能源重化工工业园环境系统动力学仿真与调控

以锦界工业园环境系统为对象,在系统结构分析基础上,构建其系统动力学模型,并确定生产性投资比例、科技投资比例、环保投资比例、污水处理投资率、废气处理投资率、固废处理投资率为调控参数进行仿真。结果表明,当生产性投资比例由0.14提高到0.16,科技投资比例由0.02提高到0.04,环保投资比例由0.04提高到0.08,污水处理投资率由0.4下调为0.36,废气处理投资率由0.2提高到0.34,固废处理投资率由0.4下调为0.3时,园区年均工业总产值增长率达到21%,环境相对污染度年均降幅为8.1%,人口年增长率为4.7%,系统达到相对最优状态。因此,锦界工业园在环境管理中应采取以下措施:一是合理的调整生产、科技和环保的投资比例,适当降低生产性投资比例,增加科技投资和环保投资比例;二是合理的调整污水、废气和固废处理的投资比例,加强三废处理的基础设施建设,为构建完整的三废回收和处理系统奠定基础。     

“双碳”目标下东北三省水-能源纽带关系及网络特征分析

厘清水-能源联动关系,优化水-能源消费结构是实现“碳达峰、碳中和”的首要途径。构建区域资源-经济投入产出模型,以2017年为基准年对东北三省水资源和能源消耗进行测算,并通过展布虚拟水-能源足迹的空间转移变化,分析部门资源流通状况,在此基础上耦合多源数据构建水-能源系统生态网络分析模型,探究水-能源网络耦合特征。结果显示：(1)2017年东北三省直接水资源消费总量为561.97亿m~3,能源隐含水总量为30.48亿m~3,水资源隐含能消费量为699.25万tce,直接能源消费量为40579.95万tce,虚拟水足迹为474.13亿m~3,虚拟能源足迹为54668.6万tce;(2)虚拟水足迹部门转移变化为：辽宁省最大输入路径为食品制造及烟草加工业-农业,吉林省和黑龙江省输入路径则相反;虚拟能源部门转移变化中最大流通部门分别为：建筑业-第三产业/金属冶炼及制品业、采选业-化学工业。(3)水-能源网络循环率均低于40‰,竞争关系是水-能源网络效用矩阵关系中主流关系;在三省中,吉林省水-能源网络的协作性最优,生态网络处于更为稳定的状态之中;水-能源网络耦合后,各省虚拟资源网络共生指数呈现不同程...     

基于WaSSI模型的珠江流域水-碳耦合模拟

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模型(WaSSI-PRB),将珠江流域划分为1715个子流域,选定1980—2004年为率定期、2005—2016年为验证期,并对径流、蒸散发和总初级生产力(GPP)等3个关键水-碳通量的模拟结果进行验证。结果表明: 西江、北江、东江的水文控制站,径流模拟纳什效率系数(NSE)和决定系数(R²)在率定期均达0.80以上,在验证期均达0.75以上;相较于MODIS、PML、SSEBop、VPM等大尺度遥感数据产品,WaSSI-PRB模型能更好地模拟ET和GPP的时空分布特征。总体而言,WaSSI-PRB模型在珠江流域具有较好的适用性,可作为量化分析流域水-碳平衡及其对变化环境响应关系的一种有效工具。     

