煤炭资源型地区产业能-水足迹效率及影响因素

我国煤炭资源型地区众多,但其资源环境等可持续发展问题形势严峻,如何针对能源和水这两种重点资源进行协同管理是解决这些问题的关键之一。基于区域不同产业能-水耦合视角,采用投入产出分析对2002-2012年山西省不同产业的能-水足迹效率进行评价,并采用结构分解分析能-水耦合的影响因素,主要结论有：（1）研究期间,山西省各产业能-水足迹都呈上升趋势,能源足迹的增加主要表现为各产业间接消耗能源的增加,而水足迹的增加主要表现为各产业直接消耗水资源的增加。（2）不同行业能-水足迹效率差异很大,足迹较大的产业其足迹效率都较低。尽管研究期间各产业能-水足迹效率呈现上升趋势,但大部分产业能-水足迹效率仍处于较低水平。（3）从各产业能源足迹效率和水足迹效率的耦合情况来看,各产业能-水足迹效率耦合状况趋于优化,逐步由低水足迹效率和中等能源足迹效率（W_lE_m）为主转变为中等水足迹效率和中等能源足迹效率（W_mE_m）为主,但与发达地区相比,仍然具有一定的差距。（4）从能-水足迹效率影响因素来看,各产业技术水平的提高是导致能-水足迹效率提高的主要动力,经济规模的持续扩大是各产业能-水足迹上升的主要原因,部门间的联系和地区经济结构对能-水足迹效率的影响也逐步增加。这些发现从理论上揭示了资源利用强度和效率对产业能-水消耗的影响机制,从实践上对资源型地区节能节水具有重要指导意义。     

黄河流域可持续发展评估及协同发展策略

作为我国重要的生态屏障和经济带,黄河流域生态保护和高质量发展是我国的重大战略需求。目前,黄河流域水资源利用效率较低、水资源配置不甚合理等问题,阻碍了流域整体的可持续发展。以黄河流域上、中、下游9个省份作为研究对象,引入目标间均衡度这一新的评估方法,通过分析上中下游在可持续发展目标达成状况、发展路径、对黄河水资源的依赖程度和工农业用水效率等方面的差异,探讨了基于水资源优化利用的协同发展策略。研究结果表明：(1)2000—2015年间,黄河九省的可持续发展指数都有了显著提高,在不考虑各可持续发展目标间的均衡度时,中下游地区的可持续发展状况显著优于上游地区,考虑均衡度后则未发现显著差异;(2)忽略均衡度对评估结果带来的偏差也体现在省级层面上,如宁夏和山西在不考虑均衡度时都被认为取得了良好的发展,但实际上两者的发展主要体现在少部分目标上,和环境保护相关的部分目标反而出现了退步,这说明不考虑均衡度可能会高估可持续发展目标达成度;(3)黄河流域上中下游均有对黄河水资源较为依赖的省份,这些省份间工农业用水量和用水效率等存在较大差异,总体来看,上游地区用水效率较低,中下游地区用水效率较高;(4)取水量...     

基于水足迹的山东省农业水土资源匹配特征及短缺压力分析

高强度农业开发引起的农业水土资源生态问题日益增多,探究粮食及蔬菜（粮蔬）生产中水土资源空间配置及短缺压力对农业资源的可持续利用具有重要意义。从水足迹视角出发,分析了山东省3种主要粮食作物（冬小麦、玉米及大豆）和两种不同种植模式蔬菜（设施蔬菜和露地蔬菜）的生产水足迹空间特征;同时将资源数量及资源质量的概念纳入研究框架,分析了农业水土资源数量及质量匹配格局差异,并进一步探究了农业水土资源短缺压力及其影响因素。研究结果表明：（1）2019年,山东省粮食和蔬菜的生产总水足迹为811亿m³,其中粮食生产总水足迹占比78.50%,蔬菜生产总水足迹占比21.50%;粮蔬生产水足迹受地势影响明显,鲁西北及鲁西南平原地区的粮蔬生产水足迹占比较大。（2）考虑资源数量的水土资源匹配系数均值为0.622×10⁴ m³/hm²,考虑资源质量的匹配系数均值为0.416×10⁴ m³/hm²;水土资源数量及质量匹配系数在空间上呈现出一致性,表明山东省农业生产水土资源空间配置水平高的地区同时面临着较大的农业面源污染压力。（3）整体上,土地资源短缺压力略高于水资源短缺压力;基于生产视角的水土资源短缺压力受生产环境因素制约显著,受经济发展因素的影响具有差异性,社会因素对水土资源短缺压力无显著影响。研究可为农业资源可持续管理提供数据基础,为全面理解粮蔬生产所产生的水土资源短缺提供案例参考。     

