生态系统原理整理习题

思考题第六章什么是整合分析？请简要介绍整合分析的方法和步骤，以及该方法的优缺点。整合分析：是指整合一系列独立进行但有相关假设的研究结果的统计方法。它把众多单个研究综合起来，通过统计学分析得出总的结论，找出单个研究之间的差异及其原因。方法和步骤：1.提出问题或假设2.最大可能地收集已发表和未发表的文献3.整理数据并分类4.选择合适的效应值（effectsize）和统计模型进行计算和分析5.综合分析和解释优缺点：优势：将同类结果进行定量综合增大样本量，提高统计学检验功效保证综述结论的客观性、真实性和可靠性现以往研究的不足，揭示单个研究的不确定性发现普遍结论和单个研究的差异，提出新的研究方向不足：出版偏见文献筛选的主观性单个研究之间的非独立性数学模型在生态系统研究中有何作用，还存在哪些问题？生态系统模型构造和应用的一般过程是什么？你认为模型研究今后发展趋势如何？作用：（1）综合考虑各种生态因子的影响，定量化描述生态过程，阐明生态机制和规律，能够动态的模拟和预测自然发展状况。（2）建造模型的尝试常有助于精确判定所缺乏的知识和数据，对于生物和环境有进一步定量了解。（3）模型的建立过程能产生新的想法和实验方法，并缩减实验的数量，对选择假设有所取舍，完善实验设计。（4）与传统的方法相比，模型常能更好地使用越来越精确的数据，从生态的不同方面所取得材料集中在一起，得出统一的概念。存在的问题：（1）模型的适用范围：时间尺度、空间距离、海域大小、参数范围。（2）模型的形式是非常重要的，它揭示内在的性质和本质的规律，来解释生态现象的机制和生态环境的内在联系。因此，重要的是要研究模型的形式，而不是参数，参数是说明尺度、大小、范围而已；（3）模型的可靠性，由于模型的参数一般是从实测数据得到的，它的可靠性非常重要，这是通过统计学来检测。只有可靠性得到保证，才能用模型说明实际的生态问题。（4）解决生态问题时，所提出的观点，不仅从数学模型支持这一观点，还要从生态现象、生态环境等各方面的事实来支持这一观点。模型构造和应用过程：趋势：生态系统碳、氮、水循环及其相互关系，是当前生态系统和全球变化科学研究的最前沿，模型也必将沿着这方面发展。简述模型-数据融合的概念、组成和作用，以及当前模型-数据融合方法在碳循环中的应用。概念：模型—数据融合”：充分利用可获得的观测数据，通过数学方法调整模型的参数或状态变量，使模拟结果与观测数据之间达到一种最佳匹配关系，从而更准确地认识和预测系统状态的变化。组成：观测数据集、循环模型、融合方法。作用：•可以将所有的数据信息充分利用起来，对模型的参数和状态进行优化，从而使模型估计最优。•模型-数据融合技术的发展与应用，不仅可以定量表达模拟结果的不确定性，同时可以引导模型的改进，降低不确定性。•可以进行生态系统动态变化预测，引导人们调控和管理生态系统。应用：•反演碳循环模型参数•降低碳循环模型的不确定性•评估模型结构•区域及全球尺度的碳通量模拟请举例说明生态系统模型不确定性的来源，以及常用的不确定性分析方法。自然界本身不确定性、模型不确定性和数据不确定性。不确定性来源和分析方法：1．驱动数据误差2．模型参数误差3.模型结构误差（温度、水分和物候限制因子的表达）4.观测误差和代表误差（通量观测的不确定性：野外测定时，由于各种因素的影响，仪器测量的通量数据不能完全代表地-气交换的实际值，我们测量到的数据是通量实际真值与随机误差及系统误差之和）分析方法：1.参数敏感性分析方法——OAT方法。通过计算模型的某个参数或初始状态变量增加和减少10%时模型模拟值的变化百分率，从而计算对应的敏感度系数，选择二者的较大值代表模型模拟值对该参数的敏感性2．参数优化方法——Metropolis模拟退火算法。便于获取每个参数的标准差和置信区间。3，参数不确定性量化和拆分方法——MC和Sobol方法。可以得到主效应，总效应和交互效应。第五章1）什么是同位素分馏效应？主要有哪些分馏效应？