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碳循環描述范文第1篇

    “生態系統中的物質循環和能量流動”是蘇教版八年級《生物》下冊第25章第二節,本節內容綜合性較強,既涉及光合作用、呼吸作用、生態系統、食物鏈、食物網等方面的知識,又涉及能量流動和物質循環;不僅與生活和生產密切相關,又與全球的環境、資源密不可分。能量流動是一個比較抽象的過程,各營養級中能量的來源和去路比較復雜,學生理解難度相對較大。但八年級學生已具有一定的分析問題能力,又學過水(氧)循環以及生態系統組成等基礎知識。另外,生活經驗也提供給他們大量相關的信息,學生對生物學主題中與實際應用和社會問題相關的內容興趣較濃,這是學習本節內容的有利條件。為此,本節教學以生態系統的能量流動及特點和碳循環過程作為重點,將生態系統能量流動的特點分析及能量流動和物質循環的關系作為難點,應用問題情境、閱讀、小組討論、比較和師生談話等多種教學方法,引導學生主動學習,建構自己的認知體系。在教學過程中學習分析、總結,學會思考。教學設計如下。

    2教學目標

    2.1知識目標

    描述生態系統中的能量流動和物質循環;描述生態系統中的能量流動和物質循環的特點;說出生態系統中能量的最初來源。

    2.2能力目標

    通過分析總結,培養運用科學知識分析和解決實際問題的能力;通過圖片的觀察,培養識圖、觀察和分析能力;通過討論、交流,培養語言表達能力、小組合作能力。

    2.3情感態度和價值觀

    正確認識人類作為生態系統中的一員在物質循環和能量流動中的作用,增強環境、資源意識,更加熱愛大自然和保護大自然。

    3教學過程

    課前教師準備多媒體課件,學生預習本節課本內容,并搜索相關資料。

    3.1引入

    播放紀實視頻“實拍灰狼欲捕食羊群,遭到牧民策馬驅逐”片段,學生觀察:在草原上,一只野兔遭灰狼的追逐最終被捕食,狼欲捕食羊群,遭到牧民策馬驅逐。精彩、直觀的視頻展示引入新課,以激發學生興趣。創設問題情境:能否說出草原上一條食物鏈?學生很容易回答:“草兔狼;草羊狼”等。進一步提問:兔(羊)的能量從哪里來?兔(羊)的能量到哪里去了?學生思考后回答……,那么生態系統的能量是怎樣輸入的呢?又是怎樣傳遞和散失的呢?讓我們一起來共同探究。

    3.2生態系統的能量流動

    提出問題:從上述的食物鏈中,大家知道了兔(羊)靠吃草獲得能量,那么草的能量又從哪里來的?按以下步驟展開教學:(1)第一步指導學生閱讀教材第一自然段文字,設置問題①生態系統的能量最初來源是什么?②能量進入生產者的途徑是什么?③能量來源的起點是什么?④流動的渠道是什么?設置問題情境導讀,引導學生思考、分析,可以提高閱讀效率,教師鼓勵學生大膽發言,激發競爭意識。(2)第二步嘗試分析“草兔狼”食物鏈中的各個營養級以及所屬的生物組成,學生分析后作匯報(如下),明確“營養級”概念。(3)第三步呈現課件“生態系統能量流動的示意圖”并提出問題:能量是怎樣流動的?有何規律?指導學生閱讀教材第二自然段并分組討論,教師可作為參與討論者,與學生一起討論。師生交流:輸入第一營養級的能量,一部分在生產者的呼吸作用中以熱能的形式散失了,一部分則用于生產者的生長、發育和繁殖。在后一部分能量中,一部分被分解者利用,還有一部分被植食性動物攝取,這樣能量就從第一營養級流人第二營養級,以此類推……教師再問:能量從一種生物傳到另一種生物,是不是百分之百傳遞?為什么?(不是,因為有一部分散失了)能量從哪種生物又流向哪種生物?(由被取食者流向取食者)在食物鏈中,能量流動能不能倒流過來?教師引導學生觀察這條食物鏈中各營養級的排序是否可以變動(不能,單一方向)。能否總結能量流動特點?學生:逐級遞減,單向傳遞。接下去,可展示“生態系統的能量流動”動畫(配解說),豐富學生的感覺視覺,加深學生對能量流動的理解,有突破教學難點;繼續展示“能量金字塔”,闡明其含義及特點……通過層層遞進,引導和分析,使學生獲得新知,進一步完善認知結構。

    3.3生態系統的物質循環

    過渡:生態系統能量流動伴隨物質的循環,能量由太陽提供,物質由地球提供的,為什么生態系統中的大量物質,億萬年來沒有被耗盡呢?是因為物質可以被循環利用的。教師引導學生寫出光合作用和呼吸作用的公式,說明二氧化碳在此過程中的作用,從回顧舊知入手,通過知識遷移把新舊知識融會貫通。課件呈現“碳循環示意圖”并指導學生分組討論,思考每一個箭頭代表的生理過程及物質名稱,可設置思考題:①碳在大氣中以什么形式存在的?②碳在生物體內以什么形式存在的?③大氣中二氧化碳的主要來源?④地球上無數的生物每天都要消耗大量氧氣并產生大量的二氧化碳,為什么我們沒有缺氧?⑤嘗試描述碳循環的過程。通過圖片觀察提高學生的識圖能力,培養學生的觀察、分析能力,在討論和交流中,也鍛煉學生的語言表達和小組合作能力。接著,播放“生態系統中的物質循環”動畫,然后師生共同歸納碳循環的含義:碳(元素)循環是指生物(群落)與無機(非生物)環境之間進行的循環;碳循環的范圍是全球性的,特點是全球性往復循環。引導學生繼續探討:物質是可以循環利用的,那么地球上的資源是不是用之不竭?亂砍濫伐和大量燃燒化石燃料對生態系統的碳循環有沒有影響?你有什么建議?談談自己的看法。同學們各杼己見。課堂延伸引導學生利用新知識去解決實際問題,學以致用,同時也增強了學生的環境、資源意識。

