國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境觀測研究臺站網(wǎng)絡(luò)發(fā)展概況

劉海江，孫 聰，齊 楊，何立環(huán)，彭福利，于 洋

中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

生態(tài)系統(tǒng)作為地球生命支持系統(tǒng)，為人類社會(huì)發(fā)展提供多種生態(tài)服務(wù)和產(chǎn)品。工業(yè)革命以來，隨著人口增長和工業(yè)化、城市化發(fā)展，以及對生態(tài)系統(tǒng)的不合理利用和對自然資源的掠奪式經(jīng)營，全球許多地方生態(tài)環(huán)境狀況惡化，出現(xiàn)了諸如氣候變化、荒漠化、環(huán)境污染、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化、生物多樣性喪失等一系列生態(tài)環(huán)境問題。為解決日益復(fù)雜化和復(fù)合化的生態(tài)環(huán)境問題以及更加科學(xué)地管理生態(tài)系統(tǒng)，各國科學(xué)家逐漸認(rèn)識到開展生態(tài)環(huán)境長期定位觀測研究非常必要。

生態(tài)環(huán)境觀測研究臺站是在特定區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū)建立長期觀測研究設(shè)施，用于對自然狀態(tài)或人為干擾下生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化格局與過程進(jìn)行長期監(jiān)測[1], 通過長期定位觀測能夠識別和剔除生態(tài)環(huán)境短期波動(dòng)帶來的不確定性，研究生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展、演替的內(nèi)在規(guī)律和變化機(jī)制，揭示生態(tài)系統(tǒng)的周期性規(guī)律，為生態(tài)環(huán)境管理及調(diào)控提供支持[2]。世界上最早開展生態(tài)環(huán)境定位觀測研究的是英國洛桑試驗(yàn)站(Rothamsted Research)，于1843年開始農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的觀測試驗(yàn)和研究，所設(shè)立的7個(gè)長期定位試驗(yàn)已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了150～170年[3]。20世紀(jì)80年代以來，生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，一些國家、國際組織和國際合作項(xiàng)目建立了不同尺度的生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)，用以開展生態(tài)系統(tǒng)在人類和自然雙重影響下的演變機(jī)理和過程研究[4]。目前生態(tài)環(huán)境長期觀測研究從單站點(diǎn)的定位觀測逐漸向臺站網(wǎng)絡(luò)觀測研究發(fā)展，同時(shí)借助遙感、地理信息技術(shù)及數(shù)學(xué)模型向綜合集成研究發(fā)展[5]。

在國務(wù)院發(fā)布的《“十二五”國家自主創(chuàng)新能力建設(shè)規(guī)劃》中提出要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)、氣象、生態(tài)、環(huán)保、交通、水利等領(lǐng)域野外科學(xué)觀測研究站(網(wǎng))的建設(shè)[6]，同時(shí)《國家環(huán)境保護(hù)“十二五”科技發(fā)展規(guī)劃》中也提出要建立國家環(huán)境保護(hù)野外觀測研究站，逐步形成適應(yīng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究和綜合決策需要的野外生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)[7]。筆者就目前區(qū)域和國家尺度的主要生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及發(fā)展趨勢進(jìn)行歸納總結(jié)，以期為中國環(huán)境保護(hù)觀測研究臺站的建設(shè)提供借鑒。

1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)

區(qū)域尺度的生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)多數(shù)在20世紀(jì)90年代由聯(lián)合國及有關(guān)國際組織領(lǐng)導(dǎo)建立，用以收集區(qū)域的生物、大氣、水、土壤以及污染物的綜合觀測數(shù)據(jù)。目前主要觀測網(wǎng)絡(luò)有全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(GEMS)、全球陸地觀測系統(tǒng)(GTOS)、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(ILTER)、全球通量觀測網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)以及國際生物多樣性觀測網(wǎng)絡(luò)(GEO·BON)等。

