区别于价值量核算方法,基于生态热力学的环境核算方法从物质计量角度开展环境核算,以期打破大多数以人类为中心框架下的经济学方法,而新的方法框架进一步关注对人类及生态有益的生态服务的价值,即不忽视自然界提供的无关人类的相关服务功能.综述了基于生态热力学的环境核算理论基础,从禀赋价值视角重新解读了社会经济系统,从更深层次明确了“当前的”自然资产和生态服务实际是生态系统对资源使用的一种努力和结果,其“过去的”生态过程经历了长时间“试错和优化”.以美国森林生态服务功能案例研究展现了基于生态热力学的生态服务功能核算方法与基于支付意愿的市场价值核算方法与异同,并提出了使用能值方法进行生态系统服务功能核算的六大步骤.最后,针对近期能值方法的改进,给出四点发展展望:1)能值基准的不断更新夯实了生态系统服务功能非价值量核算的基础;2)已有大量能值分析在生态资产和生态服务功能应用案例可为今后的研究提供方法参照和比较的可能;3)生态服务功能价值量和非价值量的差异的根源在于从人类中心论到生态中心论的环境伦理观的转移;4)从生态热力学的视角研究生态服务功能为从能量的角度提出环境税确立了可能性.本研究建议采用双重核算方法,即类似于金融会计中使用的方法一样,用能量来记录环境负债,并建立一个货币化的资产负债表说明经济情况及环境对经济生产的贡献.

将区域作为一个以人类生产和消费为中心的社会-经济-自然复合生态系统,构建了一种基于生物物理视角的生态热力学方法,从整体角度对区域的可持续发展水平进行定量评价.该方法囊括了维持复合生态系统运转过程中的自然资源投入、人力资源投入和环境污染损害成本投入等三种要素,完善了可持续发展评价以及绿色GDP核算中人力资源投入和环境成本的价值体现.然后以我国为例,核算了我国31个省市2006-2015年间可持续发展水平的时间动态,并以各省为边界,计算了2015年的区域可持续发展水平差异.计算结果显示:(1)十年间,我国整体上的可持续发展水平在逐步提高,能反映出我国生产率水平的提高和资源利用效率的提高;(2)从要素投入看,自然资源投入仍然占主要,但比例在逐渐降低.环境成本投入比例呈逐步降低趋势,说明环境保护取得了成效.另外,在2010年后,人力资源投入比例增加很快,反映了我国经济发展中劳动力成本上升明显.(3)各省市的计算结果差异较大,在不考虑区域间进出口的情况下,从GDP产出角度,北京的可持续发展水平最高,西藏最低.通过将本文的评价结果与绿色发展指数的评价结果进行比较,发现具有较好的一致性.建立的方法框架是对能值分析方法的扩展和完善,在今后的研究中,还需要继续对该方法框架中没有考虑全面的因素加以考虑,以便于更全面客观地反映区域的可持续发展水平.

[背景]微生物电化学系统耦合了电化学反应和厌氧消化过程,在处理剩余污泥同时实现能源回收,成为具有应用前景的技术之一.揭示电活性生物膜和活性污泥种群互作机制,有助于进一步调控和强化系统性能.高通量核酸测序技术研究微生物群落具有投入大、耗时长和不可预测的缺点,开展微生物群落动态仿真可以更有效地预测群落结构与功能.[目的]研究厌氧消化和生物电化学系统的微生物种间热力学与动力学的演化规律.在考虑电子供体、电子受体、温度、pH值等生态条件下,分析底物的电子流向及微生物群落结构的动态变化.[方法]通过对剩余污泥处理的微生物电解池(Microbial electrolytic cell,MEC)建立一个多Agent仿真(Multi-agent-based simulation,MAS)模型,评估MEC对底物氧化电子转移的能量效率和传质效率,模拟微生物群落结构实时变化,同时耦合动力学和热力学分析;揭示影响MES运行的电子流向决定性因素及相应的微生物种群,为复杂污染物生物处理系统中种间互作和动力学研究提供基础依据.[结果]通过MAS模拟,确定MEC污泥处理工艺的最佳能量传递效率与传质效率为η=0.2,ε=0.5,MAS结合热力学与动力学参数模拟微生物的群落动态与实验组有较高的吻合性.在长期的运行中,微生物电化学系统中丙酮酸没有积累.[结论]证实了MAS结合热力学与动力学参数可以预测微生物的群落动态,并进行实时监测.研究表明多Agent仿真为微生物群落结构动态变化提供了一种新的研究方法,该方法与高通量核酸测序技术进行校验和联用,为人工和自然生态系统中微生物种群预测与评估研究提供一个新的手段.