我国东北生态系统服务供需匹配关系——基于水-能源-粮食纽带视角

水、能源和粮食是人类生存发展的必要基础物资,其供给均主要源于生态系统。随着全球气候变化和人类社会经济快速发展,基础资源需求量激增,生态系统服务供需关系趋于紧张。厘清生态系统服务供需匹配关系、优化基础资源配置对生态系统可持续、协调发展具有重要意义。当前生态系统供需关系研究已较为广泛,但基于水-能源-粮食纽带的生态系统服务研究还相对较为缺乏。因此,以东北地区为例,基于水-能源-粮食关系视角,首先,借助InVEST模型、供需指数(SDI)、Spearman相关性分析等方法分析了产水(WY)、固碳(CS)和粮食(FP)供需服务时空格局、相关性和空间匹配模式;其次,基于省级、市级、县级、流域、格网5种不同空间尺度,进一步探究了各服务的空间尺度效应,并确定资源管理的最优空间尺度;最后依据“分区控制-分类策略-分级治理”理念提出了一种水-能源-粮食集成管理方案和政策建议。研究结果表明:(1)2000-2020年,东北地区的供给服务中WY和FP为上升态势、CS为下降态势,就空间分布来看,WY和CS大致为“东高西低”,FP则是“西南、东北高,西北、东南低”;需求服务中WY、CS和FP均为上升态势,空间上大致呈“中间高四周低”分布。(2) WY和FP的SDI上升,CS则相反;不同尺度下的SDI具有空间异质性,县域尺度最为显著。(3) FP为主要功能分区,重点管控为主要分类,亟待全面提升生态系统服务供给能力。本研究对区域基础资源合理配置和可持续的生态系统管理具有重要科学参考价值和现实意义,同时对东北地区生态系统供需服务匹配以及水-能源-粮食纽带协同发展具有重要意义。     

基于“水-能源-粮食”纽带的生态系统服务供需关系时空分布研究——以长三角生态绿色一体化发展示范区为例

生态系统服务供需平衡是区域可持续发展的重要环节,也是有效反映区域社会经济与自然是否能够协调发展的重要表征。以长三角生态绿色一体化发展示范区为例,以"水-能源-粮食"纽带为切入点,基于InVEST模型、CASA模型和Thornthwaite Memoriai模型,测度了示范区2000、2005、2010、2015及2020年产水、固碳、粮食生产服务的供需量,引入基尼系数、供需指数和相关系数,刻画区域生态系统服务供给和需求的空间特征,结果表明：（1）2000-2020年,除粮食生产服务供给量波动下降以外,产水和固碳的供给量均呈波动上升趋势。在需求量方面,三种生态系统服务均呈上升趋势;（2）空间上,产水和粮食服务供给量主要呈"东南、西南高"的特征,固碳供给量高值则集中于吴江区桃源镇,各项生态系统服务需求高值区主要以人口密度较大乡镇为中心呈环状分布;（3）示范区内各生态系统服务空间上呈均衡分布状态,各类生态系统服务供需指数均呈下降趋势;（4）在供给方面,产水-粮食生产呈现显著的协同关系,产水-固碳、固碳-粮食生产的权衡/协同关系不显著;在需求方面,三种生态系统服务呈现出两两协同关系。本研究探索示范区生态系统服务供需关系的时空分布,有利于构建区域生态安全格局,可为长三角地区生态系统服务供需研究提供借鉴。     

基于系统动力学的鄱阳湖区多维福祉时空差异演变与情景模拟

基于资本框架的福祉测度是可持续发展导向下多维福祉研究的重要趋势。基于资本框架构建多维福祉指数,应用基尼系数、空间自相关等方法分析2006-2018年鄱阳湖区38个区县多维福祉指数的时空演化特征,并借助系统动力学方法构建鄱阳湖区多维福祉系统,模拟不同发展情景下鄱阳湖区福祉系统的变化态势。研究发现：（1）2006-2018年鄱阳湖区多维福祉水平得到明显提升,福祉水平空间差异持续缩小。西湖区、东湖区、青山湖区、青云谱区等一直是鄱阳湖区福祉水平高值区,也是福祉水平的高-高集聚区;余干县、九江县、都昌县、庐山市等滨湖地区的福祉水平相对较低,但其后进优势明显,并逐步退出福祉低-低集聚区,福祉水平低-低集聚区的范围大幅缩小。（2）鄱阳湖区多维福祉水平仍有较大的提升空间,可持续发展模式是提升鄱阳湖区福祉水平的优选途径。社会资本与人力资本的投入是提升鄱阳湖区福祉最有效的手段,有助于福祉水平的短期提升;经济资本是鄱阳湖区福祉水平长期发展的不竭动力。注重发挥高福祉集聚区的带动作用,着力激发低福祉区县的福祉后发优势,加强四大资本间的协同作用,发挥社会资本、人力资本对福祉水平的快速提升效应,培育经济资本以实现对区域福祉水平的长期驱动,是推动鄱阳湖区福祉空间均衡发展,减缓人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾的关键。     

