大尺度陆地生态系统科学研究的理论基础及其技术体系之探讨

大尺度的陆地生态系统科学研究是在生物多样性保护、应对全球气候变化、区域生态环境治理及全球社会经济可持续发展的科技需求背景下应运而生的生态学及生态系统科学前沿领域,并在我国的生态文明建设社会实践中快速发展。本文在系统论述大尺度陆地生态系统科学研究的科技使命基础上,重点梳理和探讨了区域及大陆尺度的生态系统科学研究理论基础和方法学问题,进而基于宏生态系统生态学理论,新提出了宏观生态系统科学的基础理论、科学概念及其研究方法体系的逻辑框架。本文重点探讨了: 1) 基于生态系统的系统学特性,发展多维视角的“生态系统科学概念网络体系”;2) 基于生态系统整体性和涌现性理论,发展“生态系统状态变化分析理论体系”;3) 基于生态系统属性及状态概念,发展生态系统结构-过程-功能-服务级联关系的“整合研究方法学理论体系”的学科内涵及应用问题,进而论述了发展区域及大陆尺度宏观生态系统科学研究的方法体系,提出构建新一代大陆尺度生态系统观测研究实验网络,完善“联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合”四位一体的科学研究技术体系的必要性。     

大尺度陆地生态系统状态变化及其资源环境效应的立体化协同联网观测

环境变化和人类活动的双重驱动正在快速地改变地球生态系统状态,呈现出了众多级联的资源环境问题,生态系统的状态变化和时空演变驱动因素以及相应的资源环境效应是大尺度陆地生态系统科学研究的永恒主题。观测和评估生态系统状态变化,发现和理解生态系统响应机制,认知和描述生态系统演变规律,预测和预警生态系统演变趋势,都依赖于大陆及全球尺度的分布式协同观测研究网络。本研究以服务大陆尺度生态系统科学研究、支撑区域生态环境治理为目标,围绕生态系统状态变化及资源环境效应科学问题,综合分析了现有生态环境观测研究网络现状,明确提出了生态系统观测研究站及其网络的发展方向,进而提出了发展“多要素-多界面-多介质-多过程-多尺度-多方法”的联网协同观测体系,构建“高新技术集成化-区域分布网络化-网络管理智能化-观测实验长期化-模型模拟多功能化-数据集成和资源共享远程化”的新一代大陆尺度生态系统观测实验研究网络的设想,并进一步阐述了该研究网络的功能定位、设计理念、设计方案、建设目标和技术体系,以期为我国陆地生态系统观测研究网络的发展提供借鉴与参考。     

提升生态系统质量和稳定性的生态学原理及技术途径之探讨

提升生态系统质量和稳定性是国家生态环境建设的迫切任务,但生态系统质量及其稳定性的生态学原理是亟待阐述的生态学难题。本文在梳理生态系统质量和稳定性的影响因素及其相互作用关系基础上,从生物集聚与结构嵌套的自组织、生态要素关联及生态过程耦合、生态系统整体性及功能涌现、生态服务外溢及功效权衡、资源供给能力和环境适宜性的协同互作、自然变化和人类活动交互影响等视角,论述了生态系统质量及其稳定性演变的生态学原理,并围绕生态系统宏观格局调整、自然保护地体系建设、区域复合生态系统综合管理、退化生态系统恢复、受损生态系统重建、典型生态系统过程管理等层级,提出了提升生态系统质量及其稳定性的技术途径与管理策略。     

