湖泊生态系统动力学模型研究进展

从系统分析在湖泊生态系统动力学研究中的作用出发,对湖泊生态系统的动力学建模过程、方法和软件等进行了总结.在此基础上,综述了国内外湖泊生态系统动力学模型的发展.从1960年代至今,湖泊生态系统动力学模型从简单的零维模型发展到复杂的水质水动力学生态综合模型和生态结构动力学模型,如LakeWeb模型.中国的湖泊生态系统动力学模型研究始于20世纪80年代,主要集中在滇池、太湖、东湖和巢湖等富营养化严重的湖泊以及其他水体.目前,已经开发一些软件用于湖泊生态系统动力学模拟,主要有CEQUALICM、WASP、AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM等,以及用来模拟湖泊能流的软件ECOPATH.湖泊生态系统动力学模型还在监测、数据共享和模型结构、参数选取和不确定性分析等方面存在不足,需在今后的研究中加以改进.     

生态系统服务与景观格局集成研究综述

生态系统服务是综合科学和政策应用的有效工具,可用于应对人类干扰下的景观和生态系统服务的快速退化等复杂生态环境问题。综述生态系统服务与景观格局集成的学科发展、基础理论和模型开发的进展与存在的问题,建立可用的集成建模框架,并提出知识集成的概念框架:1)在要素层,"政策-决策—景观—生态系统服务—社会经济系统"的跨学科知识反馈环是集成理论基础; 2)在模型层,结构化、多层次的集成模拟模型是核心方法; 3)在数据层,多源数据集成是模拟模型的数据基础。集成生态系统服务与景观格局为区域生态环境治理实践提供了科学参考,能更好地应对生态系统服务科学与应用的挑战。     

森林-农业景观格局变化的社会-生态系统模拟模型方法进展

社会-生态系统（SES）模拟模型是景观格局分析和决策的有效工具,能表征景观格局变化的社会-生态效应及景观决策的复杂反馈机制。文献综述了森林-农业景观格局的SES模型方法进展发现：（1）多数模型对景观过程与社会经济决策的反馈关系分析不足;（2）应集成多种情景模拟和景观效应分析方法,完善现有SES模型的理论方法基础;（3）通过集成格局优化模型和自主体模型会有效改进SES模型功能,具体途径包括：集成情景-生态效应的景观格局模拟方法、完善景观决策的理论基础、加强集成模型的不确定性分析、降低模型复杂性和综合定性-定量数据等。研究结果有助于理解多尺度森林-农业景观格局在社会-生态系统中的重要作用,能更好地支持跨学科集成模型开发与应用。     

承载力评估在区域人口配置中的应用：以常州为例

从城市生态系统承载力的空间差异性出发,集成GIS空间评价技术和系统动力学（SD）模型,确定城市区域适度总人口规模和各分区人口数量,提出人口分区定量配置新思路和技术集成方法,并将该方法应用于300万人口城市--常州.结果表明： 通过构建常州市区人口、经济、土地与环境的系统动力学模型和多情景模拟分析,在同时满足城市经济发展与环境保护需求下,常州市区远景（2050年）总人口约400万;基于城市承载力空间差异评价进行常州市区总人口的空间配置,将形成240万人的主城及5个15～40万人新城的空间格局,研究结果可为国土开发管理中人口与经济的空间分配提供科学依据.     

基于管理目标的湖泊生态系统动力学

基于生态系统管理的目标,在对相关研究分析的基础上,依据生态系统生态学、淡水生态学的理论,提出了湖泊生态系统动力学研究的2个理论基础：生态系统管理和生态系统特征.在此基础上,分析得到湖泊生态系统动力学的研究方法体系,主要包括研究内容与技术路线、关键问题识别和动力学模拟、湖泊生态系统的适应性管理决策等部分.其中,湖泊生态系统结构和过程、湖泊中食物网营养动力学研究、生源要素循环、湖泊中关键过程的生态作用以及湖泊生态系统动力学模拟是研究的核心问题.此后,以P为主要的生源要素,将生态系统分为3个子过程：入流、出流和内部反馈,并以此建立了湖泊生态系统动力学的模型框架,以辅助于湖泊的生态系统管理.     

