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地理学报 2022年第3期77卷 507-517页

作者：李双成张文彬陈立英梁泽张雅娟王铮北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871 博宇科技股份有限公司石家庄050035

数字孪生研究呈现由平稳发展到爆发态势,应用领域迅速增加,规模不断扩大,亟需发展用于指导各个领域和不同结构与规模的数字孪生研究与应用的方法论体系。本文在总结分析各个领域数字孪生发展过程和趋势的基础上,提出以孪生空间作为概括... 详细信息

数字孪生研究呈现由平稳发展到爆发态势,应用领域迅速增加,规模不断扩大,亟需发展用于指导各个领域和不同结构与规模的数字孪生研究与应用的方法论体系。本文在总结分析各个领域数字孪生发展过程和趋势的基础上,提出以孪生空间作为概括和统摄各尺度数字孪生体的框架,并给出了孪生空间的定义和一般特征。然后,以目前已有初步实践基础的孪生城市为例简要阐述了其应用。作为地理学研究对象的载体抑或研究对象本身的空间,由自然地理空间、人文社会空间和地理信息空间三元空间构成,彼此整合度不高。为更有效地开展地理学综合研究,我们提出以孪生空间整合三元空间,重构地理研究空间。孪生空间具有与物理空间的双向实时互馈特征,能够打破地理三元空间内部的壁垒,进而实现模拟现实、预测变化和调控过程的地理综合研究任务。

关键词：物理空间孪生空间孪生城市空间重构

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山地物种海拔分布对气候变化响应的研究进展

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生物多样性 2022年第5期30卷 120-134页

作者：祖奎玲王志恒北京大学城市与环境学院生态研究中心、地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

过去1个世纪以来,全球气候变化显著并已成为全球生物多样性面临的重要威胁之一。如何利用有限的资源最有效地保护生物多样性已成为亟待解决的最重要科学问题之一。山地因其具有较高的生境异质性、气候多样性和较低的人类活动干扰,已成... 详细信息

过去1个世纪以来,全球气候变化显著并已成为全球生物多样性面临的重要威胁之一。如何利用有限的资源最有效地保护生物多样性已成为亟待解决的最重要科学问题之一。山地因其具有较高的生境异质性、气候多样性和较低的人类活动干扰,已成为最重要的生物多样性避难所,也具有较高的生态服务价值,在生物多样性保护中扮演着重要角色。但山地更容易受到气候变化的影响,山地地区较为剧烈的气候变化将对山地生态系统的稳定性及其多样性造成严重威胁。理解山地物种海拔分布对气候变化的响应和潜在机理,以及气候变化带来的物种海拔分布变化的负面效应,将为全球气候变化背景下的山地生物多样性保护提供参考依据。本文综述了全球山地地区的气候变化情况,总结了物种海拔迁移的研究进展,重点讨论了山地物种分布最适海拔、海拔上下限和海拔分布范围变化的研究进展及不足,比较了不同地区和不同类群物种海拔迁移的差异性,以及物种对气候变化响应的滞后性。从生物及非生物因素等多个角度概括了物种海拔迁移响应气候变化的潜在机理,评估并总结了气候变化引起的物种海拔分布所产生的负面效应,主要对物种向上迁移对高海拔地区物种多样性的影响、物种迁移带来的分布区改变导致的物种灭绝风险以及物种海拔分布变化导致的种间相互作用改变等方面进行全面探讨。最后,展望了未来在此领域研究中应注意的问题,提出了在未来气候变化下山地生物多样性保护需要采取的措施,强调应重点关注对气候变化较为敏感的类群及生物多样性区域,加强中国山地物种对气候变化响应的监测网络建设和研究力度,重点加强监测气候变化对动植物互作关系的影响。

关键词：海拔迁移气候变化保护策略分布区山地滞后

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农田土壤碳循环过程及其量化方法

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环境科学 2023年第12期44卷 6857-6868页

作者：孙昭安朱彪潍坊学院种子与设施农业工程学院山东省高校生物化学与分子生物学重点实验室潍坊261061 北京大学生态研究中心城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

