《生态学基础》：对生态学从传统向现代的推进——纪念E.P.奥德姆诞辰100周年

2013年是“现代生态学之父”美国生态学家奥德姆诞辰100周年。奥德姆的《生态学基础》一书对生态学从传统向现代转换具有积极的推进作用,主要表现在：提升了生态科学的量化水平,促成了生态系统生态学体系的诞生;倡导了生态学与经济学等社会科学的融合,丰富了生态经济学与生态系统服务功能研究;延展了生态学的应用尺度,为社会的生产变革和绿色运动提供了指导。奥德姆的生态学理论中诸如以能量分析为主导的生态系统分析方法还有待完善、生态系统方面较少考虑进化维度,衡量能量质量高低的能值方法的科学性有改善的空间等,但这都无碍他成为世界上最杰出的生态学家之一。     

“拉开档次”法的改进及其在河流生态健康评价中的应用

针对“拉开档次”法在进行综合评价过程中不能较好反映评价者主观信息的缺点,并考虑到影响河流生态系统健康的因素具有多层次、不确定和属性复杂等特点,对”拉开档次”法进行改进,并运用改进的”拉开档次”法对流经北京和天津的北运河上、中、下游各区段进行生态健康综合评价.结果表明,北运河上、中、下游各区段生态系统健康评价值分别为0.539、0.521、0.546,生态状况均处于亚健康状态;河流水环境状况对北运河生态系统健康影响程度最大.运用改进后的“拉开档次”法进行河流生态系统健康评价,既兼顾了评价者的主观判断,又包含了数据本身的客观信息,评价过程透明,评价结果科学、合理、客观、可靠,可为河流综合治理提供技术支持和基础依据.     

武汉城市圈生态系统服务价值时空变化特征

基于武汉城市圈1990、2000和2009年3期土地利用矢量数据,参照“中国生态系统单位面积生态服务价值当量”,采用Costanza等提出的生态系统服务价值计算公式,估算武汉城市圈不同地域的生态系统服务价值,分析期间的时序变化和空间分异特征;并采用相关分析方法,探讨了武汉城市圈生态系统服务价值与不同土地利用类型变化之间的关联特征.结果表明: 得益于水域面积的大幅增长,1990—2009年武汉城市圈生态系统服务价值总体呈不断上涨的时序变化趋势,增幅达9.5%,其中,水文调节、废物处理等服务价值的增幅明显;各地区变化存在明显的差异,仙桃市、新洲区、云梦县等地的增长最显著.生态系统服务价值在空间上总体呈东南高、西北低的分布格局,且随时间推移,在东、西、北方向逐步形成以武汉市区为中心的“低-高-低”层级分布特征,北部山地丘陵地区的生态优势逐步消减,而南部的高价值组团到2009年发生了结构性扩张.研究区生态系统服务价值的时序变化与林地、水域、草地、耕地的面积变化呈正相关,而其空间分布的均衡性与耕地和未利用地的空间离散程度呈负相关.     

基于CiteSpace的生态系统服务供需关系研究进展与热点分析

生态系统服务供需关系影响生态系统的可持续发展, 探究生态系统服务供需关系对保障生态系统安全、提升人类福祉具有重要意义。利用CiteSpace知识图谱分析工具, 以CNKI数据库中的284篇中文文献和Web of Science数据库中的907篇外文文献为数据源, 从发文量、作者、关键词共现等角度进行可视化分析, 梳理国内外生态系统服务供需相关研究进展与热点。研究结果表明: ①国内外生态系统服务供需研究都在2017年左右开始激增。②国外研究作者之间的合作呈现“大集聚, 小分散”的特征, 国内相关作者之间的合作则呈现“小集聚, 大分散”的特征, 国内作者之间的合作交流有待进一步加强。③“生态系统服务”和“供需关系”是贯穿整个生态系统服务供需研究阶段的关键词, “空间流动”“生态足迹”“生态系统服务需求”和“生态系统服务文化”等关键词体现了生态系统服务供需领域研究的前沿和热点。     

