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Urban development and resource endowments shape natural resource utilization efficiency in Chinese cities

Journal of Environmental Sciences 2023年第4期126卷 806-816页

作者： Yanbing Liu Fei Lu chaofan xian Zhiyun Ouyang State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology Research Center for Eco-Environmental Sciences Chinese Academy of SciencesBeijing 100085China College of Resources and Environment University of Chinese Academy of SciencesBeijing 100049China

Improving the efficiency with which natural resources are utilized is an indispensable for achieving sustainable development and carbon neutrality. By analyzing the utilization efficiency of energy, water, and land, we established a comprehensive natural resource utilization efficiency index(NRUEI). We then calculated the 2016 index for 165 cities in China,and investigated what caused it to vary. We found three main results:(1) the NRUEI varied greatly across China and there were significant positive correlations between urban energy utilization efficiency(EUE), water utilization efficiency(WUE) and land utilization efficiency(LUE);(2) the NRUEI showed a significant positive correlation with a city’s population size,economy(Gross Domestic Product(GDP)), and the level of urban social development(GDP per capita);(3) cities in East China have the highest natural resource utilization efficiency,while cities in Northeast China have the lowest. These results indicate that China’s increasing urban development is associated with rising natural resource utilization efficiency and that the city’s endowment of natural resources is an important factor affecting that efficiency. Further, the results showed that the determinants of a city’s NRUEI differed in large and small cities. Lastly, our results suggest that improving EUE is key for improving NRUEI in urban China, and different efficiencies can be improved intertwined. A major takeaway of this study is that there is great potential for improving natural resource utilization efficiency in Chinese cities and we include city-specific suggestions for efficiency improvements.

关键词： Urban development Resource endowment Resource utilization efficiency Sustainable city

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An Interfacial Gel Electrode Patch with Tunable Hydrogen Bond Network for Electromyographic Sensing and Discrimination

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CCS Chemistry 2024年第2期6卷 450-464页

作者： Jianliang Li Zhihao Liu Yongtao Tang Jiabao xian chaofan He Hao Wu Mingjie Liu Fengyu Li College of Chemistry and Materials Science Guangdong Provincial Key Laboratory of Functional Supramolecular Coordination Materials and ApplicationsSu Bingtian Center for Speed Research and TrainingJinan UniversityGuangzhou 510632 School of Chemistry Beihang UniversityBeijing 100191

The sensitivity and fidelity of surface electromyography(sEMG)signal monitoring is critical for muscle status and fatigue assessment,prosthetic control,and gesture recognition.However,the incompatible skin-electrode interface and complex electrophysiological environment restrict the sensitive acquisition and accurate analysis of sEMG signals.Focused on the impedance of the skin-electrode interface issue,we developed an interfacial gel electrode patch with a tunable hydrogen bond network to simultaneously achieve a conformal interface,suitable adhesion,and high conductivity for sEMG signal monitoring.By exploiting hydroxyethylidene diphosphonic acid(HEDP)and 2-hydroxyphosphono-acetic acid(HPAA)as hydrogen bonding regulators were introduced into the polyvinyl alcohol(PVA)-based hydrogel network to regulate the hydrogen bond cross-linking network.As a result,the balance of elastic modulus,adhesion,and electrical conductivity of PVA-HEDP-HPAA(PHH)hydrogel are achieved.The reliable electrodeskin interface is manipulated to achieve conformal contact by matching the elastic modulus,reducing the gap of electrode-skin interface by adhesion,and promoting ion and electron conduction by electrical conductivity.The PHH electrode patches exhibit a lower interfacial impedance(12.56 kΩ)and a signal-to-noise ratio of 38.09±1.28 dB for accurate analysis of muscle strength and evaluation of the fatigue state.With the assistance of the artificial neural network algorithm,seven gestures can be recognized with 100%prediction accuracy.The interfacial gel electrode patch contributes a bio-matching electrophysiological platform for prosthetic control,human–machine interaction,and clinical or athletic auxiliary monitoring.

