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.

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.

以WEB OF SCIENCE数据库和中国知网学术期刊网络出版总库中1993-2016年期刊论文作为数据源,以“water footprint (水足迹)”OR(或)“virtual water(虚拟水)”为关键词进行文献检索,利用CiteSpace可视化文献分析工具,对检索出的文献分别进行关键词、作者、发文机构和载文期刊分析,并绘制出相关知识图谱,以此来探讨水足迹研究领域的发展现状以及未来的相关研究热点.结果表明:①水足迹领域相关研究文献数量不断增长,水足迹越来越受到中外学者的关注;②国外水足迹研究主要围绕虚拟水和水足迹展开,且对于水权问题的关注度较高,国内水足迹研究主要着眼于虚拟水贸易和虚拟水消费,应用型研究成为水足迹研究的热点,未来水足迹研究热点可能会围绕“水-粮食-能源”三者的耦合展开,对于水足迹与社会经济问题相结合的研究力度会逐渐增大;③水足迹领域中外文文献的发文作者都集中于少数研究人员,主要发文作者的研究奠定了水足迹研究的基础;④主要的发文机构有Univ Twente、中国科学院等,主要的载文期刊有ECOL ECON、HYDROL EARTH SYST SC、WATER RESOUR MANAG以及《资源科学》《中国人口·资源与环境》《生态学报》等.根据水足迹研究现状,给出了关于水足迹领域未来发展的建议.

木薯是世界重要的粮食和生物质能源作物,其块根淀粉含量高达25％～28％,淀粉积累主要在块根发育的膨大期,影响淀粉积累的代谢通路包括糖代谢和淀粉代谢,而连接这两个代谢通路的主要物质是葡萄糖-6-磷酸,通过葡萄糖-6-磷酸/磷酸转运体(glucose-6-phosphate/phosphate translocator,GPT)转运葡萄糖-6-磷酸进入块根淀粉体合成淀粉.本研究通过生物信息学方法,以木薯、麻风树、蓖麻、胡杨林、可可、拟南芥、水稻、玉米、马铃薯、小麦和大豆的GPT为研究对象,对其核酸序列、氨基酸序列、导肽、跨膜拓扑结构、疏水性/亲水性、蛋白质二级结构、亚细胞定位的分析及预测.结果表明,GPT在不同植物中氨基酸组成成分基本一致,α-螺旋、延伸链和无规则卷曲是其重要的结构元件,含有叶绿体转运肽,无线粒体目标肽,整条肽链表现为疏水性,主要存在内质网和线粒体上.利用qRT-PCR对木薯膨大期GPT基因表达水平进行分析表明GPT对木薯块根膨大期淀粉累积有促进作用.

城市在为人类提供各种生态系统服务的同时,其发展中的各类问题限制着城市生态系统本身的可持续发展.首先概述了城市发展过程中面临的挑战,主要包括城市化过程中人与自然的关系问题及社会生态问题等;其次从可持续发展的内涵、社会-经济-自然复合生态系统和驱动力-压力-状态-影响-响应(DPSIR)的理论出发,分别从城市水供给和污水处置系统、消减城市废弃物排放、城市交通和区域规划、城市发展与粮食系统供求关系、城市清洁能源系统等5个方面对如何实现城市的转型进行了系统的论述.结合我国城市可持续发展的研究进展,指出城市的可持续发展问题不仅是城市自身的问题,也是城市与周边区域的协调发展问题.为此,文章提出必须基于五个“转向”来研究和建立城市化与区域生态的耦合和协调机制.

气候变化影响全球食物、水、能源生产和消费,并直接威胁国家和区域粮食安全和社会稳定,相关研究关系到国计民生与全球可持续发展.土地退化是近年来国际研究热点,IPCC、IPBES、UNCCD等都开展了土地退化的专题评估,高度关注土地退化的动态、趋势、影响及响应.尽管气候变化与土地退化具有密切关联,但对其复杂关联机制及解决途径缺乏系统的研究.IPCC于2017-2019年开展了第一次气候变化和土地退化评估,并于2019年8月发布了《气候变化与土地》特别报告(SRCCL).基于此评估报告,对其中气候变化、土地退化与粮食安全之间的关联机制、未来的变化趋势、可能的影响及对策等进行了系统的论述.特别报告的重要贡献在于其厘清了气候变化与土地退化之间的复杂关联与反馈机制,进一步证实土地利用是导致气候变化的主要因素,指出日益增加的人口压力和粮食消费加剧了土地的退化和气候变化.尽管如此,特别报告也强调土地可为当前全球变暖、生物多样性减少等诸多环境问题提供解决方案,并重点指出改变人类饮食结构和消费习惯具有能够同时应对气候变化和土地退化的双赢效果.将全球升温幅度限制在1.5℃以内的窗口期正在迅速缩短,要解决当前日益凸显的气候变化和土地退化问题,需要推动食物消费的转型、降低碳排放、实施可持续土地管理,促进可同时减缓气候变化和土地退化的协同行动,科学合理的应用负排放和碳储存技术.

探索我国水资源-能源-粮食-支撑系统安全及时空演变规律,有利于促进中国水资源-能源-粮食-经济社会-管理维护的可持续发展.采用模糊物元法和耦合协调度模型,借助ArcGIS空间分析及核密度和基尼系数、变异系数,对我国31个省、市、自治区2004-2017年水资源-能源-粮食-经济社会-管理维护安全水平及耦合协调度进行测算及时空对比分析.结果 表明:①时间上,我国安全测度指数总体呈上升趋势;空间上,我国安全测度水平除青海、西藏外普遍较好;②各子系统情况:经济社会子系统增长较快、水资源子系统水平较差、粮食安全指数变差、能源子系统分化现象显著、管理维护小幅度提升;③我国安全测度协调度2004年0.170提高至2017年0.348,总体呈上升趋势;④安全测度协调度的空间演化基本可以分为上升型、下降型、平滑型和波动型四类,以波动型居多.

2021年2月18日,联合国环境署发布《与自然和谐共处:应对气候、生物多样性和污染危机的科学蓝图》.报告指出:气候变化、生物多样性下降和环境污染已经成为全球三大环境紧急情况;人与自然关系面临着社会经济发展压力加剧环境风险、遏制环境恶化的全球承诺尚未兑现、环境风险威胁可持续发展目标等多重挑战;全球亟需开展以联合国可持续发展目标为框架的系统变革,加快应对全球环境危机的重点行动,改革资源环境和经济系统,提高粮食、能源和水系统的环境友好性与可持续性,加强对人体健康与生态环境健康的协同保护,进而推动人与自然的和谐共处以及可持续发展.该报告结合全球环境评估的最新进展,强调了社会-经济-环境可持续发展仍是未来的重要研究课题,对我国社会-生态系统与可持续发展等领域的科学研究有如下启示:(1)创新社会-生态系统的综合集成研究,探寻不同发展路径和气候变化情景下社会-生态系统时空演变特征与趋势;(2)注重科学研究对决策的支撑以及与国际重大议程的衔接,探索和创新可持续发展的中国方案.