碳循环描述
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碳循环描述范文第1篇
“生态系统中的物质循环和能量流动”是苏教版八年级《生物》下册第25章第二节,本节内容综合性较强,既涉及光合作用、呼吸作用、生态系统、食物链、食物网等方面的知识,又涉及能量流动和物质循环;不仅与生活和生产密切相关,又与全球的环境、资源密不可分。能量流动是一个比较抽象的过程,各营养级中能量的来源和去路比较复杂,学生理解难度相对较大。但八年级学生已具有一定的分析问题能力,又学过水(氧)循环以及生态系统组成等基础知识。另外,生活经验也提供给他们大量相关的信息,学生对生物学主题中与实际应用和社会问题相关的内容兴趣较浓,这是学习本节内容的有利条件。为此,本节教学以生态系统的能量流动及特点和碳循环过程作为重点,将生态系统能量流动的特点分析及能量流动和物质循环的关系作为难点,应用问题情境、阅读、小组讨论、比较和师生谈话等多种教学方法,引导学生主动学习,建构自己的认知体系。在教学过程中学习分析、总结,学会思考。教学设计如下。
2教学目标
2.1知识目标
描述生态系统中的能量流动和物质循环;描述生态系统中的能量流动和物质循环的特点;说出生态系统中能量的最初来源。
2.2能力目标
通过分析总结,培养运用科学知识分析和解决实际问题的能力;通过图片的观察,培养识图、观察和分析能力;通过讨论、交流,培养语言表达能力、小组合作能力。
2.3情感态度和价值观
正确认识人类作为生态系统中的一员在物质循环和能量流动中的作用,增强环境、资源意识,更加热爱大自然和保护大自然。
3教学过程
课前教师准备多媒体课件,学生预习本节课本内容,并搜索相关资料。
3.1引入
播放纪实视频“实拍灰狼欲捕食羊群,遭到牧民策马驱逐”片段,学生观察:在草原上,一只野兔遭灰狼的追逐最终被捕食,狼欲捕食羊群,遭到牧民策马驱逐。精彩、直观的视频展示引入新课,以激发学生兴趣。创设问题情境:能否说出草原上一条食物链?学生很容易回答:“草兔狼;草羊狼”等。进一步提问:兔(羊)的能量从哪里来?兔(羊)的能量到哪里去了?学生思考后回答……,那么生态系统的能量是怎样输入的呢?又是怎样传递和散失的呢?让我们一起来共同探究。
3.2生态系统的能量流动
提出问题:从上述的食物链中,大家知道了兔(羊)靠吃草获得能量,那么草的能量又从哪里来的?按以下步骤展开教学:(1)第一步指导学生阅读教材第一自然段文字,设置问题①生态系统的能量最初来源是什么?②能量进入生产者的途径是什么?③能量来源的起点是什么?④流动的渠道是什么?设置问题情境导读,引导学生思考、分析,可以提高阅读效率,教师鼓励学生大胆发言,激发竞争意识。(2)第二步尝试分析“草兔狼”食物链中的各个营养级以及所属的生物组成,学生分析后作汇报(如下),明确“营养级”概念。(3)第三步呈现课件“生态系统能量流动的示意图”并提出问题:能量是怎样流动的?有何规律?指导学生阅读教材第二自然段并分组讨论,教师可作为参与讨论者,与学生一起讨论。师生交流:输入第一营养级的能量,一部分在生产者的呼吸作用中以热能的形式散失了,一部分则用于生产者的生长、发育和繁殖。在后一部分能量中,一部分被分解者利用,还有一部分被植食性动物摄取,这样能量就从第一营养级流人第二营养级,以此类推……教师再问:能量从一种生物传到另一种生物,是不是百分之百传递?为什么?(不是,因为有一部分散失了)能量从哪种生物又流向哪种生物?(由被取食者流向取食者)在食物链中,能量流动能不能倒流过来?教师引导学生观察这条食物链中各营养级的排序是否可以变动(不能,单一方向)。能否总结能量流动特点?学生:逐级递减,单向传递。接下去,可展示“生态系统的能量流动”动画(配解说),丰富学生的感觉视觉,加深学生对能量流动的理解,有突破教学难点;继续展示“能量金字塔”,阐明其含义及特点……通过层层递进,引导和分析,使学生获得新知,进一步完善认知结构。
3.3生态系统的物质循环
过渡:生态系统能量流动伴随物质的循环,能量由太阳提供,物质由地球提供的,为什么生态系统中的大量物质,亿万年来没有被耗尽呢?是因为物质可以被循环利用的。教师引导学生写出光合作用和呼吸作用的公式,说明二氧化碳在此过程中的作用,从回顾旧知入手,通过知识迁移把新旧知识融会贯通。课件呈现“碳循环示意图”并指导学生分组讨论,思考每一个箭头代表的生理过程及物质名称,可设置思考题:①碳在大气中以什么形式存在的?②碳在生物体内以什么形式存在的?③大气中二氧化碳的主要来源?④地球上无数的生物每天都要消耗大量氧气并产生大量的二氧化碳,为什么我们没有缺氧?⑤尝试描述碳循环的过程。通过图片观察提高学生的识图能力,培养学生的观察、分析能力,在讨论和交流中,也锻炼学生的语言表达和小组合作能力。接着,播放“生态系统中的物质循环”动画,然后师生共同归纳碳循环的含义:碳(元素)循环是指生物(群落)与无机(非生物)环境之间进行的循环;碳循环的范围是全球性的,特点是全球性往复循环。引导学生继续探讨:物质是可以循环利用的,那么地球上的资源是不是用之不竭?乱砍滥伐和大量燃烧化石燃料对生态系统的碳循环有没有影响?你有什么建议?谈谈自己的看法。同学们各杼己见。课堂延伸引导学生利用新知识去解决实际问题,学以致用,同时也增强了学生的环境、资源意识。
碳循环描述范文第2篇
Chemolithoautotrophic
Bacteria
2009
Hardcover
ISBN 9784431785408
山中建男著
我们所熟悉的生命,除了植物之外,大多是以有机物质为营养的,它们的食物来源于植物、动物或者微生物。但还有一类生命,它们并非植物,但却能够以无机元素为能量和营养的来源,它们就是化能无机自养细菌。本书涵盖了化能无机自养细菌在生物化学和生理方面的特点,以及它们与相关环境之间的关系。