已有研究表明除了作物碳(根际沉积碳和秸秆碳)对农田土壤有机碳(SOC)的输入外,土壤碳还来源于土壤自养微生物固定SOC的贡献以及土壤无机碳(SIC)的固定(无机化学途径和微生物的生物矿化途径).农田SOC的高低主要受到外源作物碳输入和原有... 详细信息

已有研究表明除了作物碳(根际沉积碳和秸秆碳)对农田土壤有机碳(SOC)的输入外,土壤碳还来源于土壤自养微生物固定SOC的贡献以及土壤无机碳(SIC)的固定(无机化学途径和微生物的生物矿化途径).农田SOC的高低主要受到外源作物碳输入和原有SOC分解的平衡作用.作物碳输入在短期内通常促进SOC的分解,呈现正(根际)激发效应.通过整合分析主要作物的根际激发效应和秸秆还田的激发效应的研究,发现作物根系生长和秸秆还田引起的(根际)激发效应大小平均值分别为75%和67%.尽管秸秆还田通过激发效应引起SOC分解的额外释放,但是土壤残留秸秆碳通常大于激发效应导致SOC的额外损失,因此秸秆还田可能增加SOC的储量.在农田系统中,秸秆碳和根际沉积碳往往共存,这导致土壤碳输入和输出至少有3个碳源(根际沉积碳、秸秆碳和土壤碳),由于多碳源体系的区分方法存在挑战,目前这两种作物碳(根际沉积碳和秸秆碳)对SOC分解的激发效应影响是不清晰的.最后,提出了新量化方法,可以多源区分根际CO_(2)排放以及SOC中作物碳输入的碳源,以及区分碱性土壤中无机化学和微生物途径对SIC的贡献.研究有助于提高对农田土壤SOC和SIC输入和输出途径的理解,以及农田土壤碳平衡评估的精确度.

关键词：土壤碳根际沉积碳激发效应秸秆还田多碳源体系

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全球变化情景下的中国木本植物受威胁物种名录

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生物多样性 2022年第5期30卷 100-106页

作者：彭莳嘉罗源蔡宏宇张晓玲王志恒北京大学城市与环境学院生态研究中心、地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

生物多样性正面临快速丧失的风险,气候和土地利用变化已成为生物多样性的主要威胁之一。受威胁物种名录是区域和全球生物多样性保护的重要基础数据,也是保护区规划的基础。作为一个生物多样性大国,中国已开展了高等植物受威胁状况的系... 详细信息

生物多样性正面临快速丧失的风险,气候和土地利用变化已成为生物多样性的主要威胁之一。受威胁物种名录是区域和全球生物多样性保护的重要基础数据,也是保护区规划的基础。作为一个生物多样性大国,中国已开展了高等植物受威胁状况的系统性评估,建立了受威胁植物名录,为植物多样性保护规划提供了支撑。但由于数据和方法限制,现有受威胁植物名录制定时未定量考虑全球变化对植物分布的潜在影响,因而可能低估物种的受威胁等级及未来生物多样性的丧失风险。本研究基于高精度的木本植物分布数据和物种分布模型,评估了未来气候和土地利用变化对木本植物分布的潜在影响。基于每个物种适宜分布区大小的变化,并依据IUCN红色名录评估指标A3c的阈值标准,更新了木本植物的受威胁等级,补充了未来中国潜在受威胁木本植物名录。结果显示:综合不同的气候变化情景(RCP 2.6、RCP 6.0和RCP 8.5)和扩散情景(完全扩散、20 km/10年、不扩散),约12.9%–40.5%的木本植物被评估为受威胁物种。该名录将为制定木本植物保护优先级、开展保护区规划、提升全球变化情景下的生物多样性保护成效提供基础数据,也为其他类群制定全面的受威胁物种名录提供参考。

关键词： IUCN红色名录木本植物濒危等级全球变化中国

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张掖市城区大气细颗粒物PM_(2.5)的化学组成及来源解析

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环境科学 2022年第12期43卷 5367-5375页

作者：潘成珂黄韬高宏常莉敏宋世杰毛潇萱王佳欣赵渊马建民兰州大学资源环境学院甘肃省环境污染预警与控制重点实验室兰州730000 北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

为研究张掖市城区大气细颗粒物(PM_(2.5))的污染特征和来源,于2020年9月至2021年7月在张掖市城区的河西学院和湿地博物馆2个采样点进行了PM_(2.5)样品采集,对PM_(2.5)浓度、化学组成(水溶性无机离子、碳质组分和元素)和来源进行分析.结... 详细信息

