城市生态系统能-水-食物-土地-气候的“物理量与政策效果”双维耦合研究综述

城市生态系统内部各组分之间存在着错综复杂的关系,任一组分的变化会对其他组分产生不同程度的影响.快速的城市化进程带来了一系列影响城市可持续发展的问题.若想从根本上消除这些可持续发展隐患,需要采用“耦合”方法.本文明晰了“耦合”的3种应用情景及相应定义表述,同时对城市耦合理论发展脉络进行梳理,分别从物理耦合视角及政策效果耦合视角进行能-水-食物-土地-气候变化(EWFLC)五系统两两分析总结.从物理耦合视角解读发现,目前的耦合研究大多集中在城市尺度,并且主要针对两个系统之间的直接耦合关系,间接耦合关系研究相对缺乏,两系统的关联多会对社会和经济产生积极影响.从政策效果耦合视角来看,目前针对五系统的政策多面向直接解决目标系统问题,政策实施的中间目标大多可量化,且政策效果评估大多含有多个指标.在此基础上,本文提出了可同时结合物理耦合及政策效益耦合的城市EWFLC五系统分析框架,旨在帮助城市开展政策遴选,实现城市可持续发展.     

实现城市可持续发展的系统转型

城市在为人类提供各种生态系统服务的同时,其发展中的各类问题限制着城市生态系统本身的可持续发展。首先概述了城市发展过程中面临的挑战,主要包括城市化过程中人与自然的关系问题及社会生态问题等;其次从可持续发展的内涵、社会-经济-自然复合生态系统和驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)的理论出发,分别从城市水供给和污水处置系统、消减城市废弃物排放、城市交通和区域规划、城市发展与粮食系统供求关系、城市清洁能源系统等5个方面对如何实现城市的转型进行了系统的论述。结合我国城市可持续发展的研究进展,指出城市的可持续发展问题不仅是城市自身的问题,也是城市与周边区域的协调发展问题。为此,文章提出必须基于五个"转向"来研究和建立城市化与区域生态的耦合和协调机制。     

山水林田湖草沙生命共同体理念下社会-生态系统时空耦合及模拟预测

社会-生态系统(SES)耦合关系的研究可以更全面地理解人类活动对生态系统的影响,从而制定更合理的环境保护政策。将"山水林田湖草沙生命共同体理念"融入这一关系中,探究社会-生态系统间的时空耦合,可以促进社会-生态系统各要素的可持续利用和管理,并填补现有研究的空缺。赣州市拥有丰富的自然资源属于中国南方丘陵山地典型的生态区域,包涵山水林田湖草沙的各要素。以赣州市为例,分析2005-2020年社会-生态系统综合评估指标的演变规律,旨在深入了解社会-生态系统的复杂性,为其管理和保护提供科学依据。结果表明:(1)社会-生态系统框架中存在着系统间的耦合逻辑。主要体现在社会系统与资源系统的耦合、资源系统与生态系统的耦合、社会系统与生态系统的耦合三个方面。(2)2005-2020年,社会-生态系统综合评估指标在赣州市的中西部和东北部较高,在南部较低。中西部区域社会-生态系统呈现中、高耦合的格局,西部表现为失调。东南部多呈现低耦合格局。(3)2005-2030年基于SES框架的山、田、湖、治理、社会系统综合评估指数均呈现增长的变化趋势。水、林、草、行动者系统综合评估指数呈下降的变化趋势。基于社会-生态系统框架研究各系统间的耦合格局及其评估指数的模拟预测,对于深入理解社会-生态系统的内在机理、制定相关政策和管理措施、预防和应对生态灾害及推动可持续发展具有重要意义。     

