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。     

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。     

数据驱动的社会-经济-自然复合生态系统研究:尺度、过程及其决策关联

社会-经济-自然系统是人类赖以生存和发展的复合系统,而数据驱动下的系统研究为加强生态系统的认知提供了新的增值导向。在新的数据语境下,社会-经济-自然复合系统呈现出一些新的特征,研究对象逐渐从单一要素向多要素耦合的方向转变,使支撑量化研究的数据体系更多样化、数据来源更广泛化、数据表达更具可视化,并呈现出研究尺度逐渐扩大化、研究对象更精细化的特征。在对数据的识别、表达和可视化的过程中,既要加强对时间、空间、结构、数量和秩序的耦合,也要注重与决策制定和地方服务的结合。新时期复合生态系统的未来研究方向应该从关键科学问题及支撑技术、尺度作用和多要素耦合以及地方和全球治理的科技支撑等方面展开,在数据的不断革新下,加强对多源数据、长期监测和时间序列的认知仍是需要深入研究的课题。开展复合生态系统的数据驱动分析,不仅能为生态系统的服务及可持续发展提供技术支撑,增强数据的长效共享机制,同时可为实现决策制定和信息传播等方面提供更多的价值支持。     

中国典型森林生态系统土壤水分时空分异及其影响因素

森林土壤水分作为物质与能量循环的载体影响林木生长与发育,并通过影响水分在陆气之间的循环与分配影响区域气候。基于我国不同气候带的9个森林生态系统定位观测站的长期观测数据,探究了2005-2016年中国典型森林生态系统土壤水分的空间分异及其时间动态,并进一步分析了影响其时空分异的环境因素。主要研究结论如下：（1）9个森林生态系统的土壤水分多年均值介于12.45%-36.30%之间,空间上呈现中温带、亚热带、热带土壤水分较高,暖温带土壤水分较低的分布特征。降水蒸散差（降水与蒸散的差值）可以解释我国森林生态系统土壤水分空间分异的62%（P<0.05）;（2）我国北部与东部季风区森林区域土壤水分呈上升趋势,降水上升是主因,其中暖温带北京、南亚热带鼎湖山与鹤山森林土壤水分上升趋势显著,增幅分别为0.67%/a、1.72%/a与0.69%/a;西南地区森林生态系统土壤水分呈下降趋势,该趋势由降水下降与蒸散上升共同导致,其中中亚热带贡嘎山及哀牢山森林生态系统土壤水分下降趋势显著,降幅分别为-1.77%/a与-0.94%/a;土壤水分时间分异与降水蒸散差的相关性最高（R=0.59,P<0.01）;（3）土壤水分呈下降趋势的森林生态系统中,春季土壤水分变化主导了年际变化,土壤水分上升的森林生态系统中,年际变化则是由秋、冬季主导。（4）与ERA-interim土壤水分再分析数据比较得出,两者在空间格局与变化趋势上均具有较高的一致性。CERN土壤水分观测数据反映了无人为干扰的自然条件下森林土壤-植被-气候之间的反馈作用,可为基于模型的土壤水分研究提供长时序的验证数据。     

全球视角下的中国生物多样性监测进展与展望

生物多样性强烈的时空尺度依赖性和多层次性决定了生物多样性现状与变量的分析需要在不同生态系统进行多空间尺度、全面和连续的监测。因此, 构建生物多样性研究监测网络是生物多样性保护和研究的基础工作。近年来, 对地观测组织-生物多样性观测网络(GEO BON)、亚太生物多样性监测网络(APBON)等全球、区域以及国家尺度的生物多样性监测网络蓬勃发展。中国陆续在国家尺度上建立了针对生态系统和物种的长期监测网络, 其中, 中国生物多样性监测与研究网络(China Biodiversity Observation and Research Network, Sino BON)于2013年启动建设, 在我国主要生态系统和环境梯度设置30个监测主点和60个监测辅点, 目前已建成10个专项网对动物、植物和微生物进行监测, 并建立了以数据标准与汇交、近地面遥感为核心的综合监测中心。Sino BON打造了从地下、地面到森林林冠的多尺度、多类群(功能群)以及多营养级交互为重点的监测与研究平台, 为理解生物多样性变化趋势及其驱动因素、研究生物多样性维持机制, 以及国家履行《生物多样性公约》、保护生物多样性和生物资源提供详实可靠的生物多样性变化数据。为进一步支撑国家生物多样性治理能力、深化全球多样性保护合作, 我国生物多样性监测亟需在监测技术、监测区域、数据标准、综合信息平台等方向谋求更大的发展。     