宏观生态系统科学整合研究的多学科知识融合及其技术途径

综合认识大尺度的宏观生态系统结构功能、空间变异和动态演变的过程机理和模式机制,实现对生态系统变化及其对人类福祉影响的定量模拟、科学评估和预测预警,服务生态系统的利用保护及调控管理,是当代宏观生态系统科学的重要发展方向,正在孕育并形成大尺度的宏观生态系统科学整合生态学(IEMES)研究新领域。本研究通过对宏观生态系统科学整合生态学研究的基础理论、多学科知识融合途径及其关键技术问题的系统分析,形成以下几个基本认识: 1)宏观生态系统科学整合生态学研究是以区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统为研究对象,采用多学科知识融合方法和技术,致力于解决人类社会发展的食物安全、资源安全、生态安全、环境安全等重大资源环境问题。2)宏观生态系统科学整合生态学研究的基本科技任务是: 理解宏观生态系统的结构功能基本属性,监测生态系统状态变化,解释生态系统时空演变规律,认知生态系统运维过程机理,定量评估生态系统功能状态及服务能力,预测生态系统动态演变及地理格局,预警生态系统变化及生态环境灾害。3)宏观生态系统科学整合生态学研究需要重新构造“多源数据分析-多模型模拟-多学科知识融合”的理论和方法学体系,发展“多尺度观测、多方法印证、多过程融合、跨尺度模拟”的多学科知识融合关键技术。4)大陆尺度的地基-空基-天基多时空尺度生态系统观测试验网络是承载多学科知识深度融合研究的基础科技设施,需要围绕区域、大陆和全球尺度的宏观生态系统科学问题,发展多要素-多过程-多界面-多介质-多尺度-多方法的多学科维度生态学知识融合关键技术。     

稳态转换视角下生态系统服务变化过程与作用机制

优化生态系统服务供给是实现人类社会与自然生态系统和谐发展的必然途径。生态系统在平衡与非平衡之间复杂的转化模式使生态系统服务研究备受阻力,如何科学地解析生态系统服务内在调控机制是实现从自然资源利用到生态系统功能优化的关键。从论述生态系统稳态转换驱动机制入手,阐明扰动发生后稳态转换的路径、生态系统功能对扰动的响应模式;基于稳态转换视角深入诠释生态系统服务内涵及变化过程,以"结构-过程-功能-服务-人类福祉-可持续性"为核心架构来发展生态系统服务理论框架,并从生态系统敏感性和恢复力等内在属性探讨生态系统服务对结构和功能变化的响应情况;解析当土地利用变化超过生态系统阈值时,各项生态系统服务间的互馈作用。基于稳态转换视角评述生态系统服务变化过程与作用机制,以期为生态系统服务研究及生态系统管理提供新视角。     

试论宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题及其方法体系

人类社会对解决区域及全球重大资源环境问题的迫切需求,快速地推进了自然科学与人文科学的多学科交叉融合,推动了宏观生态系统科学(MES)的兴起及科学理论创新,以及大陆和全球尺度的科学研究方法与技术体系发展。本研究以服务大陆及全球尺度的生态系统状态变化及其资源环境效应研究的多学科知识体系及方法论体系的融合发展为应用目标,系统论述了大陆尺度宏观生态系统科学研究的多学科维度基本问题、逻辑关系及前沿性领域,讨论了构建大陆及全球尺度宏观生态系统科学研究方法学体系的理念和内容,并提出了开展大陆尺度的联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合技术系统的设想,期望为中国及全球生态系统观测试验研究网络的理论设计提供参考。     

恢复力视角下的乡村空间演变与重构

乡村生产、生活、生态空间重构是中国乡村发展转型的重要途径。恢复力是指系统吸收干扰、经历变化和重组后,仍然保持原有功能、结构、特性和反馈的能力。梳理社会-生态系统恢复力、乡村社区恢复力、空间恢复力相应概念,借助宏观生态学领域中的恢复力相关概念阐释乡村空间演变过程,可以在深化乡村空间演变与重构理论内涵的同时更有效的理解乡村空间的演变过程和重构目标。乡村空间重构并不只是国土或规划层面的景观空间优化,而需要站在强化社会-生态系统恢复力的角度,从乡村空间演化机制入手,提升乡村空间演化动力从而驱动空间重构。将乡村空间的演变阶段嵌入社会-生态系统适应性循环过程中,将作为当前国际研究热点的社会-生态系统恢复力研究引入乡村地理学研究领域,从而进一步扩展了学科研究视角,完成乡村空间演变与重构的理论抽象。     

