“系统生态学”的版本间的差异

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====[https://campus.swarma.org/course/3635 地球系统科学简史：理解地球复杂性的多学科探索历程]
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地球科学是研究相互作用的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等组成的地球系统的形成、演化机制的学科。地球科学的研究对象是一个复杂的物理系统，从远古时代，人类便观察到一些独特的自然现象，在生产生活实践中，也尝试理解地球系统不同组成要素的联系，渐渐总结出了看云识天气，瑞雪兆丰年等一些列规律。但是这些经验化的规律并不能完全刻画地球系统的变化，随着现代科学的不断发展，科学家尝试对复杂的地球系统进行定量化的研究。地球的气候系统是众多的复杂系统之一，在 20 世纪 60 年代，美国气象学家真锅淑郎开始探索大气中辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用，据此领导了第一个地球气候物理模型的开发，并展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。大约十年后，德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，并进一步回答了尽管天气多变而混沌，但气候模型却仍然可靠。此外他还开发了识别特定信号和印记（指纹）的方法，发现自然过程和人类活动都会在气候变化中留下指纹，证明了第一次工业革命以来大气温度的快速升高主要是是由人类排放二氧化碳导致的。这些开创性的工作，也让真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼获得了2021年的诺贝尔物理学奖。
 
地球科学是研究相互作用的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等组成的地球系统的形成、演化机制的学科。地球科学的研究对象是一个复杂的物理系统，从远古时代，人类便观察到一些独特的自然现象，在生产生活实践中，也尝试理解地球系统不同组成要素的联系，渐渐总结出了看云识天气，瑞雪兆丰年等一些列规律。但是这些经验化的规律并不能完全刻画地球系统的变化，随着现代科学的不断发展，科学家尝试对复杂的地球系统进行定量化的研究。地球的气候系统是众多的复杂系统之一，在 20 世纪 60 年代，美国气象学家真锅淑郎开始探索大气中辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用，据此领导了第一个地球气候物理模型的开发，并展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。大约十年后，德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，并进一步回答了尽管天气多变而混沌，但气候模型却仍然可靠。此外他还开发了识别特定信号和印记（指纹）的方法，发现自然过程和人类活动都会在气候变化中留下指纹，证明了第一次工业革命以来大气温度的快速升高主要是是由人类排放二氧化碳导致的。这些开创性的工作，也让真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼获得了2021年的诺贝尔物理学奖。
  

2022年1月21日 (五) 12:20的版本

生态系统中CO2的生态学分析

系统生态学 Systems Ecology是一个跨学科的生态学领域，是地球系统科学 Earth System Science的一个子集，它采用整体的方法研究生态学中的系统，尤其是生态系统。[1][2][3]系统生态学可以看作是一般系统理论在生态学中的应用。系统生态学方法的核心思想是，生态系统是一个具有突显特性的复杂系统。系统生态学侧重于，生物的系统和生态的系统之间或内部的相互作用和交换，尤其关注人类干预对生态系统功能的影响。它使用并扩展了热力学中的概念，同时开发了其他复杂系统的宏观描述。


概览

依照R.L.Kitching所说，系统生态学寻求生物的系统和生态的系统内部，以及它们之间的相互作用和交换的整体的 Holistic观点。系统生态学家意识到，任何生态系统的功能都可能从根本上受到人类经济学的影响。他们因此采取了额外的跨学科步骤，将经济学纳入生态经济 Ecological-economic系统的考虑。返回文章页面风筝:[4]


  • Systems ecology can be defined as the approach to the study of ecology of organisms using the techniques and philosophy of systems analysis: that is, the methods and tools developed, largely in engineering, for studying, characterizing and making predictions about complex entities, that is, systems.
系统生态学可以被定义为使用系统分析的技术和哲学研究生物体生态学的方法: 也就是说，方法和工具的开发，主要是在工程，研究，表征和预测复杂的实体，也就是系统。


