应用Gizmos虚拟仿真实验进行科学探究——以“光合作用实验”为例

Gizmos虚拟仿真项目是世界知名的、面向中小学的STEM（科学science、技术technology、工程engineering、数学mathematics）教育资源库。运用Gizmos对“光合作用实验”进行探究式教学，发现Gizmos具有探究性、游戏化、情境化的特点。建议重视和挖掘Gizmos在中学生物学教学中的价值。     

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.     

能在天外再造一个家吗

地球如果真的有一天要完蛋了,人类能不能在天外造个家?"杞人忧天"的事情还真有人去做,这就是举世闻名的"生物圈2号"(Biosphere 2)试验。要想在天外造个家,就先在地球上造一个试试看。"生物圈2号"实际上就是一个模拟地球生物圈的试验,它相对于地球生物圈——"生物圈1号"——而得名,设计者想建造一个完全封闭的环境,来模拟地球生态系统中的能量流动和物质循环,让一个封闭的"生物圈"运转起来,这也是未来人类在太空建造长期生存空间的必然模式。这是个非常     

城市生态系统的动力学演化模型研究进展

从系统分析出发,对城市生态系统的动力学演化模型的发展历程、建模的方法和步骤过程、软件开发方法和目前的模型软件等进行了总结。归纳了城市生态系统的动力学演化建模的方法,主要包括模型定义、模拟、实现、验证、分析和应用等六大步骤。目前国内外用于城市生态系统动力学演化模型的主要方法有：基于数理模型的方法、生态控制论和灵敏度模型、系统动力学模型、多目标规划法等。已经开发的用于城市生态系统的动力学模拟的软件可以划分为两类：基于土地利用和交通规划的专业模型和基于系统动力学和灵敏度模型的一般软件。总结了常用的城市演化模型软件,讨论了模型的研究对象和应用范围。分析了城市生态系统的动力学演化模型建模的不确定性的来源,并指出：向宏观和微观两极化发展是城市生态系统动力学演化模型的发展趋势之一,而与人工智能和地理信息系统等新方法的集成是发展的另一趋势。城市生态系统动力学演化模型的开发前景在于对不确定性问题的定性、定量分析,而多模型的耦合和集成是发展的必然趋势。     

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。     

生物多样性与生态系统服务情景模拟研究进展

生物多样性和生态系统服务情景模拟是指对未来生物多样性和生态系统服务变化轨迹的定量估计,二者相互关联并为长期、稳定的保护和恢复生态系统提供了重要科学依据。梳理生物多样性以及生态系统服务预测情景的核心观点,讨论基于生物多样性和生态系统服务情景模拟的保护决策支持途径,以期服务于我国生物多样性与生态系统服务预测研究的发展和深化。研究凝练结果如下:物种分布模型需要进行更规范的评价以明晰其对具体对象的适用性,生态系统预测模型亟待在关系结构的基础上嵌入更多的生态系统过程和社会经济过程,生态系统服务评估模型有必要强化对生物多样性、生态系统服务、人类福祉级联特征的刻画;全球气候变化驱动了未来区域生物多样性的大幅改变;土地利用则是陆地生态系统服务预测中的核心驱动变量。生态区划与区域尺度情景模拟、景观尺度下的生态安全格局构建、基于社会生态网络的社区适应三点重要展望方向将对基于情景模拟的我国生态系统保护决策提供重要的理论和实践支持。     

利用大气二氧化碳和羰基硫浓度评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性

生态系统模型是模拟全球陆地生态系统碳循环的重要工具,但是其在全球不同区域的模拟存在很大的不确定性。如何评估陆地生态系统模型的不确定性是一项重要的研究。以北美地区为例,利用8个高塔观测站点同步获取的大气CO₂和羰基硫(OCS)浓度数据,结合WRF-STILT大气粒子扩散模型,评估了CASA-GFED3、SiB3和SiBCASA三种陆地生态系统模型模拟总初级生产力(GPP)和净生态系统CO₂交换(NEE)通量的不确定性。结果表明,SiB3模型能很好地模拟北美陆地生态系统GPP和NEE的季节变化时相和幅度,在3种模型中具有最佳的模拟能力;CASA-GFED3模型模拟的NEE季节变化较为理想、但对生长季GPP的模拟存在较大的误差,SiBCASA模型在模拟冬季晚期和春季早期的NEE和GPP时表现较不理想。研究证明了大气CO₂和OCS在评估陆地生态系统模型碳通量模拟的不确定性中的作用,为利用大气CO₂和OCS观测数据优化计算陆地生态系统光合和呼吸碳通量提供了理论支撑。     

