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碳循環(huán)描述范文第1篇

    “生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動”是蘇教版八年級《生物》下冊第25章第二節(jié),本節(jié)內(nèi)容綜合性較強(qiáng),既涉及光合作用、呼吸作用、生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈、食物網(wǎng)等方面的知識,又涉及能量流動和物質(zhì)循環(huán);不僅與生活和生產(chǎn)密切相關(guān),又與全球的環(huán)境、資源密不可分。能量流動是一個比較抽象的過程,各營養(yǎng)級中能量的來源和去路比較復(fù)雜,學(xué)生理解難度相對較大。但八年級學(xué)生已具有一定的分析問題能力,又學(xué)過水(氧)循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)組成等基礎(chǔ)知識。另外,生活經(jīng)驗也提供給他們大量相關(guān)的信息,學(xué)生對生物學(xué)主題中與實際應(yīng)用和社會問題相關(guān)的內(nèi)容興趣較濃,這是學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容的有利條件。為此,本節(jié)教學(xué)以生態(tài)系統(tǒng)的能量流動及特點和碳循環(huán)過程作為重點,將生態(tài)系統(tǒng)能量流動的特點分析及能量流動和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系作為難點,應(yīng)用問題情境、閱讀、小組討論、比較和師生談話等多種教學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習(xí),建構(gòu)自己的認(rèn)知體系。在教學(xué)過程中學(xué)習(xí)分析、總結(jié),學(xué)會思考。教學(xué)設(shè)計如下。

    2教學(xué)目標(biāo)

    2.1知識目標(biāo)

    描述生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動和物質(zhì)循環(huán);描述生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動和物質(zhì)循環(huán)的特點;說出生態(tài)系統(tǒng)中能量的最初來源。

    2.2能力目標(biāo)

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

    2.3情感態(tài)度和價值觀

    正確認(rèn)識人類作為生態(tài)系統(tǒng)中的一員在物質(zhì)循環(huán)和能量流動中的作用,增強(qiáng)環(huán)境、資源意識,更加熱愛大自然和保護(hù)大自然。

    3教學(xué)過程

    課前教師準(zhǔn)備多媒體課件,學(xué)生預(yù)習(xí)本節(jié)課本內(nèi)容,并搜索相關(guān)資料。

    3.1引入

    播放紀(jì)實視頻“實拍灰狼欲捕食羊群,遭到牧民策馬驅(qū)逐”片段,學(xué)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(qū)逐。精彩、直觀的視頻展示引入新課,以激發(fā)學(xué)生興趣。創(chuàng)設(shè)問題情境:能否說出草原上一條食物鏈?學(xué)生很容易回答:“草兔狼;草羊狼”等。進(jìn)一步提問:兔(羊)的能量從哪里來?兔(羊)的能量到哪里去了?學(xué)生思考后回答……,那么生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(xué):(1)第一步指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材第一自然段文字,設(shè)置問題①生態(tài)系統(tǒng)的能量最初來源是什么?②能量進(jìn)入生產(chǎn)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(shè)置問題情境導(dǎo)讀,引導(dǎo)學(xué)生思考、分析,可以提高閱讀效率,教師鼓勵學(xué)生大膽發(fā)言,激發(fā)競爭意識。(2)第二步嘗試分析“草兔狼”食物鏈中的各個營養(yǎng)級以及所屬的生物組成,學(xué)生分析后作匯報(如下),明確“營養(yǎng)級”概念。(3)第三步呈現(xiàn)課件“生態(tài)系統(tǒng)能量流動的示意圖”并提出問題:能量是怎樣流動的?有何規(guī)律?指導(dǎo)學(xué)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(xué)生一起討論。師生交流:輸入第一營養(yǎng)級的能量,一部分在生產(chǎn)者的呼吸作用中以熱能的形式散失了,一部分則用于生產(chǎn)者的生長、發(fā)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(yǎng)級流人第二營養(yǎng)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(dǎo)學(xué)生觀察這條食物鏈中各營養(yǎng)級的排序是否可以變動(不能,單一方向)。能否總結(jié)能量流動特點?學(xué)生:逐級遞減,單向傳遞。接下去,可展示“生態(tài)系統(tǒng)的能量流動”動畫(配解說),豐富學(xué)生的感覺視覺,加深學(xué)生對能量流動的理解,有突破教學(xué)難點;繼續(xù)展示“能量金字塔”,闡明其含義及特點……通過層層遞進(jìn),引導(dǎo)和分析,使學(xué)生獲得新知,進(jìn)一步完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

    3.3生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)

    過渡:生態(tài)系統(tǒng)能量流動伴隨物質(zhì)的循環(huán),能量由太陽提供,物質(zhì)由地球提供的,為什么生態(tài)系統(tǒng)中的大量物質(zhì),億萬年來沒有被耗盡呢?是因為物質(zhì)可以被循環(huán)利用的。教師引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)“碳循環(huán)示意圖”并指導(dǎo)學(xué)生分組討論,思考每一個箭頭代表的生理過程及物質(zhì)名稱,可設(shè)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(nèi)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(shù)的生物每天都要消耗大量氧氣并產(chǎn)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(huán)的過程。通過圖片觀察提高學(xué)生的識圖能力,培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析能力,在討論和交流中,也鍛煉學(xué)生的語言表達(dá)和小組合作能力。接著,播放“生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)”動畫,然后師生共同歸納碳循環(huán)的含義:碳(元素)循環(huán)是指生物(群落)與無機(jī)(非生物)環(huán)境之間進(jìn)行的循環(huán);碳循環(huán)的范圍是全球性的,特點是全球性往復(fù)循環(huán)。引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)探討:物質(zhì)是可以循環(huán)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(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)有沒有影響?你有什么建議?談?wù)勛约旱目捶āＭ瑢W(xué)們各杼己見。課堂延伸引導(dǎo)學(xué)生利用新知識去解決實際問題,學(xué)以致用,同時也增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)境、資源意識。

碳循環(huán)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(jī)物質(zhì)為營養(yǎng)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(jī)元素為能量和營養(yǎng)的來源,它們就是化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌。本書涵蓋了化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌在生物化學(xué)和生理方面的特點,以及它們與相關(guān)環(huán)境之間的關(guān)系。

