Process-oriented ecological modeling approach and scientific workflow system

A scientific workflow system is designed specifically to organize, manage and execute a series of research steps, or a workflow, in a given runtime environment. The vision for scientific workflow systems is that the scientists around the world can collaborate on designing global-scaled experiments, sharing the data sets, experimental processes, and results on an easy-to-use platform. Each scientist can create and execute their own workflows and view results in real-time, and then subsequently share and reuse workflows among other scientists. Two case studies, using the Kepler system and BioVeL, are introduced in this paper. Ecological niche modeling process, which is a specialized form of scientific workflow system included in both Kepler system and BioVeL, was used to describe and discuss the features, developmental trends, and problems of scientific workflows.     

Effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate steppe of Nei Mongol,China

Aims Grazing intensity and grazing exclusion affect ecosystem carbon cycling by changing the plant community and soil micro-environment in grassland ecosystems. The aims of this study were: 1) to determine the effects of grazing intensity and grazing exclusion on litter decomposition in the temperate grasslands of Nei Mongol; 2) to compare the difference between above-ground and below-ground litter decomposition; 3) to identify the effects of precipitation on litter production and decomposition. Methods We measured litter production, quality, decomposition rates and soil nutrient contents during the growing season in 2011 and 2012 in four plots, i.e. light grazing, heavy grazing, light grazing exclusion and heavy grazing exclusion. Quadrate surveys and litter bags were used to measure litter production and decomposition rates. All data were analyzed with ANOVA and Pearson’s correlation procedures in SPSS. Important findings Litter production and decomposition rates differed greatly among four plots. During the two years of our study, above-ground litter production and decomposition in heavy-grazing plots were faster than those in light-grazing plots. In the dry year, below-ground litter production and decomposition in light-grazing plots were faster than those in heavy-grazing plots, which is opposite to the findings in the wet year. Short-term grazing exclusion could promote litter production, and the exclusion of light-grazing could increase litter decomposition and nutrient cycling. In contrast, heavy-grazing exclusion decreased litter decomposition. Thus, grazing exclusion is beneficial to the restoration of the light-grazing grasslands, and more human management measures are needed during the restoration of heavy-grazing grasslands. Precipitation increased litter production and decomposition, and below-ground litter was more vulnerable to the inter-annual change of precipitation than above-ground litter. Compared to the light-grazing grasslands, heavy-grazing grasslands had higher sensitivity to precipitation. The above-ground litter decomposition was strongly positively correlated with the litter N content (R² = 0.489, p < 0.01) and strongly negatively correlated with the soil total N content (R² = 0.450, p < 0.01), but it was not significantly correlated with C:N and lignin:N. Below-ground litter decomposition was negatively correlated with the litter C (R² = 0.263, p < 0.01), C:N (R² = 0.349, p < 0.01) and cellulose content (R² = 0.460, p < 0.01). Our results will provide a theoretical basis for ecosystem restoration and the research of carbon cycling.     

黄土高原丘陵沟壑区小流域植被净第一性生产力模型

构建了机理性植被净第一性生产力模型(Vegetation—Soil—Integrated—Model,VSIM)。该模型将土壤水分动态过程与植被生长过程相耦合,用以分析黄土高原丘陵沟壑区土壤水分对植被生产力的影响。模型考虑了叶片尺度上气孔导度对净光合过程和蒸腾过程的影响,在此基础上通过考虑植被冠层结构和地形因素的影响对模型进行尺度转换,并以位于黄土高原丘陵沟壑区纸坊沟流域的观测数据对模型进行参数化和验证。结果表明对于生物量的模拟草本和半灌木比乔、灌木好．主要植被类型LAI的季节变化与观测结果具有很好的一致性,模型能够反映出流域降雨一产流过程,并且基本上也能够反映土壤水分的时空变化范围。模拟结果表明,刺槐林和苹果林属于高光合一低蒸腾类型,农作物、白羊草群落和达乌里胡枝子群落属于高光合一高蒸腾类型,铁杆蒿群落和茭蒿群落属于低光合一低蒸腾类型,而沙棘灌丛和柠条灌丛的净第一性生产力居中,但蒸腾量较高。流域内土壤水分在多年序列上基本平衡,而在不同的水文年表现出失衡。其中刺槐林、苹果林和沙棘灌丛的多年平均土壤水分在年内存在少量亏缺,铁杆蒿群落和茭蒿群落略有增加,而其它植被类型基本保持平衡。丰水年不同植被类型土壤含水量都明显高于欠水年,土壤水分含量的变化在丰水年表现为盈余,而在欠水年表现为明显的亏缺。     

137Cs示踪技术研究坡耕地黑土侵蚀和沉积特征

准确地测定研究区137Cs背景值,建立137Cs流失量与土壤再分布速率之间的定量模型是137Cs示踪技术的关键。通过野外选择参照样地和利用热核爆炸源137Cs背景值模型来确定研究区137Cs的背景值,在此基础上用体现耕作迁移的质量平衡模型估算黑土坡耕地不同地貌部位的土壤再分布速率,并对主要参数进行敏感性分析。结果表明(1)研究区实测的137Cs背景值为2376.81±108.46Bq/m2,模型预测值为2318.4Bq/m2,模型预测远离西北核试验基地的地区较为准确。(2)研究区中坡位(坡肩和坡背)137Cs含量最低,侵蚀最为强烈,平均侵蚀速率为33.56t/(hm2·a)和21.67t/(hm2·a);坡麓和坡足则明显表现沉积,平均沉积速率为-4.93t/(hm2·a)和-24.61t/(hm2·a)。(3)模型预测的侵蚀速率与耕层质量深度(d)、张驰深度(H)正相关,而与137Cs年沉降易被迁移的比例(γ)和颗粒校正因子(P)反相关。并且,模型对参数d、p的敏感性分别高于参数H和γ。     

