草地农业生态学研究进展与趋势

阐述了草地农业生态学的内涵,发展过程,前沿领域和发展趋势,草地农业生态系统的界面理论,结构与功能,系统耦合与系统相悖以及系统健康评价是该学科的4个前沿领域,草地农业生态系统存在3个基本界面,即草丛-地境,草地-动物以及草畜生产-经营管理界面,研究发生于各个界面的一系列生态学过程,是揭示系统行为特征的关键,草地农业生态系统有4个生产层,即前植物,植物,动物和外生物生产层,系统耦合与系统相悖是生产层之间互作的2个重要概念,不同生产层之间的系统耦合,可产生系统进化,多方面释放系统潜势,生态系统健康水平是其结构和功能的反映,健康评价是对其有序度和服务价值的度量。     

黄土丘陵区纸坊沟流域农业生态经济系统耦合过程分析

农业生态经济系统耦合指农业生态系统与农业经济系统按照其固有的互动关系,在人类适当干预和调控下所形成的有机统一体,其耦合态势可以依据农业资源与农业产业之间的循环链网结构予以表示.纸坊沟流域农业生态经济系统经历了“系统耦合→系统相悖→系统耦合→高层次上系统局部相悖”的过程,流域中农民的需求、国家宏观政策、经济手段和行政手段对农业生态经济系统耦合态势的调控和干扰是引起这一变化的主要因素.针对纸坊沟流域农业生态经济系统耦合过程中存在的问题,今后应建立以林草及其相关产业为中心的耦合体,建设农业生态经济系统优化耦合模式.     

70年来陕西省纸坊沟流域农业生态经济系统耦合态势

"农业生态经济系统耦合"的研究与实践对于实现农业产业与资源相一致,建立持续、高效的农业生态经济系统具有重要的意义.耦合度可以阐明农业经济系统与农业生态系统互动关系,判定农业生态经济系统耦合态势.在分析陕西省纸坊沟流域农业生态经济系统耦合关系的基础上,参照系统科学等理论及相关研究结果建立了农业经济系统与农业生态系统耦合度模型,并计算和分析了该流域70a来的耦合度.结果表明,农业生态经济系统的耦合过程可以划分为4个阶段:Ⅰ.经济系统依赖生态资源进行原始化农业生产阶段;Ⅱ.农业生产掠夺式利用生态资源,生态系统供给能力不断减少阶段;Ⅲ. 农业经济系统与生态系统协调化发展阶段;Ⅳ.降低农业发展速度,促使生态系统重建阶段.纸坊沟流域从1938～2008年先后经历了第Ⅰ阶段、第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段.目前处于第Ⅲ阶段,但在"系统发展"过程中已潜伏了越来越大的危机,到2018年系统耦合突破"协调"界限,"相悖态势"将明显表现出来.为此,纸坊沟流域必须调整产业布局,发展草畜产业,进行产业升级,优化产业结构,实现农业生态经济系统协调、持续发展.     

互花米草防治和麋鹿保护的系统耦合作用——基于自然的解决方案

互花米草(Spartina alterniflora)是典型的外来入侵物种,因其繁殖力和适应力强难以防治,直接威胁我国滨海滩涂湿地生物多样性,改变了该生态系统的结构和功能;麋鹿(Elaphurus davidianus)是我国I级保护动物,是野生动物迁地保护和回归自然的典范,但仍面临野生种群稳定性低、与保护区环境承载力矛盾尖锐的问题。麋鹿喜食互花米草,其牧食行为可有效调控互花米草的时空分布格局,提升滨海滩涂湿地生态系统功能和稳定性,并为其自身野化回归提供良好的环境。目前针对互花米草防治和麋鹿保护的研究较多,但少有二者耦合作用的探讨。尝试借助草地农业系统理论阐释互花米草防治和麋鹿保护(互花米草&麋鹿)耦合发展的范式和潜在机制,即寻求基于自然的克服系统相悖的解决方案。以期打破珍稀物种保护和入侵物种防控各自为战的范式,探索二者耦合发展思路和陆海农业实践。同时,探讨了利用无人机等技术搭建滨海滩涂湿地互花米草&麋鹿耦合系统的空-天-地一体化监测、分析和管理体系。     

