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2021年 第57卷 第2期 刊出日期：2021-03-20

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2021年第2期目次

2021, 57(2):  0. 

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胰岛炎症导致的2型糖尿病发病过程的动力学模型及治疗策略

林智立, 雷蕾, 李长润, 李方廷

2021, 57(2):  199-208.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.038

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为了揭示胰岛炎症导致2型糖尿病发生发展的机制, 建立胰岛β细胞和巨噬细胞相互作用的数学模型, 包括IL-1β的产生和巨噬细胞的浸润过程, 研究高浓度葡萄糖和游离脂肪酸对IL-1β的共同作用, 揭示胰岛炎症在2型糖尿病进程中的动力学机理。通过对模型中动力学参数的敏感性分析, 提出针对不同患病情况的可能的优化治疗策略。

内部充放电监测器仿真及地面实验研究

宋思宇, 于向前, 陈鸿飞, 陈傲, 施伟红, 邹鸿

2021, 57(2):  209-214.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.099

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为了实现对航天器内部充放电效应的有效监测, 使用解析方法和有限元分析研究内部充放电监测器(DDCEM)内部电极层连接过孔的参数设计。结果表明, 当过孔绝缘区半径与焊盘半径之比大于2时, 可以忽略过孔对电子的泄露; 最大电位和最大电场强度均位于电极层与过孔焊盘的绝缘区; 当顶层电极输入电流达到最大量程时, DDCEM内部最大电场超过8×10⁶ V/m, 存在放电风险。对DDCEM的电性能模拟测试和电子辐射测试结果表明, DDCEM测量结果在量程范围内具有很好的线性度, 当DDCEM受到电子辐射时, 能够监测到放电现象, 并通过计算可以得到放电电场为4×10⁶ V/m, 超过介质的阈值电场(2×10⁶ V/m), 说明DDCEM可以对内部充放电效应进行有效监测。

保定‒雄安地区近地面大气流动与轨迹输送特征

栗涵舸, 蔡旭晖, 康凌, 宋宇

2021, 57(2):  215-224.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.001

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基于2016—2017年22个地面气象站点的观测资料和NECP-fnl数据, 使用CALMET风场诊断模式, 计算保定?雄安地区两个年份的逐时风场和每日输送轨迹。根据风场与流动轨迹特性, 从大气扩散输送的角度, 将当地大气流动划分为系统大风型、局地环流型与弱系统影响型 3 类。统计分析结果表明: 大气流动3个类型的大致比例为10%, 50%和40%; 系统大风型流动的占比较低, 且春夏季较多, 秋冬季较少; 局地环流型流动以秋冬季较多, 春夏季较少; 弱系统影响型的出现频率在全年变化不大, 但在秋冬季出现频率稍低; 大气流动受西北部山地影响, 山地-平原风可控制山前约100 km的范围, 覆盖保定市和雄安新区大部; 山地-平原风的转换可在山前区域形成部分时段的小风状况; 该地区大气输送的主要路径是西南-东北方向, 对应大尺度背景流动情况; 西北-东南方向的横向输送距离较短, 对应山地-平原风地形环流的影响; 在系统大风和弱系统影响下, 冬春季会出现部分直接向东南方向的输送轨迹。

