷,近观遥望、直射阴影下各不相同。而水色遥感的工作正是致力于借助“上帝之眼”卫星接收到的水体信号,恢复水色的本来面目,并从中剥离出光学成分组成及其含量等有用信息,为探究水环境的变化机制及各成分的作用机理而助力,为河流、湖泊、海岸带、大洋水体等各类水环境的研究、保护和发展添砖加瓦。 朝阳和晚霞    海之月与海之船营造的希望之光 滞留在玻璃纤维膜上的水母和采样水瓶 然而,水色遥感领域的研究者们在浩荡的海面上漂泊时也同样承受着些许不适、紧张与疲惫。数米高的巨浪、500吨大船也难以抵挡的起伏摇摆,每次长达十几个小时的失重超重无缝切换、任何晕船药都无力摆脱的眩晕感,永不满格的信号、与世隔绝的海上生活,密集紧张的采样节奏、吐完后马不停蹄地开启下一个站点的作业……起初两天,这些都让出海新手们不禁心生迟疑、难以招架。但是,一场海上的暴风雨、翻腾汹涌的蓝色海浪、船头踏浪而行的气势、船尾成群翻飞的水鸟、采样中无意捞起的水母和海葵……大海总是将她独特的魅力突然展现在你的眼前,眩晕疲乏的作业中不时点缀着这样难得一见的色彩!作业时的协力互助、晕船时的相互照顾、海上生活的新奇体验……这次航海作业也让来自不同机构的科研人员们迅速变得熟悉和亲近起来,在碧海蓝天的相伴中,携手探索海洋的奥秘。 海上暴雨与蓝天   日益升温的革命友情   最后,大家身穿印有此次大湾区观测的特制T恤合影留念,标志着此次观测作业圆满结束。 7月23日,南科大课题组成员圆满完成了海上作业并返回深圳。此次出海任务的顺利完成不仅为后续科学研究提供了宝贵的数据支撑,更有力加强了科研机构间的合作与交流。

