中国生态地理区城市水资源利用效率及影响因素

水资源利用效率是落实最严水资源管理制度和水生态文明建设的重要内容,是中国国民经济社会发展的重要战略问题。通过分类数据包络分析模型对2007-2016年中国生态地理区城市水资源利用效率进行测算,分析全国和生态地理区城市水资源利用效率特征,采用Tobit回归模型探讨中国和生态地理区城市用水效率的影响因素。研究结果表明：我国城市水资源利用效率普遍较低,全国水资源效率均值呈现先下降后上升波动式发展,全国城市间用水效率差距在缩小。生态地理区水资源利用效率差异显著,温带干旱区、温带半干旱区、温带半湿润区、温带湿润区和亚热带湿润区用水效率依次递减,区域间水资源效率差异在逐渐减小。城市人口、土地利用结构、经济发展水平、产业结构与全国城市水资源利用效率呈显著正相关,而城市供水、用水结构、水资源管理政策则表现为显著负相关性。     

基于遥感数据的植被碳水利用效率时空变化和归因分析

植被碳水利用效率是表征生态系统碳水循环的重要指标。采用MODIS数据,利用Google Earth Engine平台计算植被碳利用效率(Carbon Use Efficiency, CUE)与水利用效率(Water Use Efficiency, WUE)。采用趋势分析、变异系数、R/S分析及偏相关分析等方法,对2000—2020年黄河流域植被CUE与WUE的时空动态进行分析,并探究水热条件对碳水利用效率的影响。结果表明：(1)2000—2020年黄河流域植被碳水利用效率年均值分别为0.61和0.68 gC m^-2 mm^-1;研究时限内,植被CUE呈波动下降趋势,而WUE呈波动上升趋势。(2)空间上,植被CUE呈西高东低分布,WUE相反。不同土地覆被类型的CUE表现为草地>农田>灌丛>森林;WUE表现为：农田>森林>草地>灌丛。(3)总体上,黄河流域植被CUE与温度呈负相关,与降水呈正相关;黄河流域北部植被WUE与温度和降水均呈正相关关系,黄河流域西南部植被WUE与降水负相关;(4)不同土地利用类型中,草地...     

基于Super-SBM模型的中国省域城市工业用地生态效率时空演变及影响因素研究

研究城市工业用地生态效率能够准确认识当前城市工业用地可持续发展水平,对节约和集约用地具有重要意义。以省域为单位,运用Super-SBM模型测算2000—2016年中国30个省(市、区)城市工业用地生态效率,分析其时空演变特征,并运用面板数据模型对其影响因素进行实证分析。结果表明:(1) 2000—2016年中国城市工业用地生态效率总体呈下降趋势,总体下降5.81%,年均下降0.35%,其过程呈现"先下降后上升"两阶段变化特征;(2)工业用地生态效率均值相对无效率城市远多于相对有效率城市,生态效率均值最高的是海南,其次为北京和上海,排在最后三位的是四川、江西、山西;(3)生态效率有效的省(市、区)个数先大幅度减少后小幅度增多,有效区域由东部地区、西北、东北地区向东南地区、东北经济发达沿海地区、西北地区、华北地区转移;(4) 2000—2016年城市工业用地生态效率均值按从大到小排序依次为华南地区、华北地区、华东地区、西北地区、东北地区、西南地区和华中地区,区域间城市工业用地生态效率存在较为显著的差异,且随着城市工业的发展区域差异呈增大趋势;(5)环境管制力度、工业行业集聚程度、工业对外开...     

黄河流域植被格局变化对水分利用效率的影响

黄河流域横跨3个气候带,是全球人类活动最为强烈的地区之一,特殊的地理位置和复杂的下垫面导致其碳-水循环过程较为复杂。研究黄河流域碳水循环不仅是区域水资源利用的基础,也是实现气候变化条件下双碳目标的关键。水分利用效率(WUE)作为表征碳水过程的重要指标,可用于反映生态系统碳水耦合规律及其相互作用关系。基于此,利用全球陆表特征参量数据(GLASS)的净初级生产力(NPP)和蒸散(ET)产品以及中国逐年土地利用与覆盖数据集(CLUD-A),分析了黄河流域植被格局变化背景下WUE在1990—2018年的时空变化特征及其驱动力。结果表明：(1)黄河流域全域WUE在29 a的均值处在0.18—1.53 g C/kg H₂O之间,存在明显的空间异质性,上游地区WUE明显高于中下游地区,分别在0.66—0.92 g C/kg H₂O和0.43—0.62 g C/kg H₂O之间波动,二者均存在波动上升态势。(2)黄河流域全域WUE在以2000年为中间点的10 a的增速达到近29 a的峰值,流域植被格局变化所带来的流域内NPP与ET变化速...     