生态-经济发展情景下内蒙古宏观生态系统模拟与分析

内蒙古自治区是我国北方面积最大、种类最全的生态功能区,是我国北方的重要生态屏障,其宏观生态系统状况不仅关系民众生存和生计,而且关系华北、东北、西北乃至全国的生态安全。构建了1990、2000及2015年3期宏观生态系统格局与影响因子数据集;融合区域生态系统发展规划,设置了基准、生态-经济协同发展和生态-经济权衡发展三种情景;应用土地利用均衡分析模型,模拟了3种情景下2025年及2035年内蒙古六大类生态系统结构与空间格局变化。结果表明：在延续历史发展趋势的基准情景和注重经济发展的生态-经济权衡发展情景下,草地和农田生态系统在2035年均无法恢复至2000年的水平,宏观生态系统结构难以达到规划目标;在注重生态保育的生态-经济协同发展情景下,草地、森林与湿地生态系统面积增长较大,符合内蒙古构建中国北方生态屏障的战略定位。从空间上看,农田生态系统面积的减少主要集中在农牧交错带地区,该区域的退耕还草构成了草地生态系统增加的主要来源;草地生态系统面积扩张还分布在近十年来发生草地退化的区域,这与近年来通过实施"京津风沙源治理"、"草原奖补政策"等生态工程建设后内蒙古自治区原有退化的草地生态系统在逐渐恢复的趋势相吻合;森林生态系统面积增加主要集中分布在大兴安岭等几个植被恢复地;城市生态系统主要以原有城镇居民点为中心,在其周边区域呈扩散式增长,特别是在采矿场、工业用地、交通沿线附近城镇面积增加较为显著;荒漠生态系统的缩减主要发生在与其它生态系统的交界处,这与开发利用的便利性、原有生态系统的可开发潜力等密切相关。研究表明,生态-经济发展情景下的宏观生态系统的空间显性模拟是区域国土空间规划和可持续发展的重要科学依据。     

基于碳-水-氮耦合过程改进模型的温带草地生态系统生产力模拟研究

基于碳-水-氮耦合过程改进模型的温带草地生态系统生产力模拟研究 预测气候变化背景下生态系统总初级生产力的响应是全球变化生态学研究领域的一项核心任务。然而,对模型研究领域来说,准确模拟干旱生态系统总初级生产力的年际变异仍然是一个巨大的挑战。土壤含水量和总初级生产力对土壤水敏感性的精确模拟,是预测干旱生态系统中总初级生产力年际变异的两个关键方面。为此,本研究以一个广泛应用的生态系统模型(Biome-BGC模型)为例,旨在改进温带草地生态系统的模型模拟效果。一方面,通过对蒸散模块、土壤水沿剖面的垂直分布和田间持水量计算的改进和调整,模型实现了对土壤水模拟的更新。另一方面,我们改进了影响水-氮关系的函数,从而调节了总初级生产力对土壤水的敏感性。研究结果表明,原有模型高估了土壤含水量,低估了总初级生产力敏感性的年际变异,从而导致模拟总初级生产力的年际变异低于观测值。例如,原模型严重低估了总初级生产力在干旱年份的减少。相比之下,改进后的模型准确地模拟了观测土壤水的季节和年际变化,特别是表层土壤水。通过优化影响氮矿化的参数,改进后的模型改善了总初级生产力对土壤水敏感性的模拟,使其更接近观测值。因此,改进后模型对总初级生产力年际变异的模拟得到了很大程度的提高。我们的结果表明,在对干旱生态系统总初级生产力年际变异进行模拟时,应优先考虑表层土壤水及其对氮有效性的影响。     

