生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用，本文主要内容关键词为：生态系统论文,地球论文,作用论文,科学论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：X144；P901
1 引言
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领域。地球系统科学概念是为了解决全球性的资源和环境问题而提出的，这标示着地球科学的发展已经开始由传统地球科学向综合集成方向的重大转变[1,2]。地球系统科学强调其研究思路必须将地球的各组成部分和各圈层作为有机联系的系统，综合集成性地研究全球尺度的各种物理、化学和生物学现象与各种复杂过程的相互关系[3,4]。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的国际联合研究计划，企图组织全球的科学家协作推动地球科学的发展[5,6]。
地球系统科学的研究离不开强大的对地球系统各要素和各圈层的物理、化学和生物过程综合观测工作的支持，各种类型的观测工作是发展地球系统科学的主要数据来源和重要的基础工作[7]。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[8]。生态系统观测研究网络是自20世纪80年代开始建设的全球地球表层过程观测网络之一，其目的是对全球的不同类型生态系统开展联网式动态观测研究，在区域性的生态、环境和资源问题的监测和研究中发挥了重要作用。生态系统观测研究网络的主要研究内容集中在对某些特定生态过程或现象，如生态系统演替、气候变化、干扰、火灾等长期处于动态的、周期性的过程和现象的变化及其生态环境效应等科学问题的长期研究[9]。本文从发展地球系统科学的新高度和社会需求的角度，重点讨论生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用，探讨中国生态系统研究网络（CERN）以及中国国家生态系统观测研究网络（CNEN）科学观测的发展思路和重点方向。
2 地球系统科学的发展、研究内容及其手段和方法
2.1地球系统科学的概念提出与发展
人类社会的可持续发展是地球科学所面临的当前最为严重的挑战性问题，目前人类所面临的各种环境问题实质上是地球各圈层相互作用的结果。在20世纪80年代中后期，科学家们就已普遍地认识到，要解决全球性的生态环境问题必须把整个地球作为一个由各圈层或子系统间相互作用的复杂系统开展研究工作，并提出了地球系统科学的概念[10]。地球系统科学是以地球系统为研究对象，综合研究地球系统的各圈层、各要素以及自然和人为现象之间相互作用关系的新兴科学，是地球科学自身发展和紧迫的社会需求共同推动的产物。地球系统科学概念的提出，标示着地球科学的发展已经由传统的地球科学系统阶段[11]，经过系统的地球科学阶段[12]，进入了一个地球系统科学的新阶段[10,2]，它标示着地球科学研究工作重点向综合集成方向的重大转变[1,13,14]。
地球系统科学研究需要有效的国际合作和各国科学家的协作，需要以全球性的科学研究计划来推动。目前在地球系统科学思想的指导下，已经在全球组织了一系列重要国际联合研究计划，包括由国际地球系统科学联盟（ESSP）发起的四大全球环境变化研究计划、由美国国家科学基金（NSF）、日本教育文化体育科学技术部（MEXT）联合发起的综合大洋钻探计划（IODP）、由国际大洋中脊协会（InterRidge）发起的全球大洋中脊研究计划（Inter-Ridge）、以及由联合国教科文组织（UNESCO）发起的国际地球科学计划（IGCP）、国际行星地球年和UNESCO联合发起的国际水文计划（IHP－Ⅶ）等（见表1）。
2.2地球系统科学的主要研究内容