城市生态智慧管理系统的生态系统服务评估功能与应用

开展生态系统服务评估已经成为国土空间功能管治、城市治理、生态产品价值实现等工作中的先行基础动作。生态系统服务的类型和模型方法多,数据需求复杂,传统基于多学科软件开展生态系统服务评估的工作模式知识和技术门槛较高、效率低。当前专业的生态系统服务评估软件多为美国从业人员开发,对我国的数据构成和本地化参数适应性有限。介绍了我国自主开发的生态系统分析软件（城市生态智慧管理系统,IUEMS）的主要功能和应用情况,并将其的生态系统服务评估功能与InVEST、ARIES等国外主流软件在操作逻辑、评估模型、数据取得、空间精度、界面交互五个方面进行了对比。     

承载力评估在区域人口配置中的应用:以常州为例

从城市生态系统承载力的空间差异性出发,集成GIS空间评价技术和系统动力学(SD)模型,确定城市区域适度总人口规模和各分区人口数量,提出人口分区定量配置新思路和技术集成方法,并将该方法应用于300万人口城市——常州.结果表明:通过构建常州市区人口、经济、土地与环境的系统动力学模型和多情景模拟分析,在同时满足城市经济发展与环境保护需求下,常州市区远景(2050年)总人口约400万;基于城市承载力空间差异评价进行常州市区总人口的空间配置,将形成240万人的主城及5个15 ～ 40万人新城的空间格局,研究结果可为国土开发管理中人口与经济的空间分配提供科学依据.     

城市病诊断与城市生态系统健康评价

在总结国内外城市病现象和病因的基础上,提出了城市生态系统健康的五大功能,即承载力、支持力、吸引力、延续力和发展力,概括为CSAED模型,分析了与此相对应的限制城市功能的瓶颈因子,将城市病的各项病征与城市功能相联系,并以此为基本框架,构建了城市病诊断和城市生态系统健康的评价体系.基于城市生态系统的发展目标,将梯度型隶属度函数、改进均方差法、加权欧氏距离算法等进行综合集成,建立了一套便于推广比较的城市生态系统健康评价模型算法.以北京市为案例,进行了城市病的单因子诊断和城市生态系统健康评价,计算了北京市1999～2005年的城市生态系统健康指数,并分析了北京市发生城市病的原因、城市病所处的阶段等.研究对于我国城市病诊断与解决,以及城市生态系统健康评价具有重要参考意义.     

生态系统模拟模型的研究进展

从四个方面概述了生态系统模拟模型的发展现状：1)个体及种群,种群动态模型主要模拟在一个生境中单个种的动、植物个体出生或发芽、成长及其死亡过程,还有种内竞争和种间相互作用,主要分析生境中生物之间的相互作用。主要概述了林窗模型和土壤一植物一大气系统模型。2)群落与生态系统,概述了生态系统生产力模型、生物地球化学循环模型及演替模型。主要模拟植物种类在整个生态系统发展过程中的变化,以及植被类型的转变和相关的生物地球化学循环过程的改变,从而反映生物群落对气候变化的响应。3)景观生态系统,景观动态研究包含了时空两个方面的动态变化,一般可分为随机景观模型和基于过程的景观模型。随机模型用于模拟群落格局在演替过程中的动态变化等,基于过程的景观模型深入研究组成景观的各生态系统的空间结构。4)生物圈与地球生态系统,基于过程的陆地生物地球化学模式被用来研究自然生态系统中碳和其它矿物营养物质的潜在通量和蓄积量,较为流行的模式有陆地生态系统模式TEM、CENTURY、法兰克福生物圈模式FBM、Biome-BGC、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法CASA等。这些模式己被用于估算自然生态系统对大气CO2加倍及相关气候变化在区域和全球尺度的平衡响应。最后,结合实际工作展望了生态系统模拟模型在各方面的发展方向。     

基于CiteSpace的EwE模型文献计量学与可视化分析

为探究EwE(Ecopath with Ecosim)模型的历史演变和应用现状,本文通过Web of Science主题检索和引文链接法获得1984—2020年间的研究文献构成核心数据集和扩展数据集,并以此为数据源,从论文分布、研究力量、研究主题、热点演化等方面进行科学文献计量分析,利用CiteSpace软件绘制相关图谱。结果表明: EwE模型的系列研究成果产出总体呈上升态势,且广泛分布于多学科交叉领域, Christensen、Walters、Pauly等学者在模型应用和国际合作中起到重要推动作用。过去,EwE模型通过建立功能组间的营养关系,主要用于解决生态系统结构和功能的时空变化、捕捞对生态系统影响等问题。当前,研究主题聚焦于海洋资源管理、生态系统模拟、海洋保护区、生态系统指标等重点群组。研究热点从模型开发和食物网结构向生态系统预测和资源管理研究演变,从而为基于生态系统的水域资源管理和海洋保护区建设等提供科学依据。     