基于熵理论的城市生态系统服务流定量评估——以北京市为例

量化评价生态系统的服务功能是合理开发生态资源、实现可持续发展的重要前提.生态系统服务流能够为生态系统服务功能的量化评估提供解决方案.本文以四大生态系统服务类型为框架,构建了城市生态系统服务流评估体系;将生态系统服务流重新分类,引入熵理论,对指标及系统无序度、发展演变方向进行定量评价;并以北京市为研究对象,选择24个因子开展案例研究.结果表明:2004—2015年间,北京城市生态系统服务总熵值为0.794,总熵流为-0.024,系统无序度较大,濒临非健康状态;系统熵值3次取得极值,3个变化周期内系统熵值的年平均变化幅度逐渐增大,说明人为活动对城市生态系统干预强度增大;2007年熵流达到最小值,生态环境质量最高;北京市常住人口总数与城市生态系统熵流拟合函数的决定系数为0.921,说明人口数量与城市生态环境状态有很强的相关性.     

生态系统服务理论与山水林田湖草生态保护修复的应用

科学有效的理论基础是推进山水林田湖草生态保护修复工程顺利实施的保障。探讨了生态系统服务理论在山水林田湖草生态保护修复中的应用,以“压力-状态-响应”为主线构建了不同时空尺度上山水林田湖草与生态系统服务之间的关系认知框架,分析了山水林田湖草系统修复工程中生态系统服务研究的关键问题：（1）山水林田湖草系统修复工程区主要生态系统服务的时空演变规律与驱动机制;（2）山水林田湖草系统修复工程区多种生态系统服务之间的权衡与协同关系;（3）山水林田湖草系统修复工程区生态系统服务集成与生态系统管理策略;（4）山水林田湖草系统修复工程调控及其尺度效应;（5）探索优质生态产品价值实现机制,阐述了生态系统服务理论在山水林田湖草系统修复中的现实意义,以期有效推动山水林田湖草生态保护修复工程从科学到实践的深入。     

森林生态系统健康评估Ⅰ.模式、计算方法和指标体系

生态系统健康评估是21世纪生态系统学研究的主要内容和迫切任务之一.简单实用的生态系统健康评估理论和方法需要可操作性的概念和一个全面、简明、易操作且规范化的指标体系,它们是进行生态系统健康评估的基础.以阔叶红松林生态系统为例,从对森林生态系统健康的理解和评价出发,通过引入模式生态系统集的思想,提出了对森林生态系统健康理解的独创看法,并以此提出生态系统健康评估的新方法--健康距离(HD)法,并推导出计算公式.同时,针对阔叶红松林生态系统的系统特征和面临的各种具体健康问题,提出了基于自然-经济-社会复合生态系统属性的阔叶红松林生态系统健康评估指标体系,并具体到各度量指标,为下一步的健康评估打下基础.     

生态学的科学概念及其演变与当代生态学学科体系之商榷

生态学既是生物学的分支学科,也是环境科学、地球系统科学的重要组成部分,其研究成果可直接服务于植物、动物、微生物的生物多样性保护、生物资源利用及生物产业管理等应用领域。生态系统概念将经典生态学或者基础生态学研究扩展到了生态系统生态学或者生态系统科学的新阶段,奠定了大尺度及全球生态环境科学研究的理论基础,促进了生物学、地理学及环境科学研究的大融合,推动了自然科学与人文科学和社会经济学的学科交叉。在这一大融合的历史过程中,生态学在不断地汲取不同学科营养的同时,提出了许多科学概念或理论学说,并在相关科学研究中得到应用和发展,形成了以认知生态系统与资源环境及人类社会的互馈关系为核心的当代生态学及生态系统科学体系。本文从生态学思想起源与发展、生态学概念的科学内涵及其扩展等方面综合讨论了当代生态学的科学概念、基础理论及其学科体系,并尝试性地对当代生态学的科学内涵、学科范畴、学科体系进行梳理、考察和分析,提出了基础生态学及应用生态学研究的分支学科体系分类方案,期望与学界共同商榷,为完善和重构当代生态学学科体系提供参考。     

