A comparison of neural networks and partial least squares for deconvoluting fluorescence spectra

This article compares backpropagation neural networks (BNN) with partial least squares (PLS) techniques in terms of their ability to deconvolute fluorescence spectra. Both actual experimental and simulated spectral data are studied for 2 binary systems. These systems consist of mixtures of tryptophan and tyrosine, and NADH and tryptophan over a total concentration range of 10(-7) to 10(-4) M. It is shown that BNN is superior to PLS for both systems.     

滇西北退化高寒草甸植物群落结构对刈割的响应

为探究滇西北不同退化级别高寒草甸植物群落结构对外界干扰的响应敏感性,以香格里拉市的典型高寒草甸为研究对象,于2018-2020年在三个退化梯度上（严重退化,S1;中度退化,S2;轻度退化,S3）开展控制刈割实验,进而分析草甸植物物种丰富度、群落组成相似性、群落复杂度和关键种的变化规律。结果表明：（1）刈割后,S1的物种丰富度显著增加（P<0.05）,S2和S3的物种丰富度未发生显著变化（P>0.05）;（2）相较于S2和S3,S1梯度的植物群落组成变化最大;（3） S1、S2和S3的植物群落复杂度在刈割后均呈先下降后增加的趋势,但S1的植物群落复杂度变化幅度高于S2和S3;（4）刈割导致各退化草甸植物群落的关键种发生了变化,2018、2019和2020年S1梯度的关键种在豆科（Leguminsae）和蔷薇科（Rosaceae）之间变化,S2梯度的关键种在禾本科（Gramineae）和菊科（Compositae）之间变化,S3梯度的关键种在蔷薇科（Rosaceae）、菊科（Compositae）和禾本科（Gramineae）之间转变。研究表明,滇西北高寒草甸植物物种丰富度、群落组成和群落复杂度对外界干扰响应的敏感性可能随退化加剧而上升,但群落关键种的响应过程较复杂。     

北京东灵山土壤动物-植物互作关系对海拔格局的响应

土壤动物可能会与植物形成复杂的互作网络,有关其对海拔梯度做出响应的研究还相对较少,了解不同生境下的生态网络为理解和预测系统的稳定性及其动态变化机制提供了新途径。于北京东灵山地区调查了沿海拔梯度凋落物层与土壤层中的土壤动物以及木本和草本植物的多样性,并通过零模型的方法对比了土壤动物-植物互作网络特征参数的标准化效应值在高-中-低三个海拔段的差异。结果显示：土壤动物的稀有类群在中海拔段多样性较高,木本植物多样性随海拔降低,而草本植物多样性则随海拔升高。各生物类群组成都随海拔距离而增加,存在明显的聚集性分布格局。植物与土壤动物之间的互作网络特征参数不仅随海拔改变,且在凋落物与土壤层之间、木本与草本植物之间存在差异。总体而言,土壤动物与木本植物互作网络的海拔变化主要与土壤动物多样性有关,而与草本的互作网络则与草本植物多样性有关。沿海拔梯度,存在土壤动物-木本植物向土壤动物-草本植物网络的适应性转变。本研究在同一海拔梯度上探讨了不同层土壤动物与植物的互作关系,对深入理解山地生态系统中各生物类群的共存机制具有重要意义。     

