国家野外台站(森林生态系统野外台站)建设成效报告之上篇—国内外研究动态

2018年6月30日11:10:11国家野外台站(森林生态系统野外台站)建设成效报告之上篇—国内外研究动态已关闭评论 222 views

我国的生态系统观测和研究网络始建与20世纪80年代,目前已经发展成为涵盖农田、森林、草地、荒漠、水体和湿地等台站生态类型的53个国家站。经过长期的野外观测,国家野外台站获取了第一手定位观测数据,积累了一批具有知识产权、我国唯一的数据战略资源,推动着众多学科的发展,开展了多点协同观测与实验的有效组织模式,扩展了我国发展战略空间,使得相关科研成果得以展示和推广,锻炼和培养了大批科研工作者。因此,国家野外台站是科学发展和国家战略需求的支撑,是众多学科发展的引擎,是我国一系列跨区域科技问题解决的推手,是我国环境外交和科技外交的驱动力,是支撑新时代我国生态文明和美丽中国建设的重要平台。

从20世纪60年代开始我国在各地区陆续建立了森林生态定位研究站,经过几十年的发展和统筹安排,目前已经有共计17个森林生态站成为国家生态系统观测研究网络成员。国家森林生态系统野外台站作为我国生态系统观测研究网络的重要台站类型,沐风栉雨几十载,野外台站数量不断增加,布局覆盖面积逐步扩大,已经为社会呈现了众多监测成果,充分展示了其不可磨灭的作用。依托国家森林生态系统野外站,满足了国家、行业、生态科学发展及地方生态建设的需求,为国家宏观决策、林业生态工程建设、生态科学发展以及地方经济发展提供数据支撑和科学服务。

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一、 国际上野外站发展趋势

1.1 生态系统观测站的起源

生态学长期定位研究,源自生态、起于农业。早在E. Haeckel(1866)定义“生态学”和A. G. Tansley(1935)提出“生态系统”概念之前的1843年,英国洛桑试验站(Rothamsted Experimental Station)就开始布置土壤肥力与肥料效益长期定位试验,开创了生态定位研究的先河,至今已超过170年的历史。目前世界上已持续观测60年以上的长期定位试验站有30多个,主要集中在欧洲、前苏联、美国、日本、印度等国家。这些被称为“经典性”的长期定位试验,对土壤——植物系统中养分的循环和平衡的影响,施肥对土壤肥力演变及环境的作用,农业生态与病虫害,农业统计与计算机软件等方面,进行了长期而系统的观测研究,并做出了科学的评价。森林生态系统的定位观测站也有数十年的历史,著名的研究站有美国的Baltimore 生态研究站、Hubbard Brook 试验林、Coweeta水文实验站等,前苏联的台勒尔曼、坚尼别克,瑞典的斯科加贝,德国的黑森,瑞士的埃曼泰尔等,这些台站基本上都以森林生态系统过程和功能观测研究为主。

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1.2 国际生态系统观测站的发展现状

1972年“联合国人类与环境会议”和1992年“联合国环境与发展大会”以后,生态系统观测研究在世界各国得到了迅猛发展。为了解决人类所面临的资源、环境和生态系统方面问题,美国、英国、委内瑞拉、捷克、巴西、加拿大、哥斯达黎加、匈牙利、以色列、韩国、墨西哥、波兰、乌拉圭等国家以及UNDP、UNEP、UNESCO、FAO等国际组织都独立或合作建立了国家、区域或全球性的长期监测、研究网络。在国家尺度上的主要有美国的长期生态研究网络(LTER)、美国国家生态观测站网络(NEON)、英国的环境变化研究监测网络(ECN)、加拿大的生态监测与分析网络(EMAN)等;在区域尺度上主要有欧洲森林生态系统研究网络(EFERN、PEEN)等;在全球尺度上有:全球对地观测系统(GEOSS)、全球陆地观测系统(GTOS)、国际长期生态学研究网络(ILTER)等。观测研究对象几乎囊括了地球表面的所有生态系统类型,涵盖了包括极地在内的不同区域和气候带。