交通网络空间互动视角下生态足迹驱动机制

长江中游城市群是中部崛起战略的重要区域,同时依托长江黄金水道面临发展和保护的困境。交通网络空间互动视角下的生态足迹驱动机制研究对统筹长江中游城市群经济社会高质量发展和生态文明高水平建设以实现可持续发展具有重要意义。基于生态足迹模型测度了长江中游城市群县域尺度的可持续发展状况,并在STIRPAT模型框架下基于交通网络空间互动关系挖掘生态足迹的驱动机制和空间效应,为交通网络扩张背景下的跨区域生态治理与可持续发展提供参考。研究结果显示：(1)2010—2017年,长江中游城市群县域生态足迹均值有所下降;(2)道路交通网络和铁路交通网络规模均有所扩大,但连通性略有下降;(3)在基于交通网络构建的空间互动媒介下,城镇化率和人均GDP对生态足迹具有显著的促进作用,而第三产业增加值占比对生态足迹产生抑制影响,且生态足迹表现出积极的空间外溢效应。基于以上研究结果,建议在基于交通网络加强区域生态协同发展的同时,建设产业互促、资源互通、技术互享的区域联动可持续发展新格局。     

黄河上游流域生态系统服务变化及其权衡协同关系

黄河上游是我国重要的生态屏障和生态功能区,研究其生态系统服务的时空演化及其权衡协同关系对实现黄河流域生态保护和高质量发展具有重要意义。基于土地利用、土壤、气象等数据,借助InVEST模型、相关性分析以及空间自相关分析等方法,定量分析了2000-2020年黄河上游生态系统服务的时空演化特征及其权衡与协同关系。结果表明:(1)黄河上游各项生态系统服务整体表现为"西南高,东北低"的分布格局,高值区主要分布于流域西南部,低值区主要分布于流域东北部;(2)研究期内,黄河上游各项生态系统服务均呈现波动变化的趋势,产水量和土壤保持呈现整体减少趋势,生境质量与碳储量呈现增加的趋势;(3)各项生态系统服务两两之间均存在不同程度的相关关系,产水量与生境质量、碳储量呈现此消彼长的权衡关系,产水量-土壤保持、生境质量-碳储量与土壤保持-碳储量之间呈现协同关系;(4)在空间分布格局上,各项生态系统服务间的权衡与协同关系表现出显著的空间异质性与尺度效应,不同分区之间差异较大。本文可为科学管理区域生态系统,促进流域可持续发展提供参考。     

基于改进三维生态足迹模型的洞庭湖区生态可持续时空演化研究

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,也是中国重要的农产品主产区。科学评估洞庭湖区生态可持续状态,揭示其时空演化特征,对探究其生态可持续影响因素与作用机理,降低生态赤字具有重要意义。基于碳足迹与生态足迹理论构建了改进的三维生态足迹模型,填补了化石能源无法核算生态承载力的问题,同时调整了不同土地利用类型的参数因子。在对洞庭湖区25个区县进行可持续发展的动态评价分析中,计算了2000—2019年生态赤字、足迹广度与深度的时空分布特征。研究结果表明：(1)近20年来洞庭湖区的人均生态足迹增长速度远高于人均生态承载力,致使人均生态赤字在时间维度上不断增大,空间维度上呈湖滨向周边地区扩散的趋势;(2)洞庭湖区除林地之外的土地利用类型均存在自然资本存量的消耗,且表现为高生态赤字;(3)三次产业结构的分配、土地利用的变化、居民对生活质量的提高以及生态保护政策的有效实施等均会对洞庭湖区的可持续发展产生较大影响;(4)改进后的化石能源账户相较于传统账户的计算方法更能反映真实的碳排量与碳吸收量。研究以期为洞庭湖区土地利用、生态保护以及促进社会经济可持续发展提供科学参考。     