碳循環描述范文第2篇

Chemolithoautotrophic

Bacteria

2009

Hardcover

ISBN 9784431785408

山中建男著

我們所熟悉的生命,除了植物之外,大多是以有機物質為營養的,它們的食物來源于植物、動物或者微生物。但還有一類生命,它們并非植物,但卻能夠以無機元素為能量和營養的來源,它們就是化能無機自養細菌。本書涵蓋了化能無機自養細菌在生物化學和生理方面的特點,以及它們與相關環境之間的關系。

本書共分7章。1-2.背景和基礎知識的介紹,能夠幫助讀者理解本書后面的內容。1.作者簡單而系統的介紹了微生物生長和代謝,以及微生物所采用的各種營養類型的特點;2.介紹了一種細菌用來氧化無機化合物的細胞色素,這種細胞色素就是化能無機自養細菌生長代謝的關鍵物質。氮、硫和碳是自然界中所有生命所必須的,生命的繁衍和生長的過程同時伴隨著這些元素的循環,正是這從未停止的循環造就了萬物的生生不息。本書作者用生動的語言描述了在這三種元素的循環過程中,化能無機自養細菌是如何扮演好自己的角色的;3.地球上的氮循環。參與氮循環的細菌主要是氨氧化細菌、亞硝酸鹽氧化菌、反硝化細菌,以及固氮細菌。對氨和亞硝酸鹽的細菌氧化機制詳加說明。介紹了硝化細菌的應用(即氨氧化、亞硝酸鹽氧化菌),如利用細菌進行火藥生產或是從污水脫氨氮。提到了在人體組織中的一氧化氮和它的生理功能;4-5.介紹的是地球上的硫循環相關的知識,包括硫酸鹽還原菌對硫酸鹽的還原和硫氧化細菌對硫化物的氧化,還有人類是如何利用參與其中的微生物的;5.闡述細菌氧化鐵的機制,以及對這種細菌應用的描述:細菌浸出、生物浸出等其他應用。此外,本章還描述了由硫酸鹽還原菌、硫氧化細菌和嗜酸鐵氧化細菌的“合作”所引起的房屋地基凍脹;6.描述了地球上的碳循環過程的一部分,即化能無機自養細菌的碳素利用。作者對細菌由二氧化碳組生成機化合物的途徑做了較為詳細的說明,因為化能無機自養細菌必須由二氧化碳為材料產生細胞物質。雖然光合作用的描述省略,但細致的描述了細菌產甲烷,說明了產甲烷菌產生甲烷不是由發酵,而是通過呼吸進行的;7.描述了那些被認為是最接近生命起源的細菌,嗜熱細菌是被公認最可能的生命的起源。許多嗜熱細菌是厭氧的化能無機自養細菌。這里主要討論的是那些被認為在生命演化階段早期的生物如何取得生命所需的能源的。作者認為無論是埃姆登-邁耶霍夫-帕爾納斯途徑還是恩特納- 多特洛夫途徑都不是早期生命獲得能量的方式。

本書作者山中建男教授一直參與各種生物細胞色素和化能無機自養細菌的生理和生化研究,其先后在東京工業大學和日本大學任職,期間近百篇,目前是日本東京工業大學的榮譽教授。

祝金星,博士生

(中國科學院微生物研究所)

碳循環描述范文第3篇

筆者有幸聽了湖州八中郎莉萍老師執教的一節生態系統復習課《神奇的生態瓶》。課中，郎老師引導學生思維的教學給筆者留下了十分深刻的印象。以下筆者從對這堂課的感受出發，談談在科學復習課教學中應該如何引導學生進行思維。

一、思維基于知識，產生于問題

知識與思維的關系非常密切，“沒有知識經驗就不會有人類的思維活動……知識經驗是以內容的資格參加到思維問題中去的”[2]236。可見，重視學生對于科學知識的把握是必須的，因為這是培養學生科學思維的前提。但是，知識的把握卻又不等于思維的發展，特別是依靠機械地反復強化去鞏固記憶性知識的教學過程，并不能促進學生分析與綜合能力的發展，因為“知識的多少不能成為衡量思維能力強弱的標準”，教學中更為重要的是需要培養學生“對知識的理解、運用和轉化的能力”[1]。簡言之，科學思維的培養需要以知識為基礎，但是又不可停留在具體的知識點上，而是需要通過思維在一系列知識點上不斷地深入。那么，科學課教學怎樣才能在已有的知識基礎上引發學生的思維呢？

“人們通常假設，人的思維和問題解決是緊密聯系的”[3]，“思維基于知識，卻又由問題產生，并因為問題而得到持續不斷深入的發展。思維的最終目的也不停留于知識，而在于使問題得以解決，做出有所創新的發現”[1]，而且，“教育的最終目的就是教學生解決問題”[4]。可見，有問題才有思維，有思維的課堂必然是有問題的課堂。上好復習課的關鍵就是要把機械的“重復”變成生動積極的“再現”和“運用”，而將“重復”變生動的路徑就是精心設計問題，引導學生運用知識去解決問題。

郎老師的《神奇的生態瓶》（后面簡稱《瓶》）這節課，首先體現了“從問題進，又從問題出”的設計思想。她教學設計的第一個環節是“觀看視頻，引發思考”，視頻是一個自制生態瓶的過程，需要學生思考的是：生態瓶有什么作用？生態瓶中有哪些成分？要讓小魚活下去哪些成分是必須有的？她設計的最后一個環節是“再看生態瓶，引發新思考”。這樣的安排，正如杜威所言：“在每一堂課終了的時候，要檢查學生已經完成的作業和學到的知識，在學生的思想中，對某些未來的課題，應有針對地尋問，到底是什么，許多問題仍然是懸而未決的，這正如結構清晰的故事或戲劇中的每一片段，都會使人期待著，渴望循著線索繼續看下去。”