东北三省“水-能源-碳”系统仿真模拟——基于系统动力学模型

水资源和能源消费量及碳排放制约区域发展水平,也影响区域生态环境质量,区域多要素资源耦合作用与协同管理成为近年来的研究热点。水资源、能源和碳排放三个系统通过不同的流程相互连接,探究"水-能源-碳"系统耦合关系,是区域探索绿色协调发展的重要基础。以东北三省为研究对象,采用系统动力学研究方法,从自然、社会、经济三个维度来探索水-能源-碳三者的关联模式。以2001-2019年东北三省的水资源、能源、碳排放现状为基础数据,梳理三个子系统的耦合关系,并对未来二十年其发展变化仿真模拟。结果表明：（1）水资源、能源、碳排放在未来二十年均呈现增长的趋势,水资源增长趋势最快,在仿真情景5下,与2020年相比2040年水资源、能源消费量和碳排放量分别增长230.4%、210.7%和36.9%;（2）决策变量对"水-能源-碳"系统的影响程度依次是清洁节能>产业调控>国内生产总值（GDP）增长率,随着GDP增长率升高,水资源和能源消耗量、碳排放量升增加,随着产业转型升级,居民意识提高及清洁能源增加,水资源和能源消耗量、碳排放量减少。在综合调控情景下,未来水资源消耗量高于基础情景,能源消耗量和碳排放量则得到了良好的控制;（3）2020-2040年,水资源、能源消费量和碳排放量呈现强相关性,纽带关系呈协同优化方向改善,供需缺口减小,有效的缓解了环境压力;（4）情景3的能源结构调整和居民意识的提高可有效降低碳排放量,情景4产业结构的调整对水资源和能源的影响较为明显。情景5权衡经济发展与节能节水以减少碳排放,严格按照"双碳"目标,将水资源、能源向较高质量发展的可持续发展方向推进,更具参考性。研究结果有利于东北三省"水-能源-碳"系统可持续发展,促进经济发展水平。     

基于能值分析方法的城市代谢过程研究——理论与方法

作为一个以人类活动为中心的社会-经济-自然复合生态系统,城市所遵循的高投入、低产出、高污染的粗放型发展模式导致了严重的结构性隐患与环境问题.基于生物物理的视角考虑,城市生态环境问题的出现,与城市代谢不良密切相关.当前对城市代谢的研究视角多基于污染物排放和资源消费,需要一种热力学的全新视角从整体角度来重新诠释可持续发展.开发了一种基于能值分析方法的城市代谢过程研究框架,首先对城市的可持续发展进行热力学解析,其次针对现有能值方法的局限,结合自然系统对污染物的自净化及污染对经济系统和生态系统的损害程度测度方法,从水体污染、大气污染和固体废物研究城市代谢对人群健康和自然生态系统的影响.研究有利于解决城市代谢不良的影响因子识别问题和代谢系统综合评价问题,使政策制定者建立以生态为本的城市观,推动社会系统的生态化转型实践,力求突破当前城市发展的瓶颈,促进城市的可持续发展.     

保护区远程耦合系统研究进展

远程耦合系统（远距离人类-自然耦合系统之间社会经济和环境的相互作用）是可持续发展研究最新的理论与实践工具,可在多层次时空尺度上研究人类与自然可持续发展问题。随着全球化不断增强,偏远保护区与外界（如城市）的联系愈加紧密,形成多种远程耦合系统。目前,针对人与自然耦合关系的研究集中在保护区内,而关于保护区远程耦合系统的模式与机制研究尚处于起步阶段。本文基于先前开展的保护区人类与自然耦合系统和远程耦合系统研究进行分析,从远程耦合系统理论框架、我国保护区主要远程耦合系统类型及自然干扰下保护区远程耦合系统的动态变化3个方面介绍保护区远程耦合系统研究进展。本文旨在系统梳理保护区远程耦合系统的内涵、类型与动态特征,以促进其理论发展,并针对基于远程耦合系统框架上的保护区社会经济与环境可持续发展研究应用提出展望。     