三江平原粮食作物生产水足迹时空特征及影响因素

水足迹是评价人类活动对水资源开采和水环境污染程度的重要方法,对农作物生长过程的绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹进行量化和分析,可以为农业用水综合评价和用水管理提供指导。以三江平原为研究区域量化粮食作物生产水足迹的时空特征,揭示粮食生产对区域水资源的占用情况,并分析水足迹的影响因素。结果表明:(1)三江平原粮食生产水足迹总量在2005-2018年间呈显著增加趋势,其中绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹在水足迹总量中的占比历年平均为28%、8%和64%;(2)粮食生产水足迹空间差异明显,在地市尺度,佳木斯市水足迹最高,占三江平原总量的47%,在县区尺度,富锦市、依兰县和桦南县是水足迹热点地区;(3)只考虑蓝水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成轻度压力,而同时考虑蓝水和灰水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成重度压力;各地市间水资源压力有较大差异,其中佳木斯市负担了该区域将近一半的粮食产量,水资源压力最高,鹤岗市则水资源压力最低;(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平等都会影响粮食作物生产水足迹,其中蓝水足迹响应种植结构的变化最敏感,灰水足迹响应化肥施用量的变化最敏感,而水足迹总量响应作物单产水平的变化最敏感。因此,建议减少化肥施用量、提高作物单产水平和优化作物种植结构纳入区域水资源可持续管理之中。     

基于生态足迹的大学食堂餐具生态影响分析

以生态足迹为定量分析方法,以广州大学食堂为例,分析计算了一次性餐具和公用餐具对生态环境的影响,并比较分析了各种型号的餐具生态足迹.分析了一次性餐具和公用餐具生产过程中的原料消耗及能耗.广州大学食堂所用的餐具主要为塑料制餐具、不锈钢餐具、木制和竹制筷子.消耗的资源主要为钢铁、乙烯、木材和竹材等,可归于化石能源地足迹和林地足迹.调查了公用餐具洗涤过程中的资源消耗,主要为洗涤过程中的水电消耗以及废水处理能耗,可归于化石能源地足迹和可耕地足迹.最后结合学校食堂餐具的使用方案,计算了一次性餐具和公用餐具(以1a为限)的生态足迹.研究表明,公用餐具组合的足迹为3.7236×10-3gm2(全球平方米,记为gm2),使用竹筷的一次性餐具组合足迹为2.2085×10-2 gm2,使用木筷一次性餐具组合足迹为9.3781×10-2gm2.公用餐具足迹是一次性餐具的3.97%～16.8%.此外,由于竹筷的足迹是木筷23.55%,因此使用竹筷能大大降低一次性餐具对生态的影响.     

涟水流域水产出服务供需分析与服务流研究

水产出服务的供需的定量评估与空间制图是当前研究的核心与前沿议题,但是需要进一步加强人类需求与自然过程的时空关联分析和服务流模拟之间的耦合.以涟水流域为研究区,基于ArcGIS和In VEST模型,利用多源数据构建了水产出服务供需平衡与空间流动模型,从子流域尺度探究了涟水流域水产出服务的供需空间匹配特征与流动规律,对流域...     

我国水资源生态足迹分析与预测

生态足迹模型的提出为水资源可持续利用的定量评价提供了新思路.通过构建水资源生态足迹和水资源生态承载力的计算模型,对我国1949～2007年水资源的可持续利用状况作出了客观的评价,并运用ARIMA模型对我国水资源生态足迹变动趋势作出深入的研究.结果表明,1949～2007年,我国人均水资源生态承载力总体上呈下降态势,而人均水资源生态足迹则逐年上升,从而造成人均水资源生态赤字逐渐增大,我国水资源处于一种不安全状态.运用ARIMA(2,1,3)模型的预测结果表明,2008～2012年,我国人均水资源生态足迹将继续呈上升态势,水危机形势将日益严峻.在此基础上,针对我国水资源的可持续利用问题提出了一组政策建议.     