本書共分7章。1-2.背景和基礎(chǔ)知識的介紹,能夠幫助讀者理解本書后面的內(nèi)容。1.作者簡單而系統(tǒng)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(yǎng)類型的特點;2.介紹了一種細(xì)菌用來氧化無機(jī)化合物的細(xì)胞色素,這種細(xì)胞色素就是化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌生長代謝的關(guān)鍵物質(zhì)。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(huán),正是這從未停止的循環(huán)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(huán)過程中,化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌是如何扮演好自己的角色的;3.地球上的氮循環(huán)。參與氮循環(huán)的細(xì)菌主要是氨氧化細(xì)菌、亞硝酸鹽氧化菌、反硝化細(xì)菌,以及固氮細(xì)菌。對氨和亞硝酸鹽的細(xì)菌氧化機(jī)制詳加說明。介紹了硝化細(xì)菌的應(yīng)用(即氨氧化、亞硝酸鹽氧化菌),如利用細(xì)菌進(jìn)行火藥生產(chǎn)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(huán)相關(guān)的知識,包括硫酸鹽還原菌對硫酸鹽的還原和硫氧化細(xì)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(xì)菌氧化鐵的機(jī)制,以及對這種細(xì)菌應(yīng)用的描述:細(xì)菌浸出、生物浸出等其他應(yīng)用。此外,本章還描述了由硫酸鹽還原菌、硫氧化細(xì)菌和嗜酸鐵氧化細(xì)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(huán)過程的一部分,即化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌的碳素利用。作者對細(xì)菌由二氧化碳組生成機(jī)化合物的途徑做了較為詳細(xì)的說明,因為化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌必須由二氧化碳為材料產(chǎn)生細(xì)胞物質(zhì)。雖然光合作用的描述省略,但細(xì)致的描述了細(xì)菌產(chǎn)甲烷,說明了產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生甲烷不是由發(fā)酵,而是通過呼吸進(jìn)行的;7.描述了那些被認(rèn)為是最接近生命起源的細(xì)菌,嗜熱細(xì)菌是被公認(rèn)最可能的生命的起源。許多嗜熱細(xì)菌是厭氧的化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌。這里主要討論的是那些被認(rèn)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(rèn)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(xì)胞色素和化能無機(jī)自養(yǎng)細(xì)菌的生理和生化研究,其先后在東京工業(yè)大學(xué)和日本大學(xué)任職,期間近百篇,目前是日本東京工業(yè)大學(xué)的榮譽(yù)教授。

祝金星,博士生

(中國科學(xué)院微生物研究所)

碳循環(huán)描述范文第3篇

筆者有幸聽了湖州八中郎莉萍老師執(zhí)教的一節(jié)生態(tài)系統(tǒng)復(fù)習(xí)課《神奇的生態(tài)瓶》。課中，郎老師引導(dǎo)學(xué)生思維的教學(xué)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(fā)，談?wù)勗诳茖W(xué)復(fù)習(xí)課教學(xué)中應(yīng)該如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維。

一、思維基于知識，產(chǎn)生于問題

知識與思維的關(guān)系非常密切，“沒有知識經(jīng)驗就不會有人類的思維活動……知識經(jīng)驗是以內(nèi)容的資格參加到思維問題中去的”[2]236。可見，重視學(xué)生對于科學(xué)知識的把握是必須的，因為這是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的前提。但是，知識的把握卻又不等于思維的發(fā)展，特別是依靠機(jī)械地反復(fù)強(qiáng)化去鞏固記憶性知識的教學(xué)過程，并不能促進(jìn)學(xué)生分析與綜合能力的發(fā)展，因為“知識的多少不能成為衡量思維能力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)”，教學(xué)中更為重要的是需要培養(yǎng)學(xué)生“對知識的理解、運用和轉(zhuǎn)化的能力”[1]。簡言之，科學(xué)思維的培養(yǎng)需要以知識為基礎(chǔ)，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(xué)課教學(xué)怎樣才能在已有的知識基礎(chǔ)上引發(fā)學(xué)生的思維呢？

“人們通常假設(shè)，人的思維和問題解決是緊密聯(lián)系的”[3]，“思維基于知識，卻又由問題產(chǎn)生，并因為問題而得到持續(xù)不斷深入的發(fā)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(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)”[1]，而且，“教育的最終目的就是教學(xué)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(fù)習(xí)課的關(guān)鍵就是要把機(jī)械的“重復(fù)”變成生動積極的“再現(xiàn)”和“運用”，而將“重復(fù)”變生動的路徑就是精心設(shè)計問題，引導(dǎo)學(xué)生運用知識去解決問題。

郎老師的《神奇的生態(tài)瓶》（后面簡稱《瓶》）這節(jié)課，首先體現(xiàn)了“從問題進(jìn)，又從問題出”的設(shè)計思想。她教學(xué)設(shè)計的第一個環(huán)節(jié)是“觀看視頻，引發(fā)思考”，視頻是一個自制生態(tài)瓶的過程，需要學(xué)生思考的是：生態(tài)瓶有什么作用？生態(tài)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(shè)計的最后一個環(huán)節(jié)是“再看生態(tài)瓶，引發(fā)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(xué)生已經(jīng)完成的作業(yè)和學(xué)到的知識，在學(xué)生的思想中，對某些未來的課題，應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xù)看下去。”

其次，《瓶》這節(jié)課教學(xué)核心部分的設(shè)計思路是“鏈接問題，展開復(fù)習(xí)”，用如下三個大問題呈現(xiàn)了與生態(tài)系統(tǒng)有關(guān)的三塊內(nèi)容：

問題1：你能理清種群與群落、生態(tài)系統(tǒng)與生物圈等容易混淆的概念嗎？

問題2：你知道生態(tài)瓶中的成分嗎？

問題3：什么樣的生態(tài)瓶能使小魚生活的時間最長？

問題1要解決的是生態(tài)系統(tǒng)的基本概念；問題2要解決的是生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與成分；問題3要解決的是生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)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(xué)生呈現(xiàn)生態(tài)瓶中的成分之后，郎老師不斷追問“細(xì)菌屬于生態(tài)系統(tǒng)成分中的什么”“可不可以說是微生物”“為什么”等。鞏固練習(xí)之后再次追問：“上題中提到微生物對自己的物質(zhì)循環(huán)起到重要的作用，是怎么回事呢？”然后出示生態(tài)瓶中的碳循環(huán)示意圖，讓學(xué)生指出分解者。有了碳循環(huán)為基礎(chǔ)，氧循環(huán)的建模迎刃而解，解決問題3所要運用的知識也已經(jīng)儲備好了。有效教學(xué)的奧秘就在于，教師清楚地知道學(xué)生的認(rèn)知水平與教學(xué)目標(biāo)之間的距離，并清楚地知道從學(xué)生現(xiàn)有水平出發(fā)，到達(dá)教學(xué)目標(biāo)之間要架設(shè)的腳手架的位置與個數(shù)。正是由于腳手架選擇的適切，整堂課中大部分學(xué)生都處在積極思考并努力解決問題的狀態(tài)中。絕大部分時間都是學(xué)生在爭著表述，而教師只是一個不斷有問題發(fā)現(xiàn)的引導(dǎo)者和傾聽者。