其次，《瓶》這節課教學核心部分的設計思路是“鏈接問題，展開復習”，用如下三個大問題呈現了與生態系統有關的三塊內容：

問題1：你能理清種群與群落、生態系統與生物圈等容易混淆的概念嗎？

問題2：你知道生態瓶中的成分嗎？

問題3：什么樣的生態瓶能使小魚生活的時間最長？

問題1要解決的是生態系統的基本概念；問題2要解決的是生態系統的結構與成分；問題3要解決的是生態系統的物質循環和能量流動。然而，每一個大問題的解決都有一系列小問題作為腳手架，前面一個大問題又是后面一個大問題的腳手架。例如在問題2的解決中，在學生呈現生態瓶中的成分之后，郎老師不斷追問“細菌屬于生態系統成分中的什么”“可不可以說是微生物”“為什么”等。鞏固練習之后再次追問：“上題中提到微生物對自己的物質循環起到重要的作用，是怎么回事呢？”然后出示生態瓶中的碳循環示意圖，讓學生指出分解者。有了碳循環為基礎，氧循環的建模迎刃而解，解決問題3所要運用的知識也已經儲備好了。有效教學的奧秘就在于，教師清楚地知道學生的認知水平與教學目標之間的距離，并清楚地知道從學生現有水平出發，到達教學目標之間要架設的腳手架的位置與個數。正是由于腳手架選擇的適切，整堂課中大部分學生都處在積極思考并努力解決問題的狀態中。絕大部分時間都是學生在爭著表述，而教師只是一個不斷有問題發現的引導者和傾聽者。

二、思維產生于問題，拓展于變式

思維產生于問題，但常見的問題又容易產生思維定勢。很多學生的答題錯誤往往不是由于知識的欠缺，而是由于思維定勢造成的，如何克服學生的思維定勢是教學中必須面對的問題。避免重復機械的題海戰術是克服思維定勢的一條路徑，《瓶》這節課正是呈現了如何在日常課堂教學中克服學生思維定勢的一條有效路徑――課堂例題教學中的充分變式。“所謂‘變式’即指從不同角度、不同方面變換事物的非本質屬性，揭示事物的本質特性，從而更好地掌握概念。” [2]236在問題1的解決中，郎老師準備了這樣一道練習題：

杭州西溪國家濕地公園內生活著許多水生、陸生植物和野生植物，園內河流交匯，鳥語花香，形成了獨特的濕地景觀，該濕地公園屬于（ ）

A.種群 B.生態系統 C.群落 D.生物圈

接著郎老師利用這個題目進行了一系列的變式：

如果選項是A（或C），題目該如何提問？

該濕地公園內所有的青蛙屬于 ；

該濕地公園內所有的生物屬于 ；

該濕地公園內所有的植物屬于 。

這是一個非常經典的橫向變式，同一個題干不同的問題將生態系統的基本概念盡收其中。這不僅節約了學生讀取題干信息的大量時間，也通過變式有效提醒學生一定要審題仔細，切不可因思維定勢而盲目答題。解題教學不需要太多的題目，要的是思維含量，這應該成為我們的共識。

變式訓練不僅可以克服思維定勢，其中的縱向變式還可以實現思維的正向遷移和拓展。例如，生態系統的物質循環是重點也是難點，為了有效突破這個重難點，郎老師首先直接給出了生態瓶中的碳循環示意圖（如圖1），圖中A、B、C、D分別代表生態系統的成分，①～⑦代表碳元素的傳遞過程，請學生根據圖回答：

（1） B是指 ，D是指 。

（2）碳元素在無機環境與生物之間以 形式進行循環的；碳元素通過 作用由生物進入無機環境。碳元素從B到C是以 形式傳遞的。

（3） 從物質循環的觀點看，生物的碳元素究其根源來自于 。

經過這樣橫向縱向的多次變式，學生的思維得到了充分的拓展。

三、思維拓展于變式，提升于建模

教師在教學過程中有意識地適度超越學生的認知水平，引導學生在其學習的過程中逐步從一個個具體的案例所呈現的知識技能中跳出來，掙脫具體問題的束縛，努力地“跳一跳”去把握隱藏在現象背后的規律性認識，那么，學生僅僅依靠原有的認知就不能解決問題了，這樣便引發了學生原有認知基礎和當前學習所要求的思維水平之間的不平衡，這種“不平衡狀態的產生醞釀了心智發展的可能”[5]，學生在解決這種不平衡的過程中，思維水平也就能夠獲得進一步發展，從而為更好地學習新知提供了心智基礎。科學課程標準強調要“幫助學生學習建立科學模型，由此培養學生的分析、概括能力和邏輯思維能力”，而學生建立模型的過程，正是把原有的認知提高到一個新水平的思維過程。

模型，中文原意即規范。按照我國著名物理學家錢學森的觀點：“模型就是通過我們對問題的分析，利用我們考察來的機理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所創造出來的一幅圖畫。”簡單地說，模型是人們對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述，它是通過思維活動而對特定知識所作出的一種本質性規律性的反映。

對有些科學問題的探究既無法用真實模型，也無法找到替代模型，此時，科學家們想出了用人工模擬的方法來開展研究，如生物圈Ⅱ號、探究性狀分離比的實驗模型、探究生態系統穩定性的小生態瓶等。《瓶》這節課充分展示了建模思想，充分利用了生態系統的物質模型――小生態瓶，郎老師通過問題3“什么樣的生態瓶能使小魚生活時間最長”引發了學生對生態系統穩定性的一個思考。實際上，整節課郎老師都在通過小生態瓶幫助學生疏通思路，都是在用小生態瓶模擬真實的生態系統。

在復習課中，教師的任務不應是替學生找出各部分知識的現成結構，而是需要引導學生對前面所學的知識、規律、方法進行歸納整理，讓學生通過自己的理解和加工建構可用的思維模型，因為“學習是一個把新舊信息結合在一起，構建出一個人自己獨特的知識基礎的過程”[6]。這也體現在了《瓶》這節課中：（1）以生態系統為核心，將生態因素、種群和生物群落等基本概念，生態系統的成分與結構，生態系統物質循環和能量流動“分割”成三個知識塊，并有序布局；（2）連接三大知識塊相互聯系的知識線，自然形成一個生物與環境的知識網；（3）縱觀全局，再現整體，最后一個環節“再看生態瓶，引發新思考”的任務之一，就是通過三大知識塊概念之間的內在聯系構成生物與環境的知識網絡，形成思維導圖，建立了關于生物與環境關系的思維模型，使學生更好地理解了相關知識內容所構成的體系。

總之，《瓶》的教學設計理念是以學生熟悉且非常感興趣的生態瓶為切入口，以解決學生疑難問題為準則，展開一系列有關生態系統的問題討論，并在問題的討論和解決中理清生態系統基本概念、組成成分、結構功能，感知物質循環和能量流動的重要性，解釋生態平衡的現象和意義。在教學中，郎老師通過學生感興趣的問題引發思維，通過充分變式順利完成了建模，通過建模使學生的思維水平得到了有效的提升。這真正是“為思維而教”的令人難忘的一課。

參考文獻：

[1] 郅庭瑾.為思維而教[J]. 教育研究，2007：44～46.