  • In any study of an ecological system, an essential early procedure is to draw a diagram of the system of interest ... diagrams indicate the system's boundaries by a solid line. Within these boundaries, series of components are isolated which have been chosen to represent that portion of the world in which the systems analyst is interested ... If there are no connections across the systems' boundaries with the surrounding systems environments, the systems are described as closed. Ecological work, however, deals almost exclusively with open systems.
在任何一个生态系统的研究中，一个基本的早期步骤是绘制一个关注系统的图表... 图表用实线表示系统的边界。在这些边界内，一系列的组件被隔离，这些组件被选择来代表系统分析师感兴趣的那部分世界...如果系统的边界与周围的系统环境之间没有连接，那么系统就被描述为封闭的。然而，生态学工作几乎只涉及开放系统。[5]


作为一种科学探究方式，系统生态学的一个核心特征就是能量学原理 Principles of Energetics在任何尺度的所有系统中的普遍应用。这个观点最著名的支持者是Howard T. Odum，他有时被认为是生态系统生态学之父。在这种方法中，能量学原理构成了生态系统原理 Ecosystem Principles。通过从一个系统到另一个系统的形式进行类比推理，系统生态学家可以看到生态系统原理以类似的方式，跨越系统的尺度边界而发挥作用。H.t.Odum 通常将能源系统语言 Energy Systems Language作为制作系统图和流程图的一个工具。


原理中的第四条，最大功率效率原理 Principle of Maximum Power Efficiency，在生态系统的分析和综合的过程中中占据中心地位。第四项原理认为，当环境负荷与系统内部阻力相匹配时，系统功能将发生于进化最有利的改变。环境负荷与内阻的匹配性越差，系统离可持续稳定状态越远。因此，系统生态学家像电子工程师一样，在生态工程中从事匹配电阻和阻抗的工作。

密切相关的领域

深层生态学 Deep ecology

深层生态学是一种与生态学密切相关的形而上学的基础意识形态。这个术语是由一位挪威哲学家、甘地学者，同时也是环境活动家——Arne Naess创造的。他认为，目前流行的环境管理方法是以人类为中心的 Anthropocentric，自然环境不仅“比我们想象的更复杂，而是比我们能想象到的更复杂”Naess 于1973年在布达佩斯的一次环境会议上提出了深层生态学的概念。


Joanna Macy、John Seed和其他人将Naess的论点发展成他们称为经验性深层生态学的一个分支。他们之所以作出这些努力，是因为他们认为需要发展“生态自我” ，将人的自我视为包括个人在内的生命系统的一个组成部分。他们试图超越利他主义 Altruism，以超越人类沙文主义的生物学的平等 Biospherical Equality为基础，实现更深层次的自我利益。


地球系统工程与管理 Earth systems engineering and management

地球系统工程与管理 Earth systems engineering and management（ESEM）是一门用于分析、设计、工程和管理复杂环境系统学科。它广泛涉及多个学科领域，包括人类学、工程学、环境科学、伦理学和哲学。ESEM 的核心是“以具有高度整合性并且道德的方式，合理地设计并管理人与自然的耦合系统”



生态经济学 Ecological economics

生态经济学是学术研究中，研究人类经济和自然生态系统之间动态和空间相互依存关系的一个跨学科领域。生态经济学把自然科学和社会科学的不同学科联系在一起，尤其是在广泛的领域之间。顾名思义，这个领域会由具有经济学和生态学相关背景的研究人员组成。生态经济学产生的一个重要动因是对传统(主流)环境资源经济学的假设和方法的批判。



生态能量学 Ecological energetics

生态能量学是对生态系统中能量流动的定量研究。它旨在揭示描述这种能量流通过营养或生态网络时的能量利用水平的倾向的原理。在系统生态学中，生态系统能量流动原理或“生态系统规律”（即:生态能量学原理）被认为在形式上类似于能量学原理 Principles of Energetics。