特大型露天煤矿区生态系统演变及其生态储存估算

露天煤矿区生态系统在人为干扰下具有特殊的演变过程。从土地利用变化的角度描述矿区生态系统演变及生态水平变化,旨在为特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。以山西省朔州市平朔大型露天煤矿区为研究对象,以1986年、2000年、2013年的遥感影像为主要数据源,在分析研究区近30年土地利用特征的基础上,探讨矿区生态系统的演变过程;同时利用生态储存模型定量分析矿区生态系统在研究时段内所处的水平。结果表明:(1)1986—2013年耕地和林地大幅减少,城镇建设用地和采矿造成的损毁土地面积迅速增加;(2)矿区生态系统各子系统用地之间的转化均较为活跃,城镇扩张、采矿活动加剧、损毁土地复垦是造成这一现象的主要原因;(3)平朔矿区生态系统演变可划分为原地貌阶段、损毁阶段、重建阶段;(4)研究区生态储存状态呈恶化趋势,生态储存转化表现为逆向过程,生态储存能力增强。研究结果可为中国特大型露天煤矿区生态系统研究提供科学依据。     

大尺度陆地生态系统动态变化与空间变异的过程模型及模拟系统

当代生态系统科学研究更加关注区域生态环境及生态系统状态变化的监测、评估、预测、预警及生态环境可持续管理。在深入理解陆地生态系统的要素、过程、功能、格局及其相互作用机理基础上,发展生态系统定量化描述方法和数值模拟技术,集成构建大陆尺度的“多过程耦合-多技术集成-多目标应用”的陆地生态系统数值模拟器已成为生态系统与全球变化及其资源、环境和灾害效应科学研究的重要科技任务。本研究围绕宏观生态系统模拟分析方法问题,在回顾陆地生态系统模型研究现状和发展趋势的基础上,深入讨论开发大尺度陆地生态系统动态变化和空间变异及其资源环境效应模拟系统的理念,以及模拟系统的功能定位、结构设计等基本问题,为构造中国陆地生态系统数值模拟器提供参考。     

生态资产评估的若干问题探讨

生态资产评估是构建和谐社会与落实科学发展观的重要组成部分.本文结合生态资产评估的研究成果,重新审视了生态资产概念和研究范畴,概括了生态资产评估内容,认为生态系统质量、生态系统压力和生态资产价值量3项内容可以作为生态资产评估的着眼点.以森林生态资产评估为例给出了参考性指标和计算模型.最后提出了今后的研究方向.     

泰山保护地生态资产价值评估

为进一步加强自然保护地生态资源的保护,促进区域更好地发挥其生态系统服务功能,进行生态资产价值衡量具有重要意义。实现对保护地生态资产及价值的评估,明确自然保护地的生态保护价值,可以为保护地生态功能定位以及生态环境的建设和保护提供重要的科学依据。泰山因其独特的地理位置和生态条件,有着丰富的自然生物资源,构成了独特的自然生态系统,具有重要的生态学研究价值。研究选取泰山保护地内的生态资产为研究对象,基于文献调研、观测与统计资料等相关数据,从物质量与价值量的角度进行模型运算,得到2017年泰山保护地生态资产价值为133908万元。研究结果表明泰山生态资产价值对维持当地可持续发展具有举足轻重的作用。本文构建的评估体系为我国生态资产价值的评估提供了一个相对全面的综合评估方案,为我国生态资产评估提供更为全面的科学依据与决策支持,也为环境产权、生态补偿等政策制定提供定量分析基础。     