地球系统科学的方法学基础是系统论，它试图用现代系统论的思维方式和科学观，把地球系统作为一个有层次结构，在社会环境系统中不断进化的极其复杂的自组织系统，并将这样一个复杂的自组织系统直接作为科学研究的对象。地球系统科学作为服务于全球可持续发展规划与对策的科学基础，它既要完成全球可持续发展中紧迫问题的研究任务，又要开展地球系统长期变化及其效应的基础理论研究，其主要研究内容包括以下几个方面。
（1）地球系统的各组成部分及其各圈层之间的相互作用：主要研究地球系统中的岩石圈、大气圈、水圈、生物圈之间的物理、化学、生物过程及物质能量传递过程，及其相互作用的反馈与负反馈机制。
（2）地球系统变化的动力学特征及其起源和演化：主要研究地球的起源与演化，地球表层系统与生物圈的相互作用与反馈（生物反馈、化学反馈）关系[2]。
（3）地球生命系统的进化与生物多样性维持：主要研究地球生命的起源和进化，地球生命系统与地球环境变化的相互作用及其协同进化，多样的生物之间及其与环境之间的相互作用关系，生物多样性的演变及其维持机制，生物多样性变化对全球地球生命系统发展的意义。
（4）全球气候变化及其减缓和适应：主要研究地球气候系统的历史变化过程和变化趋势，人类活动对全球气候系统的影响，温室气体、大气污染对全球气候系统的影响。人类通过温室气体减排等措施以减缓气候变化的措施和政策，人类适应全球气候变化的生态途径、措施和社会行为。
（5）全球环境变化与可持续发展：主要研究由于全球环境变化而引发的全球性的资源与环境问题及其对人类可持续发展的影响，并在全球环境变化的背景下研究可持续发展的思路和发展模式、以及人类如何设计在全球变化条件下可持续生物圈管理计划、从而达到人类社会与资源、环境的协调发展。
2.3地球系统科学的主要研究手段
地球系统科学研究思路首先是要基于对地球系统各种现象或要素的综合观测、积累科学数据，再从物理的、化学的和生物学的规律出发，建立各圈层地球过程的定量关系和数字模拟系统，然后进行科学分析和机理解释以及对未来变化的科学预测。
地球系统科学的研究途经和技术手段主要包括地球的深部探测、地球表层的定位和移动观测、卫星和航空的对地遥感观测、环境要素的控制实验和系统的模型模拟等。高强度的地球系统科学观测是支持地球系统科学研究的主要数据来源和重要基础性工作，其中基于全球尺度的水、土壤、大气、生物要素的综合观测在地球系统科学研究中起着重要的作用[7]。因此，自20世纪80年代以来，一些国家、国际组织和国际合作项目开始纷纷建立国家、区域甚至全球尺度的观测、监测和信息共享网络（表2）。例如比较有影响的全球环境监测系统（GEMS）、全球陆地观测系统（GTOS）、全球气候观测系统（GCOS）、全球海洋观测系统（GOOS），国际长期生态观测研究网络（ILTER）和全球通量观测网络（FULXNET）等[8,15]。这些网络都是近年来所构建的能够服务于地球地表过程研究的综合性观测网络，为发展全球规模的地球观测系统奠定了良好的基础。
自2002年以来，在联合国千年宣言以及世界可持续发展高峰会议的促使下，为了完成联合国千年发展目标，由美国环境规划署发起并在联合国以及欧盟的支持下，一个旨在全球建立一个对天气、气候、海洋、大气；水体、陆地、地质动态、自然资源、生态系统进行观测的系统——全球地球观测系统（Global Earth Observation System of Systems,GEOSS）逐渐建立起来。2003年7月地球观测高峰会议（Earth observation Summit）上，33个国家以及欧盟成员国及其它的国际组织共同编写了用于发展收集数据信息、数据管理、模型建立、决策制定的综合、同步、持续观测的地球观测系统的宣言。从2003年到2004年经过四次的GEO（group on Earth observations）会议，并在2004年4月由美国环境规划署行政官和来自55个国家的环境部部长在日本会晤，编著了GEOSS的十年计划框架文件，从此全球地球观测系统的概念得到了国际社会的高度重视和广泛接受。GEOSS的十年计划具有全球性和系统集成性的两大特点。其全球性是指GEOSS将尽可能包含世界上所有国家和地区以及所有涉及地球观测的机构，其系统集成性是指GEOSS将保证把与地球观测有关的气候、海洋、大气、陆地、自然资源和人类活动等系统联系起来，形成一个前所未有的综合观测体系。当前亚洲区域GEOSS重点致力于发展，以生态系统通量观测、生物多样性观测和遥感观测为主要内容的生态系统与生物多样性观测系统；以水资源合理并有效利用和风险管理为主要内容的气候变化与水循环观测系统；以及以充分理解强烈地震的机制、征兆，扩大和提高监控网络和监测数据的适时共享为主要内容的地震观测系统。