1.1 GEMS

1972年在瑞典斯德哥爾摩召開的聯(lián)合國人類環(huán)境會(huì)議上提出要建立全球淡水質(zhì)量數(shù)據(jù)庫；1978年，在世界衛(wèi)生組織(WHO)、世界氣象組織(WMO)、聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)聯(lián)合支持下，GEMS水項(xiàng)目在加拿大國家水環(huán)境研究所啟動(dòng)，其宗旨是以水資源可持續(xù)管理為目標(biāo)，提供全球內(nèi)陸淡水水質(zhì)現(xiàn)狀及趨勢方面的數(shù)據(jù)、信息、評估及研究[8]。

截至2013年底，該網(wǎng)絡(luò)在全球共布設(shè)4 055個(gè)監(jiān)測站點(diǎn)，其中非洲368個(gè)、北美洲1 124個(gè)、拉丁美洲及加勒比地區(qū)1 454個(gè)、歐洲358個(gè)、亞太地區(qū)636個(gè)、西亞115個(gè)。該網(wǎng)絡(luò)成員分為2類：官方的國家節(jié)點(diǎn)和非政府組織、大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，其中國家節(jié)點(diǎn)的成員國有83個(gè)，非洲18個(gè)、拉丁美洲及加勒比地區(qū)12個(gè)、北美洲2個(gè)、亞太地區(qū)23個(gè)、西亞6個(gè)、歐洲22個(gè)。積累了從1965—2013年的460萬個(gè)水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測指標(biāo)包括物理和化學(xué)、營養(yǎng)、主要離子、金屬離子、有機(jī)物、有機(jī)污染物、微生物以及水文學(xué)等8個(gè)方面的內(nèi)容和項(xiàng)目[8]。

1.2 GTOS

為了觀測、模擬和分析全球陸地生態(tài)系統(tǒng)以便維持其可持續(xù)發(fā)展，1993年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)、UNEP、UNESCO、WMO以及國際科學(xué)聯(lián)合會(huì)理事會(huì)(ICSU)聯(lián)合發(fā)起籌建GTOS[9]。1995年，籌建階段的任務(wù)基本完成，編制了《全球陸地觀測系統(tǒng)——從概念到實(shí)踐》規(guī)劃報(bào)告。1996年，5個(gè)聯(lián)合發(fā)起的國際組織代表在羅馬召開會(huì)議，標(biāo)志著GTOS進(jìn)入實(shí)施階段，同時(shí)組建了由全球范圍內(nèi)的17名專家組成的GTOS指導(dǎo)委員會(huì)[10]。GTOS的目標(biāo)是要解決5個(gè)方面的關(guān)鍵性問題：①土地利用變化及退化對可持續(xù)發(fā)展的影響，未來土地能否生產(chǎn)足夠的糧食滿足人口所需；②評估哪些地方、哪個(gè)時(shí)候會(huì)出現(xiàn)淡水資源的短缺，并且評估缺口有多大；③氣候變化會(huì)對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生哪些影響；④生物資源喪失是否會(huì)對生態(tài)系統(tǒng)及人類社會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，哪種資源將會(huì)消失，在哪些地方會(huì)發(fā)生；⑤有害物質(zhì)在哪些地方和何時(shí)會(huì)成為人類及環(huán)境健康的主要威脅，生態(tài)系統(tǒng)降解有害物質(zhì)的能力有多大。

GTOS通過遙感和地面觀測2種手段獲取陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集均采用全球一致的標(biāo)準(zhǔn)和方法，保證了全球不同區(qū)域數(shù)據(jù)的可比性。為了推動(dòng)全球和地區(qū)性的生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合以及區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建工作，GTOS還組建了4個(gè)技術(shù)委員會(huì)，分別為海岸帶、陸地氣候觀測、陸地碳觀測以及全球森林和土地覆蓋動(dòng)態(tài)觀測技術(shù)委員會(huì)，建立了從宏觀區(qū)域-研究中心-研究臺站-采樣點(diǎn)多尺度的觀測指標(biāo)體系，同時(shí)結(jié)合不同時(shí)空分辨率的多源遙感影像，最終能獲得時(shí)間分辨率為1 d、空間分辨率為30 m的陸地生態(tài)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)[9]。目前已納入觀測的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)超過180個(gè)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)55個(gè)[11]。