二、思維產(chǎn)生于問題，拓展于變式

思維產(chǎn)生于問題，但常見的問題又容易產(chǎn)生思維定勢。很多學(xué)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(xué)生的思維定勢是教學(xué)中必須面對的問題。避免重復(fù)機(jī)械的題海戰(zhàn)術(shù)是克服思維定勢的一條路徑，《瓶》這節(jié)課正是呈現(xiàn)了如何在日常課堂教學(xué)中克服學(xué)生思維定勢的一條有效路徑――課堂例題教學(xué)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(zhì)屬性，揭示事物的本質(zhì)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(zhǔn)備了這樣一道練習(xí)題：

杭州西溪國家濕地公園內(nèi)生活著許多水生、陸生植物和野生植物，園內(nèi)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(tài)系統(tǒng) C.群落 D.生物圈

接著郎老師利用這個題目進(jìn)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(nèi)所有的青蛙屬于 ；

該濕地公園內(nèi)所有的生物屬于 ；

該濕地公園內(nèi)所有的植物屬于 。

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

變式訓(xùn)練不僅可以克服思維定勢，其中的縱向變式還可以實現(xiàn)思維的正向遷移和拓展。例如，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)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(tài)瓶中的碳循環(huán)示意圖（如圖1），圖中A、B、C、D分別代表生態(tài)系統(tǒng)的成分，①～⑦代表碳元素的傳遞過程，請學(xué)生根據(jù)圖回答：

（1） B是指 ，D是指 。

（2）碳元素在無機(jī)環(huán)境與生物之間以 形式進(jìn)行循環(huán)的；碳元素通過 作用由生物進(jìn)入無機(jī)環(huán)境。碳元素從B到C是以 形式傳遞的。

（3） 從物質(zhì)循環(huán)的觀點看，生物的碳元素究其根源來自于 。

經(jīng)過這樣橫向縱向的多次變式，學(xué)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(xué)過程中有意識地適度超越學(xué)生的認(rèn)知水平，引導(dǎo)學(xué)生在其學(xué)習(xí)的過程中逐步從一個個具體的案例所呈現(xiàn)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(xiàn)象背后的規(guī)律性認(rèn)識，那么，學(xué)生僅僅依靠原有的認(rèn)知就不能解決問題了，這樣便引發(fā)了學(xué)生原有認(rèn)知基礎(chǔ)和當(dāng)前學(xué)習(xí)所要求的思維水平之間的不平衡，這種“不平衡狀態(tài)的產(chǎn)生醞釀了心智發(fā)展的可能”[5]，學(xué)生在解決這種不平衡的過程中，思維水平也就能夠獲得進(jìn)一步發(fā)展，從而為更好地學(xué)習(xí)新知提供了心智基礎(chǔ)。科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)要“幫助學(xué)生學(xué)習(xí)建立科學(xué)模型，由此培養(yǎng)學(xué)生的分析、概括能力和邏輯思維能力”，而學(xué)生建立模型的過程，正是把原有的認(rèn)知提高到一個新水平的思維過程。

模型，中文原意即規(guī)范。按照我國著名物理學(xué)家錢學(xué)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(jī)理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所創(chuàng)造出來的一幅圖畫。”簡單地說，模型是人們對認(rèn)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(zhì)性規(guī)律性的反映。

對有些科學(xué)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(xué)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?zāi)Ｐ汀⑻骄可鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的小生態(tài)瓶等。《瓶》這節(jié)課充分展示了建模思想，充分利用了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)模型――小生態(tài)瓶，郎老師通過問題3“什么樣的生態(tài)瓶能使小魚生活時間最長”引發(fā)了學(xué)生對生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個思考。實際上，整節(jié)課郎老師都在通過小生態(tài)瓶幫助學(xué)生疏通思路，都是在用小生態(tài)瓶模擬真實的生態(tài)系統(tǒng)。

在復(fù)習(xí)課中，教師的任務(wù)不應(yīng)是替學(xué)生找出各部分知識的現(xiàn)成結(jié)構(gòu)，而是需要引導(dǎo)學(xué)生對前面所學(xué)的知識、規(guī)律、方法進(jìn)行歸納整理，讓學(xué)生通過自己的理解和加工建構(gòu)可用的思維模型，因為“學(xué)習(xí)是一個把新舊信息結(jié)合在一起，構(gòu)建出一個人自己獨特的知識基礎(chǔ)的過程”[6]。這也體現(xiàn)在了《瓶》這節(jié)課中：（1）以生態(tài)系統(tǒng)為核心，將生態(tài)因素、種群和生物群落等基本概念，生態(tài)系統(tǒng)的成分與結(jié)構(gòu)，生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)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(lián)系的知識線，自然形成一個生物與環(huán)境的知識網(wǎng)；（3）縱觀全局，再現(xiàn)整體，最后一個環(huán)節(jié)“再看生態(tài)瓶，引發(fā)新思考”的任務(wù)之一，就是通過三大知識塊概念之間的內(nèi)在聯(lián)系構(gòu)成生物與環(huán)境的知識網(wǎng)絡(luò)，形成思維導(dǎo)圖，建立了關(guān)于生物與環(huán)境關(guān)系的思維模型，使學(xué)生更好地理解了相關(guān)知識內(nèi)容所構(gòu)成的體系。

總之，《瓶》的教學(xué)設(shè)計理念是以學(xué)生熟悉且非常感興趣的生態(tài)瓶為切入口，以解決學(xué)生疑難問題為準(zhǔn)則，展開一系列有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的問題討論，并在問題的討論和解決中理清生態(tài)系統(tǒng)基本概念、組成成分、結(jié)構(gòu)功能，感知物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要性，解釋生態(tài)平衡的現(xiàn)象和意義。在教學(xué)中，郎老師通過學(xué)生感興趣的問題引發(fā)思維，通過充分變式順利完成了建模，通過建模使學(xué)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(xiàn)：