齐口裂腹鱼上溯过程中“冲刺-滑行”行为对水动力的响应

研究以西南山区特有鱼种齐口裂腹鱼(Schizothorax prenanti)为研究对象, 对其游泳行为模式进行量化解译, 寻找其偏好的水动力学条件, 构建水流条件与生态行为的纽带。运用具有流速梯度的水槽创造非均匀流场条件, 得到齐口裂腹鱼在室内试验水槽内上溯的视频图像。运用图像识别技术, 计算上溯全过程的游泳动力学指标摆尾角度与摆尾频率, 在此基础上实现生态学与水动力学的耦合研究。研究表明, 齐口裂腹鱼在上溯过程中喜好在具有流速梯度处通过改变摆尾角度和摆尾频率等来适应非均匀流场, 其喜好摆尾角度为25°—35°, 喜好摆尾频率为2.5—3.5次/s, 偏好流速为0.20—0.40 m/s。随着水流速度的增大, 摆尾角度呈现逐渐减小的趋势, 且齐口裂腹鱼偏好选择在流速由大变小的区域, 进行摆尾冲刺加速, 且更趋向于摆尾角度变化为“弱强弱”的摆尾模式。滑行阶段引入滑行流速系数, 量化表示摆尾角度、滑行距离和流速三者间的耦合关系, 通过计算滑行距离对水流负方向上位移的贡献率, 得到滑行方向与水流负方向夹角。研究表明, 滑行流速系数为1.0—3.0时具有代表性, 齐口裂腹鱼对滑行方向与水流负方向夹角的偏好为40°—60°。研究利用多指标量化评价的方法, 以复杂流场为背景条件, 进一步满足过鱼设施建设需求。     

基于“目标-成本-效益”协同优化的山水林田湖草沙一体化生态保护与修复格局

当前以“山水林田湖草沙一体化保护与修复”为代表的国土空间生态修复工程已在全国范围内陆续开展,但相关规划的理论和方法支撑仍较为薄弱,如何确定合理的保护修复目标,并对生态保护与修复格局进行整合优化,是实现山水林田湖草沙一体化保护与修复规划需要解决的关键问题。基于系统保护规划理论和方法,初步构建了基于“目标-成本-效益”协同优化的一体化保护修复规划构架,以大兴安岭中段嫩江-哈拉哈河源头区为例,依托空间优化模型(Marxan)对一体化保护修复格局进行了优化模拟,结果表明：(1)绰尔河流域的生态系统保护优先级最高,其次是哈拉哈河流域和洮儿河流域,最后是霍林河流域。当预算不足时,优先保护绰尔河流域可以最大限度的提升研究区内的生态系统服务功能;(2)当优化目标低于50%,优化格局中以林地保护和草地保护为主,需要修复格局规模较小,当优化目标比例超过50%,需要采取生态修复的面积明显增加。随着优化目标比例的提升,优化格局所需面积越来越大,优化后区域中各类生态系统服务功能均有所提高;(3)依据目标-成本-效益曲线,60%的保护修复水平(即1980—2020年退化损失的生态系统服务的60%)为最高效的保护修...     

