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持久性有机污染物暴露相关的动脉粥样硬化早期生物标志物研究取得进展
近期，中国科学院生态环境研究中心宋杨团队在持久性有机污染物暴露相关的动脉粥样硬化早期生物标志物研究方面取得进展。研究成果以“Evaluation of early biomarkers of atherosclerosis associated with polychlorinated biphenyl exposure: an in vitro and in vivo study”为题发表在《Environmental Health Perspectives》期刊上。
心血管疾病已成为造成全球人口死亡的第一原因。当前公认的心血管疾病危险因素主要有高脂血症、高血压、抽烟和糖尿病等，但并不能解释和预测所有心脑血管临床事件的发生。环境污染尚未被确认为心血管疾病的危险因素。目前，很少的生物标志物可用于预测心血管疾病。
多氯联苯暴露相关的动脉粥样硬化早期生物标志物
研究通过多组学联用技术，发现持久性环境污染物多氯联苯的醌类代谢物暴露诱导内皮损伤，促进心血管疾病进程的分子机制（如图）。组学测序结果提示非编码RNA HDAC7-AS1与 MIR-7-5p 通过Ago2特异性结合。非编码RNA HDAC7-AS1充当内源性RNA与TGF-β2竞争性结合MIR-7-5p。结合临床样本证实冠状动脉粥样硬化性心脏病血浆中HDAC7-AS1、MIR-7-5p和TGF-β2的水平正相关。
研究提示血浆中非编码RNA可作为环境污染物暴露相关的动脉粥样硬化诊断生物标志物和治疗靶点。
研究工作得到了国家科学基金等项目的支持。
论文链接：https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10.1289/EHP9833。
2022-04-07
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魏源送研究组在污泥高级厌氧消化对甲基汞削减方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心魏源送研究组在污泥高级厌氧消化对甲基汞削减方面取得新进展。相关成果近期发表在Bioresource Technology(2022,347,126394)和Journal of Hazardous Materials(2021,406,124310)。
厌氧消化工艺是实现污泥资源化的关键技术，而重金属是制约污泥资源化利用的关键因素。基于热水解的污泥高级厌氧消化工艺在北京得到了广泛应用，然而，人们并不清楚基于热水解的污泥高级厌氧消化对甲基汞的削减效果。因此，本研究以北京某再生水厂为对象，通过现场调研和实验室研究，率先明确了工程规模污泥高级厌氧消化对污泥中甲基汞的削减效果，揭示了热水解温度在甲基汞削减中的作用，明晰了污泥高级厌氧消化过程中汞甲基化和甲基汞去甲基化的动态变化过程及潜在的微生物学机制。
现场调查结果表明，污泥中总汞含量为（4.35±0.43）mg/kg，经过高级厌氧消化，由于浓缩效应导致总汞含量升高到（6.37±1.05）mg/kg（低于《农用污泥污染物控制标准GB4284-2018》的B级污泥产物总汞限值15 mg/kg），但污泥高级厌氧消化工艺显著削减了污泥中的甲基汞含量，在高温热水解过程，甲基汞含量从1.61~8.94 ng/g削减到0.38~3.42 ng/g，并在厌氧消化后进一步降低到0.21~2.03 ng/g。
实验室研究结果表明，热水解温度是污泥中甲基汞显著削减的重要因素。与对照（没有热水解）和低温（100℃）热水解相比，高温（120℃、150℃）的热水解使甲基汞发生了显著的去甲基化（从4.24 ng/g降低到0.95ng/g）。值得注意的是，高温热水解同步激活了厌氧消化前期水解酸化阶段的汞甲基化和后期产甲烷阶段的甲基汞去甲基化，但最终甲基汞的去甲基化占主导。基于高通量测序等手段，明确了污泥高级厌氧消化过程中汞甲基化、甲基汞去甲基化作用的相关微生物种群和hgcA、merA等功能基因的演变特征。
该研究成果明确了高级厌氧消化对污泥中甲基汞的削减作用，为降低污泥汞污染的环境健康风险提供了科学支持，具有重要的现实意义。
以上研究工作得到了北京市自然科学基金项目资助。