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

碳循環(huán)描述范文第4篇

關(guān)鍵帶中發(fā)生的復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物過程相互耦合使其成為不可分割、有機(jī)聯(lián)系、不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)。按照其性質(zhì)與作用，這些過程大致可分為三類:生態(tài)過程、生物地球化學(xué)過程和水文過程［8］。生態(tài)過程通過植物、微生物等生產(chǎn)者的作用將土壤中的物質(zhì)合成為植物量，經(jīng)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(tài)循環(huán)的一部分。由于人類活動對生態(tài)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(xué)過程將生物過程與非生物過程聯(lián)系在一起，通過流體、沉積和氣體作用，使碳、氮等化學(xué)元素和物質(zhì)在空間上的分布發(fā)生變化。水文過程通過水分運移轉(zhuǎn)化使物質(zhì)和能量在空間上重新分布。生物地球化學(xué)過程和水文過程相互耦合，推動了生態(tài)過程的持續(xù)進(jìn)行，又共同決定了關(guān)鍵帶的整體形態(tài)和功能。但是，受傳統(tǒng)學(xué)科研究視角和方法的限制，研究人員很少將關(guān)鍵帶作為一個整體框架，而是人為地將生態(tài)過程、生物地球化學(xué)過程和水文過程割裂開來進(jìn)行研究。例如，土壤學(xué)往往將研究對象局限在植物根區(qū)分布的土壤范圍，而很少考慮植物根區(qū)之下的包氣帶和飽水帶;水文地質(zhì)學(xué)以含水層為研究重點，往往將上覆包氣帶作為“黑箱”進(jìn)行處理;生態(tài)學(xué)以地表面之上的植物為研究重點，對地質(zhì)環(huán)境則重視不夠。當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會所面臨的水資源管理、自然災(zāi)害防治、全球變化應(yīng)對、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等重大戰(zhàn)略問題，迫切需要不同的學(xué)科相互交叉融合，形成一個新的整體框架，對近地表圈層進(jìn)行系統(tǒng)研究。這正是國際地學(xué)界提出“地球關(guān)鍵帶”的意義所在。關(guān)鍵帶在空間展布上呈現(xiàn)出高度的非均質(zhì)性。大量的調(diào)查和觀測數(shù)據(jù)表明，構(gòu)成關(guān)鍵帶的地質(zhì)介質(zhì)和發(fā)生在其中的生態(tài)過程、生物地球化學(xué)過程和水文過程隨空間的變化表現(xiàn)出明顯的變異。這種變異特性隨空間尺度的變化呈現(xiàn)出不同的特點［10］。造成關(guān)鍵帶高度變異性的原因很復(fù)雜，可歸納為三個方面:與地質(zhì)、水文等有關(guān)的內(nèi)在因素，與氣候、自然火災(zāi)等有關(guān)的外在因素，與土地利用、城市化等有關(guān)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(guān)鍵帶的途徑包括兩大類:一類是利用傳感器技術(shù)和測量技術(shù)進(jìn)行點上監(jiān)測，對應(yīng)于微觀尺度;一類是利用遙感技術(shù)進(jìn)行大面積面上監(jiān)測，對應(yīng)于宏觀尺度。針對介于二者之間的中觀尺度的觀測技術(shù)還很不成熟，亟待發(fā)展。關(guān)鍵帶過程的發(fā)生尺度與人們的觀測尺度存在的不一致，對關(guān)鍵帶過程研究與建立模型造成了很大的挑戰(zhàn)，尺度轉(zhuǎn)換成為關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要問題［12］。關(guān)鍵帶在垂向上呈現(xiàn)出明顯的分層特征。如圖1所示，關(guān)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(xì)分為多個亞層。例如，土壤層可分為腐殖質(zhì)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(xì)上升區(qū)［14］。層與層之間形成了關(guān)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(qū)還有陸地－海洋界面。這些界面對關(guān)鍵帶發(fā)生的各種過程具有重要的控制作用，也為人為調(diào)控關(guān)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(fā)生鹽漬化的重要原因，也是地表生態(tài)格局變化的影響因子之一［15］。關(guān)鍵帶在外在過程的作用下不斷發(fā)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(nèi)部能量驅(qū)動的構(gòu)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(qū)動的風(fēng)化過程，總的趨勢是削平填洼，使地表趨平;由壓力梯度驅(qū)動的流體運動，使物質(zhì)發(fā)生空間遷移;由生存需求驅(qū)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(guān)鍵帶研究思路與范式

2.1DPSIR體系框架DPSIR(驅(qū)動力－壓力－狀態(tài)－影響－響應(yīng))體系描述了一條引發(fā)環(huán)境問題的起源和結(jié)果之間的因果鏈，為開展關(guān)鍵帶科學(xué)研究提供了可供借鑒的技術(shù)框架(圖2)。這條因果鏈表明了關(guān)鍵帶與社會經(jīng)濟(jì)之間的相互作用關(guān)系，社會經(jīng)濟(jì)活動作為長期驅(qū)動力作用于關(guān)鍵帶，對關(guān)鍵帶產(chǎn)生壓力，造成關(guān)鍵帶狀態(tài)的變化，從而對關(guān)鍵帶及其發(fā)生的各種過程產(chǎn)生影響，這些影響促使經(jīng)濟(jì)社會對關(guān)鍵帶狀態(tài)的變化做出響應(yīng)，響應(yīng)措施又作用于驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)和影響。該體系從系統(tǒng)分析的角度看待社會經(jīng)濟(jì)與關(guān)鍵帶的相互作用，是組織環(huán)境狀態(tài)信息的通用框架［16］。驅(qū)動力指影響關(guān)鍵帶的外部過程變化的趨勢，是造成關(guān)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(guān)鍵帶，成為關(guān)鍵帶變化越來越重要的驅(qū)動力［17］。壓力指人類活動對關(guān)鍵帶的直接作用。社會經(jīng)濟(jì)從關(guān)鍵帶獲取所需要的水、糧食、建筑材料等資源，同時在生產(chǎn)和消費過程中排出工業(yè)廢物、生活垃圾、廢水等，是造成關(guān)鍵帶變化的直接因素。狀態(tài)用來描述不同時空尺度關(guān)鍵帶的動態(tài)變化。影響描述的是當(dāng)外界對關(guān)鍵帶施加壓力時其狀態(tài)隨之發(fā)生變化，這些變化對于關(guān)鍵帶功能和服務(wù)所產(chǎn)生的效應(yīng)。響應(yīng)指改善或適應(yīng)關(guān)鍵帶變化而采取的相關(guān)措施，如法律法規(guī)、技術(shù)調(diào)控措施等。關(guān)鍵帶科學(xué)研究的成果，應(yīng)以易于理解的形式，傳遞給管理者和決策者，從而采取相應(yīng)的資源、環(huán)境和生態(tài)管理措施。例如，Banwart等人建議采用生態(tài)服務(wù)方法將關(guān)鍵帶的功能和服務(wù)轉(zhuǎn)化為可以量化的價值，在科學(xué)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(jiān)測－建模循環(huán)體系框架循環(huán)上升的填圖－監(jiān)測－建模體系(簡稱3M框架)為研究復(fù)雜、非均質(zhì)、動態(tài)的關(guān)鍵帶提供了一條整合研究的技術(shù)框架(圖3)。通過填圖、監(jiān)測和建模的循環(huán)進(jìn)行，不斷深化對關(guān)鍵帶及其過程隨時間和空間變化規(guī)律的認(rèn)識，積累越來越多的圖件、數(shù)據(jù)和成果。在此基礎(chǔ)上，通過對圖件、數(shù)據(jù)和成果的集成與分析，針對管理者、科學(xué)家、社會公眾等不同的服務(wù)對象生產(chǎn)各種產(chǎn)品，將關(guān)鍵帶研究成果最大程度地傳遞給社會［19］。填圖是了解關(guān)鍵帶組成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，也是部署監(jiān)測和開展建模的基礎(chǔ)。關(guān)鍵帶在空間展布上的高度非均質(zhì)性和在垂向上的分層性，要求采用各種技術(shù)手段對不同尺度的關(guān)鍵帶進(jìn)行調(diào)查，獲取關(guān)鍵帶各種要素的物理和化學(xué)參數(shù)，為建立地球關(guān)鍵帶框架模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。監(jiān)測是了解關(guān)鍵帶隨時間變化的基礎(chǔ)，為建模提供所需的輸入數(shù)據(jù)和校正數(shù)據(jù)。需要監(jiān)測的內(nèi)容應(yīng)涵蓋關(guān)鍵帶各種要素，也應(yīng)包含模型運行需要輸入的相關(guān)數(shù)據(jù)。建模是開展關(guān)鍵帶過程機(jī)理研究的重要手段，也是開展關(guān)鍵帶定量評價、預(yù)判關(guān)鍵帶變化的重要工具。建模將填圖所獲得的空間數(shù)據(jù)與監(jiān)測所獲得的時間數(shù)據(jù)整合在一起，對關(guān)鍵帶中所發(fā)生的水文過程、生物地球化學(xué)過程和生態(tài)過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，以探求隱藏在表象之下的自然規(guī)律。填圖、監(jiān)測、建模構(gòu)成關(guān)鍵帶科學(xué)研究的完整框架，三者相輔相成、循環(huán)上升、互為促進(jìn)。