巢湖地区早三叠世晚斯密斯亚期含鱼化石碳酸盐岩结核的地球化学特征及其地质意义

于鑫, 孙作玉, 孟庆强, 季承, 周敏

2021, 57(2):  225-240.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.117

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以安徽省巢湖地区下三叠统和龙山组顶部的黑色泥页岩段及其产出的含鱼化石碳酸盐岩结核为研究对象, 综合岩相学、地球化学(主微量元素和碳、氧同位素)和环境矿物学等分析手段, 探讨富有机质页岩中含鱼化石碳酸盐岩结核的形成机制及可能的地质环境指示意义。结核中心三维保存的鱼化石和较高的碳酸盐含量(80%)表明结核形成于早期成岩阶段, 结核内部呈同心环状结构, 从中心至边缘, 碳酸盐矿物含量降低, 硅质碎屑矿物增多并逐渐出现纹层, Fe和S含量升高、δ¹³C值增高、δ¹⁸O值降低和TOC含量逐渐增多等特征均表明结核为同心生长模式。对围岩中草莓状黄铁矿的粒径分析结果表明, 结核形成于硫化还原环境。结核出现在斯密斯亚阶与斯帕斯亚阶界线(SSB)之下1 m处, 与界线层有机碳埋藏增加、碳同位素组成快速正漂移(δ¹³C = -1.3‰~1.9‰)和水体硫化还原事件吻合, 有潜力作为华南地区SSB的辅助识别标志。

结合序贯平差方法监测地表形变的InSAR时序分析技术

王辉, 曾琪明, 焦健, 陈继伟

2021, 57(2):  241-249.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.002

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基于短重访周期SAR卫星影像, 对黄河三角洲地表形变进行高效和持续监测的SBAS-InSAR时序分析。首先对研究区已有的SAR影像集进行干涉处理, 得到干涉图, 并进行大气效应校正和轨道误差去除, 然后利用传统的SBAS (small baseline subset)方法获取地表形变。在此基础上, 当增加新的SAR数据时, 采取渐进式SBAS方法处理, 反演新时刻的地表形变。渐进式SBAS方法融合序贯平差的思想, 以已有的解算结果为基础, 结合新的观测数据进行增量解算, 可以达到整体解算的效果。相对于传统的SBAS方法, 每次增加新影像都要采用重新全部解算的方式, 能够减少冗余运算, 提高计算效率。实验证明, 基于2018年5月—2016年8月在黄河三角洲地区获取的 Sentinel-1 卫星SAR数据, 利用渐进式SBAS方法反演的地表形变与地表实测控制点结果相近, 相关系数(R)为0.82, 且与传统的SBAS方法反演得到的地表形变速率差异在1 mm/a内, 解算时间缩短约40%, 能够持续高效地监测地表形变。

北方农牧交错带草地土壤微生物量碳空间格局及驱动因素

陈新月, 姚晓东, 曾文静, 王娓

2021, 57(2):  250-260.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.003

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为探究我国北方农牧交错带草地表层(0~10 cm)和次表层(10~20 cm)土壤微生物量碳的空间格局及其环境驱动力, 选择蒙辽平原、京北坝上、阴山北麓和宁陕黄土高原4个区域总计456个土壤样品(两个土层, 57个样点, 每个样点4个样方)进行调查。结果表明, 表层与次表层土壤微生物量碳的空间格局具有一致性, 均随纬度增加而增加, 随经度和海拔增加无显著变化。随着草地退化程度加剧, 次表层土壤微生物量碳的降低幅度小于表层土壤。两层土壤 pH 值的差异随草地退化程度的加剧而缩小, 表层与次表层土壤微生物量碳的差异受土壤pH值调控, 两个土层的pH值差异越小, 微生物量碳的差异越小。气候、植被和土壤因素均会影响微生物量碳的空间变异, 其中土壤因素为区域尺度微生物量碳的主要驱动力, 表层土壤微生物量碳的主要影响因素为土壤总碳, 次表层土壤微生物量碳受土壤总氮的影响最大。在气候变化和人类活动影响加剧的背景下, 研究结果对预测区域尺度土壤微生物的响应规律及退化草地生态功能的维持和修复有重要意义。

