国内外生态环境观测研究台站网络发展概况

生态环境观测研究台站是开展生态环境研究的重要手段。《国家环境保护"十二五"科技发展规划》将国家环境保护野外观测研究站作为"十二五"能力建设重点内容。分析了目前国内外主要生态环境监测网络,如区域尺度的全球环境监测系统(GEMS)、全球陆地观测系统(GTOS)、国际长期生态研究网络(ILTER)、全球通量观测网络(FLUXNET)和国际生物多样性观测网络(GEO·BON),以及国家尺度的美国长期生态研究网络(US-LTER)、英国环境变化监测网络(ECN)和中国生态系统研究网络(CERN)的发展历程、观测研究进展;总结了生态环境监测网站的发展趋势,即重视台站的联网观测研究,注重观测标准化和规范化及数据共享,重视观测手段智能化与自动化,注重综合观测与模型模拟相结合;提出国家环境保护生态监测台站网络是现有国家环境监测网络的拓展和完善,也是今后开展区域生态环境综合监测与评估的重要基础。

美国国家生态观测站网络(NEON)——概念、设计和进展

美国国家生态观测站网络(NEON)是一个以研究区域至大陆尺度重要环境问题的国家网络,它是由美国国家科学基金会(NSF)于2000年提出建立的。NEON的目标是通过网络式的观测、试验、研究和综合分析,阐明环境变化的成因和后果,预测环境变化的趋势并提出相应的对策。它是一个由17个区域网络组成的国家生态学研究和环境教育平台。该网络的建成,将为促进生态学的发展、人才培养以及保障美国的生物和生态安全发挥重要作用。由美国国家科学院国家研究委员会的地球与生命研究部任命的专家委员会于2003—2004年对NEON的原设计和建设方案进行了评估,充分肯定了建立NEON的必要性,但同时对原设计和建设方案提出了一些重大修改意见。新的方案建议NEON应重点关注生物多样性、物种组成与生态系统功能、生物地球化学循环的生态学影响、气候变化的生态学内涵、传染病的生态学和演化、入侵种以及土地利用和栖息地的丧失这6个美国国家层次当前所面临的最严峻的环境挑战。未来的NEON将由研究这些问题所设置的6个国家网络组成。深入研究NEON的概念、设计方案和实施计划,对于我国国家生态观测和研究网络的建设具有重要的参考意义。

生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用

地球系统科学是以地球系统为研究对象,重点研究各圈层、各要素以及自然和人为现象之间相互作用关系的科学,是在科学技术自身发展和社会需求共同推动下发展起来的新兴学科。地球系统科学概念的提出是为了解决全球性的资源和环境问题的需要,是地球科学向综合集成方向转变的重要阶段。目前在地球系统科学思想的指导下,在全球规模上已经组织了一系列重要国际联合研究计划,企图组织全球的科学家协作推动地球科学的发展。地球系统科学发展离不开对地球系统要素和圈层的物理、化学和生物过程的综合观测工作的支持。自20世纪80年代以来,一些国家、国际组织和国际合作项目都纷纷建立了国家、区域甚至全球尺度的观测、监测和信息共享网络。国际长期生态研究网络(ILTER)自20世纪80年代开始建设,其目的是对生态过程进行长期的监测,研究各种生态因子的相互作用及生态过程,从而揭示出生态系统和环境的长期变化,为生态系统评价及管理提供科学依据。中国生态系统研究网络(CERN)始建于1988年,在中国生态系统动态观测、科学研究和试验示范方面发挥了重要作用,2005年在CERN的基础上,由国家科技部组织开始建立中国国家生态系统观测研究网络(CNEN),目前已经遴选出了53个台站,开始对农田、森林、草地(含荒漠)和水体(湖泊和海湾)的动态进行观测研究,该网络必将成为全球地球观测系统(GEOSS)的重要组成部分,在我国地球系统科学发展的历程中发挥重要作用。本文主要从发展地球系统科学角度,讨论生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用。

国家生态系统观测研究网络实物资源服务研究

实物资源是国家生态系统观测研究网络(Chinese National Ecosystem Research Network,CNERN)的宝贵财富,对于开展联网观测、实验、研究具有广泛的用途及重大的价值。研究CNERN实物资源服务的相关问题,探索运行服务阶段CNERN实物资源服务的模式,对实现实物资源服务从服务科研创新向全面服务科技、经济和社会发展转变具有重要的理论价值和现实意义。探讨CNERN实物资源服务的内涵、特点、服务内容,并提出基于线上线下融合的实物资源服务模式,为"国家生态系统研究网络科技资源服务系统"的实物资源服务子系统的设计、开发提供理论基础和应用模式,也期望为相关部门开展实物资源服务提供参考。

基于生命周期的国家生态系统观测研究网络科技资源管理研究

科技资源管理是一项重要又复杂的工程,将生命周期理论引入国家生态系统观测研究网络(CNERN)科技资源的管理,阐释CNERN科技资源及其生命周期,将CNERN科技资源的生命周期划分为资源需求、资源整合、资源保管、资源分析、资源服务和服务评估6个阶段。在分析科技资源生命周期各个阶段涉及的管理内容基础上,提出基于生命周期的CNERN科技资源管理框架模型,实现CNERN科技资源的全链条、系统化管理,以提升CNERN科技资源利用效率、促进CNERN科技资源开放服务。