[2] 《心理學百科全書》編輯委員會.心理學百科全書[M]. 杭州：浙江教育出版社，1996.

[3] M.艾森克.心理學――一條整合的途徑[M]. 上海：華東師范大學出版社，2005：368.

[4] 羅伯特?加涅，阿妮塔?伍德沃克.教育心理學[M]. 南京：江蘇教育出版社，2005：337.

碳循環描述范文第4篇

關鍵帶中發生的復雜的物理、化學和生物過程相互耦合使其成為不可分割、有機聯系、不斷變化的動態系統。按照其性質與作用，這些過程大致可分為三類:生態過程、生物地球化學過程和水文過程［8］。生態過程通過植物、微生物等生產者的作用將土壤中的物質合成為植物量，經消費者消費后又被微生物分解返回土壤。人類活動可被看作是生態循環的一部分。由于人類活動對生態過程的影響越來越大，有人又將其單分出來作為一類過程加以研究［9］。生物地球化學過程將生物過程與非生物過程聯系在一起，通過流體、沉積和氣體作用，使碳、氮等化學元素和物質在空間上的分布發生變化。水文過程通過水分運移轉化使物質和能量在空間上重新分布。生物地球化學過程和水文過程相互耦合，推動了生態過程的持續進行，又共同決定了關鍵帶的整體形態和功能。但是，受傳統學科研究視角和方法的限制，研究人員很少將關鍵帶作為一個整體框架，而是人為地將生態過程、生物地球化學過程和水文過程割裂開來進行研究。例如，土壤學往往將研究對象局限在植物根區分布的土壤范圍，而很少考慮植物根區之下的包氣帶和飽水帶;水文地質學以含水層為研究重點，往往將上覆包氣帶作為“黑箱”進行處理;生態學以地表面之上的植物為研究重點，對地質環境則重視不夠。當今經濟社會所面臨的水資源管理、自然災害防治、全球變化應對、生態環境保護等重大戰略問題，迫切需要不同的學科相互交叉融合，形成一個新的整體框架，對近地表圈層進行系統研究。這正是國際地學界提出“地球關鍵帶”的意義所在。關鍵帶在空間展布上呈現出高度的非均質性。大量的調查和觀測數據表明，構成關鍵帶的地質介質和發生在其中的生態過程、生物地球化學過程和水文過程隨空間的變化表現出明顯的變異。這種變異特性隨空間尺度的變化呈現出不同的特點［10］。造成關鍵帶高度變異性的原因很復雜，可歸納為三個方面:與地質、水文等有關的內在因素，與氣候、自然火災等有關的外在因素，與土地利用、城市化等有關的人類活動［11］。按照研究空間范圍的大小，通常可劃分為微觀尺度、中觀尺度和宏觀尺度。目前，人們觀測關鍵帶的途徑包括兩大類:一類是利用傳感器技術和測量技術進行點上監測，對應于微觀尺度;一類是利用遙感技術進行大面積面上監測，對應于宏觀尺度。針對介于二者之間的中觀尺度的觀測技術還很不成熟，亟待發展。關鍵帶過程的發生尺度與人們的觀測尺度存在的不一致，對關鍵帶過程研究與建立模型造成了很大的挑戰，尺度轉換成為關鍵帶科學研究的重要問題［12］。關鍵帶在垂向上呈現出明顯的分層特征。如圖1所示，關鍵帶通常由地面之上的植物冠層、植物根系生長的土壤層、土壤層之下的包氣帶、含水層等組成，并且每一層可能還可細分為多個亞層。例如，土壤層可分為腐殖質亞層、淋溶亞層、淀積亞層等［13］，包氣帶和飽水帶之間存在一個過渡的、近飽和的毛細上升區［14］。層與層之間形成了關鍵帶的界面，主要界面有土壤－大氣界面、土壤－植被界面、包氣帶－飽水帶界面、地表水－地下水界面、含水層－基巖界面等，在沿海地區還有陸地－海洋界面。這些界面對關鍵帶發生的各種過程具有重要的控制作用，也為人為調控關鍵帶過程提供了重要的切入點。例如，作為包氣帶－飽水帶界面的潛水面對土壤剖面的含水量和水勢分布有很大影響，是土壤發生鹽漬化的重要原因，也是地表生態格局變化的影響因子之一［15］。關鍵帶在外在過程的作用下不斷發生著短期的變化和長期的演化。NRC將外在過程歸納為四類:由地球內部能量驅動的構造運動，總的趨勢是增大地表的起伏不平;由地球外部能量驅動的風化過程，總的趨勢是削平填洼，使地表趨平;由壓力梯度驅動的流體運動，使物質發生空間遷移;由生存需求驅動的生物活動，對土壤、巖石、水等要素施加了越來越大的影響［3］。