关键词： hydrogel electrode hydrogen bond network surface electromyography muscle fatigue artificial neural network gesture recognition

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How urbanization affect the ecosystem health of Tibet based on terrain gradients:a case study of Shannan,China

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Ecosystem Health and Sustainability 2022年第1期8卷 451-462页

作者： Ji Zhang Yu Shi chaofan xian Lu Zhang Ziying Zou School of Geographic Sciences Hunan Normal UniversityChangshaHunanChina Organization Department Shannan Municipal Committee of the CPCShannanTibetChina College of the Life and Environmental Science Minzu University of ChinaBeijingChina State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology Research Center for Eco-Environmental SciencesChinese Academy of SciencesBeijingChina

Urbanization has significant impacts on ecosystem health(ESH)by affecting land-use patterns.The evaluation of the ESH and the spatial correlations between human interference provides an insight into sustainable development as a response to potential ecological degradation if ESH is threatened by further urbanization.We applied the Vigor-Organization-Resilience-Services(VORS)modelto detect the responses of ESH of Shannan Prefecture in the Tibet to urbanization from 1990 to 2015,based on different levels of terrain gradients.The results show that the ESH of the most areas in Shannan reaches the levels of highest health and average health during the study period.By 2015,the area proportion at the highest health level increased by 0.68%,while that of degraded level decreased by 1.51%.Overall,the ESH of areas tends to shrink at higher-level TGs,and urban sprawl with ESH shrinking existed in middle-level TGs in Shannan.Furthermore,a significant spatial aggregation effect was found concerning that low ESH-high CUL type is mainly distributed on the middle-level TGs with dense human population.The results highlight the needs to rationally organize urbanization process in plateau regions based on different TGs,which contribute to maintain ESH advancing people livelihood improvement.

关键词： Ecosystem health terrain gradient urbanization spatial correlation Shannan

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Pore scale numerical investigation of counter-current spontaneous imbibition in multi-scaled pore networks

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Petroleum 2023年第4期9卷 558-571页

作者： Yuchen Wu Xiukun Wang chaofan Zhang Chenggang xian China University of Petroleum(Beijing) Beijing102249China

The multi-scaled pore networks of shale or tight reservoirs are considerably different from the conventional sandstone reservoirs.After hydraulic fracturing treatment,the spontaneous imbibition process plays an important role in the productivity of the horizontal wells.Applying the color-gradient model of Lattice Boltzmann Method(LBM)accelerated with parallel computing,we studied the countercurrent spontaneous imbibition process in two kinds of pore structures with different interlacing distributions of large and small pores.The effect of geometry configuration of pore arrays with different pore-scale and the capillary number Ca on the mechanism of counter-current spontaneous imbibition as well as the corresponding oil recovery factor are studied.We found that the wetting phase tends to invade the small pore array under small Ca in both types of geometry configurations of different pore arrays of four pore arrays zones.The wetting phase also tends to invade the pore array near the inlet for injecting the wetting phase no matter if it is a large pore array or small pore array except for the situation when the Ca is large to a certain value.In this situation,the small pore arrays show resistance to the wetting phase,so the wetting phase doesn't invade the small pore near the inlet,but invades the large pore preferentially.Both the geometry configurations of different pore arrays and Ca have a significant effect on the oil recovery factor.This work will help to solve the doubt about the selectivity of the multi-scaled pores of the wetting phase and the role of pores with different sizes in imbibition and oil draining in countercurrent spontaneous imbibition processes.

