鼎湖山森林生态系统智慧型野外台站建设

鼎湖山森林生态系统定位研究站(鼎湖山站DHF)是中国生态系统研究网络(CERN)的重要成员, 也是国家科技部重点野外台站(CNERN), 主要研究我国南亚热带森林生态系统结构、功能、格局和过程。根据鼎湖山站的数据管理和信息化实践, 结合信息化的发展趋势, 提出了智慧型野外台站建设的组成与结构, 重点介绍了基于互联网技术的数据监测、数据管理、信息服务与管理, 基于3S 技术的数字化台站建设等内容, 为野外台站的能力建设提供参考。     

中国生态系统研究网络(CERN)及其生物监测

中国生态系统研究网络是世界三大国家级生态网络之一,它由中国科学院1988年组建,目前由36个野外台站,以及生物、水分、土壤、大气、水域生态系统5个学科分中心和1个综合研究中心所组成。它的主要任务包括监测、研究、示范3个方面。CERN的生物监测由生物分中心负责。     

封面说明

正封面照片由中国科学院寒区旱区环境与工程研究所贾荣亮副研究员提供.中国科学院沙坡头沙漠研究试验站地处腾格里沙漠东南缘的宁夏中卫市境内,始建于1955年,是中国科学院最早建立的长期野外综合观测研究站之一.1990年成为中国科学院开放站,1992年成为中国生态系统研究网络(CERN)站,2000年被科技部遴选为首批国家重点野外科学观测站,2006年正式批准纳入国家野外科学观测研究站.该站也是联合国教科文组织人与生物圈(MAB)和世界实验室(WL)的     

大数据时代下的生态系统观测发展趋势与挑战

随着观测技术的发展, 生态学研究尺度不断扩大。生态系统观测从小规模合作、短时间个人观测向大规模、长时间、跨学科、多因子联合观测转变。传感器技术的革新带来了生态观测在时空尺度的扩展与精确度上的提升, 致使生态学观测数据的容量、产生速度与数据种类飞速增长。对生态系统数据获取、存储与管理的传统方法无疑不再能满足现代生态学研究的要求。因此, 我们建议以大数据时代的数据存储、管理与处理技术为基础, 整合生态物联观测网络(Internet of Ecology)、公民科学观测网络以及基于标准化数据管理的研究者网络互联, 建立整合生态系统观测平台来应对这一困境。为生态学研究者打造一站式生态观测服务, 是大数据时代下生态系统观测的大势所趋。     

中国森林生态系统定位研究网络的建设与发展

中国森林生态系统定位研究网络 (CFERN)起步于 2 0世纪 5 0年代末 6 0年代初 ,是国家林业局科技司直接领导和管辖的进行长期生态系统定位观测的大型生态学研究网络。它包含分布于不同气候带的 1 5个生态站 ,其中 6个国家级生态站 ,网络的覆盖面完整 ,基本具备了由北向南以热量驱动和由东向西以水分驱动的生态梯度十字网。网络管理中心负责协调各台站之间的联系、网络通讯的出版发行以及制定各种学术研究活动计划。     

生态环境大数据发展现状与趋势

随着大数据时代的到来生态环境大数据给生态环境领域研究带来了新的机遇与发展。本文回顾了生态环境大数据在收集、监测、分析与应用方面的发展现状。虽然生态环境大数据研究相对于其他领域起步较晚,但是目前正处于蓄势待发的状态。生态环境大数据研究未来的发展趋势为: 一、建立数据共享机制;二、需要跨区域的不同监测站点甚至不同观测网络进行联合观测与研究, 建立从样地到区域甚至到全球多尺度的、系统的观测与研究, 并且应该推进观测的标准化和规范化, 进一步统一不同生态环境观测网络的观测标准, 建立国际统一的观测标准和规范;三、需要开发针生态环境对大数据的统计分析软件, 尤其应该重视地理信息技术与统计分析技术的结合,特别是过程模型与大数据的结合。最后, 虽然生态环境大数据的应用研究相对薄弱但未来的发展空间是巨大的, 未来生态环境大数据的应用主要应该体现在生态环境资源管理、生态环境动态监测、生态环境评价等方面。     

封面说明

正图片由成都信息工程学院大气科学学院贾志军2007年7月26日摄于三江平原沼泽湿地生态试验站附近的水稻田内,利用涡度相关系统对水稻田地表CO2和水热通量进行观测.水稻田由沼泽湿地开垦而来.三江平原是我国中纬度冷湿(长期季节性冻融)低平原沼泽湿地的典型代表区.建国后多次大规模垦殖使该区农田面积显著增加,成为我国重要的商品粮生产基地.中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站位于三江平原腹地的黑龙江省同江市东南部,别拉洪河与浓江河的河间地段,始建于1986年,1992年加入中国生态系统研究网络(CERN).试验站以三江平原沼泽湿地     