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。

国内陆地生态系统观测研究网络发展概况

生态系统长期定位观测是对生态系统研究的重要手段,通过在典型自然或人工生态系统地段建立长期定位观测设施,对生态系统的组成、结构、生物生产力、养分循环、水循环和能量平衡等在自然状态或人为干扰下的变化过程进行长期连续观测,以阐明生态系统发生、发展、演替的内在机制。单个站点的长期定位观测、实验和研究往往具有其局限性,难以揭示更普遍性的规律。多站联合,从站到网的模式成为生态定位观测发展的必然趋势。20世纪70年代,生态定位观测研究站的网络化、全球化迅速发展。生态系统定位观测研究网络是开展生态系统长期定位观测的重要平台,为全球环境变化和陆地生态系统相互作用关系的研究提供了重要手段。为全面了解我国陆地生态系统定位观测研究网络的发展现状,本文从发展情况、取得成果等方面重点介绍我国陆地生态系统定位观测研究的三个主要网络:中国陆地生态系统定位观测研究站网(CTERN)、中国生态系统研究网络(CERN)和国家生态系统观测研究网络(CNERN),并对我国陆地生态系统观测研究网络存在的问题,发展趋势进行了探讨。

生态观测台站综合管理信息系统研发

生态系统是地球系统中与人类活动最为密切的部分。由于人类对生态系统进行掠夺式经营,生态环境恶化问题频发,为此,各国开始进行长期的生态系统定位观测研究。中国生态系统研究网络对我国典型生态系统开展联网监测,实现系统性、全国性的生态系统观测,但在台站管理方面存在诸如管理混乱、生态观测数据共享程度较低、信息化水平低、数据碎片化严重、生态数据挖掘分析系统建设薄弱等问题。针对该情况设计开发了基于BIM和GIS的生态观测台站综合管理信息系统,能够真实、实时、准确地管理采集的数据,实现对数据、人员、设施、观测活动的综合管理,提升生态观测的信息化和自动化水平,提高我国生态观测研究网络建设的效率以及生态观测数据资源的共享能力,有效地解决了现有生态研究网络的不足。

基于云服务的生态台站科技资源管理与服务系统研究

针对国家生态系统观测研究网络原有台站信息系统存在的问题,综合考虑系统的先进性、可维护性、可扩展性和云服务特点,提出一个以云服务端与本地端相结合方式构建系统的台站科技资源管理与服务信息化解决方案,构建了一个集信息发布、资源服务、系统管理等功能于一体的台站资源管理与服务系统。详细论述系统的总体架构、功能设计、数据库设计以及实现的关键技术等。该系统已在国家生态系统观测研究网络的51个台站进行了应用,提高了台站科技资源管理与服务的水平和效率,促进了台站科技资源管理与服务能力的提升。

大数据背景下的生态系统观测与研究

全球变化和可持续发展等一系列全球化的资源环境问题日益严峻,成为国际社会关注及科学研究热点,生态学的研究重点也逐渐开始由小尺度的个体、群落和生态系统向区域、大陆乃至全球尺度转变。同时,伴随传感器技术和信息网络技术发展,生态系统观测也从短时间观测逐渐向长期观测以及生态系统的宏观结构和生态服务时空格局变化协同观测转变;由过去的定位及小规模合作观测向区域甚至全球大规模联合的网络化观测、天-空-地立体综合观测方向转变。生态学研究已经进入大数据时代,如何应用大数据技术,实现传统的基于过程的生态学研究与基于大数据驱动的生态学研究的有机整合,推动生态学大理论发展、区域及全球生态系统演变机理研究,支撑以应对全球气候变化、生态系统功能维持等为核心的人类社会可持续发展理论和应用研究,是大数据时代生态观测研究面临的重大挑战及机遇。文章评述了生态系统观测研究现状,探讨了大数据背景下生态系统观测研究的重要特征,并建议遵循"大科学、大数据"理念,组织实施国家生态系统观测大科学工程建设,实现我国生态观测研究与全球生态观测研究体系的融合,实现在区域、国家及全球尺度上观测地球生命系统变化,诊断生态系统功能状态,理解生态系统过程机理、维持和保护生态系统功能,服务人类社会可持续发展的科技目标。

