结构方程模型及其在生态学中的应用

基于多变量统计方法同时研究自然系统内多个因子之间的相互关系, 是阐释复杂的自然系统的一个重要手段。相比传统的多变量统计法, 结构方程模型基于研究者的先验知识预先设定系统内因子间的依赖关系, 不仅能够判别各因子之间的关系强度(路径系数), 还能对整体模型进行拟合和判断, 从而能更全面地了解自然系统。由于结构方程模型只在近年才被应用到生态学的数据分析中, 因此该文试图对其作一简略介绍, 包括结构方程模型的定义和变量类型, 结合事例研究展现结构方程模型分析的一般步骤、在生态学中的应用以及相关软件的介绍等。望能为相关研究人员提供直观的认识, 加强结构方程模型在生态学数据分析中的应用。     

随机森林算法基本思想及其在生态学中的应用——以云南松分布模拟为例

通常来讲,生态学者对于解释生态关系、描述格局和过程、进行空间或时间预测比较感兴趣。这些工作可以通过模拟输出值(响应)与一些特征值(即解释变量)的关系来实现。然而,生态数据模拟遇到了挑战,这是因为响应变量和预测变量可能是连续变量或离散变量。需要解释的生态关系通常是非线性的,并且解释变量之间具有复杂的相互作用关系。响应变量和解释变量存在缺失值并不是不常有的现象,奇异值也经常出现在生态数据中。此外,生态学者通常希望生态模型即要易于建立又易要于解释。通常是利用多种统计方法来分析处理各种各样情景中出现的独特的生态问题,这些模型包括(多元)逻辑回归、线性模型、生存模型、方差分析等等。随机森林是一个可以处理所有这些问题的有效方法。随机森林可以用来做分类、聚类、回归和生存分析、评估变量的重要性、检测数据中的奇异值、对缺失数据进行插补等。鉴于随机森林本身在算法上的优势,将就随机森林在生态学中的应用进行总结,对建模过程进行概述,并以云南松分布模拟研究为例,对其主要功能特点进行案例展示。通过对随机森林的一般术语、概念和建模思想进行介绍,有利于读者掌握本方法的应用本质,可以预见随机森林在生态学研究中将得到更多的应用和发展。     

中性景观模型在景观生态学中的应用和发展

中性景观模型可以模拟产生大量具有相似统计特征而不包含特定生态过程或自然地理过程的格局,为研究真实景观提供一个参照系统,在大范围景观格局变化研究等方面提供便利.目前,中性景观模型成为景观生态学研究的一种重要方法和手段,已成功应用于检验现有景观指数并发展新的景观指数、景观格局对种群动态影响和干扰过程研究等多个领域.本文介绍了中性景观模型的产生、内涵和类型,阐述了中性景观模型在景观生态学中的应用.同时,展望了中型景观模型研究的发展方向:模型类型趋于多样化,结构趋于复杂化,着重模型模拟结果的验证,以及随着景观生态学理论和实践的发展、结合中性景观模型和景观生态学研究方法,深入地应用于格局和过程两者之间关系的研究.     

基于约束的建模方法在代谢网络中的应用研究

代谢网络在各种细胞功能和生命过程中发挥着至关重要的作用。随着细胞网络重建工程的迅速发展,可用的基因组水平代谢网络越来越多,因而计算方法在这些网络的结构功能分析中越来越重要。基于约束的建模方法不像图论方法那样仅考虑代谢模型的纯拓扑结构,也不像各种动力学建模方法那样需求详尽的热力学参数,因而极具优势。采用基于约束的建模方法对一个含619个基因,655个代谢物和743个代谢反应的金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)代谢网络进行了分析,主要研究了该模型的网络结构特征,以及其最优生长率、动态生长情况和基因删除学习等。本研究提供了一个对金黄色葡萄球菌代谢网络进行约束建模分析的初步框架。     

间隔天数统计法土壤墒情诊断模型

本文介绍所建立的基于时段降水量、土壤初始含水量和两次监测时段天数的间隔天数统计法土壤墒情诊断模型的原理和建模方法,并应用7个省23个县87个监测点2012—2014年的数据建模,应用2015年的数据进行了验证。结果表明:间隔天数统计法模型诊断和预测精度高达到90%以上;间隔天数统计法模型诊断和预测合格率高,其原因是增加了间隔天数变量,有效地解决了测定间隔天数不固定的问题;逐日模型法可以实现逐日土壤墒情的预测。初步结论是:间隔天数统计法模型可以单独作为墒情诊断模型使用。     