基于水凝胶的“自下而上”组织工程技术研究进展

随着微纳生物制造技术和新型生物材料(如新型水凝胶)的发展,基于模块化组装的"自下而上"组织工程技术引起了广泛的关注,在复杂微结构和血管化组织/器官构建方面显示了广阔的发展前景.本文介绍了"自下而上"组织工程技术的基本原理及模块单元的制备和组装方法,综述和讨论了"自下而上"组织工程技术在体外重构三维组织/器官方面取得的最新研究进展,并对其在生物医学领域的发展前景进行了展望.     

基于人工神经网络与空间仿真模拟的区域森林碳估算比较——以龙泉市为例

森林是生态系统的重要组成部分,准确估算森林碳储量及其分布对于评价森林生态系统的功能具有重要意义。以龙泉市为研究区,利用2009年99个森林资源清查样地数据和同年度Landsat TM影像数据,采用高斯序列协同仿真(SGCS)与BP神经网络方法(BPNN)分别模拟森林地上部分碳密度及其分布,并进行了对比分析。随机将样本数据分成70个建模样本和29个检验样本。通过模型检验,BP神经网络预测值与实测值的相关性达到0.67,相对均方根误差为0.63,空间仿真方法预测值与实测值的相关性为0.68,相对均方根误差为0.63,空间仿真方法预测能力略高于神经网络方法。仿真结果表明,基于BP神经网络模拟的森林碳总量为11042990 Mg,平均碳密度为36.10 Mg/hm2,总体森林碳密度均值高于样地平均值8.82%。基于空间仿真模拟的森林碳总量为11388657 Mg,平均碳密度为37.23 Mg/hm2,总体森林碳密度均值高于样地平均值9.40%。对比分析可知:高斯协同仿真模拟和BP神经网络虽然在碳总量估算值上与抽样数据估计值相近,但两种方法在估测值的频率分布以及研究区碳分布上有较大的差异。与BP神经网络相比,序列高斯协同模拟结果更接近系统抽样样地实测值,全部样地预测值与实测值的相关性达到0.75,在估计区域森林碳空间分布上有明显优势。在碳密度值域与频率分布方面,序列高斯协同模拟结果分布更合理。综上所述,序列高斯协同模拟在森林碳空间估计方面要优于BP神经网络。     

基于气候适宜度的东北地区春玉米发育期模拟模型

以春玉米的生理生态发育过程为基础,基于作物生理发育时间恒定原理,建立了可推广应用的作物发育期模拟模型.本文充分考虑光、温、水对作物生育进程的综合影响,设计了基于气候适宜度来动态确定作物生理发育日数的算法,为模型的大范围推广应用奠定了基础.利用东北地区农业气象站2009、2010年观测资料对模型进行了分析和验证,模型运行结果与实际观测情况比较吻合,全生育期的均方根误差(root mean square error,简称RMSE)为3.8d,营养生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.84以上,生殖生长阶段发育期模拟结果的相关系数在0.77以上.模型生物学意义明确、精度较高、数据易获、可操作性强,能够在农业气象业务服务中应用于玉米生育进程的模拟与预测.     

基于SLEUTH模型的阜新市城市扩展模拟

基于SLEUTH模型对1997—2013年阜新市城市扩展进行模拟.结果表明:阜新市转型进程中城市扩展最优系数分别为:扩散系数6、繁衍系数64、蔓延系数44、坡度阻抗系数52、道路引力系数90.阜新市主要表现为新中心增长(自发式增长产生的新城市中心)和边缘增长(新、老城市中心的进一步增长);阜新市转型进程中城市扩展受道路引力影响很大,其值达到90;阜新市作为资源枯竭型城市,矿区枯竭带来了滑坡、塌陷等一系列自然灾害,研究期间城市扩展受到坡度的阻抗是很大的.从城市规模角度看,道路引力对小城市的作用大于大城市;从新中心增长情况来看,小城市更容易出现新中心增长.阜新作为资源型城市,目前确定为资源枯竭型城市,经济转型是头等大事,引进的外资企业、新建的开发区、工业用地等在选址上更偏向道路交通便利区域,受道路影响较大,而且更容易出现飞地式发展.利用SLEUTH模型校正所得的最优参数,对阜新市城市范围进行模拟,其中,城市边缘增长的模拟效果较好,城市新中心即飞地增长的模拟效果较差,主要因为新中心增长受决策影响较大,元胞关系作用不大.2001、2006、2010、2013年的阜新市城市范围模拟精度较高.     

