数据驱动的社会-经济-自然复合生态系统研究:尺度、过程及其决策关联

社会-经济-自然系统是人类赖以生存和发展的复合系统,而数据驱动下的系统研究为加强生态系统的认知提供了新的增值导向。在新的数据语境下,社会-经济-自然复合系统呈现出一些新的特征,研究对象逐渐从单一要素向多要素耦合的方向转变,使支撑量化研究的数据体系更多样化、数据来源更广泛化、数据表达更具可视化,并呈现出研究尺度逐渐扩大化、研究对象更精细化的特征。在对数据的识别、表达和可视化的过程中,既要加强对时间、空间、结构、数量和秩序的耦合,也要注重与决策制定和地方服务的结合。新时期复合生态系统的未来研究方向应该从关键科学问题及支撑技术、尺度作用和多要素耦合以及地方和全球治理的科技支撑等方面展开,在数据的不断革新下,加强对多源数据、长期监测和时间序列的认知仍是需要深入研究的课题。开展复合生态系统的数据驱动分析,不仅能为生态系统的服务及可持续发展提供技术支撑,增强数据的长效共享机制,同时可为实现决策制定和信息传播等方面提供更多的价值支持。     

基于文献计量分析的国际海洋科学研究发展态势

海洋在调节全球气候和生物地球化学循环等方面起着关键作用。基于1900—2017年间Web of Science数据库中的SCI论文,利用TDA等工具对海洋科学领域进行了文献计量,并对比分析了国际主要海洋科研机构的学术影响力,以期从宏观尺度上为海洋保护决策提供参考。结论如下:(1)发文量较多的国家有美国、英国、法国、中国和德国;(2)发文量较多的机构有中国科学院、美国海洋和大气管理局、美国加尼福利亚大学、俄罗斯科学院和美国伍兹霍尔海洋研究所;(3)Journal of Geophysical Research-Oceans是海洋科学领域刊文量最大的SCI期刊,刊文主题主要集中于海洋物理、海洋地质和海洋气候等方面;中国在Acta Oceanologica Sinica的发文量最大,但其高水平的海洋科学论文数量需进一步突破;(4)基于h-指数的学术影响力分析结果表明,美国伍兹霍尔海洋研究所和美国斯克里普斯海洋学研究所在15个国际主要海洋研究机构中的排名分别居于第1、2位,中国亟待提升其在海洋领域的国际学术影响力;(5)当前主要关注点为:热点海洋区域(北冰洋、南大洋、北极、南极洲)、海洋监测技术(遥感技术、稳定同位素)、海洋生态系统结构(浮游植物、浮游动物、沉积物)、海洋环境变化(气候变化、海洋酸化、海冰);(6)未来重要研究方向有:海洋生态系统-全球气候变化耦合关系、利用新兴技术监测海洋动态、深海生态系统结构与功能、多领域涉海学科的交叉融合等。     

广西综合环境质量的典型相关分析

用典型相关分析方法按5年(2011—2015年)、10年(2006—2015年)和15年(2001—2015年) 3个时间尺度分析广西要素环境质量监测指标与自然、经济、人口、能源和污染物排放等年鉴统计指标之间的典型相关性。结果表明:(1)广西自然、经济、人口、能源和要素环境质量间的典型相关性随时间尺度增长呈上升趋势。10年和15年时间尺度有显著典型相关性; 5年时间尺度需通过在季度样本的时间密切增长才能建立起典型相关性。(2)广西大气环境质量以综合污染指数、二氧化硫、细颗粒物和二氧化氮为主要载荷,水质以综合污染指数、化学需氧量、氨氮、溶解氧、镉为主要载荷,生态环境以生态环境状况指数、植被覆盖指数、水网密度指数为主要载荷,污染源以废水企业数、废气企业数以及污水处理厂数和污水处理达标排放率为主要载荷。(3)广西大气综合污染指数、二氧化硫、细颗粒物、二氧化氮、酸雨频率与水质综合污染指数、镉、溶解氧、氨氮、石油类和总磷呈正相关,而p H值则与这些指标呈负相关。污染源企业数量与大气、水质主要载荷指标的浓度呈正相关。(4)自然、经济、人口、能源、污染物排放是广西综合环境质量变化的驱动因子,环境质量监测评价指标的调整变化深刻影响环境质量的动态变化。研究可为经济发展、国土空间优化、能源利用、生态环境保护和环境质量评价等提供参考。     

