深化生态水文与流域健康研究对于推进生态文明建设和绿色发展具有重要理论和实践意义。西北大学夏军院士、宋进喜教授团队长期在生态水文与流域健康领域开展研究。2021年，夏军院士、宋进喜教授指导的研究生或合作指导的博士后作为第一作者，以陕西省地表系统与环境承载力重点实验室及西北大学城市与环境学院（或西北大学）为第一署名单位，在《Journal of Hydrology》《Journal of Hazardous Materials》《Earth-Science Reviews》《Journal of Environmental Management》《Chemosphere》《Ecological Indicators》《Ecohydrology》等期刊上发表SCI论文近20篇，重点研究成果简述如下：
成果一：陕北矿区人类活动对河流径流的影响
Highlights：
【论文题目】The impact of mining-related human activities on runoff in northern Shaanxi, China
【发表期刊】Journal of Hydrology
【期刊分区】中科院SCI一区TOP（IF= 5.722）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126235
人类活动对于流域水资源演变规律以及水文循环过程产生广泛影响，本研究利用曼-肯德尔法（Mann-Kendall test）和斯皮尔曼测试（Spearman’s rho test）检验了流域内1960-2016间年均径流量的变化趋势。通过双累积曲线、Pettitt检验、标准正态检验方法（SNHT）等多种检测方法相互验证径流发生突变的时间点。并采用累积量斜率变化率比较法（SCRAQ）定量研究了人类活动和气候变化对河流径流变化的贡献率。研究结果显示在1960-2016期间窟野河流域和秃尾河流域的径流量呈显著下降趋势，径流的突变年份分别为1997年和1978年，人类活动对两流域内径流量变化的贡献分别占91%和42%。造成窟野河径流锐减主要原因是煤矿开采，而水土保持措施带来的土地利用变化同时也导致秃尾河径流量减少。重建径流序列表明在1997-2016年间窟野河年均径流减少量为1.68-3.44亿m3，1979-2016期间秃尾河年均径流减少量为1.52亿m3。上述研究成果为我国半干旱地区煤矿基地的水资源管理和保护提供理论依据。
该成果受国家自然科学基金项目支持，已在地球科学领域一区TOP 期刊《Journal of Hydrology》发表。
图1基于MKS 法检验的多年河流径流趋势检测结果
(a) 窟野河流域，(b) 秃尾河流域（虚线代表1%的显着性水平）。
图2 采用SNHT方法检测年均径流突变时间点 (a) 窟野河流域，(b) 秃尾河流域；采用Pettitt 测试法检测年均径流变点 (c) 窟野河流域，(d) 秃尾河流域
成果二：黄土高原典型河流多环芳烃分布特征及其对人类活动与气候变化的响应
Highlights：
【论文题目】Spatiotemporal distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in sediments of a typical river located in the Loess Plateau, China: Influence of human activities and land-use changes
【发表期刊】Journal of Hazardous Materials
【期刊分区】中科院SCI一区TOP（IF=10.855）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127744
多环芳烃（PAHs）对环境和人类具有潜在的毒性、诱变性和致癌性，且具有半挥发性和持续降解的特点，同时可远距离迁移，在空气、地表水、沉积物、土壤和生物群等环境中普遍存在，近年来受到越来越多的关注。黄土高原作为我国重要的能源基地，对全球变化具有敏感的响应，并吸收了人类活动产生的多环芳烃。然而，在这一脆弱的生态环境中，人为因素和气候因素如何协同影响多环芳烃的分布还缺乏充分的认识。本文首先研究了黄土高原典型河流沉积物中PAHs的时空分布特征。多环芳烃主要来自燃煤燃烧，在194 ~ 514 ng g−1范围内，由于高流量和强降水的稀释作用，其浓度在正常季节普遍高于雨季。土地利用与降水的交互作用表明，在雨量较小时，森林草地富集的PAHs通过地表径流和地下径流进入河流，导致河流沉积物中PAHs浓度增加。相比之下，暴雨期间会削弱PAHs空间分布的差异性。此外，人类活动，特别是石油和煤炭生产加工排放，直接促进了多环芳烃在河流沉积物中的积累，并通过影响人均GDP间接影响PAHs。本研究对于预测和管理PAHs积累具有重要意义。