本书共分7章。1-2.背景和基础知识的介绍,能够帮助读者理解本书后面的内容。1.作者简单而系统的介绍了微生物生长和代谢,以及微生物所采用的各种营养类型的特点;2.介绍了一种细菌用来氧化无机化合物的细胞色素,这种细胞色素就是化能无机自养细菌生长代谢的关键物质。氮、硫和碳是自然界中所有生命所必须的,生命的繁衍和生长的过程同时伴随着这些元素的循环,正是这从未停止的循环造就了万物的生生不息。本书作者用生动的语言描述了在这三种元素的循环过程中,化能无机自养细菌是如何扮演好自己的角色的;3.地球上的氮循环。参与氮循环的细菌主要是氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌,以及固氮细菌。对氨和亚硝酸盐的细菌氧化机制详加说明。介绍了硝化细菌的应用(即氨氧化、亚硝酸盐氧化菌),如利用细菌进行火药生产或是从污水脱氨氮。提到了在人体组织中的一氧化氮和它的生理功能;4-5.介绍的是地球上的硫循环相关的知识,包括硫酸盐还原菌对硫酸盐的还原和硫氧化细菌对硫化物的氧化,还有人类是如何利用参与其中的微生物的;5.阐述细菌氧化铁的机制,以及对这种细菌应用的描述:细菌浸出、生物浸出等其他应用。此外,本章还描述了由硫酸盐还原菌、硫氧化细菌和嗜酸铁氧化细菌的“合作”所引起的房屋地基冻胀;6.描述了地球上的碳循环过程的一部分,即化能无机自养细菌的碳素利用。作者对细菌由二氧化碳组生成机化合物的途径做了较为详细的说明,因为化能无机自养细菌必须由二氧化碳为材料产生细胞物质。虽然光合作用的描述省略,但细致的描述了细菌产甲烷,说明了产甲烷菌产生甲烷不是由发酵,而是通过呼吸进行的;7.描述了那些被认为是最接近生命起源的细菌,嗜热细菌是被公认最可能的生命的起源。许多嗜热细菌是厌氧的化能无机自养细菌。这里主要讨论的是那些被认为在生命演化阶段早期的生物如何取得生命所需的能源的。作者认为无论是埃姆登-迈耶霍夫-帕尔纳斯途径还是恩特纳- 多特洛夫途径都不是早期生命获得能量的方式。
本书作者山中建男教授一直参与各种生物细胞色素和化能无机自养细菌的生理和生化研究,其先后在东京工业大学和日本大学任职,期间近百篇,目前是日本东京工业大学的荣誉教授。
祝金星,博士生
(中国科学院微生物研究所)
碳循环描述范文第3篇
笔者有幸听了湖州八中郎莉萍老师执教的一节生态系统复习课《神奇的生态瓶》。课中，郎老师引导学生思维的教学给笔者留下了十分深刻的印象。以下笔者从对这堂课的感受出发，谈谈在科学复习课教学中应该如何引导学生进行思维。
一、思维基于知识，产生于问题
知识与思维的关系非常密切，“没有知识经验就不会有人类的思维活动……知识经验是以内容的资格参加到思维问题中去的”[2]236。可见，重视学生对于科学知识的把握是必须的，因为这是培养学生科学思维的前提。但是，知识的把握却又不等于思维的发展，特别是依靠机械地反复强化去巩固记忆性知识的教学过程，并不能促进学生分析与综合能力的发展，因为“知识的多少不能成为衡量思维能力强弱的标准”，教学中更为重要的是需要培养学生“对知识的理解、运用和转化的能力”[1]。简言之，科学思维的培养需要以知识为基础，但是又不可停留在具体的知识点上，而是需要通过思维在一系列知识点上不断地深入。那么，科学课教学怎样才能在已有的知识基础上引发学生的思维呢？
“人们通常假设，人的思维和问题解决是紧密联系的”[3]，“思维基于知识，却又由问题产生，并因为问题而得到持续不断深入的发展。思维的最终目的也不停留于知识，而在于使问题得以解决，做出有所创新的发现”[1]，而且，“教育的最终目的就是教学生解决问题”[4]。可见，有问题才有思维，有思维的课堂必然是有问题的课堂。上好复习课的关键就是要把机械的“重复”变成生动积极的“再现”和“运用”，而将“重复”变生动的路径就是精心设计问题，引导学生运用知识去解决问题。
郎老师的《神奇的生态瓶》（后面简称《瓶》）这节课，首先体现了“从问题进，又从问题出”的设计思想。她教学设计的第一个环节是“观看视频，引发思考”，视频是一个自制生态瓶的过程，需要学生思考的是：生态瓶有什么作用？生态瓶中有哪些成分？要让小鱼活下去哪些成分是必须有的？她设计的最后一个环节是“再看生态瓶，引发新思考”。这样的安排，正如杜威所言：“在每一堂课终了的时候，要检查学生已经完成的作业和学到的知识，在学生的思想中，对某些未来的课题，应有针对地寻问，到底是什么，许多问题仍然是悬而未决的，这正如结构清晰的故事或戏剧中的每一片段，都会使人期待着，渴望循着线索继续看下去。”
其次，《瓶》这节课教学核心部分的设计思路是“链接问题，展开复习”，用如下三个大问题呈现了与生态系统有关的三块内容：
问题1：你能理清种群与群落、生态系统与生物圈等容易混淆的概念吗？
问题2：你知道生态瓶中的成分吗？
问题3：什么样的生态瓶能使小鱼生活的时间最长？
问题1要解决的是生态系统的基本概念；问题2要解决的是生态系统的结构与成分；问题3要解决的是生态系统的物质循环和能量流动。然而，每一个大问题的解决都有一系列小问题作为脚手架，前面一个大问题又是后面一个大问题的脚手架。例如在问题2的解决中，在学生呈现生态瓶中的成分之后，郎老师不断追问“细菌属于生态系统成分中的什么”“可不可以说是微生物”“为什么”等。巩固练习之后再次追问：“上题中提到微生物对自己的物质循环起到重要的作用，是怎么回事呢？”然后出示生态瓶中的碳循环示意图，让学生指出分解者。有了碳循环为基础，氧循环的建模迎刃而解，解决问题3所要运用的知识也已经储备好了。有效教学的奥秘就在于，教师清楚地知道学生的认知水平与教学目标之间的距离，并清楚地知道从学生现有水平出发，到达教学目标之间要架设的脚手架的位置与个数。正是由于脚手架选择的适切，整堂课中大部分学生都处在积极思考并努力解决问题的状态中。绝大部分时间都是学生在争着表述，而教师只是一个不断有问题发现的引导者和倾听者。
