明晰耕地利用生态效率的驱动机理是深化土地科学前沿探索、优化粮食安全发展格局的关键基础.建构"边境-粮食-生态"安全框架,采用非期望产出的超效率SBM模型测算 2000-2020 年中越边境地区耕地利用生态效率,通过泰尔指数研究其演变特征和区域差异,并运用动态面板系统GMM模型揭示耕地利用生态效率的驱动机制.结果表明:(1)中越边境地区耕地利用生态效率指数总体呈现"先升-后降-再升"的变化趋势,整体处在中等效率水平,空间表现为"北高-南低"分布格局,省际差异是造成区域差异的主要原因.(2)化肥使用过量、劳动力过剩和碳排放增加是造成中越边境地区耕地投入产出要素松弛、耕地利用生态效率损失的重要因素.(3)中越边境地区耕地利用生态效率由多因子交互作用驱动,地形坡度、城镇化、边境贸易水平、财政支农水平是提高耕地利用生态效率的积极因素,水土流失率、工业化和劳均耕地规模对耕地利用生态效率具有抑制效应.中越边境地区亟需优化耕地经营投入结构,向"投入优-产出高-排放低"方向转型,构建边境粮农稳态格局,促进边境地区长足稳定高质量发展.

城市密度是衡量城市各要素空间集聚程度的表征也是调控城市各要素资源分配效率的重要手段.过往主要围绕城市密度的物质形态测度来研究城市空间资源利用与环境问题,少有立足碳排放绩效的视角来研究城市密度的演变逻辑.立足生态效益中自然资源投入最小化与获得价值最大化的观点,从经济、社会、环境三个维度构建碳排放绩效综合评价指标,以长三角41个城市为例,基于标准差椭圆分析城市密度与碳排放绩效的时空演变及关联特征,采用地理加权回归模型与地理探测器相结合的方法,确定城市密度对碳排放绩效的影响效应及机制.结果表明:(1)城市密度与碳排放绩效均升高,城市密度增速减慢,而碳排放绩效增速加快;二者均呈东南—西北向发展且关联性不断增强.(2)城市密度分指标对碳排放绩效的影响效应存在时空差异,东南部多数城市各分指标影响系数增大且作用方向不变;西北部人口密度负向影响显著增强,经济密度的影响由负转正,而空间密度的影响由正转负.(3)城市密度与其他经济社会因素交互后对碳排放绩效产生影响,其中经济密度与产业结构协同作用对碳排放绩效的影响最大,且与因子独立作用相比,人口密度与其他影响因素的交互效应增幅最大.理清城市密度对碳排放绩效的影响效应及机制,可以为城市空间结构的合理优化提供依据.

云南松是我国西南林区典型易燃针叶树,研究林火对云南松林地表可燃物负荷量及火烧后碳排放量的影响,对可燃物管理及区域碳平衡维持提供科学依据.本研究以四川省西昌市2020年3月30日云南松林火烧迹地为对象,设置不同火烧强度(轻度、中度、重度)和对照(未火烧)样地,分析不同火烧强度下地表可燃物负荷量的变化以及地表可燃物负荷量与环境因子之间的相关关系,通过乔木层、凋落物层及地表有机质层可燃物负荷量损失程度计算可燃物燃烧效率,进而计算不同组分可燃物的碳排放量.结果表明:(1)不同火烧强度下云南松林各类型地表可燃物负荷量均存在显著差异(P＜0.05),地表可燃物总负荷量具体表现为:重度火烧(50.94 t·hm-2)＞对照样地(41.08 t·hm-2)＞中度火烧(37.40 t·hm-2)＞轻度火烧(28.83 t· hm-2);(2)冗余分析结果表明,林分因子中,烧死木百分比、熏黑高度与树高的比值对灌木和草本可燃物负荷量的解释量较大;地形因子中,坡向对地表可燃物负荷量的解释量大于坡度和海拔;(3)云南松林乔木层、凋落物层、地表有机质层可燃物碳排放量在不同火烧强度样地间均存在显著差异(P＜0.05),碳排放量分别为23451.30、8322.86、5244.74 t,此次森林火灾碳排放量为37018.90 t.

木质纤维素类生物质是前景广阔的化石原料替代品,其生物炼制可生产生物能源、生物基化学品和生物材料等多种产品,可降低碳排放,有助于实现"双碳"目标,因此受到越来越多的关注.然而,木质纤维素生物炼制需要经过预处理、微生物发酵和产物纯化等多个步骤,其中,预处理过程产生的多种化合物抑制微生物的细胞生长和发酵性能,是制约生物转化效率的瓶颈之一.大肠杆菌是木质纤维素生物炼制常用的宿主,被广泛应用于多种化合物的生产,研究其对木质纤维素水解液中抑制物的耐受性,对于提高木质纤维素生物炼制效率具有重要意义.本文首先介绍了木质纤维素的主要成分和基本结构,对木质纤维素的预处理方法以及预处理后水解液中的主要抑制物种类进行了简单阐述;随后,总结了木质纤维素水解液中几类主要抑制物呋喃类、羧酸类和酚类对大肠杆菌细胞的毒性,以及大肠杆菌对上述抑制物的胁迫响应机制和基于机制的菌株改造靶点;最后,综述了提高大肠杆菌对上述抑制物的胁迫耐受性的菌株改造策略,包括随机突变、实验室适应性进化和组学辅助的理性设计等,为利用代谢工程构建用于木质纤维素生物炼制的高效大肠杆菌菌株提供参考.