该成果受国家自然科学基金黄河专项、国家自然科学基金等项目支持，已在环境科学与生态学领域一区 TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》发表。
图3 北洛河沉积物中多环芳烃的组成模式，按环径大小划分。(a) 不同的采样活动中，河流沉积物中PAHs成分的三元图。(b-c) 不同采样区和采样点之间PAH成分的季节性和空间性变化。
图4 PAHs组成特征与人为因素之间的相关系数（a）；显示气候和人为参数对中量程PAHs的直接和间接影响的结构方程模型（b）。
成果三：新型多功能二维MOFs材料检测水体环境中抗生素及细菌
Highlights：
【论文题目】Multiple fluorescence response behaviors towards antibiotics and bacteria based on a highly stable Cd-MOF
【发表期刊】Journal of Hazardous Materials
【期刊分区】中科院SCI一区TOP（IF=10.855）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127132
近年来，抗生素及其滥用致使多重耐药菌发展日益壮大，严重危害了人类的生命健康和生存环境。快速有效地区分检测抗生素和细菌对指导抗生素使用至关重要。然而，目前大多数抗生素或细菌荧光传感器属于“turn-off”或“turn-on”型，因其类似的荧光淬灭或增强行为，难以区分检测抗生素和细菌。近期，我院宋进喜教授团队的李全全等人开发了一例高稳定新型多功能二维Cd-MOF荧光传感器：一方面可通过荧光淬灭行为检测硝基类抗生素和金霉素，另一方面可通过荧光增强行为检测白色葡萄球菌。值得注意的是，与金黄色葡萄球菌、鲍曼不动杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌相比，Cd-MOF对白色葡萄球菌的检测具有专一性，且检测限较低（LOD约为47 CFU/mL）。此外，Cd-MOF可作为优异的荧光传感器检测胎牛血清与河水中的硝基类抗生素、金霉素及白色葡萄球菌。据我们所知，这是第一例对抗生素和细菌具有不同荧光响应行为的Cd-MOF传感器，可为实际生活中开发具有区分检测抗生素与白色葡萄球菌的MOFs材料提供依据。
该成果受国家自然科学基金、陕西省自然科学基金等项目支持，已在环境科学与生态学领域一区TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》发表。
图5 a)多功能Cd-MOF荧光检测抗生素及白色葡萄球菌示意图；b) Cd-MOF结构示意图；c) Cd-MOF对硝基类抗生素及金霉素的荧光淬灭行为；d) Cd-MOF传感器的回收再利用性能测试；e-f) Cd-MOF通过荧光增强行为检测不同媒介中的白色葡萄球菌。
成果四：淤地坝沉积泥沙有机碳的归宿
Highlights：
【论文题目】The fate of carbon in check dam sediments
【发表期刊】Earth-Science Reviews
【期刊分区】中科院SCI一区top（IF=12.413）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103889