二、思维产生于问题，拓展于变式
思维产生于问题，但常见的问题又容易产生思维定势。很多学生的答题错误往往不是由于知识的欠缺，而是由于思维定势造成的，如何克服学生的思维定势是教学中必须面对的问题。避免重复机械的题海战术是克服思维定势的一条路径，《瓶》这节课正是呈现了如何在日常课堂教学中克服学生思维定势的一条有效路径――课堂例题教学中的充分变式。“所谓‘变式’即指从不同角度、不同方面变换事物的非本质属性，揭示事物的本质特性，从而更好地掌握概念。” [2]236在问题1的解决中，郎老师准备了这样一道练习题：
杭州西溪国家湿地公园内生活着许多水生、陆生植物和野生植物，园内河流交汇，鸟语花香，形成了独特的湿地景观，该湿地公园属于（ ）
A.种群 B.生态系统 C.群落 D.生物圈
接着郎老师利用这个题目进行了一系列的变式：
如果选项是A（或C），题目该如何提问？
该湿地公园内所有的青蛙属于 ；
该湿地公园内所有的生物属于 ；
该湿地公园内所有的植物属于 。
这是一个非常经典的横向变式，同一个题干不同的问题将生态系统的基本概念尽收其中。这不仅节约了学生读取题干信息的大量时间，也通过变式有效提醒学生一定要审题仔细，切不可因思维定势而盲目答题。解题教学不需要太多的题目，要的是思维含量，这应该成为我们的共识。
变式训练不仅可以克服思维定势，其中的纵向变式还可以实现思维的正向迁移和拓展。例如，生态系统的物质循环是重点也是难点，为了有效突破这个重难点，郎老师首先直接给出了生态瓶中的碳循环示意图（如图1），图中A、B、C、D分别代表生态系统的成分，①～⑦代表碳元素的传递过程，请学生根据图回答：
（1） B是指 ，D是指 。
（2）碳元素在无机环境与生物之间以 形式进行循环的；碳元素通过 作用由生物进入无机环境。碳元素从B到C是以 形式传递的。
（3） 从物质循环的观点看，生物的碳元素究其根源来自于 。
经过这样横向纵向的多次变式，学生的思维得到了充分的拓展。
三、思维拓展于变式，提升于建模
教师在教学过程中有意识地适度超越学生的认知水平，引导学生在其学习的过程中逐步从一个个具体的案例所呈现的知识技能中跳出来，挣脱具体问题的束缚，努力地“跳一跳”去把握隐藏在现象背后的规律性认识，那么，学生仅仅依靠原有的认知就不能解决问题了，这样便引发了学生原有认知基础和当前学习所要求的思维水平之间的不平衡，这种“不平衡状态的产生酝酿了心智发展的可能”[5]，学生在解决这种不平衡的过程中，思维水平也就能够获得进一步发展，从而为更好地学习新知提供了心智基础。科学课程标准强调要“帮助学生学习建立科学模型，由此培养学生的分析、概括能力和逻辑思维能力”，而学生建立模型的过程，正是把原有的认知提高到一个新水平的思维过程。
模型，中文原意即规范。按照我国著名物理学家钱学森的观点：“模型就是通过我们对问题的分析，利用我们考察来的机理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画。”简单地说，模型是人们对认识对象所作的一种简化的概括性的描述，它是通过思维活动而对特定知识所作出的一种本质性规律性的反映。
对有些科学问题的探究既无法用真实模型，也无法找到替代模型，此时，科学家们想出了用人工模拟的方法来开展研究，如生物圈Ⅱ号、探究性状分离比的实验模型、探究生态系统稳定性的小生态瓶等。《瓶》这节课充分展示了建模思想，充分利用了生态系统的物质模型――小生态瓶，郎老师通过问题3“什么样的生态瓶能使小鱼生活时间最长”引发了学生对生态系统稳定性的一个思考。实际上，整节课郎老师都在通过小生态瓶帮助学生疏通思路，都是在用小生态瓶模拟真实的生态系统。
在复习课中，教师的任务不应是替学生找出各部分知识的现成结构，而是需要引导学生对前面所学的知识、规律、方法进行归纳整理，让学生通过自己的理解和加工建构可用的思维模型，因为“学习是一个把新旧信息结合在一起，构建出一个人自己独特的知识基础的过程”[6]。这也体现在了《瓶》这节课中：（1）以生态系统为核心，将生态因素、种群和生物群落等基本概念，生态系统的成分与结构，生态系统物质循环和能量流动“分割”成三个知识块，并有序布局；（2）连接三大知识块相互联系的知识线，自然形成一个生物与环境的知识网；（3）纵观全局，再现整体，最后一个环节“再看生态瓶，引发新思考”的任务之一，就是通过三大知识块概念之间的内在联系构成生物与环境的知识网络，形成思维导图，建立了关于生物与环境关系的思维模型，使学生更好地理解了相关知识内容所构成的体系。
总之，《瓶》的教学设计理念是以学生熟悉且非常感兴趣的生态瓶为切入口，以解决学生疑难问题为准则，展开一系列有关生态系统的问题讨论，并在问题的讨论和解决中理清生态系统基本概念、组成成分、结构功能，感知物质循环和能量流动的重要性，解释生态平衡的现象和意义。在教学中，郎老师通过学生感兴趣的问题引发思维，通过充分变式顺利完成了建模，通过建模使学生的思维水平得到了有效的提升。这真正是“为思维而教”的令人难忘的一课。
参考文献：
[1] 郅庭瑾.为思维而教[J]. 教育研究，2007：44～46.
[2] 《心理学百科全书》编辑委员会.心理学百科全书[M]. 杭州：浙江教育出版社，1996.
[3] M.艾森克.心理学――一条整合的途径[M]. 上海：华东师范大学出版社，2005：368.
[4] 罗伯特・加涅，阿妮塔・伍德沃克.教育心理学[M]. 南京：江苏教育出版社，2005：337.