关键词： Countercurrent spontaneous imbibition Multi-scaled pore structures Selectivity of wetting phase to pore size Lattice Boltzmann method

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Optimizing Hotspot Areas for Ecological Planning and Management Based on Biodiversity and Ecosystem Services

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Chinese Geographical Science 2016年第2期26卷 256-269页

作者： XIAO Yang OUYANG Zhiyun XU Weihua XIAO Yi ZHENG Hua xian chaofan State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology Research Center for Eco-Environmental Sciences Chinese Academy of Sciences

The significance of biodiversity and ecosystem services are gradually recognized by human as an approach towards sustainability, so it is important to understand relationships and congruence between them to support conservation planning, especially in the hotspot areas with a prominent role in conservation. However, the management of most conservation hotspots mainly focused on biodiversity, and rarely concerned with ecosystem services. With the aim of proposing criteria for conservation strategies that contribute to the optimization of biodiversity and ecosystem services, in this study, a Geographic Information System(GIS)-based approach was designed to estimate and map the biodiversity and ecosystem services in Chongqing Municipality of China. Furthermore, the distributions of hotspot areas for biodiversity and ecosystem services were mapped based on the relationship between cumulative ecosystem services and areas. Finally the statistical analysis was processed focused on specific conservation objectives. The results showed that hotspot areas can conserve the most biodiversity but with the least ecosystem services under the conservation plans target to biodiversity conservation. In contrast, depending on the ecosystem services of interest, hotspot areas can conserve the largest ecosystem services but with the least biodiversity. By integrating biodiversity and ecosystem services into conservation plan, we found that the conservation and regeneration of these small areas, would contribute to a conservation of 44% of the biodiversity hotspot and 14%–42% of the ecosystem services hotspot. Moreover, the current nature reserve selection was not maximize the biodiversity and ecosystem services compared to integration strategy, indicating that hotspot areas conservation and selection is vital for optimization protection of biodiversity and ecosystem services, and has practical significance for natural resources and ecosystem management.

关键词：保护生物多样性生态系统服务生态系统管理生态规划热点区地理信息系统保护规划生物多样性保护

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城乡居民食物氮足迹估算及其动态分析--以北京市为例

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生态学报 2016年第8期36卷 2413-2421页

作者：冼超凡欧阳志云中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049

氮足迹作为一种评价氮排放影响的新兴测度方法,已被用来衡量人类活动造成的环境影响。食物消费是城市营养元素流动的重要环节,其产生的氮足迹反映了维持一个城市人口的基本食物需求所导致的活性氮排放以及对周边环境的影响。以北京市为... 详细信息

氮足迹作为一种评价氮排放影响的新兴测度方法,已被用来衡量人类活动造成的环境影响。食物消费是城市营养元素流动的重要环节,其产生的氮足迹反映了维持一个城市人口的基本食物需求所导致的活性氮排放以及对周边环境的影响。以北京市为例,基于N-Calculator模型的基础上,估算了1980—2012年居民食物氮足迹,分析其变化特点及其与经济社会因素之间的关系。结果表明:北京市居民人均食物氮足迹变化与食物消费量变化趋势相似,城镇居民氮足迹呈持续增长后渐趋平稳,在14.69—22.58 kg(N)/a之间波动,平均为17.78 kg(N)/a,接近发达国家水平;农村居民氮足迹呈小幅减少趋势,在10.81—15.28kg(N)/a之间波动,平均为12.72 kg(N)/a。其中,高氮含量食物在城乡居民人均食物氮足迹中所占比例都有所增加,以肉类为主的荤食比例分别由27%和10%上升至41%和31%;以奶类为主的副食比例由7%和1%上升至18%和13%。城镇居民食物氮足迹与人均可支配收入呈正相关,与恩格尔系数和平均家庭人口数呈负相关,而农村居民食物氮足迹与各因子的相关关系则与前者相反。此外,北京市食物氮足迹总体呈增长趋势,年均增加约8066 t(N)/a。城镇居民当前的饮食消费模式不利于减缓北京区域食物氮足迹高通量的剧增趋势,更多的农村及外来人口进入城镇将加速区域氮足迹增长。食物氮足迹的估算能为居民改变高氮消费模式提供参考,进而促进城市的低氮发展。

关键词：城乡居民食物消费氮足迹氮计算模型北京市

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覆盖约束层阻尼的柔性机械臂抑振仿真分析

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力学与实践 2022年第6期44卷 1332-1341页