为研究张掖市城区大气细颗粒物(PM_(2.5))的污染特征和来源,于2020年9月至2021年7月在张掖市城区的河西学院和湿地博物馆2个采样点进行了PM_(2.5)样品采集,对PM_(2.5)浓度、化学组成(水溶性无机离子、碳质组分和元素)和来源进行分析.结果表明,河西学院和湿地博物馆两个采样点的年均ρ(PM_(2.5))分别为(73.7±31.8)μg·m^(-3)和(68.1±33.3)μg·m^(-3),季节浓度均值均呈现春季>冬季>秋季>夏季的变化.河西学院采样点的二次水溶性无机离子(SO_(4)^(2-)、NO_(3)-和NH_(4)+)年均值高于湿地博物馆.河西学院采样点的ρ(OC)和ρ(EC)分别为(9.6±5.7)μg·m^(-3)和(2.9±1.6)μg·m^(-3),湿地博物馆采样点的年均ρ(OC)和ρ(EC)分别为(9.2±5.8)μg·m^(-3)和(2.5±1.3)μg·m^(-3),河西学院的含碳组分在各季节均高于湿地博物馆.河西学院和湿地博物馆两个采样点的年均二次有机碳(SOC)在OC中的质量分数分别为49.4%和43.7%,表明张掖市存在较为严重的二次污染.河西学院和湿地博物馆两个采样点的元素浓度年均值分别为(6.0±3.5)μg·m^(-3)和(5.8±3.9)μg·m^(-3),受到人为源的影响,Zn、Ca、Al和Fe等元素浓度水平相对较高.正定矩阵因子分解模型(PMF)结果表明,张掖城区PM_(2.5)的主要贡献源为二次气溶胶(28.0%)、交通源(25.8%)、扬尘源(15.2%)、燃煤源(14.0%)、生物质燃烧和垃圾焚烧源(12.5%)和工艺过程源(4.5%).

关键词： PM_(2.5) 张掖市化学组成正定矩阵因子分解模型(PMF) 源解析

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基于SOFM网络的中国自然资源生态安全区划

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生态学报 2023年

作者：邹易蒙吉军吴英迪魏婵娟程浩然马宇翔北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室多伦多大学地理地理信息与环境系

自然资源生态安全是国家安全的重要组成部分,自然资源生态安全区划对保障区域可持续发展提供了重要途径。基于自然资源数据、生态环境数据和相关区划资料,从生态敏感性与生态服务重要性角度构建了自然资源生态安全评价指标体系,进而揭... 详细信息

自然资源生态安全是国家安全的重要组成部分,自然资源生态安全区划对保障区域可持续发展提供了重要途径。基于自然资源数据、生态环境数据和相关区划资料,从生态敏感性与生态服务重要性角度构建了自然资源生态安全评价指标体系,进而揭示了中国自然资源生态安全的空间格局;通过建立区划的原则和指标,按照一级区主要反映自然资源空间分布格局,二级区主要揭示自然资源生态安全水平的差异,采用SOFM网络制订了中国自然资源生态安全区划方案。结果显示:(1)中国自然资源生态安全水平整体偏低,以中警与重警状态区域为主,安全和较安全状态的区域仅占24.22%,其中低安全等级区多分布于400mm等降水量线以西的干旱、半干旱区,高安全等级区则集中分布于水热资源与生物资源较为丰富的东南部地区;(2)中国自然资源生态安全区划方案包括8个一级区与27个二级区,总结归纳各大区自然资源的特征和威胁生态安全的问题,并针对二级区自然资源生态安全状况提出了对策建议。研究结果可为分区、分类推进全国自然资源可持续利用和国土空间优化提供理论支持与决策依据。

关键词：自然资源生态安全 SOFM网络区划方案中国

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东北地区农村生活能源结构变迁及其对区域污染物排放的影响

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生态环境学报 2022年第12期31卷 2367-2373页