碳循环描述范文第4篇
关键带中发生的复杂的物理、化学和生物过程相互耦合使其成为不可分割、有机联系、不断变化的动态系统。按照其性质与作用，这些过程大致可分为三类:生态过程、生物地球化学过程和水文过程［8］。生态过程通过植物、微生物等生产者的作用将土壤中的物质合成为植物量，经消费者消费后又被微生物分解返回土壤。人类活动可被看作是生态循环的一部分。由于人类活动对生态过程的影响越来越大，有人又将其单分出来作为一类过程加以研究［9］。生物地球化学过程将生物过程与非生物过程联系在一起，通过流体、沉积和气体作用，使碳、氮等化学元素和物质在空间上的分布发生变化。水文过程通过水分运移转化使物质和能量在空间上重新分布。生物地球化学过程和水文过程相互耦合，推动了生态过程的持续进行，又共同决定了关键带的整体形态和功能。但是，受传统学科研究视角和方法的限制，研究人员很少将关键带作为一个整体框架，而是人为地将生态过程、生物地球化学过程和水文过程割裂开来进行研究。例如，土壤学往往将研究对象局限在植物根区分布的土壤范围，而很少考虑植物根区之下的包气带和饱水带;水文地质学以含水层为研究重点，往往将上覆包气带作为“黑箱”进行处理;生态学以地表面之上的植物为研究重点，对地质环境则重视不够。当今经济社会所面临的水资源管理、自然灾害防治、全球变化应对、生态环境保护等重大战略问题，迫切需要不同的学科相互交叉融合，形成一个新的整体框架，对近地表圈层进行系统研究。这正是国际地学界提出“地球关键带”的意义所在。关键带在空间展布上呈现出高度的非均质性。大量的调查和观测数据表明，构成关键带的地质介质和发生在其中的生态过程、生物地球化学过程和水文过程随空间的变化表现出明显的变异。这种变异特性随空间尺度的变化呈现出不同的特点［10］。造成关键带高度变异性的原因很复杂，可归纳为三个方面:与地质、水文等有关的内在因素，与气候、自然火灾等有关的外在因素，与土地利用、城市化等有关的人类活动［11］。按照研究空间范围的大小，通常可划分为微观尺度、中观尺度和宏观尺度。目前，人们观测关键带的途径包括两大类:一类是利用传感器技术和测量技术进行点上监测，对应于微观尺度;一类是利用遥感技术进行大面积面上监测，对应于宏观尺度。针对介于二者之间的中观尺度的观测技术还很不成熟，亟待发展。关键带过程的发生尺度与人们的观测尺度存在的不一致，对关键带过程研究与建立模型造成了很大的挑战，尺度转换成为关键带科学研究的重要问题［12］。关键带在垂向上呈现出明显的分层特征。如图1所示，关键带通常由地面之上的植物冠层、植物根系生长的土壤层、土壤层之下的包气带、含水层等组成，并且每一层可能还可细分为多个亚层。例如，土壤层可分为腐殖质亚层、淋溶亚层、淀积亚层等［13］，包气带和饱水带之间存在一个过渡的、近饱和的毛细上升区［14］。层与层之间形成了关键带的界面，主要界面有土壤－大气界面、土壤－植被界面、包气带－饱水带界面、地表水－地下水界面、含水层－基岩界面等，在沿海地区还有陆地－海洋界面。这些界面对关键带发生的各种过程具有重要的控制作用，也为人为调控关键带过程提供了重要的切入点。例如，作为包气带－饱水带界面的潜水面对土壤剖面的含水量和水势分布有很大影响，是土壤发生盐渍化的重要原因，也是地表生态格局变化的影响因子之一［15］。关键带在外在过程的作用下不断发生着短期的变化和长期的演化。NRC将外在过程归纳为四类:由地球内部能量驱动的构造运动，总的趋势是增大地表的起伏不平;由地球外部能量驱动的风化过程，总的趋势是削平填洼，使地表趋平;由压力梯度驱动的流体运动，使物质发生空间迁移;由生存需求驱动的生物活动，对土壤、岩石、水等要素施加了越来越大的影响［3］。
2关键带研究思路与范式
2.1DPSIR体系框架DPSIR(驱动力－压力－状态－影响－响应)体系描述了一条引发环境问题的起源和结果之间的因果链，为开展关键带科学研究提供了可供借鉴的技术框架(图2)。这条因果链表明了关键带与社会经济之间的相互作用关系，社会经济活动作为长期驱动力作用于关键带，对关键带产生压力，造成关键带状态的变化，从而对关键带及其发生的各种过程产生影响，这些影响促使经济社会对关键带状态的变化做出响应，响应措施又作用于驱动力、压力、状态和影响。该体系从系统分析的角度看待社会经济与关键带的相互作用，是组织环境状态信息的通用框架［16］。驱动力指影响关键带的外部过程变化的趋势，是造成关键带变化的潜在原因。例如，人类社会通过人口增长、土地利用等方式作用于关键带，成为关键带变化越来越重要的驱动力［17］。压力指人类活动对关键带的直接作用。社会经济从关键带获取所需要的水、粮食、建筑材料等资源，同时在生产和消费过程中排出工业废物、生活垃圾、废水等，是造成关键带变化的直接因素。状态用来描述不同时空尺度关键带的动态变化。影响描述的是当外界对关键带施加压力时其状态随之发生变化，这些变化对于关键带功能和服务所产生的效应。响应指改善或适应关键带变化而采取的相关措施，如法律法规、技术调控措施等。关键带科学研究的成果，应以易于理解的形式，传递给管理者和决策者，从而采取相应的资源、环境和生态管理措施。例如，Banwart等人建议采用生态服务方法将关键带的功能和服务转化为可以量化的价值，在科学研究成果与管理政策之间架起一座沟通的桥梁［18］。2.2填图－监测－建模循环体系框架循环上升的填图－监测－建模体系(简称3M框架)为研究复杂、非均质、动态的关键带提供了一条整合研究的技术框架(图3)。通过填图、监测和建模的循环进行，不断深化对关键带及其过程随时间和空间变化规律的认识，积累越来越多的图件、数据和成果。在此基础上，通过对图件、数据和成果的集成与分析，针对管理者、科学家、社会公众等不同的服务对象生产各种产品，将关键带研究成果最大程度地传递给社会［19］。填图是了解关键带组成与结构的基础，也是部署监测和开展建模的基础。关键带在空间展布上的高度非均质性和在垂向上的分层性，要求采用各种技术手段对不同尺度的关键带进行调查，获取关键带各种要素的物理和化学参数，为建立地球关键带框架模型提供基础数据。监测是了解关键带随时间变化的基础，为建模提供所需的输入数据和校正数据。需要监测的内容应涵盖关键带各种要素，也应包含模型运行需要输入的相关数据。建模是开展关键带过程机理研究的重要手段，也是开展关键带定量评价、预判关键带变化的重要工具。建模将填图所获得的空间数据与监测所获得的时间数据整合在一起，对关键带中所发生的水文过程、生物地球化学过程和生态过程进行数学模拟，以探求隐藏在表象之下的自然规律。填图、监测、建模构成关键带科学研究的完整框架，三者相辅相成、循环上升、互为促进。