作者：张永欣王耀仑杨超凡王越黎亮郭晛章定国南京理工大学理学院南京210094

针对柔性空间机械臂容易发生振动的问题,以柔性空心圆壳机械臂为对象,在其上覆盖分段约束层阻尼、全覆盖主动约束层阻尼和全覆盖被动约束层阻尼,运用有限元软件进行动力学仿真计算分析,研究比较了三种模型的抑振效果和阻尼特性。由于分... 详细信息

针对柔性空间机械臂容易发生振动的问题,以柔性空心圆壳机械臂为对象,在其上覆盖分段约束层阻尼、全覆盖主动约束层阻尼和全覆盖被动约束层阻尼,运用有限元软件进行动力学仿真计算分析,研究比较了三种模型的抑振效果和阻尼特性。由于分段约束层阻尼结构中切口的存在,黏弹性材料的剪切变形增大,相较于其他两种结构可有效提高结构阻尼特性,并且研究发现分段方法的适用性与阻尼层内剪切应变水平有关。

关键词：约束层阻尼柔性机械臂有限元仿真抑振

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基于灰水足迹的中国城市水资源可持续利用综合评价

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生态学报 2021年第8期41卷 2983-2995页

作者：王雅晴冼超凡欧阳志云中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049

随着城市化的快速发展,中国城市水资源面临着水资源短缺与水环境恶化等挑战,因此加强城市水资源可持续利用对于中国可持续发展具有重要意义。基于灰水足迹核算对2016年中国地级市水资源可持续利用情况进行综合评价。研究结果表明:(1)中... 详细信息

随着城市化的快速发展,中国城市水资源面临着水资源短缺与水环境恶化等挑战,因此加强城市水资源可持续利用对于中国可持续发展具有重要意义。基于灰水足迹核算对2016年中国地级市水资源可持续利用情况进行综合评价。研究结果表明:(1)中国城市灰水足迹水平差异大,平均值为23.40×10^(8) m^(3),主要集中在20.00×10^(8) m^(3)以下。中国城市农业源灰水足迹比例占比主要在70%以上,工业源比例占比主要在20%以下,而生活源比例占比在40%以下;(2)全国灰水经济生产率在12.45—857.31元/m3范围内,地区差异明显。33%城市灰水足迹荷载系数均大于1,全国地级市灰水足迹荷载系数平均值为1.16,城市水资源利用已对水环境产生污染压力,用水不可持续;(3)城市水资源开发率与灰水足迹荷载系数呈一定程度的正相关关系,说明了城市发展对水资源利用的“量”和“质”的压力作用具有一定的协同关系;(4)水资源可持续利用程度呈现大型城市>特大型城市>超大型城市>中小型城市,城市发展一定程度上有助于水资源的可持续利用,但发展规模过大可能会造成用水高产而护水低效的现象。因地制宜的实行水资源循环经济发展模式以及适时纳入灰水足迹核算与管理体系,是当前城市化大背景下实现水资源可持续利用的重要途径。

关键词：水资源灰水足迹水体污染可持续性城市发展

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城市代谢效率研究的热点识别与综合效率实证研究

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生态学报 2021年第22期41卷 8709-8717页

作者：武昊彤冼超凡刘晶茹中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049

城市代谢是城市可持续发展研究的重要部分,其有序运行为城市发展与居民生活提供重要保障,代谢效率的提高有助于缓解资源利用与环境保护间的矛盾。通过分析国内外近30年的城市代谢效率的研究进展,整合代谢效率研究热点选取综合效率评估... 详细信息

