基于景感生态学的城市生态空间服务提升研究——以北京市顺义区为例

景感生态学思想融合自然要素、物理感知、心理认知等方面,并服务于土地利用与建设。北京市在迈向建设国际一流的和谐宜居之都目标过程中,极为重视城市居民对城市生态空间的感知和互动,充分体现了将城市生态空间与人居环境质量和心理健康耦合分析的景感生态学的理念。从结合景感生态学中景感营造的思想和顺义区生态规划实践的角度出发,分析了顺义区生态空间景观格局和视觉空间格局。结果表明,顺义区的森林、草地、湿地等斑块相对比较破碎,中心城区的森林、绿地较少;顺义区具有中等以下绿视率的路段长度占比近60%,中等以上水平尤其是较高水平绿视率的路段较少,具有较大的通过景感营造提升生态服务的空间。进而以提升顺义区的城市生态空间服务为目标,总结出了生态空间景观格局优化、视觉空间格局优化、生态空间科学规划及管控、生态系统服务综合提升4个核心愿景,并基于这4个愿景提出了针对性的景感营造措施。     

应用生态网络分析方法评价中国经济系统的可持续性

将生态网络分析方法应用于中国经济系统的可持续性分析。依据1987—2010年的投入产出数据,构建中国经济系统的货币网络流,用生态网络指标量化经济系统的网络特征和变化情况,探讨中国经济系统中增长与发展的变化及其可持续性。主要结论有:(1)1987—2010年间中国经济系统的总吞吐量呈指数增长趋势,网络规模不断增长。(2)1987—2010年间中国经济的系统效率在波动中呈增加趋势,但增长幅度较小。从长期阶段看,1997—2010年间的系统效率和组织能力比1987—1995年间有明显提高,表明经济系统在后期获得了一定程度的发展。但系统效率在2002年达到高点后呈现下降趋势。(3)1987—2010年间中国经济系统的上升性和发展能力都在持续提高,但主要来自规模增长。增长和发展的量化结果表明,1987—2010年间中国经济系统上升性的提高,90%来自总吞吐量(增长),只有10%来自效率改进(发展)。(4)1987—2010年间的中国经济系统的α平均值为0.138,远小于0.37或0.33的可持续性最优平衡点,系统处于缺乏效率的不可持续的状态。要提高经济系统的可持续性,需要提高经济系统的效率(结构)和组织能力。     

Ecological network analysis of urban–industrial ecosystems

Sustainability of urban areas is paramount in the coming years as cities continue to grow in population and resource consumption. A number of methods to model cities have been developed, including material flow analysis and urban metabolism, but these accounting methods do not fully analyze the complex network dynamics present within cities. Ecological network analysis (ENA) provides a new perspective into these urban areas by using metrics designed for analysis of natural ecosystems. This study analyzes 29 urban–industrial ecosystems using ENA, comparing the networks to each other as well as comparing them to previously analyzed eco‐industrial parks and natural food webs. It is found that these systems perform similar to other human‐designed systems, which consistently lack in ecological performance when compared with the natural ecosystems. Additionally, the impact of specific actor types within these networks is shown indicating the importance of industry, agriculture, and the natural environment. Finally, the types of networks are determined to affect the ecological metrics, with the more linear‐based energy networks having the worst performance. This new dataset of ecologically analyzed networks provides a deeper understanding of urban networks and their infrastructure, while providing useful information on how to potentially improve their sustainability.     

城市产业生态网络特征与演进规律——以北京市为例

产业生态系统发展规律对于产业转型升级至关重要,对其进行研究也是当前产业生态学的新方向。产业生态系统是指在一定区域内,产业组分以及环境组分之间通过物质交换及能量流动等形成的有机统一整体。产业生态网络则是其各组分之间通过物质流等相互作用构成的生态关系的一种拓扑结构。基于货币型投入产出模型通过物质型转化构建城市尺度产业生态网络,借鉴生态网络分析方法,提出通过循环性、生态效率、上升性3类特征指标判定产业生态网络的演进规律。实证研究了2005—2014年北京市产业生态系统的特征及其演进规律,阐明了其发展的趋势。主要结论是:从趋势分析,北京市产业生态系统循环性、生态效率和上升性有随时间而提升的趋势。其中,循环性和上升性变化趋势一致:总体呈现上升趋势,且2007年数值明显高于其他年份;生态效率总体随年份呈现波浪式增速的趋势;从指数分析:各年份循环指数(FCI)介于0—1之间,表明产业系统的物质循环流量均小于直接流量;A/C指数介于0.187—0.256之间,表明离理论可持续发展状态(0.401)还有相当的距离;生态效率10年提高2.4倍,在2013年已经接近1,到2014年实现大于1的水平,其生态效率已达到这10a间的最优的状态。总体上,北京市产业系统正在向物质循环性、生态效率以及系统上升性逐步提高的方向转型。     

