生态系统科学研究与生态系统管理

　　摘要：中国科学院地理科学与资源研究所生态系统学科以生态系统生态学研究为核心，通过 研制生态系统观测和模拟分析的技术和方法，探索解决区域性/大尺度生态学问题的理论和方 法，监测生态系统变化，认知生态系统变化规律，推动生态系统生态学、生物地理生态学、全球 变化生态学和生态信息科学技术的发展，创新生态系统管理模式，服务于国家和地方的生态建 设、应对全球变化及区域可持续发展。面向国家重大需求，在中国华北平原农业区、南方红壤 丘陵林业区、青藏高原农牧区以及黄土高原区等典型区域开展生态系统管理技术与模式的集 成与创新研究，着力解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题，推动区 域生态系统管理领域的科技进步。围绕生态系统生态学学科前沿，着重在① 生态系统联网观 测、模拟与信息管理，② 生态系统结构、过程与功能，③ 生态系统空间格局与机制，④ 生态系统 对全球变化的响应与适应，⑤ 生态系统管理与生态系统服务等五大主要研究方向，系统开展生 态系统生态学前沿理论和实践的创新研究，研究成果处于国内和国际生态学研究的科学前沿。

　　关键词：生态系统;生态信息;全球变化;生态系统管理;生态系统服务;可持续发展

　　1 引言

　　中国科学院地理科学与资源研究所 (简称地理资源所) 生态系统学科起源于中国科 学院综合考察资源委员会 (简称综考会)。20世纪50—80年代综考会组织了国内大规模 的基础科学考察。考察结束后，孙鸿烈、阳含熙和李文华等老一辈科学家意识到需要在 中国典型区开展长期的定位生态监测工作。当时选择了青藏高原、华北平原和南方红黄 壤区分别建立了野外生态观测和研究定位站。基于这些台站和中国科学院其他研究所的 台站，在1988年中国科学院成立了国家生态系统研究网络 (Chinese Ecosystem Research Network, CERN)，正是这些野外台站和研究网络为地理资源所的生态学科打下了坚实的 基础。

　　经过几十年的发展，地理资源所生态学科定位于以生态系统生态学研究为核心， 针对农田、森林、高原生态系统以及区域和国家尺度的重大生态问题，综合研究生态系 统与环境变化的关系及调控管理的理论和技术，致力于典型生态系统、区域和国家尺度 生态系统动态过程和空间格局变化的网络观测，以及模拟理论和分析关键技术创新，发 展和完善基于生态系统网络的观测、实验、研究体系，推动生态信息获取、管理和整合 分析的理论创新和技术进步。

　　生态论文范例：生态工业园区环境影响评价指标体系探究

　　(1) 生态信息的数据管理与模拟分析。

　　生态数据信息的采集、传输、集成分析和知 识挖掘是生态学研究的基础，生态信息技术的突破是推动现代生态科学研究事业发展的 重要动力。该方向以生态信息科学为理论指导，致力于研究生态科学数据采集—传输— 管理—分析—共享的新技术、新方法，开发服务于生态系统科学研究和国家生态系统管 理的信息系统和数据共享平台，研发生态系统模型及模型数据融合系统，针对典型生态 系统、区域和国家尺度、全球尺度的重大生态问题开展模拟分析和决策支持。于2019年 成立了国家生态科学数据中心，成为中国最大的生态系统科学数据资源共享平台，引领 了中国生态信息科学与技术的发展，提升了中国在国际相关领域的学术地位。

　　(2) 生态系统碳氮水通量及其耦合机制。

　　全球变化深刻影响着生态系统碳、氮、水 循环过程，而后者的变化又反馈影响全球变化。研究生态系统碳、氮、水循环过程一直 是国内外生态学研究的前沿，也是中国增加陆地碳汇、应对全球气候变化、减缓中国减 排和限排压力的重大科技需求。2000年以来，通过联网观测、样带调查、数据集成与整 合分析，结合稳定性同位素和分子生物学技术等研究手段，该方向取得了一系列重大原 创性成果，系统地揭示了陆地生态系统碳—氮—水通量动态过程、时空变异格局及其耦 合驱动机制，形成了中国陆地生态系统碳—氮—水耦合循环的理论框架和应用基础。

　　2 发展历程

　　2.1 生态信息的数据管理与模拟分析

　　自1999年中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室成立，生态信息的数据管 理和模拟分析团队历经四个阶段的发展，已经成为国内外具有重要影响力的研究团队。

　　第一阶段(1999—2004年)，主要开展了中国生态系统研究网络(CERN)长期动态 监测数据信息化、数据库标准规范研究和数据库应用建设工作，形成了台站—分中心— 综合中心三级数据质量控制体系，初步形成规范化的长期生态监测数据库，并发布了 《中国生态系统研究网络数据管理和共享条例》，开创了生态数据开放共享的先河，引进 了生态系统过程模型CEVSA和AVIM，陆续开展陆地生态系统生产力和碳循环过程机理 及时空变化研究。