基于文献计量的生态系统观测研究网络长期观测数据应用研究

基于CNKI数据库,采用文献计量和知识图谱的方法,通过对应用生态系统观测研究网络长期定位观测数据的文献进行分析,探讨长期观测数据的应用领域、具体用途、用户特点及不同生态站数据的应用状况与研究主题,以期为提高生态系统观测研究网络长期观测数据的共享服务能力、充分发挥长期观测数据的价值提供参考。分析结果表明:生态系统观测研究网络长期观测数据受到越来越多学者的关注,其应用学科领域以林业、农业基础科学为主,同时不断扩展到其他学科中,呈多元化态势;数据主要在生态系统服务研究、模型模拟、人工林研究、水污染研究、生物多样性研究、小麦玉米研究、土壤水分研究等方面发挥作用;数据的主要用户群体为高等院校和科研院所,不同机构应用长期观测数据开展的研究各有侧重;各生态站的长期观测数据能够为揭示其所代表生态区和生态系统类型的生态系统结构与功能、能量流动与养分循环的变化规律,分析主要生态环境问题的现状、动态变化及驱动机制等方面提供重要支撑。最后,对生态系统观测研究网络长期观测数据应用的相关方面提出几点建议:(1)健全数据引用机制,制定相应的科学数据引用和著录标准;(2)发挥生态网络长期观测数据优势,开展专题数据产品的生产,充分开发生态网络长期观测数据的潜在价值;(3)加大和稳定生态站的经费投入,提高生态站的观测能力和水平,同时还要完善、优化生态站布局。     

协同分布式实验2.0 (CDE 2.0):生态学野外研究新方法

全球野外实验网络是近年来兴起的生态学实验方法,产生了“协同分布式实验”(CDE)、“分布式协作实验”(DCE)的野外实验网络和英国生物学记录中心(BRC)的野外观察网络等具体方法,但均存在尺度小、周期短或数据偏差问题.野外实验网络的协议设计应秉持实验优于观察测量、数据数量优于数据质量和尺度优于操作的原则.综合上述方法,本研究提出利用公众科学(citizen science)获得大范围、多尺度和长周期的数据,采用环境因子作为协变量对公众参与者的实验数据集进行验证后,将其作为后验概率与作为主观概率的生态学家实验数据集进行比对,以完成数据有效性验证,克服公众参与者数据质量瑕疵,并提出了相应的统计学模型.讨论了生态学实验数据中应用先验概率、先验与后验概率的逻辑关系以及后验概率发现演化过程新关系的可能性.这种方法更符合统计学采样规范,并增加了大尺度时空的样本量.该方法有望为生态学研究所寻找的一般性理论提供方法支持,新方法可称之为“协同分布式实验2.0”(CDE 2.0).     

协同分布式实验2.0(CDE 2.0):生态学野外研究新方法

全球野外实验网络是近年来兴起的生态学实验方法,产生了"协同分布式实验"(CDE)、"分布式协作实验"(DCE)的野外实验网络和英国生物学记录中心(BRC)的野外观察网络等具体方法,但均存在尺度小、周期短或数据偏差问题.野外实验网络的协议设计应秉持实验优于观察测量、数据数量优于数据质量和尺度优于操作的原则.综合上述方法,本研究提出利用公众科学(citizen science)获得大范围、多尺度和长周期的数据,采用环境因子作为协变量对公众参与者的实验数据集进行验证后,将其作为后验概率与作为主观概率的生态学家实验数据集进行比对,以完成数据有效性验证,克服公众参与者数据质量瑕疵,并提出了相应的统计学模型.讨论了生态学实验数据中应用先验概率、先验与后验概率的逻辑关系以及后验概率发现演化过程新关系的可能性.这种方法更符合统计学采样规范,并增加了大尺度时空的样本量.该方法有望为生态学研究所寻找的一般性理论提供方法支持,新方法可称之为"协同分布式实验2.0"(CDE 2.0).     