基于社会-生态耦合视角的城市边缘区生境服务评估与分区

城市边缘区是城市和乡村交接的社会-生态脆弱区,科学评估其生境服务,对于生物多样性保护与地区可持续发展具有重要意义。在生境服务评估中将社会和生态视角进行整合,有利于制订具有接受度和包容性的保护与管理策略。以上海市青浦区为例,基于社会-生态耦合视角构建“生境质量-生境感知”的生境服务评估框架,综合InVEST模型和SolVES模型开展评估,采用耦合协调度模型分析生境质量和生境感知的耦合协调关系,利用地理探测器探究协调空间分异的影响因素,并进行生境服务分区。结果表明：(1)研究区生境质量整体处于较低水平,空间分布呈“西高东低”格局;生境感知空间分布则多临近水系呈“条带状”格局。(2)生境质量与生境感知的耦合协调程度为轻度失调,且失调单元较多。(3)社会经济因素为耦合协调空间分异的主要影响因素,且多与景观格局因素共同作用。(4)基于生境质量和生境感知的匹配与耦合协调关系,可将研究区划分为4大类、12小类生境服务区,以进行针对性保护与管理。研究结果可为促进人与自然和谐共生的生境综合保护提供参考依据。     

山区茶园“生产-生态-生活”耦合及其技术对策

通过下乡调研,总结并分析福建省山区茶园成功的经验与面临的挑战;主要针对山地茶园存在水土流失与茶园经营单一及生产质量有待提高等突出问题,结合红壤山地生态复合茶园的研究成果,提出了新时期发展山区"生产-生态-生活"耦合茶园(简称"三生")的总体思路,阐述了"三生"耦合茶园的理论内涵,其是按照生态经济学的原理,通过茶园系统内部各结构要素的优化组合,促进其在时序有效链接、空间合理布局和生产生态匹配中产生正向联系和优势叠加作用,实现山区茶园生产、生态、生活功能的影响挖掘与充分利用,形成山区茶园整体性的耗散结构与有序性耦合链接的特定农业开发系统。从科学开垦与水肥调控工程、水土保持与立体种养工程、生态恢复与地力保育工程、水分涵养与茶园景观工程、绿化环节与茶旅结合工程、多样发展与康悦养生工程等6个方面总结提出了"三生"耦合茶园模式构建要素与技术实施要点。通过定位试验的能值分析表明,"三生"茶园能值自给率比常规茶园提高36.31%,可持续发展指数是传统茶园的2.68倍,说明在生产效率和和可持续发展方面"三生"茶园模式均优于常规茶园。结合福建茶业绿色振兴实际,提出了发展"三生"耦合茶园的技术与管理对策,以期为茶业企业与家庭农场在绿色发展过程提供参考及其借鉴。     

远程耦合世界的可持续性框架

远距离之间的相互作用及其影响日益广泛。这种远程相互作用往往会对可持续发展产生深远的影响并会造成意想不到的结果。很多可持续性研究都是针对某个特定地点进行的,很少注重多个地点之间远程相互作用对可持续性所产生的影响。虽然有些研究涉及到远程因素,但通常都把它们看作外在变量,而未把它们看作反馈。为了更好地理解和综合各种远程相互作用,本文提出了一种基于远程耦合的综合框架,它是一个远距离社会经济和环境相互作用的总体概念。人类与自然耦合系统是研究在特定地点发生的相互作用,远程耦合概念是对人类与自然耦合系统研究的自然延伸。远程耦合框架包括五个相关的组成部分,即:人类与自然耦合系统、流、代理、原因、和影响。本文通过农产品贸易和物种入侵两个远程相互作用的例子来解释远程耦合框架,重点阐述远程耦合框架的影响,并讨论促进远程耦合研究发展的研究条件和方法。这个框架有助于分析系统内各组成部分以及它们之间的相互关系,找出研究差距,探索其中的隐含成本以及尚未开发的优势,提供引入反馈及多系统(发送、接收和外溢系统)之间权衡和协同的有效手段,从本地到全球各个层面加深对远程相互作用的认识,并提高社会经济和环境可http://www.ecologica.cn持续发展政策的有效性。     