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生态系统观测站在迅速发展的同时,也为人类合理利用资源、维护环境质量及实现可持续发展做出重要贡献。如英国的洛桑试验站,为土壤学和农学的发展作出了巨大贡献,为英国和世界农业的发展作出了重要贡献。美国长期生态学计划网络(LTER)和英国有环境变化监测网络(ECN)在长期生态学问题方面取得的一些重要成果已经应用于国家资源、环境管理政策的制定和实施。美国的Manua Loa站,自20世纪50年代通过长期连续的观测,发现了近50年来全球大气中CO2浓度逐年升高的事实,为全球变化研究提供了基准数据并引发了人类对于全球变化的广泛关注。

1.3 国际生态系统观测站的发展趋势

自20世纪80年代以来,生态系统观测站发展迅速,一些国家、国际组织和国际合作项目建立了不同尺度的生态研究网络,用以开展生态系统在人类和自然双重影响下的演变机理和过程研究。随着网络技术、信息技术的飞速发展,生态系统观测站已从基于单个生态站的长期生态研究,朝着跨国家、跨区域、多站参与的全球化、网络化观测研究体系发展,观测研究台站体系建设更加标准化和规范化,观测手段自动化,信息传输网络化,研究内容更加重视野外观测要素的长期监测和机理过程的试验研究,而且生态系统观测已经从科研过程发展成为政府职能,并有日渐强化趋势。

区域尺度、全球尺度上的观测站,主要致力于构建跨国家、跨网络的观测研究体系,开展长期大规模跨学科的综合研究。如国际长期生态研究网络(ILTER),现已拥有34个国家或地区成员,其主要目标是:促进和加强对跨国和跨区界的长期生态现象的了解;促进研究与监测相结合,鼓励数据交换与共享;为生态系统管理提供科学依据,改进更大时空尺度上的预测性模拟。由WMO、UNEP、FAO、UNESCO等共同创建的GTOS,致力于构建由地球上主要环境梯度的大尺度研究、农业和生态研究中心、实验站和大约10000个采样点的网格系统组成的陆地生态系统监测体系(Terrestrial Ecosystem Monitoring System,TEMS),开展全球或区域尺度的环境变化研究。

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国家尺度上的观测站,主要致力于引进最新和最好的综合性生态学研究技术和仪器设备,开展跨站点、网络层面的综合科学研究。以LTER为例,根据其 2007年制定的战略规划, LTER制定了长期生态学研究趋势计划(TRENDS 项目)、计算机基础设施战略规划(CI)、社会与环境综合科学(ISSE)动议等一系列工作计划,致力于构建基于计算机基础设施的新的研究环境,开展具有广泛基础、多方资助、网络层面的重大科学行动。

当今,全球面临着气候变化、环境污染、土地利用变化以及生物多样性丧失等一系列共性生态环境问题,其形成机理、演变过程及解决手段的研究,均需要基于系统科学的生态系统长期观测研究数据,这也是20世纪80年代以来,全球性、区域性及国家不同尺度生态系统观测站快速发展的重要原因。目前,国际上生态系统长期观测研究主要围绕4个研究领域,分别为生物多样性与生态系统功能、生物地球化学循环过程、气候变化对生态系统结构功能的影响和响应、人类-自然生态系统的相互耦合关系。

生态系统观测研究站呈现出4 个发展态势:

①多个台站甚至多个观测研究网络的联网观测与研究逐渐成为主流。随着生态系统研究的时空尺度不断拓展,基于单个台站的数据资料已经无法满足研究需要,需要跨区域的不同观测站点甚至不同观测网络进行联合观测与研究,建立从样地到区域甚至到全球多尺度的、系统的观测与研究成为趋势。

②重视观测的标准化、规范化与数据共享。生态系统的联网观测研究必须保证观测数据的可比性,因此,规范化、标准化观测尤为重要,目前几乎每个生态系统观测研究网络都将观测行为的标准化和规范化作为首要任务,另外也在积极推动观测数据的共享。今后需要继续推进观测的标准化和规范化,进一步统一不同生态系统观测网络的观测标准,最好建立国际统一的观测标准和规范。