基于GIS的全球农业开发潜力和人口承载力分析

梁书民, 刘岚, 崔奇峰, 朱立志

2021, 57(2):  261-274.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.004

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基于迈阿密自然生态系统生产力模型, 绘制高精度的人均农作物产量分布图; 计算水资源高效利用条件下全球宜农荒地的农作物生产潜力; 对不同农业投入水平和食物消费水平组合下的地球人口承载力进行超远期情景分析。按经济产量干重计量, 通过计算得出全球宜农荒地的农作物生产潜力为60.39 亿 t, 加上现有耕地的农作物产量和增产潜力以及跨流域调水垦荒的农作物生产潜力, 全球最大可持续农作物产量为160.15 亿 t, 是目前全球农作物产量的3.09倍; 在中投入和中消费情景下, 2100年全球可承载121.1亿人口, 是当前全球总人口的1.60倍。为保障粮食安全, 我国农业未来的发展方向应当是增加农业投入, 提升农业生产技术水平, 高效地开发利用水资源和土地资源, 同时加强国际农业合作交流, 加快先进农业生产技术在发展中国家的推广。

短程硝化–厌氧氨氧化在实际垃圾渗滤液处理工程中的启动运行研究

初永宝, 赵少奇, 刘生, 赵华章

2021, 57(2):  275-282.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.013

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针对新型脱氮工艺短程硝化?厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程中亚硝氮难以稳定生成的难题, 设计水解酸化+UASB+好氧氧化的处理工艺, 应用于实际垃圾渗滤液处理工程。结果表明, 当进水氨氮浓度为610~1900 mg/L, C/N 比为1.8~3.5时, 在进水量为100 m³/d, 回流比为2:1, pH 值为7.5~8.0, DO为2.0 mg/L的调试条件下, O池发生短程硝化, 积累200 mg/L的亚硝氮, 积累率最高达78%。微生物DNA 检测发现, O池中AOB物种丰度是NOB的10倍以上。水解酸化池中存在COD、氨氮和总氮同时去除的现象, COD去除量不能满足全部总氮反硝化, 剩余的总氮通过厌氧氨氧化过程去除, 通过ANAMMOX反应去除的总氮占水解酸化池总氮去除量的35%~67%。在实际垃圾渗滤液处理工程中, 通过控制进水量、回流比、pH和溶解氧等条件, 成功地启动短程硝化?厌氧氨氧化工艺。

唐河地下水有机氯农药(OCPs)的分布特征及风险评估

张敏, 王婷, 杨超, 倪晋仁

2021, 57(2):  283-290.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.014

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为评估雄安新区唐河污水库周边地下水有机氯农药(OCPs)污染状况, 对2019年采集的36个地下水样品中OCPs进行分析, 初步确定六氯环己烷(HCHs)和双对氯苯基三氯乙烷(DDTs)的组成特征和来源, 并对其健康风险进行评价。结果表明: 1) 唐河地下水OCPs污染程度较轻, OCPs总量为nd~45.60 ng/L, 检出率为77.78%, HCHs贡献最大, 与 2018 年完成的唐河污水库一期生态治理工程有关; 2) 唐河地下水中 HCHs和DDTs主要来自历史残留, HCHs主要来源于农业, DDTs在地下水体中主要产生好氧代谢产物DDE; 3) 唐河地下水OCPs致癌风险与非致癌风险均较低, 婴儿为敏感受体, 总体上对人体健康不构成威胁。

城市市政基础设施投资与经济发展的空间交互影响

储君, 刘一鸣, 林雄斌, 仝德

2021, 57(2):  291-298.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.015

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通过空间联立方程模型, 基于2011和2016年241个城市样本数据, 研究城市市政基础设施投资与经济发展的双向互馈及其空间相互作用。结果表明: 1) 考虑内生性后, 基础设施投资的空间滞后项系数显著为正, 地方政府在投资行为上模仿彼此; 2) 基础设施投资与经济发展之间存在双向互促作用。建议加强对基础设施投资的预算管理, 改革晋升绩效考核机制。