评估气候变化及生态恢复对碳酸盐岩风化碳汇(CS)的复合影响机制是当前喀斯特生态系统碳循环及气候变化研究领域的一个重要任务.基于碳酸盐岩热力学溶蚀模型估算了1992-2017年中国西南喀斯特槽谷碳酸盐岩风化碳汇通量(CSF),利用Lindeman-Merenda-Gold模型定量评估了气候及生态恢复因子对槽谷CSF的相对贡献率.研究结果表明:(1)槽谷整体年均温及年降雨量均处于持续升高的趋势,增速分别为0.06℃/a及12 mm/a,进入21世纪之后,增速均有一定程度的放缓,年蒸散发在21世纪以前为增加的状态,2000年以后整体表现为减少的趋势;(2)槽谷植被覆盖度增加速率为0.004/a,其增加区域的面积占比达到了95.07％,槽谷生态系统恢复效果显著;(3)槽谷的年均CSF约为9.42 t C km-2 a-1,研究期间处于增加的状态,其年均增长速率约为0.2 t C km-2 a-1,CSF增加区域的面积占比约为89.28％;(4)槽谷CSF受到气候因素(降雨、蒸散发、温度)及生态恢复2方面的影响,其中降雨、温度及生态恢复反馈因子FVC与CSF呈正相关关系,ET与CSF呈负相关关系,降雨对于研究区CSF的贡献率最大,达到了70.36％;(5)本研究揭示了气候变化及生态恢复对岩石风化过程的复合影响机制.

土壤微生物碳素利用效率(CUE)是指微生物将吸收的碳(C)转化为自身生物量C的效率,也称为微生物的生长效率.土壤微生物CUE是生态系统C循环中的重要生理生态学参数,影响着生态系统的C固持、周转、土壤矿化以及温室气体排放等过程.在全球环境变化背景下,认识土壤微生物CUE的变异及其影响机制,对于更好的认识生态系统C循环过程及其对全球变化的响应具有重要意义.概述了CUE的定义及其测定方法,重点综述和分析土壤微生物CUE的变异及影响因素取得的研究进展.基于现有研究的分析得出,土壤微生物CUE通常表示为微生物的生长与吸收的比值,分为基于微生物生长速率、微生物生物量、底物吸收速率和底物浓度变化等方法进行测定.土壤微生物CUE在0.2-0.8的范围内变化,这种变异主要受到来自热力学、生态环境因子、底物养分质量和有效性、化学计量平衡以及微生物群落组成的影响.今后土壤微生物CUE的研究应加强对微量代谢组分的定量分析,生物和环境要素交互影响的调控机理解析,以及微生物动态生理响应过程的碳循环模型优化.