How to Deal with Resource Productivity

Resource productivity enhancement stands at the center of tackling issues on environmental pollution and resource scarcity. Identifying influential socioeconomic factors should be the first step in establishing and improving resource management policy. This study compares and analyzes data from multiple countries to construct a resource productivity simulation model. The socioeconomic factors and their characteristic patterns are discussed in detail. The results demonstrate that the major factors influencing resource productivity include income level, population density, economic structure, energy structure, and raw material trade. Among these factors, the three most important are income level, population density, and economic structure. The influencing patterns can be summarized as follows: (1) Resource productivity increases with increasing income levels. (2) Countries with high population density are inclined to demonstrate high resource productivity. (3) The economic structure shows a biphase influence on resource productivity, that is, during industrialization, decreased agricultural activity and increased industrial activity lead to higher resource productivity. On the other hand, after industrialization, decreasing industrial activity and an expanding service sector become the major impetus of resource productivity enhancement. (4) Raw material export demonstrates a negative effect on resource productivity. Countries that depend heavily on raw material export show a unique resource productivity evolution pattern. For these countries, relatively high resource productivity in low income phases and relatively low resource productivity in high income phases show only small increases in resource efficiency and economic growth. Finally, insights from the study are transformed into suggestions for sustainable resource management and resource productivity enhancement.     

云南省植被水分利用效率时空变化及影响因素

对云南省植被水分利用效率(WUE)的时空特征及影响因素进行研究可以更加全面的了解全球气候变化在区域上的响应。基于MODIS数据定量估算了2000—2014年云南省植被水分利用效率,利用趋势分析法和相关分析来对其时空格局和影响因素进行研究。研究结果表明：(1)云南省植被WUE整体呈现显著上升的趋势,增速为0.0078 gC mm^-1 m^-2 a^-1,年内表现为“M”型的变化趋势。2009—2013年的干旱对该地区植被WUE产生了滞后的正效应。不同土地利用类型下的植被WUE从高到低依次为森林,灌木地,草地和耕地。(2)在空间分布上植被WUE呈现西部高于东部的分布特征;在时间尺度上呈现北增南减的趋势。云贵高原与青藏高原的连接区域——丽江市的植被WUE最高,整体上大于2.5 gC mm^-1 m^-2。澜沧江上游的三江并流区植被WUE随着山脉的走势呈现条状变化分布,不仅是植被WUE的低值集中区,同时也是植被WUE增加10%以上的集中区,另外滇东北和滇东南也是植被WUE的低值区。总的来看,除...     

青藏高原植被水分利用效率时空变化及与气候因子的关系

水分利用效率(WUE)是研究陆地碳水循环耦合的有效指标,青藏高原是我国最重要的生态安全屏障,了解WUE的特征以及变化机制,对研究高原生态系统碳水循环和水资源合理利用有重要意义。本研究基于MODIS的总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据,分析青藏高原WUE的时空变化特征以及气候因子对WUE的影响。结果表明: 2001—2020年,在GPP和ET的共同作用下,青藏高原WUE呈上升趋势;WUE平均值较高的区域为高原东南部、东北部,低值区为高原中部。草地、沼泽、高山植被WUE呈增长趋势,灌丛、阔叶林、针叶林呈下降趋势。WUE与年均气温呈显著正相关,敏感性随着气温的升高而增加;WUE与年降水量呈非线性关系,降水量小于700 mm时,WUE对降水敏感性随着降水增加而减小,降水量大于700 mm,降水敏感性随着降水增加而增大。青藏高原超过75%的区域WUE与降水呈负相关,与气温相比,WUE受降水影响的面积更大,未来气候暖湿化将导致WUE降低。     