The ridiculous notion of assessing ecological health and identifying the useful concepts underneath

The notion that the ecological health of the environment can be assessed is a ridiculous notion in a scientific context because there can be no objective definition of ‘health’ or method for defining degrees of health. Ecological health is a value judgement. A potentially useful concept embedded within the notion of ecological health is that environmental monitoring programs need to adopt a more holistic, ecosystems approach than has been used hitherto. In this paper, I outline a framework for ecosystem monitoring and discuss some of the variables that might be incorporated to assess ecosystem structure and processes. The interpretation of the data produced by ecosystem monitoring programs is problematic. Defining control or reference sites is virtually impossible; data can only be assessed with reference to extant ecosystems or to past situations.     

生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范

本文主要介绍国家重点研发计划2016年首批立项的重点专项"生态系统关键参量监测设备研制与生态物联网示范"(2016YFC500100)的项目立项背景、主要研究内容及总体目标。本项目紧密围绕国家生态监测需求,与国际上生态监测科学技术前沿并跑,研发生态系统关键参量监测设备和生态物联网关键技术,开展示范和产业化推广,推动我国生态监测技术的自主创新,服务我国脆弱生态修复与保护需求,增强我国生态监测的立体化、自动化、智能化水平,满足国家实时生态监测的需求。     

国家尺度自然保护地生态系统联网监测指标体系构建与应用研究

自然保护地是维护国家生态安全, 提升生物多样性保护成效的重要载体, 对保护地生态系统进行实时、高频、多尺度的监测是认知其动态变化的有效手段, 也是实现自然保护地生态系统健康管理的基石。由于目前我国没有形成自然保护地生态系统监测网络, 缺少统一的联网监测指标体系, 导致多数自然保护地生态系统组成家底不清、动态不明, 应对生物多样性保护新问题的能力不足, 并且在国家尺度上的自然保护地生态系统健康状况及保护成效评估缺乏联网监测数据支撑。因此, 亟需构建国家尺度的自然保护地生态系统组成和动态监测网络, 以及一套科学、系统、规范的自然保护地生态系统联网监测指标体系。该文针对自然保护地生物多样性和生态系统监测的目标和内容, 参考国内外现有的生态系统监测网络的指标体系, 确定了自然保护地生态系统联网监测指标体系建立和选取的基本原则, 建立了一套适用于国家尺度的自然保护地生态系统联网监测指标体系, 并在6个国家级自然保护区进行示范。构建的指标体系针对构成生态系统的6类关键要素(生境要素、生物要素、气象要素、土壤要素、大气和水环境要素、景观要素)制定了30个监测指标, 有效应用于森林、草地、荒漠、湿地等生态系统类型的自然保护地, 能够实现对不同类型自然保护地生态系统组分和结构的现状和演变特征进行长期、动态化监测, 并可为自然保护地保护成效评估和健康管理提供规范化、标准化的基础数据。     

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。     

中国科学院清原森林生态系统观测研究站塔群平台的功能和应用

森林生态系统结构与生态服务功能关系是森林生态学和林学的永恒研究主题。受传统森林调查方法及技术手段的限制,对复杂地形下森林生态系统结构和功能的监测及二者关系的研究面临诸多挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站在独立流域内建成了以观测塔群(三座观测塔覆盖各自子流域代表性森林类型)为主体,集激光雷达(LiDAR)、通量仪器、水文站网、固定标准地和数据中心为综合体的“次生林生态系统塔群激光雷达监测平台”(简称塔群平台)。塔群平台采用激光雷达扫描获取森林点云数据,描述森林生态系统的全息三维结构;依托独立流域/子流域内的通量监测系统、水文监测站网和通量源区内的长期固定标准地,可保证碳-水过程观测的可靠性,并用于验证复杂地形下的通量监测技术与方法,揭示森林生态水文与碳交换过程,准确估算森林生态系统主体生态服务功能(水源涵养和固碳)。所有“塔-站”数据通过无线网络实时汇集于数据中心,便于数据监视、管理与共享。此外,塔群平台将侧重研究森林生态系统结构量化的新方法和新指标,探索复杂地形森林生态系统中H₂O/CO₂/痕量气体通量观测的理论与方法,为阐明森林结构与功能的关系、服务于森林生态系统管理提供基础数据。     