3关键带研究进展
3.1填图20世纪末，近地表圈层得到了越来越多的北美水文地质学家的重视［20］。近地表地质圈包括土壤、包气带、浅层地下水、生物栖息地、湿地、河溪下层区和农业用地等。1998年，美国地质调查局(USGS)了2000～2010年地质科学战略，将近地表圈层作为研究重点之一，确定开展地质填图、地球物理填图、地球化学填图和钻孔测量，查明控制地下水流及污染的地质框架［21］。截至2010年，USGS完成的1∶10万以上比例尺的地质图达到了美国国土面积的64%;完成了全国65个主要含水层12%的三维地质调查，建立了三维水文地质框架模型;完成了15个县面向地质灾害的三维地质调查，建立了用于减灾的地质框架。在美国国家科学基金会资助下，加州大学、科罗拉多大学等单位于2007年开始在Christina、BoulderCreek等6个地区以流域为单元开展关键带填图工作，调查确定关键带基岩、土壤、植被和地形的三维空间分布与特性，研究关键带结构随时间的演化规律、风化层与土壤的形成与空间变化特征［22］。2012年，USGS了其核心科学体系科学战略(2013～2023)，明确将关键带作为其研究的核心靶区，提出针对关键带的结构和过程进行调查，建立关键带3D/4D地质框架模型。重点研究内容包括利用先进的微分析技术开展点上小至分子尺度的调查，利用先进的遥感技术开展面上大至全球尺度的调查，研发关键带及其过程的3D/4D模型，形成不同比例尺的地质图、地理图和生物多样性图［23］。针对水资源管理需要，建立不同尺度的3D/4D水文地质框架模型;针对自然灾害防治需要，建立地球表层地质、水文和生态框架［24］。2006年，针对土壤侵蚀、盐渍化、有机质减少和滑坡等土壤环境问题，欧盟委员会了土壤保护主题战略，将传统的1～2m深的土壤层扩展到地表至基岩之间的未固结土层进行调查和研究［7］，类似于NRC所提出的地球关键带。该战略认为，土壤结构是影响关键带过程和功能的主要因子。在实际调查工作中，强调利用各种技术开展关键带空间分布和土壤结构的调查。例如，在卢森堡和意大利托斯卡纳区分别采用地电技术、地震探测技术、地质雷达技术和高光谱技术对土壤粘土含量、含石量、碳含量和土壤层厚度进行了调查和填图;在瑞典Damma、奥地利Fuchsenbigl、捷克Lysina和希腊Koiliaris等地区对土壤的物理结构、化学结构和生物结构进行了调查和填图［25］。关键带填图的主要目标之一是回答“关键带如何形成与演化”的基本科学问题。科罗拉多大学联合USGS采用浅层地震折射方法对GordonGulch流域的风化层厚度、风化锋面深度进行了调查，发现山坡北坡的风化锋面比南坡的风化锋面更深，风化程度也更高［26］。Anderson等根据野外调查和模型模拟结果认为，关键带可视为一个连通反应器，下端的风化锋面将未风化的基岩纳入反应器，上端的生物物理作用为反应器提供了反应的动力，物理风化和化学风化作用共同决定了关键带的形成过程［27］。Amundson等试图将关键带形成与演化的生物作用从生物－非生物的耦合作用中抽离出来，定量刻画生物作用对关键带物质组成与地貌变化的影响［28］。欧盟资助的欧洲流域土壤变化项目选择了代表土壤形成不同阶段的4个地区进行调查研究，分析确定关键带形成演化的影响因素和关键带生态服务的可持续性。3.2监测根据NRC提出的关键带科学研究战略，美国国家科学基金会于2007年启动了关键带观测计划。首批在加州的SouthernSierra、科州的BoulderCreek、宾州的SusquehannaShaleHills建立了3个关键带观测站，于2009年又资助在新墨西哥州的Jemez－SantaCatalina、特拉华州的Christina流域、波多黎各的Luquillo增建了3个关键带观测站［29］。目前，6个关键带观测站共有250名科学家、技术人员和研究生在开展研究工作。关键带观测站以流域为单元，对关键带各种要素进行长期观测，为研究关键带变化提供科学数据。6个关键带观测站按照相同的标准进行观测，观测对象包括大气、植被及微生物、土壤(包气带)、含水层及基岩(饱水带)、地表水，主要监测内容如表1［30］。例如，BoulderCreek流域关键带观测站观测范围为1158km2的BoulderCreek流域，利用USGS和特拉华州水文站、观测井对地表水和地下水进行监测，设立了3座气象站对空气和土壤参数进行监测，埋设了15组土壤传感器对土壤含水量、土水势等土壤参数进行监测，安装了75台蒸渗仪对蒸腾蒸发量、深层渗漏量等进行监测，在下游河谷地区布设了6眼地下水观测井对地下水质进行监测。在美国关键带观测站的影响下，德国亥姆霍兹联合会于2008年启动了陆地环境观测建设项目，主要目标是为区域尺度全球气候变化对生态、社会和经济的长期影响研究提供地下水、包气带水、地表水、生物和大气的基础观测数据。目前，已在德国东北低地、Eifel/LowerRhine山谷、中部低地和BavarianAlps等地区建立了4个陆地环境观测站［31］。观测站观测范围为小流域尺度，面积一般小于104km2，以观测站为平台进行陆地系统实时监测、开展科学实验、测量不同时空尺度环境长期变化。