此外，GTOS與全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)和全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)組成了目前全球尺度上最具代表性的生態(tài)環(huán)境觀測系統(tǒng)[12]，它們之間互相交叉又形成了一些新的觀測系統(tǒng)，如GTOS和GCOS聯(lián)合建立的陸地氣候觀測系統(tǒng)(TOPC)，GTOS和GOOS聯(lián)合建立的海岸帶觀測系統(tǒng)，GCOS和GOOS聯(lián)合建立了海洋氣候觀測系統(tǒng)(OOPC)，GTOS、GCOS、GOOS聯(lián)合組建的全球觀測系統(tǒng)信息中心，用于全球陸地、海洋和大氣觀測數(shù)據(jù)的整合和共享。

1.3 ILTER

為更好地促進(jìn)全球?qū)用娴纳鷳B(tài)系統(tǒng)長期觀測研究交流與合作，1993年，在美國科羅拉多州埃斯特斯公園召開的美國長期生態(tài)研究會(huì)議上，來自16個(gè)國家的39位科學(xué)家和官員提議建立ILTER。ILTER主要研究領(lǐng)域有5個(gè)方面，分別為生物多樣性監(jiān)測評估、氣候變化與土地利用及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與氮生物地球化學(xué)循環(huán)的聯(lián)系及相互作用、氣候變化的影響及適應(yīng)策略、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[13]。

截至2013年底，ILTER包括39個(gè)國家級長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)，其中非洲地區(qū)4個(gè)、中南美洲地區(qū)3個(gè)、東亞太平洋地區(qū)8個(gè)、歐洲地區(qū)21個(gè)和北美洲地區(qū)3個(gè)；組建了東亞-太平洋地區(qū)、歐洲、非洲、北美及中南美洲5個(gè)區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)。在組織模式上，ILTER建立了由主席、副主席、執(zhí)行委員會(huì)、協(xié)調(diào)委員會(huì)和組成成員國組成的組織結(jié)構(gòu)，目前主席由墨西哥的Manuel Maass博士擔(dān)任，副主席由中國的傅伯杰院士擔(dān)任，執(zhí)行委員會(huì)6位委員來自6個(gè)區(qū)域(中南美洲、東亞太平洋、東歐、西歐、北美洲和南部非洲)，協(xié)調(diào)委員會(huì)32位委員來自32個(gè)成員單位[13]。

在ILTER的國家級成員中，美國長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(US-LTER)、英國環(huán)境變化網(wǎng)絡(luò)( ECN) 和中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN) 是3個(gè)最為重要的國家級生態(tài)網(wǎng)絡(luò), 也是ILTER的發(fā)起成員網(wǎng)絡(luò)[4]。目前，ILTER已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)全球性的重要學(xué)術(shù)組織，并與GTOS等全球性觀測網(wǎng)絡(luò)一起，為全球生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和研究、自然資源管理作出了重要貢獻(xiàn)[14]。

1.4 FLUXNET

FLUXNET的概念最早在1993年“國際地圈-生物圈計(jì)劃”中被提出，1995年國際科學(xué)委員會(huì)正式討論成立FLUXNET，隨后在1996、1997年歐洲通量網(wǎng)(EuroFlux)和美洲通量網(wǎng)(AmeriFlux)相繼建成，1998年，NASA以驗(yàn)證EOS產(chǎn)品為目的正式成立了FLUXNET[15]。

