Testing parameter sensitivities and uncertainty analysis of Biome-BGC model in simulating carbon and water fluxes in broadleaved-Korean pine forests

生态过程模型的发展为研究者在长时间序列和区域尺度的研究提供了便利, 但模型模拟的准确性受到模型自身结构、模型参数估计合理性的影响。敏感性分析能够定量或定性筛选出对模型模拟结果影响较大的敏感参数, 是模型参数校准过程中的重要工具, 也是建模和应用的先决条件。该文以阔叶红松林为研究对象, 采用全局敏感性分析方法——傅里叶幅度灵敏度检验扩展法(EFAST)对Biome-BGC模型的生理生态参数进行了敏感性分析, 分别分析了红松(Pinus koraiensis)和阔叶树的净初级生产力(NPP)、蒸散(ET)对参数变化的敏感性。结果表明: (1)模拟红松NPP的不确定性高于阔叶树, 但二者的模拟ET的不确定性均较小。阔叶树的NPP和ET对生理生态参数的敏感性总体上都小于红松。(2)无论是红松、阔叶或其他植被类型, 模拟NPP均表现出对叶片碳氮比、细根碳氮比、比叶面积(SLA)和冠层截留系数的敏感性, 这4个参数的高敏感性主要是由模型自身结构所决定的, 与植被类型和研究地区的关系较小。对模拟ET而言, 细根与叶片碳分配比、新茎与新叶碳分配比和SLA均是影响红松和阔叶树ET的敏感参数, 但红松ET主要受参数与参数间的二阶或多阶交互作用的间接影响, 而阔叶树ET则主要是受到敏感参数直接效应的影响。(3)除了上述影响红松和阔叶树碳水通量的共性参数外, 诸如核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶中叶氮含量、叶片与细根周转率、所有叶面积与投影叶面积之比等也是对模拟结果有影响的重要参数, 但是其敏感程度随物种不同和研究区不同而不同, 所以这类参数可以根据具体情况进行参数本地化, 对于其他不敏感参数则可以采用模型缺省值。     

南昌市城镇空间扩展与景观生态风险的耦合关系

为探究城镇用地空间扩展对景观生态风险的影响,以南昌市为例,运用遥感、GIS及数理统计的方法,借助城镇扩展强度指数研究了南昌市2000—2017年城镇空间扩展的时空变化特征,构建了景观生态风险指数,以3 km×3 km的单元网格进行系统采样,探究城镇扩展下南昌市景观格局的动态变化和景观生态风险,最后基于地理加权回归(GWR)模型,定量分析2000—2017年南昌市城镇空间扩展与景观生态风险之间的耦合关系。结果表明:(1)2000—2017年,南昌市城镇用地增加了247.56 km~2,年均扩展速率达17.75 km~2,其中2000—2005年扩展最快,呈现出剧烈扩展的态势,扩展强度达到0.55。城镇扩展主要沿正北和西北方向扩展,分布在青山湖区、南昌县、新建区等,总体上呈快速扩展趋势;(2)南昌市景观格局以耕地为主,建设用地快速扩张,耕地、林地、草地面积持续减少,土地利用的景观格局指数反映此期间人类活动的干扰程度加剧,景观斑块数量增加,整体破碎度提高。借助地统计分析方法,计算得到南昌市景观生态风险由2000年的0.1354上升至2017年的0.1420,景观生态风险呈逐渐升高的趋势;(3)2000—2017年,城镇用地面积与景观生态风险、城镇空间扩展强度指数和景观生态险变化值之间,都呈现负相关影响,后者相关性在减弱。回归系数的空间分布上,由中部向外逐渐升高,低值位于城镇扩展较快的南昌市区,城镇的快速扩展使城镇用面积大幅增加,景观破碎度、损失度降低,景观生态风险随之降低;高值出现在进贤县、安义县等经济发展缓慢的地区,城镇用地扩展幅度小,扩展边界斑块破碎度大,分离度上升,景观生态风险增加。研究结果为促进城市建设与生态环境保护的相互协调,正确评价人类活动对城市生态系统的影响,以及南昌市的可持续发展和科学管理提供借鉴。     

丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展的时空演变特征及影响机理

将丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展作为一个时空变化系统进行分析,提取1980—2015年7个年份用地演变信息,结合10 km×10 km方格网构建,从总量趋势、分地州市级区域、分用地类型及特殊性全面认知扩展的时空演变特征,采用地理探测器模型,在县域尺度定量诊断城镇建设用地扩展的人文要素和自然要素的影响程度及各要素间的交互影响作用,进而识别其主控要素并探讨其作用机理,对比分析天山北坡城市群和喀什都市圈两个重点发展区域的分异性。研究结果表明:近35年以来,丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地扩展约2.9倍,扩展强度波动增长且以分散小斑块为主,各地州市扩展规模和强度的时空差异性显著,次一级城镇建设用地类型扩展呈现动态变化特征,用地扩展受自然本底胁迫条件和经济社会发展过程多重影响有其特殊性;全域城镇建设用地在县域尺度以低水平扩展与各级人文要素和自然要素水平的耦合匹配关系为主;综合地理探测器因子分析模块和交互作用模块的探测结果,判定地形位指数、城镇化率、地形起伏度、二三产业比重为影响丝绸之路经济带核心区新疆县域城镇建设用地扩展的主控要素,并探寻各主控要素的作用机理;在重点发展区域天山北坡城市群和喀什都市圈的驱动要素有共性也有明显分异性。该研究为丝绸之路经济带核心区新疆城镇建设用地因地因城因类的差别化调控及区域可持续发展提供科学支撑和决策依据。     

基于扩展耗模型的可持续发展水平区域空间差异——以中国31个省市为数据源

将区域作为一个以人类生产和消费为中心的社会-经济-自然复合生态系统,构建了一种基于生物物理视角的生态热力学方法,从整体角度对区域的可持续发展水平进行定量评价。该方法囊括了维持复合生态系统运转过程中的自然资源投入、人力资源投入和环境污染损害成本投入等三种要素,完善了可持续发展评价以及绿色GDP核算中人力资源投入和环境成本的价值体现。然后以我国为例,核算了我国31个省市2006—2015年间可持续发展水平的时间动态,并以各省为边界,计算了2015年的区域可持续发展水平差异。计算结果显示:(1)十年间,我国整体上的可持续发展水平在逐步提高,能反映出我国生产率水平的提高和资源利用效率的提高;(2)从要素投入看,自然资源投入仍然占主要,但比例在逐渐降低。环境成本投入比例呈逐步降低趋势,说明环境保护取得了成效。另外,在2010年后,人力资源投入比例增加很快,反映了我国经济发展中劳动力成本上升明显。(3)各省市的计算结果差异较大,在不考虑区域间进出口的情况下,从GDP产出角度,北京的可持续发展水平最高,西藏最低。通过将本文的评价结果与绿色发展指数的评价结果进行比较,发现具有较好的一致性。建立的方法框架是对能值分析方法的扩展和完善,在今后的研究中,还需要继续对该方法框架中没有考虑全面的因素加以考虑,以便于更全面客观地反映区域的可持续发展水平。     

西北地区三维生态足迹生态安全评价及驱动力分析

西北地区生态脆弱,进行生态安全评估和驱动力分析具有重要意义。选取土地利用影像和植被净初级生产力产品叠加细化均衡因子和产量因子,利用三维生态足迹改进模型测算和空间刻画西北地区2009—2017年的足迹深度,足迹广度和区域三维生态足迹;然后基于上述结果计算生态压力指数、生态协调系数、生态足迹多样性指数、流量资本占用率和存量资本流量利用比描述生态安全变化;最后用STIRPAT扩展模型结合主成分回归模型分析三维生态足迹演变的主要驱动因素。结果表明：(1)2009—2017年研究区的区域足迹广度总体上呈现为先升后降的趋势,2009年最低为3.116 hm~2/人,2016年达到最高为3.796 hm~2/人;区域足迹深度研究期内一直上升,从2009年的11.550 hm~2/人上涨为19.031 hm~2/人;三维生态足迹研究期内也一直增加,由6.006 hm~2/人增加为9.760 hm~2/人。(2)研究区2009—2017年整体生态安全持续恶化,生态压力不断增大,其中宁夏生态安全形势严峻,新疆和陕西生态环境脆弱,甘肃生态安全程度相对较差,青海生态安全良好;不同地区地类的安全状况基本不同,但...     

珍稀哺乳动物保护困难与出路

珍稀动物是指在自然界濒于灭绝的野生动物。据科学家估计,自16世纪以来,世界上约有250多种动物已经灭绝了,尚有600多种动物正濒于灭绝。从哺乳动物来看,1771~1870年的一百年内,有12种绝种;在1871~1970年的一百年内,至少有43种灭绝。哺乳动物,特别是大中型哺乳动物,由于在进化过程中基本上处于高级阶段,对环境的要求较高,繁殖周期较长,数量增加较缓慢,因此更容易受到人为活动的影响。不幸的是,这类动物长期以来一方面是人类最主要的直接     