法国等国家则通过提升现有的“河流盆地网络”所属的观测站，建设关键带观测设施，以流域为单元对关键带要素进行观测。法国河流盆地网络包含20个观测站，自2011年开始由关键带提升项目(CTRTEX)资助增设关键带观测仪器设备和基础设施。为了贯彻落实土壤保护主题战略，欧盟委员会于2009年启动了“欧洲流域土壤变化”项目，其中一项重要任务是对地球关键带进行长期观测。该项目强调土壤是地球关键带的核心，将土壤监测作为地球关键带长期观测的重点。根据土壤形成的不同阶段，选择了4个典型地点建立了欧盟地球关键带观测站:瑞典的Damma，处于土壤新形成阶段;奥地利的Fuchsenbigl，处于冲积平原土壤肥力发展阶段;捷克的Lysina，处于土壤遭到酸雨破坏后人工恢复阶段;希腊的Koiliaris，处于土壤遭受荒漠化威胁阶段［32］。欧盟与美国在关键带观测方面建立了紧密的合作关系，其观测内容与美国观测站相似，主要包括陆地－大气水碳转化、土壤含水量变化、孔隙水化学、地表水－土壤水－地下水转化、土壤长期演化等［33］。3.3建模模型对于深化对关键带形成、运行与演化的科学认识具有重要的作用，始终是关键带科学研究的重要领域之一。例如，美国关键带观测计划的重要目标之一是建立能够描述关键带生态过程、生物地球化学过程和水文过程的系统模型，定量预测气候变化、地质作用和人类活动下关键带结构和功能的响应。关键带过程模型大致可分为两类:一类是描述单个过程的数学模型，如地下水流动、土壤溶质运移、植物对水分胁迫响应等单个关键带过程;一类是描述多个过程叠加的耦合过程的数学模型，如地表水－地下水－大气水转化、生态－水文过程等关键带耦合过程。对于第一类过程，目前已建立了较为成熟的模拟模型［34］;而对于第二类过程，是关键带建模的重点和难点，尽管近年来做了很多探索工作，耦合模型还远不成熟。包气带与饱和带水文过程耦合模型研究取得了新的进展。通常有两种做法将包气带与饱和带的水文过程耦合在一起。一种做法是把包气带方程与地下水方程耦合在一起，例如，TOPOG_Dynamic模型采用一维Richards方程描述垂向土壤水流，采用二维Boussinesq方程描述地下水水平运动，采用CDE描述溶质运移，土壤与含水层由二者接合处土壤水流量进行连接［35］。另一种做法是把包气带和饱和带作为一个统一的系统，采用三维Richards方程从机理上描述土壤与地下水水流和溶质运移，如SWMS_3D和FEMWATER模型［36］。Lin等认为上述基于传统小尺度物理学方法的数学模型，由于没有将包气带的结构考虑在内，对于包气带中普遍存在的优先流不能进行准确刻画［37］。因此，关键带建模的挑战之一是将结构与过程同时纳入统一的模型。生态过程与水文过程耦合建模研究也取得了很大进展。以研究生态过程与水文过程相互作用为基础，通常将植物生长模型与水文模型耦合建立生态水文模型，以定量刻画植被生长与水文变化的耦合过程，分析全球变化对流域生态－水文过程演变的影响机制［38］。例如，BEPS-TerrainLab模型在DSHVM模型基础上耦合生物地球化学循环模型BEPs建立了流域生态水文模型，用于加拿大北部森林区碳循环与水循环耦合的基础和应用研究;RHESSys生态水文模型以水文模型TOPMODEL为基础，考虑了植被对水文过程的作用，耦合了碳循环过程Biome-BGC模型和氮循环过程Century模型，可以用来模拟关键带水、碳、氮的耦合循环［39］。美国Luquillo关键带观测站采用生态水文模型tRIBS-VEGGIE对区域关键带生态－水文过程进行了模拟，该模型可模拟复杂地形背景下河流盆地植被生长动态变化过程与水文变化过程［40］。
4结论与建议
碳循环描述范文第5篇
关键词：大数据；生态学；数据挖掘
随着科学技术的不断发展，数据在社交网络、云计算、移动互联网等的推动下，呈爆炸式增长[1]。2012年3月，“大数据的研究和发展计划”由美国奥巴马政府推出[2]。该计划投资两亿多美元，大力发展大数据的收集和分析技术，改善其分析工具，从而推进从海量数据中获取各种资源的能力。2012年7月，“首届中国大数据应用论坛”在我国北京大学举行[3]。论坛议题涉及大数据的发展趋势、大数据在不同领域中的应用、云计算和大数据、大数据和商业智能等方面，旨在探讨大数据在当代社会的应用价值。同时，生态保护问题愈来愈严峻，环境污染所带来的问题成为全国各大城市的热点问题，而通过对大数据的分析和应用可以解决这些问题。为此，准确、高效、及时的获取生态数据是分析生态管理机制、构建和谐社会的前提[4]。
1大数据概述
1.1大数据的概念
“大数据”是通过对各种数据的整合、共享和交叉分析，在云计算的数据处理模式和应用方法的基础上，由结构复杂、类型众多、数量巨大的数据所构成的集合[5]。大数据的特点可以总结为4个V，即Volume(体量浩大)、Variety(模态繁多)、Velocity(生成快速)和Value(价值巨大但密度很低)[6]。而大数据在人们的认识中，最直观的印象就是大量复杂数据被处理，最终形成对人们有价值的信息，这些信息中，包含各行各业大量具有潜在价值的规律，因此，大数据成为信息时代人们新的关注焦点。现在，各个国家众多的科研机构、政府部门和企事业单位高度关注大数据，对大数据进行跟踪，形成了一轮对大数据的研究热潮[7,8]。从生态学角度来看，大数据这个“环境切入点”与以往环境问题的处理不同之处在于，它不是一个未被挖掘的环境管理视点，而是一个方法、规律等确定，静待被应用的切入点，科技界、学术界、政府把它看成一座可能挖掘出巨大财富的“金矿”、“富矿”，各行各业均在探寻大数据层面上的有效技术分析手段[9,10]，同样，对于生态学上，大数据也将引发新的热潮。
1.2国内外发展现状