基于系统动力学的辽宁省水环境承载力模拟与预测

应用系统动力学方法建立了水环境承载力模型,并结合层次分析法和向量模法,模拟了辽宁省水环境系统的动态变化,预测了2000-2050年辽宁省水环境在不同发展方案下的承载能力.结果表明：若保持现行发展方案不变,2000-2050年,辽宁省水环境承载力将呈逐年下降趋势;仅增加水资源供给、不进行科学合理的水环境保护与治理,将无法提高该区域水环境承载能力;只有将开源、节流、治污、减排等多种手段相结合,才能有效提高辽宁省水环境承载能力,促进该地区经济、社会和环境的协调发展.     

基于最小累积阻力模型的东北地区生态安全格局构建

生态安全格局对于缓解生态保护与经济发展之间的矛盾具有积极意义。以东北地区为研究对象,综合参考《生态保护红线划定技术指南》、《全国生态功能区划》以及东北地区自然资源禀赋和社会经济发展水平,基于水源涵养、防风固沙、生物多样性维持与保护等功能指标和敏感性指标划分生态源地;利用夜间灯光数据修正基本生态阻力面,并运用最小累积阻力模型划分缓冲区、识别生态廊道和生态战略节点,从而构建东北地区生态安全格局。结果表明:东北地区生态源地总面积为6.50×10⁵km²,占全区土地总面积的45.02%,包括18个生态源地,主要分布在大兴安岭、小兴安岭、长白山脉和西部草原的部分区域;划分了高、中、低3个水平缓冲区,关键生态廊道中心线总长11073.52km,生态战略节点29个,在东北地区形成以生态源地为中心的网状空间布局。结果可为保障区域生态系统服务功能和可持续发展政策的制定提供科学参考。     

东北地区植被物候期遥感模拟与变化规律

使用1982—2003年GIMMS-NDVI数据,借助GIS空间分析功能,提取东北地区不同植被NDVI时间序列数据,使用分段式Logistic函数模拟了东北地区不同植被物候期,分析了1982—2003年不同植被物候期的变化趋势。结果表明:针叶林、阔叶林、草丛、草甸和沼泽植被生长季开始日期提前,生长季延长,其中沼泽植被生长季开始日期提前和生长季延长的趋势明显,针叶林次之;结束日期的变化趋势表现不一,针叶林和沼泽植被生长季结束日期推迟,阔叶林、草丛和草甸植被呈现微弱提前趋势;针阔混交林、灌丛、草原和农田植被生长季开始日期推迟,生长季缩短,其中农田植被生长季开始日期推迟和生长季缩短的趋势明显,草原次之;针阔混交林、灌丛、草原和农田4种植被生长季结束日期呈现提前的变化趋势,其中灌丛结束日期的提前趋势明显。     

Simulation of forest carbon dynamics based on a dry-matter production model

A microcomputer model for forest carbon dynamics with five functional comparments (atmosphere, foliage, woody-parts, roots and dead biomass in the soil) is constructed which incorporates dry-matter production processes of trees such as photosynthesis, respiration and allocation of photosynthate. The effect of photosynthesis rate at saturated light and dark respiration rate of a single leaf upon surplus production (P _s) is three-dimensionally illustrated as a function of cumulative leaf area index (LAI) and extinction coefficient of light. Probable values of the physiological parameters in this model are determined by repeated simulation experiments. The successional pattern during a period of 100 years is simulated, demonstrating stable and perpetual occurrence of a tropical rainforest ecosystem composed of three strata. The model is also analyzed in terms of response of relative initial density of trees, thereby displaying the law of constant final yield in a forest ecosystem. The model outputs of carbon fluxes and phytomasses at the steady state agree quite well with field data already obtained from a tropical rainforest at Pasoh.     