论文第一作者为刘吉宝助理研究员，通讯作者为魏源送研究员。
论文连接详见：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304389420323001
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852421017363
水污染控制实验室
2022年2月23日
2022-02-23
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魏源送研究组在合流制管网溢流污染防控方面取得新进展
中国科学院生态环境研究中心魏源送研究组在合流制管网溢流污染防控方面取得新进展。相关成果近期发表在Journal of Environmental Management（2022,303,114268）和Journal of Hazardous Materials（2022, 429, 128277）。
合流制管网溢流污染（CSOs）是影响城市水体水环境质量的重要污染源之一。本研究以北运河上游的沙河水库流域为研究对象，通过70年日降雨数据的统计分析和2017~2019年入库排口溢流过程的连续监测，并率先采用宏基因组学开展合流制管网溢流污染中的抗生素抗性基因组研究，揭示了北运河上游地区的降雨特征，明确了合流制管网溢流污染的水质水量特征。
研究结果表明，降雨主要发生在7月下旬和8月上旬，这段时间的降雨量约占全年降雨量的40-70%。合流制管网溢流污染是降雨驱动管网沉积物污染释放的过程（图2）。典型排口（NP8）主要溢流事件的水质水量过程监测表明，水质最差的是年度首次大雨（CODCr峰值1190mg/L）、汛期首次大雨（CODCr峰值1487mg/L）；溢流初期（30-60 min）携带颗粒态污染物，污染物浓度与浊度线性相关，后期5-10小时以雨水为主。
图1合流制管网溢流污染过程示意图
基于宏基因组学的研究方法，本研究分别从reads→contigs→metagenome assembly genomes（MAGs）的水平上系统阐述了合流制管网溢流污染的可移动抗性组及病原微生物毒力因子分布特征，解析了ARGs宿主菌群赋存特性，并基于溢流污染“潮汐式”冲刷特征，明确了管道底泥是溢流污染中ARGs污染的主要来源。
图2 合流制管网溢流污染中抗生素抗性组行为特征示意图
该研究成果揭示了北运河上游合流制管网溢流污染的水质水量特征，为合流制管网溢流污染防控提供了科学依据。
此外，课题组通过现场调查，识别出合流制管网溢流污染防控的降雨阈值（累积降雨量12-21mm），揭示了CSOs污染主要来自管网沉积物中粒径60目颗粒态污染物；通过数值模拟和示范研究，开发了基于天气预报的“截冲掏·调蓄净一体化”合流制管网溢流污染防控关键技术，其中“截冲掏”适用于累积降雨量12-21 mm之间CSOs污染入河前的截留净化，并可根据天气预报做好合流制管网底泥冲洗清掏；“调蓄净”适用于后续溢流污染的水质净化，例如，当累积降雨量>21 mm时，前30分钟初期污染采用排口“调蓄净”技术措施截留60目颗粒态污染物。该成果在北京市沙河水库库区排口进行了工程示范，并获得2020年度北京市水利学会科学技术奖二等奖。
以上研究工作得到了“十三五”国家水体污染控制与治理科技重大专项“北运河上游水环境治理与水生态修复综合示范（2017ZX07102）”项目资助，以及北京市水务局、北京市水专项办公室和北京市昌平区水务局的支持。
论文第一作者分别为郁达伟副研究员和张俊亚副研究员，通讯作者为魏源送研究员。
论文链接详见：https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114268；https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128277
水污染控制实验室
2022年2月7日
2022-02-07
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刘倩等在疾病导致的铜同位素分馏研究中取得重要进展