服务于地球系统科学的科学观测需要采用多种技术、多种途径以及多种生物、物理和化学过程的综合集成，需要对多源观测数据的融合与集成分析。例如区域或全球的陆地生态系统到全球尺度水、碳和能量通量观测，需要综合利用适合于植物个体、群落、到区域的各种观测手段，需要利用卫星遥感，航空遥感、涡度相关观测塔和塔群、土壤呼吸和植物生理生态的各种观测技术，耦合成一个土壤—植物—大气综合的多层次立体化的观测体系[15]（图1）。
图1 地球表层系统的观测技术体系（以全球尺度的陆地生态系统通量观测为例）[15]
Fig.1 The observation technological system of earth surface layer (Taking global scale land ecosystem flux observation as an example)[15]
各种观测方法所适应的时间尺度和空尺度有很大差别[15]，对现实的观测对象系统，必需选择多种方法的合理组合，同时也必需借助模拟模型工具对各种观测数据实施集成性和整合性的分析。图2是作为不同时间和空间尺度的生态系统通量观测与全球尺度碳循环模拟联合体系的案例[15]，对地球系统科学的其它研究领域的观测研究也具有重要的参考价值。地球系统科学的不同问题、不同的物理、化学和生物现象的时空尺度都有较大的差异，在实际的研究工作中必须确切地分析和正确地利用各种观测技术组合来解决各种不同的问题。
图2 不同时空尺度上的生态系统通量观测与全球碳循环模拟的联合体系[15]
Fig.2 The joint system of global carbon cycle modeling and ecosystem flux observation on different temporal scale[15]
3 生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用
3.1生态系统在全球系统中的作用及其基本特征和优势
生态系统是地球系统的重要组成部分，也是地球系统中最为活跃，与人类活动最为密切的生物圈的核心。生态系统观测研究网络是自20世纪80年代开始建设的，其目的是对全球的不同类型生态系统开展联网式动态观测研究，是开展全球地球表层过程观测研究的重要网络之一，在区域性的生态、环境和资源问题的监测和研究中发挥了重要作用。美国长期生态研究网络（LTER Network）、英国环境变化网络（ECN）和中国生态系统研究网络（CERN）是世界上最为重要的国家级生态网络，也是国际长期生态研究网络（Long-Term Ecological Research Network,ILTER）和全球陆地观测系统生态网络（GTN-E）的发起成员网络，今后也必将在地球系统科学以及全球地球观测系统（GECOSS）中发挥重要作用。
生态系统过程的变化具有缓慢性、瞬间性或延滞性，其自我修复能力差，一旦破坏就难以自然恢复，同时生态事件受气候变化或人类活动影响，具有周期性或突变性[9]。长期生态研究（LTER）是通过对生态过程的长期监测，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。生态系统观测研究网络是开展多变量的综合观测、多学科的交叉研究、多台站和多生境的联网试验，以及多层次研究项目联合实施的综合性野外平台，具有以下4个基本特征和优势。