城乡结合部人-环境系统关系研究综述

城乡结合部往往是人-环境系统关系最严峻的地区之一.20世纪80年代以来,城市扩张在城乡结合部所引起的生态环境效应受到了越来越多研究者的关注.城乡结合部土地利用/覆盖变化的监测、模拟及其驱动力分析,自然与农业生态系统的演变与调控,以及环境污染等逐渐成为研究热点.众多研究证实了人类活动干扰下城乡结合部环境系统的脆弱性,生态退化和环境污染往往十分严重.城乡结合部环境系统的演变对人类社会经济系统的反馈影响也受到一些研究者的关注.研究认为城乡结合部自然和农业生态系统的丧失不仅危及到当地居民的生计,也对当地社会资本造成影响,并有可能引发一些社会矛盾.目前,针对城乡结合部人-环境系统关系的研究,多采用单学科的方法进行,系统的综合性研究还较少,难以揭示该区域人-环境系统错综复杂的交互作用关系;在研究尺度上,往往从宏观或中观尺度人手,研究城乡结合部的外部力量对环境系统的影响,微观尺度上的个体和地方力量很少被关注.未来有必要进一步加强该区域人-环境系统关系的跨学科、多尺度的综合性研究.     

外来种刺槐叶瘿蚊的重要寄生性天敌——刺槐叶瘿蚊广腹细蜂在中国的地理分布

刺槐叶瘿蚊广腹细蜂Platygaster robiniae Buhl and Duso(膜翅目:细蜂科)是我国外来有害生物刺槐叶瘿蚊Obolodiplosis robiniae(Haldeman)(双翅目:瘿蚊科)十分重要的寄生性天敌,为卵-幼虫跨期寄生蜂,专化性强,在自然抑制害虫虫口密度中起着非常重要的作用。为摸清刺槐叶瘿蚊广腹细蜂在我国的地理分布,探讨其与刺槐叶瘿蚊的相互关系,本文根据寄主刺槐叶瘿蚊在我国的分布范围,采用踏查的方法,对全国17个省、市、自治区的29个地区进行了调查。结果显示,刺槐叶瘿蚊广腹细蜂在其寄主分布区都有分布,分布范围在26°35.451′-43°53.482′N,103°51.816′-125°15.969′E,海拔4-1 097 m。     

蔡家河湿地土壤种子库特征及其与地上植被和土壤因子的关系

为明确蔡家河湿地土壤种子库特征及其与地上植被和土壤因子的关系, 采用野外调查取样和室内萌发实验相结合的方法, 对芦苇群落, 野艾蒿群落和林下杂草群落3种不同植被类型的土壤种子库密度, 物种组成, 地上植被以及土壤理化性质进行了调查研究。结果表明: 蔡家河湿地3种植被类型的土壤种子库密度分别为(7725±1286) 粒•m-2, (2535±556) 粒•m-2和(5085±984) 粒•m-2; 物种数量分别为36种, 28种和39种。3种植被类型土壤种子库的物种丰富度以及多样性均高于地上植被, 并且3种植被类型间土壤种子库物种组成的相似性高于地上植被, 说明土壤种子库比地上植被具有更高的稳定性。芦苇群落的种子库密度, 物种多样性指数以及土壤种子库和地上植被物种组成的相似性均高于野艾蒿群落和林下杂草群落。土壤含水量与土壤有机质是影响土壤种子库物种组成的主要土壤因子, 在土壤水分以及有机质含量高的芦苇群落中含有大量湿生植物种子, 但在水分和有机质含量低的野艾蒿和林下杂草群落未发现柳叶菜(Epilobium hirsutum)、马先蒿(Pedicularis resupinata)、问荆(Equisetum arvense)等湿生植物的种子。因此, 蔡家河湿地土壤种子库已出现一定程度的退化, 芦苇群落土壤种子库可用作退化湿地植被恢复的种源, 在植被恢复时要满足种子萌发对土壤水分和有机质的需求。     

鹊山引黄水库浮游动物时空分布特征

根据2012年5—10月对济南鹊山水库及库前沉沙条渠内的采样调查结果, 分析了浮游动物的种类和密度的时空分布。结果共检出浮游动物24属41种, 其中种数最多的是轮虫类, 其次为纤毛虫类, 枝角类和桡足类最少。条渠内检出的优势种数明显多于水库, 但两处优势种的时间变化特征相似。条渠和水库内均出现的优势种有沟钟虫、钟形钟虫、壶状臂尾轮虫、尾突臂尾轮虫、裂痕龟纹轮虫、象鼻溞、汤匙华哲水蚤。采样期间条渠和水库的Shannon-wiener多样性指数(H')分别在2.59—2.96和2.74—2.94范围内波动, Pielou均匀度指数(J’)分别在0.88—0.99和0.83—0.92范围内波动。根据条渠和水库内共19个采样点的四大类浮游动物密度的聚类分析结果, 研究区域可分为条渠中前端、条渠末端-水库入口及水库其他范围3个区域, 不同区域的浮游动物群落结构有显著差异, 表明条渠的沉沙过程对浮游动物群落有较大的影响。     