国际生态系统观测研究计划及启示

国际生态系统研究计划与全球可持续发展相结合,推动了区域和全球可持续发展相关生态系统科学知识的发现和应用。多尺度、多平台集成的生态系统观测研究网络有力地支撑了上述计划的实施,进而服务于管理决策,促进可持续发展目标的实现。本文阐述了国际生态系统相关研究计划和生态系统观测网络研究发展及其对中国生态系统观测研究网络的启示。全球生态系统相关研究计划的发展显示:面对复杂因素驱动的生态系统变化,生态系统研究需要发展多学科交叉、国际合作的研究平台,需要从单纯的生态系统过程机理的研究转向与全球可持续发展相结合。当前,国际生态系统观测研究网络的观测尺度从站点走向流域和区域,关注的对象从生态系统扩展到地表系统,逐渐将自然生态要素与社会经济相结合,深化了联网观测和联网研究;在观测手段上实现了地面观测和遥感多尺度观测的有机结合,日益注重数据共享和集成,促进了科学知识的产生。今后生态观测网络研究需要扩展观测和研究的时空尺度,深化和规范单要素联网观测和研究,有机结合地面观测和遥感观测,强化生物多样性相关监测与研究,发展耦合自然和社会经济的综合研究,拓展国内外合作研究,融入全球尺度的观测研究网络。

云计算环境下CNERN资源管理与服务平台的构建

国家生态系统观测研究网络(CNERN)是国家科技基础条件平台之一,各级成员单位对其类别多样、数量丰富的科技资源实行异地分布式的、"运行管理"与"开放服务"一体化的管理与服务方式。本文首先阐述了生态系统观测研究网络平台的科技资源组成,然后介绍了在云计算环境下国家生态系统观测研究网络科技资源管理与服务信息平台的总体架构和建设流程,分析了在平台建设与运行中云计算环境所具有的技术优势,为实现科技资源的有效管理和高效服务提供了解决方案,最后对该平台进行了总结和展望。

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。

ECN、US-LTER和CNERN网络发展现状、比较与思考

通过近30年的发展建设,CNERN已成为我国生态环境领域最为重要的野外科学综合观测网络。作为国家生态文明建设的重要组成部分、科技创新的重要平台和高级人才培养的重要基地,CNERN为我国自然生态环境保护、生态文明建设做出了巨大科技贡献。与世界先进的美国US-LTER相比,我国CNERN当前在观测网络规划布局、资源优化、综合科研产出、单站科技创新、高级人才培养方面还存在明显差距。未来CNERN需要继续完善规划布局、优化资源配置,将更多的社会、经济与人文要素纳入到生态观测与研究的范畴,加强多站协同科技创新能力和高级人才培养能力,才能提高我国在国际生态与环境领域的影响和核心竞争能力,为国家和地方生态文明建设、可持续发展提供更加重要的理论、科技及人才支撑作用。

中国陆地生态系统碳收支集成研究的e-Science系统构建

全球/区域生态系统碳循环研究具有多台站联网观测、多源异构数据、多模型综合分析、跨领域科学家协同工作等特点。以中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)为基础平台,论述建立碳循环科研信息化环境(e-Carbon Science)的迫切性,系统阐述e-Carbon Science的目标、组成、关键技术及研究进展,构建了由"四环境(碳循环数据集成与服务环境、模型模拟环境、可视化分析环境、科研协同工作环境)、三系统(站点、区域、全国尺度陆地生态系统碳收支评估应用系统)"组成的ChinaFLUX e-Carbon Science,形成ChinaFLUX通量数据采集—传输—存储—管理—处理—可视化—共享服务的一体化系统,实现不同尺度的碳收支快速评估与模拟,支撑并促进我国陆地生态系统碳循环研究和生态信息学发展,对我国野外台站网络信息化起到引领和示范作用。

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。

基于Web Service和科学工作流技术的碳通量数据处理系统实现研究

涡度相关技术获取的碳通量观测数据,数据量较大,处理过程复杂。碳通量数据处理工作存在过程繁琐,处理过程费时,开发软件推广困难,处理算法的更新、重组和共享不易实现的问题。Web Service和科学工作流技术的发展为科学家整合数据资源和数据方法,实现算法资源的共享和重用、自动化计算提供了一个较好的平台。本文基于中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)通量数据处理系统,通过集成目前主流的碳通量数据处理方法,利用Web Service构建通量数据处理算法库,以Taverna科学工作流系统为平台,构建了碳通量数据处理系统架构。以ChinaFLUX长白山森林生态系统2003年30min碳通量观测资料为实验数据,测试了该系统实际应用的可行性和有效性。结果显示基于Web Service和科学工作流技术的碳通量数据处理系统可实现碳通量数据处理方法的共享和重用及通量数据的自动化计算;可为解决目前碳通量计算过程繁琐、开发平台不一致、处理过程复杂的问题提供参考。

类电子商务模式的CNERN数据资源管理与服务信息平台

国家生态系统观测研究网络(National Ecosystam Research Network of China,CNERN)平台的数据资源管理与服务模式与开放式电子商务平台架构存在很大的相似性,CNERN基于B2B2C电子商务模式构建了数据资源管理与服务信息平台,有助于改善资源使用者访问和获取数据资源的体验,改进资源提供者进行数据资源管理及数据资源服务的效率。本文分析了数据资源特点,介绍了数据资源内容,详细分析了信息平台架构、系统组成与功能,介绍了CNERN信息平台如何对多方异地管理、异构存储、不同开放服务方式的数据资源进行类似电子商务模式的规范化管理及自动化服务的整体解决方案。