基于草地资源可持续利用的干旱半干旱区草牧业发展策略——以新疆阿勒泰地区为例

发展草牧业在促进农业结构调整、保障国家食品安全和生态安全等方面具有重要的战略地位和作用。本文以新疆阿勒泰地区为例,从草-畜-人社会生态系统视角,运用人口、资源与环境经济学的理论和方法,在评价草地资源可持续利用状况及其耦合协调度的基础上,提出我国北方干旱半干旱区草牧业发展策略。研究区草地资源可持续利用的整体水平较低,具体表现为草地资源的生产性不高、保护性不够、稳定性不足、经济可行性较差、社会可承受性较低;草地生态系统的非平衡性特征,草-畜-人系统内部各子系统之间交互作用的复杂性、逻辑联系的特殊性,以及在牧区生态、牧业发展和牧民增收之间缺乏有效权衡,是导致研究区草地资源可持续利用耦合协调度较低的重要原因;大力发展优质牧草产业,着力构建现代牧业体系,全力提升新型牧民素质,推进草-畜-人系统耦合,从而增强草地系统的自然过程、经济过程和社会过程的融合演进,根本解决草畜矛盾、供需矛盾和"三生"矛盾,促进干旱半干旱区草牧业持续健康发展。加强多部门交流合作,集成多学科理论方法,整合多领域政策资源;科学编制中长期草牧业发展规划,促进草牧业高质量发展和草原牧区乡村振兴;深入开展草牧业科技创新、试验示范和推广工作,加快形成优质牧草–现代牧业–新型牧民"三位一体"格局,长期维系草原牧区和谐共生的人地关系,是实现干旱半干旱区草牧业持续健康发展的长远之策、根本之策。     

农业生态经济系统耦合过程模型的建立及应用

基于"一般系统论中系统演化"的思想、"Thornes关于植被和土壤侵蚀耦合模型"等思路,构建了农业生态经济系统耦合过程的基础模型和扩展模型。通过该模型能够揭示农业"生态—经济"的互动过程、确定农业经济系统影响生态系统的临界点,这对于开发利用农业资源、制定农业生态经济系统可持续发展方案具有重要的现实意义。以纸坊沟流域20余年农业生态经济系统演变资料为基础,借鉴已有研究结果,通过对"模型"参数的计算,建立了反映纸坊沟流域不同情境下农业生态经济系统耦合过程模型,结果表明:按照农业生态经济系统现状演变轨迹,农业生态系统自我调节的临界点为en(t)=1.22×el(t);如果继续完善系统循环,强化"林草资源-畜牧业"链网,在生态系统阈值范围内可增强经济系统功能;如果停止"退耕"而出现复垦,生态系统自我调节的临界点变为en(t)=0.69×el(t),单位生态系统功能减弱。为此,必须稳定退耕还林工程,促进农业资源合理、高效利用,加速产业优化升级,这样方能实现农业生态经济系统健康、持续发展。     

社会-生态系统:研究态势、主题演进与地域实践

社会-生态系统综合了人类社会治理与自然环境利用研究视角,为解决全球生态问题提供新途径,是人地系统研究的热点。梳理和归纳社会-生态系统研究的发展历程和近今态势,总结前沿议题和地域实践,对人地系统耦合研究和可持续发展具有重要意义。主要发现如下：社会-生态系统研究领域整体发文量较少,发展阶段受国际重要研究计划和组织的直接影响;欧洲、北美洲和澳大利亚的高校、研究所和政府机构是领域内的主要研究力量,核心作者间合作紧密;我国社会-生态系统研究受资助力度逐年增加,研究内容不断深入,但在国际相关学术话语体系构建和关键作用发挥上仍有较大提升空间。社会-生态系统具有复杂性、地域性和动态性等特点,研究内容涵盖自然生态系统、气候变化、土地利用、社会治理与管理政策等主题,是综合了环境科学、生态学、地理学等自然科学与经济学、政治学和社会学等社会科学的多学科交叉领域;以脆弱性和韧性研究为起点,社会-生态系统研究的发展受到诸多人地关系研究工作的启发和推动,Olsson的动态连接分析、Redman的社会模式与过程和生态格局与过程、Ostrom的公共资源治理是目前影响较广的三个社会-生态系统研究框架。扰沌为解释社会-生态系统快速与慢速交互作用、局部与全球适应性变化提供理论基础,干扰响应机制、系统自组织过程、学习与适应性治理成为社会-生态系统研究核心。海岸带、干旱区和城市等生态环境与社会环境敏感区是社会-生态系统研究最受关注的地域。未来的工作应注重结合我国广泛的地域实践,推动社会-生态系统的理论与方法体系的完善。相关发现为社会-生态系统领域凝炼研究方向和深化科学问题提供了参考。     