（1）多变量的综合观测：生态系统的观测强调生态系统的水、土、气、生各要素的综合观测，这种由多个台站对多个变量的长期联网观测，能够比较和确定生态系统对环境变化响应的共性规律，可以服务于超越基于单变量变化的生态系统过程的综合理解，可以研究生态系统在多重压力下的变化及其各种压力要素的交互作用。
（2）多学科的交叉研究：生态系统研究涉及生态、环境、资源和社会经济等科学领域，也涉及生物、地理和气象等多学科领域，需要这些学科领域的交叉和分工合作。自然环境变化和人类活动同时为影响和驱动生态系统变化的两大因子。生态系统观测研究网络为研究自然和人为因素在驱动生态系统变化中的作用提供了重要野外试验研究平台，尤其是为研究人类活动对地球表层过程的影响，揭示复杂的生态过程间的因果关系模型（reciprocal models of causality）提供了条件。
（3）多台站和多生境的联网研究：生态系统网络强调不同区域和不同类型的多个台站联合观测和多台站的对比和模拟试验，强调观测网络的观测项目、观测方法和技术规范的统一。这种多台站和多生境的联网研究使得我们能通过观测、模拟和实验相结合的方法，确定决定生态系统变化的最重要的基本过程；为生态系统过程的空间大格局分析，环境驱动机制研究，不同生态系统的共性规律的发现和验证提供数据支撑和试验研究条件。
（4）多层次研究项目的实施平台：生态系统观测网络是一个由台站——特定地理单元——特定区域——全球的多层次的网络系统，这种多层次网络系统结构既可以开展从生态站的独立的过程研究到基于生态网络层次的区域综合研究，统一目标下的长期联网观测和试验研究，还可以开展全球地球系统和环境变化的综合评估。根据科学研究的内容和科学问题所涉及的空间尺度的实际需求，利用生态系统观测研究网络平台可以有效地组织不同规模的科学研究项目，并把这些不同层次的科学研究项目在共享的网络平台上联合实施。基于生态系统网络的科学研究工作主要包括：利用单一台站的生态系统过程机制和管理的试验研究；基于特殊地理单元的多台站联合观测和试验研究；基于特定区域网络的区域性生态与环境问题综合研究；以及基于全球生态网络的全球变化长期监测和综合评估研究等。
3.2生态系统观测研究网络所关注的主要科学问题
生态系统观测研究网络关注的基本科学问题是生态系统的结构和功能，过程与格局变化的驱动机制、演变趋势及其社会影响和适应性管理策略。长期以来生态网络一直关注生态过程的地理趋同和分异规律及其尺度扩展；自然和人为活动对生态系统和环境所造成的影响，生物地球化学循环及其环境效应；生态水文效应与水循环过程；生物多样性利用与保育；生态系统对全球变化的响应与适应，全球变化的空间不均性对生态系统和社会的影响；污染物的生态毒理效应与环境风险，污染物的长期生物富集及其对生态系统的影响；生态系统变化的评估与管理，受损生态系统的恢复与重建，生态系统管理政策的环境效应等科学问题。
最近的美国LTER在新的评估报告中，提出了生物多样性变化（Alterations in biodiversity）、多空间尺度的生物地球化学循环（Altered biogeochemical cycles at multiple spatial scales）、气候变化和气候变异性与生态系统（Climate change and climatic variability）以及人类—自然耦合生态系统（Coupled human-natural ecosystems）4个科学问题领域[16—18]。生物多样性变化是当今最重要的全球环境问题之一，它强烈地影响着生态系统过程和它们所提供的服务，尤其是外来物种和传染病的引入及蔓延对人类和经济有着特殊的影响。多空间尺度的生物地球化学循环更关注的是人类如何在多尺度上对生物地球化学循环进行了干扰，怎样才能恢复改变了的元素循环，怎样预计在人为和自然对水和生物地球化学循环的干扰下陆地景观的结构和功能将发生哪些变化，而这些又将如何影响社会经济方式和过程。气候变化和气候变异性与生态系统研究关注的是百年时间尺度上的气候变化的生态学响应，长期气候波动和趋势，以及突发气候变化对生态系统结构与功能的影响。人类—自然耦合生态系统关注生态系统格局与过程之间的相互作用，人与自然的相互作用，此外还包括有关反馈、生态系统设计和工程改造、生态系统产品和服务的变化及稳定性的研究。