中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘倩等在稳定同位素分析技术的环境健康应用中取得重要进展。相关成果以“Identification of Two-Dimensional Copper Signatures in Human Blood for Bladder Cancer with Machine Learning”为题，在线发表于Chemical Science（Chem. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D1SC06156A）。
稳定同位素分馏是地球化学研究中广泛应用的一种技术，近年来在环境污染物溯源和示踪等方面也展现了巨大的应用潜力，但在其它领域的应用仍然较少。基于稳定同位素独特的溯源能力，在生命健康领域稳定同位素也展现了成为一种新标志物的潜力用于临床诊断和病因学研究。但是到目前为止，稳定同位素分析对疾病与对照的区分性能仍然较低，对疾病导致的同位素分馏机制的认识仍然极为有限。
图1、铜同位素分馏为膀胱癌的诊断及其铜失衡机制研究提供了新工具
本研究利用高精度多接收器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）测定了膀胱癌患者和良性疾病及健康对照人群的血液中铜同位素比值(65Cu/63Cu)，发现膀胱癌患者的血液铜相对于良性和健康对照组显著富集于轻同位素，且Cu同位素组成对癌症的响应灵敏度要远高于Cu浓度。此外，血液中Cu同位素分馏程度与肿瘤分期和恶性程度也表现出一定的相关性。体内铜代谢失衡被广泛认为与肿瘤发生密切相关，但其内在机制仍不清楚。Cu同位素提供了独立于Cu浓度的一维信息，来追踪与肿瘤相关的Cu元素异常的来源，从而为深入认识肿瘤相关的Cu代谢失衡的分子机制提供了新途径。
此外，研究团队建立了基于血液中二维Cu指纹（即Cu同位素比值和Cu浓度）的机器学习模型，实现了癌症患者与非癌症患者的高准确度区分。这种二维Cu指纹表现出了比其他膀胱癌标志物更好的诊断性能。这也是首次将稳定同位素分析和机器学习相结合的临床应用尝试，有望推动稳定同位素分析技术在生物医学方面中的应用。
该论文的通讯作者为刘倩研究员，第一作者为博士生王伟超和刘娴博士。该研究与天津医科大学第二医院合作完成，也得到了中国计量院、天津理工大学、荷兰Twente大学、北京大学公卫学院等单位协助。该研究得到了国家自然科学基金原创探索计划项目、国家杰出青年基金、国家重点研发计划项目和深圳“三名工程”等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D1SC06156A
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2022年1月24日
2022-01-24
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刘思金研究组在转化毒理学方面取得新进展
中科院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室刘思金研究组在转化毒理学方面取得新进展，相关研究成果近期以研究论文形式发表于Nano Letters （Zhu, et al. 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04260）。
肿瘤相关贫血（Cancer Related Anemia, CRA）的发生与肿瘤患者的不良预后密切相关，并可显著降低患者的生活质量。目前CRA尚缺少理想的治疗方法。CRA的发生原因复杂，炎症背景下肝脏细胞中IL-6/STAT3/Hepcidin信号通路紊乱导致的铁转运利用障碍在CRA的发生和进展中发挥重要作用。为此，该研究组构建了以纳米钯片（Palladium Nanoplate, PdPL）为载体，携载妥珠单抗（Tocilizumab, TCZ）的纳米复合体，形成有力对抗IL-6/STAT3/Hepcidin信号通路的纳米拮抗剂（PdPL-PEG@TCZ）。研究结果发现，PdPL-PEG@TCZ可将具有选择性阻断IL-6/IL-6R信号的TCZ高效率的靶向递送到肝脏，实现在肝脏原位削弱IL-6R下游信通路的活化，从而显著抑制肝脏来源铁调素（Hepcidin）的表达。在此基础上，增加血清铁含量，促进红细胞生成，以此显著改善贫血状态。PdPL-PEG@TCZ纳米复合体比游离TCZ显示出更强的改善贫血效果。在CRA动物模型中，PdPL-PEG@TCZ的应用不仅纠正了CRA，同时也显著延缓了肿瘤进展，实现了“一石二鸟”的效果。本研究为纠正CRA和肿瘤治疗提供了新的策略与方法。相关研究成果在线发表于Nano Letters。