碳纳米管对天然有机质氯化消毒副产物生成的影响

李慧敏, 陈学姣, 尤明涛, 孙卫玲

2021, 57(2):  299-310.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.115

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以应用广泛的碳纳米材料多壁碳纳米管(CNTs)和水体中普遍存在的天然有机质(NOMs)为研究对象, 探讨CNTs对两种不同种类NOMs (Suwannee river standard humic acid, HASR和Suwannee river standard fulvic acid, FASR)氯化生成消毒副产物的影响。结果表明, 与单一NOMs体系相比, CNTs的存在会增加HASR和FASR氯化生成三卤甲烷(trihalomethanes, THMs)和卤代乙酸(halogenated acetic acid, HAAs)的产量和初始速率。这是由于CNTs和NOMs均可以作为消毒副产物的前体物, 混合体系中氯化反应活性位点数量增多, 因此产量和速率都有所提升。并且, 无论体系中是否存在CNTs, HASR生成THMs和HAAs的初始速率均高于FASR, 这是因为HASR的芳香共轭程度高于FASR, 更易与次氯酸反应。此外, 由于CNTs对HASR的吸附量高于FASR, 因此CNTs对HASR氯化生成消毒副产物的影响大于FASR。

利用简化空气质量模型快速构建臭氧生成等浓度曲线及其应用

杜云松, 黄冉, 王馨陆, 秦墨梅, 张雯娴, 张羽中, 杨耀, 张巍, 罗彬, 胡泳涛, Armistead G. Russell

2021, 57(2):  311-321.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.120

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提出一种快速构建臭氧生成等浓度曲线的新方法。该方法利用区域空气质量模式进行臭氧前体物的敏感性分析, 基于一阶和二阶敏感性系数构建简化模型, 快速计算前体物不同排放水平对应的臭氧生成浓度。使用该方法, 结合调整的源排放清单, 对2018年8月成都平原地区进行臭氧回溯模拟并绘制臭氧生成等浓度曲线图。在此基础上, 以成都市为例, 对城市臭氧污染控制提出对策建议。

基于深度神经网络的城市典型乔木日内蒸腾特征模拟研究

赵文利, 邱国玉, 熊育久, 邹振东, 鄢春华, 余雷雨, 郝梦宇

2021, 57(2):  322-332.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.121

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以城市典型乔木小叶榕全天24小时每10分钟的树干液流及同步气象观测数据为训练集, 建立基于深度神经网络的城市典型乔木植被蒸腾估算模型, 得到10分钟尺度的小叶榕蒸腾模拟结果, 系统地探讨干湿季和昼夜影响小叶榕蒸腾的环境控制因子。基于深圳市91个气象观测站的常规气象观测数据, 应用训练好的深度神经网络模型, 估算得到站点尺度的深圳市典型乔木逐小时蒸腾特征。结果表明: 1) 深度神经网络模型可以高精度地模拟城市小叶榕每10分钟尺度的蒸腾变化, 与树干液流系统实测数据相比, 决定系数R²=0.91, 平均绝对百分比误差MAPE=21.77%, 均方根误差RMSE=0.02 mm/h; 2) 湿季和干季城市小叶榕蒸腾的主要控制因子, 白天均为太阳辐射和气温, 夜间均为饱和水汽压差; 3) 城市小叶榕在夜间仍然存在蒸腾, 干、湿季平均蒸腾速率分别达到0.03和0.01 mm/h; 4) 深圳市不同区域的植被蒸腾特征存在差异, 蒸腾速率最高可相差0.10 mm/h, 总体而言, 湿季白天的蒸腾速率(91个站点均值为0.1 mm/h)比干季白天(均值为0.08 mm/h)更高, 大部分站点夜间植被蒸腾量接近0, 但仍存在蒸腾, 少部分站点干季夜间平均蒸腾速率可达0.07 mm/h, 湿季夜间可达0.10 mm/h。