　　第二阶段 (2005—2009年)，研制了生态科学数据元数据国家标准，构建了分布式 的CERN/CNERN数据共享信息系统，提升了野外台站和生态系统网络的信息化水平，首 次以基于Web的服务系统方式为用户提供系统的、动态的、连续的生态系统监测数据共 享服务;开发了具有自主知识产权的生态系统模型CEVSA2和AVIM2，揭示了中国陆地 净初级生产力、土壤呼吸和净生态系统生产力的时空分异规律以及对气候变化的响应特 征。研究成果“中国陆地生态系统生产力和碳循环研究”获2005年国家自然科学二等 奖，“中国生态系统研究网络信息系统建设的关键技术及其应用”获2008年环境保护科 学技术一等奖。

　　第三阶段 (2010—2014年)，构建了中国生态网络的“数据管理—分析工具—模拟 模型”协同共享信息系统，实现了野外观测数据采集、传输、处理、分析、发布、模型 模拟的一体化架构，构建了中国陆地碳循环模拟与碳收支评估的数据—模型融合系统， 自主开发了中国陆地生态系统时空变化系列特色数据产品，系统性地应用于中国陆地生 态系统变化评估，提升了国家层面生态系统网络的综合服务能力。研究成果“陆地生态 系统变化观测的关键技术及其系统应用”获2011年国家科学技术进步二等奖。

　　2.2 生态系统碳氮水通量及其耦合机制

　　在中国科学院知识创新工程重大项目和国家“973”计划等项目的支持下，2002年 创建了中国陆地生态系统通量观测研究网络 (ChinaFLUX) 平台，开启了中国典型陆地 生态系统 CO2、H2O、能量通量的长期连续观测[1- 3] 。经过 10 余年的不断发展和壮大， ChinaFLUX的观测站点已经由最初的8个扩展到目前的80余个，涵盖了中国主要的地带 性陆地生态系统类型。

　　在观测生态系统碳水通量的同时，研发了大气环境的氮、磷等元 素沉降观测技术体系，并于 2013 年组建了中国典型生态系统大气湿沉降观测网络 (ChinaWD)。 同 时 ， 引 进 国 际 上 领 先 的 TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 稳定同位素观测技术，实现了ChinaFLUX站点生态系统碳、氮、水通量 及δ18O、δD、δ13C和δ15N通量的协同观测。目前，ChinaFLUX已发展成为长期连续的通量 观测与控制实验研究有机结合，多种温室气体的交换通量—环境要素—生态过程综合观 测，以及生态系统碳—氮—水通量与循环过程协同观测的国家层面的多尺度—多要素— 多过程的综合观测研究网络。

　　3 主要成就

　　经过多年的努力和发展，地理资源所生态系统科学在上述五个研究方向取得了长足 的发展。首先从改进数据获取途径入手，规范数据获取方法，建立生态数据库;基于获 得的数据，揭示了生态系统对全球变化的响应机理及区域分异规律;在理解生态系统和 环境要素关系的基础上，提升了生态系统管理能力和水平，促进了地方经济发展。

　　4 未来展望

　　经过几十年的开拓和努力，地理资源所的生态系统科学研究得到了迅速发展，取得 了一系列的原创性成果和重要成绩，推动了生态系统生态学、生物地理生态学、全球变 化生态学和生态信息科学技术的发展。但目前对复杂生态系统的认知仍然有限，未来将 重点面向生态学科学前沿和国家生态文明建设需求，不断深入生态信息的数据管理与模 拟分析、生态系统碳氮水通量及其耦合机制、陆地生态系统对全球变化响应和适应的时 空格局与过程机制、生态系统功能及特征的生物地理格局、生态系统管理等方向的研究[53] ，逐步建成以生态系统生态学研究为核心，国际知名、具有持续创新能力的研究机构，成 为中国生态系统与环境变化关系及调控管理的科学研究中心、国家生态环境变化观测与 模拟分析平台、国家生态系统观测研究网络科学数据资源中心，以及生态学研究领域的 国际合作和学术交流中心。

　　在生态信息的数据管理与模拟分析研究方向，未来将加强生态科学数据质量、数据 安全及数据标准建设，完善生态系统科学数据产品分类分级，利用最新的物联网、大数 据、先进计算等信息化技术，构建新一代生态科学数据云平台，结合生态系统模型、模 型数据融合、人工智能等方法，对生态系统科学数据进行深度挖掘和产品开发，继续发 展和改进生态系统过程模型和模型数据融合系统，实现对生态系统历史演变、现状评 价、变化预测和生态灾害的预警。

　　参考文献(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. [于贵瑞, 孙晓敏. 陆地生态系统通量观测的原理与方法. 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]于贵瑞, 张雷明, 孙晓敏. 中国陆地 生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的主要进展及发展展望. 地理科学进展, 2014, 33(7): 903-917.]

　　作者：于贵瑞，李文华，邵明安，张扬建，王绍强，牛书丽， 何洪林，戴尔阜，李发东，马泽清

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