基于长期定位监测数据,量化揭示了红锥纯林(Castanopsis hystrix)、10种与30种乡土树种混交林等3种乡土人工林植物群落的生物量、物种多样性、生物热力学健康水平(eco-exergy)和土壤理化性状在种植后13年内的发展动态,并与尾叶桉(Eucalyptus urophylla)纯林,以及自然恢复系统(灌草坡)进行了比较.结果 表明:(1)研究期间,5种恢复模式的植物群落生物量均呈现波动上升趋势,但在发展节率上有所差异.13龄时的尾叶桉纯林与两种乡土树种混交林生物量显著高于其各自1龄时的水平,且显著高于自然恢复灌草坡;相较于其他人工林,红锥纯林生物量增长缓慢,但快于灌草坡;(2)5种恢复模式植物群落的物种多样性(物种丰富度、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数)在6至13龄间均呈下降趋势,且30种乡土树种混交林下降趋势最为显著.13龄时,两种混交林Shannon-Wiener指数略高于两种纯林,显著高于灌草坡;10种乡土树种混交林的Pielou均匀度指数略高于红锥纯林与30种乡土树种混交林,显著高于尾叶桉纯林与灌草坡.(3)4种人工林的植物群落生物热力学健康水平皆在6至13龄间显著增加;13龄时两种乡土混交林群落生态?显著高于两种纯林,两种纯林显著高于灌草坡,且该差异主要源自于乔木层生态?的差异.(4)不同植被恢复模式中,10种乡土树种混交林土壤养分的累积效果最佳,13龄时其土壤总氮含量显著高于红锥纯林和自然恢复灌草坡,但与30种乡土树种混交林和尾叶桉纯林无显著差异.(5)冗余分析结果显示,研究期间植被与土壤间的相关关系逐步建立,土壤理化性状对地上植被结构变化的解释度由1龄时的73.3％逐步上升至13龄时的82.0％,但只有土壤有机碳含量在13龄时与地上植被结构的相关性达到显著水平.上述结果表明,乡土种人工林与外来种人工纯林群落结构、生物热力学健康水平、及植被与土壤间关系的发展规律相似,且相对而言,混交林优于纯林,纯林优于自然恢复灌草坡.植被恢复的起始物种丰富度并不是越高越好;发展到13龄时,10种乡土树种混交林在植被结构与土壤改良方面均优于30种乡土树种混交林.植被与土壤间相关关系的建立是一个长期的过程,不同植被恢复模式对土壤理化性状的差异性影响难以在短期内有所显现.

1,2,3-三氯丙烷(1,2,3-trichloropropane,1,2,3-TCP)是一种人工合成的脂肪族氯代烃,在工、农业生产中得到广泛应用.1,2,3-TCP作为环氧氯丙烷工业生产的中间产物,可作为前体物质用于生产土壤熏蒸剂、有机溶剂等.因其环境持久性、迁移性和生态毒性,国内外机构逐渐开始关注该有机氯污染物的环境归趋、生态健康风险和环境管控.当前,1,2,3-TCP污染物的降解与场地修复仍然是研究热点,但是对于1,2,3-TCP降解转化机制尚缺乏深入研究与总结.鉴于此,文中在讨论1,2,3-TCP的来源、环境污染、生态效应及物理化学降解方法与技术等的基础上,进一步综述了 1,2,3-TCP的微生物降解与修复机制(如好氧共代谢降解、厌氧降解等);重点讨论了地下水等厌氧环境中1,2,3-TCP的厌氧微生物降解转化途径与机制,并从热力学角度论证了厌氧条件下1,2,3-TCP作为电子受体被有机卤呼吸微生物利用并降解的可行性;最后,对1,2,3-TCP污染场地原位生物修复进行了总结并对未来研究发展方向进行了展望.

热力学指标生态火用作为传统群落结构指数的补充,通过衡量物种包含的遗传信息量化群落生物热力学空间结构,评估其群落稳定性和健康程度.基于生态火用理论研究了戴云山黄山松(Pinus taiwanensis)群落乔木层、灌木层生态火用和结构火用的空间异质性及分布规律.主要结果如下:(1)乔木层和灌木层分别是群落生态火用和结构火用的主要贡献者.(2)黄山松种群在群落中具有更高的竞争能力和生存概率,群落生态火用贡献率为 98.39％,对维持群落结构稳定性具有关键作用.(3)乔灌层的生态火用和结构火用在研究尺度上均具有强烈空间自相关,其空间异质性主要由结构性因素引起,所占比例大于 75％.(4)乔灌层的生态火用和结构火用均呈明显条带状及斑块状分布,有多个明显高值区,等值线较弯曲且密集,空间异质性程度较高.研究确定了戴云山黄山松种群的热力学地位,黄山松在维系戴云山群落结构稳定和群落健康中发挥着重要作用,结果可为黄山松群落演替动态和可持续管理提供科学依据.

质疑人教版"生态系统的能量流动"一节课后练习拓展题第1题的答案,收集学生作答情况,提出观点,分析解释,并对错误的答案进行修正,辅以习题训练.