与此同时，美国的LTER在新的评估报告中还提出了当前长期生态研究重点关注的5个前沿性科学问题为（图3）[19]：
图3 当前长期生态研究重点关注的5个前沿性科学问题的逻辑框架[19]
Fig.3 The frame of the five latest scientific questions paid attention by long term ecological research at present[19]
（1）长期压力与短期波动相互作用，如何改变生态系统的结构与功能？
（2）生物群落结构变化如何导致能量与物质通量变化？能量与物质通量变化又如何影响生物群落结构变化？
（3）生态系统动态变化如何影响生态系统服务？
（4）生态系统服务的关键变化如何反馈并影响人类？
（5）人类活动如何影响生态系统的长期压力与短期波动？
3.3生态系统观测研究网络发展的新趋势
现代的生态学研究已经开始由20世纪的学科分化、现象发现和机理认知走向了多学科和多问题的“综合”、定量化的科学“预测”和为生态环境管理提供决策“服务”，这也是生态系统观测网络研究的新的发展趋势[20]。为适应这种发展的需要，国际上也在开始调整网络台站的空间布局，完善单站点观测项目，希望极大限度的提高对于生态系统的各种要素的综合观测能力，以及区域或流域尺度的综合观测能力。以美国国家生态观测网络（National Ecological Observatories Network:NEON）为例，其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。NEON的构成有2个层次：第一个层次是由分布在依据美国农业部林业总署提出的植被分区图的一级区内的一些研究机构、实验室和野外观测站组成17个区域网络；第二个层次是由上述区域网络组成的国家网络“核心站”和“卫星站”。在每一个区域网络中设有一个“核心”站，它将具有全面、深入开展生态学领域研究工作所需的野外设施、研究装置和综合研究能力。“卫星站”的数目很多，通常只配置对某些生态过程或现象观测的野外装置[20]。
3.4生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用
地球观测系统由大气圈观测系统、水圈与生物圈观测系统以及地圈与土壤圈观测系统组成，生态系统观测研究网络正好处于3大观测系统中间，起着承上启下的作用，它既与人类活动密切相关，同时又与地球的水圈、生物圈和地表系统相联系，既是全球地球观测系统的重要组成部分，又是集定位动态观测与卫星遥感监测为一体的立体化、跨区域、跨尺度综合性的野外观测基地（图4）。
图4 生态系统观测研究网络在地球系统科学中的作用
Fig.4 The roles of ecosystem observation research network in Earth system Science
生态系统观测研究网络通过多尺度联合观测、跨尺度过程模拟以及多过程耦合集成，实现对地球表层的各种生态要素、生物物理过程变化规律和相互作用的观测和综合集成分析，揭示地球表层系统的变化规律及其过程机理，发现和跟踪观测一些重要的地学现象，为地球各圈层的相互作用提供观测数据；同时，控制性试验的研究结论和机理性的认知，可以为大尺度的生物物理参数的尺度扩展，生物物理参数时空分布地统计学分析，遥感和航空观测的地面校验提供有效的地面观测数据支撑。总之，通过生态系统观测研究网络全方位的观测与研究工作，可以进一步推动全球气候变化、全球生物地球化学循环、全球生物进化、全球环境变化、全球生态系统变化和全球可持续发展等为主要内容的地球科学的发展。
4 中国生态系统研究网络（CERN）的发展及其成就
4.1CERN的发展历程