模型分析在动物进化生物学研究中的应用

早期的生态学研究往往局限于对野外观察现象的基本描述。随着模型分析方法的引入,可以通过建立数学模型寻找描述性材料中蕴藏的一般性规律,探讨某一现象产生的原因及其制约因素。近年,随着计算机技术的飞速发展和普及,模型分析方法应用越来越广泛。动物行为的进化及其对环境的适应性一直以来都是生态学研究的热点,根据应用不同的理论基础,人们发展了许多不同的建模方法,主要包括种群遗传学模型、最优化模型、博弈模型、基于个体的模拟模型和系统发育对比分析模型等。本文主要介绍了以上5种模型方法,及其在动物进化生物学研究中的应用现状。     

城市景观格局演变的生态环境效应研究进展

快速城市化过程剧烈影响着下垫面变化,直接带来了交通拥挤、资源短缺、环境污染、生态恶化等诸多问题,所有这些问题的出现均与景观格局演变密切相关,研究城市景观格局演变及其生态环境效应正在成为全社会关注的热点.系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响,分析了城市景观格局演变的热环境效应、水环境效应、生态服务效应,以及城市生态用地与生态安全格局设计等方面的研究进展.指出了目前城市景观演变与生态环境效应研究中存在的问题与不足:(1)现有研究侧重于景观格局演变的量化分析和景观格局指数的计算,较少关注景观格局演变对生态环境及其区域生态安全的影响;(2)城市景观格局演变与热岛效应研究多局限于两者数理统计关系的分析,对于城市热环境形成的机理缺乏深入研究;(3)城市景观格局演变与大气环境效应方面更多研究关注绿地及其空间布局在吸收和降解大气污染物、固体颗粒物方面的作用,对城市景观格局演变的大气环境综合效应以及大气灰霾效应影响机理重视不够;(4)如何通过合理设置生态用地,有效提高城市生态服务功能和保障城市生态安全,目前仍缺乏深入而又系统的研究.下一步的研究中,需要综合多尺度的景观信息来揭示城市景观的演变机理和环境效应,构建基于城市空间扩展和生态服务效应评价的城市生态空间优化决策模型,探讨城市生态空间优化模式与安全格局.     

城市生态系统承载力理论与评价方法

城市作为一个复杂的人工生态系统,其承载力的意义与生态学中的种群承载力意义有了很大差别。定义了城市生态系统承载力,强调其对维系城市生态系统健康的能动性特征,并在比较生物免疫力与城市生态系统承载力的相似性的基础上,构建了“城市生态系统承载力免疫学模型”作为其理论模型。在理论模型基础上设计其计量模型,分为天然承载力和获得性承载力两部分。并通过承载力与压力的相对变化趋势表达城市生态系统维系其健康水平的能力。以广州市为例,计算了广州市城市生态系统承载力与压力,获得二者的动态关系。结果表明,自1992年以来,广州市基本上处于一种经济发展与城市生态系统支持力同步发展的良性状态,所采取的发展模式具有可持续性     

Ecological engineering: A rationale for standardized curriculum and professional certification in the United States

The demand for engineering solutions to ecosystem–level problems has increased as the impact of human activities has expanded to global proportions. While the science of restoration ecology has been developed to address many critical ecosystem management issues, the high degree of complexity and uncertainty associated with these issues demands a more quantitative approach. Ecological engineering uses science-based quantification of ecological processes to develop and apply engineering-based design criteria for sustainable systems. We suggest that in the United States ecological engineering curricula should be offered at the graduate level and should require rigorous Accreditation Board of Engineering and Technology-accredited (or equivalent) undergraduate preparation in engineering fundamentals. In addition to strengthening students’ mastery of engineering theory and application, the graduate curriculum should provide core courses in ecosystem theory including quantitative ecology, systems ecology, restoration ecology, ecological engineering, ecological modeling, and ecological engineering economics. Advanced courses in limnology, environmental plant physiology, ecological economics, and specific ecosystem design should be provided to address students’ specific professional objectives. Finally, professional engineering certification must be developed to insure the credibility of this new engineering specialization.     