莽措湖流域生态系统服务功能经济价值变化研究

运用中国生态系统服务价值当量因子表和莽措湖流域单位面积农田生态系统在1990年和2000年提供的食物生产服务的经济价值,以及1990年和2000年土地利用情况,对该区生态系统服务功能经济价值进行了评价,得出1990年和2000年莽措湖流域生态系统服务功能经济价值分别为3．10×10^9元·年^-1和3．05×10^-9元·年^-l,2000年比1990年减少4．71×10^7元·年^-1．同时分析了1990年和2000年生态系统服务功能经济价值变化的原因并对结果进行了讨论。     

干旱和半干旱地区灌木下土壤“肥岛”研究进展

世界许多干旱、半干旱地区草地生态系统逐渐被灌木生态系统取代,这种取代过程的发展是由灌木冠幅下土壤中“肥岛”的形成和灌木的扩散相互作用直接造成的,这种“肥岛”的形成和灌木的扩散之间的反馈作用能够改变该系统中的植被组成、结构和土壤养分分布格局,从而改变该生态系统的结构和功能,文中从“肥岛”的概念和形成机制出发,对“肥岛”现象形成的原因、“肥岛”现象的研究意义、研究方法、灌木扩散与“肥岛”之间的相互关系及生物对“肥岛”的响应进行了总结,并分析了“肥岛”研究中应注意的问题,希望为中国干旱、半干旱区域土地退化的成因和过程以及植被恢复的研究提供一些参考。     

自然灾害胁迫下区域生态脆弱性动态——以四川省清平乡为例

利用四川省绵竹市清平乡2008年“5·12”汶川地震后航空遥感图像和2010年“8·13”特大山洪泥石流灾后无人机低空遥感图像,结合清平乡2006年土地利用现状图、1∶5万地形图与野外调查资料,对清平乡生态脆弱性进行评估和分析.结果表明：清平乡2010年“8·13”特大山洪泥石流灾后生态不脆弱、一般脆弱、中度脆弱、脆弱和极脆弱区的面积比例分别为1.9%、7.9%、18.7%、23.0%和48.5%,生态极脆弱和生态脆弱区总面积达238.45 km²,占全乡总面积的71.5%,清平乡生态环境整体上已经非常脆弱;受这两次特大自然灾害的胁迫作用,清平乡生态脆弱性明显增强,生态脆弱和极脆弱区面积比“5·12”汶川地震前增加12.4%,生态极脆弱区面积是“5·12”汶川地震前面积的1.67倍;清平乡生态脆弱性动态演化主要表现为生态脆弱性等级由脆弱演化为极脆弱.复杂的地形条件是导致清平乡生态脆弱的关键因素.     

程序性细胞死亡

“程序性细胞死亡”(ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈ,ＰＣＤ)由于与人类健康和某些重大疾病有密切关系而成为生物工程研究的热门课题。2002年诺贝尔生理学、医学奖授予英国的悉尼·布雷内、约翰·苏尔斯顿和美国的罗伯特·霍维茨,以表彰他们在“器官发育”和“程序性细胞死亡”中的重大发现,则明确反映出了这项研究的重要性。他们在线虫中发现了控制细胞死亡的关键基因,并阐明了这些基因如何在细胞死亡过程中...     

“双季稻-鸭”共生生态系统稻作季节氮循环

“稻鸭共生”是对我国传统农业稻田养鸭的继承与发展.2010年5-10月在长江流域双季稻主产区湖南布置了稻田养鸭田间试验,以常规稻作为对照,研究了早、晚稻两季“稻鸭共生”生态系统氮(N)循环特征.结果表明：“早稻-鸭”共生系统N输出是239.5 kg·hm^-2,其中鸭产品N是12.77 kg·hm^-2.“晚稻-鸭”共生系统N输出是338.7 kg·hm^-2,其中鸭产品N是23.35 kg·hm^-2.在早、晚稻两季,“稻鸭共生”系统在目前的N养分投入水平下,土壤均存在N亏缺;鸭子系统N输入主要来自系统外投入的饲料N;鸭粪N作为系统内被循环利用的养分,早、晚稻两季循环率分别为2.5%和3.5%.两季稻作后,土壤截存的N量是178.6 kg·hm^-2.     

