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国内外生态环境观测研究台站网络发展概况

发布时间:2016-04-14 10:16

  生态系统作为地球生命支持系统,为人类社会发展提供多种生态服务和产品。工业革命以来’随着人口增长和工业化、城市化发展’以及对生态系统的不合理利用和对自然资源的掠夺式经营’全球许多地方生态环境状况恶化’出现了诸如气候变化、荒漠化、环境污染、区域生态系统退化、生物多样性丧失等一系列生态环境问题。为解决日益复杂化和复合化的生态环境问题以及更加科学地管理生态系统,各国科学家逐渐认识到开展生态环境长期定位观测研究非常必要。


  生态环境观测研究台站是在特定区域或生态系统分布区建立长期观测研究设施,用于对自然状态或人为干扰下生态系统的动态变化格局与过程进行长期监测,通过长期定位观测能够识别和剔除生态环境短期波动带来的不确定性,研究生态系统发生、发展、演替的内在规律和变化机制,揭示生态系统的周期性规律’为生态环境管理及调控提供支持。世界上最早开展生态环境定位观测研究的是英国洛桑试验站(RothamstedResearch),于1843年开始农业生态系统的观测试验和研究,所设立的7个长期定位试验已经连续进行了150?170年。20世纪80年代以来,生态环境观测研究网络发展迅速,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w。目前生态环境长期观测研究从单站点的定位观测逐渐向台站网络观测研究发展’同时借助遥感、地理信息技术及数学模型向综合集成研究发展。


  在国务院发布的《“十二五”国家自主创新能力建设规划》中提出要加强农业、气象、生态、环保、交通、水利等领域野外科学观测研究站(网)的建设,同时《国家环境保护“十二五”科技发展规划》中也提出要建立国家环境保护野外观测研究站,逐步形成适应生态环境保护科学研究和综合决策需要的野外生态环境观测研究网络。笔者就目前区域和国家尺度的主要生态环境监测网络的建设及发展趋势进行归纳总结,以期为中国环境保护观测研究台站的建设提供借鉴。


  1区域生态环境观测网络


  区域尺度的生态环境观测网络多数在20世纪90年代由联合国及有关国际组织领导建立,用以收集区域的生物、大气、水、土壤以及污染物的综合观测数据。目前主要观测网络有全球环境监测系统(GEMS)、全球陆地观测系统(GT0S)、国际长期生态研究网络(ILTER)、全球通量观测网络(FLUXNET)以及国际生物多样性观测网络(GE0-B0N)等。


  1.1GEMS


  1972年在瑞典斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议上提出要建立全球淡水质量数据库;1978年,在世界卫生组织(WH0)、世界气象组织(WM0)、联合国教科文组织(UNESCO)和联合国环境规划署(UNEP)联合支持下,GEMS水项目在加拿大国家水环境研究所启动,其宗旨是以水资源可持续管理为目标’提供全球内陆淡水水质现状及趋势方面的数据、信息、评估及研究。


  截至2013年底,该网络在全球共布设4055个监测站点,其中非洲368个、北美洲1124个、拉丁美洲及加勒比地区1454个、欧洲358个、亚太地区636个、西亚115个。该网络成员分为2类:官方的国家节点和非政府组织、大学及研究机构的协作节点,其中国家节点的成员国有83个,非洲18个、拉丁美洲及加勒比地区12个、北美洲2个、亚太地区23个、西亚6个、欧洲22个。积累了从1965-2013年的460万个水环境监测数据,监测指标包括物理和化学、营养、主要离子、金属离子、有机物、有机污染物、微生物以及水文学等8个方面的内容和项目。