The Urban Funnel Model and the Spatially Heterogeneous Ecological Footprint

Urban ecological systems are characterized by complex interactions between the natural environment and humans at multiple scales; for an individual urban ecosystem, the strongest interactions may occur at the local or regional spatial scale. At the regional scale, external ecosystems produce resources that are acquired and transported by humans to urban areas, where they are processed and consumed. The assimilation of diffuse human wastes and pollutants also occurs at the regional scale, with much of this process occurring external to the urban system. We developed the urban funnel model to conceptualize the integration of humans into their ecological context. The model captures this pattern and process of resource appropriation and waste generation by urban ecosystems at various spatial scales. This model is applied to individual cities using a modification of traditional ecological footprint (EF) analysis that is spatially explicit; the incorporation of spatial heterogeneity in calculating the EF greatly improves its accuracy. The method for EF analysis can be further modified to ensure that a certain proportion of potential ecosystem services are left for in situ processes. Combining EF models of human appropriation with ecosystem process models would help us to learn more about the effects of ecosystem service appropriation. By comparing the results for food and water, we were able to identify some of the potentially limiting ecological factors for cities. A comparison of the EFs for the 20 largest US cities showed the importance of urban location and interurban competition for ecosystem services. This study underscores the need to take multiple scales and spatial heterogeneity into consideration to expand our current understanding of human–ecosystem interactions. The urban funnel model and the spatially heterogeneous EF provide an effective means of achieving this goal. Received 17 October 2000; accepted 31 May 2001.     

城市地域生态调控的空间途径——以深圳市为例

城市地域的可持续发展必须以生态环境的可持续发展为前提和保障。景观生态学主要研究地表各种景观空间格局与生态过程及其相互作用,其原理和规律为在实践中通过优化景观格局,提高生态系统稳定性提供了理论框架。以深圳市为例,尝试综合运用生态敏感性与适宜性分析和景观格局整体优化的方法,通过对生态系统的格局分析与问题诊断,构建合理、稳定的生态系统结构,保障生态系统服务功能的正常发挥。案例研究将深圳市域的整体生态结构分为自然生态空间、城镇发展空间和生态廊道3部分。城镇发展空间具有文化支持的生态功能,自然生态空间具有环境服务和生物生产的生态功能;生态廊道主要起到加强生态联系,提高生态系统稳定性,并防止城市发展空间无序蔓延的功能。城镇景观斑块镶嵌于自然生态景观基质中,并通过多种类型的生态廊道相连,形成区域生态系统的良性循环。案例研究表明,景观生态规划方法的综合应用,可以将景观生态学原理和规律比较合理的运用于实践。     

A methodology for performing global uncertainty and sensitivity analysis in systems biology

Accuracy of results from mathematical and computer models of biological systems is often complicated by the presence of uncertainties in experimental data that are used to estimate parameter values. Current mathematical modeling approaches typically use either single-parameter or local sensitivity analyses. However, these methods do not accurately assess uncertainty and sensitivity in the system as, by default, they hold all other parameters fixed at baseline values. Using techniques described within we demonstrate how a multi-dimensional parameter space can be studied globally so all uncertainties can be identified. Further, uncertainty and sensitivity analysis techniques can help to identify and ultimately control uncertainties. In this work we develop methods for applying existing analytical tools to perform analyses on a variety of mathematical and computer models. We compare two specific types of global sensitivity analysis indexes that have proven to be among the most robust and efficient. Through familiar and new examples of mathematical and computer models, we provide a complete methodology for performing these analyses, in both deterministic and stochastic settings, and propose novel techniques to handle problems encountered during these types of analyses.     

Computer simulation of biological systems

The current status of mathematical models of biological systems is reviewed. Advances in supercomputer hardware allows more complex models to be constructed. The new generation of microcomputers are quite adequate for many computer simulations of biological systems. A theory of modeling is being developed to improve the relationship between the real biological system and the model. Deterministic models, stochastic models and applications of control theory and optimization methods are discussed. Examples given include models of molecular structure, of experimental techniques, and of biochemical reactions. It is recommended that experimental biologists consider the use of microcomputers to model the system under study as a part of their research program.     

土壤-作物污染物迁移分配与食物安全的评价模型及其应用

人类对潜在有毒污染物的接触及其健康风险是当今环境科学与医学共同关心的热点问题,而污染土壤中毒污染物在土壤－植物系统迁移与转化是其中的关键基础问题,本文基于对现有资料的分析,提出计算污染物的环境控制标准的数学模型－污染生态模型和环境化学模型,模型计算结果表明,未污染条件下的土壤－植物间元素分配参数不符合污染土壤环境中的土壤－食用作物－人类间污染物分配的特点。因此,制定土壤环境控制标准必须考虑实施土壤的环境化学特点,本文建立的模型有其对污染物的土壤环境控制标准的计算结果,期望于对我国加强污染生态研究和食物安全评价有一定的参考意义。