治沟造地背景下延安市农业生态经济系统耦合发展分析

治沟造地是继退耕还林工程后延安市实施的又一项重大生态环境治理工程。研究治沟造地工程背景下延安市农业生态经济系统耦合关系的发展变化,对科学评价治沟造地工程生态经济效益和黄土高原地区农业生态经济协调与可持续发展具有重要意义。本研究通过构建农业生态经济系统耦合协调度模型和耦合度模型,定量分析了2010—2018年延安市农业生态与农业经济系统的综合评价指数变化、耦合协调状态及耦合度演变趋势。结果表明: 2010—2018年间,延安市农业生态系统综合评价指数和农业经济系统综合评价指数均呈现S型增长曲线,两者变化趋势较为一致;农业生态经济系统耦合协调度指数由0.51增长至0.72,耦合协调状态由初级协调水平发展为良好协调水平,说明该区域农业生态与经济关系不断改善,系统耦合关系向相互协调的方向发展;研究期间,延安市农业生态经济系统耦合演变过程较为复杂,系统耦合趋势经历了“衰退耦合、协调耦合、修复耦合、协调耦合”阶段,2018年耦合关系处于经济快速增长的协调发展阶段。治沟造地工程促进了农业生态经济系统的耦合协调发展,但其生态经济效益具有一定的滞后性。     

基于CiteSpace的国内土壤磁学文献计量分析

为深入了解近年来国内土壤磁学研究的现状和发展趋势,以中国学术期刊全文数据库(CNKI)和Webof Science(WoS)为数据源,以1979—2019年1138篇研究论文为研究对象,采用文献计量分析法,运用CiteSpace文献计量可视化软件,进行机构、主题词、关键词聚类分析。研究发现:国内土壤磁学研究发文量分为三个阶段, 1979—1993年为萌芽阶段,发文量较少,WebofScience(WoS)数据库检索结果少见国内学者发表相关文章;1994—2014年为探索阶段,发文数量螺旋上升,共607篇; 2015—2019年为第三阶段,发文419篇,此阶段发文量大幅度增加, 2018年最高103篇。发文量前五的机构分别为中国科学院、中国地质大学、兰州大学、陕西师范大学、福建师范大学,发文量占总发文量的30%,但各科研机构和高校之间合作不紧密;关键词突发性检测分析发现环境磁学、重金属关键词突现,表明土壤磁学的应用领域向环境磁学渗透,随着研究的深入,将土壤粒度、土壤磁化率、重金属含量结合的土壤环境监测手段受到关注;主题词分析得出土壤磁学研究主题逐步从稻田土壤、黄土土壤的磁化率剖面特征过渡...     

三峡库区人类活动强度与景观格局的耦合响应

人类活动和景观格局是人地系统中两大要素的重要表征,探析人类活动强度与景观格局的耦合变化特征对揭示区域人地关系的演变意义重大。为弥补当前对人类活动强度与景观格局耦合响应研究的不足,构建了山区人类活动强度与景观格局耦合演变模型,提出了综合显性—隐性人类活动强度指数,定量评价了三峡库区腹地奉节县2000—2020年的人类活动强度,并通过双变量空间自相关模型探讨了综合人类活动强度与景观格局的空间耦合特征。研究表明：(1)奉节县的综合人类活动强度在时间上由2000年的11.59%增加为2020年的12.48%,在空间上表现为整体收缩,局部增强的特点,另外人类活动强度和景观格局的空间分布与奉节县的地形梯度密切相关;(2)奉节县的人类活动强度与景观格局空间耦合变化表现出协调型、拮抗型、逐渐协调型和逐渐拮抗型四种类型;(3)影响奉节县综合人类活动强度与景观格局的耦合变化的重要因子为距聚落距离、距县行政中心距离、高程等,社会经济因素逐渐成为区域社会生态系统演变主导因素;(4)三峡库区腹地人类活动强度与景观格局存在耦合响应,且其耦合响应具有一定的多样性和特殊性。三峡库区腹地通过沟谷土地集约化来换取山区的生...     