3關(guān)鍵帶研究進(jìn)展

3.1填圖20世紀(jì)末，近地表圈層得到了越來越多的北美水文地質(zhì)學(xué)家的重視［20］。近地表地質(zhì)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(qū)和農(nóng)業(yè)用地等。1998年，美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)了2000～2010年地質(zhì)科學(xué)戰(zhàn)略，將近地表圈層作為研究重點之一，確定開展地質(zhì)填圖、地球物理填圖、地球化學(xué)填圖和鉆孔測量，查明控制地下水流及污染的地質(zhì)框架［21］。截至2010年，USGS完成的1∶10萬以上比例尺的地質(zhì)圖達(dá)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(zhì)調(diào)查，建立了三維水文地質(zhì)框架模型;完成了15個縣面向地質(zhì)災(zāi)害的三維地質(zhì)調(diào)查，建立了用于減災(zāi)的地質(zhì)框架。在美國國家科學(xué)基金會資助下，加州大學(xué)、科羅拉多大學(xué)等單位于2007年開始在Christina、BoulderCreek等6個地區(qū)以流域為單元開展關(guān)鍵帶填圖工作，調(diào)查確定關(guān)鍵帶基巖、土壤、植被和地形的三維空間分布與特性，研究關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)隨時間的演化規(guī)律、風(fēng)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(xué)體系科學(xué)戰(zhàn)略(2013～2023)，明確將關(guān)鍵帶作為其研究的核心靶區(qū)，提出針對關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)和過程進(jìn)行調(diào)查，建立關(guān)鍵帶3D/4D地質(zhì)框架模型。重點研究內(nèi)容包括利用先進(jìn)的微分析技術(shù)開展點上小至分子尺度的調(diào)查，利用先進(jìn)的遙感技術(shù)開展面上大至全球尺度的調(diào)查，研發(fā)關(guān)鍵帶及其過程的3D/4D模型，形成不同比例尺的地質(zhì)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(zhì)框架模型;針對自然災(zāi)害防治需要，建立地球表層地質(zhì)、水文和生態(tài)框架［24］。2006年，針對土壤侵蝕、鹽漬化、有機(jī)質(zhì)減少和滑坡等土壤環(huán)境問題，歐盟委員會了土壤保護(hù)主題戰(zhàn)略，將傳統(tǒng)的1～2m深的土壤層擴(kuò)展到地表至基巖之間的未固結(jié)土層進(jìn)行調(diào)查和研究［7］，類似于NRC所提出的地球關(guān)鍵帶。該戰(zhàn)略認(rèn)為，土壤結(jié)構(gòu)是影響關(guān)鍵帶過程和功能的主要因子。在實際調(diào)查工作中，強(qiáng)調(diào)利用各種技術(shù)開展關(guān)鍵帶空間分布和土壤結(jié)構(gòu)的調(diào)查。例如，在盧森堡和意大利托斯卡納區(qū)分別采用地電技術(shù)、地震探測技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)和高光譜技術(shù)對土壤粘土含量、含石量、碳含量和土壤層厚度進(jìn)行了調(diào)查和填圖;在瑞典Damma、奧地利Fuchsenbigl、捷克Lysina和希臘Koiliaris等地區(qū)對土壤的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查和填圖［25］。關(guān)鍵帶填圖的主要目標(biāo)之一是回答“關(guān)鍵帶如何形成與演化”的基本科學(xué)問題。科羅拉多大學(xué)聯(lián)合USGS采用淺層地震折射方法對GordonGulch流域的風(fēng)化層厚度、風(fēng)化鋒面深度進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)山坡北坡的風(fēng)化鋒面比南坡的風(fēng)化鋒面更深，風(fēng)化程度也更高［26］。Anderson等根據(jù)野外調(diào)查和模型模擬結(jié)果認(rèn)為，關(guān)鍵帶可視為一個連通反應(yīng)器，下端的風(fēng)化鋒面將未風(fēng)化的基巖納入反應(yīng)器，上端的生物物理作用為反應(yīng)器提供了反應(yīng)的動力，物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化作用共同決定了關(guān)鍵帶的形成過程［27］。Amundson等試圖將關(guān)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(guān)鍵帶物質(zhì)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(qū)進(jìn)行調(diào)查研究，分析確定關(guān)鍵帶形成演化的影響因素和關(guān)鍵帶生態(tài)服務(wù)的可持續(xù)性。3.2監(jiān)測根據(jù)NRC提出的關(guān)鍵帶科學(xué)研究戰(zhàn)略，美國國家科學(xué)基金會于2007年啟動了關(guān)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(guān)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(guān)鍵帶觀測站［29］。目前，6個關(guān)鍵帶觀測站共有250名科學(xué)家、技術(shù)人員和研究生在開展研究工作。關(guān)鍵帶觀測站以流域為單元，對關(guān)鍵帶各種要素進(jìn)行長期觀測，為研究關(guān)鍵帶變化提供科學(xué)數(shù)據(jù)。6個關(guān)鍵帶觀測站按照相同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jiān)測內(nèi)容如表1［30］。例如，BoulderCreek流域關(guān)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(jìn)行監(jiān)測，設(shè)立了3座氣象站對空氣和土壤參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，埋設(shè)了15組土壤傳感器對土壤含水量、土水勢等土壤參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，安裝了75臺蒸滲儀對蒸騰蒸發(fā)量、深層滲漏量等進(jìn)行監(jiān)測，在下游河谷地區(qū)布設(shè)了6眼地下水觀測井對地下水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測。在美國關(guān)鍵帶觀測站的影響下，德國亥姆霍茲聯(lián)合會于2008年啟動了陸地環(huán)境觀測建設(shè)項目，主要目標(biāo)是為區(qū)域尺度全球氣候變化對生態(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)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(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。