其主要特征和区别在哪儿？定义：由于不同的稳定性同位素之间质量上的差异，其理化性质和生物、物理和化学反应过程中的表现不尽相同，从而导致反应物和生成物在同位素组成上的差异的现象。分类主要特征和区别：动力学和热力学的分馏效应两种，区别在于前者指非平衡态时的效应，后者指平衡态时的情形。热力学同位素分馏效应：是一种量子力学现象，是由于含有质量数不同的原子或分子或晶体振动能不同引起的。动力学同位素分馏效应:由于质量数不同的原子或分子的反应速度不同引起的，存在于单向反应、不完全反应或分支反应中。2）不同的光合作用路径的同位素分馏效应有何异同？影响光合同位素分馏效应的因素主要有哪些？异同：植物可以分为3种主要光合类型或途径：–Calvin循环(C3)；–Hatch-Slack循环(C4)；–景天酸代谢(CAM)。1.使用不同光合途径植物的稳定13C同位素组成(δ13C)存在明显差异。这主要是因为CO2经气孔向叶内扩散、在叶内溶解和羧化各个阶段所发生的同位素分馏效应在不同的植物光合类型的表现不同。2.C4植物的分布随CO2浓度的减小而增加3.C3植物的碳同位素判别随着光照的增强、可接触水的增加、干旱程度增加而降低。4.光合原料CO2与水中的18O交换，因而其18O也被富集，光合产物的18O较富集，区分陆地植物与海洋的贡献，区分大空间尺度不同植物类型（C3草本和C4草本，C3的草本和C3的森林，）的贡献主要因素：•植物属性：–功能型：如C3、C4、CAM–个体(遗传)特征：年龄、性别、生态型、发育阶段等•环境条件：–辐射、温度、湿度、CO2浓度、水分供给、干旱胁迫等3）如何从叶片尺度评价光合作用分馏效应在生物地球化学循环中的意义？•叶片的蒸腾作用导致重同位素在蒸腾位点浓缩，形成与其他部位的浓度差，发生扩散。•蒸腾水与茎水的同位素组成一致。叶片中氢氧重同位素比例高于茎水。•综合反映集成生物地球化学循环的时空动态•揭示生物地球化学循环的关键过程与功能差异•记录生态系统对环境变化的响应•示踪与朔源。区分陆地植物与海洋的贡献，区分大空间尺度不同植物类型（C3草本和C4草本，C3的草本和C3的森林，）的贡献1）什么是Keeling图？它有哪些用途?定义：早在50多年以前，CharlesDavidKeeling(1958)研究了北美太平洋沿岸若干森林生态系统冠层空气CO2的同位素组成，发现它与空气CO2浓度的倒数之间存在线性关系，此即所谓的Keeling图。用途：通量拆分研究；CO2呼吸的循环研究2）如何利用稳定同位素技术将生态系统净CO2交换量（NEE）拆分为生态系统呼吸和总初级生产力？3）如何利用稳定同位素技术将蒸散（ET）拆分为植物蒸腾（T）和土壤蒸发？其基本原理是什么？4）如何利用水的稳定氧、氢同位素信息揭示植物的水分利用来源？土壤水分在被植物根系吸收及随后沿导管向上传输的过程中，与外界不发生水分交换，因此不存在同位素分馏过程，所以植物茎木质部水分同位素组成能反映出植物利用的来源水分同位素信息。通过比较植物茎木质部水分与植物利用的不同来源水分同位素值，即可知道植物水分利用来源。如果不同来源水分的同位素组成差异显著，那么对比植物木质部水分与各种水源的同位素组成可以确定植物对不同水源的选择性。第四章（1）定位观测、模型模拟、控制实验各有何优缺点？这些手段如何相互补充？方法优点缺点定位观测A)可观测许多无法控制的生态过程；B)可观测大尺度(或不可重复)的重要生态过程；A)只能建立相关性、难以用于验证科学假设、尤其是不能确立因果关系B)需要重复和对照来获得更确切的信息（观测的重复与对照很难保证同质性）模型模拟：A)帮助提出一些新的假说来解释重要的科学问题；B)可应用于多个系统；A)可能损失部分重要的输出/输入信息B)模型参数-实验生态学参数常存在差异控制实验A)可确定条件与现象之间的因果关系、并检验假设B)具有一定的可重复性C)通过施加外来扰动或干扰，主动地获得有关因果关系的信息D)可通过统计途径来评价所观察到的实验效果是偶然性的，还是实验处理所导致的A)尺度较小(m2~ha)，难揭示大时/空尺度的生态过程与变化B)很难保证实验处理对于每个重复都是随机的、空间异质性和假重复问题非常严重补充：整合多种途径来回答所选择的科学问题，刚开始更应重视观测与调查，完成基本科研素养和知识的积累2CO2增加会通过哪些机制影响生态系统的Npp?NEE：是生态系统和大气之间的净CO2交换量。