秸秆直接还田易造成土秸混合度差、秸秆腐解慢和幼苗群体质量差等问题,不利于作物稳产和增产.秸秆颗粒具有还田性能好、还田质量高的优点,但还田后对作物生长和土壤碳排放特征的影响仍不清楚.通过田间微区试验,以秸秆不还田和常规粉碎还田为对照,分析了秸秆颗粒还田对冬小麦和夏玉米籽粒产量、还田一年内土壤呼吸速率和土壤碳排放效率的影响,为改进秸秆还田方式提供理论依据.结果表明:秸秆颗粒还田显著提高了冬小麦和夏玉米籽粒产量,其周年作物产量较秸秆不还田和常规粉碎还田分别显著提高14.0％和5.8％.秸秆颗粒还田促进土壤碳排放,其小麦生长季和玉米生长季土壤呼吸速率和碳累积排放量显著高于秸秆不还田.与常规粉碎还田相比,秸秆颗粒还田显著提高了冬小麦生长季土壤呼吸速率和碳累积排放量15.2％和8.9％,但夏玉米生长季两者无显著差异.此外,秸秆颗粒还田降低了土壤呼吸温度敏感指数(Q10),提高了土壤碳排放效率.与秸秆不还田和常规粉碎还田相比,秸秆颗粒还田土壤呼吸敏感指数显著降低22.6％和10.1％,周年土壤碳排放效率提高2.3％和1.9％.可见,秸秆颗粒还田短期内显著促进土壤碳排放,但由于较高的作物产量,其碳排放效率能维持在较高水平.在黄淮海粮食主产区,秸秆颗粒还田可以作为一种新型的秸秆还田方式,但其土壤碳排放的长期效应仍需进一步研究.

在中国即将实行全国碳交易市场的背景下,围绕碳排放的影子价格展开研究,首先将二氧化碳作为非期望产出,采用数据包络分析中的超效率SBM模型(Super-SBM),对中国30个省份的碳排放影子价格进行度量,为中国推行全国性的碳交易市场提供定价参考;其次,将碳排放影子价格与碳排放效率两者相结合,对比分析中国碳排放的省域间差异及其原因,探讨中国推进碳减排的区域方向;在此基础上,通过Moran's I指数分析中国各省份间碳减排成本的空间相关性,并据此建立时间空间双向固定的空间杜宾模型,分析碳减排成本的影响因素.研究结果显示:对于碳排放效率较高的省份,如广东、福建、上海、江苏、浙江等东部地区,其CO2实际排放量接近目标排放量,碳减排成本亦达到了较高的水平,难以直接实现进一步的碳减排;对于碳排放效率较低和碳排放影子价格较低的省份,如河南、河北、内蒙古、新疆、云南、甘肃、陕西、山西、贵州等区域,实现碳减排相对较易,应成为中国全面实施碳减排重点关注的区域;根据碳排放影子价格的空间相关性分析,中国各省份之间的碳减排成本呈现区域的集中性,在减排过程中应该注重省份间的合作,互惠互利;当碳减排进入攻坚期时,碳减排政策应从降低碳减排成本入手,并在不降低碳排放效率的基础上,加大对外开放程度,优化能源消费结构.

合理的种植模式可以提高资源利用效率,降低农业生产的生态环境风险,实现资源节约和增产增效的目的.本文运用能值分析的理论和方法,从资源利用、碳排放、经济效益、能值自给率和净能值产出率等方面对于旱灌区典型种植模式的生产效应进行综合分析与评价,以期为建立减投、减排、高产高效、可持续农田高效生产模式提供理论与实践依据.结果表明:集成免耕秸秆覆盖还田及地膜再利用的高效间作生产模式(NTSI)具有明显的增产效应,与地方传统间作(CTI)和单作玉米(CTM)相比,分别增产13.5％～16.9％和13.8％～ 17.1％.NTSI较CTI模式水分利用效率和光能利用率分别提高12.4％ ～ 17.2％和6.1％～8.1％.高效NTSI模式可降低系统碳排放、提高碳排放效率,与CTI和CTM相比,碳排放总量分别降低618 ～ 895和1804～2002 kg·hm-2,降低幅度分别为12.1％～ 16.4％和28.6％～31.0％;相反,碳排放效率分别提高29.3％～40.1％和58.9％ ～ 71.4％.高效NTSI模式具有明显的资源减投潜力,与CTI和CTM相比,总投入分别降低1424～ 1431和501 ～ 1547元·hm-2,减投比例分别为12.6％～13.6％和4.9％～14.6％;总产值分别提高11.2％ ～ 11.8％和24.4％ ～ 36.3％(增加4309 ～ 4603和8439～ 11057元·hm-2);纯收益分别增加19.6％ ～ 22.4％和40.1％ ～ 57.7％(增多5740 ～ 6027和9544～ 11558元·hm-2).因而,NTSI模式具有较高的产投比和单方水效益,与CTI和CTM相比,产投比分别提高27.9％ ～ 29.0％和40.5％ ～45.6％;单方水效益提高幅度分别达到19.9％ ～23.2％和27.7％ ～ 39.3％.高效NTSI模式能值自给率达到57.2％,较CTI和CTM生产模式分别提高4.0％和12.2％,NTSI模式净能值产出率达到0.173,较CTI高10.0％,但比CTM低11.7％.从资源利用、碳减排、经济效益、可持续发展角度综合考虑,集成免耕秸秆覆盖还田及地膜两年利用的高效小麦间作玉米模式具有较高的经济活力,农业系统整体功能较好,运转效率较高,能值回报率较高,是适用于干旱绿洲灌区的资源减投、减排、高产高效的种植模式.