Apple Fruit Diameter and Length Estimation by Using the Thermal and Sunshine Hours Approach and Its Application to the Digital Orchard Management Information System

In apple cultivation, simulation models may be used to monitor fruit size during the growth and development process to predict production levels and to optimize fruit quality. Here, Fuji apples cultivated in spindle-type systems were used as the model crop. Apple size was measured during the growing period at an interval of about 20 days after full bloom, with three weather stations being used to collect orchard temperature and solar radiation data at different sites. Furthermore, a 2-year dataset (2011 and 2012) of apple fruit size measurements were integrated according to the weather station deployment sites, in addition to the top two most important environment factors, thermal and sunshine hours, into the model. The apple fruit diameter and length were simulated using physiological development time (PDT), an indicator that combines important environment factors, such as temperature and photoperiod, as the driving variable. Compared to the model of calendar-based development time (CDT), an indicator counting the days that elapse after full bloom, we confirmed that the PDT model improved the estimation accuracy to within 0.2 cm for fruit diameter and 0.1 cm for fruit length in independent years using a similar data collection method in 2013. The PDT model was implemented to realize a web-based management information system for a digital orchard, and the digital system had been applied in Shandong Province, China since 2013. This system may be used to compute the dynamic curve of apple fruit size based on data obtained from a nearby weather station. This system may provide an important decision support for farmers using the website and short message service to optimize crop production and, hence, economic benefit.     

Optimal redesign of a salinity monitoring network in Barataria Basin,Louisiana, USA using discrete entropy theory

We use discrete entropy theory and the MaxT model to optimize a continuous salinity monitoring network in a coastal Louisiana estuary (71 stations, 5 station types). Four station types represent marsh zones based on plant tolerance to salinity: fresh, intermediate, brackish, and saline. The fifth station type include stations in open water spanning the entire estuarine salinity gradient. A dry year (2012) with reduced freshwater inputs, and a wet year (2019) were chosen to test the robustness of the model. Our analysis showed that thirty-one stations formed the core network for both water years, with an additional 12 (2012) and 14 (2019) stations, unique for each year, needed to capture the optimal information for salinity in all five habitats. Fourteen stations could be eliminated with minimal loss of information regardless of whether the estuary was under drought or excess freshwater conditions. The Nash-Sutcliffe coefficient (ENs), coefficient of determination (R²) and the relative error (RE) showed good to excellent agreement between salinity measured by the original network and the modeled salinity of the modified network. Discrete entropy theory and MaxT proved effective in identifying redundancies in information sufficient to allow a 20% reduction of stations. Considering the highly variable nature of salinity within an estuary over short- and long-term temporal scales within a particular geographic location and across the entire estuary, this result was unexpected. Further reductions in stations (and corresponding savings in resources and costs) will require approaches not focused on replicating the exact information content from station to station but rather on measuring those salinity patterns and thresholds that shape biotic resource response in an estuary and possibly a reformulation of monitoring objectives. Monitoring objectives should include sampling for parameters (e.g., suspended sediments and nutrients) that don't require continuous data and are less costly to sustain yet provide equally critical information for understanding coastal wetland habitat sustainability and restoration.     

The Impact of Cost and Network Topology on Urban Mobility: A Study of Public Bicycle Usage in 2 U.S. Cities

Understanding the drivers of urban mobility is vital for epidemiology, urban planning, and communication networks. Human movements have so far been studied by observing people''s positions in a given space and time, though most recent models only implicitly account for expected costs and returns for movements. This paper explores the explicit impact of cost and network topology on mobility dynamics, using data from 2 city-wide public bicycle share systems in the USA. User mobility is characterized through the distribution of trip durations, while network topology is characterized through the pairwise distances between stations and the popularity of stations and routes. Despite significant differences in station density and physical layout between the 2 cities, trip durations follow remarkably similar distributions that exhibit cost sensitive trends around pricing point boundaries, particularly with long-term users of the system. Based on the results, recommendations for dynamic pricing and incentive schemes are provided to positively influence mobility patterns and guide improved planning and management of public bicycle systems to increase uptake.     

中国中东部地区暴雨气候及其农业灾情的风险评估

利用中国中东部292个站点1961-2008年的暴雨气候资料和各省的农业灾情资料,采用主成分分析、软直方图估计、灰色关联法、正态信息扩散等方法,分别构建了暴雨气候指数、农业相对灾情指数及其风险估算模型,对中国中东部地区暴雨气候及其农业灾情的风险进行了研究.结果表明:中国中东部地区的暴雨气候风险,由南向北逐渐减少,高值区位于海南和广东、广西的沿海地区,其次是广西和广东的中北部,江淮地区的湖北、安徽、江西以及湘赣地区的湖南,低值区主要位于除辽宁沿海区域外的东北地区以及华北北部的河北和山西;农业相对灾情风险的高值区位于江淮地区的安徽、湖北,湘赣地区的湖南,东南沿海的广东,低值区是华北地区的河北、河南,东北地区的辽宁;除广东省外,各代表省的暴雨气候指数与农业相对灾情指数的相关系数均达到0.6以上(P＜0.Ol).经多年实际农业灾情验证,暴雨气候指数和农业相对灾情指数能较好地评估实际暴雨的强度及其对农业的影响.     