褐飞虱种群动态的模拟模型(英文)

本文根据种群生命系统的概念和分析,组建了模拟褐飞虱(Nilaparvata lugens St(?)l)种群动态的计算机模型。该模型包括一个多列矩阵和一组差分方程。多列矩阵用于描述褐飞虱种群的龄期重叠现象及其年龄——虫态结构;差分方程用于计算种群的增长过程。在建模时,我们把10日度作为褐飞虱发育的一个年龄,用天作为模拟的时间步长,同时利用了褐飞虱特定龄期的发育速率,根据生命表数据计算的特定龄期存活率、长翅型成虫的迁飞类型及数量、雌成虫的生殖力等有关资料。经过采用福建省龙海、福州和沙县三个地方1896—1990的实际观测资料与模型的预测结果进行比较,验证了该模型的有效性和准确性;通过改变模型的主要输入变量,得到了各种不同的输出结果,由此对模型的行为及真实性作了分析。笔者认为该模型可用于进一步研究褐飞虱的生物学、生态学以及综合治理的基础,稍作改进,也可用于描述其它昆虫的种群生命系统。     

生态位模型在流行病学中的应用

随着新冠肺炎(COVID-19)疫情在全球逐渐开始蔓延, 对其传播范围以及强度的风险评估工作越来越受到人们的重视。作为生态学和生物地理学中常用的研究手段, 生态位模型也被应用到该项工作中来。虽然预测流行病的传播热点和趋势是生态位模型的应用方向之一, 但由于新冠病毒(SARS-CoV-2)自身特点, 生态位模型并非预测其潜在传播范围的有力工具。本文回顾了近些年来生态位模型在各种流行病学研究中的应用, 比较了疫病传播中常用生态位建模方法的优势与不足, 分析了适用生态位建模的疫病案例以及不适用于生态位建模的疫病特点, 明确指出, 生态位模型只能用于分析流行病在传播过程中受自然环境干扰的部分, 如中间宿主的潜在分布等。而对于包括COVID-19在内的主要通过人传人的流行病, 生态位模型尚无有效的手段进行预测。尽管生态位模型可用于分析流行病的传播范围, 但在使用时需要根据疾病特点有针对性地选择合适的建模方法与建模对象。为了量化疫病传播风险, 还需要考虑其他干扰因素, 以便准确测试和评估生态位模型。若不加选择地滥用生态位模型的工具, 反而会误导决策者的判断。总之, 在应用生态位模型进行研究工作, 特别是预测流行病的传播范围时, 首先要考虑建模对象是否满足生态学假设。     

约束线方法在生态学研究中的应用

生态系统格局和过程往往受到多个因子的共同影响, 故此反映两个生态学变量相互关系的散点图常常会表现为有边界的散点云。基于数据均值或中值分析的传统统计方法不适用于散点云数据的分析。散点云所表征的不是两变量之间的相关关系, 而是限制作用关系。约束线(包络)方法为提取散点云边界、理解限制变量对响应变量的作用, 以及预测响应变量的潜在最大值提供了有效手段。该文对应用约束线方法研究生态学问题所取得的成果进行总结与归纳, 介绍了约束线概念的发展历程、提取方法, 从物种分布、种群行为及作物产量优化三个方面总结了约束线方法的优点及适用性, 概述了当前约束线方法应用研究面临的问题与挑战, 指出约束线方法应结合其他统计方法, 实现对生态过程的准确理解, 此外, 还应重视约束线方法的尺度依赖性。最后, 该文展望了约束线方法在研究生态系统服务关系和土地系统优化等方面的应用前景。     

最大熵模型在物种分布预测中的优化

最大熵模型在物种分布的预测研究中得到广泛应用,但未经优化的模型的预测结果可能存在严重的拟合偏差.本文汇总了最大熵模型在取样偏差修正、模型复杂性调整、物种分布判定阈值选择以及模型检验过程中的若干优化方法.在取样偏差的修正中,空间筛除法的修正效果最好,而背景限制法表现不佳.模型复杂性受建模变量的数量、函数模式和调控系数的影响.在样本量小于建模变量的数量时需进行变量筛选,筛选标准应侧重其生态学意义,而非变量间的相关性;函数模式对模型表现影响不大,在预测结果相近情况下应选择简单模型;建模时需要调整调控系数以控制过度拟合,一般最优模型调控系数高于默认值.判定物种出现阈值应遵从客观性、等效性和判别力3个原则,敏感度和特异性加和最大是良好的阈值判定标准.模型检验可分为不依赖阈值的检验和依赖阈值的检验,在不依赖阈值的模型评估方法中,基于信息标准选择的模型表现优于基于AUC或相关系数(COR)选择的模型;在基于阈值的模型评估方法中,真实技能统计能够兼顾模型遗漏误差和错判误差,不受假设缺失影响,且受物种流行度的影响较小.     

