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。     

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。     

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。     

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。     

中国生态脆弱区联网协同观测及其在承载力研究中的应用

生态脆弱区约占中国国土面积的60%以上,全球变化和人类活动导致该区域生态系统退化加剧,资源环境承载力降低。准确量化生态脆弱区资源环境承载力对于应对全球变化风险挑战和加快生态文明建设进程具有重要意义。然而,现有的区域资源环境承载力评估方法很难体现生态系统结构、过程和功能变化在资源环境要素与承载力之间的传导作用。因此,构建网络化的野外观测体系以及获取资源环境要素-生态系统结构功能和过程-生态系统承载力变化的综合数据集,是发展资源环境承载力理论和评估方法的必要途径。本文介绍了通量以及无人机协同监测网络,包括思路、实践以及其在生态脆弱区生态系统结构、过程和功能研究中取得的初步成果。同时,基于目前已取得的成果和进展展望了联网协同观测在承载力评估方面的应用。     

区域尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程研究进展

地球系统的碳库和碳循环过程变化是影响气候系统的重要因素,而陆地生态系统的碳收支及其循环过程机制研究一直是全球气候变化成因分析、变化趋势预测、减缓和适应对策分析领域的科学研究热点。回顾了过去几十年区域尺度陆地生态系统碳循环和碳收支研究领域的国际前沿及其关键科学问题,并分析了我国在该研究领域的科技需求和发展方向。当前国际科学研究的热点和前沿领域主要包括:生态系统和区域碳储量和碳收支的清查、综合计量与碳汇认证,陆地生态系统碳通量的联网观测及其循环过程机制,陆地生态系统碳循环过程对气候变化响应野外控制试验,陆地生态系统水、碳、氮循环及其耦合关系机制和模拟模型研究等,同时指出在这些研究领域依然存在且急需解决的关键科学问题。我国近期的科技工作重点工作应该是努力构建天-地-空一体化的碳储量和碳收支动态监测体系、开展生态系统碳-氮-水耦合循环及其区域调控管理的前瞻性研究,定量评价中国生态系统的碳收支状况和增汇潜力,评估各种典型生态系统增汇技术的经济效益,为国家尺度的温室气体管理和碳交易机制与政策体系的建立提供可报告、可度量和可核查的科学数据和技术支持。     

陆地生态系统环境控制实验的研究方法及技术体系

生物及生态系统与环境变化间的反馈关系及其过程机制是生态学研究的重要内容。不同类型的生物环境因素控制实验以及大尺度的联网野外控制实验被认为是认识生态系统响应和适应环境变化过程机制、精细定量表达的有效手段及认知过程的加速器。近年来发展了大型野外物理模拟实验装置网络(如ECOTRON)、生态系统分析与实验平台(AnaEE)、国际干旱实验研究网络(Drought Network)、氮沉降联合实验网络(Nutrient Network),以及基于各区域性生态观测实验站的联网控制实验(如USA-ILTER)。发展大陆尺度联网实验研究平台事业正日益受到学术界的重视,将会在认知生态系统环境响应过程机制方面发挥更重要的作用。基于以上背景,本文综述了生态系统环境控制实验的研究方法和实验体系的发展,明确指出各种类型的生物环境控制实验需要形成联合协作体系,共同解决生态系统对环境变化的响应及适应的基本科学问题。目前的控制实验包括: 1) 实验室封闭装置内的生物生理生态学控制实验;2) 野外实验场的半开放部分环境要素控制实验;3) 近自然状态的野外环境控制实验;以及4) 基于野外生态站的联网控制实验。进而,本文还深入讨论了陆地生态系统的环境响应及适应过程机制实验系统设计的发展趋势,分析了基于大尺度自然环境梯度实验及生态站尺度的要素控制实验的优势,提出了整合两种实验技术、发展新一代的野外联网实验体系的科学设想,讨论了基于野外联网控制实验的研究体系,论证了研究生态系统对环境变化短期响应和长期适应的规律和机制、生态系统环境响应定量表达的技术途径。若本文提出的控制实验体系设计方案能够得以实施,必将大大促进我国乃至全球生态系统和环境变化科学的研究水平,对我国应对气候变化和生态环境建设具有重要的科学意义。     