目前，F(xiàn)LUXNET注冊的國家或地區(qū)網(wǎng)絡(luò)已達(dá)53個(gè)，區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要包括13個(gè)，有美洲、亞洲、非洲通量觀測網(wǎng)以及中國、日本、墨西哥、加拿大通量觀測網(wǎng)等。截至2013年底，已注冊的通量觀測塔有555個(gè)，主要分布在地球南緯40°～北緯70°之間從熱帶到寒帶的各種植被區(qū)，包括熱帶雨林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林、針葉林、草原、苔原、灌叢、農(nóng)田、城市等生態(tài)系統(tǒng)。觀測指標(biāo)不僅包括二氧化碳、水分和能量交換，還有區(qū)域的土地覆蓋類型、氣候氣象以及植物、土壤等[16]。FLUXNET為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)、碳收支時(shí)空格局以及生態(tài)系統(tǒng)水碳過程的研究提供了全球范圍的實(shí)測數(shù)據(jù)[15]。

1.5 GEO·BON

為全面了解全球生物多樣性狀況，以及氣候變化、環(huán)境污染等對生物多樣性的影響，2008年，國際生物多樣性研究計(jì)劃(DIVERSITAS)、世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)和美國國家航空航天局(NASA)等國際和地區(qū)性組織聯(lián)合建立了GEO·BON，目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)全球性平臺來整合各地的生物多樣性監(jiān)測數(shù)據(jù)和信息。GEO·BON下設(shè)9個(gè)工作組，分別為基因多樣性監(jiān)測工作組、陸地物種監(jiān)測工作組、陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測工作組、淡水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測工作組、海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測工作組、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能監(jiān)測工作組、遙感跨尺度整合及模型模擬工作組、監(jiān)測數(shù)據(jù)整合和標(biāo)準(zhǔn)化工作組、生物多樣性指示指標(biāo)研究工作組，每個(gè)工作組都有各自的成員單位、研究計(jì)劃及目標(biāo)[17]。

2 國家尺度的生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)

隨著全球性生態(tài)環(huán)境研究的不斷深入，生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)受到許多國家和地區(qū)的重視，紛紛建立本國的生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)用以開展生態(tài)系統(tǒng)觀測與試驗(yàn)研究，而且大部分都成為了國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)的成員。在國家尺度的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，US-LTER、ECN和CERN各具特色，各有代表性, 是ILTER及其他全球性生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起成員網(wǎng)絡(luò)[4,14,18]。

2.1 US-LTER

US-LTER建于1980年，是世界上建立最早、覆蓋生態(tài)系統(tǒng)類型最多的國家長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)，由代表森林、草原、農(nóng)田、湖泊、海岸、極地凍原、荒漠和城市生態(tài)系統(tǒng)類型的26個(gè)站點(diǎn)組成。監(jiān)測指標(biāo)體系囊括了生態(tài)系統(tǒng)各要素，包括生物種類、植被、水文、氣象、土壤、降雨、地表水、人類活動(dòng)、土地利用、管理政策等。主要研究內(nèi)容包括：①生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力格局；②種群營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布特點(diǎn)；③地表及沉積物有機(jī)物質(zhì)聚集的格局與控制；④無機(jī)物及養(yǎng)分在土壤、地表水及地下水間的運(yùn)移格局；⑤干擾的模式和頻率[19]。

US-LTER的突出特點(diǎn)是注重觀測的標(biāo)準(zhǔn)化，制訂了有效度量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化測量，如《長期生態(tài)學(xué)研究中的土壤標(biāo)準(zhǔn)方法》(第二版)、《初級生產(chǎn)力監(jiān)測原理與標(biāo)準(zhǔn)》、《環(huán)境抽樣的ASTM標(biāo)準(zhǔn)》、《生物多樣性的測量與監(jiān)測：哺乳動(dòng)物的標(biāo)準(zhǔn)方法》等，同時(shí)也非常注重監(jiān)測數(shù)據(jù)的規(guī)范化共享[20]。在US-LTER基礎(chǔ)上，2000年，美國國家基金委員會(huì)(NSF)提出建立“美國國家生態(tài)觀測站網(wǎng)絡(luò)(NEON)”的設(shè)想，目標(biāo)是針對美國國家層面所面臨的重大環(huán)境問題, 利用最先進(jìn)的儀器和裝備, 在區(qū)域至大陸尺度上開展生態(tài)系統(tǒng)的觀測、研究、試驗(yàn)和綜合分析；在組成結(jié)構(gòu)上，先按照植被分區(qū)圖劃分為17個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)由1個(gè)核心站和若干衛(wèi)星站構(gòu)成；17個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)組成國家網(wǎng)絡(luò)[21]。