基于CiteSpace的生态城市发展研究动态分析

利用文献分析计量平台和知识图谱可视化技术,分析2009—2018年间生态城市研究的发文数量、国际影响力、期刊、学科分布以及研究机构的网络特征,揭示不同时段之间的研究热点变化规律。研究表明：淤2009—2018年间生态城市研究的发文量高达3983篇,呈快速增长趋势。于中国在生态城市研究领域中的影响力凸显,但在平均被引次数还有待提高。盂在国家合作关系中,城市化较高的国家在生态城市研究领域合作紧密。榆高校和科研院所是生态城市研究的主体,虽两者已经初步形成合作网络,但联系与合作程度依然较低。虞生态城市研究出现频率较高的关键词是城市化、城市生态、生态系统服务和可持续性等,具有较高的中心性。在全球气候与环境变化下,面对新技术方法提供的机遇,生态城市研究要促进多学科融合,深入研究城市复合生态系统的非线性、复杂性特征,关注城市复合生态系统的关键要素之间以及关键子系统之间的耦合机制。     

放线菌代谢产物的研究进展：基于Web of Science (WOS)和中国知网(CNKI)

【背景】放线菌是一类极其重要的微生物,代谢产物丰富,在医药、生物技术、农业和酶工业等领域均有广泛应用。【目的】客观分析放线菌代谢产物的研究进展,为该领域相关工作人员提供有效情报,推动该领域高质量发展。【方法】对Web of Science (WOS)和中国知网(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)数据库中放线菌代谢产物的发文数量、发文国家、发文机构、发文期刊、发文出版社、发文作者、被引文章和研究方向进行统计分析,利用H指数对相关影响力进行综合评价,其研究热点、发展趋势通过Cite Space和VOSviewer软件进行可视化分析。【结果】WOS结果显示,放线菌代谢产物研究领域全球影响力最大的国家是美国,影响力最大的机构是美国加利福利亚大学,影响力最大的期刊是美国Applied and Environmental Microbiology,影响力最大的出版社是Elsevier,影响力最大的作者是来自英国约翰英纳斯研究中心微生物学部的Mervyn J Bibb教授。全球放线菌代谢产物领域的主要研究方向是微生物学,研究热点是生物合成。研...     

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。     

基于CiteSpace的陆地生态系统碳水耦合研究现状及趋势

在全球气候变化的背景下,陆地生态系统碳水耦合研究已引起世界各国学者和研究机构的广泛关注。基于Web of Science核心数据库,运用文献数据可视化应用软件CiteSpace对国际上有关陆地生态系统碳水耦合的研究现状进行分析,旨在探究研究热点及趋势,归纳研究主题演进,了解当前国际研究前沿。研究发现:(1)1999—2018年,关于陆地生态系统碳水耦合的研究论文数量呈现快速增加的趋势,后10年的增加速度快于前10年;形成了以Black TA、Yu GR、Chen JQ为主的核心作者群;中国科学院、中国科学院大学、美国林业局、加州大学伯克利分校、俄勒冈州立大学等发文数量居前的研究机构。(2)从共被引期刊和研究领域可以看出,陆地生态系统碳水耦合研究涉及环境科学与生态学、生态学、环境科学、气象与大气科学、林学、农学及水资源等领域,体现出综合性和交叉性特点。(3)在全球气候变化背景下,目前陆地生态系统碳水耦合关系的研究主要以通量观测站为依托,结合模型模拟、稳定同位素技术、涡度相关技术等研究手段,将单个通量站点联合扩展到多点联网格局,并结合GIS、遥感和模型等方法在面上进行观测与模拟,从而构建更大尺度的碳水资源评价模型。拓展和推移研究的空间尺度,预测时间尺度上的变异规律是近年来新兴的研究热点。     

影响水稻光合日变化的酶和相关因素的分析

水稻叶片的最大光合速率出现在上午１０：００时,Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力也在此时达到最大,然后逐渐降低,下午１４：００时略上升后又下降．Ｒｕｂｉｓｃｏ初始活力与光合速率之间极显著相关,相关系数为 ０．９４７４．运用相关性分析、回归分析、通径分析,对晴（有时有云）天气水稻叶片的光合速度、光合关键酶及有关因素的日变化进行综合评估,结果发现中午光合下降主要来自气孔限制,同时Ｒｕｂｉｓｃｏ活性也下降;Ｒｕｂｉｓｃｏ活性是影响光合日变化的又一重要生化因子．体内Ｒｕｂｉｓｃｏ活性受Ｒｕｂｉｓｃｏ活化酶的调节．     