黄河三角洲区域生态经济系统动态耦合过程及趋势

黄河三角洲地区正处于快速开发建设时期,资源丰富,但生态环境脆弱,区域生态经济耦合状况影响着区域可持续发展的态势。借鉴一般系统论的思想,构建了区域生态经济系统耦合过程模型,定量分析了黄河三角洲区域生态经济系统的耦合过程与演进趋势。结果表明:1990年以来黄河三角洲区域生态系统综合指数与经济系统综合指数均呈上升趋势,区域资源供给和生态环境调节能力逐渐提高,经济生产能力和社会消费水平不断提升;黄河三角洲区域生态系统与经济系统总体上处于互动协调发展状态,1990—2007年区域生态经济系统耦合度指数先增加后减少,耦合过程经历了由相悖发展到良性耦合的过程;按照区域生态经济系统耦合趋势外推,2019年将接近最佳耦合点45°;区域生态经济系统仍处于较低水平的良性耦合,区域生态经济发展的速度和质量有待进一步提升。应协同推进区域经济生态化和生态经济化建设,建立高效生态经济体系,努力实现区域生态资源资产化、价值化,提升区域生态经济系统耦合的状态水平。     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

河西走廊山地-荒漠-绿洲复合生态系统耦合模式及耦合宏观经济价值分析——以肃南山地-张掖北山地区荒漠-临泽绿洲为例

应用合作对策理论提出河西走廊山地 -荒漠 -绿洲复合生态系统的 4个可行的耦合模式 ,在现有能值投入水平和科学管理力度下 ,4种耦合模式分别增加肃南山地 -张掖北山荒漠 -临泽绿洲动物生产系统和绿洲植物生产系统的宏观经济价值 3.6 7、4 .0 2、1.0 3和 4 .6倍。用能值概念和度量标准 ,以耦合后新增宏观经济价值为对策论中合作对策的特征函数 ,筛选出模式 是 4种耦合模式中的最佳策略组合即最优的耦合模式。该模式下 ,家畜对高山草地的压力减小 ,退化的山地子系统得以恢复 ,脆弱的荒漠子系统得到保护 ,绿洲种植业系统也因为家畜的加入、系统多样性提高 ,系统稳定性加强。研究方法避免了传统的纯货币评价分析方法对耦合产出所含环境资源评价的缺失 ,使得对耦合效应的评价值较为客观真实     

山水林田湖草沙生命共同体理念下社会-生态系统时空耦合及模拟预测

社会-生态系统(SES)耦合关系的研究可以更全面地理解人类活动对生态系统的影响,从而制定更合理的环境保护政策。将"山水林田湖草沙生命共同体理念"融入这一关系中,探究社会-生态系统间的时空耦合,可以促进社会-生态系统各要素的可持续利用和管理,并填补现有研究的空缺。赣州市拥有丰富的自然资源属于中国南方丘陵山地典型的生态区域,包涵山水林田湖草沙的各要素。以赣州市为例,分析2005-2020年社会-生态系统综合评估指标的演变规律,旨在深入了解社会-生态系统的复杂性,为其管理和保护提供科学依据。结果表明:(1)社会-生态系统框架中存在着系统间的耦合逻辑。主要体现在社会系统与资源系统的耦合、资源系统与生态系统的耦合、社会系统与生态系统的耦合三个方面。(2)2005-2020年,社会-生态系统综合评估指标在赣州市的中西部和东北部较高,在南部较低。中西部区域社会-生态系统呈现中、高耦合的格局,西部表现为失调。东南部多呈现低耦合格局。(3)2005-2030年基于SES框架的山、田、湖、治理、社会系统综合评估指数均呈现增长的变化趋势。水、林、草、行动者系统综合评估指数呈下降的变化趋势。基于社会-生态系统框架研究各系统间的耦合格局及其评估指数的模拟预测,对于深入理解社会-生态系统的内在机理、制定相关政策和管理措施、预防和应对生态灾害及推动可持续发展具有重要意义。     

Assessing spatial coupling in complex population dynamics using mutual prediction and continuity statistics

A number of important questions in ecology involve the possibility of interactions or "coupling" among potential components of ecological systems. The basic question of whether two components are coupled (exhibit dynamical interdependence) is relevant to investigations of movement of animals over space, population regulation, food webs and trophic interactions, and is also useful in the design of monitoring programs. For example, in spatially extended systems, coupling among populations in different locations implies the existence of redundant information in the system and the possibility of exploiting this redundancy in the development of spatial sampling designs. One approach to the identification of coupling involves study of the purported mechanisms linking system components. Another approach is based on time series of two potential components of the same system and, in previous ecological work, has relied on linear cross-correlation analysis. Here we present two different attractor-based approaches, continuity and mutual prediction, for determining the degree to which two population time series (e.g., at different spatial locations) are coupled. Both approaches are demonstrated on a one-dimensional predator-prey model system exhibiting complex dynamics. Of particular interest is the spatial asymmetry introduced into the model as linearly declining resource for the prey over the domain of the spatial coordinate. Results from these approaches are then compared to the more standard cross-correlation analysis. In contrast to cross-correlation, both continuity and mutual prediction are clearly able to discern the asymmetry in the flow of information through this system.     