森林多目标经营单元的时空尺度扩展

森林多目标经营是我国林业发展的重要趋势,而森林本身的特性以及国内外的众多研究证明,森林多目标经营需要考虑多个时空尺度,以满足其生态、经济和社会效益的综合发挥。在界定多功能林业和森林多目标经营的概念及基础上,系统地分析了传统森林经营时空尺度和现代森林多目标经营时空尺度的联系与区别,提出现代森林多目标经营单元空间尺度上应该满足区域、景观和林分多尺度的需要,而在时间尺度上则要综合考虑短期、中期和长期,并以露水河林业局为例给出具体的研究思路,以期为我国开展森林多目标经营提供借鉴。     

京津唐城市群土地利用变化的区域增温效应模拟

土地利用变化与大气相互作用,影响区域气候,而城市及其周边地区受人类活动影响很大,成为土地利用变化最为强烈的区域。利用耦合了城市冠层模型的中尺度大气模式(WRF/UCM),在2008年的初始大气条件和边界条件下,用20世纪70年代后期和2008年两期京津唐地区土地利用资料替换WRF/UCM模式推荐的地表覆盖数据,模拟分析不同土地利用类型及其变化对应的气候差异情况。在此过程中,利用插值方法(ANUSPLIN)得到京津唐及其周边26个气象站点观测气温的插值数据,并以此在时空尺度上对比验证了模式的模拟结果。结果表明:WRF/UCM较好地模拟出了近地表2 m的气温,无论在空间上还是在时间上都表现良好;由城市扩展主导的土地利用变化导致研究区大部分区域的增温幅度大于0.05℃,且最大的增温区域出现在城市扩展区,可达1.31℃。此外本研究初步探讨了土地利用变化的增温贡献率,结果显示研究区土地利用变化导致增温0.08℃,整体贡献率为9.88%,城市扩展区增温0.29℃,表示出了城市扩展导致的增温贡献率达到32.75%。     

水资源投入产出方法研究进展

从扩展建模技术、系数调整2条线索回顾国内外的水资源投入产出研究进展, 并讨论水资源的投入产出研究的不足和发展趋势。因为水资源投入产出表反映的是水资源与经济结构的关系,如果研究人员自己编制一张水资源投入产出表是不容易的事情。通常情况下都是以研究地域的投入产出表为基础,与其他模型相结合来研究水资源投入产出,但是水资源投入产出建模技术因为数据的限制而只能建立年度模型,具有很强的前提假定,使得投入产出建模技术缺乏灵活性,因而在运用中有对模型改进的必要。水资源投入产出扩展建模技术在这些方面就分别形成了与地区投入产出表结合的投入产出建模技术、与水资源供给相结合的投入产出扩展建模技术、与延长表结合的投入产出扩展建模技术。时效性缺乏一直就成为影响IO模型研究的最主要的瓶颈之一,为此,对各种用于建立新的 IO 表技术的研究一直受到普遍的重视。目前, IO 表系数调整方法已从消耗系数不变的系数调整方法、以RAS为代表的比例法, 发展到多种手段相结合的优化法。算法的改进和求解非线性规划问题的大量计算机软件的出现使得非线性优化模型得到了广泛的应用。     

利用机器学习提高M. jannaschii酪氨酰tRNA合成酶底物特异性分子建模预测的准确度

设计结合不同化学结构底物的酶结合袋是一个巨大的挑战. 传统的湿实验要筛选成千上万甚至上百万个突变体来寻找对特定配体结合的突变体,此过程需要耗费大量的时间和资源. 为了加快筛选过程,我们提出了一种新的工作流程,将分子建模和数据驱动的机器学习方法相结合,生成具有高富集率的突变文库,用于高效筛选能识别特定底物的蛋白质突变体. M. jannaschii酪氨酰tRNA合成酶（Mj. TyrRS）能识别特定的非天然氨基酸并催化形成氨酰tRNA,其不同的突变体能够识别不同结构的非天然氨基酸,并且已经有了许多报道和数据的积累,因此我们使用TyrRS作为一个例子来进行此筛选流程的概念验证. 基于已知的多个Mj. TyrRS的晶体结构及分子建模的结果,我们发现D158G/P是影响残基158~163位α螺旋蛋白骨架变化的关键突变. 我们的模拟结果表明,在含有687个突变体的测试数据中,与随机突变相比,分子建模和打分函数计算排序可以将目标突变体的富集率提高2倍,而使用已知突变体和对应的非天然氨基酸数据训练的机器学习模型进行校准后,筛选富集率可提高11倍. 这种分子建模和机器学习相结合的计算和筛选流程非常有助于Mj.TyrRS的底物特异性设计,可以大大减少湿实验的时间和成本. 此外,这种新方法在蛋白质计算设计领域具有广泛的应用前景.