基于生态网络效用的城市碳代谢空间分析——以杭州为例

城市碳排放占全球碳排放总量的78%,通过模拟生物代谢来剖析城市碳代谢机理从而控制城市碳排放是缓解全球气候变暖危机的关键。为研究杭州城市化过程中土地利用变化对城市碳代谢的综合作用,以4个时间段(1995—2000,2000—2005,2005—2010,2010—2015)为例,建立了一个"碳流"模型来分析城市生态系统中自然和人工分室在城市碳代谢正负"碳流"产生中的作用,之后利用生态网络效用方法分析"碳流"产生的生态关系及其空间分布,同时利用互惠指数M综合评价土地利用变化对城市碳代谢的综合作用。结果显示(1)净"碳流"在研究期间持续呈现负值且在2000—2005年间达到峰值,负"碳流"主要源自耕地与工业用地之间的转换,正"碳流"主要源自工业用地与城市用地之间的转换。(2)1995—2000年互惠指数(M)呈现先增加后减少再增加的变化趋势,M平均值小于1,说明土地利用变化对城市碳代谢的综合作用是消极的。(3)竞争关系集聚在高负碳代谢密度分室,互惠共生关系主要集聚在高正碳代谢密度分室。(4)从1995—2000至2010—2015,以每5年为时间间隔,生态关系分布空间变化如下:掠夺限制生态关系呈现向西北、西南和南部方向蔓延—西北方向移动—东南方向移动的变化趋势,竞争生态关系呈现东南方向移动—南部和西北部方向蔓延—零星分布的变化趋势,互惠共生生态关系呈现向东南方向移动—暂时不存在—零星分布的变化趋势。研究结果为低碳城市发展提供了理论依据。     

长江下游平原区生态网络识别与优化——以常州市金坛区为例

生态网络识别与优化是保障区域生态安全格局,开展国土空间生态保护修复的重要研究手段。立足图论和景观生态学理论方法,以长江下游平原区的金坛区为例,利用遥感影像、土地利用数据、POI数据等,通过最小面积阈值、最佳距离阈值分析,识别了区域现状生态网络,开展了生态盲区指导下的生态网络优化,并对优化前后的生态网络性能、区域生境斑块重要性进行评价,取得以下研究结果：①开展生态盲区指导下生态网络优化,可显著提升区域景观连接度,且在生态水网区域具有较强适用性;②研究区存在生态景观断裂,生态网络布局亟待优化,经优化Harary指数增加了10.92倍,整体连接度指数提升了43.45%,可能性连接度指数提升了99.58%;③国土空间生态保护修复应重点关注关键区域整治,可采取重点斑块生态保护、关键节点生态修复、特殊区域生态建设等差异化生态网络修复策略。     