Simulation of forest carbon dynamics based on a dry-matter production model

Effects of dry season upon a tropical rainforest ecosystem are analysed by employing the microcomputer model developed in a previous paper (Oikawa, 1985). Surplus production (P _s) illustrated in a three-dimensional figure linearly decreases with the length of dry season (λ). Simulation experiments demonstrate that all the three strata constituting the tropical rainforest ecosystem model are able to exist stably and perpetually unless λ exceeds four months. However, it is suggested that the dry season lasting five months brings about a transition from a tropical rainforest to a subtropical deciduous forest, because the upper story fails in a stable and perpetual occurrence at λ =5 months. Though the total living phytomass gradually decreases with prolonged dry season within four months, supplementary increase of living phytomass is observed in the middle story. A considerable amount of soil organic dead accumulated is also observed with increasing dry season, so that fairly constant ecosystem biomass including soil organic dead is predicted independent of the length of dry season so long as it is less than five months.     

Simulation of forest carbon dynamics based on a dry-matter production model

Journal of Plant Research - Effects of increasing atmospheric CO2 concentration upon a tropical rainforest ecosystem are analysed by employing the microcomputer model developed in a previous paper...     

A temperature-precipitation based leafing model and its application in Northeast China

Plant phenology models, especially leafing models, play critical roles in evaluating the impact of climate change on the primary production of temperate plants. Existing models based on temperature alone could not accurately simulate plant leafing in arid and semi-arid regions. The objective of the present study was to test the suitability of the existing temperature-based leafing models in arid and semi-arid regions, and to develop a temperature-precipitation based leafing model (TP), based on the long-term (i.e., 12-27 years) ground leafing observation data and meteorological data in Northeast China. The better simulation of leafing for all the plant species in Northeast China was given by TP with the fixed starting date (TPn) than with the parameterized starting date (TPm), which gave the smallest average root mean square error (RMSE) of 4.21 days. Tree leafing models were validated with independent data, and the coefficient of determination (R(2)) was greater than 0.60 in 75% of the estimates by TP and the spring warming model (SW) with the fixed starting date. The average RMSE of herb leafing simulated by TPn was 5.03 days, much lower than other models (>9.51 days), while the average R(2) of TPn and TPm were 0.68 and 0.57, respectively, much higher than the other models (<0.22). It indicates that TPn is a universal model and more suitable for simulating leafing of trees and herbs than the prior models. Furthermore, water is an important factor determining herb leafing in arid and semi-arid temperate regions.     

基于系统动力学的雏菊世界模型气候控制敏感性分析

Lovelock于20世纪70年代提出了著名的盖娅假说,认为地球是一个由生物和非生物环境组成的“超级有机体”,有能力调节自身的气候和化学组成,使之适合于生物的生存.盖娅假说遭到了生物学家,尤其是新达尔文主义者的强烈批评,认为它是目的论;随后,Lovelock通过雏菊世界模型论证了该假说.模型中的黑雏菊和白雏菊通过反射较少或较多的太阳光来调节地球的温度.基于雏菊世界模型,通过假设不同的初始条件——不同初始面积分配和不同的太阳光反射率组合,运用系统动力学对雏菊世界的温度调节能力进行了敏感性分析.结果证明,既使初始条件有差异,雏菊世界仍能够通过自我调节机制调节系统稳定时的星球温度,达到最适合生物生存的温度.雏菊世界模型对于初始面积分配、光照反射率组合条件不敏感.最后,雏菊世界模型的优点在于系统分析思想和以及对地球系统的简化,但是随着人类活动对地球系统影响的日益显著,建议模型应包含更多的环境、生物变量以及反馈关系和人类活动因素,将盖娅系统融入到自然-人类耦合的大系统中.