水动力条件下藻类动态模拟

藻类动态变化是其内部生理特征和外部驱动因素综合作用的结果。除了藻类自身生理因素及光、温度、营养盐等因素,水动力作用使底泥发生再悬浮所造成的营养盐的内源释放对藻类的影响也非常重要。1999年5月8日~6月24日在太湖湖泊生态系统研究站大型生态实验槽中进行了模拟水动力条件下的太湖藻类动态实验,并应用国外先进的PHREEQC软件从生物化学和生态动力学角度建立了藻类生态动力学模型。模型不仅考虑了氮循环及磷循环,还考虑了水动力条件引起的内源释放问题,根据2003年4月26~4月30日在河海大学环形水槽所做的底泥释放实验结果建立了水流和各形态氮磷营养盐释放的定量化关系。由于目前太湖的野外监测资料存在较明显的时空不一致性,模型参数率定的精度受到了较大影响。从室内模拟实验出发,通过对生态槽实验结果的模拟,确定和验证了模型的各参数值,计算结果显示模拟值能较好地拟合实验测量值,表明所建藻类生态动力学模型能较好地描述藻类及各种营养盐的动态变化,这对揭示藻类“水华”暴发机理有一定的意义。     

森林风景功能的计量评价

采用被视频度、林型权重、被视可能性 ,对富阳市富春江两岸风景森林进行计量评价 ,为两岸风景防护林的配置、管理提供正确的决策。通过地形及土地利用图、数值地形模型和视线入射角来确定景观的被视频度 ;引进人口重力模型来表示森林的被视可能性 ;采取一对一比较法判断林型权重 ;利用 Thurstone的比较判断矩阵得到各景观的评价值。通过使用林型权重 ,可判断景区森林布局的合理性 ,而评价值 (Li)的高低可作为森林景观是否需要改造的标志值。研究表明 ,景观的评价值 (Li)受被视可能性 (Gi)和林型权重 (Vi)的影响。景观评价值最高的为杨树苏柳银芽柳条带状混交林、杨树香椿枫香复层林两种木森林类型 ,其次为杨树河柳林带、杨柳枫杨桤木香樟块状混交林、桤木纯林、杨树纸浆林、柳树纸浆林、街道公园绿化带、枫杨纯林、桑树。森林是以小班为单位经营管理的 ,植被、林龄等在同一小班内基本一致 ,森林风景管理也至少要求对每个小班进行评价 ,因此 ,研究时网格大小起码在小班内含有几个网格 ,最适大小为 5 0 m× 5 0 m。     

北方森林土壤呼吸和木质残体分解释放出的CO2通量

北方森林因其面积大、土壤碳储量高以及对全球暖化响应敏感而在全球碳平衡和气候系统中起着至关重要的作用。土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量是北方森林生态系统输入大气圈的最主要的碳源。量化这个通量并深刻理解其中的机理过程 ,是评价和预测北方森林在全球变化中的作用必不可少的内容。综述了北方森林生态系统土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量随生态系统类型及环境条件而变化的一般格局以及自养呼吸和异氧呼吸在土壤表面 CO2 通量中的相对贡献 ;分析了影响北方森林土壤呼吸的主要生物物理因子 ;讨论了该领域研究存在的问题和今后的研究方向 ;并强调木质残体分解释放出的 CO2 通量虽然在以往的森林生态系统碳平衡研究中常被忽略 ,但在火灾频繁的北方森林中不容忽视     

STZ诱导糖尿病肾病大鼠模型的建立

目的建立糖尿病大鼠动物模型,探讨其肾脏损害规律。方法用STZ65mg/kg一次性腹腔内注射方式制作糖尿病大鼠模型,设立空白对照组,饲养14周,期间观察大鼠血糖、尿糖及一般情况变化,实验结束时测定血肌酐、尿素氮、尿蛋白、尿白蛋白排泄率,取肾作病理及超微病理检查。结果模型组大鼠出现血肌酐、尿素氮、尿蛋白、尿白蛋白明显升高,出现肾脏肥大,病理显示明显的肾小球、肾小管病变。结论STZ诱导糖尿病大鼠肾脏表现肾小球及小管间质损害,可以用作糖尿病肾病研究的动物模型。     

实验性X综合征大鼠模型的建立

目的　建立一种典型的X综合症动物模型。方法　雄性SD大鼠施行两肾一夹术后普通饲料喂养 4周 ,诱发肾性高血压 ,继以高果糖饲料喂养 4周 ,诱导建立X综合症模型。结果　术后 4周 ,大鼠仅出现收缩压升高 ,血糖、血脂未见明显改变。高果糖饲料喂养 4周后 ,大鼠出现高血糖、高胰岛素血症、胰岛素抵抗、高血压和高脂血症。结论　肾性高血压形成后高果糖饮食 1个月 ,可诱导SD大鼠出现典型的X综合症 ,为研究胰岛素抵抗及其伴随的心血管疾病提供了一种理想的动物模型。