  1.2GTOS


  为了观测、模拟和分析全球陆地生态系统以便维持其可持续发展,1993年联合国粮农组织(FA0)、UNEP、UNESCO、WM0以及国际科学联合会理事会(ICSU)联合发起筹建GT0S[9]。1995年,筹建阶段的任务基本完成,编制了《全球陆地观测系统一从概念到实践》规划报告。1996年,5个联合发起的国际组织代表在罗马召开会议,标志着GT0S进入实施阶段,同时组建了由全球范围内的17名专家组成的GT0S指导委员会。GT0S的目标是要解决5个方面的关键性问题:①土地利用变化及退化对可持续发展的影响,未来土地能否生产足够的粮食满足人口所需;②评估哪些地方、哪个时候会出现淡水资源的短缺,并且评估缺口有多大;③气候变化会对陆地生态系统产生哪些影响;④生物资源丧失是否会对生态系统及人类社会造成不可逆转的损害,哪种资源将会消失,在哪些地方会发生;⑤有害物质在哪些地方和何时会成为人类及环境健康的主要威胁,生态系统降解有害物质的能力有多大。


  GT0S通过遥感和地面观测2种手段获取陆地生态系统数据,数据采集均采用全球一致的标准和方法,保证了全球不同区域数据的可比性。为了推动全球和地区性的生态系统数据整合以及区域性监测网络的构建工作,GT0S还组建了4个技术委员会,分别为海岸带、陆地气候观测、陆地碳观测以及全球森林和土地覆盖动态观测技术委员会,建立了从宏观区域-研究中心-研究台站-采样点多尺度的观测指标体系,同时结合不同时空分辨率的多源遥感影像,最终能获得时间分辨率为1d、空间分辨率为30m的陆地生态系统观测数据。目前已纳入观测的生态环境指标超过180个,社会经济指标达55个。


  此外,GT0S与全球气候观测系统(GC0S)和全球海洋观测系统(G00S)组成了目前全球尺度上最具代表性的生态环境观测系统[12],它们之间互相交叉又形成了一些新的观测系统,如GT0S和GC0S联合建立的陆地气候观测系统(T0PC),GT0S和G00S联合建立的海岸带观测系统,GC0S和G00S联合建立了海洋气候观测系统(00PC),GT0S、GC0S、G00S联合组建的全球观测系统信息中心,用于全球陆地、海洋和大气观测数据的整合和共享。


  1.3ILTER


  为更好地促进全球层面的生态系统长期观测研究交流与合作,1993年,在美国科罗拉多州埃斯特斯公园召开的美国长期生态研究会议上,来自16个国家的39位科学家和官员提议建立ILTER。ILTER主要研究领域有5个方面,分别为生物多样性监测评估、气候变化与土地利用及生态系统服务关系、社会经济发展与氮生物地球化学循环的联系及相互作用、气候变化的影响及适应策略、生态系统服务评估。


  截至2013年底,ILTER包括39个国家级长期生态研究网络,其中非洲地区4个、中南美洲地区3个、东亚太平洋地区8个、欧洲地区21个和北美洲地区3个;组建了东亚-太平洋地区、欧洲、非洲、北美及中南美洲5个区域性监测网。在组织模式上,ILTER建立了由主席、副主席、执行委员会、协调委员会和组成成员国组成的组织结构,目前主席由墨西哥的ManuelMaass博士担任,副主席由中国的傅伯杰院士担任,执行委员会6位委员来自6个区域(中南美洲、东亚太平洋、东欧、西欧、北美洲和南部非洲),协调委员会32位委员来自32个成员单位。


  在ILTER的国家级成员中,美国长期生态研究网络(US-LTER)、英国环境变化网络(ECN)和中国生态系统研究网络(CERN)是3个最为重要的国家级生态网络,也是ILTER的发起成员网络。目前,ILTER已经发展成为一个全球性的重要学术组织,并与GT0S等全球性观测网络一起,为全球生态系统监测和研究、自然资源管理作出了重要贡献。


  1.4FLUXNET


  FLUXNET的概念最早在1993年“国际地圈-生物圈计划”中被提出,1995年国际科学委员会正式讨论成立FLUXNET,随后在1996、1997年欧洲通量网(EuroFlux)和美洲通量网(AmeriFlux)相继建成,1998年,NASA以验证E0S产品为目的正式成立了fluxnet。