黄河上游重金属元素分布特征及生态风险评价

张倩, 刘湘伟, 税勇, 王婷

2021, 57(2):  333-340.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.124

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选取黄河沿至三湖河口14个采样断面, 分析溶解态、悬浮态和沉积态As, Zn, Cu, Cr, Pb和Cd的分布特征及影响因素, 并评估其生态风险。黄河上游溶解态金属含量为ND(not detected)~5.496 μg/L (I类水), 悬浮态重金属含量为ND~1097.995 μg/g, 沉积态重金属含量为ND~75.524 μg/g。非度量多维尺度分析(NMDS)结果表明, 黄河上游溶解态重金属空间差异性显著, 悬浮态和沉积态重金属季节差异性显著。相关性分析结果表明, 黄河上游沉积物中Zn, Cu, Cr和Pb主要来源于自然作用, As和Cd存在一定程度的人为污染。水库的建立运行也影响黄河上游重金属分布趋势, 主要与大坝对悬浮物的截留作用、蓄水的稀释作用以及重金属在泥–水表面的分配作用有关。潜在生态风险指数评估结果表明, 黄河上游重金属生态风险整体上偏低, Cd和As贡献较大。

化工企业污染物影子价格的估计—— 基于参数化的方向性距离函数

陈醒, 徐晋涛

2021, 57(2):  341-350.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.008

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以化工行业为例, 利用参数化的方向性距离函数估算2007—2012年867家化工企业两种空气污染物(二氧化硫和氮氧化物)和二氧化碳的影子价格, 衡量污染的边际减排成本, 得到如下结果: 1) 样本化工企业二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的平均影子价格分别为59.8 元/千克当量、388.13 元/千克当量和164元/吨当量; 2) 研究时段二氧化硫、氮氧化物和二氧化碳的影子价格总体上有所提升, 但分布变得更为分散, 企业间边际减排成本差异变大, 说明“十一五”期间的行政手段未实现经济有效的减排; 3) 通过绘制化工行业边际减排成本曲线发现, 要实现“十三五”规划中的污染减排目标, 有效的环境税税率需要远远高于目前的环境税税率或碳市场平均碳价, 意味着目前的环境税仍有很大的提升空间, 其中氮氧化物的有效税率远远高于二氧化硫, 未来氮氧化物的税率可能需要一定幅度的调整。研究结果可为建立更加完备的环境税体系提供一定的科学依据。

汉江流域河网分级特征研究

黄子叶, 王易初, 倪晋仁

2021, 57(2):  351-360.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.009

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为深入了解汉江流域河网结构特征, 在提取高精度数字河网的基础上, 结合地表水频率地图和河宽遥感数据集, 研究河网几何结构和拓扑结构的自相似性, 同时统计分析河网的河宽分级规律。结果表明, 河网中1~6级的分支比、河长比、面积比和侧枝比等结构参数稳定在较窄的数值范围内, 证明1~6级河网具有良好的几何拓扑结构自相似性。在河网自相似级别范围内, 河流级别与河宽平均值呈现近似指数分布, 1~6级的河宽比数值稳定, 平均值为1.87, 说明Horton定律适用于河宽分级。通过对比沟河识别前后的河网参数发现, 河长、河宽和流域面积越小, 河流越容易“干涸”, 并导致低级别河流偏离河网结构的自相似性。