2.2 ECN

ECN建立于1992年，1993年開始陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測，1994年起開始監(jiān)測淡水生態(tài)系統(tǒng)[22]。該網(wǎng)絡(luò)由12個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測站和45個(gè)淡水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測站組成(河流站點(diǎn)29個(gè)、湖泊站點(diǎn)16個(gè))，覆蓋了英國主要環(huán)境梯度和生態(tài)系統(tǒng)類型。其突出特點(diǎn)是非常重視監(jiān)測工作，對所有監(jiān)測指標(biāo)都制定了標(biāo)準(zhǔn)的ECN測定方法，同時(shí)也形成了非常嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)控體系，包括數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)精度要求、丟失數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)等；所有監(jiān)測數(shù)據(jù)都建立中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行集中管理、共享。在監(jiān)測指標(biāo)上，ECN不追求監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)全部要素指標(biāo)，而是根據(jù)自然生態(tài)系統(tǒng)類型和特點(diǎn)來確定監(jiān)測指標(biāo)體系，如陸地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)在類型上包括氣象(自動(dòng)氣象站13項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)氣象站14項(xiàng))，空氣(二氧化氮)，降水(14項(xiàng))，地表水(15項(xiàng))，土壤(15項(xiàng))，有脊椎和無脊椎動(dòng)物，植被類型與土地利用變化；淡水生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測指標(biāo)在類型上有地表水(34項(xiàng))，地表徑流量，浮游植物(種類、豐富度、葉綠素a)，大型水生植物(種類和豐富度)，浮游動(dòng)物(種類和豐富度)，大型無脊椎動(dòng)物(種類、豐富度、畸形程度)。

2.3 CERN

CERN建于1988年，由1個(gè)綜合中心，5個(gè)學(xué)科分中心(分別為水分、土壤、大氣、生物和水體)和42個(gè)生態(tài)環(huán)境定位監(jiān)測站組成，覆蓋農(nóng)田、森林、草原、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特及城市9類生態(tài)系統(tǒng)，觀測指標(biāo)達(dá)280多個(gè)，建立了42個(gè)綜合觀測試驗(yàn)場，113個(gè)對比觀測試驗(yàn)場，1 100多個(gè)定位監(jiān)測點(diǎn)和15 000多個(gè)調(diào)查樣地的國家層次的生態(tài)環(huán)境綜合觀測系統(tǒng)，覆蓋中國主要?dú)夂虻貛Ш徒?jīng)濟(jì)類型區(qū)域[23]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前已經(jīng)構(gòu)成了中國區(qū)域長期生態(tài)觀測-水、碳通量觀測-生物多樣性觀測-陸地樣帶觀測研究一體化的野外綜合平臺體系[4]。

CERN非常重視觀測的標(biāo)準(zhǔn)化，制定了一系列水文、土壤、氣候和生物要素監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法，編制了諸如《生態(tài)系統(tǒng)大氣環(huán)境觀測規(guī)范》、《陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測規(guī)范》、《陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤觀測規(guī)范》、《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測規(guī)范》、《水域生態(tài)系統(tǒng)觀測規(guī)范》、《陸地生態(tài)系統(tǒng)生物觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量保證與質(zhì)量控制》等叢書，建立了數(shù)據(jù)管理、質(zhì)控和集成分析系統(tǒng)，監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了開放共享，成為國家科技共享平臺的特色數(shù)據(jù)資源[23-24]。在CERN基礎(chǔ)上，2005年，國家啟動(dòng)了國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)(CNERN)建設(shè)任務(wù)，目的是對現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)觀測研究臺站進(jìn)行整合，在國家層面上建立跨部門、跨行業(yè)的科技基礎(chǔ)條件平臺，實(shí)現(xiàn)資源整合、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享。通過對已有臺站的評估認(rèn)證，目前有53個(gè)臺站納入了CNLRN，其中包括18個(gè)國家農(nóng)田生態(tài)站、17個(gè)國家森林生態(tài)站、9個(gè)國家草地與荒漠生態(tài)站、7個(gè)國家水體與濕地生態(tài)站以及國家土壤肥力網(wǎng)和國家生態(tài)系統(tǒng)綜合研究中心[25]。

