生態(tài)系統(tǒng)科學研究與生態(tài)系統(tǒng)管理

　　摘要：中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)學科以生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學研究為核心，通過 研制生態(tài)系統(tǒng)觀測和模擬分析的技術和方法，探索解決區(qū)域性/大尺度生態(tài)學問題的理論和方 法，監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)變化，認知生態(tài)系統(tǒng)變化規(guī)律，推動生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學、生物地理生態(tài)學、全球 變化生態(tài)學和生態(tài)信息科學技術的發(fā)展，創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)管理模式，服務于國家和地方的生態(tài)建 設、應對全球變化及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。面向國家重大需求，在中國華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)、南方紅壤 丘陵林業(yè)區(qū)、青藏高原農(nóng)牧區(qū)以及黃土高原區(qū)等典型區(qū)域開展生態(tài)系統(tǒng)管理技術與模式的集 成與創(chuàng)新研究，著力解決國家生態(tài)文明建設和應對全球氣候變化中的重大生態(tài)學問題，推動區(qū) 域生態(tài)系統(tǒng)管理領域的科技進步。圍繞生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學學科前沿，著重在① 生態(tài)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)觀 測、模擬與信息管理，② 生態(tài)系統(tǒng)結構、過程與功能，③ 生態(tài)系統(tǒng)空間格局與機制，④ 生態(tài)系統(tǒng) 對全球變化的響應與適應，⑤ 生態(tài)系統(tǒng)管理與生態(tài)系統(tǒng)服務等五大主要研究方向，系統(tǒng)開展生 態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學前沿理論和實踐的創(chuàng)新研究，研究成果處于國內和國際生態(tài)學研究的科學前沿。

　　關鍵詞：生態(tài)系統(tǒng);生態(tài)信息;全球變化;生態(tài)系統(tǒng)管理;生態(tài)系統(tǒng)服務;可持續(xù)發(fā)展

　　1 引言

　　中國科學院地理科學與資源研究所 (簡稱地理資源所) 生態(tài)系統(tǒng)學科起源于中國科 學院綜合考察資源委員會 (簡稱綜考會)。20世紀50—80年代綜考會組織了國內大規(guī)模 的基礎科學考察�？疾旖Y束后，孫鴻烈、陽含熙和李文華等老一輩科學家意識到需要在 中國典型區(qū)開展長期的定位生態(tài)監(jiān)測工作。當時選擇了青藏高原、華北平原和南方紅黃 壤區(qū)分別建立了野外生態(tài)觀測和研究定位站。基于這些臺站和中國科學院其他研究所的 臺站，在1988年中國科學院成立了國家生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡 (Chinese Ecosystem Research Network, CERN)，正是這些野外臺站和研究網(wǎng)絡為地理資源所的生態(tài)學科打下了堅實的 基礎。

　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，地理資源所生態(tài)學科定位于以生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學研究為核心， 針對農(nóng)田、森林、高原生態(tài)系統(tǒng)以及區(qū)域和國家尺度的重大生態(tài)問題，綜合研究生態(tài)系 統(tǒng)與環(huán)境變化的關系及調控管理的理論和技術，致力于典型生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和國家尺度 生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)過程和空間格局變化的網(wǎng)絡觀測，以及模擬理論和分析關鍵技術創(chuàng)新，發(fā) 展和完善基于生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡的觀測、實驗、研究體系，推動生態(tài)信息獲取、管理和整合 分析的理論創(chuàng)新和技術進步。

　　生態(tài)論文范例：生態(tài)工業(yè)園區(qū)環(huán)境影響評價指標體系探究

　　(1) 生態(tài)信息的數(shù)據(jù)管理與模擬分析。

　　生態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸、集成分析和知 識挖掘是生態(tài)學研究的基礎，生態(tài)信息技術的突破是推動現(xiàn)代生態(tài)科學研究事業(yè)發(fā)展的 重要動力。該方向以生態(tài)信息科學為理論指導，致力于研究生態(tài)科學數(shù)據(jù)采集—傳輸— 管理—分析—共享的新技術、新方法，開發(fā)服務于生態(tài)系統(tǒng)科學研究和國家生態(tài)系統(tǒng)管 理的信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)共享平臺，研發(fā)生態(tài)系統(tǒng)模型及模型數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，針對典型生態(tài) 系統(tǒng)、區(qū)域和國家尺度、全球尺度的重大生態(tài)問題開展模擬分析和決策支持。于2019年 成立了國家生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心，成為中國最大的生態(tài)系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)資源共享平臺，引領 了中國生態(tài)信息科學與技術的發(fā)展，提升了中國在國際相關領域的學術地位。