Health Concerns Versus Mobile Data Needs: Conjoint Measurement of Preferences for Mobile Communication Network Scenarios

As demands for mobile broadband services and ubiquitous network coverage in our societies are increasing, the mobile communication network infrastructure has to be expanded. Concurrently, the technical infrastructure of mobile communication technologies (base stations) raises the public's concerns about health risks due to electromagnetic fields (EMF). By applying conjoint analyses, the study empirically investigates the relationship between mobile data demands, different base station locations, the prevalence of perceived health complaints, and the impact of compensation payments. Findings show that health concerns are the most critical factor for mobile network communication scenario preferences, followed by data rate availability. In the decision scenarios, base station location and compensation payments played a minor role. Two user groups, cellphone and smart phone users who differ in their sensitivity regarding health concerns and data demands, were identified by segmentation analysis. By means of a sensitivity analysis, different mobile communication network scenarios were analyzed. Outcomes show the importance of integrating users’ preferences into the design of mobile communication networks. This especially refers to an increased sensitivity regarding health concerns in cellphone users and minimum requirements for data rates at least sufficient for the usage of mobile Internet services for smart phone users.     

亚洲季风区大气CH4浓度时空变化特征与影响因素

基于2009—2018年亚洲季风区7个大气本底站[印度尼西亚Bukit Kototabang(BKT)站、中国鹿林(LLN)站和瓦里关(WLG)站、日本Ryori(RYO)站和Yonagunijima(YON)站、韩国Tae-ahn Peninsula(TAP)站、蒙古Ulaan Uul(UUM)站]地面观测资料,利用谐波模型拟合和最大信息非参数探索方法,对亚洲季风区大气CH₄浓度时空变化特征及影响因素进行分析。结果表明: 亚洲季风区大气CH₄浓度范围在1853.04～1935.61 nmol·mol^-1,高于同期美国夏威夷Mauna Loa(MLO)站观测值(1838.33 nmol·mol^-1),总体呈现由北向南依次递减的纬向分布特征,两个高值中心为韩国TAP站(1935.61 nmol·mol^-1)和日本RYO站(1907.19 nmol·mol^-1)。大气CH₄浓度平均季振幅最大为日本YON站(108.20 nmol·mol^-1),最小为中国WLG站(29.48 nmol·mol^-1),同时韩国TAP(4.49 nmol·mol^-1·a^-1)站表现出更高的季振幅变化速率;除中国WLG站和韩国TAP站外,其他本底站均呈现夏低冬高的季节循环特征;从长期变化上看,中国LLN站(7.68 nmol·mol^-1·a^-1)和WLG站(7.56 nmol·mol^-1·a^-1)大气CH₄浓度增长趋势最明显。相对于风速而言,气温和降水量对亚洲季风区大气CH₄浓度的影响程度更高,两个气象因子与大气CH₄浓度之间均呈现显著负相关;局地排放对部分站点大气CH₄浓度具有显著正向效应。     

湖南壶瓶山国家级自然保护区哺乳动物多样性的时空格局

正对生物多样性的定量分析,是生态学、生物地理学和保护生物学的中心议题之一(Purvis and Hector,2000; Brooks et al.,2006; Pavoine and Bonsall,2011)。自然保护地(protected area)不仅是地球生物多样性的"诺亚方舟",更应该是探索人与自然和谐共存方式、维持地球可持续发展的示范地(Higgins et al.,2004)。     

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括: 1) 实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2) 野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3) 近自然状态的野外环境控制实验;以及4) 基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。     

Estimation of Citywide Air Pollution in Beijing

There has been discrepancies between the daily air quality reports of the Beijing municipal government, observations recorded at the U.S. Embassy in Beijing, and Beijing residents’ perceptions of air quality. This study estimates Beijing’s daily area PM_2.5 mass concentration by means of a novel technique SPA (Single Point Areal Estimation) that uses data from the single PM_2.5 observation station of the U.S Embassy and the 18 PM₁₀ observation stations of the Beijing Municipal Environmental Protection Bureau. The proposed technique accounts for empirical relationships between different types of observations, and generates best linear unbiased pollution estimates (in a statistical sense). The technique extends the daily PM_2.5 mass concentrations obtained at a single station (U.S. Embassy) to a citywide scale using physical relations between pollutant concentrations at the embassy PM_2.5 monitoring station and at the 18 official PM₁₀ stations that are evenly distributed across the city. Insight about the technique’s spatial estimation accuracy (uncertainty) is gained by means of theoretical considerations and numerical validations involving real data. The technique was used to study citywide PM_2.5 pollution during the 423-day period of interest (May 10, 2010 to December 6, 2011). Finally, a freely downloadable software library is provided that performs all relevant calculations of pollution estimation.