中国科学院的中国生态系统研究网络（CERN）筹建于1988年，当时设有29个台站，5个学科分中心和1个综合研究中心。1988～1995年利用世界银行贷款开始了CERN的基础能力建设，制定统一的监测指标和技术规范，配置相对统一的观测仪器。1997～2002年全面开展了生态系统联网观测和数据集成工作。2002—2003年开始CERN第2期建设，中国陆地生态系统通量观测研究网络新遴选了7个台站，使CERN的野外台站达到36个，同时以CERN为基础平台构建了ChinaFLUX，启动了生态系统碳、水和能量通量的专项观测计划。
2004年依托CERN综合研究中心成立了中国生态学会长期生态专业委员会，并成立了ILTER亚太区域秘书处。2005年又依托CERN综合研究中心成立了中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室以及全球碳计划（GCP）北京办公室。同年，国家科技部启动了国家生态系统观测研究网络建设计划，在全国各部门遴选了53个生态站，国家网络的综合研究中心挂靠在CERN综合中心，中国科学院的台站在其中起到了核心和骨干作用。
2006年依托部分台站启动了我国主要生态系统对全球变化响应的样带研究计划，3条主要的样带分别是中国东部南北样带（NSTEC）、中国草地样带（CGT）和中国东北样带（NECT）[21]。ChinaFLUX碳通量观测站主要分布在三个样带上，此外，还在南北样带上建立了三个森林生态系统降水和施肥控制试验，5个生物多样性观测研究大样方。总的来看，近年来，以CERN为基础平台，已经初步构成了中国区域长期生态观测—水、碳通量观测—生物多样性观测—陆地样带观测研究一体化的野外综合平台体系。
4.2CERN的主要任务与科学目标
CERN的核心任务与目标是开展生态与环境变化的动态观测、科学研究和生产示范，在此基础上为社会提供科学咨询、组织学术交流、人才培养和公众的生态环境教育（图5）。
图5 CERN的主要任务与科学目标
Fig.5 The Main goals and scientific objectives of CERN
CERN的观测研究工作以样点尺度的台站为核心，重点通过定位观测和控制试验，进行生态系统结构与功能、格局与过程的机理分析；在此基础上有效组织开展景观和区域尺度上的多台站联网观测和试验，并采用样带观测与卫星遥感、高空航空观测的有机结合，进行多手段和多时空尺度的生态信息的采集和数据集成分析，建立基于GIS技术支持的观测数据与生态模型融合系统，开展生态系统格局和服务功能的多尺度观测、跨尺度模拟、区域和国家尺度的生态系统评估和管理，重点综合研究和发展生态信息技术、生态系统物质和能量循环、生态系统的适应性、生态系统格局和过程模拟、生态系统评估和管理等方面的理论和技术（图6）。
图6 CERN的核心研究内容
Fig.6 The core research of CERN
CERN的核心研究内容是在环境变化和人类活动共同作用下生态系统格局、过程和功能变化及其调控机理，并在生态信息技术方面研究多尺度综合观测、试验技术与生态信息管理；在物质能量循环方面研究生态系统水、碳、氮循环过程机理及其相互作用关系；在生态系统适应方面研究生态系统对环境变化和人类活动的响应和适应性机理；在生态系统模拟方面研究生态系统的格局与过程变化的多尺度集成模拟；在生态系统评估方面研究国家尺度的生态系统变化的综合评估；在生态系统管理方面研究重要区域生态系统管理的基础理论与优化模式。通过生态系统网络的观测研究最终实现生态系统科学领域的知识创新与科技发展，为国家或区域的生态建设和经济的和谐发展提供科学数据的支持、科学知识的服务，为经济建设和生态建设提供科技咨询。
4.3CERN的科技成就
CERN自1988年开始建设以来，边建设边观测研究，在生态系统的动态观测，科学研究和生产示范方面取得了一系列科技成就。在动态监测方面自1998年开始按统一的监测指标和技术规范开展了各类生态系统的动态观测，目前在CERN已经建成了台站—分中心—综合中心的三级数据库和共享系统（如图7），在不同层次上开展了数据服务，并建立了CERN数据共享信息系统和综合信息系统等网站群（http://www.cern.ac.cn/Oindex/index.asp）。