供给侧改革视角下中国省域生态产品有效供给及影响因素

生态产品是事关人类生命健康、经济社会建设的世界性稀缺产品.为了更好地分析生态产品有效供给问题,找出生态产品有效供给的规模效率的变化规律,本研究利用2004—2015年的面板数据,以劳动力、资本、能源和技术为投入变量,以GDP、生态产品和非期望产出为产出变量,运用SBM-Undesirable模型和泰尔指数对我国生态产品有效供给的规模效率及其差异性进行测算,并运用Tobit模型进一步对其影响因素进行实证分析.结果表明: 我国生态产品供给规模效率在2011年以前呈下降趋势,以2012年为转折点呈现上升态势,但地区间仍有较大差距.全国及各地区生态产品有效供给效率的影响因素不尽相同,从全国总体情况看,经济发展水平、产业结构(第二产业增加值占GDP比重)、科技投入、金融资本投入(环境污染治理占GDP比重)、能源消费结构(煤炭消费量占能源消费总量比重)和农业面源污染的影响为负,而生态空间及外贸结构的影响为正;在东部地区,产业结构、科技投入、金融资本、能源消费结构和农业面源污染的影响为负,经济发展水平、生态空间及外贸结构的影响为正;在东北地区,经济发展水平、农业面源污染和外贸结构的影响为负,产业结构、科技投入、能源消费结构和生态空间的影响为正;在中部地区,经济发展水平、科技投入、金融资本、能源消费结构、农业面源污染和生态空间的影响为负,产业结构和外贸结构的影响为正;在西部地区,产业结构、能源消费结构和农业面源污染的影响为负,经济发展水平、科技投入、金融资本、生态空间及外贸结构的影响为正.在进一步对以上实证测算进行理论分析的基础上,从供给侧改革的角度提出有效提高生态产品供给规模效率的政策启示,包括注重转变经济发展方式、优化生态系统结构和遵循生态法则进行整体治理等.     

树木水分利用效率研究综述

在我国干旱半干旱地区,如何高效地利用极为有限的水资源来合理构建和恢复森林植被,并最大程度地发挥其多种功能,已经成为目前森林生态学研究中的一个热点,而对于树木水分利用效率(WUE)的研究则是其核心和关键内容之一。本文从介绍和剖析树木WUE的概念入手,分别在单叶、个体和群体等三个空间尺度上系统地阐述了WUE概念的内涵及其相应的计算方法,并且对各种方法的优缺点进行了评论。最后,在详细分析国内外树木WUE相关研究进展的基础上,针对我国干旱、半干旱地区水资源短缺和植被恢复与重建之间的矛盾,提出了今后树木WUE的研究发展趋势和应用前景。     

Ecological interactions and the fitness effect of water‐use efficiency: Competition and drought alter the impact of natural MPK12 alleles in Arabidopsis

The presence of substantial genetic variation for water‐use efficiency (WUE) suggests that natural selection plays a role in maintaining alleles that affect WUE. Soil water deficit can reduce plant survival, and is likely to impose selection to increase WUE, whereas competition for resources may select for decreased WUE to ensure water acquisition. We tested the fitness consequences of natural allelic variation in a single gene (MPK12) that influences WUE in Arabidopsis, using transgenic lines contrasting in MPK12 alleles, under four treatments; drought/competition, drought/no competition, well‐watered/competition, well‐watered/no competition. Results revealed an allele × environment interaction: Low WUE plants performed better in competition, resulting from increased resource consumption. Contrastingly, high WUE individuals performed better in no competition, irrespective of water availability, presumably from enhanced water conservation and nitrogen acquisition. Our findings suggest that selection can influence MPK12 evolution, and represents the first assessment of plant fitness resulting from natural allelic variation at a single locus affecting WUE.     

西北半干旱区深旋松耕作对马铃薯水分利用和产量的影响

探明深旋松耕作技术(VRT)对西北黄土高原半干旱区马铃薯阶段性耗水、个体和群体生长状况、产量、水分利用效率和经济收益的影响,可为寻求抗旱增产、资源高效利用的耕作方法提供依据.本研究采用随机区组设计,于2016和2017年设置旋耕15 cm (TT)、深松40 cm (DLT)、深旋松耕40 cm (VRT) 3种耕作方式,测定马铃薯不同生育时期0～200 cm土层土壤贮水量、叶片SPAD值、叶面积指数、植株干物质量和产量等指标,计算阶段耗水量、水分利用效率(WUE)、商品率、商品产量、纯收益和新增收益等指标,探究深旋松耕作对马铃薯生产效率和经济效益的影响.结果表明: 与TT和DLT相比,VRT能显著促进马铃薯在盛花期和块茎膨大期的耗水,2016和2017年分别较DLT、TT增加了46.7、35.7和27.2、47.3 mm.由于VRT促进马铃薯耗水,叶片SPAD值、干物质量和叶面积指数均显著提高,证明它能促进马铃薯个体和群体发育.基于较高的个体和群体生长量,VRT的马铃薯块茎产量显著提高,分别在2016和2017年较DLT和TT增加了156.8%、47.8%和24.8%、41.0%,WUE相应地提高了92.3%、19.2%和18.9%、26.6%.深旋松耕作使马铃薯商品薯产量显著增加,纯收益和新增纯收益显著提高,在2016和2017年分别达到 12631.9、11019.1和29498.3、18245.5元·hm^-2.深旋松耕作促进马铃薯花期和块茎膨大期耗水,使马铃薯叶片SPAD值、干物质量和叶面积指数显著提高,导致块茎产量和水分利用效率明显升高,并提高了商品薯产量和纯收益,是适宜于西北黄土高原半干旱区马铃薯种植的耕作技术.     