试论“三北”生态经济型防护林体系

本文介绍了“三北”防护林体系工程的概要、建设指导思想和技术路线,从理论上较深入地探讨了林业观念更新的意义及其基础。从而,提出“生态经济型防护林体系”的学术概念,以及它同建立区域性人工生态系统的相互关系,并结合“三北”黄土高原昕水河流域生态经济型防护林体系示范区的特点进行分析,探讨丘陵山地条件下,生态经济型防护林体系的技术内涵、组成及其生态经济特点。最后,作者提出了由“三北”防护林工程的实践对我国如何建设好其它防护林工程的几点启示。     

鄱阳湖湿地生态能值分析研究

应用奥德姆 (H.T.Odum)创立的生态经济系统能值分析理论 ,定量分析鄱阳湖湿地生态系统内的物流和能流。研究认为分析湿地生态效益主要有 4个步骤 ,即 :(1 )建立概念性的能值分析系统 ,全面反映能值分析方法 ;(2 )能值指标系统分析表制作与能值计算 ;(3)能值指标估算 ;(4 )依能值指标系统分析表和能值图解阐述湿地生态效益。通过整理实地考察所获数据和历史资料 ,运用所提的方法进行分析研究 ,其湿地生态系统能值图解和能值指标分析表的分析结果表明 :鄱阳湖湿地的投入量太阳能值为 3.36× 1 0 1 9sej,产出量太阳能值为 3.0 7× 1 0 2 0 sej,初级生产力为 5 .0 4× 1 0 1 9sej,不可再生能源或资源为 6 .35× 1 0 1 9sej,资本投入 /产出中的生态服务、生态旅游和科研工作太阳能值分别有 8.79× 1 0 1 9sej,4 .80× 1 0 1 9sej,1 .0 5× 1 0 1 9sej,总计 1 .4 6× 1 0 2 0sej,进而得出鄱阳湖湿地生态系统整体投入 /产出的效益良好。湿地水禽的太阳能值为 1 .6 1× 1 0 2 0 sej,说明鄱阳湖湿地在保护水禽方面的地位不可替代 ,在长江流域内有着非常重要的生态功能     

城市可持续发展能力的能值评价新指标

能值理论、方法克服了传统能量与经济分析方法的诸多缺憾,为城市可持续发展的研究提供了全新的视角。但作为一种新兴的理论,其评价指标,尤其是针对城市可持续发展能力的综合评价指标尚不完善。从生态经济效益及环境影响的全面表达角度,剖析了国际现行可持续发展能值指标(ESI)的不足之处,并在此基础上拓展构建了新的可持续发展能值指标(EISD)。以珠江三角洲中山市1996～2000年的发展动态为例进行了案例研究。结果表明,新拓展的可持续发展能值指标．在系统效益评价中考虑了系统能值产出的实际经济效果,在环境影响评价中同时考虑了系统的消耗影响和排放影响,可以更全面明晰的评价城市系统的可持续发展能力、状态及其成因,为系统的优化指明方向。     

基于生物物理视角的城市生态竞争力

研究城市的生命支持系统、系统解析城市运行的生物物理代谢过程是深入揭示现代城市"病"产生机理与作用规律的新视角.借助生态能量学方法之一 --能值方法对城市生态经济系统进行了系统分析,并构建了综合性城市生态竞争力指数UECCI,将之应用于北京、上海和广州3个案例城市1990年到2005年的评价中.同时,引入并整合台北(1991和1998年)和澳门(1990、1993、1995、1997、2000、2003和2004年)的能值分析结果进行参照对比.结果显示:研究期内3个案例城市生态经济系统的演化趋势呈现很好的一致性,但广州的UECCI一直高于北京和上海,广州城市生态经济系统在可持续发展的长远尺度上似乎更具有生态竞争力;与台北与澳门的进一步比较发现,尽管中国大陆城市经济发展程度不及台北与澳门,其UECCI总体上却高于台北和澳门.     