图7 CERN的台站—分中心—综合中心的三级数据库系统和服务体系
Fig.7 The system of serving and station-subcenter-synthesis research center three class database for CERN
在科学研究方面，近5年来以CERN为平台，承担和参加了国家级项目297项，科学院项目81项，国际合作项目59项，经费总计5.6亿元。共发表论文7150篇，专著201部，并有一批高水平的学术论文在《Nature》和《Science》等国际有影响的刊物上发表。同时依托CERN获得了各类科技奖励121项，其中国家科技进步二等奖15项，省／部级科技进步奖48项。例如内蒙草原站在25年监测基础上，研究了多样性与稳定性的关系及其机制，得出“以每年生物量变异为主要测度的生态系统稳定性随草地生态系统等级结构尺度的提高而逐渐增加；群落尺度稳定性主要来自物种之间和功能群之间的补偿作用”的研究结论。这既是对生态学理论的贡献，也将有助于指导退化草地生态系统恢复重建与科学管理的实践[22]。鼎湖山森林站通过20多年的观测研究，否定了一个未经证实但流行的学说：“成熟森林生态系统没有碳汇功能”，现今的很多生物地球化学循环模型在涉及成熟森林时，都假定碳吸收与排放是平衡的，该研究推动了生态系统生态学非平衡理论框架的建立，说明在全球变化和区域酸沉降下，深入研究生态系统碳平衡过程是非常必要的[23]。
在生产示范方面，近5年来依托CERN获得了各类科技奖励121项，其中国家科技进步二等奖15项，省／部级科技进步奖48项。例如，包兰铁路横穿腾格里沙漠45公里的沙坡头段，年降水量186mm，20m高的流动沙丘每年前移4m，沙坡头站根据多年的观测研究，在明确土壤、植被和水相互作用机理的基础上，提出“以固为主，固阻结合”的铁路防护体系原理，该原理的应用，确保了包兰铁路40余年的畅通无阻，直接经济效益逾百亿元，为国家的经济建设做出了重大的贡献，创造了巨大的经济和社会效益。“包兰线沙坡头地段铁路治沙防护体系的建立”获得了1988年国家科技进步特等奖，目前这一原理及其成功模式在国家和区域经济建设的主战场仍在发挥着重要的作用。又如在塔克拉玛干石油公路等沙漠公路和铁路建设中的广泛应用，并成功地应用于马里共和国绿色屏障体系建立中，对今后西北生态环境的建设仍具有重要的理论价值和实践参考，塔克拉玛干沙漠公路工程技术研究荣获了国家1996年科技进步一等奖。此外，禹城站和封丘站开展黄淮海平原中低产地区综合治理的研究与开发，使得黄淮海平原大面积的中低产田得到治理，粮食产量从过去的亩产194kg上升到现在的500多kg，农村经济也快速发展。安塞站提出的针对黄土高原不同区域和地貌类型的水土保持、生态建设模式、实施途径与配套技术措施，大大促进了黄土高原生态建设进程。
5 中国生态系统研究网络（CERN）科学观测的发展思路
在中国生态系统观测研究网络的开始创立阶段，其主要任务是服务于我国的农业、渔业、林业和畜牧业生产，其科学研究任务主要是服务于生态科学的发展，随着我国经济和社会的发展，CERN的目标开始扩展到重点服务于我国的生态与环境建设，发展生态科学、环境科学、资源科学和地球科学，在新的历史阶段，CERN将会把服务于全球变化的科学研究和适应对策，发展地球系统科学作为重要的发展方向之一。与此同时，在以往的以单站过程研究为主，逐渐开始进入以联网动态监测和联网试验研究为主的新阶段，重点开展区域尺度的生态、环境和资源科学的综合分析，在新的历史阶段CERN将会进一步提升开展全球规模的联网观测研究的综合能力、建立天基与地基的联合立体观测体系，提高多尺度观测和跨尺度模拟的综合研究能力，为我国的地球系统科学的发展做出应有的贡献。具体而言，CERN通过加强以下6个方面的工作，进一步完善和发展CERN的科学观测和研究体系。