生态人文学科

生态人文旨在弥合科学与人文之间的沟壑，弥合西方、东方和本土对自然的认识方式。就像生态中心的政治理论一样，生态人文学科的特点是将本体论和对两个基本公理，即必须服从生态法则，并将人类视为更大的生命系统的一部分，的承诺连接起来。



生态系统生态学 Ecosystem ecology

美国新罕布什尔州怀特山脉的河岸森林

生态系统生态学是生态系统的生物和非生物组成部分及其在生态系统框架内的相互作用的综合研究。它主要研究生态系统是如何工作的，并将其与化学物质、基岩、土壤、植物和动物等组成部分联系起来。生态系统生态学研究物理和生物结构以及这些生态系统特征是如何相互作用的。


系统生态学和生态系统生态学之间的关系是复杂的。许多系统生态学可以被认为是生态系统生态学的一个子集。生态系统生态学也使用了一些与系统生态学的整体方法无关的方法。然而，系统生态学更积极地考虑外部影响，比如经济学，它通常超出了生态系统生态学的范围。生态系统生态学可以被定义为生态系统的科学研究，而系统生态学更多算是采用某种特殊的方法来研究生态系统和与这些系统相互作用的现象。


工业生态学

工业生态学研究作为线性（开放式循环）系统的工业过程，其中资源和资本投资的流动通过该系统变成废料，接着进入一个封闭式循环系统，废料便成为新一次过程的投入。


另见


参考文献

  1. ↑ Shugart, Herman H. (Herman Henry), 1944-; O'Neill, R. V. (Robert V.), 1940-. Systems ecology. ISBN 0-87933-347-2. OCLC 4664585. 
  2. ↑ Van Dyne, George M., 1932- (1966). Ecosystems, systems ecology, and systems ecologists.. Oak Ridge National Laboratory, Health Physics Divisions. OCLC 4247138. 
  3. ↑ Wilkinson, David M., 1963- (2006). Fundamental processes in ecology : an earth systems approach. Oxford University Press. ISBN 0-19-856846-0. OCLC 67383832. 
  4. ↑ Kitching, R. L. (Roger Laurence), 1945- (1983). Systems ecology : an introduction to ecological modelling. University of Queensland Press. p. 9. ISBN 0-7022-1813-8. OCLC 8845946. 
  5. ↑ Kitching, R. L. (Roger Laurence), 1945- (1983). Systems ecology : an introduction to ecological modelling. University of Queensland Press. p. 11. ISBN 0-7022-1813-8. OCLC 8845946. 


文学

  • Gregory Bateson, Steps to an Ecology of Mind, 2000.
  • Kenneth Edmund Ferguson, Systems Analysis in Ecology, WATT, 1966, 276 pp.
  • Efraim Halfon, Theoretical Systems Ecology: Advances and Case Studies, 1979.
  • J. W. Haefner, Modeling Biological Systems: Principles and Applications, London., UK, Chapman and Hall 1996, 473 pp.
  • Richard F Johnston, Peter W Frank, Charles Duncan Michener, Annual Review of Ecology and Systematics, 1976, 307 pp.
  • Jorgensen, Sven E., "Introduction to Systems Ecology", CRC Press, 2012.
  • R.L. Kitching, Systems ecology, University of Queensland Press, 1983.
  • Howard T. Odum] Systems Ecology: An Introduction, Wiley-Interscience, 1983.
  • Howard T. Odum, Ecological and General Systems: An Introduction to Systems Ecology. University Press of Colorado, Niwot, CO, 1994.
  • Friedrich Recknagel, Applied Systems Ecology: Approach and Case Studies in Aquatic Ecology, 1989.
  • James. Sanderson & Larry D. Harris, Landscape Ecology: A Top-down Approach, 2000, 246 pp.
  • Sheldon Smith, Human Systems Ecology: Studies in the Integration of Political Economy, 1989.
  • Shugart, H.H., O’Neil, R.V. (Eds.) Systems Ecology, Dowden, Hutchinson & Ross, Inc., 1979.
  • Van Dyne, George M., Ecosystems, Systems Ecology, and Systems Ecologists, ORNL- 3975. Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, pp. 1–40, 1966.
  • Patten, Bernard C. (editor), "Systems Analysis and Simulation in Ecology", Volume 1, Academic Press, 1971.
  • Patten, Bernard C. (editor), "Systems Analysis and Simulation in Ecology", Volume 2, Academic Press, 1972.
  • Patten, Bernard C. (editor), "Systems Analysis and Simulation in Ecology", Volume 3, Academic Press, 1975.
  • Patten, Bernard C. (editor), "Systems Analysis and Simulation in Ecology", Volume 4, Academic Press, 1976.