Hopf bifurcation and bursting synchronization in an excitable systems with chemical delayed coupling

In this paper we consider the Hopf bifurcation and synchronization in the two coupled Hindmarsh–Rose excitable systems with chemical coupling and time-delay. We surveyed the conditions for Hopf bifurcations by means of dynamical bifurcation analysis and numerical simulation. The results show that the coupled excitable systems with no delay have supercritical Hopf bifurcation, while the delayed system undergoes Hopf bifurcations at critical time delays when coupling strength lies in a particular region. We also investigated the effect of the delay on the transition of bursting synchronization in the coupled system. The results are helpful for us to better understand the dynamical properties of excitable systems and the biological mechanism of information encoding and cognitive activity.     

The selectivity of noise and coupling for coherence biresonance and array-enhanced coherence biresonance in coupled neural systems

The selectivity of noise and coupling for coherence biresonance (CBR) and array-enhanced coherence biresonance (AECBR) in coupled neural systems has been investigated. It is shown that, depending on the coupling strength and noise intensity, various coherence behaviors and phenomena are exhibited, including CBR, coherence resonance without tuning, AECBR and undamped signal transmission. There exist optimal coupling and noise regions for the occurrence of CBR and AECBR in the transmission of noise-induced oscillations (NIOs).     

Coupled multi-component systems: A simple membrane model

We present initial results regarding the existence, stability and interactionof linear and nonlinear vibrational modes in a system of two coupled, onedimensional lattices with unequal numbers of masses. The effects on thesenonlinear modes of coupling a near continuum system to a discrete systemusing a nonlinear coupling are examined. This numerical model is a firststep towards investigating the dynamical behavior of a flexible sheetcoupled nonlinearly to a semi-rigid support, a system which couldconceivably represent a biological cell membrane with a supporting proteinnetwork. General implications for the dynamical behavior of continuumsystems coupled nonlinearly to discrete systems are introduced.     

How noise and coupling influence leading indicators of population extinction in a spatially extended ecological system

Anticipating critical transitions in spatially extended systems is a key topic of interest to ecologists. Gradually declining metapopulations are an important example of a spatially extended biological system that may exhibit a critical transition. Theory for spatially extended systems approaching extinction that accounts for environmental stochasticity and coupling is currently lacking. Here, we develop spatially implicit two-patch models with additive and multiplicative forms of environmental stochasticity that are slowly forced through population collapse, through changing environmental conditions. We derive patch-specific expressions for candidate indicators of extinction and test their performance via a simulation study. Coupling and spatial heterogeneities decrease the magnitude of the proposed indicators in coupled populations relative to isolated populations, and the noise regime and the degree of coupling together determine trends in summary statistics. This theory may be readily applied to other spatially extended ecological systems, such as coupled infectious disease systems on the verge of elimination.     

Feedback-mediated dynamics in a model of coupled nephrons with compliant thick ascending limbs

The tubuloglomerular feedback (TGF) system in the kidney, a key regulator of glomerular filtration rate, has been shown in physiologic experiments in rats to mediate oscillations in thick ascending limb (TAL) tubular fluid pressure, flow, and NaCl concentration. In spontaneously hypertensive rats, TGF-mediated flow oscillations may be highly irregular. We conducted a bifurcation analysis of a mathematical model of nephrons that are coupled through their TGF systems; the TALs of these nephrons are assumed to have compliant tubular walls. A characteristic equation was derived for a model of two coupled nephrons. Analysis of that characteristic equation has revealed a number of parameter regions having the potential for differing stable dynamic states. Numerical solutions of the full equations for two model nephrons exhibit a variety of behaviors in these regions. Also, model results suggest that the stability of the TGF system is reduced by the compliance of TAL walls and by internephron coupling; as a result, the likelihood of the emergence of sustained oscillations in tubular fluid pressure and flow is increased. Based on information provided by the characteristic equation, we identified parameters with which the model predicts irregular tubular flow oscillations that exhibit a degree of complexity that may help explain the emergence of irregular oscillations in spontaneously hypertensive rats.     

Automated sample treatment by flow techniques prior to liquid-phase separations

Sample preparation (SP) is an integral and important part of an analytical process. Lately, SP has been the topic of increased interest in research and development of novel advanced technologies. Major needs in this aspect are miniaturization, automation, and enrichment. Among other methodologies, flow techniques can be conveniently and effectively coupled to liquid-phase separation technologies for on-line sample preparation. This paper reviews the current trends in on-line automated sample preparation by flow-through techniques prior to liquid-phase separations. Strategies and interfaces developed to couple flow techniques with liquid chromatography, capillary electrophoresis, and mass spectrometry are described. Advantages and limitations of the coupling are discussed. The paper also highlights certain selected applications of these coupled systems.