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。     

生态系统灾难性突变研究进展

生态系统灾难性突变是指一个具有多稳态的生态系统, 当驱动因子临近临界点时, 外界环境条件发生微小改变生态系统则产生剧烈响应, 使生态系统从原有稳态转变为另一种生态效益大大降低的稳态。灾难性突变的前提是多稳态的存在, 多稳态是生态系统在相同条件下, 存在结构和功能截然不同的稳定状态。文章阐述了生态系统中灾难性突变的概念, 综述了灾难性突变在湖泊、海洋、森林等生态系统中的存在性和突变的研究现状, 对灾难性突变过程中的多稳态、恢复力、迟滞效应和灾变的预警现状进行了探讨, 并对灾变的产生机制、恢复力的定量研究、生态系统修复的实践和预警信号的深入研究方面进行了展望。大量的理论研究证实灾难性突变是生态系统中的一个普遍现象, 但从实验角度来看研究成果较少且需不断完善。     

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。     

微生态系统研究动态

微生态系统研究在生态学中已有相当长的历史,具有微小、简化、方便、准确地模拟预定设计结果的特点。近年来随着生态学的发展,利用微生态系统研究生态学的原理与方法正成为一种被广泛采用的手段。本文初步探讨了微生态系统研究的最新进展,并对微生态系统在现代生态学中的地位与作用作了分析。     

微生态系统研究动态

微生态系统研究在生态学中已有相当长的历史 ,具有微小、简化、方便、准确地模拟预定设计结果的特点。近年来随着生态学的发展 ,利用微生态系统研究生态学的原理与方法正成为一种被广泛采用的手段。本文初步探讨了微生态系统研究的最新进展 ,并对微生态系统在现代生态学中的地位与作用作了分析     

基于文献计量的海洋生态系统服务研究热点与趋势分析

海洋为人类提供了自然资源和生存环境两方面的基础服务,研究海洋生态系统服务对提升海洋资本在推进实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的作用具有重要意义。运用文献计量方法,以WEB OF SCIENCE数据库及CNKI数据库为数据源,检索国内外海洋生态系统服务相关文献,运用Bibexcel、Ucient和Netdraw等软件分别得到高频关键词、关键词共现网络可视图,并通过SPSS进行聚类分析。分析结果表明:①国内外发文量均成上升趋势,国外起始于1992年,与国内相比起始时间较早,增长幅度较大;②从关键词频次上看,国外多偏重于对气候变化和生物多样性与生态系统服务权衡与协同关系等的研究,国内则多偏重于生态系统服务价值的研究;③国外研究的热点为ecosystem services,climate change,biodiversity,fisheries,marine protected areas等,国内研究的热点为"评估"、"海洋生态补偿"、"价值"等;④根据聚类分析,国外研究方向一是侧重于海洋开发利用过程中的生态保护问题,二是气候变化对生态系统服务功能的影响,研究单元以各类生态系统为主,国...     

湖泊的水生态模型

由于城市化进程的不断加快,大量的污染物排放到湖泊中,打破了湖泊的生态平衡.湖泊的水生态模型不仅能够研究湖泊的富营养化现象,而且还可以模拟工业毒物等污染物对湖泊生态系统的影响,是湖泊管理的有力工具.本文从分析湖泊的污染现状以及污染趋势出发,介绍了湖泊水生态模型的研究现状,并根据模型的模拟对象和空间模拟能力对湖泊水生态模型进行了分类.在此基础上介绍了AQUATOX、PAMOLARE、CAEDYM、WASP、OOMAS等比较成熟的模拟湖泊生态系统的模型软件,阐述了它们的产生、发展、主要特点以及应用,总结了当今湖泊水生态模型在模拟过程中遇到的问题,并对水生态模型的发展趋势进行了展望.本文为湖泊水生态模型的选择提供了建议.     