作者：邢冉沈国锋程和发陶澍北京大学城市与环境学院/地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

东北地区是中国取暖需求最强烈的地区之一,区域生活能源消耗量大且生物质占比高。基于实地入户调查获取居民生活能源消耗情况的第一手数据,分析2002—2017年东北地区的农村生活能源消费量和结构的变迁情况,估算生活源主要空气污染物的... 详细信息

东北地区是中国取暖需求最强烈的地区之一,区域生活能源消耗量大且生物质占比高。基于实地入户调查获取居民生活能源消耗情况的第一手数据,分析2002—2017年东北地区的农村生活能源消费量和结构的变迁情况,估算生活源主要空气污染物的产生量,并对比分析区域内居民生活用能和品质差异。研究发现,2017年区域户均生活能耗为58.6(50.5—69.7)GJ。2002—2017年,东北农村地区生活能源消耗量呈现下降趋势,户均能耗降幅约33%。能源消耗量下降主要源于生物质能源消耗量的减少,且主要发生在炊事活动中。能源结构的变迁主要表现在生物质能源的减少和商品能源的增加。2017年煤炭和生物质能源占比分别为52.2%和33.6%,电和气占比14.2%。能源结构的改变使生活源污染物排放量显著下降,一次PM_(2.5)的户均排放量下降了45%。污染物来源由以生物质为主转变为以煤炭为主,2017年民用煤炭贡献了70%的SO2和65%的PM_(2.5)。2017年,户均生活能耗量呈现黑龙江>辽宁>吉林的趋势,取暖能耗差异是造成三省能耗量不同的主要原因。在家庭户层面上,能源消耗量与家庭规模相关性不强,可能更多受到家庭收入和区域能源禀赋的影响。家庭商品能源占比和秸秆能源占比分别与人均收入水平(r=0.431,P=0.009)和人均粮食产量(r=0.516,P=0.001)呈正相关关系。充分而高效地利用当地丰富的生物质资源,优化取暖能源结构对区域能源可持续发展具有重要意义。

关键词：东北地区农村生活能源生物质污染物排放 PM_(2.5)

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松辽流域生态流量赤字及其成因

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环境科学学报 2022年第1期42卷 151-159页

作者：吴昌贤薄岩杜悦悦周丰北京大学城市与环境学院北京100871 北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

水资源的过度开发导致了水短缺和水生态退化,因此,提供适宜的生态流量对维护河流健康具有重要意义.以往研究聚焦断面尺度的生态流量及其保障程度,尚未有效剥离上游子流域的影响.本研究以松辽流域为研究对象,运用VMF法、Tessmann_(_adapt... 详细信息

水资源的过度开发导致了水短缺和水生态退化,因此,提供适宜的生态流量对维护河流健康具有重要意义.以往研究聚焦断面尺度的生态流量及其保障程度,尚未有效剥离上游子流域的影响.本研究以松辽流域为研究对象,运用VMF法、Tessmann_(_adapted)法和Smakhtin_(_adapted)法3种水文学法核算二级水资源区生态流量及1956—2000年期间生态流量赤字,解析生态流量赤字的关键成因.结果表明:松花江和辽河流域的生态流量分别为(1869±402)m^(3)·s^(-1)和(554±81)m^(3)·s^(-1),均占天然流量的44%.其中松花江(三岔口以下)流域生态流量最大,东辽河流域生态流量最小.1956—2000年,松辽流域均出现生态流量赤字且逐年增加,辽河干流赤字情况最严重.气候变化和人类耗水分别是造成松花江流域和辽河流域生态流量赤字的主导因素.该研究对松辽流域生态流量确定和保障、水资源合理开发利用、水生态保护等具有重要现实意义.

关键词：生态流量水文学法生态流量赤字人类耗水气候变化松辽流域

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基于背包LiDAR的半湿润常绿阔叶林及其常见树种的垂直结构特征

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生物多样性 2023年第11期31卷 45-55页

作者：饶杰生杨涛田希刘文聪王晓凤钱恒君沈泽昊云南大学生态与环境学院昆明650091 北京大学城市与环境学院北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京100871

森林的垂直结构是地上植被要素在垂直方向上的排列,它影响动植物多样性和生态系统功能,是许多植物生态学家关注的重点。背包激光雷达技术的发展为大面积、高精度扫描三维森林结构提供了基础。直观反映生物量的冠层高度(canopy height,CH... 详细信息

