生态信息与生态系统模拟

课程编码：071300M01002H 英文名称：Ecological Informatics and Ecosystem Modelling 课时：72 学分：4.00 课程属性：一级学科核心课 主讲教师：于强等

教学目的：
生态信息和生态系统模拟是专业核心课程，它的核心是定量研究生态学过程，并应用计算机科学和信息技术解决生态学问题。本课程将系统地学习生态信息学的基本理论与方法，强化数据分析方法和计算机模拟的技能，培养学生应用生态系统模型解决现实的生态学问题的能力。

教学要求：
熟悉生态信息学的理论和方法，了解生态信息技术的前沿动态；掌握生态系统建模、模型优化与统计检验的方法；掌握一门编程语言，并具备应用编程方法针对生态过程的生产力、水、碳循环等的定量估算；能够应用现有的模型软件，进行模拟分析，解决特定的生态学问题。

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1. 绪论（1学时，于强）
1.1 生态信息和生态模拟在生态学研究中的作用
1.2 课程的目标、实习报告要求与考试事项

2. 生态模拟的原理与方法（2学时，于强）
2.1 生态模拟中的系统学思想和系统方法
2.2 生态模拟的前沿进展和发展方向

3. 生理生态模型与作物模型（12学时，于强）
3.1 植物光合作用、蒸腾作用对环境条件的响应
3.2 光合作用模型
3.3 蒸腾与气孔模型
3.4 植被生理生态实验和模拟方法（上机实习）
3.5 作物模型的原理与方法
3.6 作物模型应用（上机实习）

4. 生态信息学的原理与方法（15学时，何洪林）
4.1 生态信息学的概念及其在生态学研究中的意义
4.2 生态信息技术的产生背景和发展历程
4.3 生态信息学主要研究内容
4.4 生态信息学案例
4.5 生态大数据与生态数据获取技术
4.6 生态数据管理技术
4.7 生态数据分析与模型数据融合技术
4.8 中国生态系统研究网络监测数据获取与分折（上机实习）

5. 生态水文模型与数据同化（15学时，莫兴国）
5.1 蒸散模型与推演
5.2 生态水文过程与生态水文模拟方法
5.3 VIP模型的结构与应用（上机实习）
5.4 遥感应用与生态模型的数据同化方法

6. 陆地生态系统关键水热过程遥感模拟原理与方法（9学时，孙志刚）
6.1 生态系统关键水热过程遥感模拟原理
6.2 生态系统关键水热过程遥感模拟方法
6.3 水热过程遥感模型与应用（上机实习）

7. 生态系统的碳氮循环模型与应用（15学时，王绍强）
7.1 生态系统的碳氮循环模型
7.2 生态系统碳氮循环与遥感信息的耦合
7.3 区域碳循环的估算与气候交互作用（上机实习）