随机森林模型在分类与回归分析中的应用

随机森林(random forest)模型是由Breiman和Cutler在2001年提出的一种基于分类树的算法。它通过对大量分类树的汇总提高了模型的预测精度,是取代神经网络等传统机器学习方法的新的模型。随机森林的运算速度很快,在处理大数据时表现优异。随机森林不需要顾虑一般回归分析面临的多元共线性的问题,不用做变量选择。现有的随机森林软件包给出了所有变量的重要性。另外,随机森林便于计算变量的非线性作用,而且可以体现变量间的交互作用(interaction)。它对离群值也不敏感。本文通过3个案例,分别介绍了随机森林在昆虫种类的判别分析、有无数据的分析(取代逻辑斯蒂回归)和回归分析上的应用。案例的数据格式和R语言代码可为研究随机森林在分类与回归分析中的应用提供参考。     

模型分析在动物进化生物学研究中的应用

早期的生态学研究往往局限于对野外观察现象的基本描述。随着模型分析方法的引入,可以通过建立数学模型寻找描述性材料中蕴藏的一般性规律,探讨某一现象产生的原因及其制约因素。近年,随着计算机技术的飞速发展和普及,模型分析方法应用越来越广泛。动物行为的进化及其对环境的适应性一直以来都是生态学研究的热点,根据应用不同的理论基础,人们发展了许多不同的建模方法,主要包括种群遗传学模型、最优化模型、博弈模型、基于个体的模拟模型和系统发育对比分析模型等。本文主要介绍了以上5种模型方法,及其在动物进化生物学研究中的应用现状。     

植被冠层尺度生理生态模型的研究进展

随着人们对植物生命活动各个过程研究的不断深入,以植物生理过程、物理过程为基础的各种生理生态学模型逐渐发展起来,而植被冠层尺度生理生态学过程模型已成为生态系统模型的核心之一。目前植被冠层尺度的大叶模型、多层模型、二叶模型以其成熟的理论基础及对植被冠层的光合作用、蒸腾作用较为成功的模拟,得到了广泛的应用。3个模型都以光合作用-气孔导度-蒸腾作用耦合模型为基础,但又具有各自的特点。本文对3种模型的结构及特点进行了总结,并对其进行了比较,简要介绍了目前植被冠层尺度生理生态学模型的应用及存在的问题和发展状况。     

应用聚类分析划分孢粉带(区)的实例

一、序言随着计算机的普遍使用,孢粉分析学者对于数值方法在第四纪孢粉分析中的应用有了长足的认识。聚类分析、全成分分析、因子分析、回归分析、时间序列分析等多变量统计分析已用于处理第四纪孢粉学问题。应用这些方法划分孢粉带、孢粉分布区,进而探讨孢粉谱和植被、气候间的关系,定量解决第四纪孢粉学和古生态学的问题。在我国,虽有少数孢粉学者做了这方面的工作,但工作开展得还不够充分。本文是应用Q型聚类分析方法的一个实例。试图用聚类分析方法对珠江三角洲和内蒙古旱海的两个钻孔和南中国海海域表层样品作孢粉带划分     

WBE 模型及其在生态学中的应用：研究概述

介绍了WBE模型,综述了该模型在生态学中的应用进展。WBE模型,以及以该模型为基础的MTE模型,假设生物体为自相似分形网络结构,提出代谢速率和个体大小之间存在3/4指数关系,分别预测了从个体到生物圈多个尺度上的生物属性之间的异速生长关系,而且部分得到了验证。WBE模型的应用涵盖了个体组织生物量、年生长率,种群密度和生态系统单位面积产量、能量流动率等多个方面;即使在生物圈大尺度上,WBE模型也可用来预测试验中无法直接测量的特征变量的属性,如全球碳储量的估算等。至今,关于WBE和MTE模型仍然存在各种褒贬争论,讨论焦点主要集中于模型建立的前提假设以及权度指数的预测。今后的研究工作应规范试验技术和方法,考虑物种多样性和环境等因素的影响,提出符合各类生物的模型结构体系,使其具有更广泛的应用性和预测性。     