2關鍵帶研究思路與范式

2.1DPSIR體系框架DPSIR(驅動力－壓力－狀態－影響－響應)體系描述了一條引發環境問題的起源和結果之間的因果鏈，為開展關鍵帶科學研究提供了可供借鑒的技術框架(圖2)。這條因果鏈表明了關鍵帶與社會經濟之間的相互作用關系，社會經濟活動作為長期驅動力作用于關鍵帶，對關鍵帶產生壓力，造成關鍵帶狀態的變化，從而對關鍵帶及其發生的各種過程產生影響，這些影響促使經濟社會對關鍵帶狀態的變化做出響應，響應措施又作用于驅動力、壓力、狀態和影響。該體系從系統分析的角度看待社會經濟與關鍵帶的相互作用，是組織環境狀態信息的通用框架［16］。驅動力指影響關鍵帶的外部過程變化的趨勢，是造成關鍵帶變化的潛在原因。例如，人類社會通過人口增長、土地利用等方式作用于關鍵帶，成為關鍵帶變化越來越重要的驅動力［17］。壓力指人類活動對關鍵帶的直接作用。社會經濟從關鍵帶獲取所需要的水、糧食、建筑材料等資源，同時在生產和消費過程中排出工業廢物、生活垃圾、廢水等，是造成關鍵帶變化的直接因素。狀態用來描述不同時空尺度關鍵帶的動態變化。影響描述的是當外界對關鍵帶施加壓力時其狀態隨之發生變化，這些變化對于關鍵帶功能和服務所產生的效應。響應指改善或適應關鍵帶變化而采取的相關措施，如法律法規、技術調控措施等。關鍵帶科學研究的成果，應以易于理解的形式，傳遞給管理者和決策者，從而采取相應的資源、環境和生態管理措施。例如，Banwart等人建議采用生態服務方法將關鍵帶的功能和服務轉化為可以量化的價值，在科學研究成果與管理政策之間架起一座溝通的橋梁［18］。2.2填圖－監測－建模循環體系框架循環上升的填圖－監測－建模體系(簡稱3M框架)為研究復雜、非均質、動態的關鍵帶提供了一條整合研究的技術框架(圖3)。通過填圖、監測和建模的循環進行，不斷深化對關鍵帶及其過程隨時間和空間變化規律的認識，積累越來越多的圖件、數據和成果。在此基礎上，通過對圖件、數據和成果的集成與分析，針對管理者、科學家、社會公眾等不同的服務對象生產各種產品，將關鍵帶研究成果最大程度地傳遞給社會［19］。填圖是了解關鍵帶組成與結構的基礎，也是部署監測和開展建模的基礎。關鍵帶在空間展布上的高度非均質性和在垂向上的分層性，要求采用各種技術手段對不同尺度的關鍵帶進行調查，獲取關鍵帶各種要素的物理和化學參數，為建立地球關鍵帶框架模型提供基礎數據。監測是了解關鍵帶隨時間變化的基礎，為建模提供所需的輸入數據和校正數據。需要監測的內容應涵蓋關鍵帶各種要素，也應包含模型運行需要輸入的相關數據。建模是開展關鍵帶過程機理研究的重要手段，也是開展關鍵帶定量評價、預判關鍵帶變化的重要工具。建模將填圖所獲得的空間數據與監測所獲得的時間數據整合在一起，對關鍵帶中所發生的水文過程、生物地球化學過程和生態過程進行數學模擬，以探求隱藏在表象之下的自然規律。填圖、監測、建模構成關鍵帶科學研究的完整框架，三者相輔相成、循環上升、互為促進。