利用遥感植被指数分析中国东部样带农业生态系统的生产力格局

在研究全球变化与陆地生态系统之间的关系方面 ,样带研究被认为是十分重要的手段之一。中国东部从南到北沿热量梯度出现的植被变化特点 ,形成世界上独特完整的以热量梯度驱动的植被连续带 ;加之中国地处世界上最大的“欧亚大陆”最东段 ,具有独特的大陆季风气候 ,样带内农业生态系统的各种变化具有区域代表性和典型性 ,使之成为全球变化研究中不可缺少的部分。目前 ,全球变化的研究范围和内容已经超越了传统生态系统研究所关注的斑块水平 ,要把斑块水平的生态系统研究成果拓展到区域乃至全球的空间尺度上 ,就需要在尺度转换上取得技术和方法…     

大尺度区域生态环境治理及国家生态安全格局构建的技术途径和战略布局

陆地生态系统是地球生物圈系统的核心组分,是人类生活、生产及社会经济活动的场所。然而,人类文明发展和科学技术进步在不断地扩大对资源的利用规模和强度,也导致了严重威胁社会可持续发展的全球气候变化、生物多样性丧失、环境污染、资源枯竭、生态系统退化等环境问题。社会公众期望生态学研究能够为区域、大陆及全球尺度的生态系统的利用和保护、维持人类社会可持续发展提供科学理论及系统性的解决方案。本研究以服务中国生态文明建设、生态安全格局构建、区域生态环境治理,以及宏观生态系统科学发展为目标,回顾了中国的区域生态环境治理成效及经验;分析了我国生态文明建设对大尺度生态系统科学研究的科技需求与时代特征,提出了利用基于自然的宏生态系统途径的新思路提升区域生态环境治理及安全格局构建的设想。在此基础上,讨论了中国的大尺度区域安全格局构建及生态环境治理的新思路、战略布局、技术途径与科技支撑体系,为中国安全、健康和美丽的国土空间利用及生态文明建设进步提供理论参考。     

森林碳计量方法研究进展

森林是陆地生态系统的主体,不仅是巨大的碳库而且对减缓气候变暖具有积极作用。科学有效的森林碳计量方法,有助于加深对全球碳循环过程的理解。然而,由于森林生态系统结构复杂,对森林碳计量的估算结果普遍存在精度低、不确定性高的问题。近年来,国内外发展了大量对森林碳计量进行估算的方法,主要有基于样地清查的森林植被和土壤碳估算、基于生长收获的经验模型估算、基于定量遥感雷达观测的遥感估测、基于多尺度森林生态系统网络的通量观测和陆地生态系统过程模型模拟等方法。在实际的森林碳计量中,根据不同的森林类型特征和数据获取情况,往往采取不同的碳计量方法,甚至不止一种。以生态过程模型模拟、遥感反演和数据同化技术为主要手段,基于碳通量观测数据、控制实验数据和遥感影像数据,发展多学科、多过程、多尺度的综合联网观测,充分认识森林碳循环过程中碳源/汇的时空分布特征,开展区域、洲际乃至全球尺度碳循环及其对全球变化和人类活动响应的系统性、集成性研究,以便建立高效、可靠的碳计量体系是未来林业碳计量的发展趋势。随着世界各国温室气体排放清单的编制,中国迫切需要科学的方法体系计量森林碳源/汇,提升我国在生态环境问题上的国际发言权和主导权,同时对我国森林可持续经营、生态环境保护以及美丽中国建设提供建议与支持。分析了各类森林碳计量方法的主要特征、优缺点,同时探讨了目前的森林碳计量方法存在的问题和未来的发展趋势,为不同时空尺度下森林碳计量提供参考。     