碳生态效率反映碳排放产出的经济社会价值高低,是衡量可持续发展水平的重要指标.以泛长三角各市为对象,以揭示碳排放的经济社会效益为目标,构建经济产出效率和人口承载效率评估指标,研究碳生态效率的空间格局和影响因素.结果表明:经济产出效率和人口承载效率呈现不同的变化趋势和空间格局,2000一2014年,经济产出效率增长97％,人口承载效率下降68％,前者空间集聚度高于后者;核心区及部分沿江城市的经济产出效率较高、增长较快,人口承载效率较低、下降较慢,碳生态效率高于其他城市;经济产出和人口承载效率的影响因素类似、作用强度和方向不同,前者主要受产业结构促进,后者的影响因素包括但不限于产业结构,但产业结构优化抑制了人口承载效率提升.研究认为,经济和社会视角的碳生态效率变化趋势及影响因素作用方向存在差异,为通过政策调控实现经济和社会效益同步提升增加了难度,在推动经济增长的同时,进一步加快人口集聚、优化产业结构和能源结构、提高能源利用效率等是政策制定的优选方向.

旅游业作为国民经济发展的战略性支柱产业在区域发展中具有重要作用.借鉴生态效率的基本思想,考虑区域能源消费结构差异,使用自下而上的方法将旅游交通、旅游住宿与游憩活动碳排放进行加总估算出2000-2013年中国旅游业碳排放量;接着运用单一比值法计算出2000-2013年中国及各地区旅游业生态效率值,利用变异系数、莫兰指数对测度结果进行分析并与可持续发展生态效率值进行比较.研究结果表明:(1) 2000-2013年,中国旅游业碳排放量不断增加,从2000年的1202.71万t增加到2013年的4151.57万t.旅游业部门之间碳排放量差异较大,尤其是旅游交通部门占到旅游业碳排放量的90％左右;(2)得益于2000-2013年旅游业发展的促进政策,中国及各地区旅游业生态效率总体上呈现不断改善的趋势,中国旅游业生态效率由2000年0.1193 kgCO2-e/$下降到0.0309 kgCO2-e/$.(3)时间维度上,中国旅游业生态效率的区域不平衡问题仍然存在,相比于2000年旅游业生态效率变异系数0.7114,2013年的变异系数反而增加到0.7483;空间维度上,各地区旅游业生态效率聚集模式发生了明显变化,莫兰指数由0.3036减少到0.0278.(4)通过将测度结果进行比较,中国旅游业自2000年开始进入可持续发展阶段,中国旅游业的整体可持续水平要优于其他产业,各地区的旅游业在2010年全部进入可持续发展状态.最后,对结果进行了讨论并提出旅游业生态效率的优化应从旅游收入增加与旅游业减排两方面进行.

土地利用效率是衡量区域经济社会系统运行质量的重要参数.在构建了考虑非期望产出的土地利用效率评价指标体系基础之上,综合运用Super SBM-undesirable DEA和多元统计等研究方法,分析了2003-2016年碳排放影响下的中国省域土地利用效率的时空特征及其影响因素.研究结果表明:中国区域土地利用效率处于中低水平,碳排放非期望产出降低了15％的土地利用效率水平;与全国发展水平空间格局一致,土地利用效率省际差异在空间上呈现出自东向西逐渐递减的分异特征;2003-2016年,土地利用效率演化呈现出“U”型演进特征,区域差异呈现收敛态势;不考虑非期望产出的土地利用效率水平呈现下降态势;非期望产出和能源消费投入过大成为土地利用效率提升的主要限制因素.经济发展水平、对外开放程度以及固定资产投资对土地利用效率的提升起到了显著的正向作用;现阶段城镇化水平的增加对土地利用效率的提升具有微弱促进作用,且仅在东部地区具有显著性.基于松弛变量冗余度和影响因素分析,针对不同区域土地利用效率低效的差异性因素,提出了相应的对策措施.