3關鍵帶研究進展

3.1填圖20世紀末，近地表圈層得到了越來越多的北美水文地質學家的重視［20］。近地表地質圈包括土壤、包氣帶、淺層地下水、生物棲息地、濕地、河溪下層區和農業用地等。1998年，美國地質調查局(USGS)了2000～2010年地質科學戰略，將近地表圈層作為研究重點之一，確定開展地質填圖、地球物理填圖、地球化學填圖和鉆孔測量，查明控制地下水流及污染的地質框架［21］。截至2010年，USGS完成的1∶10萬以上比例尺的地質圖達到了美國國土面積的64%;完成了全國65個主要含水層12%的三維地質調查，建立了三維水文地質框架模型;完成了15個縣面向地質災害的三維地質調查，建立了用于減災的地質框架。在美國國家科學基金會資助下，加州大學、科羅拉多大學等單位于2007年開始在Christina、BoulderCreek等6個地區以流域為單元開展關鍵帶填圖工作，調查確定關鍵帶基巖、土壤、植被和地形的三維空間分布與特性，研究關鍵帶結構隨時間的演化規律、風化層與土壤的形成與空間變化特征［22］。2012年，USGS了其核心科學體系科學戰略(2013～2023)，明確將關鍵帶作為其研究的核心靶區，提出針對關鍵帶的結構和過程進行調查，建立關鍵帶3D/4D地質框架模型。重點研究內容包括利用先進的微分析技術開展點上小至分子尺度的調查，利用先進的遙感技術開展面上大至全球尺度的調查，研發關鍵帶及其過程的3D/4D模型，形成不同比例尺的地質圖、地理圖和生物多樣性圖［23］。針對水資源管理需要，建立不同尺度的3D/4D水文地質框架模型;針對自然災害防治需要，建立地球表層地質、水文和生態框架［24］。2006年，針對土壤侵蝕、鹽漬化、有機質減少和滑坡等土壤環境問題，歐盟委員會了土壤保護主題戰略，將傳統的1～2m深的土壤層擴展到地表至基巖之間的未固結土層進行調查和研究［7］，類似于NRC所提出的地球關鍵帶。該戰略認為，土壤結構是影響關鍵帶過程和功能的主要因子。在實際調查工作中，強調利用各種技術開展關鍵帶空間分布和土壤結構的調查。例如，在盧森堡和意大利托斯卡納區分別采用地電技術、地震探測技術、地質雷達技術和高光譜技術對土壤粘土含量、含石量、碳含量和土壤層厚度進行了調查和填圖;在瑞典Damma、奧地利Fuchsenbigl、捷克Lysina和希臘Koiliaris等地區對土壤的物理結構、化學結構和生物結構進行了調查和填圖［25］。關鍵帶填圖的主要目標之一是回答“關鍵帶如何形成與演化”的基本科學問題。科羅拉多大學聯合USGS采用淺層地震折射方法對GordonGulch流域的風化層厚度、風化鋒面深度進行了調查，發現山坡北坡的風化鋒面比南坡的風化鋒面更深，風化程度也更高［26］。Anderson等根據野外調查和模型模擬結果認為，關鍵帶可視為一個連通反應器，下端的風化鋒面將未風化的基巖納入反應器，上端的生物物理作用為反應器提供了反應的動力，物理風化和化學風化作用共同決定了關鍵帶的形成過程［27］。Amundson等試圖將關鍵帶形成與演化的生物作用從生物－非生物的耦合作用中抽離出來，定量刻畫生物作用對關鍵帶物質組成與地貌變化的影響［28］。歐盟資助的歐洲流域土壤變化項目選擇了代表土壤形成不同階段的4個地區進行調查研究，分析確定關鍵帶形成演化的影響因素和關鍵帶生態服務的可持續性。3.2監測根據NRC提出的關鍵帶科學研究戰略，美國國家科學基金會于2007年啟動了關鍵帶觀測計劃。首批在加州的SouthernSierra、科州的BoulderCreek、賓州的SusquehannaShaleHills建立了3個關鍵帶觀測站，于2009年又資助在新墨西哥州的Jemez－SantaCatalina、特拉華州的Christina流域、波多黎各的Luquillo增建了3個關鍵帶觀測站［29］。目前，6個關鍵帶觀測站共有250名科學家、技術人員和研究生在開展研究工作。關鍵帶觀測站以流域為單元，對關鍵帶各種要素進行長期觀測，為研究關鍵帶變化提供科學數據。6個關鍵帶觀測站按照相同的標準進行觀測，觀測對象包括大氣、植被及微生物、土壤(包氣帶)、含水層及基巖(飽水帶)、地表水，主要監測內容如表1［30］。例如，BoulderCreek流域關鍵帶觀測站觀測范圍為1158km2的BoulderCreek流域，利用USGS和特拉華州水文站、觀測井對地表水和地下水進行監測，設立了3座氣象站對空氣和土壤參數進行監測，埋設了15組土壤傳感器對土壤含水量、土水勢等土壤參數進行監測，安裝了75臺蒸滲儀對蒸騰蒸發量、深層滲漏量等進行監測，在下游河谷地區布設了6眼地下水觀測井對地下水質進行監測。在美國關鍵帶觀測站的影響下，德國亥姆霍茲聯合會于2008年啟動了陸地環境觀測建設項目，主要目標是為區域尺度全球氣候變化對生態、社會和經濟的長期影響研究提供地下水、包氣帶水、地表水、生物和大氣的基礎觀測數據。目前，已在德國東北低地、Eifel/LowerRhine山谷、中部低地和BavarianAlps等地區建立了4個陸地環境觀測站［31］。觀測站觀測范圍為小流域尺度，面積一般小于104km2，以觀測站為平臺進行陸地系統實時監測、開展科學實驗、測量不同時空尺度環境長期變化。法國等國家則通過提升現有的“河流盆地網絡”所屬的觀測站，建設關鍵帶觀測設施，以流域為單元對關鍵帶要素進行觀測。法國河流盆地網絡包含20個觀測站，自2011年開始由關鍵帶提升項目(CTRTEX)資助增設關鍵帶觀測儀器設備和基礎設施。為了貫徹落實土壤保護主題戰略，歐盟委員會于2009年啟動了“歐洲流域土壤變化”項目，其中一項重要任務是對地球關鍵帶進行長期觀測。該項目強調土壤是地球關鍵帶的核心，將土壤監測作為地球關鍵帶長期觀測的重點。根據土壤形成的不同階段，選擇了4個典型地點建立了歐盟地球關鍵帶觀測站:瑞典的Damma，處于土壤新形成階段;奧地利的Fuchsenbigl，處于沖積平原土壤肥力發展階段;捷克的Lysina，處于土壤遭到酸雨破壞后人工恢復階段;希臘的Koiliaris，處于土壤遭受荒漠化威脅階段［32］。歐盟與美國在關鍵帶觀測方面建立了緊密的合作關系，其觀測內容與美國觀測站相似，主要包括陸地－大氣水碳轉化、土壤含水量變化、孔隙水化學、地表水－土壤水－地下水轉化、土壤長期演化等［33］。3.3建模模型對于深化對關鍵帶形成、運行與演化的科學認識具有重要的作用，始終是關鍵帶科學研究的重要領域之一。例如，美國關鍵帶觀測計劃的重要目標之一是建立能夠描述關鍵帶生態過程、生物地球化學過程和水文過程的系統模型，定量預測氣候變化、地質作用和人類活動下關鍵帶結構和功能的響應。關鍵帶過程模型大致可分為兩類:一類是描述單個過程的數學模型，如地下水流動、土壤溶質運移、植物對水分脅迫響應等單個關鍵帶過程;一類是描述多個過程疊加的耦合過程的數學模型，如地表水－地下水－大氣水轉化、生態－水文過程等關鍵帶耦合過程。對于第一類過程，目前已建立了較為成熟的模擬模型［34］;而對于第二類過程，是關鍵帶建模的重點和難點，盡管近年來做了很多探索工作，耦合模型還遠不成熟。包氣帶與飽和帶水文過程耦合模型研究取得了新的進展。通常有兩種做法將包氣帶與飽和帶的水文過程耦合在一起。一種做法是把包氣帶方程與地下水方程耦合在一起，例如，TOPOG_Dynamic模型采用一維Richards方程描述垂向土壤水流，采用二維Boussinesq方程描述地下水水平運動，采用CDE描述溶質運移，土壤與含水層由二者接合處土壤水流量進行連接［35］。另一種做法是把包氣帶和飽和帶作為一個統一的系統，采用三維Richards方程從機理上描述土壤與地下水水流和溶質運移，如SWMS_3D和FEMWATER模型［36］。Lin等認為上述基于傳統小尺度物理學方法的數學模型，由于沒有將包氣帶的結構考慮在內，對于包氣帶中普遍存在的優先流不能進行準確刻畫［37］。因此，關鍵帶建模的挑戰之一是將結構與過程同時納入統一的模型。生態過程與水文過程耦合建模研究也取得了很大進展。以研究生態過程與水文過程相互作用為基礎，通常將植物生長模型與水文模型耦合建立生態水文模型，以定量刻畫植被生長與水文變化的耦合過程，分析全球變化對流域生態－水文過程演變的影響機制［38］。例如，BEPS-TerrainLab模型在DSHVM模型基礎上耦合生物地球化學循環模型BEPs建立了流域生態水文模型，用于加拿大北部森林區碳循環與水循環耦合的基礎和應用研究;RHESSys生態水文模型以水文模型TOPMODEL為基礎，考慮了植被對水文過程的作用，耦合了碳循環過程Biome-BGC模型和氮循環過程Century模型，可以用來模擬關鍵帶水、碳、氮的耦合循環［39］。美國Luquillo關鍵帶觀測站采用生態水文模型tRIBS-VEGGIE對區域關鍵帶生態－水文過程進行了模擬，該模型可模擬復雜地形背景下河流盆地植被生長動態變化過程與水文變化過程［40］。