太湖湖滨带生态系统健康评价

根据湖滨带生态系统的特点,运用综合健康指数法建立了湖滨带生态系统健康评价体系,由目标层、准则层、指标层构成,其中准则层由湖滨带水质状况、底泥状况、植被状况、其它生物状况(浮游动物、浮游植物、底栖动物)、岸带物理状况5项组成,指标层由总氮、总磷、溶解氧、挺水植物覆盖率等15项指标构成。采用专家打分法、熵值法分别确定了准则层、指标层的权重系数。对太湖湖滨带33个点位进行了采样分析,并进行无量纲化处理后应用到所建立的评价体系中。评价结果显示33个点位中为"很健康"、"健康"、"亚健康"、"疾病"、"严重疾病"的分别占0%、24.2%、21.2%、51.5%及3.0%,也即超过一半的点位处于"疾病"状态。只有东太湖刚刚超过"健康"分数的下限,东部沿岸、贡湖、南部沿岸均处于"亚健康"状态,而梅梁湾、竺山湾、西部沿岸属于"疾病"状态,且竺山湾的生态健康状态最差。该评价结果与太湖湖滨带各分区的实际调查情况相符合,评价方法可靠性、可行性较强,可为其它湖泊湖滨带的生态系统健康评价提供一定的参照。     

生态效益及其特性

生态效益从1980年代提出以来,在我国得到了广泛的应用。但到了1990年代,随着外来词—生态系统服务(功能)的引进,生态效益在生态学界的使用不像从前普遍。将探讨生态效益的定义、与生态系统服务的关系、形成机制和主要特征,为国家将落实生态效益纳入到社会经济发展评价指标体系提供理论基础。将生态效益定义为生态系统及其变化引起的人类生存和社会经济发展条件的改善程度,并指出了生态效益形成机制及其特性的范围,其中机制包括:生态系统功能发挥机制、生态系统内部稳定机制以及人与自然耦合机制;生态效益特性包括:生态系统介导性、人类福祉相关性、区域环境依赖性、持续再生性、多维性、跨尺度性、外部性、基础性和非市场性。这将为生态效益监测评价方法的建立和不同研究成果比较提供科学基础。     

生态恢复中生态系统服务的演变:趋势、过程与评估

经过10余年的发展,生态系统服务已经成为生态恢复研究关注的前沿和热点。生态恢复改变了生态系统格局与过程,对生态系统服务的产生和提供具有重要影响。但是目前对于生态系统服务在生态恢复过程中的演化仍缺少系统性研究。对国内外相关研究的最新成果进行综述,总结了生态系统服务评估中框架的构建和方法的选择(参数转移法、系统模型法和定量指标法),介绍了生态恢复对生态系统服务的促进作用、生态系统服务的演变过程以及不同生态系统服务间的协同与权衡关系,分析了社会经济因素对生态恢复和生态系统服务维持的影响。最后结合我国生态恢复实践,提出未来生态恢复和生态系统服务研究可以从深化作用机制研究、推动服务评估创新、增强研究成果应用3方面深化和拓展。     

生态系统服务流研究进展

生态系统服务流是实现生态系统服务供给与人类需求耦合的重要桥梁,是当前生态系统服务研究的热点与前沿。科学理解生态系统服务从产生、传递到使用的全过程,明确区域生态系统服务供给与需求的平衡状况,对于实现区域可持续发展与提高人类福祉具有重要意义。在综合分析国内外相关研究的基础上,阐述了生态系统服务流的概念内涵,归纳总结了生态系统服务流的定量研究方法,并系统梳理了国内外生态系统服务流研究在理论探索与应用案例方面的研究进展;探讨了当前生态系统服务流研究中存在的问题和不足,包括:生态系统服务从供给区传递至需求区的空间转移规律尚不明晰、定量评估生态系统服务流的方法不成熟、面向应用的生态系统服务流的研究较为缺乏,以及人与自然耦合系统中生态系统服务流研究框架有待进一步完善。未来的研究需要重点关注复杂系统中生态系统服务流跨尺度、跨区域的传递过程,加强生态系统服务的空间流动过程与传递路径的定量分析与模拟,重视生态系统服务流的应用性研究,尤其是在生态恢复、生态补偿、城市规划等方面的应用,并完善人与自然耦合系统中生态系统服务流的研究框架,以期促进生态系统服务流研究的发展。