  目前,FLUXNET注册的国家或地区网络已达53个,区域性监测网络主要包括13个,有美洲、亚洲、非洲通量观测网以及中国、日本、墨西哥、加拿大通量观测网等。截至2013年底,已注册的通量观测塔有555个,主要分布在地球南纬40°?北纬70°之间从热带到寒带的各种植被区,包括热带雨林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林、草原、苔原、灌丛、农田、城市等生态系统。观测指标不仅包括二氧化碳、水分和能量交换,还有区域的土地覆盖类型、气候气象以及植物、土壤等。FLUXNET为全球陆地生态系统碳水循环、碳收支时空格局以及生态系统水碳过程的研究提供了全球范围的实测数据。


  1.5GEO-BON


  为全面了解全球生物多样性状况,以及气候变化、环境污染等对生物多样性的影响,2008年,国际生物多样性研究计划(DIVERSITAS)、世界自然保护联盟(IUCN)和美国国家航空航天局(NASA)等国际和地区性组织联合建立了GE0-B0N,目标是构建一个全球性平台来整合各地的生物多样性监测数据和信息。GE0.B0N下设9个工作组,分别为基因多样性监测工作组、陆地物种监测工作组、陆地生态系统监测工作组、淡水生态系统监测工作组、海洋生态系统监测工作组、生态系统服务功能监测工作组、遥感跨尺度整合及模型模拟工作组、监测数据整合和标准化工作组、生物多样性指示指标研究工作组,每个工作组都有各自的成员单位、研究计划及目标。


  2国家尺度的生态环境观测研究网络


  随着全球性生态环境研究的不断深入,生态环境观测研究网络受到许多国家和地区的重视,纷纷建立本国的生态环境观测网络用以开展生态系统观测与试验研究,而且大部分都成为了国际长期生态研究网络的成员。在国家尺度的生态环境监测网络中,US-LTER、ECN和CERN各具特色,各有代表性,是ILTER及其他全球性生态环境观测研究网络的发起成员网络。


  2.1US-LTER


  US-LTER建于1980年,是世界上建立最早、覆盖生态系统类型最多的国家长期生态研究网络’由代表森林、草原、农田、湖泊、海岸、极地冻原、荒漠和城市生态系统类型的26个站点组成。监测指标体系囊括了生态系统各要素,包括生物种类、植被、水文、气象、土壤、降雨、地表水、人类活动、土地利用、管理政策等。主要研究内容包括:①生态系统初级生产力格局;②种群营养结构的时空分布特点;③地表及沉积物有机物质聚集的格局与控制;④无机物及养分在土壤、地表水及地下水间的运移格局;⑤干扰的模式和频率。


  US-LTER的突出特点是注重观测的标准化’制订了有效度量标准’实施标准化测量’如《长期生态学研究中的土壤标准方法》(第二版)、《初级生产力监测原理与标准》、《环境抽样的ASTM标准》、《生物多样性的测量与监测:哺乳动物的标准方法》等,同时也非常注重监测数据的规范化共享?。在US-LTER基础上,2000年,美国国家基金委员会(NSF)提出建立“美国国家生态观测站网络(NEON)”的设想’目标是针对美国国家层面所面临的重大环境问题,利用最先进的仪器和装备,在区域至大陆尺度上开展生态系统的观测、研究、试验和综合分析;在组成结构上’先按照植被分区图划分为17个区域网络,每个区域网络由1个核心站和若干卫星站构成;17个区域网络组成国家网络。