结构方程混合模型在SNP分析中的应用

采用结构方程混合模型(SEMM)对实际SNP数据进行分析,为遗传统计学提供一种新的有效的分析方法。本研究的数据是由GAW17提供的,包含697个个体的22条常染色体的上万个SNP和根据这些SNP所模拟的697个个体的性状特点。随机挑选了1号染色体上的4个SNP和3个定量性状作为研究变量,分别进行潜在类别分析和结构方程混合模型分析。根据4个SNP数据,人群被分为3个潜在类别,概率分别为0.53,0.34,0.13。潜在类别1、2和3中的因子均值Q分别为-4.029、-2.052和0,潜在类别1、2的因子均值均低于3(<0.001)。研究表明:结构方程混合模型(SEMM)综合了结构方程模型和潜在类别模型的思想,形成了自己的优势,可用于处理同时包含分类潜变量和连续潜变量的数据。     

Miami模型的生态学应用

Ｍｉａｍｉ模型是第一个用环境变量估算全球净初级生产力的数学模型．但常被批评为缺乏理论基础．经过分析可以发现其基本模型结构是符合生态学原理的．Ｍｉａｍｉ模型的估算精度不高,主要是由于变量选取不当和单因子模型独立估算造成的．针对其固有的缺陷,可以通过优选环境变量和建立复合模型的方法加以改进,达到提高精度的目的．改进后的模型在宏观大尺度生产力空间分布在模拟上仍有生命力     

物种分布模型在海洋潜在生境预测的应用研究进展

海洋生物的栖息分布与环境要素的关联性一直是海洋生态学研究的热点之一.近年来,物种分布模型被广泛应用于预测海洋物种分布、潜在适宜性生境评价等研究,为保护海洋生物多样性、防治外来物种入侵及制定渔业管理措施等提供了一条有效途径.物种分布模型主要包括生境适宜性指数模型、机理模型和统计模型.本文对物种分布模型的理论基础进行了归纳和总结,回顾了物种分布模型在预测海洋物种潜在地理分布研究中的开发与应用,重点介绍了不同类型统计模型在海洋物种潜在分布预测中的研究实例.比较各种选取变量和模型验证方法,认为赤池信息准则对于选取模型变量具有优势,Kappa系数和受试者操作特征曲线下面积在验证模型精度中应用最广泛.阐述了物种分布模型存在的问题及未来发展趋势,随着海洋生物生理机制研究的进一步深入,机理模型将是今后物种分布模型发展的重点.     

景观生态学:海洋生态系统研究的一个新视角

全球海洋生态系统作为异质性的复杂巨系统是一类景观生态系统 ,具有明显的等级结构 ,因此 ,景观生态学的原理和方法完全可以应用到海洋生态学的研究中来。生态系统的尺度限制了海洋生态学向更加宏观的方向进一步发展 ,在景观的水平上 ,运用景观生态学的理论和方法可以更好地在多个尺度上开展深入广泛的研究。本文不仅讨论了海洋景观的空间异质性 ,而且就海洋景观生态学的若干研究方向进行了探讨。     

粪便DNA分析技术在分子生态学研究中的机遇与挑战

随着粪便DNA分析技术的不断发展与完善,其越来越多地被应用于分子生态学研究中,特别是野生动物的遗传状况评估研究。粪便DNA的获取可以在不干扰,甚至无需观察到动物本身的情况下展开,因此避免了取样活动可能给野生动物带来的干扰或伤害,极大地促进了野生动物分子生态学的研究。虽然粪便DNA分析技术在其建立伊始因DNA质量问题而受到了一定的挑战,但自其建立至今,研究者发展了多种技术来克服这一问题。现已能获得较高质量的粪便DNA,并将基因分型错误率控制在较低水平。本文将结合我们在粪便DNA分析技术上所积累的经验,从粪便样品采集、保存、DNA提取、PCR扩增以及等位基因分型等各个环节对该技术进行详细探讨,以期阐明该技术在野生动物分子生态学研究中所面临的机遇与挑战,进一步推动其在我国野生动物保护研究中的应用与发展。     

一种模型模拟结果的统计检验方法

模拟结果的准确性是衡量生态学模型是否成功的关键,但采用统计学方法判别模型模拟结果与观察值相符程度的报道较少。根据两个直线回归方程能否合并为一个方程的统计学检验方法,提出了通过检验观察值与模拟值直线回归方程和1∶1直线方程截距与斜率是否相同,进而在统计显著水平上判断生态学模型模拟值与观察值一致性的统计学检验方法。数据检验表明,此方法可以较好解决判断生态学模型模拟结果准确性的问题。