③观测手段多样化、自动化水平不断提高。随着生态系统观测设备、实验仪器以及通讯技术的不断发展,特别是成套自动观测设备的大量装备,观测数据精确性得到提高,部分观测指标数据获取的频率从原来以天为单位甚至提高到以秒为单位。

④综合观测与模型模拟日益得到重视。地面长期定位观测数据在空间尺度上具有局限性,只能反映有限空间范围的生态环境状况及变化过程,为了实现对区域甚至更大尺度生态系统结构、过程和功能的观测研究,需要将长期定位观测数据、遥感数据、地理空间数据进行集成和同化,同时借助数学模型开展的综合研究日益得到重视。目前国家生态系统观测研究网络在单个生态要素(如水、空气)的监测已经形成了覆盖全国的监测断面(点位),但是按照生态系统角度进行综合观测(包括生物群落及水、气、土等环境要素)与综合评价还相对薄弱。为了更好地适应生态管理的需求,国家生态系统观测研究网络需要对目前的观测任务和工作进行统一布置,对实行“一把尺子”的现状进行调整,未来要根据自然区域(如区域、流域等)开展综合观测与评价,需要拓展生物、生态、土壤等观测要素,同时研究建立相应的观测指标、评价方法、技术规范、数据质量控制及能力建设等,补充完善现有的生态系统观测技术体系。

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国内外著名长期生态研究网络

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二、国家森林生态系统野外台站发展的国家需求和科技发展需求

当前,我国经济社会发展已经站在新的历史起点上,生态建设肩负着新的历史使命,生态发展面临新的、更高要求。维护生态安全、气候安全、林木安全、能源安全,都要求森林生态系统有一个大的发展。森林生态系统发展的需求是推进森林生态系统野外台站建设的动力源泉,实现以林业重点生态工程为主体的森林生态系统又好又快发展的基础和前提,就是依托森林生态系统野外台站开展长期定位观测,了解生态环境质量的现状和发展趋势,为减少资源退化和退化生态系统恢复提供科学依据。因此,做好新时期森林生态系统野外台站规划编制和实施具有重大的科学意义和战略意义。

2.1 提供决策依据和技术保障的需要

我国自然生态环境仍很脆弱,通过在生态系统代表类型区建立野外观测生态站,进行长期观测试验,对生态环境要素和演变的动态观测、驱动力的动态分析,生态过程的机理研究以及生态环境建设技术和优化模式的试验示范,可为保障国家生态建设和实现社会可持续发展的宏观决策提供重要的科学依据和技术保障。

2.2 为深入贯彻和落实国家方针政策的需要

国家十分重视野外科学观测研究站建设,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确提出了要“构建国家野外科学观测研究台站网络体系”。《中共中央国务院关于加快林业发展的决定》、《林业发展“十一五”和中长期规划》、《林业科学和技术中长期发展规划(2006-2020年)》、《林业科学和技术“十一五”发展规划》和《国家林业科技创新体系建设规划纲要(2006-2020年)》等明确提出要抓好森林生态系统野外台站建设,并对森林生态系统野外台站的中长期发展作出了部署。因此,切实加强森林生态系统野外台站的建设是建设国家森林生态科学科技创新体系,实现预期目标的有效保障。

森林生态系统野外台站是国家生态系统观测研究网络科技创新体系的重要组成部分,是森林生态科学研究依赖的基本手段和重要平台,在国家基础研究和应用基础研究中将发挥不可或缺,不可替代的重要作用。加强森林生态系统野外台站建设,对于森林生态系统关键过程的机理研究和监测林业工程的生态效益,做好森林生态系统服务功能公报,回答重大林业科学问题,维护国家生态安全具有重要的支撑作用。

