生態系統科學研究與生態系統管理

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

　　關鍵詞：生態系統;生態信息;全球變化;生態系統管理;生態系統服務;可持續發展

　　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) 生態系統學科起源于中國科 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模 的基礎科學考察。考察結束后，孫鴻烈、陽含熙和李文華等老一輩科學家意識到需要在 中國典型區開展長期的定位生態監測工作。當時選擇了青藏高原、華北平原和南方紅黃 壤區分別建立了野外生態觀測和研究定位站。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系統研究網絡 (Chinese Ecosystem Research Network, CERN)，正是這些野外臺站和研究網絡為地理資源所的生態學科打下了堅實的 基礎。

　　經過幾十年的發展，地理資源所生態學科定位于以生態系統生態學研究為核心， 針對農田、森林、高原生態系統以及區域和國家尺度的重大生態問題，綜合研究生態系 統與環境變化的關系及調控管理的理論和技術，致力于典型生態系統、區域和國家尺度 生態系統動態過程和空間格局變化的網絡觀測，以及模擬理論和分析關鍵技術創新，發 展和完善基于生態系統網絡的觀測、實驗、研究體系，推動生態信息獲取、管理和整合 分析的理論創新和技術進步。

　　生態論文范例：生態工業園區環境影響評價指標體系探究

　　(1) 生態信息的數據管理與模擬分析。

　　生態數據信息的采集、傳輸、集成分析和知 識挖掘是生態學研究的基礎，生態信息技術的突破是推動現代生態科學研究事業發展的 重要動力。該方向以生態信息科學為理論指導，致力于研究生態科學數據采集—傳輸— 管理—分析—共享的新技術、新方法，開發服務于生態系統科學研究和國家生態系統管 理的信息系統和數據共享平臺，研發生態系統模型及模型數據融合系統，針對典型生態 系統、區域和國家尺度、全球尺度的重大生態問題開展模擬分析和決策支持。于2019年 成立了國家生態科學數據中心，成為中國最大的生態系統科學數據資源共享平臺，引領 了中國生態信息科學與技術的發展，提升了中國在國際相關領域的學術地位。

　　(2) 生態系統碳氮水通量及其耦合機制。

　　全球變化深刻影響著生態系統碳、氮、水 循環過程，而后者的變化又反饋影響全球變化。研究生態系統碳、氮、水循環過程一直 是國內外生態學研究的前沿，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，通過聯網觀測、樣帶調查、數據集成與整 合分析，結合穩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 創性成果，系統地揭示了陸地生態系統碳—氮—水通量動態過程、時空變異格局及其耦 合驅動機制，形成了中國陸地生態系統碳—氮—水耦合循環的理論框架和應用基礎。

　　2 發展歷程

　　2.1 生態信息的數據管理與模擬分析

　　自1999年中國科學院生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室成立，生態信息的數據管 理和模擬分析團隊歷經四個階段的發展，已經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系統研究網絡(CERN)長期動態 監測數據信息化、數據庫標準規范研究和數據庫應用建設工作，形成了臺站—分中心— 綜合中心三級數據質量控制體系，初步形成規范化的長期生態監測數據庫，并發布了 《中國生態系統研究網絡數據管理和共享條例》，開創了生態數據開放共享的先河，引進 了生態系統過程模型CEVSA和AVIM，陸續開展陸地生態系統生產力和碳循環過程機理 及時空變化研究。

　　第二階段 (2005—2009年)，研制了生態科學數據元數據國家標準，構建了分布式 的CERN/CNERN數據共享信息系統，提升了野外臺站和生態系統網絡的信息化水平，首 次以基于Web的服務系統方式為用戶提供系統的、動態的、連續的生態系統監測數據共 享服務;開發了具有自主知識產權的生態系統模型CEVSA2和AVIM2，揭示了中國陸地 凈初級生產力、土壤呼吸和凈生態系統生產力的時空分異規律以及對氣候變化的響應特 征。研究成果“中國陸地生態系統生產力和碳循環研究”獲2005年國家自然科學二等 獎，“中國生態系統研究網絡信息系統建設的關鍵技術及其應用”獲2008年環境保護科 學技術一等獎。

　　第三階段 (2010—2014年)，構建了中國生態網絡的“數據管理—分析工具—模擬 模型”協同共享信息系統，實現了野外觀測數據采集、傳輸、處理、分析、發布、模型 模擬的一體化架構，構建了中國陸地碳循環模擬與碳收支評估的數據—模型融合系統， 自主開發了中國陸地生態系統時空變化系列特色數據產品，系統性地應用于中國陸地生 態系統變化評估，提升了國家層面生態系統網絡的綜合服務能力。研究成果“陸地生態 系統變化觀測的關鍵技術及其系統應用”獲2011年國家科學技術進步二等獎。

　　2.2 生態系統碳氮水通量及其耦合機制

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

　　在觀測生態系統碳水通量的同時，研發了大氣環境的氮、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系統大氣濕沉降觀測網絡 (ChinaWD)。 同 時 ， 引 進 國 際 上 領 先 的 TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 穩定同位素觀測技術，實現了ChinaFLUX站點生態系統碳、氮、水通量 及δ18O、δD、δ13C和δ15N通量的協同觀測。目前，ChinaFLUX已發展成為長期連續的通量 觀測與控制實驗研究有機結合，多種溫室氣體的交換通量—環境要素—生態過程綜合觀 測，以及生態系統碳—氮—水通量與循環過程協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絡。

　　3 主要成就

　　經過多年的努力和發展，地理資源所生態系統科學在上述五個研究方向取得了長足 的發展。首先從改進數據獲取途徑入手，規范數據獲取方法，建立生態數據庫;基于獲 得的數據，揭示了生態系統對全球變化的響應機理及區域分異規律;在理解生態系統和 環境要素關系的基礎上，提升了生態系統管理能力和水平，促進了地方經濟發展。

　　4 未來展望

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

　　在生態信息的數據管理與模擬分析研究方向，未來將加強生態科學數據質量、數據 安全及數據標準建設，完善生態系統科學數據產品分類分級，利用最新的物聯網、大數 據、先進計算等信息化技術，構建新一代生態科學數據云平臺，結合生態系統模型、模 型數據融合、人工智能等方法，對生態系統科學數據進行深度挖掘和產品開發，繼續發 展和改進生態系統過程模型和模型數據融合系統，實現對生態系統歷史演變、現狀評 價、變化預測和生態災害的預警。

　　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. 陸地生態系統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 生態系統通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)的主要進展及發展展望. 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，李發東，馬澤清

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