中国水生态足迹广度、深度评价及空间格局

运用生态足迹方法对水资源进行流量资本和存量资本区分,测算分析了中国31个省市1997—2014年的水生态足迹广度与深度。结果显示:(1)中国的水生态足迹广度受年际水资源量丰枯影响,总体呈波动趋势;各省市的水生态足迹广度存在着明显差异,南方地区水生态足迹广度普遍大于北方地区;(2)研究期内,中国的水生态足迹深度只有1998年为1,其余年份的水资源流量资本已不能满足人类生产生活的需求,需要消耗水资源存量资本;各省市之间水生态足迹深度相差较大,整体上北方高南方低,其中14个省份18年的平均水生态足迹深度为1,平均水生态足迹深度最高的地区是宁夏的308.12;(3)运用空间自相关方法对31个省市的水生态足迹广度和深度进行分析得出,中国省际水生态足迹广度与深度均存在明显的空间集聚现象。水生态足迹广度H-H集聚地区主要集中在中国南方地区,水生态足迹深度H-H集聚地区主要集中在中国北方地区。通过对全国水生态足迹广度与深度的测度分析为水生态足迹分析提供新的研究方法,同时也为区域水资源可持续利用提供理论依据。     

黄河流域旅游生态效率时空演变及空间溢出效应——基于73个城市数据的分析

黄河流域旅游生态效率时空演变及空间溢出效应研究,有利于优化旅游资源要素投入,推动黄河流域生态保护及高质量发展。基于超效率SBM模型测算2010—2019年黄河流域73个城市旅游生态效率,借助ArcGIS软件描绘时空演化轨迹,并构建空间杜宾模型揭示空间溢出效应。结果表明：(1)黄河流域旅游生态效率时序上呈现先上升后下降的阶段性特征,空间上呈现“下游-中游-上游”阶梯式递减的异质性特征;(2)旅游生态效率分布具有明显的空间集聚与依赖特征,低水平同质化现象显著;(3)空间溢出效应显著,政府干预、市场规模对邻近城市旅游生态效率具有正向溢出效应,经济发展、产业结构、交通可达性对邻近城市旅游生态效率具有负向溢出效应。基于实证分析结果,提出制定差异化、互补性旅游发展策略,加强区域旅游战略合作,发挥邻近区域辐射带动作用,优化城市空间溢出效应的建议。     

黄河流域水源涵养服务功能动态演变及驱动因素

黄河流域是中国重要的生态屏障,研究其水源涵养服务功能对推动黄河流域生态保护与高质量发展具有重大意义。采用InVEST模型量化黄河流域1980-2020年水源涵养服务功能,使用空间自相关分析黄河流域水源涵养服务功能空间分布模式,并运用地理探测器分析黄河流域水源涵养服务功能的驱动因素。结果表明:(1)1980-2020年黄河流域水源涵养量为174.8639亿m³-378.4538亿m³,多年平均水源涵养量265.0475亿m³,其中草地与林地多年平均水源涵养量分别占黄河全流域水源涵养总量的52.94%和24.27%。全流域水源涵养量呈现上下游地区较高,中游地区较低的分布格局。(2)全局莫兰指数为0.875,表明黄河流域水源涵养服务在空间上呈现聚集分布,以低-低聚集与高-高聚集为主。(3)1980-2020年不同地类平均水源涵养能力排序:灌木林>有林地>高覆盖草地>其他林地>中覆盖草地>低覆盖草地>旱地>建设用地>未利用地>水田>水域。(4)降水量是影响黄河流域水源涵养量变化的主要驱动因子,降水量与土地利用间交互作用对黄河流域水源涵养服务功能空间分异解释力显著增强。研究结果可为黄河流域生态系统管理与高质量发展提供重要参考。     