基于能值理论的生态资本价值——以阜康市天山北坡中段森林区生态系统为例

能值理论是美国生态学家H.T.Odum依据系统生态学的基本原理和方法提出的,它通过对生态系统能量-价值过程的分析,为生态经济学的研究提供了新的理论和方法。以能值理论为基础,以位于阜康市的天山中段北坡森林区生态系统为研究对象,对系统生态资本的能值流量、资本存量进行了初步的研究,同时,对生态系统服务价值和系统的生态安全也进行了延伸研究。研究结果表明,这里每年的能值流量达6.36×1020sej,相当于货币流2.61亿美元;其中输入能流2.01×1020sej,占系统总能流的31.58%;系统滞留能流1.85×1020sej,占29.01%;输出能流2.51×1020sej,占39.41%。这说明生态系统对能量具有放大作用,进入生态系统的能量虽然在量上没有变化,但却发生了质的变化,低质的能量变成了高质的能量,而且生态系统越复杂,这种转换效率越高。生态资本存量达9.97亿美元,主要存在于土壤中,占资本总量的90.69%,其次是淡水。这说明水、土是生态系统之本,植被之价值不在于其本身,而在于其保持水土的功能。在延伸研究中,生态系统服务价值为1.19亿美元,其中涵养水源4780万美元,占总价值量的40.25%,保持土壤5580万美元,占46.99%。研究还表明目前研究区生态系统处于较为安全的状态,但面临的挑战很大。     

顺德产业生态系统能值动态分析

虽然当前的产业生态学研究多集中于生产线、企业和产业生态园尺度,但城市无疑是产业系统基本组合单元,城市区域尺度的产业生态学研究是产业生态学研究尺度上推的必经阶段。我国产业生态系统及城市化进程的空间分布不均,以顺德等为代表的东南沿海市(县)产业生态系统的发展历程对中西部地区有拉动和借鉴的双重作用。以能值理论方法为基础,结合环境经济学和区域经济学方法,从系统开放性、本土性、闭路循环性和经济性4个方面,投入和产出端2个角度,对顺德市产业生态系统改革开放22a的发展动态进行分析研究。结果发现,22a系统能值总用量增加15.65倍,能值密度增加16.31倍,人均能值使用强度增加9.70倍,外部不可更新资源用量增加16.32倍。能值废弃率在20世纪80年代不断上升而在90年代迅速下降,但环境负载率则表现为无规律的波动状态。20世纪90年代,系统能值出口率上升至1978年的4.10倍,但能值交换率小于1。结果表明,改革开放22a,顺德产业生态系统自组织能力明显提高,土地资源利用率不断提高,但系统对周边负熵资源,尤其是不可更新资源的依赖性不断提高,人力资源生产力水平提高相对较慢。20世纪90年代污染物处理产业发展迅速,但在系统资料消耗端的绿色化方面则无显明进展。系统对不可更新资源的利用效率不高,产出商品在市场交换中处于表面繁荣背景下的生态经济不利地位。系统已到了向知识密集型发展道路转变的拐点域。能值理论方法与环境经济学和区域经济学分析的整合可以满足产业生态系统分析评价要求,针对产业生态系统特点,进行多尺度、多方面联立评价,实现系统发展现状、动态与动因的整合分析,对产业生态系统优化点的发现与优化方向的确定有直接的意义。     

Self-organization and the maximum empower principle in the framework of max-plus algebra

Self-organization is a process where order of a whole system arises out of local interactions between small components of a system. Emergy, spelled with an ‘m’, defined as the amount of (solar) energy used to make a product or service, is becoming an important ecological indicator. The Maximum Empower Principle (MEP) was proposed as the fourth law of thermodynamics by the ecologist Odum in the90′s to explain observed self-organization of energy driven systems. But this principle suffers a lack of mathematical formulation due to an insufficiency of details about the underlying computation of empower (i.e. emergy per time). For empower computation in steady-state an axiomatic basis has been developed recently by Le Corre and the second author of this paper. In this axiomatic basis emergy is defined as a recursive max-plus linear function. Using this axiomatic basis and a correspondence between ecological theory and dynamic systems theory, we prove the MEP. In particular, we show that the empower computation in steady-state is equivalent to a combinatorial optimization problem.     