快速城市化地区生态网络构建与优化——以北京市大兴区为例

快速城市化直接导致生境日益破碎化,景观连通性和生态系统稳定性降低,环境不断恶化。构建完善的生态网络能够有效缓解快速城市化带来的系列生态环境问题,是城市生态系统修复、生物多样性保护的重要途径。以北京市大兴区为例,基于2019年6-8月高分辨率遥感影像分类解译提取的土地覆盖数据,应用形态学空间格局分析(MSPA)和景观连通性评价方法识别提取了生态源地,通过构建生态阻力面和运用最小累积阻力模型(MCR)识别了潜在生态廊道并应用重力模型对廊道系统进行了重要性分级,最后采用网络指数对研究区生态网络进行评价和优化,提出了有针对性的生态网络优化对策。结果表明:研究区核心区面积为349.42km²,占研究区总面积的33.73%;生态源地16块,总面积85.15km²,占总面积的8.2%;潜在生态廊道120条、生态节点49个,其中一级生态廊道39条、二级生态廊道81条。在生态网络优化方面,新增4块生态源地、70条规划生态廊道和17个生态节点,规划建设20处"踏脚石",识别修复72个主要生态断裂点。实施这些优化措施后,网络闭合(α)指数、点线率(β)指数、网络连接度(γ)指数均有所提高,表明生态网络连接度得到有效优化。研究区虽具备较丰富的绿地资源,但在快速城市化过程中出现了生态斑块破碎化、分布不均衡、连通性较差等生态问题,生态源地和廊道主要分布在西部、南部永定河流域绿地以及东南部平原造林区,应重点加强研究区中北部的生态建设与修复。生态网络的构建与优化对于该区域生态系统修复、生物多样性保护具有重要意义,也可为其他快速城市化地区生态建设与优化修复、生态空间可持续发展提供参考借鉴。     

基于粒度反推法的景观生态安全格局优化——以海口市秀英区为例

景观生态安全格局优化是改善生态环境、促进人与自然和谐发展的有效途径。为给海口市秀英区生态环境建设提供科学依据和景观生态安全格局优化方法改进提供参考,提出了粒度反推法和生态阻力面综合构建法,结合GIS技术和最小耗费距离模型探讨了海口市秀英区景观生态安全格局优化途径。结果表明:(1)400m粒度生态景观组分是秀英区生态源地选取的合适参照,秀英区有生态源地18块、生态廊道17条、生态节点11个,新增生态源地建设的参考规模为38.5hm2,生态源地的生态服务极限距离为800m,需将现有的11块非生态景观类型斑块转换为生态景观类型,总面积20.26 hm2。(2)粒度反推法能为生态源地选取提供客观参考,在生态源地选择方面比传统方法具有更强的理论基础和客观性,解决了客观选取生态源地的问题。(3)综合生态阻力面能对生态阻力的实际情况进行较好地模拟。显、隐性生态阻力面之间存在显著差异,能反映生态系统中潜在的生态薄弱点,这些生态薄弱点往往是容易被忽略而又需要重点建设的区域。     

Estimation of metabolic fluxes, expression levels and metabolite dynamics of a secondary metabolic pathway in potato using label pulse-feeding experiments combined with kinetic network modelling and simulation

In this paper we present a method that allows dynamic flux analysis without a priori kinetic knowledge. This method was developed and validated using the pulse-feeding experimental data obtained in our previous study (Matsuda et al., 2005), in which incorporation of exogenously applied l-phenylalanine-d(5) into seven phenylpropanoid metabolites in potato tubers was determined. After identification of the topology of the metabolic network of these biosynthetic pathways, the system was described by dynamic mass balances in combination with power-law kinetics. After the first simulations, some reactions were removed from the network because they were not contributing significantly to network behaviour. As a next step, the exponents of the power-law kinetics were identified and then kept at fixed values during further analysis. The model was tested for statistical reliability using Monte Carlo simulations. Most fluxes could be identified with high accuracy. The two test cases, control and after elicitation, were clearly distinguished, and with elicitation fluxes to N-p-coumaroyloctopamine (pCO) and N-p-coumaroyltyramine (pCT) increased significantly, whereas those for chlorogenic acid (CGA) and p-coumaroylshikimate decreased significantly. According to the model, increases in the first two fluxes were caused by induction/derepression mechanisms. The decreases in the latter two fluxes were caused by decreased concentrations of their substrates, which in turn were caused by increased activity of the pCO- and pCT-producing enzymes. Flux-control analysis showed that, in most cases, flux control was changed after application of elicitor. Thus the results revealed potential targets for improving actions against tissue wounding and pathogen attack.     