8. 考试（3学时，于强）

1. Yu, Q. and Wang, T.D., 1998. Simulation of the physiological responses of C3 plant leaves to environmental factors by a model which combines stomatal conductance, photosynthesis and transpiration. Journal of Integrative Plant Biology, 40(8): 740-754.（植物学报）
2. 于强，任保华，王天铎，孙淑芬，C3植物光合作用日变化的模拟，大气科学，1998年第6期。
3. Yu, Q.*, Zhang, Y.G., Liu, Y.F. and Shi, P.L., 2004. Simulation of the stomatal conductance of winter wheat in response to light, temperature and CO2 changes. Annals of Botany, 93(4): 435-441.
4. Collatz G J, Ball J T, Grivet C et al. Physiological and environmental regulation of stomatal conductance, photosynthesis and transpiration. Agricultural and Forest Meteorology, 1991, 54(2-4):107-136.
5. Sun ZG, Gebremichael M, Wang QX. Evaluation of Empirical Remote Sensing-Based Equations for Estimating Soil Heat Flux. Journal of the Meteorological Society of Japan, Nov 2013, 91(5):627-638.
6. Sun ZG, Gebremichael M, Wang QX, Wang JM, Sammis TW, Nickless A. Evaluation of Clear-Sky Incoming Radiation Estimating Equations Typically Used in Remote Sensing Evapotranspiration Algorithms. Remote Sensing, Oct 2013, 5(10):4735-4752.
7. Sun ZG, Wang QX, Matsushita B, Fukushima T, Ouyang Z, Watanabe M, Gebremichael M. Further evaluation of the Sim-ReSET model for ET estimation driven by only satellite inputs. Hydrological Sciences Journal-Journal Des Sciences Hydrologiques, Jul 1 2013, 58(5):994-1012.
8. Sun ZG, Wang QX, Matsushita B, Fukushima T, Zhu OY, Watanabe M. A New Method to Define the VI-Ts Diagram Using Subpixel Vegetation and Soil Information: A Case Study over a Semiarid Agricultural Region in the North China Plain. Sensors, Oct 2008, 8(10):6260-6279.
9. Sun Z, Gebremichael M, Ardo J, Nickless A, Caquet B, Merboldh L, Kutschi W. Estimation of daily evapotranspiration over Africa using MODIS/Terra and SEVIRI/MSG data. Atmospheric Research, Aug 2012, 112:35-44.
10. Sun Z, Gebremichael M, Ardo J, de Bruin HAR. Mapping daily evapotranspiration and dryness index in the East African highlands using MODIS and SEVIRI data. Hydrology and Earth System Sciences, 2011, 15(1):163-170.
11. Sun ZG, Wang QX, Matsushita B, Fukushima T, Ouyang Z, Watanabe M. Development of a Simple Remote Sensing EvapoTranspiration model (Sim-ReSET): Algorithm and model test. Journal of Hydrology, Oct 15 2009, 376(3-4):476-485.
12. Jones J. W.，Hoogenboom G.，Porter C. H.et al.， The dssat cropping system model. European Journal of Agronomy， 2003， 18（3-4）: 235-265.
13. Kiniry J. R.，Bean B.，Xie Y.et al.， Maize yield potential: critical processes and simulation modeling in a high-yielding environment. Agricultural Systems， 2004， 82（1）: 45-56.
14. Lobell D. B.，J Ivan O.， Regional importance of crop yield constraints: linking simulation models and geostatistics to interpret spatial patterns. Ecological Modelling， 2006， 196（1-2）: 173-182.
15. Lawlor D. W.， Photosynthesis， productivity and environment. Journal of Experimental Botany， 1995， 46（Special Issue）: 1449-1461.
16. Lu, C., Fan, L., 2013. Winter wheat yield potentials and yield gaps in the North China Plain. Field Crops Res 143, 98-105.
17. van Ittersum M.，Leffelaar P.，van Keulen H.et al.， On approaches and applications of the wageningen crop models. European Journal of Agronomy， 2003， 18（3-4）: 201-234.
18. Williams J. R.， The erosion-productivity impact calculator， volume 1. Model documentation. Washington D.C.: Agricultural Research Service， United States Department of Agriculture. 1983.
19. Williams J. R.，Izaurralde R. C.， The apex model. Temple， TX: Blackland Research Center， Texas， A&M University. 2005. 164.
20. Williams J. W.，Izaurralde R. C.，Steglich E. M.， Agricultural policy/environmental extender model--theoretical documentation version 0604. 2008.