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地球系统科学简史：理解地球复杂性的多学科探索历程

地球科学是研究相互作用的大气圈、水圈、岩石圈和生物圈等组成的地球系统的形成、演化机制的学科。地球科学的研究对象是一个复杂的物理系统，从远古时代，人类便观察到一些独特的自然现象，在生产生活实践中，也尝试理解地球系统不同组成要素的联系，渐渐总结出了看云识天气，瑞雪兆丰年等一些列规律。但是这些经验化的规律并不能完全刻画地球系统的变化，随着现代科学的不断发展，科学家尝试对复杂的地球系统进行定量化的研究。地球的气候系统是众多的复杂系统之一，在 20 世纪 60 年代，美国气象学家真锅淑郎开始探索大气中辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用，据此领导了第一个地球气候物理模型的开发，并展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。大约十年后，德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，并进一步回答了尽管天气多变而混沌，但气候模型却仍然可靠。此外他还开发了识别特定信号和印记（指纹）的方法，发现自然过程和人类活动都会在气候变化中留下指纹，证明了第一次工业革命以来大气温度的快速升高主要是是由人类排放二氧化碳导致的。这些开创性的工作，也让真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼获得了2021年的诺贝尔物理学奖。

全球变暖显著地改变了地球系统的演化过程，由此引发的冰川退缩，海平面上升，极端天气气候事件频发等一系列的环境灾害，给人类社会也带来了许多严重的灾难。因此全球变暖不仅仅是一个科学前沿问题，更是一个重要的社会政治问题，影响着每个人的生存和发展。随着站点观测，卫星遥感、雷达等大量观测平台的相继建设，也产生了海量的地球系统观测数据，而目前经典的物理模型往往不能充分地利用这些数据，地球系统的许多问题也急需新的方法来深入解决。基于复杂网络的分析方法近些年来也被广泛运用，在中短期天气预报，二氧化碳空间不均匀分布的增暖效应，以及火灾的预测等问题上有了很多的创新性的工作。

此外，随着计算机技术、人工智能的快速发展，许多深度学习的方法比如神经网络、图网络等也被广泛地应用于分析和解决许多的地球科学问题，目前在大气污染预报，厄尔尼诺预测，自然灾害损失评估等领域有了明显的进展。复杂网络，深度学习等新方法的成功运用，给地球科学这门古老的学科注入了新的发展动力，也为解决当前地球科学面临的许多问题和迎接未来的挑战提供了强大动能。


从羊-草生态系统深入Turtle与Plot画图

这是一个你能想象到的最简单的生态系统，系统中只有两个种群：羊和草，羊悠闲吃草，并获得能量不断繁殖；然而，当羊的数量超过极限，草的供给远远跟不上的时候，羊开始大规模灭绝；好在，环境对草的补给也会慢慢跟上，于是羊儿再次繁衍起来，这一次，它们不再盲目扩张，而是学会了与草和谐相处。在这个例子中，我们将继续熟悉NetLogo，内容包括自定义子函数（模块）的编写，绘图框（Plot）的使用，秒表（Tick）的使用等功能。


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