（1）强化定位动态观测、样带的移动观测与卫星遥感监测三位一体的立体化、跨区域、跨尺度的综合性野外观测体系。在地球生物化学循环方面，形成稳定同位素分析—通量观测—长期生态研究网络一体化的生态过程综合观测体系，开展生态系统碳、氮、水循环及其耦合关系的多尺度、多途径观测和多过程机理和格局变化的集成研究。
（2）加强传感器网络技术和计算机网络技术体系的应用。环境传感网络的应用将是地球系统科学的一次革命，它的出现将极大地方便基础生态学的过程研究，并推动灾害响应监测系统技术发展[24]。依靠实时的信息传输传感器（无线传感网络）可以快速地采集数据，为生态系统模拟和预警提供准确的信息，为科学研究与政府决策及时提供有效的生态信息。
（3）开发多途径、多尺度观测技术体系，开展流域尺度的综合观测。为了综合应用各种观测手段与试验方法，开展样地—集水区—流域尺度的综合观测，全面提升流域尺度生态与环境问题的综合研究和社会服务能力。
（4）建立基于多尺度观测和多种数据资源融合的远程管理和共享系统。利用现代的信息技术、数据同化、数据模型融合等新技术建立基于多尺度观测和多种数据资源的融合系统，并利用计算机网络实现数据的远程管理和共享，提高CERN对社会的服务能力和质量。
（5）建立基于多尺度观测和跨尺度模拟的生态系统模拟系统。现在的自动化观测技术和信息技术的进步，为开展生态系统的多尺度观测提供了强有力的技术支持。在样地、集水区、景观、区域和全球尺度，对生态系统的碳、氮和水循环、生态系统格局与过程变化、土壤侵蚀和水土流失、生物多样性和生态系统恢复效果等开展观测，利用跨尺度的模型模拟技术，建立生态系统过程和功能的多功能模拟系统，这不仅能够为评价和预测生态系统变化提供重要的研究工具，同时也是开展大气圈、土壤圈、水圈、生物圈和岩石圈相互作用关系的模拟分析，建立地球表层模拟系统的基础性工作。
（6）有效地组织专项科学观测，提高对生态系统过程机理研究的数据服务能力。CERN的长期动态监测主要是服务于国家尺度的长期生态科学问题研究和生态评价，其观测数据的时间分辨率多为一年以上，有效的数据积累需要几十年的历史过程，数据的历史系列越长其价值越大。可是，现实的科学研究任务所需求的时间周期要比CERN的动态监测周期短得多，一些重要科学研究问题的解决更需要大尺度、高时空分辨率的高强度观测数据的支持。因此，在CERN的平台上，通过组织专项的观测计划，快速积累科学数据、带动CERN观测能力、科研和社会服务能力的提高，既是推动CERN发展战略部署，也是重要的发展方向和亟待开拓的优势领域。在服务于生态系统研究方面积极组织生态系统碳氮水通量与耦合循环过程综合观测；生物多样性与生态系统功能综合观测；生态系统耗水与水资源利用效率观测；土壤肥力与肥料利用效率观测等的专项观测计划的实施。在服务于地球系统科学方面将积极组织中国区域生态系统变化的遥感观测；社会经济活动和土地利用的动态监测；流域和区域尺度的生态要素变化及其相互作用的综合观测；地圈—生物圈—大气圈相互作用的观测等专项观测计划的实施。
6 结语
地球系统科学的提出和发展，为中国生态系统研究网络（CERN）提出了新的科技需求和发展目标，CERN必须以先进的科学理念、活跃的学术思想、先进的观测和试验手段、更完善的资源共享政策，推动CERN的健康发展。与此同时，CERN将开始关注亚洲区域的生态与环境问题，推进亚洲区域的国际合作，带动中国周边地区的生态站建设，构建覆盖亚洲区域的生态系统研究网络体系。CERN的发展需要将服务于地球系统科学的发展作为重要任务之一，积极推动与各部门生态系统观测研究网络的联合，共同构建服务于地球系统科学的综合研究平台、野外观测和试验研究基地。
收稿日期：2006—11；修订日期：2007—01.
基金项目：国家自然科学基金项目（40621061）和中国科学院知识创新工程方向项目（KZCX2—YW—432）资助。
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