疏勒河流域陆地水储量与植被指数的时空耦合关系

干旱区水资源与植被生长状态的时空变化规律及其耦合关系的研究一直以来都是水文学和生态学等领域研究的重点和热点。以我国干旱区内陆河流域—疏勒河流域为研究区,利用2002—2016期间GRACE卫星反演的陆地水储量变化(TWSA)和MODIS的增强型植被指数(EVI)两个指标开展了基于像元的流域水资源和植被状态的时空格局变化及其耦合关系研究。结果表明:(1)在时间尺度上,疏勒河流域的TWSA和EVI表现出明显的周期性、季节性以及趋势性规律;(2)在空间尺度上,基于像元的流域TWSA和EVI均呈明显的空间异质性;(3)在时空耦合关系方面,年均TWSA与EVI在流域整体尺度上呈中度负相关;在子分区尺度上,中部平原区呈高度负相关,南部山区和北部山区相关性不显著;在像元尺度上,年均TWSA与EVI呈高度负相关、中度负相关、低度负相关的像元分别占全流域的19%、32%和31%;仅有18%的像元呈低度正相关,说明疏勒河流域的TWSA与EVI的时空耦合关系复杂且具有明显的空间异质性和尺度效应。研究结论将为疏勒河流域的水资源优化配置和合理开发利用,以及为实现干旱区的可持续发展提供科学依据。     

沿海快速城市化地区能值生态足迹变化分析

当前我国经济的快速发展和生态环境之间的矛盾日益显著,不利于城市可持续发展。生态足迹目前已成为普遍接受的可持续发展指标,选定生态足迹改进方法——能值生态足迹模型,以城市化地区厦门市为研究区进行计算分析,以期发现快速城市化过程中可能面对的问题。首次计算分析了厦门市1980年至2010年的能值生态足迹动态变化,并对其可持续发展进行了评价。结果表明,30年间厦门市人均生态足迹需求从1980年的8.6 ghm2持续增长至2010年的52.8 ghm2,而供给方面的人均生态承载力却从1980年的181.2 ghm2持续下降为47.5 ghm2,2009、2010年该市由生态盈余转为生态赤字。同时,从生态足迹组分及其比例来看,30年间化石燃料用地和建设用地的生态足迹增长迅速,二者对厦门市人均能值生态足迹变化贡献最大,并且成为2000年后总体足迹中所占比例最大的组分,各自占比超过20%。结果分析显示,厦门市开始面临逐渐加重的生态环境压力,需要开始重视其可持续发展。因此调整厦门市的产业结构和控制城市化发展非常必要。一方面,应该降低第二产业的比例,降低对化石能源的使用,同时促进第三产业的发展和第一产业的现代化,以此为城市提供更多的资源供给并降低资源需求,特别是化石能源的需求。     

黄河流域植被光合动态时空演变及归因分析——基于日光诱导叶绿素荧光数据

植被光合作用是维持区域生态平衡和气候稳定的关键过程之一,对了解区域生态系统的健康状况和应对气候变化具有重要意义。基于GOSIF数据,对2001-2021年黄河流域植被光合的时空变化规律及原因进行了分析。结果表明:(1)黄河流域植被光合总体呈上升趋势,在空间上表现为西部和东南部高、北部低的分布格局。其中关中平原、阿尼玛卿山、宁夏平原以及黄河三角洲地区的植被光合呈现出显著退化的趋势。(2)归因分析结果表明,不同气候要素对植被光合动态的影响具有显著差异,总体上降水和太阳辐射与黄河流域的植被光合动态呈现出正相关,而温度与植被光合动态呈现出负相关。气候变化和人类活动对黄河流域植被光合动态具有不同程度的影响。人类活动(76.24%)对植被改善区域的贡献远大于气候变化(23.76%)。在退化区域中,稀树草原和农田中的气候变化贡献大于人类活动,灌木、草地和湿地中的人类活动贡献大于气候变化,林地中的气候变化贡献与人类活动相当。研究结果有助于更好理解黄河流域植被光合作用的变化机制,为黄河流域生态保护和高质量发展以及气候变化研究提供了重要的参考依据。     