常规灌溉条件下嫁接和增施氮肥对温室黄瓜耗水量及水分利用效率的影响

在日光温室内研究了常规灌溉条件下,嫁接和3种施氮水平（0、110和331 kg·hm^-2）对日光温室黄瓜耗水量和水分利用效率的影响.结果表明：在嫁接和追施氮肥331 kg·hm^-时,黄瓜耗水量最高,冬春茬和秋冬茬分别为3 350和2 181 m³·hm^-2,水分利用效率也最高,两茬口分别为27.2和36.9 kg·m^-3.在施氮量相同的情况下,嫁接黄瓜的耗水量比自根黄瓜提高3%～6%,经济产量和水分利用效率则分别提高28%和209%;随着施氮量的增加,嫁接黄瓜耗水量和水分利用效率均显著增加,自根黄瓜耗水量也随施氮量的增加而增加,但水分利用效率却在施氮110 kg·hm^-2时最高.因此,嫁接栽培可显著提高黄瓜耗水量及水分利用效率,且随着施氮量的增加而显著增加;增施氮肥也可显著提高自根黄瓜的耗水量,但氮肥增施过多则将降低自根黄瓜的水分利用效率.     

Carbon isotope composition,water-use efficiency and biomass productivity of Eucalyptus microtheca populations under different water supplies

Variation in carbon isotope composition (δ¹³C), water-use efficiency (WUE) and biomass productivity were compared among three populations of Eucalyptus microtheca F. Muell. in a greenhouse. Seedlings were maintained under one well-watered (Control, keeping the soil at field capacity) and two different water deficit conditions (Drought stress I, keeping the same soil water content; Drought stress II, keeping the same soil water supply). In each treatment, significant population differences in δ¹³C, WUE, and dry matter accumulation and allocation were detected. A negative correlation between WUE and biomass productivity was detected under control and drought stress I, but a positive correlation under drought stress II. The results suggested that there were different water-use strategies among the populations, the southeastern population with lower WUE may employ a prodigal water-use strategy, whereas the northwestern and central populations with higher WUE may employ a conservative water-use strategy. This knowledge may be useful as criteria for genotype selection within a breeding program for this species. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

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...     

黄土高原半干旱区作物水分利用研究新途径

以黄土高原半干旱区农业生产条件 ,特别是土壤水分特性为背景 ,结合植物根冠通讯方面的有关研究进展 ,讨论了根化学信号在本地区的研究与开发潜力 .本地区节水农业的核心是提高作物的水分利用效率 ,其途径包括 :1 )减少土壤表面的无效蒸发量 ;2 )增加深层根量 ,减少表土中的根量 ,优化资源分配模式 ,提高繁殖分配比例 .根化学信号对这两方面都有重要影响 .基于目前的知识积累 ,应在根化学信号对作物生产力的影响方面作深入研究 ,可揭示节水农业中某些重要的理论问题     

Seasonal responses of terrestrial ecosystem water‐use efficiency to climate change

Ecosystem water‐use efficiency (EWUE) is an indicator of carbon–water interactions and is defined as the ratio of carbon assimilation (GPP) to evapotranspiration (ET). Previous research suggests an increasing long‐term trend in annual EWUE over many regions and is largely attributed to the physiological effects of rising CO₂. The seasonal trends in EWUE, however, have not yet been analyzed. In this study, we investigate seasonal EWUE trends and responses to various drivers during 1982–2008. The seasonal cycle for two variants of EWUE, water‐use efficiency (WUE, GPP/ET), and transpiration‐based WUE (WUE_t, the ratio of GPP and transpiration), is analyzed from 0.5° gridded fields from four process‐based models and satellite‐based products, as well as a network of 63 local flux tower observations. WUE derived from flux tower observations shows moderate seasonal variation for most latitude bands, which is in agreement with satellite‐based products. In contrast, the seasonal EWUE trends are not well captured by the same satellite‐based products. Trend analysis, based on process‐model factorial simulations separating effects of climate, CO₂, and nitrogen deposition (NDEP), further suggests that the seasonal EWUE trends are mainly associated with seasonal trends of climate, whereas CO₂ and NDEP do not show obvious seasonal difference in EWUE trends. About 66% grid cells show positive annual WUE trends, mainly over mid‐ and high northern latitudes. In these regions, spring climate change has amplified the effect of CO₂ in increasing WUE by more than 0.005 gC m⁻² mm⁻¹ yr⁻¹ for 41% pixels. Multiple regression analysis further shows that the increase in springtime WUE in the northern hemisphere is the result of GPP increasing faster than ET because of the higher temperature sensitivity of GPP relative to ET. The partitioning of annual EWUE to seasonal components provides new insight into the relative sensitivities of GPP and ET to climate, CO_2, and NDEP.     