  2.2ECN


  ECN建立于1992年,1993年开始陆地生态系统监测’1994年起开始监测淡水生态系统[22]。该网络由12个陆地生态系统监测站和45个淡水生态系统监测站组成(河流站点29个、湖泊站点16个),覆盖了英国主要环境梯度和生态系统类型。其突出特点是非常重视监测工作,对所有监测指标都制定了标准的ECN测定方法,同时也形成了非常严格的数据质控体系,包括数据格式、数据精度要求、丢失数据处理、数据可靠性检验等;所有监测数据都建立中央数据库系统进行集中管理、共享。在监测指标上,ECN不追求监测生态系统全部要素指标,而是根据自然生态系统类型和特点来确定监测指标体系,如陆地生态系统监测指标在类型上包括气象(自动气象站13项、标准气象站14项),空气(二氧化氮),降水(14项),地表水(15项),土壤(15项),有脊椎和无脊椎动物’植被类型与土地利用变化;淡水生态系统监测指标在类型上有地表水(34项),地表径流量’浮游植物(种类、丰富度、叶绿素a),大型水生植物(种类和丰富度),浮游动物(种类和丰富度),大型无脊椎动物(种类、丰富度、畸形程度)。


  2.3CERN


  CERN建于1988年,由1个综合中心,5个学科分中心(分别为水分、土壤、大气、生物和水体)和42个生态环境定位监测站组成,覆盖农田、森林、草原、荒漠、湖泊、海湾、沼泽、喀斯特及城市9类生态系统,观测指标达280多个,建立了42个综合观测试验场’113个对比观测试验场’1100多个定位监测点和15000多个调查样地的国家层次的生态环境综合观测系统,覆盖中国主要气候地带和经济类型区域。经过30多年的发展,目前已经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。


  CERN非常重视观测的标准化’制定了一系列水文、土壤、气候和生物要素监测标准方法’编制了诸如《生态系统大气环境观测规范》、《陆地生态系统水环境观测规范》、《陆地生态系统土壤观测规范》、《陆地生态系统生物观测规范》、《水域生态系统观测规范》、《陆地生态系统生物观测数据质量保证与质量控制》等丛书,建立了数据管理、质控和集成分析系统’监测数据实现了开放共享,成为国家科技共享平台的特色数据资源[23-24]。在CERN基础上,2005年,国家启动了国家生态系统观测研究网络(CNERN)建设任务,目的是对现有的生态系统观测研究台站进行整合,在国家层面上建立跨部门、跨行业的科技基础条件平台,实现资源整合、标准化规范化监测、数据共享。通过对已有台站的评估认证,目前有53个台站纳入了CNLRN,其中包括18个国家农田生态站、17个国家森林生态站、9个国家草地与荒漠生态站、7个国家水体与湿地生态站以及国家土壤肥力网和国家生态系统综合研究中心。


    2.4日本长期生态研究网络(JaLTER)


  日本政府非常重视全国性的自然环境状况普查,在1972年制定的《自然环境保护法》规定国家必须每5年实施一次生态环境基础调查,内容包括地形、地质、植被、野生动物等,为国家环境保护政策实施提供依据。1973年开始第1次调查,截至2012年已完成7次自然环境保护基础调查,建立了全国1kmX1km网格单兀的植被、野生动植物、地形地貌、水域的自然生态环境普查数据。其特点是每次调查都在上一次调查基础上,突出不同的重点内容,在最近完成的第6次(1999一2005年)、第7次(2005-2012年)调查中重点开展了全国生物多样性及植被状况普查,并编制了1:2.5万比例尺植被现状图。


  在生态环境监测网络方面,2002年日本政府启动了“新?生物多样性国家战略”,由环境省自然环境局生物多样性中心负责网络管理,计划在全日本建设1000个左右的固定监测子站,开展动植物栖息地环境及生活状态的长期监测,每5年为一个工作周期,连续开展100年的长期监测。该计划2003-2007年开展第1期工作,2008年起正式开展调查监测,截至2011年,共设置了1013个监测子站开展生物多样性监测,同时每年度按照生态系统类型发布调查报告,每5年汇总分析编制一次综合报告书。