PdPL-PEG@TCZ纳米复合体的构建和纠正CRA及抑制肿瘤进展示意图
该研究得到了国家自然科学基金、科技部和中国科学院国际合作项目支持。
相关论文链接：https://pubs.acs.org/articlesonrequest/AOR-SISCKFSZ7GHQIS76NUUV
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2022年1月18日
2022-01-18
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曲广波等在Chem上合作发表黑磷表界面可控修饰的综述文章
二维纳米材料黑磷（Black Phosphorus, BP）是继石墨烯之后，又一具有广阔应用前景的单元素片层二维纳米材料。BP在能源、器件、医学、环境等多个领域展现出独特的优势。然而，BP表界面极高的化学活性是制约其实际应用的主要瓶颈。BP具有高度的结构各向异性、尺寸依赖的可调带隙及量子限制效应。因而，可通过BP表界面的可控精准调节，对其理化性质进行有效改良。中科院生态环境研究中心江桂斌课题组曲广波与中科院深圳先进技术研究院喻学锋团队合作，撰写题为“Surface and interface control of black phosphorus”的综述，发表于化学领域的权威期刊Chem。
图1. BP表界面调控的方法示意图
论文回顾了近年来在大规模大尺寸制备BP方面的突破及其在实际应用中的意义；基于BP的光学、电学、热学和机械学等特性，阐述了其在光电器件、能源转化及存储、生物医学、化学传感、机械摩擦等领域的应用；基于本征BP与周围环境形成相互作用的复杂界面，详细综述了通过形貌调控、物理阻断、化学改性、生物修饰等方法，在改善BP稳定性的同时，实现对其理化性质的精准可控调节的研究进展，从而进一步扩展其实际应用。基于BP目前的研究进展，论文展望了BP在制备、改性、应用等方面的新方向，有望推动BP的工业化发展。
图2. BP与复杂环境相互作用界面
本论文的工作得到了国家自然科学基金委、深圳市科技创新委员会、中国科学院青年创新促进会的支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2451929421005933
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2022年1月7日
2022-01-07
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刘景富研究组提出以总有机碳作为定量微纳塑料总量的指标
微纳塑料已经成为全球关注的环境污染问题，迫切需要采用科学的定量指标评估和管控其污染。作为一类多种聚合物种类、粒径和形貌的混合颗粒物，如何简便可靠地对其进行定量是环境分析化学面临的新挑战。受总有机碳（TOC）和化学需氧量（COD）指标在天然有机质定量及有机污染物控制方面成功应用的启示，刘景富课题组提出用TOC作为定量微纳塑料总量的通用指标，并获得2018年国家重大科研仪器研制项目（自由申请）支持。经过三年的努力，实现了基于TOC准确灵敏测定微纳塑料总量，获得国家发明专利（ZL202010095438.8），论文近日发表在分析化学国际权威期刊Analytical Chemistry。
该测定方法流程如图1所示。首先，分别用不含碳的玻璃纤维膜过滤两个平行水样，富集微纳塑料及其他颗粒物。然后，将其中一张膜依次进行碱性K2S2O8氧化、芬顿消解处理以去除包括胡敏素在内的天然有机质，用TOC分析仪测定微纳塑料和颗粒态黑碳（PBC）的总TOC值；将另一张富集有颗粒物的玻璃纤维膜依次进行磺化、芬顿消解处理以去除PBC外其他颗粒态碳，用TOC分析仪测定PBC的TOC值。上述两个TOC值的差值即为微纳塑料的TOC。对1升水样进行处理测定，方法的检出限为7μg C/L。考虑到多数环境监测实验室、大学和科研院所已配备TOC分析仪，无需额外添置仪器设备即可实现微纳塑料总量的监测，方法具有成本低、可操作性强的优点；另外，由于该方法能同时定量样品中微纳塑料的TOC和颗粒态碳黑的TOC，有利于直接评估它们对碳循环的贡献。因此，该方法有望在微纳塑料环境污染监测及其对碳循环的影响研究中发挥重要作用。