Net Zero Fort Carson: Integrating Energy,Water, and Waste Strategies to Lower the Environmental Impact of a Military Base

Military bases resemble small cities and face similar sustainability challenges. As pilot studies in the U.S. Army Net Zero program, 17 locations are moving to 100% renewable energy, zero depletion of water resources, and/or zero waste to landfill by 2020. Some bases target net zero in a single area, such as water, whereas two bases, including Fort Carson, Colorado, target net zero in all three areas. We investigated sustainability strategies that appear when multiple areas (energy, water, and waste) are integrated. A system dynamics model is used to simulate urban metabolism through Fort Carson's energy, water, and waste systems. Integrated scenarios reduce environmental impact up to 46% from the 2010 baseline, whereas single‐dimension scenarios (energy‐only, water‐only, and waste‐only) reduce impact, at most, 20%. Energy conserving technologies offer mutual gains, reducing annual energy use 18% and water use 15%. Renewable energy sources present trade‐offs: Concentrating solar power could supply 11% of energy demand, but increase water demand 2%. Waste to energy could supply 40% of energy demand and reduce waste to landfill >80%, but increase water demand between 1% and 22% depending on cooling system and waste tonnage. Outcomes depend on how the Fort Carson system is defined, because some components represent multiple net zero areas (food represents waste and energy), and some actions require embodied resources (energy generation potentially requires water and off‐base feedstock). We suggest that integrating multiple net zero goals can lead to lower environmental impact for military bases.     

两种生态系统服务价值评估方法比较研究——以四川省金堂县三星镇土地整治工程为例

乡镇土地整治是建设中国美丽乡村的重要途径,对当地生态环境带来正面和负面影响,如何准确评价其生态效益是国家开展土地整治和美丽乡村建设需要面临的重要科学问题。以中国西南部丘陵地区典型乡镇——四川省金堂县三星镇的土地整治工程为例,对比分析了生态系统服务价值当量修正法和单项服务评价法评估土地整治生态效益的异同,以期确定适合我国西南部丘陵地区乡镇土地整治生态效益评估的合理方法。研究结果表明:单项服务评价法的评估结果(生态系统服务价值约300万元)比当量修正法(生态系统服务价值约290万元)高3.5%。当量修正法评估的各项生态系统服务价值增量由高到低依次为:调节服务价值>支持服务价值>供给服务价值>文化服务价值;单项服务评价法评估的生态系统服务价值增量大小排序为:调节服务价值>支持服务价值>文化服务价值>供给服务价值。方法依据和参数的选取不同,导致评估结果具有显著差异,主要表现在单项服务评价法测算的维持养分循环价值、美学景观价值分别是当量修正法的46.90倍和6.94倍,当量修正法测算的水文调节价值是单项服务评价法的5.93倍。单项服务评价法针对各项生态系统服务...     

生态服务功能的动态货币化评价——以南水北调后的湖北省襄樊市为例

生态环境是和社会经济紧密联系、相互影响的复杂大系统 ,且其内部各因子之间存在大量的未知关系 ,神经网络为未知复杂系统的建模提供了一条全新的思路。运用 BP网络 ,就南水北调对湖北省襄樊市生态服务功能价值的影响进行了动态研究。研究显示 ,在调走约 1/3汉江水量后 ,襄樊的生态环境将受到严重的破坏 ,其后果是当地社会经济的可持续发展能力将受到损害和抑制。在分析案例的基础上 ,论证了神经网络在生态建模中的适用性 ,探讨了生态服务功能价值动态评价的技术趋势 ,并进一步提出了生态系统建模的新思路。     

基于选择容量价值的生态补偿标准与自然资源资产价值核算——以珠江水资源供应为例

选择容量价值是指,一项人类生存生产所必需的生态系统服务,其总量为消费该生态系统服务的消费活动所提供的选择自由度(即选择容量,optional capacity)与该消费活动所产生的经济社会价值的乘积。选择容量价值将经济发展状况和资源环境状况融合了起来,实现了经济社会发展与生态环境保护的价值统一,这对于推进保护与发展相辅相成的生态文明建设具有积极意义。为了探索以选择容量价值为指标的生态补偿标准与自然资源资产价值核算框架和核算方法,以珠江流域水资源供应为例,对跨水文单元的水资源供应流动进行了生态补偿核算,对各水文单元的水资源供应的自然资源资产价值进行了量化评估研究。研究结果显示,珠江三角洲地区的水资源供应的选择容量价值大部分(约74%)来自上游水文单元的跨区输入,而上游水文单元所提供的水资源供应的选择容量价值也在相当程度上依赖于下游水文单元的经济社会发展。基于跨区流动的水资源供应的选择容量价值,可以按照"共享共担"和"同工同酬"原则进行跨区生态补偿核算;基于各水文单元所提供的水资源供应的选择容量价值,可以对各单元内自然资源资产价值进行核定,这对于协调区域发展推进西江-珠江经济带流域生态文明...     