淤地坝是小型工程结构，它们在世界范围内用于水土保持、沟壑恢复、水文调节和粮食供应。被截留和掩埋在淤地坝中的侵蚀物质构成了一个重要的碳汇。然而，作为一个典型的沉积场地，尽管淤地坝在研究埋藏碳的循环过程和阐明正在进行的土壤侵蚀碳库/源争论中起着至关重要的作用，但关于淤地坝碳循环过程的系统信息相对来说知之甚少。本研究综述了淤地坝沉积泥沙碳的储量、来源、富集、分布、稳定性及其潜在机制。目前的研究发现，在淤地坝中储存了大量的碳（约1–30 Mg C km-2 yr-1），在较大尺度碳的滞留能力更多地依赖于影响沉积泥沙产生的因素和淤地坝的拦截效率，在较小尺度更多依赖于淤地坝拦截效率。稳定同位素、放射性碳、地球化学性质、生物标志物和光谱学方法已被证明在确定沉积泥沙碳的来源方面是可行的，但由于其固有的局限性只能在某些情况下使用。与来源土壤相比，沉积泥沙碳的富集和贫化都已被报道，这取决于土壤侵蚀类型、土地利用类型、沉积泥沙连通性和运输过程中碳的损失。沉积泥沙碳通常沿水流路径从拦河坝后部到前部增加，并垂直波动，这取决于沉积泥沙粘土层和砂层的分布。关于碳矿化和固碳的信息相对有限，现有研究表明，淤地坝沉积泥沙中的碳矿化降低，并促进碳固定潜力。鉴于沉积旋回在反映埋藏期、侵蚀强度和历史土地利用信息方面的特殊优势，进一步的研究应整合沉积泥沙剖面的碳稳定性以及土壤侵蚀和沉积信息。淤地坝沉积泥沙碳循环对气候变化和人为干扰（如变暖、溃坝、耕作和施肥）的响应，需要进一步研究。
该成果受国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目支持，已在地球科学领域一区TOP期刊《Earth-Science Reviews》发表。
图 6 流域内的土壤侵蚀、运输和沉积过程（a）；淤地坝沉积泥沙碳循环过程的关键机制（b）； 淤地坝沉积旋回的剖面分布（来自Wang et al.（2017c））（c）
成果五：潜流带重金属和水交换对微生物群落结构和功能的影响
Highlights：
【论文题目】Effects of heavy metals and hyporheic exchange on microbial community structure and functions in hyporheic zone
【发表期刊】Journal of Environmental Management
【期刊分区】中科院SCI二区TOP（IF=6.789）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114201
潜流带微生物群落对生态水文过程的响应一直是河流生态健康领域的难点和热点。目前，重金属污染水平和潜流交换强度的变化对微生物群落的影响仍不清楚。本研究探究了不同重金属污染程度和潜流交换强度对潜流带沉积物微生物生态系统群落结构和功能的影响。以渭河为研究对象，通过采集沉积物样本，测定其重金属浓度、粒径分布和渗透系数，并利用eDNA技术分析微生物信息。结果表明，渗透系数（
）在0.20 ~ 3.65（m/d）之间波动变化。微生物的群落结构具有复杂时空异质性。微生物分子生态网络存在模块化特征且不同时期差异显著（p < 0.05）。微生物群落中与代谢相关的功能基因相对丰度最高。特别是重金属与微生物之间存在显着的负相关（p < 0.05），其中 Cu 和 Zn 对微生物群落变化的贡献最大（p < 0.05）。此外，沉积物粒径的变化对潜流交换强度和微生物群落结构具有显著影响，该研究可为水生态系统的监测和生物修复提供生态参考。
该成果得到国家自然科学基金项目，陕西省重点研发计划项目等资助，已在环境科学与生态学领域TOP期刊《Journal of Environmental Management》上发表。
图7 重金属污染物与微生物多样性指数的相关性
图8 重金属与微生物类群的相关性
成果六：潜流带大型无脊椎动物和细粒沉积物的相互作用
Highlights：
【论文题目】Environmental context mediates the interaction between fine sediment and hyporheic macroinvertebrate
【发表期刊】Ecohydrology
【期刊分区】中科院SCI三区（IF=2.843）
【来源网站】https://doi.org/10.1002/eco.2392
细泥沙（< 2 mm）在河床基质间隙的过度沉积对水生生态系统产生了广泛的负面影响，同时由于潜流带大型无脊椎动物对生态状况较为敏感，在堵塞的河床基质中会进行更加强烈的生物扰动。本文以渭河作为研究区域，探索了细泥沙对大型无脊椎动物群落结构以及生物扰动潜力值的环境相关性。结果表明，细粒泥沙淤塞对群落组成和生物扰动活动的影响是季节性的，主要受洪水事件和水质等环境因素的影响。中度堵塞采样点的丰度和生物扰动活性最高，重度堵塞采样点的丰度和生物扰动活性降低，下游部分重度堵塞采样点采集的样品甚至不含大型无脊椎动物。表明因为潜流带环境的复杂性致使生物与细粒沉积物之间的相互作用存在局限性，解释了用潜流带大型无脊椎动物表征细泥沙负荷压力对水生生态系统影响的可行性，以及针对特定河段的保护和管理策略的必要性。