目前，已在德國東北低地、Eifel/LowerRhine山谷、中部低地和BavarianAlps等地區(qū)建立了4個陸地環(huán)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(jìn)行陸地系統(tǒng)實時監(jiān)測、開展科學(xué)實驗、測量不同時空尺度環(huán)境長期變化。法國等國家則通過提升現(xiàn)有的“河流盆地網(wǎng)絡(luò)”所屬的觀測站，建設(shè)關(guān)鍵帶觀測設(shè)施，以流域為單元對關(guān)鍵帶要素進(jìn)行觀測。法國河流盆地網(wǎng)絡(luò)包含20個觀測站，自2011年開始由關(guān)鍵帶提升項目(CTRTEX)資助增設(shè)關(guān)鍵帶觀測儀器設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。為了貫徹落實土壤保護(hù)主題戰(zhàn)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(wù)是對地球關(guān)鍵帶進(jìn)行長期觀測。該項目強(qiáng)調(diào)土壤是地球關(guān)鍵帶的核心，將土壤監(jiān)測作為地球關(guān)鍵帶長期觀測的重點。根據(jù)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(guān)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(fā)展階段;捷克的Lysina，處于土壤遭到酸雨破壞后人工恢復(fù)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(guān)鍵帶觀測方面建立了緊密的合作關(guān)系，其觀測內(nèi)容與美國觀測站相似，主要包括陸地－大氣水碳轉(zhuǎn)化、土壤含水量變化、孔隙水化學(xué)、地表水－土壤水－地下水轉(zhuǎn)化、土壤長期演化等［33］。3.3建模模型對于深化對關(guān)鍵帶形成、運行與演化的科學(xué)認(rèn)識具有重要的作用，始終是關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要領(lǐng)域之一。例如，美國關(guān)鍵帶觀測計劃的重要目標(biāo)之一是建立能夠描述關(guān)鍵帶生態(tài)過程、生物地球化學(xué)過程和水文過程的系統(tǒng)模型，定量預(yù)測氣候變化、地質(zhì)作用和人類活動下關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)和功能的響應(yīng)。關(guān)鍵帶過程模型大致可分為兩類:一類是描述單個過程的數(shù)學(xué)模型，如地下水流動、土壤溶質(zhì)運移、植物對水分脅迫響應(yīng)等單個關(guān)鍵帶過程;一類是描述多個過程疊加的耦合過程的數(shù)學(xué)模型，如地表水－地下水－大氣水轉(zhuǎn)化、生態(tài)－水文過程等關(guān)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(guān)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(yuǎn)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(jìn)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(zhì)運移，土壤與含水層由二者接合處土壤水流量進(jìn)行連接［35］。另一種做法是把包氣帶和飽和帶作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，采用三維Richards方程從機(jī)理上描述土壤與地下水水流和溶質(zhì)運移，如SWMS_3D和FEMWATER模型［36］。Lin等認(rèn)為上述基于傳統(tǒng)小尺度物理學(xué)方法的數(shù)學(xué)模型，由于沒有將包氣帶的結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)，對于包氣帶中普遍存在的優(yōu)先流不能進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫［37］。因此，關(guān)鍵帶建模的挑戰(zhàn)之一是將結(jié)構(gòu)與過程同時納入統(tǒng)一的模型。生態(tài)過程與水文過程耦合建模研究也取得了很大進(jìn)展。以研究生態(tài)過程與水文過程相互作用為基礎(chǔ)，通常將植物生長模型與水文模型耦合建立生態(tài)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(tài)－水文過程演變的影響機(jī)制［38］。例如，BEPS-TerrainLab模型在DSHVM模型基礎(chǔ)上耦合生物地球化學(xué)循環(huán)模型BEPs建立了流域生態(tài)水文模型，用于加拿大北部森林區(qū)碳循環(huán)與水循環(huán)耦合的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究;RHESSys生態(tài)水文模型以水文模型TOPMODEL為基礎(chǔ)，考慮了植被對水文過程的作用，耦合了碳循環(huán)過程Biome-BGC模型和氮循環(huán)過程Century模型，可以用來模擬關(guān)鍵帶水、碳、氮的耦合循環(huán)［39］。美國Luquillo關(guān)鍵帶觀測站采用生態(tài)水文模型tRIBS-VEGGIE對區(qū)域關(guān)鍵帶生態(tài)－水文過程進(jìn)行了模擬，該模型可模擬復(fù)雜地形背景下河流盆地植被生長動態(tài)變化過程與水文變化過程［40］。

4結(jié)論與建議

碳循環(huán)描述范文第5篇

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；生態(tài)學(xué)；數(shù)據(jù)挖掘

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)在社交網(wǎng)絡(luò)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等的推動下，呈爆炸式增長[1]。2012年3月，“大數(shù)據(jù)的研究和發(fā)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(fā)展大數(shù)據(jù)的收集和分析技術(shù)，改善其分析工具，從而推進(jìn)從海量數(shù)據(jù)中獲取各種資源的能力。2012年7月，“首屆中國大數(shù)據(jù)應(yīng)用論壇”在我國北京大學(xué)舉行[3]。論壇議題涉及大數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢、大數(shù)據(jù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用、云計算和大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)和商業(yè)智能等方面，旨在探討大數(shù)據(jù)在當(dāng)代社會的應(yīng)用價值。同時，生態(tài)保護(hù)問題愈來愈嚴(yán)峻，環(huán)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(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用可以解決這些問題。為此，準(zhǔn)確、高效、及時的獲取生態(tài)數(shù)據(jù)是分析生態(tài)管理機(jī)制、構(gòu)建和諧社會的前提[4]。