基于文献计量的21世纪以来我国生态系统服务研究现状及发展趋势

生态系统服务作为生态文明建设的核心内容,近年来一直受到国内外学者的广泛关注。为进一步探究我国生态系统服务领域的研究进展与发展趋势,基于文献计量法,运用Citespace软件对中国知网中以"生态系统服务"为主题的1349篇中文社会科学引文索引（CSSCI）期刊论文进行可视化分析。结果显示：①我国生态系统服务领域的研究在时间上呈现出明显的"萌芽-起步-快速发展"三阶段特征;②生态系统服务领域的研究学者和科研机构间均存在较为密切的合作关系;③目前国内关于生态系统服务领域的研究主要集中在"生态系统服务价值" "生态补偿" "土地利用"生态安全"等方面;④按照关键词突现时间顺序,生态领域研究前沿可分为理论探索（2000-2008年）、初步实践（2009-2016年）、全面开花（2017-年至今）三个阶段。最后详细总结了我国生态系统服务研究领域取得的成就、面临的挑战和未来的改进空间,并在此基础上提出加快完善生态系统服务价值核算、建立健全生态系统服务价值实现机制等政策建议。     

蛋壳内膜用于渗透实验的改进

针对人教版高二生物学教材必修1第4章第1节"物质跨膜运输的实例"中,问题探讨栏目中的"渗透装置演示实验"存在装置难获得、演示效果不明显的问题作出改进。将手动剥离的蛋壳内膜作为该渗透实验的主要装置,清晰、简便地演示什么是半透膜,什么是渗透作用,并用该装置演示淀粉-碘、蛋白质-双缩脲试剂对物质进、出内膜的实验,对于帮助学生深入理解"质膜是选择透过性膜"这一概念起到了十分重要的作用。     

生态系统的天气环境模拟模型

无论对于自然的还是人为管理的生态系统,天气都是最重要的一种环境条件。用系统分析方法对生态系统进行的研究使天气模拟越来越成为非常必要的了。本文首先介绍了一个美国天气模拟模型(WGEN)的数学原理。它用马尔柯夫链和Γ-分布组成降水量子模型,产生逐日降水量。用弱平稳过程和调和分析为工具建立另一个子模型,产生逐日最高温度、最低温度和太阳辐射量。通过常规的统计学方法或灰靶白化方法可以估计模型参数。于是,就可由WGEN生出Alabama州天气模型ALWGEN和北京天气模型BJWGEN。考虑到篇幅有限,本文没有具体介绍上述估计方法,也只是扼要介绍了用Monte Carlo Bootstrap方法进行模型校验和验证的问题。最后,简单地讨论了天气模拟模型的应用。如IPM研究中的风险分析,生态系统管理决策,农业生态区域规划等课题,对天气模型都有现实的或潜在的需要。     

基于模型数据融合的千烟洲亚热带人工林碳水通量模拟

人工林生态系统是我国森林生态系统的重要组成部分,在全球碳平衡中的作用越来越受到重视.利用千烟洲亚热带人工针叶林通量观测站的碳水通量和气象观测数据,通过模型数据融合方法对碳水循环过程模型——SIPNET模型关键参数进行反演,模拟了2004-2009年千烟洲人工林生态系统的碳水通量.结果表明:仅用碳通量观测数据优化模型参数时,净生态系统碳交换量(NEE)模拟效果较好(R2=0.934),而生态系统蒸散(ET)模拟效果较差(R2=0.188);同时用碳水通量观测数据优化时,NEE模拟效果稍差(R2=0.929),但ET模拟效果显著提升(R2=0.824),说明利用碳水通量观测数据同时优化,SIPNET模型才能较好地模拟试验站点碳水通量.在此基础上,开展了人工林生态系统碳通量对降水变化响应的敏感性分析,发现降水量减少对光合作用的影响比对呼吸作用的影响更为强烈,且碳水通量同时参与优化时模型才能较好地模拟碳通量随降水减少而快速降低的趋势,表明如果不能同时利用碳水通量进行参数优化,模型无法正确揭示生态系统碳循环对降水变异的响应.