2.3 为国家外交和国际履约提供依据的需要

随着全球政治和经济一体化,国家间的政治和经济外交对国家政治和经济安全的作用显得越来越重要,这些外交活动中需要更加全面、翔实的科学数据和研究结论作为谈判的依据。森林生态系统野外台站能够为联合国气候变化框架公约(UNFCCC)及生物多样性保育等的谈判和履约提供相关的科学依据,切实维护中国政府负责任大国的国际形象。

2.4 全国森林资源清查与生态状况监测体系建设的需要

森林资源清查工作意义重大,它对及时准确掌握森林资源现状,监测其动态变化趋势,正确评价林业发展成果,把握生态环境的承载能力,制定可行性的生态发展战略具有重要意义。为适应林业发展新形势的要求,全面掌握森林资源现状与动态,在以往查清森林资源面积、蓄积、生长消耗及其动态变化的基础上,增加反映森林质量、森林健康、生物多样性,特别是在森林固碳、涵养水源、保持水土、土地退化状况等生态服务功能效益。

森林生态状况监测内容和监测技术方法以及满足林业六大工程建设和生态建设的指标和内容,森林资源清查工作已经成为全国森林资源与生态状况综合监测体系的重要组成部分。通过清查,全面掌握全国和各省份的森林资源数量、质量及其消长动态,掌握森林生态系统的现状和变化趋势,实现对森林资源和生态状况的综合评价,以满足现代林业建设的信息需求。

为使清查数据更加全面、翔实、准确,在全国不同典型生态区域就必须依赖森林生态系统野外台站长期动态监测,且与森林资源清查有机结合才能够使清查结果更加客观、科学、可靠。

2.5 为实现重点生态修复工程效益监测的需要

效益监测与评估对于工程建设的作用意义重大,工程的效益监测实质上是一个数据比对过程,生态站网遍布于不同的生态修复工程区,积累了大量的历史数据,这是监测和评价生态修复工程效益不可或缺的重要基础数据。

长期以来,对我国在北方干旱地区实施三北防护林工程一直存在一些质疑,通过森林生态系统野外台站,在三北防护林工程建设区域进行长期定位观测研究,科学评估工程生态效益,就能够判断出其是“抽水机”还是“蓄水池”。通过森林生态系统野外台站长期定位观测研究,能够回答天保工程、退耕还林工程等国家重点生态修复工程在涵养水源、固土保肥、固碳释氧、净化大气环境、生物多样性保护等方面产生的生态效益。

2.6 为回答森林生态重大科学问题的需要

随着全球气候变化等生态危机不断出现和日趋严峻,决定了必须通过森林生态系统野外台站的长期生态学定位与网络化研究,并通过区域与国家尺度的系统集成与综合分析,才能为解决这些生态危机提供决策依据。在森林生态研究过程中遇到的一些关乎全局、影响决策的基础性科学问题,诸如“森林与水的关系”、“森林对减缓气候变化的作用”、“我国森林碳循环和碳汇功能”等,要回答这些涉及森林生态建设的重大科学问题,都需要依靠森林生态系统野外台站长期观测积累的数据和研究成果来支撑,而不能单靠感性认识定性地下结论。

2.7 为解决重点生态修复工程建设基础理论支撑的需要

重点生态修复工程建设为森林生态应用技术研究提供了更加广阔的舞台,必然对科学基础理论提出更多、更高的需求。通过森林生态系统野外台站这一平台开展研究工作,进行大尺度科研协作,能够为研究典型区域生态建设需水定额、土地承载力、林种搭配等工程建设难题提供基础理论支撑。

2.8 为构建和谐文明美丽中国的需要
国家森林生态系统野外台站,布设于国家重要生态功能区,肩负着长期观测获取第一手生态观测数据的任务,掌握着国家生态战略数据资源。在新时期新形势下,国家森林生态系统外台站必将在“一带一路”、“两山论”、“生态文明建设、山水林田湖草”、“全球人类命运共同体”、“精准扶贫”等国家重大战略方针的引领下发挥其重要作用,做好野外台站的科学服务工作,为构建和谐文明美丽中国提供科学数据、技术和理论支撑。

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