荒漠草原盐沼湿地苦豆子土壤细菌群落构建机制及其影响因素

【背景】荒漠草原盐沼湿地是陆地生态系统的重要组成部分,土壤水分和盐分变化是影响该生态系统土壤细菌群落构建的重要因素。【目的】土壤细菌群落构建是由确定性和随机性主导的连续生态过程,阐明荒漠草原盐沼湿地土壤细菌群落的构建机制对于加深微生物作为关键生态系统因子重要性的理解具有积极意义。【方法】以宁夏中部典型荒漠草原盐沼苦水湖湿地为研究对象,对近湖边（near the lake,NL）和远离湖边（far from the lake,FL）苦豆子群落土壤理化特性进行测定并结合土壤细菌高通量测序分析。【结果】NL和FL样地具有明显的水盐梯度变化,NL样地土壤pH、含水量和电导率均显著高于FL样地;变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和黏菌门是研究区域土壤细菌群落的优势菌门,变形菌门相对丰度随水盐梯度上升而升高,放线菌门和厚壁菌门相对丰度则随之下降,门下成员大多与水盐变化具有明显的相关性;此外,FL样地土壤细菌网络则具有稳定的网络关系;随着NL样地向FL样地的延伸,土壤细菌群落由随机过程主导,并且受pH、电导率和环境变量的影响。【结论】荒漠草原盐沼湿地水分和盐分的变化改变了土壤细菌群落结构;土壤细菌群落通过生态位占据等策略提高逆境下的生存能力;细菌群落构建是随机过程和确定性过程组成的连续统一体,同样受环境变化的影响。本结果揭示了荒漠草原盐沼湿地细菌群落结构和相互关系对环境变化的响应特征,同时阐明了该区土壤细菌群落的构建机制及影响因素,也为相关科学研究提供了一定理论参考。     

耦合生态系统服务供需的生态安全格局构建——以苏南地区为例

生态系统服务供需平衡是保障生态安全的基础,将生态系统服务供需作用流动机制融入生态安全格局构建对保障区域生态安全和提升人类生态福祉具有重要意义。基于景观生态学原理,提出耦合生态系统服务供需的生态安全格局构建逻辑方法,以苏南地区为研究区构建了景观生态安全格局和社会生态安全格局。研究结果表明:(1)耦合生态系统服务供需的生态安全格局应以维系区域生态安全和保障区域人类生态福祉为构建目标。其中,生态安全以生态系统服务与生态风险为核心关注对象,人类生态福祉的实现依赖于人类主动获取与生态系统服务流;(2)苏南地区生态系统服务供需间存在错配格局,在此基础上分别识别生态源地与需求源地4247.46km²、1882.16km²,生态廊道与供需廊道1614.02km、1915.82km,生态夹点29处、生态障碍点23处、生态供需节点20处;(3)形成"三区四带两组团"的社会-景观生态安全格局优化布局方案,并在此基础上提出针对性保护修复策略,推动经济-生态空间协同发展。研究可为丰富区域生态安全格局构建理论和方法、推动国土空间优化与管控提供参考借鉴。     

长江中游地区农业生态效率空间关联网络演化及驱动因素

厘清农业生态效率空间关联的网络特征及驱动因素对践行绿色发展理念、实现区域协同治理具有重要意义。基于2001-2019年长江中游地区38个地级市的面板数据,采用超效率至强有效前沿最近距离(MINDS)模型测度各地级市的农业生态效率,运用引力模型对长江中游地区农业生态效率的空间关联关系进行识别,进而利用社会网络分析方法和二次指派程序(QAP)方法揭示其网络结构演化特征和驱动因素。研究表明:(1)长江中游地区农业生态效率的空间关联关系表现出复杂的网络结构形态,空间关联网络具有高通达性且等级结构趋于松散,但网络稳定性却趋于下降;(2)武汉市和长沙市在空间关联网络中居核心地位,既扮演中心行动者角色又兼具"中介"和"桥梁"功能;岳阳市、黄石市等省际边界地级市在网络中则扮演边缘行动者角色;(3)空间关联网络核心-边缘结构由"十五"时期的"大聚集、小分散"演变为"十三五"时期的"大分散、小聚集",核心区由中部聚集转变为向四周发散;(4)地理空间的邻接、地区农业产业地位、财政支出、经济发展水平的相近以及交通运输水平的差异均有助于空间关联网络的形成。     