南方丘陵区生态水资源库脆弱度评价——以湖南省为例

以南方生态水资源库为研究对象,提出生态水资源库脆弱性概念,分析了其脆弱性成因和主要表现.从脆弱性成因角度构建了包含10个具体指标的南方丘陵区生态水资源库脆弱性评价指标体系.以湖南为研究案例,运用模糊物元评价模型对85个县级评价单元的生态水资源库脆弱度进行综合评判.结果表明,全省生态水资源库脆弱性等级以中等脆弱为主,其中,微脆弱等级3个,占总评价单元的3.5%,中等脆弱等级70个,占总评价单元的82.4%,强脆弱12个,占总评价单元的14.1%.脆弱度空间分布存在"西部大于东部,南部大于北部"的总体分布态势.其中,以湘西北、湘西南和湘南所构成的外部环形地带和以长沙、衡邵盆地为中心的中东部地带为全省两个比较明显的高脆弱区(带).     

基于生态需水保障的农业用水安全评价——以山东省引黄灌区为例

保障农业用水安全和生态安全是流域水资源管理的重点,针对黄河口和山东引黄灌区的用水矛盾,采用阈值分析与地统计学方法,考虑作物蒸散发和有效降雨计算山东省引黄灌区灌溉需水量,在优先保障黄河口不同等级生态需水条件下分析灌区（划分为不同调控区）可用水量的响应特征,以地理信息系统（GIS）为平台计算具有时空差异的山东省引黄灌区农业用水安全压力指数,进而评价多时空尺度下的山东省引黄灌区农业用水安全。结果表明,在平水年,保障适宜等级的生态需水后大概有33%的年份农业用水安全存在压力,保障最低等级的生态需水约有27%的农业用水面临短缺,但是大部分情况下农业用水安全压力指数都在30%之下,然而保障最高等级生态需水后,有50%以上的年份存在农业用水安全压力,这种压力无论是从出现频次还是在指数强度上都有明显增加。在空间尺度上,以打渔张、刘春家、麻湾和簸箕李等灌区为代表的调控区2、11、13、14和17的农业用水压力显著,代表年内保障最低等级的生态需水后调控区的农业用水安全压力指数超过了20%,保障适宜等级的生态需水后,大部分调控区的农业用水安全压力指数超过了20%,调控区2和13的压力指数超过了30%,保障最高等级的生态需水后大部分调控区的农业用水安全压力指数超过了60%。在引黄水量调配过程中,应该按照水文年的不同保障合理的生态水量,同时充分考虑水文气象因子的空间差异性,在不同调控区细化分配方案,平水年份保障适宜等级生态需水后农业用水短缺由55.28降低到18.25亿m³。该评价方法反映了优先保障生态需水后灌区农业水资源保障情况,并能有效降低农业和生态用水之间的矛盾,为管理部门进行"精细配水"提供依据。     

藏北草地退化与生态服务功能价值损失评估——以申扎县为例

藏北草地是我国重要的畜牧业生产基地和生态安全屏障。基于遥感和GIS技术,利用1990、2000、2010年3期不同时相的TM、ETM+和CEBERS遥感影像,对申扎县草地资源退化状况进行了遥感监测,并采用生态经济学评估模型对草地生态系统8个方面的服务功能价值损失进行了评估测算。结果表明:1990—2010年,申扎县草地退化面积增加了47.40×10~4hm~2,生态系统服务功能价值损失高达5.20×10~8元;其中1990—2000年,草地退化较严重,该时段也是生态系统服务功能价值损失较多的时期;2000—2010年,草地退化趋势变缓。藏北草地提供生物量价值仅约占生态系统服务功能总价值的7.0%,草地生态服务功能远大于其提供的生物量价值,因此必须从生态服务功能的的理念出发去经营草地,从而实现草地的可持续发展。