不同营林措施对马尾松细根分解与养分释放的影响

细根(直径≤2 mm)是森林生态系统重要的碳库之一,其寿命短、代谢活性高,对外界环境变化十分敏感.了解不同营林措施对细根分解和养分释放的影响,对于合理开展森林经营管理具有重要意义.以三峡库区马尾松(Pinus massoniana)飞播林为对象,设置未择伐(NC)、除灌(SC)、伐除非马尾松(NPMC)和伐除优势马尾松(DPMC)等营林措施,在处理3年后,利用分解袋法研究不同营林措施对相同初始基质质量的马尾松细根分解和养分释放的影响.经过1年的分解,不同营林措施明显改变了土壤温湿度、土壤养分以及土壤微生物量碳氮,而对马尾松细根分解速率的影响不显著(P>0.05),细根分解速率与各环境因子间均无显著相关性.在分解过程中,各营林措施的细根C残留率逐渐降低,表现为DPMC>SC>NC>NPMC.N呈现先逐渐累积后释放的状态,P呈现释放-累积-释放的状态,且抚育择伐显著降低了P释放速率.短期来看,不同营林措施造成的林内环境因素变化不足以成为影响马尾松细根分解的主导因素,细根初始基质质量仍是影响细根分解的决定性因素.抚育择伐提高了细根C释放速率,降低了N和P元素的释放速率.     

脱甲河水系CH_4关键产生途径及其稳定碳同位素特征

为明确脱甲河溶存CH_4关键产生途径,明晰水系碳同位素组成及其分布特征,为小流域CH_4排放估算和减排提供数据支撑.利用双层扩散模型法估算了CH_4浓度和传输通量,研究了周年内脱甲河4级河段(S_1~S_4)水体CH_4通量的时空分布及其主控环境因子;运用稳定同位素方法探究了溶存CH_4关键产生途径,分析了溶解CH_4、悬浮颗粒物和沉积物有机质δ¹³C分布特征.结果表明:水体pH均值为(7.27±0.03),各河段四季差异均显著;溶解氧(DO)在0.43~13.99 mg·L^-1内变化,S_1河段DO浓度最高且夏、秋季差异显著,其他河段均为冬与春、夏、秋季差异显著;可溶性有机碳(DOC)变化范围是0.34~8.32 mg·L^-1,由S_1至S_4河段总体呈递增趋势;水体电导率(EC)和氧化还原电位(ORP)变化范围分别是17~436μS·cm^-1和-52.30~674.10 mV,各河段差异明显;铵态氮(NH_4^+-N)、硝态氮(NO_3^--N)浓度分别在0.30~1.35(平均0.90±0.10)mg·L^-1和0.82~2.45(平均1.62±0.16)mg·L^-1内变化.溶存CH_4浓度和传输通量变化范围分别是0~5.28(平均0.46±0.06)μmol·L^-1和-0.34~619.72(平均53.88±7.15)μg C·m^-2·h^-1;均存在时空变化且变异规律相似,为春季>冬季>夏季>秋季,S_2>S_3>S_4>S_1.通量与水体铵态氮和DOC浓度均呈显著正相关.各级河段均以乙酸发酵产甲烷途径为主导,但不同河段差异明显,乙酸发酵途径产CH_4贡献率以S_1河段最高(87%),其次为S_4(81%),S_2、S_3分别达到78%和76%.溶存CH_4、悬浮颗粒物和沉积物有机质的δ¹³C均值分别为-41.64‰±1.91‰、-14.07‰±1.06‰和-26.20‰±1.02‰,溶存甲烷δ¹³C与沉积物有机质的δ¹³C呈显著正相关,与其传输通量呈极显著负相关.