NEE=GPP-RecoaystCO2浓度增加，会导致气候变暖，从而产生以下影响：3气温升高如何影响土壤的碳储量？白天增温与夜间增温可能会有什么差异？（1）当NPP的增加，植物残体归还到土壤的碳素增加量超过碳释放时，土壤碳库也随之增加；（2）如果NPP不增加或微弱增加，而凋落物和土壤有机质分解以及土壤呼吸增加速率超过植物残体输入速率，导致土壤碳库储量降低；（3）如果植物残体碳素归还量与土壤碳释放速率大致相抵，则土壤碳库保持不变。不同纬度地带的土壤对气候变暖的响应不同，一般引起高纬富碳地区土壤碳流失，尤其在在北方森林和苔原地区，而中低纬度地区的土壤碳库则可能不变或略有增加。4相同的降水频率/强度改变实验对偏干旱的生态系统与对偏湿润生态系统NPP的影响是否一致？为什么？不一致，NPP=GPP-RA：生态系统的NPP与降水的相关性最强，但是在极高的降水条件下NPP会下降。在偏干旱的生态系统中，植物生长的限制因素是水分，如果降水增加的话，植物的NPP无疑会大幅度提高，但是在偏湿润的生态系统中，植物生长的限制因子不一定是水分，甚至增加降水反而会减少土壤中氧气的含量，影响根和土壤微生物的活性，使植物的生理活性产生紊乱，或者造成关键营养的淋溶损失，影响光合作用，进而影响NPP。第三章什么是野外控制实验？科研工作者在（野外）自然生态系统内，通过改变（或控制）一个或多个因子，然后观测与这些实验条件相伴随的生态系统结构和功能的变化，从而确定调控因子与观测到的变化间的因果关系的一种研究方法。野外控制实验设计的基本原则？1,重复。重复的主要作用是估计实验误差和降低试验误差2.随机。随机是指一个重复中的某一处理或处理组合被安排在哪一个实验单元(尤其是指空间位置)，应随机而不能靠主观认识；随机与重复相结合，可使实验结果能提供无偏的实验误差3.局部控制。生态学野外受控实验很难将所有非处理因素控制均衡一致，但我们可以将整个样地分解成若干个相对一致的小环境(也可称为区组)，现在区组内设置一套完整的处理，在局部将非因素处理进行控制。主要克服：地形、地势、水文、植被、土壤、风、沙野外控制实验设计的基本步骤？(一)野外受控实验布署的基本步骤1)如何确定科学问题与实验目标。国际生态学前沿；国家重大需求（重要生态环境问题）；区域重大生态问题；特定生态系统结构与功能的重要趋动过程及其内在机理2)如何筛选实验变量。根据您所关注的科学问题，选择重要的实验变量（N沉降实验、增温、改变降水格局实验、生物多样性实验）；根据您所选择生态系统确定合适的重要实验变量；选择2-3种变量为宜，不宜过多、也不宜过少3)如何确定因素水平。根据科学问题的需要；根据经费情况；根据工作量4)设置合适的重复。因生态系统类型而定、因样地情况而言；异质性越强的样地，空间重复要求越高，重复数量越大；5)设置合适的样地面积。因生态系统类型而定、因样地情况而言异质性越强的样地，面积也越大根据需要来确定6)确定每种控制的准确性与可操作性。技术先进性/可行性（准确度）；经济与成本可行性（经济承受力）；是否可长期稳定运行7)选择合适的设计方法。1）将优化实验处理在野外的空间摆放位置，是降低误差、减少突发事件对野外受控实验干扰的重要途径；2）将使实验处理满足统计学的基本要求，保证我们后期实验结果的科学性。8)精细的本底调查。尽量按您所布置的样地进行全重复调查；揭示样地空间异质性；可直接用于后期数据的分析，尤其是当部分样地数据出现异常情况时，尤其有用。9)提前确定测试指标和重复测定区域。在每个样地内提前确定重复测定区域（尤