1大數(shù)據(jù)概述

1.1大數(shù)據(jù)的概念

“大數(shù)據(jù)”是通過對各種數(shù)據(jù)的整合、共享和交叉分析，在云計算的數(shù)據(jù)處理模式和應(yīng)用方法的基礎(chǔ)上，由結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型眾多、數(shù)量巨大的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的集合[5]。大數(shù)據(jù)的特點可以總結(jié)為4個V，即Volume(體量浩大)、Variety(模態(tài)繁多)、Velocity(生成快速)和Value(價值巨大但密度很低)[6]。而大數(shù)據(jù)在人們的認(rèn)識中，最直觀的印象就是大量復(fù)雜數(shù)據(jù)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(yè)大量具有潛在價值的規(guī)律，因此，大數(shù)據(jù)成為信息時代人們新的關(guān)注焦點。現(xiàn)在，各個國家眾多的科研機(jī)構(gòu)、政府部門和企事業(yè)單位高度關(guān)注大數(shù)據(jù)，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，形成了一輪對大數(shù)據(jù)的研究熱潮[7,8]。從生態(tài)學(xué)角度來看，大數(shù)據(jù)這個“環(huán)境切入點”與以往環(huán)境問題的處理不同之處在于，它不是一個未被挖掘的環(huán)境管理視點，而是一個方法、規(guī)律等確定，靜待被應(yīng)用的切入點，科技界、學(xué)術(shù)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(yè)均在探尋大數(shù)據(jù)層面上的有效技術(shù)分析手段[9,10]，同樣，對于生態(tài)學(xué)上，大數(shù)據(jù)也將引發(fā)新的熱潮。

1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國是全球大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)祥地，也是全球大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的中心[11]。目前，金融界特別關(guān)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(zhí)照后的短短幾年內(nèi)，到2012年6月份其微貸企業(yè)已經(jīng)達(dá)到12.9萬家，年底微小企業(yè)已超過20萬家，貸款總額度達(dá)260億萬元。阿里金融背后的實質(zhì)是什么？有兩個方面，一個是對大數(shù)據(jù)的正確經(jīng)營與管理，另一個是善于業(yè)務(wù)創(chuàng)新，它們的結(jié)合，顛覆了金融行業(yè)[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(shù)據(jù)，但并沒有對其價值進(jìn)行深入挖掘。相反，蘋果公司在跟運營商簽訂合同時規(guī)定，運營商要將大部分有用數(shù)據(jù)提供給公司。由此，任何運營商得到的用戶體驗數(shù)據(jù)都無法與蘋果公司相比。制造業(yè)方面，華爾街依據(jù)購物網(wǎng)站上面的顧客評論，分析各企業(yè)的產(chǎn)品銷售狀況。這些企業(yè)，將顧客消費進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)適當(dāng)采購、合理庫存和科學(xué)管理。制造商們則分析顧客的網(wǎng)上購物數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的強(qiáng)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(zhàn)勝了五屆世界冠軍巴西，除了技術(shù)水平的因素外，德國對于科隆大學(xué)建立的數(shù)據(jù)庫也起到了巨大的作用。研究人員將巴西隊所有的數(shù)據(jù)和信息都收集起來，進(jìn)而進(jìn)行分析，從中獲取有價值的信息，在這些基礎(chǔ)上制定比賽策略[14]。與國外相比，國內(nèi)起步稍晚，還比較零散和缺乏系統(tǒng)性。但隨著大數(shù)據(jù)對人們生活影響的不斷加深，人們對大數(shù)據(jù)關(guān)注的熱情也是不斷高漲。近兩年，大數(shù)據(jù)在國內(nèi)得到迅速發(fā)展，但目前的研究還主要是集中在大數(shù)據(jù)挖掘方法和算法[15]。在高校中，數(shù)據(jù)挖掘及應(yīng)用得到體現(xiàn)，高校思想政治教育工作已經(jīng)具備了大數(shù)據(jù)的特征[16]。例如，通過對近幾年高校學(xué)生活動方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，可以分析出學(xué)生的興趣和關(guān)注點的變化，從而對學(xué)生活動進(jìn)行及時的調(diào)整，不斷促進(jìn)學(xué)生成長成才，擴(kuò)大學(xué)生活動的參與度并提高影響力。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在中醫(yī)藥分析上同樣適用。姚美村[17]等應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，以文獻(xiàn)中收錄的106首治療消渴病的中藥復(fù)方為研究對象，對治療消渴病的中藥復(fù)方中的配伍科學(xué)內(nèi)涵進(jìn)行分析和研究，運用ACCESS技術(shù)，借助關(guān)聯(lián)規(guī)則分析的方法，建立了中藥復(fù)方特征數(shù)據(jù)庫。在全球各行業(yè)中，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)已形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，企業(yè)數(shù)量驚人，涉及司法、公共服務(wù)、零售、金融等眾多行業(yè)。大數(shù)據(jù)是個跨學(xué)科的領(lǐng)域，我國發(fā)展大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)，既要吸收和消化西方先進(jìn)的技術(shù)和經(jīng)驗，又要鼓勵自主創(chuàng)新，迎頭趕上[18]。

2大數(shù)據(jù)在生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用

2.1牧草研究中的應(yīng)用

我國牧草種質(zhì)資源研究工作比較分散，雖然積累了一些關(guān)于資源收集、篩選、鑒定、保存和利用方面的資料、經(jīng)驗，但觀測項目、測試方法和評價標(biāo)準(zhǔn)沒有一致性[19]。對牧草種質(zhì)資源的可靠性和系統(tǒng)性產(chǎn)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(zhì)資源各描述符的字段名稱、類型、長度、小數(shù)位、代碼等，以建立統(tǒng)一、規(guī)范的苜蓿種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫，以便于苜蓿種質(zhì)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(zhǔn)確、可靠的科學(xué)信息。在我國各種牧草當(dāng)中，紫花苜蓿被稱為“牧草之王”，適用于干旱、鹽堿地區(qū)，是開發(fā)旱區(qū)和鹽堿地的重要選擇，利用現(xiàn)代技術(shù)對根瘤菌進(jìn)行接種溫室培養(yǎng)，測定其逆境存活率、各項生理指標(biāo)、離子進(jìn)出根細(xì)胞情況以及差異基因的相關(guān)數(shù)據(jù)，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，科研工作者就可以對數(shù)據(jù)中所表現(xiàn)出的信息進(jìn)行分析研究，探索苜蓿根瘤菌共生對干旱及鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)制。