凡纳滨对虾各月龄性状的主成分与判别分析

为了研究凡纳滨对虾各性状增长规律和判定最佳生长季节凡纳滨对虾的体格与月龄的关系,选择1～6月龄凡纳滨对虾各1000只,选择全长、体长、第一腹节背高、第三腹节背高、第一腹节背宽、头胸甲长和体重共7个性状,进行主成分与判别分析.结果表明:各月龄凡纳滨对虾性状之间均呈现显著的正相关(P<0.01), 其中以全长与体长的相关性最为明显,1月龄凡纳滨对虾体重与形态性状的相关系数较小.各月龄凡纳滨对虾的主成分有所不同,1～2月龄凡纳滨对虾的第一主成分为长度因子,第二主成分为宽度因子,第三主成分为高度因子;3月龄凡纳滨对虾的第一主成分与1～2月龄凡纳滨对虾一致,但第二主成分为高度因子,第三主成分为体重因子;4～6月龄凡纳滨对虾的第一主成分为体重因子,第二主成分为高度因子,第三主成分为宽度因子.1～3月龄凡纳滨对虾形态性状的增长优先于体重, 4～6月龄凡纳滨对虾体重优先于形态性状的增长.错过最佳生长季节的凡纳滨对虾的与体格大小相符的月龄可通过建立的判别式来判断,总的判别准确率为98.98%,其中2～4月龄凡纳滨对虾的判别准确率为100%.     

Comparison of the Halving of Tablets Prepared with Eccentric and Rotary Tablet Presses

The aim of this study was to compare the densification of powder mixtures on eccentric and rotary tablet presses and to establish relationships with the halving properties of the resulting scored tablets. This is an important problem because the recent guidelines of EU require verification of the equal masses of tablet halves. The models of Walker, Heckel, and Kawakita were used to describe the powder densification on the two machines. The calculated parameters revealed that the shorter compression cycle of rotary machines results in poorer densification and lower tablet hardness at a given compression force. This is manifested in poorer halving properties, which are influenced mainly by the hardness. Better densification improves the halving even at lower tablet hardness. This demonstrates that these parameters can be good predictors of tablet halving properties.     

Dna Ploidy Studies of Benign and Malignant Tumours: Comparison of Flow Cytometry and Image Analysis Techniques Using Two Types of Cytological Specimen

DNA ploidy studies were carried out on Feulgen stained smears and cytocentrifuge preparations from 35 malignant tumours and four benign neoplasms using the CAS image analyser. The smears were prepared from scrapings from fresh tumour tissue whereas the cytocentrifuge preparations were prepared from single nuclear suspensions from paraffin-embedded cell blocks from the same tumour. Histograms obtained by image analysis of the tumour scrapes were compared with those obtained on the cytocentrifuge preparations. Concordant results were obtained in four benign tumours (100%) and 32 malignant tumours (91%). The results obtained by image analysis were also compared with results obtained by flow cytometry of the tumour tissue. Discordant results were obtained for three malignant tumours. Possible reasons for the discrepancy include sampling error, tumour heterogeneity and selective loss of cell populations during processing.     

Fish ecoregions of Kansas: stream fish assemblage patterns and associated environmental correlates

Synopsis Principal components analysis was performed on fish presence/absence data for 39 common fish species from 410 stream sites in Kansas. The analysis confirmed ten ecologically meaningful fish assemblages, based on species associations. Factor scores based on these assemblages were then clustered into six geographic areas or fish ecoregions. Canonical discriminant analysis identified environmental variables that distinguished the derived fish ecoregions. Mean annual runoff, mean annual growing season, and discharge appear most important. Mean width, mean depth, chloride concentration, water temperature, substrate type, gradient, and percent of pool habitat were less important. Correspondence exists between these fish ecoregions and the patterns of physiographic regions, river basins, geology, soil, and potential natural vegetation in Kansas. The multivariate statistical approach used to classify fish ecoregions should have considerable potential value for fish assessment and management purposes in areas other than the state of Kansas.     