图1 基于TOC测定微纳塑料总量示意图
研究得到国家自然科学基金委国家重大仪器研制项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.1c03114
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2022年1月5日
2022-01-05
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“乌梁素海流域生态环境综合风险与管控技术”顺利通过专家评审
11月9日，由发展中国家科学院院士、欧洲科学院院士吕永龙教授团队承担，内蒙古巴彦淖尔市环境科学研究所、河套灌区生态环境风险评估院士工作站共同参与的“乌梁素海流域生态环境综合风险与管控技术”项目顺利通过专家评审。
乌梁素海是全球荒漠/半荒漠地区极为罕见的具有生物多样性和环保多功能的大型浅水草型湖泊，对维护中国西北地区生态平衡，保护物种的多样性起着举足轻重的作用，是内蒙古“一湖两海”综合治理的重要部分。同时，乌梁素海还是黄河凌期以及当地暴雨洪水的滞洪库，是确保黄河内蒙古河段枯水期不断流的重要水源补给库，对于维系黄河水系具有巨大的不可替代的作用。习总书记在2018年和2019年多次强调：“要加强生态环境保护建设”、“加快乌梁素海水生态综合治理等”、“推进水资源节约集约利用”、“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的指导方针。
该项目针对乌梁素海流域生态环境问题，采用遥感监测、地面数据采集和实验室样品分析等多种手段，系统分析了乌梁素海流域常规营养盐指标、重金属、多环芳烃、药物和个人护理品、有机氯农药和全氟化合物等传统及新型污染物在环境多介质中空间分布特征和污染状况，辨识了主要来源，研究了主要风险源的影响范围及程度，评估了典型污染物的生态环境风险。同时，基于多时相遥感影像解译了该区域生态系统类型，调查了乌梁素海浮游生物、鱼类、沉水植物、挺水植物等水生生态系统，解析了流域水系与水生植物的时空分布态势，并提出了流域污染管控技术方案。该项目为进一步探究影响乌梁素海流域生态环境安全的主要因素、维护流域生态系统健康奠定了重要的科学基础。
城市与区域生态国家重点实验室
2021年11月24日
2021-11-24
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环境化学与生态毒理学国家重点实验室在纳米二氧化硅诱导心血管损伤新机制方面取得进展
中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室宋杨研究员在纳米二氧化硅诱导心血管损伤新机制方面取得进展。研究成果通过自由投稿（Track II）方式以Serum apolipoprotein A-I depletion is causative to silica nanoparticles-induced cardiovascular damage为题，于2021年10月29日在线发表在PNAS（《美国科学院院刊》）上。该研究起始于2016年，西南大学为第一通讯作者单位。澳大利亚昆士兰大学柯普春研究员、国家纳米科学中心陈春英研究员、首都医科大学黄榕翀教授、浙江省医学科学院楼建林教授和西南大学宋尔群教授参与了部分工作。
矽肺是长期呼吸暴露大量游离二氧化硅颗粒所引起的以肺部损伤为主的疾病，在世界范围内尤其是发展中国家具有广泛的患病人群。近年来，流行病学研究揭示了游离二氧化硅的暴露乃至空气污染和心血管疾病之间的潜在关系；而细颗粒物的暴露对心血管系统的损伤机制，仍有待进一步探究。
该课题组发现通过呼吸暴露的纳米二氧化硅能够在肺泡中吸附肺表面活性物质，随后穿过气血屏障进入血液循环 （图1）。肺表面活性物质的包裹显著促进纳米二氧化硅在血液中吸附载脂蛋白A-I，这样的吸附显著缓解了纳米二氧化硅的细胞毒性和促炎效应。但是纳米二氧化硅在血液中的快速清除，导致血液中的载脂蛋白A-I被不断耗竭。载脂蛋白A-I在脂质转运中具有重要角色，可以拮抗动脉粥样硬化的发生。因此，长期呼吸暴露纳米二氧化硅的小鼠产生了明显的心血管损伤，而载脂蛋白A-I模拟肽的补充则显著缓解了该损伤。在临床样本中，矽肺患者血清中的载脂蛋白A-I的浓度较健康人乃至冠心病患者显著降低，进一步验证了纳米二氧化硅暴露对载脂蛋白A-I的清除作用。