4結論與建議

碳循環描述范文第5篇

關鍵詞：大數據；生態學；數據挖掘

隨著科學技術的不斷發展，數據在社交網絡、云計算、移動互聯網等的推動下，呈爆炸式增長[1]。2012年3月，“大數據的研究和發展計劃”由美國奧巴馬政府推出[2]。該計劃投資兩億多美元，大力發展大數據的收集和分析技術，改善其分析工具，從而推進從海量數據中獲取各種資源的能力。2012年7月，“首屆中國大數據應用論壇”在我國北京大學舉行[3]。論壇議題涉及大數據的發展趨勢、大數據在不同領域中的應用、云計算和大數據、大數據和商業智能等方面，旨在探討大數據在當代社會的應用價值。同時，生態保護問題愈來愈嚴峻，環境污染所帶來的問題成為全國各大城市的熱點問題，而通過對大數據的分析和應用可以解決這些問題。為此，準確、高效、及時的獲取生態數據是分析生態管理機制、構建和諧社會的前提[4]。

1大數據概述

1.1大數據的概念

“大數據”是通過對各種數據的整合、共享和交叉分析，在云計算的數據處理模式和應用方法的基礎上，由結構復雜、類型眾多、數量巨大的數據所構成的集合[5]。大數據的特點可以總結為4個V，即Volume(體量浩大)、Variety(模態繁多)、Velocity(生成快速)和Value(價值巨大但密度很低)[6]。而大數據在人們的認識中，最直觀的印象就是大量復雜數據被處理，最終形成對人們有價值的信息，這些信息中，包含各行各業大量具有潛在價值的規律，因此，大數據成為信息時代人們新的關注焦點。現在，各個國家眾多的科研機構、政府部門和企事業單位高度關注大數據，對大數據進行跟蹤，形成了一輪對大數據的研究熱潮[7,8]。從生態學角度來看，大數據這個“環境切入點”與以往環境問題的處理不同之處在于，它不是一個未被挖掘的環境管理視點，而是一個方法、規律等確定，靜待被應用的切入點，科技界、學術界、政府把它看成一座可能挖掘出巨大財富的“金礦”、“富礦”，各行各業均在探尋大數據層面上的有效技術分析手段[9,10]，同樣，對于生態學上，大數據也將引發新的熱潮。

1.2國內外發展現狀

美國是全球大數據產業的發祥地，也是全球大數據產業的中心[11]。目前，金融界特別關注阿里巴巴的微貸，這是銀行界未來最可怕的潛在對手。阿里金融在拿到執照后的短短幾年內，到2012年6月份其微貸企業已經達到12.9萬家，年底微小企業已超過20萬家，貸款總額度達260億萬元。阿里金融背后的實質是什么？有兩個方面，一個是對大數據的正確經營與管理，另一個是善于業務創新，它們的結合，顛覆了金融行業[12]。在iphone推出之前，移動運營商從用戶手中收集了大量具有潛在價值的數據，但并沒有對其價值進行深入挖掘。相反，蘋果公司在跟運營商簽訂合同時規定，運營商要將大部分有用數據提供給公司。由此，任何運營商得到的用戶體驗數據都無法與蘋果公司相比。制造業方面，華爾街依據購物網站上面的顧客評論，分析各企業的產品銷售狀況。這些企業，將顧客消費進行數據分析，實現適當采購、合理庫存和科學管理。制造商們則分析顧客的網上購物數據，了解客戶的各項需求、掌握市場新動向[13]。德國在體育上更是將大數據的強大之處展示得淋漓盡致。2014年的世界杯德國以7∶1的比分戰勝了五屆世界冠軍巴西，除了技術水平的因素外，德國對于科隆大學建立的數據庫也起到了巨大的作用。研究人員將巴西隊所有的數據和信息都收集起來，進而進行分析，從中獲取有價值的信息，在這些基礎上制定比賽策略[14]。與國外相比，國內起步稍晚，還比較零散和缺乏系統性。但隨著大數據對人們生活影響的不斷加深，人們對大數據關注的熱情也是不斷高漲。近兩年，大數據在國內得到迅速發展，但目前的研究還主要是集中在大數據挖掘方法和算法[15]。在高校中，數據挖掘及應用得到體現，高校思想政治教育工作已經具備了大數據的特征[16]。例如，通過對近幾年高校學生活動方向的數據進行匯總整理，可以分析出學生的興趣和關注點的變化，從而對學生活動進行及時的調整，不斷促進學生成長成才，擴大學生活動的參與度并提高影響力。數據挖掘技術在中醫藥分析上同樣適用。姚美村[17]等應用數據挖掘中的關聯分析技術，以文獻中收錄的106首治療消渴病的中藥復方為研究對象，對治療消渴病的中藥復方中的配伍科學內涵進行分析和研究，運用ACCESS技術，借助關聯規則分析的方法，建立了中藥復方特征數據庫。在全球各行業中，大數據產業生態系統已形成了完整的產業鏈，企業數量驚人，涉及司法、公共服務、零售、金融等眾多行業。大數據是個跨學科的領域，我國發展大數據產業，既要吸收和消化西方先進的技術和經驗，又要鼓勵自主創新，迎頭趕上[18]。