美国是全球大数据产业的发祥地，也是全球大数据产业的中心[11]。目前，金融界特别关注阿里巴巴的微贷，这是银行界未来最可怕的潜在对手。阿里金融在拿到执照后的短短几年内，到2012年6月份其微贷企业已经达到12.9万家，年底微小企业已超过20万家，贷款总额度达260亿万元。阿里金融背后的实质是什么？有两个方面，一个是对大数据的正确经营与管理，另一个是善于业务创新，它们的结合，颠覆了金融行业[12]。在iphone推出之前，移动运营商从用户手中收集了大量具有潜在价值的数据，但并没有对其价值进行深入挖掘。相反，苹果公司在跟运营商签订合同时规定，运营商要将大部分有用数据提供给公司。由此，任何运营商得到的用户体验数据都无法与苹果公司相比。制造业方面，华尔街依据购物网站上面的顾客评论，分析各企业的产品销售状况。这些企业，将顾客消费进行数据分析，实现适当采购、合理库存和科学管理。制造商们则分析顾客的网上购物数据，了解客户的各项需求、掌握市场新动向[13]。德国在体育上更是将大数据的强大之处展示得淋漓尽致。2014年的世界杯德国以7∶1的比分战胜了五届世界冠军巴西，除了技术水平的因素外，德国对于科隆大学建立的数据库也起到了巨大的作用。研究人员将巴西队所有的数据和信息都收集起来，进而进行分析，从中获取有价值的信息，在这些基础上制定比赛策略[14]。与国外相比，国内起步稍晚，还比较零散和缺乏系统性。但随着大数据对人们生活影响的不断加深，人们对大数据关注的热情也是不断高涨。近两年，大数据在国内得到迅速发展，但目前的研究还主要是集中在大数据挖掘方法和算法[15]。在高校中，数据挖掘及应用得到体现，高校思想政治教育工作已经具备了大数据的特征[16]。例如，通过对近几年高校学生活动方向的数据进行汇总整理，可以分析出学生的兴趣和关注点的变化，从而对学生活动进行及时的调整，不断促进学生成长成才，扩大学生活动的参与度并提高影响力。数据挖掘技术在中医药分析上同样适用。姚美村[17]等应用数据挖掘中的关联分析技术，以文献中收录的106首治疗消渴病的中药复方为研究对象，对治疗消渴病的中药复方中的配伍科学内涵进行分析和研究，运用ACCESS技术，借助关联规则分析的方法，建立了中药复方特征数据库。在全球各行业中，大数据产业生态系统已形成了完整的产业链，企业数量惊人，涉及司法、公共服务、零售、金融等众多行业。大数据是个跨学科的领域，我国发展大数据产业，既要吸收和消化西方先进的技术和经验，又要鼓励自主创新，迎头赶上[18]。
2大数据在生态学中的应用
2.1牧草研究中的应用
我国牧草种质资源研究工作比较分散，虽然积累了一些关于资源收集、筛选、鉴定、保存和利用方面的资料、经验，但观测项目、测试方法和评价标准没有一致性[19]。对牧草种质资源的可靠性和系统性产生了影响，与国际接轨有一定的困难。近年来，国家科技部要求制定苜蓿种质资源各描述符的字段名称、类型、长度、小数位、代码等，以建立统一、规范的苜蓿种质资源数据库，以便于苜蓿种质资源的信息与实物的充分共享以及高效利用，也为资源利用者提供准确、可靠的科学信息。在我国各种牧草当中，紫花苜蓿被称为“牧草之王”，适用于干旱、盐碱地区，是开发旱区和盐碱地的重要选择，利用现代技术对根瘤菌进行接种温室培养，测定其逆境存活率、各项生理指标、离子进出根细胞情况以及差异基因的相关数据，同时进行数据分析，科研工作者就可以对数据中所表现出的信息进行分析研究，探索苜蓿根瘤菌共生对干旱及盐胁迫的响应机制。
2.2农田生态系统碳循环中的应用
温室效应是近几十年来全球性热点问题，为降低大气中的温室气体浓度，科研工作者不断对生态系统碳源进行探究。农田生态系统是陆地生态系统的一大组成部分，是温室气体重要的源和汇，工作者可以首先运用前人的统计资料，对农田生态系统的碳源、净碳汇做出初步估算，再运用现有科学技术手段收集整理农田生态系统各项数据，通过数据中所隐含的信息，分析农田生态系统碳循环的时空差异。例如：王绍强[20]运用基于多年平均气候数据建立的陆地碳平衡模型，对我国东北地区碳通量进行模拟，研究了其分布格局。李可让[21]等运用CEVSA模型，以月为时间步长，以0.5经纬度网格为空间单元，结合遥感数据和气象资料等对中国土壤和植被碳储量进行估算。
2.3草地资源管理中的应用
合理的放牧强度、适宜的牲畜种类、最佳的放牧季节和合理的畜群分布，都是以正确认识草地资源、精确资源数据为基础，以此做出正确的判断并采取适当的措施，以期取得最佳生态经济效益。采用一般传统的方法和技术是不可能实现这一宏伟目标的，因此，为解决草地资源的动态监测与估产、草地管理利用及自然灾害预报中存在的各种问题，科研工作者需要寻求适应发展的新技术，以迅速了解畜群动态、分布和草原植被的生长、消耗等数据信息，提高精确化优势。从草原植被的样方测查到GIS技术的应用及草业地理信息学的产生，恰恰反映了草地资源管理从一般性描述到由大数据引发的精确化发展的过程[22~25]。
3大数据在生态系统应用中的优势
3.1提高生态管理效率
生态系统的改善和保护所涉及工程量较大，而大数据的大体积特性有助于解决这种困境，在大数据中，随着数据库数据的增多，所消耗的计算工作量则递减，换言之，在对生态系统进行管理过程中，管理成本会随着大数据的聚合而减小，这种高效工作能有效减少人力和物力，进而提高生态研究工作者的工作效率。例如，监测较大地理区域范围内或较长时间内发生的生态事件和变化过程时，用遥感数据提取某一区域的植被指数变化信息，然后把植被指数作为某一生态过程模型的输入参数进行计算，就可以节省大量的人力物力，提高工作效率。
3.2节约资金
近几十年生态环境遭到严重破坏，我国在生态方面投入大量资金，在智能生态管理下，尽管引入处理大数据的设备以及每年对其的维护需要一定的耗费，但是从长远来看，其经济效益更大，如在引入大数据处理草地资源管理的各项问题之前，主要依赖于人工调查，但这些信息分布在时空的各个角落，耗费大量人力物力财力，大数据管理系统引入之后，其覆盖面更广，信息准确性更高，而且给人们减少的时间成本是无法计量的。
3.3适于海量数据处理