该研究揭示了纳米二氧化硅通过吸附并耗竭功能性蛋白质，诱导心血管损伤的新机制，为纳米颗粒暴露诱导的心血管毒性效应研究提供了新的思路。
图1. 纳米二氧化硅穿过肺血屏障吸附载脂蛋白A-I并导致其耗竭的模型示意图
该研究工作到得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费项目的支持。
论文链接：https://www.pnas.org/content/118/44/e2108131118。
环境化学与生态毒理学国家重点实验室
2021年11月2日
2021-11-02
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系统分析与可持续发展课题组在景感生态学公众感知定量研究方面取得新进展
景感生态学（Landsenses Ecology）是由赵景柱研究员生前提出的，以可持续发展为目标，基于生态学的基本原理，从自然要素、物理感知、心理感知、社会经济、过程与风险等相关方面，研究土地利用规划、建设与管理的科学。城市与区域生态国家重点实验室系统分析与可持续发展课题组在赵景柱研究员的指导和支持下，取得一系列研究成果：
使用深度迁移学习实现城市物理和心理感知的大规模测度和建模分析。利用公众感知先验知识库和街景现状数据集开展景感指数模型训练和预测（图1），对城市街区尺度不同土地利用条件下物理和心理感知建立定量模型并深入讨论。研究绘制了6种心理感知的景感地图（图1），发现其空间分布规律及其社会经济驱动要素。研究弥补了遥感和现场调查手段在视角和数据量方面的不足，并根据模型结果在不同街区土地利用条件下提供一系列改进策略，从而优化物理景观配置并缓解负面心理感受。该研究对维护城市环境公平和公共健康具有巨大应用潜力。该研究发表于 Land Use Policy。
图1 景感生态学心理感知（左）和物理感知的量化模型（右上）以及景感地图（右下）
量化城市道路绿化水平维度和垂直维度的质量差异。北京市六环内样点层面、道路层面和县域层面的平均道路绿视率均值分别为17.2%、15.3%和15.7%。不同城市功能区道路的绿视率均表现出明显空间分异，道路绿视率平均值依次为旅游区(15.68%)>住宅用地(15.12%)>服务区(14.70%)>文化区(14.22%)>商业用地(12.35%)。北京市六环内城市道路绿视率与植被指数呈显著正相关，不同尺度层面的道路绿视率与植被指数空间分布一致，但部分地区存在空间异质性（图2）。该研究有助于城市规划者和管理者准确有效地规划和设计城市道路绿化。研究发表于Urban Forestry and Urban Greening。
图2 北京市六环区域内道路绿化水平的空间分析结果
实现基于360°半球面全景的视觉绿盖度快速测量方法。设计实现了360°半球面全景拍摄设备及绿盖度算法，弥补传统街景图视域覆盖缺陷，探究北京市西城区不同街区类型视觉绿盖度与地表温度和植被指数之间的联系（图3）。该研究为城市园林绿化部门提供了评估复杂城市环境中绿化覆盖的测量工具，并能够为权衡人本尺度下的垂直绿化设计与微气候表现提供决策依据。该研究发表于Ecosystem Health and Sustainability。
图3 360°半球面全景的视觉绿盖度测算流程（左）和西城区实地测量结果（右）
文章通讯作者分别为赵景柱研究员、董仁才研究员和付晓高级工程师，第一作者分别为特别研究助理张永霖和在读博士生李涛。
以上研究得到了国家重点研发计划课题（2016YFC0503605）、中科院战略先导专项（XDA23030403）、城市与区域生态国家重点实验室开放基金课题（SKLURE2016-1-05）等项目资助。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2021.105762
https://doi.org/10.1016/j.ufug.2021.127153
https://doi.org/10.1080/20964129.2021.1929502
城市与区域生态国家重点实验室
2021年10月11日
2021-10-11