2.2農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的應(yīng)用

溫室效應(yīng)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(tài)系統(tǒng)碳源進(jìn)行探究。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)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(tǒng)計資料，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳源、凈碳匯做出初步估算，再運用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)手段收集整理農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)中所隱含的信息，分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的時空差異。例如：王紹強(qiáng)[20]運用基于多年平均氣候數(shù)據(jù)建立的陸地碳平衡模型，對我國東北地區(qū)碳通量進(jìn)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(jīng)緯度網(wǎng)格為空間單元，結(jié)合遙感數(shù)據(jù)和氣象資料等對中國土壤和植被碳儲量進(jìn)行估算。

2.3草地資源管理中的應(yīng)用

合理的放牧強(qiáng)度、適宜的牲畜種類、最佳的放牧季節(jié)和合理的畜群分布，都是以正確認(rèn)識草地資源、精確資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以此做出正確的判斷并采取適當(dāng)?shù)拇胧云谌〉米罴焉鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)效益。采用一般傳統(tǒng)的方法和技術(shù)是不可能實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)的，因此，為解決草地資源的動態(tài)監(jiān)測與估產(chǎn)、草地管理利用及自然災(zāi)害預(yù)報中存在的各種問題，科研工作者需要尋求適應(yīng)發(fā)展的新技術(shù)，以迅速了解畜群動態(tài)、分布和草原植被的生長、消耗等數(shù)據(jù)信息，提高精確化優(yōu)勢。從草原植被的樣方測查到GIS技術(shù)的應(yīng)用及草業(yè)地理信息學(xué)的產(chǎn)生，恰恰反映了草地資源管理從一般性描述到由大數(shù)據(jù)引發(fā)的精確化發(fā)展的過程[22~25]。

3大數(shù)據(jù)在生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢

3.1提高生態(tài)管理效率

生態(tài)系統(tǒng)的改善和保護(hù)所涉及工程量較大，而大數(shù)據(jù)的大體積特性有助于解決這種困境，在大數(shù)據(jù)中，隨著數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的增多，所消耗的計算工作量則遞減，換言之，在對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行管理過程中，管理成本會隨著大數(shù)據(jù)的聚合而減小，這種高效工作能有效減少人力和物力，進(jìn)而提高生態(tài)研究工作者的工作效率。例如，監(jiān)測較大地理區(qū)域范圍內(nèi)或較長時間內(nèi)發(fā)生的生態(tài)事件和變化過程時，用遙感數(shù)據(jù)提取某一區(qū)域的植被指數(shù)變化信息，然后把植被指數(shù)作為某一生態(tài)過程模型的輸入?yún)?shù)進(jìn)行計算，就可以節(jié)省大量的人力物力，提高工作效率。

3.2節(jié)約資金

近幾十年生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，我國在生態(tài)方面投入大量資金，在智能生態(tài)管理下，盡管引入處理大數(shù)據(jù)的設(shè)備以及每年對其的維護(hù)需要一定的耗費，但是從長遠(yuǎn)來看，其經(jīng)濟(jì)效益更大，如在引入大數(shù)據(jù)處理草地資源管理的各項問題之前，主要依賴于人工調(diào)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(shù)據(jù)管理系統(tǒng)引入之后，其覆蓋面更廣，信息準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)的智能管理系統(tǒng)特別適于處理大型數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的設(shè)計是基于云計算、云管理和云操作系統(tǒng)的，因此不僅能滿足海量數(shù)據(jù)處理及實時分析的要求，更能覆蓋所有網(wǎng)絡(luò)。由全球定位系統(tǒng)(GPS)、數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)(DPS)、遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和專家系統(tǒng)(ES)等五S技術(shù)整體結(jié)合所構(gòu)成的GIS系統(tǒng)，不僅能夠自動、實時地采集、處理和更新海量數(shù)據(jù)，而且能夠智能地分析和運用數(shù)據(jù)，具有高度自動化、實時化和智能化等優(yōu)點，為生態(tài)領(lǐng)域提供了科學(xué)的決策咨詢。

4大數(shù)據(jù)在生態(tài)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)的運用仍存在一些困難與挑戰(zhàn)，體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)挖掘的四個環(huán)節(jié)中。首先在數(shù)據(jù)收集方面，要對來自物聯(lián)網(wǎng)及各種機(jī)構(gòu)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)去偽存真，找出時空差異，收集異源、異構(gòu)的數(shù)據(jù)，必要時還要與歷史數(shù)據(jù)作對比，多角度驗證數(shù)據(jù)的可信性和價值性。其次是數(shù)據(jù)存儲，在存儲時通常要用到冗余配置、分布化和云計算技術(shù)，按照一定規(guī)律對數(shù)據(jù)進(jìn)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(biāo)簽，以達(dá)到低成本、低能耗、高可靠性的目標(biāo)。第三是數(shù)據(jù)處理，生態(tài)學(xué)的數(shù)據(jù)復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)樣本本身，更體現(xiàn)在多源異構(gòu)、多實體和多空間的交叉互動上，工作者很難用傳統(tǒng)方法對其進(jìn)行描述與度量，因此，筆者需要將高維圖像等多媒體數(shù)據(jù)降維后再進(jìn)行度量與處理，通過上下文關(guān)聯(lián)分析，從大量模棱兩可的數(shù)據(jù)中綜合各種信息，從而導(dǎo)出可理解的內(nèi)容。第四是結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，目前，盡管計算機(jī)智能化有了很大進(jìn)步，但還只能針對小規(guī)模、有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，談不上深層次的數(shù)據(jù)挖掘，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)挖掘算法在生態(tài)管理行業(yè)中難以通用。總的來說，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的研究尚處于起步階段，其前景廣闊，同時充滿挑戰(zhàn)。

5結(jié)論

大數(shù)據(jù)對人類產(chǎn)生的影響，就像顯微鏡一樣[26]。4個世紀(jì)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(jìn)到了細(xì)胞水平，這使人類社會發(fā)展產(chǎn)生了歷史性的進(jìn)步。現(xiàn)在，大數(shù)據(jù)成為人們分析事物、觀察自然的顯微鏡。因此，根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，利用大數(shù)據(jù)探索生態(tài)系統(tǒng)中物流、能流和價值流的定量特征，建立和發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)的理論基礎(chǔ)和方法，實現(xiàn)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)資源的可持續(xù)利用[27]，為政府宏觀決策、企業(yè)戰(zhàn)略選擇和農(nóng)戶增收提供科學(xué)依據(jù)，將成為大勢所趨。

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