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。     

基于文献计量的生态系统观测研究网络长期观测数据应用研究

基于CNKI数据库,采用文献计量和知识图谱的方法,通过对应用生态系统观测研究网络长期定位观测数据的文献进行分析,探讨长期观测数据的应用领域、具体用途、用户特点及不同生态站数据的应用状况与研究主题,以期为提高生态系统观测研究网络长期观测数据的共享服务能力、充分发挥长期观测数据的价值提供参考。分析结果表明:生态系统观测研究网络长期观测数据受到越来越多学者的关注,其应用学科领域以林业、农业基础科学为主,同时不断扩展到其他学科中,呈多元化态势;数据主要在生态系统服务研究、模型模拟、人工林研究、水污染研究、生物多样性研究、小麦玉米研究、土壤水分研究等方面发挥作用;数据的主要用户群体为高等院校和科研院所,不同机构应用长期观测数据开展的研究各有侧重;各生态站的长期观测数据能够为揭示其所代表生态区和生态系统类型的生态系统结构与功能、能量流动与养分循环的变化规律,分析主要生态环境问题的现状、动态变化及驱动机制等方面提供重要支撑。最后,对生态系统观测研究网络长期观测数据应用的相关方面提出几点建议:(1)健全数据引用机制,制定相应的科学数据引用和著录标准;(2)发挥生态网络长期观测数据优势,开展专题数据产品的生产,充分开发生态网络长期观测数据的潜在价值;(3)加大和稳定生态站的经费投入,提高生态站的观测能力和水平,同时还要完善、优化生态站布局。     

全球变化联网控制实验的创新性设计:以我国草地生态系统水热要素联网控制实验为例

全球变化已对陆地生态系统结构和功能产生深远影响,明确生态系统对全球变化的响应和适应机制是实现人类对生态系统服务可持续利用的前提.联网实验是理解区域乃至全球尺度生态系统结构功能对全球变化要素响应和适应的重要手段.科学的顶层设计有利于实现联网数据间融合、比对以及分析,进而支撑普适性生态学理论的发展.本文从全球变化联网控制实...     

中国陆地生态系统碳源/汇整合分析

国家尺度陆地生态系统碳收支及其循环过程的研究对于提升地球系统科学与全球变化科学的科技创新能力、提高我国参与应对全球气候变化国际行动和维护国家利益的话语权、保障国家生态安全和改进生态系统管理都具有重要意义。近年来,我国已经在气候变化与陆地生态系统碳循环领域开展了大量的研究工作,主要包括国家清查、生态系统模型模拟、大气反演等手段。然而,由于大尺度陆地生态系统碳源/汇的估算存在很大的不确定性,目前尚未形成国家尺度的陆地生态系统碳源/汇的整合分析。通过搜集已发表的关于中国陆地生态系统及其组分碳源/汇的59篇文献,整合国家清查、生态系统模型模拟、大气反演3种研究手段,分析中国陆地生态系统碳源/汇大小以及时间尺度上的动态变化。结果表明,在1960s-2010s期间中国陆地生态系统碳汇整体呈上升趋势,平均为（0.213±0.030）Pg C/a,其中森林、草地、农田和灌木生态系统碳汇分别为（0.101±0.023）Pg C/a、（0.032±0.007）Pg C/a、（0.043±0.010）Pg C/a和（0.028±0.010）Pg C/a。森林生态系统中的植被碳汇远大于土壤碳汇,然而这种格局在草地和农田生态系统却相反,而且1960s-2010s期间中国主要植被类型的生态系统碳汇总体上随时间呈增加趋势。融合多源数据（地面观测、激光雷达、卫星遥感等）、多尺度数据（样地尺度、站点尺度、区域尺度）以及多手段数据（联网观测、森林清查、模型模拟）,有助于全面准确地评估中国陆地生态系统碳源/汇及其对气候变化的响应。     

环境因子对森林净生态系统生产力的影响

净生态系统生产力(net ecosystem production,NEP)是生态系统净的碳积累速率,可以指示生态系统碳汇/碳源的状态,当NEP为正值时指征生态系统为碳汇,反之则为碳源。在全球环境变化背景下,NEP已作为生态系统碳循环的核心概念被深入研究。本文以NEP为出发点,综述了5个主要非生物环境因子(水分、温度、氮沉降、大气CO2浓度增加和时空尺度)对森林生态系统NEP的影响。从文献分析表明NEP受生态系统本身性质和各环境影响因子及其之间相互作用的调控。本文最后指出,合理运用Meta分析、生态学联网研究、设计和开展长期观测、多尺度与多因子的科学试验在未来研究中的重要性和必要性,相关研究的开展将有利于全面理解和正确评估环境因子对净生态系统生产力的影响,对研究和预测全球变化对陆地生态系统碳循环的影响具有重要意义。