城市代谢是城市可持续发展研究的重要部分,其有序运行为城市发展与居民生活提供重要保障,代谢效率的提高有助于缓解资源利用与环境保护间的矛盾。通过分析国内外近30年的城市代谢效率的研究进展,整合代谢效率研究热点选取综合效率评估所需指标,并以深圳市为案例研究,结合数据包络分析(DEA)模型对城市物质代谢综合效率进行评估。结果表明:(1)近30年城市代谢研究处于蓬勃发展阶段,中国在相关研究领域中的影响力凸显,而城市代谢效率研究主要关注能源、水资源、碳氮元素及耐用物质(主要为建筑材料)等要素及其环境效应;(2)基于上述要素对深圳城市代谢的综合效率进行评估,其综合效率在2005-2017年间呈波动状态,多数年份城市代谢过程取得了高效运行(效率值大于1),但仍存低效年份,包括2006(0.96)、2007(0.76)、2011(0.85)和2013(0.97)年,研究期间综合效率提高不明显。在资源投入与效益产出方面,深圳市在水资源利用效率方面需进一步提高;在当前资源消耗水平下经济效益仍有提高潜力;在减少碳氮元素的环境排放及建筑垃圾产生的效率方面有一定程度的提高。(3)通过城市代谢效率研究的热点识别,可明晰目前城市代谢综合效率评估所需涵盖的要素,由此建立评估体系可用于综合效率评估的实践,通过案例分析研究其反映城市资源利用效率动态的可行性,以期为城市可持续发展评估提供科学参考。

关键词：城市代谢文献计量数据包络分析效率评估深圳市

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退耕还林工程不同造林类型温室气体收支与净碳汇--以中国中南及华东地区为例

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水土保持通报 2022年第5期42卷 337-347,359页

作者：于天任逯非杨师帅张路黄斌斌王效科冼超凡孟龄欧阳志云中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室北京100085 中国科学院大学北京100049 北京京津冀区域生态环境变化与综合治理国家野外科学观测研究站北京100085 全球变化研究协同创新中心北京100875

[目的]揭示退耕还林工程温室气体泄漏对工程固碳减排的抵消作用,明确工程不同造林模式对固碳减排实际贡献的差异和空间格局。[方法]针对退耕还林4种类型造林(即生态林、经济林、用材林和薪炭林)构建了碳核算与净减排评估方法(CANM-GGP)... 详细信息

[目的]揭示退耕还林工程温室气体泄漏对工程固碳减排的抵消作用,明确工程不同造林模式对固碳减排实际贡献的差异和空间格局。[方法]针对退耕还林4种类型造林(即生态林、经济林、用材林和薪炭林)构建了碳核算与净减排评估方法(CANM-GGP),通过核算典型树种造林的植被和土壤固碳、伐后产品固碳和生物质能源替代化石能源减排等固碳减排效应,以及造林和经营管护的温室气体泄漏,对中南及华东地区退耕还林工程4种类型造林的净碳汇进行评估。[结果]2000-2019年,中南及华东地区退耕还林工程的生态林、经济林、用材林固碳和薪炭林减排总计648.43 Tg(以CO_(2)计),同期工程带来温室气体泄漏96.43 Tg,抵消总固碳减排的14.87%;不同造林类型的温室气体泄漏中,经济林最多,为57.69 Tg,抵消其固碳效应的73.95%;温室气体泄漏分别抵消生态林、用材林和薪炭林固碳减排的5.75%,16.59%和27.05%。工程平均单位面积净碳汇为4.52 t/(hm^(2)·a)(以CO_(2)计);各省区在2.85~5.74 t/(hm^(2)·a)之间;生态林为5.52~8.89 t/(hm^(2)·a),经济林为0.72~1.56 t/(hm^(2)·a),用材林为0.8~1.61 t/(hm^(2)·a),薪炭林为3.18~5.99 t/(hm^(2)·a)。[结论]中南及华东地区退耕还林工程取得了巨大的净固碳减排效益,生态林固碳增汇效果明显,净减排效益最显著,生物质能源替代化石能源燃烧减排的效益非常可观。作为最大的温室气体泄漏因素,化肥相关的温室气体排放对生态工程碳汇的抵消影响不容忽视。

关键词：退耕还林工程温室气体泄漏净碳汇生态林经济林用材林薪炭林

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