不同身体质量指数人群肠道菌群结构及共存网络解析

[背景] 人体能量稳态失衡表现为体重过轻、超重和肥胖,肠道菌群与人体能量稳态的维持有关,但不同身体质量指数（Body Mass Index,BMI）人群的肠道菌群特征仍需进一步探究。[目的] 基于美国肠道计划公开数据库,解析4类BMI人群肠道菌群的特征,并探究4类BMI人群肠道菌群共存网络特征及差异,为基于肠道菌群来干预肥胖及体重过轻等不健康状态提供新的理论依据。[方法] 从美国肠道计划数据集中筛选具有BMI信息的肠道菌群样本,并根据世界卫生组织规定的BMI划分标准将筛选后的样本分为4类：体重过轻（BMI<18.5 kg/m²）,正常体重（18.5 kg/m²2）,超重（25 kg/m²2）,肥胖（BMI>30 kg/m²）;通过计算和比较肠道菌群的α多样性和β多样性探究4类BMI人群肠道菌群的整体结构特征及差异;通过多元线性回归模型对不同BMI分类与肠道菌群进行相关性分析,并且将地域、年龄、性别因素作为混杂因素加入到模型中进行校正;采用SparCC分别计算4类BMI人群肠道菌群中菌属相关性,并分别构建肠道菌群共存网络。[结果] 经过Wilcoxon秩和检验,发现体重过轻、超重、肥胖人群的肠道菌群α多样性都显著低于正常体重人群;β多样性分析结果表明4类BMI人群肠道菌群的整体结构存在显著差异;4类BMI人群肠道中厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对含量无显著差异;通过MaAsLin分析,并且将地域、年龄、性别因素作为混杂因素加入到模型中进行校正,共得到49个与BMI类型显著相关的物种;4类BMI人群肠道菌群共存网络的拓扑结构具有一定差异,体重过轻和正常体重人群肠道菌群共存网络的复杂度较高,超重和肥胖人群肠道菌群共存网络的复杂度较低。[结论] 4类BMI人群肠道菌群的多样性、整体结构和共存网络间均存在差异。     

中国主要农产品虚拟要素贸易网络结构特征分析

据虚拟水概念定义虚拟要素,并将其划分为虚拟资源要素和虚拟生态要素两类,选取虚拟资源要素中的耕地要素和虚拟生态要素中的化肥/农药要素为研究对象,定量分析2002—2016年以粮食贸易为载体的虚拟耕地、虚拟化肥/农药要素的贸易量,构建虚拟要素贸易网络,通过复杂网络的研究方法,结果表明:2002—2016年我国主要农产品虚拟耕地、化肥/农药要素的贸易总量呈下降趋势,降幅分别约25.51%、8.01%;虚拟耕地要素网络节点入度较大的为长江中下游、华南、西南地区,出度较大的为黄淮海和东北地区,虚拟化肥/农药要素网络与之相反;地区间节点强度的差异性大,虚拟耕地要素差值最大可达1459.56万hm²,虚拟化肥/农药要素达61.38万t;二者网络节点度和强度的累积分布均符合幂律分布规律,其尾部的"重尾"现象揭示了节点度和强度的高可变性以及网络结构的脆弱性;虚拟耕地要素的输入区网络同配,输出区网络异配,揭示了地区间耕地要素的流动既呈集聚又有分散的态势,虚拟化肥/农药要素网络节点相关性皆为减函数,网络异配,揭示了虚拟化肥/农药要素在八大区域间联通的状况。网络结构特征分析为研究网络抗毁...     

生态工业园共生网络的脆弱性

工业生态系统的稳定可持续运行是生态工业园区实现环境效益、经济效益和社会效益的重要保障,对生态工业共生网络脆弱性分析是工业生态学领域值得探讨的重要问题。运用复杂网络理论,从网络拓扑结构出发,论证该工业园具有小世界性和无标度性,为网络脆弱性分析奠定基础;通过攻击负载最大节点,利用网络效率和最大连通子图对网络的脆弱性进行分析,从而衡量节点失效对整个网络造成的破坏性。指出复杂网络在生态工业园共生网络中进一步研究的方向。