Grassland ecosystems in China: review of current knowledge and research advancement

Grasslands are the dominant landscape in China, accounting for 40% of the national land area. Research concerning China's grassland ecosystems can be chronologically summarized into four periods: (i) pre-1950s, preliminary research and survey of grassland vegetation and plant species by Russians, Japanese and Western Europeans, (ii) 1950-1975, exploration and survey of vegetation, soils and topography as part of natural resource inventory programmes by regional and national institutions mainly led by the Chinese Academy of Sciences, (iii) 1976-1995, establishment of field stations for long-term ecological monitoring and studies of ecosystem processes, (iv) 1996-present, comprehensive studies of community dynamics and ecosystem function integrating multi-scale and multidisciplinary approaches and experimental manipulations.Major findings of scientific significance in China's grassland ecosystem research include: (i) improved knowledge on succession and biogeochemistry of the semi-arid and temperate grassland ecosystems, (ii) elucidation of life-history strategies and diapause characteristics of the native grasshopper species as one of the key grassland pests, and (iii) development of effective management strategies for controlling rodent pests in grassland ecosystems. Opportunities exist for using the natural grasslands in northern China as a model system to test ecosystem theories that so far have proven a challenge to ecologists worldwide.     

农田生态系统碳汇研究进展

农田生态系统碳汇包括农作物生物量碳汇和农田土壤碳汇两个方面,中国农田生态系统面积大,碳储量高,是全球生态系统碳循环的重要组成部分。厘清中国农作物生物量和土壤有机碳含量、变化率和影响因素对于解析全球碳循环和维系粮食安全具有重要意义。梳理农田生态系统碳汇相关概念的基础上,比较农田生态系统碳汇研究方法的适用性及存在问题,通过以往研究和SoilGrids250数据研究中国农田生态系统碳库时空分布,并分析农田生态系统碳汇的影响因素及固碳方法。结果表明,中国近30年来农作物生物量呈现增加趋势,农田土壤有机碳含量普遍较低且空间分布不均,0-5cm土壤有机碳含量平均值在16.7 g/kg到86.5 g/kg之间,增加农田土壤有机碳含量是未来中国农田生态系统碳汇的重要方向。肥料和有机残留管理、保护性耕作、种植模式、灌溉等管理措施是增加土壤有机碳汇的主要措施,但农田生态系统碳汇潜力估算仍存在不确定性。最后,从农田生态系统碳汇潜力估算、影响因素厘定和增汇技术研发3个方面提出未来研究方向。研究结果有助于推动农田生态系统碳汇科学研究和技术推广,为实现农田生态系统助力"碳中和"寻求重要路径。     

大尺度陆地生态系统管理的理论基础及其应用研究的思考

大尺度陆地生态系统管理是解决当前全球资源环境挑战、应对气候变化、治理区域生态环境、实现社会经济可持续发展的重要技术途径,是全球自然资源和生态保护理论及应用研究的热点。本文采用对过去20年间的几个国际大型生态系统管理行动计划跟踪分析方法,从生态系统管理学科发展、理论基础及应用研究的视角,对生态系统管理概念及其应用问题进行了重新思考,具体内容包括以下3个方面: 首先,回顾了生态系统管理科学概念及应用实践的发展历程,讨论了概念的内涵及其再定义,归纳了生态系统管理社会实践及其对学科发展的贡献。其次,明确了生态系统管理研究的科技使命及基本任务,梳理了生态系统管理科学的科学体系及其主要研究领域,概括了生态系统管理科学的生态学基础理论及知识体系,明确了生态系统管理行动的关键环节、管理方案的基本要素与管理途径。最后,分析了生态系统管理科学研究及学科发展的新趋势,讨论了生态系统管理科学的重点研究空间尺度和对象系统,提出了全球生态系统管理的前沿科学问题,整合生态学研究思维及宏生态系统途径,以期为中国的生态系统管理科学研究及学科发展提供参考。     