An environmental sustainability assessment of China’s cement industry based on emergy

As one of important building materials, the sustainability of cement production is widely concerned in the world. This research evaluated the sustainability of China’s cement industry in 2010 using emergy analysis. Several emergy based indicators were adopted to describe the comprehensive performance of this system from different angles, including Percentage of renewability (%R), Unit emergy value (UEV), Emergy yield ratio (EYR), Emergy exchange ratio (EER), Environmental load ratio (ELR) and Emergy sustainable index (ESI). The research results show that (1) Mineral resources have absolute contribution to China’s cement production; (2) Coal is the main energy source for China’s cement industry; (3) China’s cement industry has relatively weak competition ability due to relatively high ratio of purchased inputs; (4) China’s other industries have benefited greatly from this industry by exchanges; (5) China’s cement industry cannot keep sustainable in the long run due to its high environmental load; (6) the UEV of Chinese cement in 2010 is 3.64E15 sej/t (based on the emergy baseline 15.83E24 sej/yr). Finally, the related policy implications are proposed from four aspects, including (1) Accelerating the adjustment of process structure and technical innovation; (2) Promoting the substitution of raw materials or fuels; (3) Raising the price of cement products; (4) Decreasing the export of cement products.     

Toward a more holistic ecology,and science: the contribution of H.T. Odum

Conclusion For the abovementioned reasons, and with all due respect to the scholarship of Mansson and McGlade, who display a deep knowledge of thermodynamics and ecology, I cannot agree that Odum's use of energy concepts is wholly discredited. Refinements from microscopic thermodynamics may not have been faithfully carried along in his work, but does ecology really need these? Remember — the meal test.Having tussled with ecological complexity myself, I stand in awe of this man who has faced up to what most ecologists today are trying to deny — intractable, crushing, defeating complexity. If Odum has provided some of the first shaky stepping stones across this gulf, that's enough.I can finish by quoting from ny Festschrift paper again:It is often said of scientists who make unusual contributions against the grain of their disciplines that they are ahead of their time. In H.T. Odum's case, with maximum power, energy-circuit diagrams, emergy, transformity, and energy value the linchpins of a whole new theory of ecology, and paradigm within systems ecology, this can certainly be stated without hesitation. But in this instance, it is also possible to turn the observation around and suggest that ecology-as-science is behind its time, lagging the curve of need foreseen decades ago by a more pragmatic ecology-as-ethic and-concern. The growing man-and-environment tension, fostered by so-far unabatable growth of populations, technologies and economies, demands a science that incises complexity, finds the essence of systemness, and produces quantitative methods capable of moulding this essence to meet the imperatives of the new environmentalism. H.T. Odum has not, perhaps, provided a definitive theory to do this; no one could right now. But, he has given us an intriguing mix of science, art and religion that stands as one of the singular legacies of 20th-century ecology, pointing the way toward a new ecology of complexity that must, I think from need, fully arise in the 21st century. His time has been behind him.     

武夷山自然保护区生态旅游系统能值分析

能值理论与分析方法已经被广泛应用于对人类社会和自然界研究的各个层面.将武夷山国家自然保护区视为生态旅游系统,运用能值理论及其分析方法对其进行讨论和研究.由于传统的能值方法未能完全反映生态旅游系统的一切价值,研究中将条件价值法(CVM)与能值分析相结合,试图能够完整的体现出生态旅游系统的全部价值.在此认识的基础上提出了理想能值交换率等概念.并且将对该系统的研究结果与类似系统进行了横向比较.研究结果表明:(1)武夷山自然保护区生态旅游系统能值密度为7.31×1011sej/m2,低于福建省的16.02×1011sej/m2;而人均能值量为2.80×1016sej/m2,高于福建省人均能值5.75×1015sej/m2;净能值产出率为3.60,略高于广西恭城月柿生态农业旅游经济系统的2.79;武夷山自然保护区生态旅游系统理想能值交换率为0.70.(2)武夷山自然保护区自然环境条件良好,发展潜力较大;社区经济欠发达,居民生活水平较低;系统生产效率低,与外界贸易失衡,生态旅游处于探索阶段.     

基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价——以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例

循环农业是当前农业可持续发展理念的具体运作模式。对能值分析方法优化,使其更适合循环复合生态系统的应用上进行优化,并以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例验证,评价复合生态系统的可持续发展程度和经济效益。结果表明改进的能值分析方法对循环复合农业生态系统的可持续发展评价更科学,复合系统的可持续发展指数比单纯的生猪养殖提高23.44%—33.86%,在4种组合的循环模式中以"生猪养殖-沼气工程-有机肥生产-种植业"循环复合生态系统整体效益最佳,其可持续发展指数最高,环境负载率最低,净能值产出率仅略低于"生猪养殖-沼气工程-种植业"复合系统。