　　(2) 生態(tài)系統(tǒng)碳氮水通量及其耦合機制。

　　全球變化深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水 循環(huán)過程，而后者的變化又反饋影響全球變化。研究生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水循環(huán)過程一直 是國內外生態(tài)學研究的前沿，也是中國增加陸地碳匯、應對全球氣候變化、減緩中國減 排和限排壓力的重大科技需求。2000年以來，通過聯(lián)網(wǎng)觀測、樣帶調查、數(shù)據(jù)集成與整 合分析，結合穩(wěn)定性同位素和分子生物學技術等研究手段，該方向取得了一系列重大原 創(chuàng)性成果，系統(tǒng)地揭示了陸地生態(tài)系統(tǒng)碳—氮—水通量動態(tài)過程、時空變異格局及其耦 合驅動機制，形成了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳—氮—水耦合循環(huán)的理論框架和應用基礎。

　　2 發(fā)展歷程

　　2.1 生態(tài)信息的數(shù)據(jù)管理與模擬分析

　　自1999年中國科學院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室成立，生態(tài)信息的數(shù)據(jù)管 理和模擬分析團隊歷經(jīng)四個階段的發(fā)展，已經(jīng)成為國內外具有重要影響力的研究團隊。

　　第一階段(1999—2004年)，主要開展了中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)長期動態(tài) 監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化、數(shù)據(jù)庫標準規(guī)范研究和數(shù)據(jù)庫應用建設工作，形成了臺站—分中心— 綜合中心三級數(shù)據(jù)質量控制體系，初步形成規(guī)范化的長期生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，并發(fā)布了 《中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理和共享條例》，開創(chuàng)了生態(tài)數(shù)據(jù)開放共享的先河，引進 了生態(tài)系統(tǒng)過程模型CEVSA和AVIM，陸續(xù)開展陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳循環(huán)過程機理 及時空變化研究。

　　第二階段 (2005—2009年)，研制了生態(tài)科學數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)國家標準，構建了分布式 的CERN/CNERN數(shù)據(jù)共享信息系統(tǒng)，提升了野外臺站和生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡的信息化水平，首 次以基于Web的服務系統(tǒng)方式為用戶提供系統(tǒng)的、動態(tài)的、連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)共 享服務;開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的生態(tài)系統(tǒng)模型CEVSA2和AVIM2，揭示了中國陸地 凈初級生產(chǎn)力、土壤呼吸和凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的時空分異規(guī)律以及對氣候變化的響應特 征。研究成果“中國陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳循環(huán)研究”獲2005年國家自然科學二等 獎，“中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡信息系統(tǒng)建設的關鍵技術及其應用”獲2008年環(huán)境保護科 學技術一等獎。

　　第三階段 (2010—2014年)，構建了中國生態(tài)網(wǎng)絡的“數(shù)據(jù)管理—分析工具—模擬 模型”協(xié)同共享信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了野外觀測數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、發(fā)布、模型 模擬的一體化架構，構建了中國陸地碳循環(huán)模擬與碳收支評估的數(shù)據(jù)—模型融合系統(tǒng)， 自主開發(fā)了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)時空變化系列特色數(shù)據(jù)產(chǎn)品，系統(tǒng)性地應用于中國陸地生 態(tài)系統(tǒng)變化評估，提升了國家層面生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡的綜合服務能力。研究成果“陸地生態(tài) 系統(tǒng)變化觀測的關鍵技術及其系統(tǒng)應用”獲2011年國家科學技術進步二等獎。

　　2.2 生態(tài)系統(tǒng)碳氮水通量及其耦合機制

　　在中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目和國家“973”計劃等項目的支持下，2002年 創(chuàng)建了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡 (ChinaFLUX) 平臺，開啟了中國典型陸地 生態(tài)系統(tǒng) CO2、H2O、能量通量的長期連續(xù)觀測[1- 3] 。經(jīng)過 10 余年的不斷發(fā)展和壯大， ChinaFLUX的觀測站點已經(jīng)由最初的8個擴展到目前的80余個，涵蓋了中國主要的地帶 性陸地生態(tài)系統(tǒng)類型。