森林的垂直结构是地上植被要素在垂直方向上的排列,它影响动植物多样性和生态系统功能,是许多植物生态学家关注的重点。背包激光雷达技术的发展为大面积、高精度扫描三维森林结构提供了基础。直观反映生物量的冠层高度(canopy height,CH)、代表植物光合能力的叶面积指数(leaf area index,LAI)和单木尺度上的特征是森林垂直结构最重要的参数。本研究旨在探索鸡足山半湿润常绿阔叶林样地尺度和单木尺度上的垂直结构特征。本研究基于背包激光雷达,对滇中高原20.16 ha半湿润常绿阔叶林样地群落的CH和LAI进行了精细扫描和点云定量分析,在进行地形校正和群落分类的基础上,精细提取和分析了森林群落的叶面积指数的垂直变化和水平格局,并定量提取了群落常见乔木种的单木形态和垂直结构参数。结果显示:(1)以20 m×20 m标准样方为统计单位的CH和LAI的分布接近正态分布;(2)根据LAI的垂直分布,森林动态监测样地群落冠层由上至下可划分为林冠上层、林冠中层、林冠下层与灌木层4个层次;(3)元江栲(Castanopsisorthacantha)和高山栲(***)群落的LAI垂直变化呈单峰格局,峰值高度分别为15m和13m,云南松(Pinusyunnanensis)群落为双峰格局,峰值高度为5 m和10 m;(4)不同树种的各单木参数表现出较大的差异性,但冠幅面积/胸径比表现出相对的稳定性。本研究在国内首次基于激光雷达技术定量分析具有复杂结构的半湿润常绿阔叶林的叶面积指数的三维格局,或可对以后该类型森林生物多样性的研究和不同森林类型之间的比较研究提供数据基础。

关键词：半湿润常绿阔叶林垂直结构叶面积指数冠层高度背包激光雷达单木

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有机污染物的高铁酸盐氧化去除强化技术研究进展

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环境科学研究 2022年第6期35卷 1323-1333页

作者：李宇程和发北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室北京 100871

高铁酸盐〔Fe(Ⅵ)〕是一种环境友好型水处理剂,可以有效氧化具有不饱和官能团的有机污染物,但Fe(Ⅵ)直接氧化法具有诸多缺点亟待改善,如Fe(Ⅵ)在酸性条件下易于自分解、在碱性条件下反应速率低等.开发Fe(Ⅵ)氧化的强化技术可以通过生成... 详细信息

高铁酸盐〔Fe(Ⅵ)〕是一种环境友好型水处理剂,可以有效氧化具有不饱和官能团的有机污染物,但Fe(Ⅵ)直接氧化法具有诸多缺点亟待改善,如Fe(Ⅵ)在酸性条件下易于自分解、在碱性条件下反应速率低等.开发Fe(Ⅵ)氧化的强化技术可以通过生成高活性的高价铁氧中间体〔Fe(Ⅳ)/Fe(Ⅴ)〕或活性自由基,提高有机污染物的去除效能.本文系统介绍了多种Fe(Ⅵ)氧化的强化技术去除有机污染物的效能、活性物种和机理.Fe(Ⅵ)可以被酸、还原剂等均相活化剂和二氧化硅、过氧化钙、碳质材料等异相活化剂活化为Fe(Ⅳ)/Fe(Ⅴ)以促进有机污染物的降解,也可以与氧化剂、含硫还原剂、紫外光、光催化体系联用,通过产生活性自由基等活性物种〔如羟基自由基(?OH)、硫酸根自由基(SO4??)、超氧自由基(O2??)等〕协同降解有机污染物.由于活性物种发生变化,Fe(Ⅵ)氧化的强化技术可以影响有机污染物降解产物的种类、分布及毒性.目前的研究仍存在一些不足,如多种Fe(Ⅵ)氧化的强化技术机理尚不明确或存在争议,Fe(Ⅵ)氧化的强化技术导致的有机污染物降解产物变化相关研究较少,对Fe(Ⅵ)氧化的强化技术在实际水体中的降解效能也兹待研究.此外,有必要进一步开发高效环保的Fe(Ⅵ)氧化的强化技术.

关键词：有机污染物高铁酸盐活化技术协同技术降解产物毒性

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