关于蝗虫多样性与草原生态系统可持续发展的若干科学问题

蝗虫多样性既是草原生态系统演化的产物 ,反过来也影响着草原生态系统的结构与功能。蝗虫多样性状况与草原生态系统的持续发展有着密切的关联 ,这其中的科学问题包括 :(1 )蝗虫多样性及其空间变异机理 ;(2 )蝗虫多样性对草原生态系统过程的影响 ;(3 )蝗虫多样性空间格局与草原生态系统演化中的自然和人文因素的关联 ;(4 )蝗虫种群暴发的多样性阈值与草原生态系统的调控 ;(5 )蝗虫多样性和稳定性与草原生态系统的健康等。深入发掘生物多样性所包含的科学内涵 ,将一个物种的多样性与生态系统的结构和功能耦合起来研究 ,从重要物种蝗虫的生物多样性入手 ,深入探讨草原生态系统的持续发展问题 ,将为减少或减轻我国西部草原蝗灾发生提供科学的支持     

Evaluating ecosystem-based natural disaster management

Abstract

Not many rigorous researches have studied on how ecosystems have interacted with the occurrence of natural disaster. This article aims to evaluate the role of ecosystems in the field of natural disaster management with the ultimate goal of reducing its various impacts. Qualitative content analysis has been utilized as the principal methodology. Additionally, the ecosystem low-awareness approach has been compared with the ecosystem integration approach with respect to international institutions, national governments, business corporations, non-government organizations, and local communities. The most significant finding is that the field needs to transform its ecosystem low-awareness approach into the integration approach while addressing international networks, scientific research, holistic thinking, sustainability, and education. As a contribution, this article presents a more comprehensive evaluation of the issue of ecosystem regarding natural disaster management (as a common frame) than previous studies.     

海藻场生态系统及其工程学研究进展

海藻场生态系统是典型近岸生态系统之一,其独特的结构和功能使其生态系统生态学研究及其工程学研究在近年来日益引起国际学术界关注.本文着重介绍了海藻场生态系统的概念、基本结构、生态功能及其生态工程的概念与基本实施步骤等,并以美国、日本为例,介绍了发达国家的海藻场生态工程的研究与实践现状.结合我国现已开展的海藻场生态系统生态学的相关研究,呼吁我国尽快组织开展相关的基础研究,以期尽快发挥海藻场生态工程对我国海洋经济与科技发展的积极作用.     

水源涵养与水文调节:和而不同的陆地生态系统水文服务

水与生态系统的关系是重要的科学问题,并且受到社会广泛关注。水源涵养和水文调节都是陆地生态系统所能提供的水文服务,并从生态水文和水资源角度把生态系统的健康和完整性与人类社会的持续发展紧密联系起来,从而也要求动态和综合的视角加以深入研究。基于生态水文过程原理,对水源涵养和水文调节的概念进行了辨析,认为前者是后者的有机组成部分,相对具体、应用中务求精确明晰;后者则更具包容性、客观性和广泛适用性。文章进一步简要分析了当前国内外生态系统水源涵养和水文调节服务的主导评估方法,结果表明,水源涵养的评估以储水量法为主,而水文调节则以基于降水和蒸散的水量平衡法及综合模型法(如SWAT)为主。从生态系统服务相互作用的角度考量,实际上水源涵养和水文调节及其相关的其它服务类型(如固碳、土壤保持、生物生产、淡水供给等)存在着复杂的动态权衡或协同关系,在科学研究和生态系统管理实践中必须统筹考虑,以确保对科学问题的准确把握和促进"水-生态-社会系统"的高效、可持续发展。为此,必须加强对生态水文过程的长期观测和实验研究,并且关注空间异质性及尺度效应、时间动态性和利益相关者需求的多维性。     

What is a healthy ecosystem?

Rapid deterioration of the world's major ecosystems has intensified the need for effective environmental monitoring and the development of operational indicators of ecosystem health. Ecosystem health represents a desired endpoint of environmental management, but it requires adaptive, ongoing definition and assessment. We propose that a healthy ecosystem is one that is sustainable – that is, it has the ability to maintain its structure (organization) and function (vigor) over time in the face of external stress (resilience). Various methods to quantify these three ecosystem attributes (vigor, organization, and resilience) are discussed. These attributes are then folded into a comprehensive assessment of ecosystem health. A network analysis based ecosystem health assessment is developed and tested using trophic exchange networks representing several different aquatic ecosystems. Results indicate the potential of such an ecosystem health assessment for evaluating the relative health of similar ecosystems, and quantifying the effects of natural or anthropogenic stress on the health of a particular ecosystem over time.     

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...