  2003年,日本生态学会与其他学会联合发起了JaLTER建设,在森林、草地、湖泊、海洋生态系统开展长期定位观测。重点围绕3个研究目标,分别为全球变化对生物多样性和生态系统功能的响应与反馈机制、海陆生态系统的水文-生物地球化学过程及相关作用关系、不同时空尺度生态系统监测网络和技术研发。该网络监测站点分为核心站和辅助站,截至2013年,有20个核心站、36个辅助站,监测指标包括气象、水文、水质、物候、植被及二氧化碳通量等。JaLTER建立了台站的定期评估机制,每4年评估一次,通过评估一方面吸纳新的台站加入网络,另一方面已有台站如果达不到评估标准,会被剔除出网络[27]。


  3中国生态环境观测研究网络状况


  在中国的生态环境观测研究网络中,除了在国际上具有重要影响的CERN外卜,林业部门从20世纪50年代开始逐步建立的中国森林生态系统定位研究网络(CFERN)也具有重要影响,该网络目前已发展成为横跨30个维度、代表不同气候带的73个森林生态站组成的网络,覆盖了中国森林生态系统分布区,同时也在积极建设湿地生态监测网络和荒漠监测网络,规划到2020年,森林生态站数量达到99个,湿地生态站达到50个,荒漠生态站达到43个。为了规范网络运行管理及监测标准化和规范化,也制定并颁布了森林、湿地和荒漠方面的一系列标准规范[28]。


  此外,中国水利、农业、环保等行业也根据业务需要建立了相应的生态环境监测网络,如水利部门的水土保持监测网络,由水利部水土保持监测中心、7大流域监测中心站、31个省级监测总站、175个重点地区监测分站以及分布在不同水土流失类型区的典型监测点构成了覆盖全国的水土保持监测网络。农业部门的生态环境监测网由全国农业环境监测网络、渔业生态环境监测网络和草原生态环境监测网络构成,分别负责农业、渔业以及草原的例行监测与管理。环保部门以国家环境监测网为主,其目标是说清环境质量状况及变化趋势、说清污染源排放状况、说清潜在的环境风险;经过30多年的建设形成了覆盖全国的,涉及水、空气、土壤、生物、生态、近岸海域等环境要素的网络,在运行机制上建立了由国家、省、地市和县4级监测站组成的业务化运行体系,负责不同层级行政区域内的环境监测业务。


  4生态环境观测研究网络的发展趋势


  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环境观测网络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。


  生态环境观测研究网络呈现出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,需要跨区域的不同监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[29]。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,目前几乎每个生态环境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环境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。随着生态环境观测设备、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,监测数据精确性得到提高,部分监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[1]。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[2931]。在环保业务领域,中国国家环境保护野外观测研究台站建设也是对国家环境监测网的补充和拓展,目前国家环境监测网在单个环境要素(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。为了更好地适应环境管理的需求,国家环境监测网需要对目前的监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)开展综合监测与评价,需要拓展生物、生态、土壤等监测要素,同时研究建立相应的监测指标、评价方法、技术规范、数据质控及能力建设等,补充完善现有的环境监测技术系。


  5结语


  国家环境保护野外观测研究台站是未来支撑国家环境科技创新的重要平台,对重点区域的长期综合观测,为揭示区域生态环境演变,研究重大生态环境问题的形成、转化及发展规律具有重要作用。国内外已有的生态环境观测网络的设计理念、建设模式、观测指标、观测规范、重点研究领域等对中国国家环境保护野外观测研究台站的建设起到很好的借鉴作用,有助于建成高起点、高标准和特色鲜明的生态环境观测研究网络。


  国家环境保护野外观测研究台站的特点是在不同区域进行综合观测与数据采集,其观测要素一般包括生物群落(动植物群落)、地表水、空气、降水、气象、土壤、自然植被、土地利用等,以及区域社会经济、农牧业方面的数据,在此基础上进行综合评价与分析,因此它既是目前国家环境监测网的补充和完善,也是未来建立国家环境综合观测体系的重要基础。

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