Discrimination of higher plant calluses based on embryogenic capacity and taxonomic classification by pyrolysis mass spectrometry

Pyrolysis mass spectrometry (PyMS) is a rapid, simple, high-resolution analytical method based on thermal degradation of complex material in a vacuum, and has been widely applied to the discrimination of closely related microbial strains. Minimally prepared samples of embryogenic and non-embryogenic calluses derived from various higher plants (sweet potato, morning glory, Korean ginseng, Siberian ginseng, and balloon flower) were subjected to PyMS for spectral fingerprinting. A dendrogram based on the unweighted pair group method, with arithmetic mean of pyrolysis mass spectra, divided the calluses into Siberian ginseng embryogenic callus and the others, which were subsequently divided into embryogenic and non-embryogenic callus groups, regardless of plant species from which the calluses were derived. In the non-embryogenic callus group, the dendrogram was in agreement with the known taxonomy of the plants. These results indicate that PyMS analysis could be applied for discriminating plant calluses based on embryogenic capacity and taxonomic classification.     

Pluralism and diversity: trends in the use and application of ordination methods 1990‐2007

Question: What are the trends and patterns in the application of ordination techniques in vegetation science since 1990? Location: Worldwide literature analysis. Methods: Evaluation of five major journals of vegetation science; search of all ISI‐listed ecological journals. Data were analysed with ANCOVAs, Spearman rank correlations, GLMs, biodiversity indices and simple graphs. Results: The ISI search retrieved fewer papers that used ordinations than the manual evaluation of five selected journals. Both retrieval methods revealed a clear trend in increasing frequency of ordination applications from 1990 to the present. Canonical Correspondence Analysis was far more frequently detected by the ISI search than any other method. Applications such as Correspondence Analysis/Reciprocal Averaging and Detrended Correspondence Analysis have increasingly been used in studies published in “applied” journals, while Canonical Correspondence Analysis, Redundancy Analysis and Non‐Metric Multidimensional Scaling were more frequently used in journals focusing on more “basic” research. Overall, Detrended Correspondence Analysis was the most commonly applied method within the five major journals, although the number of publications slightly decreased over time. Use of Non‐Metric Multidimensional Scaling has increased over the last 10 years. Conclusion: The availability of suitable software packages has facilitated the application of certain techniques such as Non‐Metric Multidimensional Scaling. However, choices of ordination techniques are currently less driven by the constraints imposed by the software; there is also limited evidence that the choice of methods follows social considerations such as the need to use fashionable methods. Methodological diversity has been maintained or has even increased over time and reflects the researcher's need for diverse analytical tools suitable to address a wide range of questions.     

Chemometric evaluation of the anti-cancer pro-drug podophyllotoxin and potential therapeutic analogues in Juniperus and Podophyllum species

Introduction – Podophyllotoxin, deoxypodophyllotoxin, demethylpodophyllotoxin and podophyllotoxone are four therapeutically potent secondary metabolites. There is a dearth of information on the holistic analysis of their distribution pattern in both phylogenetic and ecological contexts. Objectives – To analyse the continuum of the above metabolites in Juniperus and Podophyllum species collected from natural populations in Himalayan environments and the botanical gardens of Rombergpark and Haltern (Germany) using multi‐component LC‐ESI‐MS/MS, coupled with statistically relevant chemometric assessment. Methodology – We evaluated the individual and holistic metabolite profiles and chemometrically correlated the phytochemical loads between various species (infraspecific), organic and aqueous extracts, and populations of the same species from different locations, different species from same location, different species from different locations and infrageneric populations from same and different locations. Results – Multivariate analysis revealed Juniperus x‐media Pfitzeriana as a suitable alternative to Podophyllum hexandrum for commercial exploitation. A significant positive correlation of podophyllotoxone with both podophyllotoxin and demethylpodophyllotoxin, and a negative correlation of podophyllotoxin with both deoxypodophyllotoxin and demethylpodophyllotoxin (infraspecific among Podophyllum), were observed by Kruskal's multidimensional scaling and corroborated by principal component analysis, indicating probable similarity and/or difference between the biosynthetic pathways, and synergistic and/or antagonistic principles, respectively. Finally, linear discriminant analysis and hierarchical agglomerative cluster analysis revealed considerable infrageneric and infraspecific variability in secondary compound spectra and load of the different populations under study. Conclusion – Such holistic studies of plants and their therapeutic metabolites ought to assist in selecting plants, geographical areas and environmental conditions for bioprospecting and global‐scale phytochemical and phylogenetic diversity studies in the future. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.