植物残体输入改变对樟子松人工林土壤呼吸及其温度敏感性的影响

何可宜, 沈亚文, 冯继广, 韩孟光, 周益奇, 朱彪

2021, 57(2):  361-370.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.010

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对河北塞罕坝机械林场樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)人工林采取不同的处理方式(对照(CK)、凋落物移除(-L)、凋落物添加(+L)、根系去除(-R)、凋落物和根系同时去除(-R-L)、凋落物添加和根系去除(-R+L)), 基于处理后第一个生长季(2019年5—9月)的测定结果, 研究不同的植物残体输入方式对土壤呼吸及其温度敏感性的影响, 得到以下结果。1) 土壤呼吸速率存在显著的季节动态, 7—8月最高, 9月底最低。CK, -L, +L, -R, -R-L和-R+L处理组的生长季内平均土壤呼吸速率(平均值±标准误差, 下同)分别为2.20±0.17, 1.24±0.09, 2.40±0.07, 2.05±0.11, 1.04±0.07, 2.28±0.17 μmol/(m²·s), -L和-R-L处理分别使土壤呼吸速率降低43.6%和52.7%。2) 不同处理方式下, 生长季内土壤呼吸与土壤温度显著指数相关(p<0.01), 各处理样地土壤呼吸的温度敏感Q₁₀值分别为2.32±0.13, 2.37±0.05, 2.41±0.09, 2.42±0.14, 2.09±0.08, 2.87±0.11。地上凋落物处理对土壤呼吸生长季平均值和Q₁₀都有显著的影响(p<0.05), 而根系处理对其均无显著影响(p>0.05)。3) 与对照组相比, 在根系去除的处理(-R, -R-L和-R+L)中, 土壤湿度显著升高, 可能与根系停止吸收水分有关, 但土壤温度没有显著的变化。在大部分处理(除-R和-R+L外)中, 生长季内土壤呼吸与土壤湿度呈显著的抛物线式关系, 土壤湿度的阈值为15%左右。综合来看, 凋落物去除对樟子松林土壤呼吸和温度敏感性均产生显著的影响, 而根系去除的影响在第一个生长季不显著。

那仁郭勒河流域地表水与地下水储量变化响应研究

王玥, 王易初, 倪晋仁

2021, 57(2):  371-380.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2021.016

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基于2001—2016年的地表水和地下水储量数据, 分别从年尺度和季节尺度研究那仁郭勒河流域地表水与地下水资源变化趋势, 分析地表水与地下水的响应关系及其影响因素。结果表明, 那仁郭勒河流域地表水储量和地下水储量变化趋势分布不均匀, 季节差异明显。地表水–地下水储量变化响应在流域北部集中呈现“地表水稳定–地下水减少”的趋势, 在库拉克阿拉干河段呈现“地表水减少–地下水增加”的趋势, 在尾闾地区东西台吉乃尔湖分别呈现“地表水稳定–地下水增加”和“地表水减少–地下水减少”的趋势。水储量变化的主要影响因素包括温度、土壤断面厚度、灌溉面积及人口密度。流域内不同区域的地表水与地下水储量变化响应特征具有很大的差异, 对二者之间的典型非一致性响应关系的深入认识有助于实现流域地表水与地下水联合管理及生态环境保护。

生境维持服务供给量与需求量研究—— 以京津冀地区为例

王雅琳, 牛明爽, 宋波

2021, 57(2):  381-389.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.123

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为衡量京津冀地区各行政区的生境维持服务责任与权益, 提出以生境适宜性表征供给量, 以人类开发建设导致的生境占用以及人类行为辐射导致的生境质量下降表征需求量的方法, 计算京津冀地区2000, 2008和2013年的生境维持服务供给量和需求量。研究表明, 京津冀地区生境维持服务供给量整体上呈现自北向南逐渐减少的趋势, 2000—2013年京津冀地区的开发建设需求量呈现增加的趋势, 行为辐射需求量呈现下降趋势。承德市和张家口市的供给量远大于需求量, 京津冀东南部沿海城市的供给量小于需求量。研究结果与京津冀地区各行政区的生态功能定位和经济发展状况基本上相符, 验证了计算方法的合理性。

寒武纪化石胚胎Markuelia的肌肉组织

刘腾, 段佰川, 刘建波, 董熙平

2021, 57(2):  390-394.  DOI: 10.13209/j.0479-8023.2020.118

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利用同步加速器辐射X射线断层显微技术(SRXTM), 研究湖南省王村化石库的化石胚胎Markuelia hunanensis。所研究的标本保存了头部和尾部表皮下的栅栏状结构, 对这些结构进行三维重建后, 发现栅栏结构为环形, 呈两侧对称状排列。将头部和尾部的栅栏结构分别解释为可能的咽部和尾刺基部的肌肉组织。对可能的肌肉组织结构的进一步研究表明, Markuelia hunanensis最早的胚后阶段可能是小型底栖动物, 生活在泥砂缝隙之间, 并且可能是活跃的捕食者。