2大數據在生態學中的應用

2.1牧草研究中的應用

我國牧草種質資源研究工作比較分散，雖然積累了一些關于資源收集、篩選、鑒定、保存和利用方面的資料、經驗，但觀測項目、測試方法和評價標準沒有一致性[19]。對牧草種質資源的可靠性和系統性產生了影響，與國際接軌有一定的困難。近年來，國家科技部要求制定苜蓿種質資源各描述符的字段名稱、類型、長度、小數位、代碼等，以建立統一、規范的苜蓿種質資源數據庫，以便于苜蓿種質資源的信息與實物的充分共享以及高效利用，也為資源利用者提供準確、可靠的科學信息。在我國各種牧草當中，紫花苜蓿被稱為“牧草之王”，適用于干旱、鹽堿地區，是開發旱區和鹽堿地的重要選擇，利用現代技術對根瘤菌進行接種溫室培養，測定其逆境存活率、各項生理指標、離子進出根細胞情況以及差異基因的相關數據，同時進行數據分析，科研工作者就可以對數據中所表現出的信息進行分析研究，探索苜蓿根瘤菌共生對干旱及鹽脅迫的響應機制。

2.2農田生態系統碳循環中的應用

溫室效應是近幾十年來全球性熱點問題，為降低大氣中的溫室氣體濃度，科研工作者不斷對生態系統碳源進行探究。農田生態系統是陸地生態系統的一大組成部分，是溫室氣體重要的源和匯，工作者可以首先運用前人的統計資料，對農田生態系統的碳源、凈碳匯做出初步估算，再運用現有科學技術手段收集整理農田生態系統各項數據，通過數據中所隱含的信息，分析農田生態系統碳循環的時空差異。例如：王紹強[20]運用基于多年平均氣候數據建立的陸地碳平衡模型，對我國東北地區碳通量進行模擬，研究了其分布格局。李可讓[21]等運用CEVSA模型，以月為時間步長，以0.5經緯度網格為空間單元，結合遙感數據和氣象資料等對中國土壤和植被碳儲量進行估算。

2.3草地資源管理中的應用

合理的放牧強度、適宜的牲畜種類、最佳的放牧季節和合理的畜群分布，都是以正確認識草地資源、精確資源數據為基礎，以此做出正確的判斷并采取適當的措施，以期取得最佳生態經濟效益。采用一般傳統的方法和技術是不可能實現這一宏偉目標的，因此，為解決草地資源的動態監測與估產、草地管理利用及自然災害預報中存在的各種問題，科研工作者需要尋求適應發展的新技術，以迅速了解畜群動態、分布和草原植被的生長、消耗等數據信息，提高精確化優勢。從草原植被的樣方測查到GIS技術的應用及草業地理信息學的產生，恰恰反映了草地資源管理從一般性描述到由大數據引發的精確化發展的過程[22~25]。

3大數據在生態系統應用中的優勢

3.1提高生態管理效率

生態系統的改善和保護所涉及工程量較大，而大數據的大體積特性有助于解決這種困境，在大數據中，隨著數據庫數據的增多，所消耗的計算工作量則遞減，換言之，在對生態系統進行管理過程中，管理成本會隨著大數據的聚合而減小，這種高效工作能有效減少人力和物力，進而提高生態研究工作者的工作效率。例如，監測較大地理區域范圍內或較長時間內發生的生態事件和變化過程時，用遙感數據提取某一區域的植被指數變化信息，然后把植被指數作為某一生態過程模型的輸入參數進行計算，就可以節省大量的人力物力，提高工作效率。

3.2節約資金

近幾十年生態環境遭到嚴重破壞，我國在生態方面投入大量資金，在智能生態管理下，盡管引入處理大數據的設備以及每年對其的維護需要一定的耗費，但是從長遠來看，其經濟效益更大，如在引入大數據處理草地資源管理的各項問題之前，主要依賴于人工調查，但這些信息分布在時空的各個角落，耗費大量人力物力財力，大數據管理系統引入之后，其覆蓋面更廣，信息準確性更高，而且給人們減少的時間成本是無法計量的。

3.3適于海量數據處理

大數據的智能管理系統特別適于處理大型數據，該系統的設計是基于云計算、云管理和云操作系統的，因此不僅能滿足海量數據處理及實時分析的要求，更能覆蓋所有網絡。由全球定位系統(GPS)、數字攝影測量系統(DPS)、遙感技術(RS)、地理信息系統(GIS)和專家系統(ES)等五S技術整體結合所構成的GIS系統，不僅能夠自動、實時地采集、處理和更新海量數據，而且能夠智能地分析和運用數據，具有高度自動化、實時化和智能化等優點，為生態領域提供了科學的決策咨詢。

4大數據在生態應用中的挑戰

目前，大數據技術的運用仍存在一些困難與挑戰，體現在大數據挖掘的四個環節中。首先在數據收集方面，要對來自物聯網及各種機構信息系統的數據去偽存真，找出時空差異，收集異源、異構的數據，必要時還要與歷史數據作對比，多角度驗證數據的可信性和價值性。其次是數據存儲，在存儲時通常要用到冗余配置、分布化和云計算技術，按照一定規律對數據進行歸類處理，通過過濾和去重，減少存儲處理，并附上日后檢索的標簽，以達到低成本、低能耗、高可靠性的目標。第三是數據處理，生態學的數據復雜性不僅體現在數據樣本本身，更體現在多源異構、多實體和多空間的交叉互動上，工作者很難用傳統方法對其進行描述與度量，因此，筆者需要將高維圖像等多媒體數據降維后再進行度量與處理，通過上下文關聯分析，從大量模棱兩可的數據中綜合各種信息，從而導出可理解的內容。第四是結果的可視化呈現，目前，盡管計算機智能化有了很大進步，但還只能針對小規模、有結構的數據進行分析，談不上深層次的數據挖掘，現有的數據挖掘算法在生態管理行業中難以通用。總的來說，利用數據挖掘技術對生態系統進行保護的研究尚處于起步階段，其前景廣闊，同時充滿挑戰。

5結論

大數據對人類產生的影響，就像顯微鏡一樣[26]。4個世紀之前，對大自然的觀察以及對物體的測量，人們只保留在肉眼階段，顯微鏡將它推進到了細胞水平，這使人類社會發展產生了歷史性的進步。現在，大數據成為人們分析事物、觀察自然的顯微鏡。因此，根據生態經濟發展的戰略方向，利用大數據探索生態系統中物流、能流和價值流的定量特征，建立和發展生態經濟的理論基礎和方法，實現生態的可持續發展與生態資源的可持續利用[27]，為政府宏觀決策、企業戰略選擇和農戶增收提供科學依據，將成為大勢所趨。

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