于强，男，1962年10月生，安徽阜阳人，中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程院重点实验室研究员，博士生导师。入选1997年度中科院百人计划，2016年入选国家特聘专家。1984年毕业于南京气象学院农业气象专业，1994年毕业于南京大学，获得气候学博士学位，1994-1996年在中国科学院上海植物生理研究所光合作用研究室做博士后。曾任中科院地理科学与资源研究所禹城综合试验站副站长、栾城农业生态站站长、中科院生态系统网络观测与模拟重点实验室副主任等职务。曾任美国农学会主办的《Agronomy Journal》的副主编（Associate Editor），曾作为SCI刊物《Agricultural and Water Management》的特约主编（Guest Editor，2010, 2018）。现任中国农学会农业气象分会副理事长。于强研究员先后主持或参与了国家攀登计划项目、国家863项目、973项目、国家自然科学基金重大项目、面上基金项目等。与美国、德国、荷兰、澳大利亚、加拿大等国家的科学家有密切的联系，并建立多种实质性的合作交流机制。发表SCI文章150余篇, 总引用8,000余次（据Google Scholar统计）。拥有软件著作权等知识产权多项，获得华夏英才出版基金，出版专著《农田生态过程与模型》一部（科学出版社，2007），在剑桥大学出版社出版《Vegetation Dynamics》专著一部（合著）。主要从事生态系统模型研究，涉及气候变化对农业影响、陆面过程与生态系统碳氮循环、水资源管理和粮食安全。在作物光合作用基础理论模型和农田水分传输方面开展大量的实验和模型研究工作，取得了突出的成果，开发了有自主知识产权的中国农业系统模型。
何洪林，男，博士，1971年生，中国科学院地理科学与资源研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中国科学院现有关键技术人才，国家重点研发项目首席科学家。现任生态系统网络观测与模拟院重点实验室副主任，中国生态系统研究网络（CERN/ CNERN）综合中心副主任，生态系统大数据与模拟中心主任，国际长期生态系统研究网络信息管理委员会委员，国家野外台站实施方案（2018-2022）编制核心工作组成员。1992年、1998年分别获得南京大学自然资源管理专业学士和环境地学硕士学位。2001年获华东师范大学地理信息系统博士学位。2001-2004年在中国科学院地理科学与资源所从事生态信息学博士后研究。2001-2002年香港中文大学访问学者，2009年俄克拉荷马大学访问学者。先后主持科技部国家重点研发计划“基于多源数据融合的生态系统评估技术及其应用研究”、中国科学院先导专项课题“我国陆地生态系统固碳潜力与速率的综合模拟与集成分析”、中国科学院STS项目“CERN大数据中心数据云的关键技术及其应用研究”、国家自然科学基金3项，参与“十一五”、“十二五”生态监测和评估支撑项目，完成鄱阳湖流域生态监测与评估系统开发，建立了中国生态系统研究网络数据集成、同化系统。近年来，研究方向重点关注陆地生态系统碳循环过程的变化机制及模型数据融合。近五来发表学术论文100余篇，其中SCI收录50余篇，以第一作者或通讯作者在Global Change Biology、National Science Review、Earth System Science Data等国际主流期刊发表论文20余篇，编写专著3部，参与制定国家标准1项，获软件著作权17项。获得2010及2011年国家科技进步二等奖 ，2008环保部科技进步一等奖 。
莫兴国，男，1966年生于广西桂林。中国科学院地理科学与资源研究所研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。1988和1990年在南京大学获大气科学学士和硕士学位。1993年在中国科学院地理研究所获自然地理学农业生态系统方向博士学位，毕业后留所工作至今。1996年起任副研究员。2004年起任研究员。曾赴美国农业部、英国Lancaster 大学、加拿大多伦多大学、丹麦技术大学等进行合作研究。主持和完成了多项国家自然科学基金项目、国家重大基础研究计划（973）项目课题、国家高新技术（863）计划课题。目前主持国家重点研发计划国际合作重点专项、中国科学院战略先导专项A类专题、国家自然科学基金重大项目专题等。在土壤-植被-大气传输机理，流域生态水文-水力过程综合模拟，生态水文模型-遥感信息同化、参数反演和尺度转换，陆地生态系统对气候变化响应等方面取得具有影响力的研究成果, 主要包括：(1)自主开发了VIP生态水文动力学模型，它是基于土壤-植被-大气系统能量转化、植被动态、土壤碳氮平衡和流域水文过程的综合模型，可用于流域水文与生态过程的定量模拟预测，为变化环境下流域生态水文研究提供软件平台。(2) 提出了地表能量转化的三源模拟方法、地表降雨产流的变蓄水容量模拟方案、模型和遥感同化的光合参数反演方法，显著提高了大尺度生态水文要素和通量的模拟精度。(3)揭示了华北主要作物对气候变化的响应机理，确定了气候变化对华北作物耗水和产量的影响幅度。 (4)发展了生态系统变化的归因方法，确定了华北平原气候变化、大气CO2 浓度升高、人类活动对华北地区作物产量和耗水变化的相对贡献。(5)对区域蒸散、植被生产力变化的长期变化趋势和尺度效应开展了深入研究。(6)在区域干旱的历史变化、未来变化趋势方面开展了多模型、多指数的集合研究。迄今发表论文150多篇 (其中SCI 60多篇)，SCI论文他引2000多次，研究成果被IPCC评估报告引用；VIP作为专业模型之一被推荐用于2009年世界银行“华北平原农业对气候变化的适应项目”的科学评估。获得国家自然科学二等奖、河北省自然科学二等奖。
孙志刚，男，1976年生，汉族，江苏盐城人。2014年7月入选中国科学院“百人计划”A类，中国科学院地理科学与资源研究所研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。同时担任中科山东东营地理研究院院长、中科院地理资源所黄河三角洲研究中心主任、中科院禹城综合试验站副站长、中科院农业政策研究中心副主任、Journal of Resources and Ecology编委。长期开展陆地典型生态系统的空天地多尺度监测、模型开发与应用、遥感数据产品评价及其应用、农田生态系统对气候变化和人为活动的响应与适应、区域农业资源要素与农业系统优化等多项研究。先后参与/主持过日本环境省、JAXA、NASA、中科院、NSFC、科技部支持的项目/课题20余项，发表第一作者或者通讯作者SCI论文30余篇，参与编写著作2 部。目前研究领域涉及（1）农田生态系统多尺度监测、模拟和评估；（2）农田生态系统区域诊断和时空优化配置；（3）农田生态系统对气候变化的响应和适应；（4）微小型无人机及其在农业中应用；（5）遥感与大数据及其在农业中应用；（6）农业系统优化与区域可持续发展。
王绍强，男，1972年出生于湖北襄樊。中国科学院地理科学与资源研究所研究员，现任中国科学院地理科学与资源研究所所长助理、中科院生态系统网络观测与模拟重点实验室副主任，全球碳计划北京办公室副主任。曾担任中国科学院千烟洲红壤丘陵综合开发试验站站长（2006-2008）、所科研处处长（2008-2016）。研究领域包括生态系统生态学、全球变化生态学、生态学模型、生态遥感。2001年荣获START（全球变化分析、研究和培训系统组织）青年科学家奖、中科院王宽诚博士后工作奖励基金，2002年荣获START（全球变化分析、研究和培训系统组织）奖学金。从2002年开始已在国际刊物上发表53篇SCI检索论文，在国内核心期刊上发表文章50余篇。出版专著一部《基于遥感和模型模拟的中国陆地生态系统碳收支》。已经培养硕士生11名，博士生5名。