大数据的智能管理系统特别适于处理大型数据，该系统的设计是基于云计算、云管理和云操作系统的，因此不仅能满足海量数据处理及实时分析的要求，更能覆盖所有网络。由全球定位系统(GPS)、数字摄影测量系统(DPS)、遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)和专家系统(ES)等五S技术整体结合所构成的GIS系统，不仅能够自动、实时地采集、处理和更新海量数据，而且能够智能地分析和运用数据，具有高度自动化、实时化和智能化等优点，为生态领域提供了科学的决策咨询。
4大数据在生态应用中的挑战
目前，大数据技术的运用仍存在一些困难与挑战，体现在大数据挖掘的四个环节中。首先在数据收集方面，要对来自物联网及各种机构信息系统的数据去伪存真，找出时空差异，收集异源、异构的数据，必要时还要与历史数据作对比，多角度验证数据的可信性和价值性。其次是数据存储，在存储时通常要用到冗余配置、分布化和云计算技术，按照一定规律对数据进行归类处理，通过过滤和去重，减少存储处理，并附上日后检索的标签，以达到低成本、低能耗、高可靠性的目标。第三是数据处理，生态学的数据复杂性不仅体现在数据样本本身，更体现在多源异构、多实体和多空间的交叉互动上，工作者很难用传统方法对其进行描述与度量，因此，笔者需要将高维图像等多媒体数据降维后再进行度量与处理，通过上下文关联分析，从大量模棱两可的数据中综合各种信息，从而导出可理解的内容。第四是结果的可视化呈现，目前，尽管计算机智能化有了很大进步，但还只能针对小规模、有结构的数据进行分析，谈不上深层次的数据挖掘，现有的数据挖掘算法在生态管理行业中难以通用。总的来说，利用数据挖掘技术对生态系统进行保护的研究尚处于起步阶段，其前景广阔，同时充满挑战。
5结论
大数据对人类产生的影响，就像显微镜一样[26]。4个世纪之前，对大自然的观察以及对物体的测量，人们只保留在肉眼阶段，显微镜将它推进到了细胞水平，这使人类社会发展产生了历史性的进步。现在，大数据成为人们分析事物、观察自然的显微镜。因此，根据生态经济发展的战略方向，利用大数据探索生态系统中物流、能流和价值流的定量特征，建立和发展生态经济的理论基础和方法，实现生态的可持续发展与生态资源的可持续利用[27]，为政府宏观决策、企业战略选择和农户增收提供科学依据，将成为大势所趋。
参考文献
[1]何文娜.大数据时代基于物联网和云计算的地质信息化研究[D].长春:吉林大学,2013.
[2]赛迪智库软件与信息服务研究所.美国将发展大数据提升到战略层面[J].中国电子报,2012-7-17,003.
[3]吴彬.生态科学数据元数据及其标准研究[J].中南林业科技大学学报,2010,30(12):75-79.
[4]梦小峰,慈祥.大数据管理：概念,技术与挑战[J].计算机研究与发展,2013,50(1):147-169.
[5]曹蕾.世界大数据发展态势研究[J].竞争情报,2012,(02):33-42.
[6]李国杰,程学旗.大数据研究:未来科技及经济社会发展的重大战略领域—大数据的研究现状与科学思考[J].中国科学院院刊,2013,27(6):647-657.
[7]王珊,王会举,覃雄派,等.架构大数据:挑战、现状与展望[J].计算机学报,2011,34(10):1741-1752.
[8]陈纪英.大数据革命:信息时代寻宝指南[J].中国新闻周刊,2013,(03):49-54.
[9]覃雄派,王会举,杜小勇,等.大数据分析—RDBMS与MapReduce的竞争与共生[J].软件学报,2012,23(1):32-45.
[10]黄哲学,曹付元,李俊杰,等.面向大数据的海云数据系统关键技术研究[J].网络新媒体技术,2012,1(6):20-26.
[11]贾俊芳,张日权.基于分布式的大数据集聚类分析[J].计算机工程与应用,2008,(13):31-35.
[12]罗涛.大数据产业的美国经验与中国对策[J].高科技与产业化,2013,(5):54-55.
[13]邬贺铨.大数据时代的机遇与挑战[J].求是,2013,(4):47-49.
[14]石方川.得大数据分析者得天下[J].调研世界,2015,(2):62-63.
[15]王秀英,张玲,张聪聪.探讨地震前兆观测中的大数据挖掘与应用[J].震灾防御技术,2015,10(1):39-45.
[16]梁家峰,亓振华.适应与创新-大数据时代的高校思想政治教育工作[J].思想教育研究,2013,6(6):63-67.
[17]姚美村.消渴病复方配伍规律的关联规则分析[J].北京中医药大学学报,2002,25(6):48-50.
[18]罗涛.大数据产业的美国经验与中国对策[J].高科技与产业化,2013,5(204):54-57.
[19]李源,谢楠.紫花苜蓿种质耐盐性综合评价及盐胁迫下的生理反应[J].草业学报，2010,19(4):79.
[20]王绍强,周成虎.中国陆地土壤有机碳库的估算[J].地理研究,1999,18(4):349-356.
[21]李克让,王绍强,曹明奎,等.中国植被和土壤碳储量[J].中国科学,2003,33(1):72-80.
[22]任继周,胡自治,陈全功.草地遥感应用动态与研究进展[J].草业科学,1996,13(1):55-60.
[23]牟新待.遥感技术在草原资源调查和管理中的应用展望[J].中国草原与牧草,1981,(2):55-57.
[24]任继周.草业科学研究的现状与展望[J].国外畜牧学—草原与牧草,1993,(2):1-8.
[25]陈全功.草原资源遥感监测系统的开发研究[J].资源生态环境网络研究动态杂志,1992,(2):23-25.
[26]BrownLB.Toughchoice:Whowillfeedchina[C].NewYork:Norfon&Company.Zne,2002.