亚洲半干旱区碳水通量时空格局及驱动因素

亚洲半干旱区生态系统敏感,环境问题突出,作为全球近30年来碳水通量变化最大的区域,明确其碳水通量的时空分布格局和驱动因素对区域资源管理与可持续发展、全球气候变化等领域具有重要意义。基于植被与土壤湿度的联合同化产品(LPJ-Vegetation and soil moisture Joint Assimilation, LPJ-VSJA),结合研究区植被及气象数据,分析了亚洲半干旱区2010—2018年碳水通量植被总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)和水分利用效率(WUE)的时空变化、年际变化贡献率以及驱动因素。结果表明：(1)2010—2018年亚洲半干旱区年均GPP、ET、WUE空间格局总体呈“双夹型”,中高纬度与低纬度地区的碳水通量值大于中纬度区域。(2)2010—2018年GPP、ET和WUE的年际变化总体都呈现增长趋势,但只有GPP呈现显著增长趋势(P<0.05),增速为7.82 g C m^-2 a^-1。(3)WUE的年际变化表现为总体先增加后减少,正值中农田对WUE年际变化贡献率最大(54.6%),森林生态系统在面积占比仅有...     

农田水氮关系及其协同管理

作物施氮反应及其氮肥利用率不仅取决于氮肥管理,还与水资源管理有关,并且受到地区气候因素的影响。针对中国灌溉农区氮肥环境污染问题日益突出,协调农田水氮管理,如通过改善水资源管理,发挥水氮协同效应,以提高水分利用效率来改善氮肥利用率,实现水氮利用率双赢,是当前农业水氮管理中亟待探讨和回答的问题。通过对农田水氮协同相关研究文献资料的综述,以华北平原集约种植体系水氮管理为例,根据历年统计数据,分析了该区年水热条件下粮食产量与水、氮及水氮利用效率之间的关系。研究表明,水和氮与作物产量在一定范围表现为水氮的协同效应。水分利用效率一般随灌溉水量减少及氮肥用量增加而提高;氮肥利用效率随氮用量增加而下降。适量节水和减氮分别有助水分利用效率和氮肥利用效率的改善。在气候变暖、变干条件下,适量施氮成为改善水氮利用效率的关键对策。     

Responses of photosynthesis and carbohydrate-partitioning to limitations in nitrogen and water availability in field-grown sunflower*

Abstract. Sunflower plants (Helianthus annuus L., cv. CGL 208) were field-grown in adjacent plots of varying resource availability. Control plants received irrigation (on a 4–5 d interval) and high levels of fertilizer nitrogen. Nutrient-stress (N-stress) plants received control levels of irrigation but no nutrient amendments and were determined to be nitrogen-limited. Water-stress (H₂O-stress) plants received control levels of fertilizer nitrogen, but no irrigation after approximately 6 weeks of plant growth. Both stress treatments reduced maximum and diurnal net photosynthesis (A) but resulted in different physiological or biochemical adjustments that tended to maintain or increase A per unit of resource (nitrogen or water) in shortest supply while decreasing the ratio of A per unit of abundant resource. Nutrient-stress reduced total foliar nitrogen, foliar chlorophyll, and initial and total RuBPCase activities, thereby enhancing or preserving photosynthetic nitrogen-use efficiency (NUE), defined as the maximum A observed per unit of leaf nitrogen, relative to the control and H₂O-stress treatments. In addition, N-stress reduced photosynthetic water-use efficiency (WUE), defined as the ratio of A to stomatal conductance to water vapour (g). The slope of A versus g increased with H₂O-stress. In addition, sunflower plants responded to H₂O-stress by accumulating foliar glucose and sucrose and by exhibiting diurnal leaf wilting, which presumably provided additional improvements in photosynthetic WUE through osmoregulation and reduction of midday radiation interception respectively. Photosynthetic NUE was decreased by H₂O-stress in that control levels of total nitrogen, foliar chlorophyll, and RuBPCase activities were maintained even after mean diurnal levels of A had fallen to less than 50% of the control level. We conclude that field-grown sunflower manages a trade-off between photosynthetic WUE and NUE, increasing use efficiency of the scarce resource while decreasing use efficiency of the abundant resource.