该成果受国家自然科学基金黄河重大专项、国家自然科学基金等项目支持，已在环境科学与生态学领域SCI期刊《Ecohydrology》上发表。
图9渭河细沉积物对潜流带大型无脊椎动物群落结构的季节性影响。(a)分类群分布趋势。(b)摄食类型分布趋势。
图10 不同淤塞河段及季节Bpc值的差异（a）不同淤塞河段差异（b）不同季节差异。
成果七：转录与代谢组学联合分析克拉霉素对羊角月牙藻生长的影响效应
Highlights：
【论文题目】 Integrative analyses of transcriptomics and metabolomics in Raphidocelis subcapitata treated with clarithromycin
【发表期刊】Chemosphere
【期刊分区】中科院SCI二区TOP（IF=7.086）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.128933
克拉霉素作为一种大环内酯类抗生素，在全球地表水和污水处理厂废水中被广泛检出，对水生生态系统造成了较高的生态风险。然而，抗生素对藻类生长抑制效应的机制仍然未知。本研究将羊角月牙藻暴露于浓度为 0 μg L-1、3 μg L-1（低）、10 μg L-1（高）的克拉霉素中，培养7天后对所有处理组进行转录组和代谢组学联合分析。抗生素处理组中发现了115、1833个差异表达基因（DEGs）及 134、 84种差异累积代谢物 (DAMs)。具体而言，与异生物质代谢、电子传递和能量合成相关的 DEG 和 DAM 的表达水平失调，导致产生活性氧。为应对抗生素诱导的损伤，低浓度组中绿藻的不饱和脂肪酸和类胡萝卜素的生物合成被上调；尽管抗生素组的光合作用均上调，但这两组的能量合成和抗活性氧能力均下调。
该成果受国家自然科学基金等项目的支持。已在环境科学与生态学领域 TOP 期刊《Chemosphere》上发表。
图11 克拉霉素暴露后绿藻体内的GO富集分析
图12 转录与代谢组联合解析克拉霉素对绿藻光合作用的影响机制
成果八：定量评估影响净初级生产力的人为占用（HANPP）的驱动因素-以祁连山为例
Highlights：
【论文题目】Quantitative assessment of driving factors affecting human appropriation of net primary production (HANPP) in the Qilian Mountains, China
【发表期刊】Ecological Indicators
【期刊分区】中科院SCI二区（IF=4.958）
【来源网站】https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2020.106997
气候变化和人类活动的综合影响对生态系统的可持续发展构成威胁，迫切需要以适当的指标评估气候变化和人类活动对生态系统的影响，以便为该区域的可持续发展提供路径。净初级生产力的人为占用（HANPP）作为评估生态系统可持续发展的一个重要指标已被广泛应用。然而，很少有研究定量评估影响HANPP的驱动因素。本研究基于中分辨率成像光谱仪（MODIS）数据，净初级生产力（NPP）模型和回归分析的方法，阐述了2005-2015年祁连山地区HANPP的时空分布及其驱动因素。研究结果表明，祁连山地区的HANPP呈现由东向西、由南向北逐渐降低，总体小幅上升的趋势。受人类活动和气候变化影响的地区分别占祁连山地区的26.8%和73.2%。此外，粮食产量与HANPP之间存在显著的负向影响，年日照时数和牲畜数量与HANPP之间存在显著的正向影响。
该成果受国家自然科学基金等项目的支持。已在环境科学与生态学领域 SCI 期刊《Ecological Indicators》发表。
图13 2005-2015年祁连山HANPP的空间变化趋势
图14祁连山各城市人为因素和自然因素对HANPP的贡献率