　　在觀測生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的同時，研發(fā)了大氣環(huán)境的氮、磷等元 素沉降觀測技術體系，并于 2013 年組建了中國典型生態(tài)系統(tǒng)大氣濕沉降觀測網(wǎng)絡 (ChinaWD)。 同 時 ， 引 進 國 際 上 領 先 的 TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 穩(wěn)定同位素觀測技術，實現(xiàn)了ChinaFLUX站點生態(tài)系統(tǒng)碳、氮、水通量 及δ18O、δD、δ13C和δ15N通量的協(xié)同觀測。目前，ChinaFLUX已發(fā)展成為長期連續(xù)的通量 觀測與控制實驗研究有機結合，多種溫室氣體的交換通量—環(huán)境要素—生態(tài)過程綜合觀 測，以及生態(tài)系統(tǒng)碳—氮—水通量與循環(huán)過程協(xié)同觀測的國家層面的多尺度—多要素— 多過程的綜合觀測研究網(wǎng)絡。

　　3 主要成就

　　經(jīng)過多年的努力和發(fā)展，地理資源所生態(tài)系統(tǒng)科學在上述五個研究方向取得了長足 的發(fā)展。首先從改進數(shù)據(jù)獲取途徑入手，規(guī)范數(shù)據(jù)獲取方法，建立生態(tài)數(shù)據(jù)庫;基于獲 得的數(shù)據(jù)，揭示了生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應機理及區(qū)域分異規(guī)律;在理解生態(tài)系統(tǒng)和 環(huán)境要素關系的基礎上，提升了生態(tài)系統(tǒng)管理能力和水平，促進了地方經(jīng)濟發(fā)展。

　　4 未來展望

　　經(jīng)過幾十年的開拓和努力，地理資源所的生態(tài)系統(tǒng)科學研究得到了迅速發(fā)展，取得 了一系列的原創(chuàng)性成果和重要成績，推動了生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學、生物地理生態(tài)學、全球變 化生態(tài)學和生態(tài)信息科學技術的發(fā)展。但目前對復雜生態(tài)系統(tǒng)的認知仍然有限，未來將 重點面向生態(tài)學科學前沿和國家生態(tài)文明建設需求，不斷深入生態(tài)信息的數(shù)據(jù)管理與模 擬分析、生態(tài)系統(tǒng)碳氮水通量及其耦合機制、陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化響應和適應的時 空格局與過程機制、生態(tài)系統(tǒng)功能及特征的生物地理格局、生態(tài)系統(tǒng)管理等方向的研究[53] ，逐步建成以生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學研究為核心，國際知名、具有持續(xù)創(chuàng)新能力的研究機構，成 為中國生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境變化關系及調控管理的科學研究中心、國家生態(tài)環(huán)境變化觀測與 模擬分析平臺、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡科學數(shù)據(jù)資源中心，以及生態(tài)學研究領域的 國際合作和學術交流中心。

　　在生態(tài)信息的數(shù)據(jù)管理與模擬分析研究方向，未來將加強生態(tài)科學數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù) 安全及數(shù)據(jù)標準建設，完善生態(tài)系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)產(chǎn)品分類分級，利用最新的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù) 據(jù)、先進計算等信息化技術，構建新一代生態(tài)科學數(shù)據(jù)云平臺，結合生態(tài)系統(tǒng)模型、模 型數(shù)據(jù)融合、人工智能等方法，對生態(tài)系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)進行深度挖掘和產(chǎn)品開發(fā)，繼續(xù)發(fā) 展和改進生態(tài)系統(tǒng)過程模型和模型數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)，實現(xiàn)對生態(tài)系統(tǒng)歷史演變、現(xiàn)狀評 價、變化預測和生態(tài)災害的預警。

　　參考文獻(References)

　　[ 1 ] Yu G R, Wen X F, Sun X M, et al. Overview of ChinaFLUX and evaluation of its eddy covariance measurement. Agricultural and Forest Meteorology, 2006, 137(3/4): 125-137.

　　[ 2 ] Yu Guirui, Sun Xiaomin. Principles of Flux Measurement in Terrestrial Ecosystems. Beijing: Higher Education Press. 2006. [于貴瑞, 孫曉敏. 陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測的原理與方法. 北京: 高等教育出版社, 2006.]

　　[ 3 ] Yu Guirui, Zhang Leiming, Sun Xiaomin. Progresses and prospects of Chinese terrestrial ecosystem flux observation and research network (ChinaFLUX). Progress in Geography, 2014, 33(7): 903-917.

　　[4]于貴瑞, 張雷明, 孫曉敏. 中國陸地 生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(ChinaFLUX)的主要進展及發(fā)展展望. 地理科學進展, 2014, 33(7): 903-917.]

　　作者：于貴瑞，李文華，邵明安，張揚建，王紹強，牛書麗， 何洪林，戴爾阜，李發(fā)東，馬澤清

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