07/09 2019

【精彩南科·2019届毕业生专题报道】姚瑶:在优良的环境中遇见更好的自己

总是热情洋溢,总是相信明天。环境科学与工程学院本科生姚瑶,用她开朗的笑容点亮了南科大2019年“十佳毕业生”评选的颁奖台。 在南方科技大学的四年,不仅给姚瑶带来了珍贵的友谊,更带来了“逆袭”般的蜕变。最重要的是,她在南科大找到了希望从事一生的研究方向。 在这个凤凰花盛放的时节,姚瑶将前往南佛罗里达大学,全奖攻读物理海洋学博士学位,进行海洋水色卫星信号在环境监测中的应用研究。 成功“逆袭”,因为共同努力 “我是那种会主动融入环境,主动在集体中找寻认同感和归属感的人,环境对我的影响很大。”姚瑶说。 刚入学时,姚瑶的成绩并不算优秀,高中时的学习“底子薄”,甚至有些课程学得比较吃力。然而到了毕业前,姚瑶的绩点达到了3.79,在系里位列第二。她将这场“逆袭”归功于南科大良好的学习风气和学术氛围。“我的‘学霸’室友们都非常优秀,经常会帮助我学习,给我讲解一些作业题目。”渐渐地,她寝室中四个人几乎每年都会拿到奖学金,成了名副其实的“学霸寝室”。 除了宿舍这个“小家”,姚瑶还活跃于许多优秀的学生集体中。她所在的22班在大一的通识课学习中名列前茅,所在的致仁书院自管会里也是人才辈出。“你可以看到他们有多优秀,会向他们学习。”善于发现身边人的优点,愿意真诚、虚心地向他人学习,是姚瑶保持进步的动力之源。 姚瑶在教学楼课室阅读 除了从环境中汲取能量,姚瑶也很乐于用自己的力量影响身边的环境、积极参与到学生团体的建设当中。作为致仁书院自管会的一员,姚瑶对书院有很强的归属感。“书院制是南科大的一个亮点,书院不只是一种管理模式,更是一个可以安放自己的集体。” 积极参与书院事务的她,因为热情开朗、乐于助人的性格颇受同学欢迎,还成为同学们投票选出的致仁书院第一任“网红奖”获得者。 经过几年的书院工作,姚瑶分享了自己的心得:南科大书院制的发展需要更多有想法、有创意的同学们贡献出自己建设性的力量。“我觉得学生们可以更积极主动地参与书院发展,这样书院制会更好地实现它应有的功能,为同学们提供更好的生活、学习空间。” 国际视野,接触领域前沿 在淮河沿岸出生、长大的姚瑶,从小就对水文、水污染治理很感兴趣,一直梦想自己能够为国家的环境治理尽一份力。每年的假期,南科大都会给不同专业的学生们提供各种各样出国交流学习的项目。姚瑶自然不会放过这样的机会,在校期间她先后出国短期学习三次,并在这一过程中找到了自己想要坚持一生的学术研究方向。 大一暑期,姚瑶参加了英属哥伦比亚大学的交流项目,前往加拿大学习地理信息系统相关的课程。姚瑶至今仍然记得她所做的一个“道路修筑对于候鸟迁徙、筑巢的影响”的模拟项目——那是她第一次接触到地图、卫星和环境科学相结合的领域,第一次发现了其中蕴藏的乐趣与意义。 姚瑶(右一)在英属哥伦比亚大学的交流项目结课后与同学合影留念 一年之后的大二暑期,姚瑶再次出发,前往美国学习地下水污染与防治经验,期间她和几位中国学生寄宿在课程合作公司前任总裁的家中。这位前总裁有几个子女在美国国家航空航天局(NASA)任职,很乐于和来自中国的学生们分享自己的工作。生活在这样一个其乐融融的“学术之家”中,姚瑶第一次了解到了利用卫星监测冰盖收缩的工作,并萌生了浓厚的兴趣。也正是因为这次经历,姚瑶确定下了自己的研究方向——卫星遥感与环境监测。 专业选择,热爱带来坚持 选择了环境专业后,姚瑶前前后后加入了数个实验团队中。在这个过程中,她认识了自己感兴趣的卫星遥感与环境监测方向的导师——南科大环境学院的助理教授冯炼。 姚瑶说,其实自己早在南科大的一次讲座上就见过当时还在南佛罗里达大学任教的冯老师了。冯老师在环境监测研究方面很有建树,姚瑶也有志于这一方向,在大三的暑期,姚瑶经冯炼的推荐前往南佛罗里达大学进行为期一个月的科研学习。这一个月的交流坚定了她选择这一领域的决心,也为她后来的博士申请打下了基础。 她说,自己能够坚持学术研究,受了冯老师很大的影响。“老师早上七点多到办公室,差不多晚上十点才走,只要有时间就会在实验室里转几圈,挨个问我们目前的进度、遇到的困难。”姚瑶说,冯老师在科研上的拼搏精神让她很受触动,在选择课题时会严谨地考虑课题的意义和价值的做法也让她十分认同。在跟随冯老师学习期间,姚瑶感受了一种榜样的力量。“南科大的老师们给我的感觉是,看到他们,你就会觉得‘科研就应该这样做’。” 左手努力、右手执着,姚瑶在导师的帮助下,坚定了前进的步伐,一步步朝着自己期待的未来前行。如今,姚瑶即将前往南佛罗里达大学,在这所学校享誉世界的环境专业攻读博士学位。她说,自己曾参加的国际专家来校讲座以及出国交流项目,都帮助自己开拓了专业视野、坚定了学术理想,更在自己申请升学的过程中起到了重要作用。 姚瑶未来五年的规划是专心致志地完成博士的学习,趁着年轻时多去接触科研世界的尖端领域。本科主要学习水文的她表示,自己还有很多功课要补,现在也在努力阅读文章,学习相关知识。 她希望学成归国之日能够投身教育,当一名大学老师。她说,是环境学院老师的言传身教让她受到了很大的启发和感动,让她发自内心地向往教书育人的生活。 姚瑶在南科大“十佳毕业生”评选活动中演讲 回忆起高三填报志愿时的情景,姚瑶说,南科大最吸引她的一点是学生有更多的可能性和选择权,可以更好地走出属于自己的道路。她表示,如今自己将带着南科精神出发,与身边的同学一起,为科学的发展和社会的进步作出南科人应有的贡献。 在南科大的四年匆匆而过,姚瑶不仅收获了出众的学识,更坚定了从事科研工作的信念。把向往化成目标、将目标变成现实的她,即将带着对过去的感恩和对未来的憧憬,前往理想所在的前方。 文字:张克凡 摄影:曹若骁 主图:丘妍

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