基于ESTDA模型的中国水生态足迹及水生态压力评价

基于水足迹视角,测度了中国31个省份2000-2018年的水生态足迹广度、深度及水生态压力,采用ESTDA框架对其时空动态特征进行分析。结果表明：①研究期内,中国水生态足迹总量呈波动上升态势;水生态承载力波动幅度较大,空间分布格局整体呈现自东南向西北逐渐较少的趋势。②水生态足迹广度与水生态承载力呈同步变化趋势,整体上已接近水资源可提供的流量资本上限,各省市水生态足迹深度差异较大。③研究期内,水生态压力指数小于1的区域与水生态足迹深度为1的区域相吻合,水生态压力指数大于1的区域主要分布在华北及西北地区。④LISA时间路径表明,水生态足迹广度、深度及水生态压力的整体空间格局均具有较强的稳定性;三者的局部空间结构在空间依赖方向上的稳定性依次加强;空间格局演化的空间整合性呈现水生态足迹深度 > 水生态压力 > 水生态足迹广度,空间上,水生态足迹广度正向协同增长省份主要集中于南方省份,而水生态足迹深度和水生态压力正向协同增长区则分布于华北、西北地区;各要素的空间分布格局表现出较强的路径依赖及锁定特征。     

Addressing the energy crisis: using microbes to make biofuels

Much of the energy being used to power our lives comes from fossil fuels such as coal, natural gas and petroleum. These energy sources are non-renewable, are being exhausted and also pollute the air, water and soil with toxic chemicals. Their mining, transportation, refining and use are associated with a large carbon footprint that contributes significantly to global warming. In addition, the geopolitical complexities surrounding the main fossil fuel producers create risks and uncertainties around the world. Replacing fossil fuels with clean, renewable forms of energy is paramount to creating a sustainable and healthy future, and for laying the foundations for global political stability and prosperity. Using biomass from plants, microbes can produce biofuels that are identical to or perform as well as fossil fuels. In addition of creating sustainable energy, advancing the biofuel industry will create new, high-quality rural jobs whilst improving energy security.     

A system of systems approach to energy sustainability assessment: Are all renewables really green?

Renewable energies are emerging across the globe in an attempt to slow down global warming and to improve national energy security in face of the depleting fossil fuel reserves. However, the general policy of mandating the replacement of fossil fuels with the so-called “green” energies may not be as effective and environmental-friendly as previously thought, due to the secondary impacts of renewable energies on different natural resources. Thus, an integrated systems analysis framework is essential to selecting optimal energy sources that address global warming and energy security issues with minimal unintended consequences and undesired secondary impacts on valuable natural resources. This paper proposes a system of systems (SoS) framework to determine the relative aggregate footprint (RAF) of energy supply alternatives with respect to different sustainability criteria and uncertain performance values. Based on the proposed method, the RAF scores of a range of renewable and nonrenewable energy alternatives are determined using their previously reported performance values under four sustainability criteria, namely carbon footprint, water footprint, land footprint, and cost of energy production. These criteria represent environmental efficiency, water use efficiency, land use efficiency, and economic efficiency, respectively. The study results suggest that geothermal energy and biomass energy from miscanthus are the most and least resource-use efficient energy alternatives based on the performance data available in the literature. In addition, despite their lower carbon footprints, some renewable energy sources are less promising than non-renewable energy sources from a SoS perspective that considers the trade-offs between the greenhouse gas emissions of energies and their effects on water, ecosystem, and economic resources. Robustness analysis suggests that with respect to the existing performance values and uncertainties in the literature, solar thermal and hydropower have the most and least level of RAF robustness, respectively. Sensitivity analysis indicates that geothermal energy and ethanol from sugarcane, have the lowest and highest RAF sensitivity to resource availability, respectively.     

一种改进的中国水资源空间网格化方法

为揭示中国水资源的时空分布格局,引入降水量、干燥度、蒸散发、坡度、植被覆盖度、集水区等6个因素,结合分区权重赋值法,提出了一种改进的对中国水资源空间分配模型。结果表明:基于二级流域的改进水资源空间分配模型对我国具有较高的适用性,其中在三级流域和省级行政单元上的空间分配总体误差分别为7.89%和7.25%。相比黄河流域、淮河流域和西北诸河流域,长江流域、松花江流域和东南诸河流域的水资源空间分配精度更优,其原因在于该区域的水资源空间分布受自然因素(降水量、蒸散发等)影响更为显著。中国水资源空间分布从西北到东南呈增长趋势,这与降水的空间格局基本吻合。南方诸河流域的水资源量主要来源于降水,而冰川融水则是西北诸河流域及多数内陆河流域的主要水源。水资源与国内生产总值(GDP)密度之间的关系随城市规模和地理位置发生变化。这些可为区域水资源管理提供科学依据和数据依据。