2.4 日本長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)(JaLTER)

日本政府非常重視全國性的自然環(huán)境狀況普查，在1972年制定的《自然環(huán)境保護(hù)法》規(guī)定國家必須每5年實(shí)施一次生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)調(diào)查，內(nèi)容包括地形、地質(zhì)、植被、野生動(dòng)物等，為國家環(huán)境保護(hù)政策實(shí)施提供依據(jù)。1973年開始第1次調(diào)查，截至2012年已完成7次自然環(huán)境保護(hù)基礎(chǔ)調(diào)查，建立了全國1 km×1 km網(wǎng)格單元的植被、野生動(dòng)植物、地形地貌、水域的自然生態(tài)環(huán)境普查數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)是每次調(diào)查都在上一次調(diào)查基礎(chǔ)上，突出不同的重點(diǎn)內(nèi)容，在最近完成的第6次(1999—2005年)、第7次(2005—2012年)調(diào)查中重點(diǎn)開展了全國生物多樣性及植被狀況普查，并編制了1∶2.5萬比例尺植被現(xiàn)狀圖[26]。

在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)方面，2002年日本政府啟動(dòng)了“新·生物多樣性國家戰(zhàn)略”，由環(huán)境省自然環(huán)境局生物多樣性中心負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，計(jì)劃在全日本建設(shè)1 000個(gè)左右的固定監(jiān)測子站，開展動(dòng)植物棲息地環(huán)境及生活狀態(tài)的長期監(jiān)測，每5年為一個(gè)工作周期，連續(xù)開展100年的長期監(jiān)測。該計(jì)劃2003—2007年開展第1期工作，2008年起正式開展調(diào)查監(jiān)測，截至2011年，共設(shè)置了1 013個(gè)監(jiān)測子站開展生物多樣性監(jiān)測，同時(shí)每年度按照生態(tài)系統(tǒng)類型發(fā)布調(diào)查報(bào)告，每5年匯總分析編制一次綜合報(bào)告書[26]。

2003年，日本生態(tài)學(xué)會(huì)與其他學(xué)會(huì)聯(lián)合發(fā)起了JaLTER建設(shè)，在森林、草地、湖泊、海洋生態(tài)系統(tǒng)開展長期定位觀測。重點(diǎn)圍繞3個(gè)研究目標(biāo)，分別為全球變化對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的響應(yīng)與反饋機(jī)制、海陸生態(tài)系統(tǒng)的水文-生物地球化學(xué)過程及相關(guān)作用關(guān)系、不同時(shí)空尺度生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)研發(fā)。該網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測站點(diǎn)分為核心站和輔助站，截至2013年，有20個(gè)核心站、36個(gè)輔助站，監(jiān)測指標(biāo)包括氣象、水文、水質(zhì)、物候、植被及二氧化碳通量等。JaLTER建立了臺站的定期評估機(jī)制，每4年評估一次，通過評估一方面吸納新的臺站加入網(wǎng)絡(luò)，另一方面已有臺站如果達(dá)不到評估標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)被剔除出網(wǎng)絡(luò)[27]。

3 中國生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)狀況

在中國的生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)中，除了在國際上具有重要影響的CERN外，林業(yè)部門從20世紀(jì)50年代開始逐步建立的中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)也具有重要影響，該網(wǎng)絡(luò)目前已發(fā)展成為橫跨30個(gè)維度、代表不同氣候帶的73個(gè)森林生態(tài)站組成的網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了中國森林生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū)，同時(shí)也在積極建設(shè)濕地生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和荒漠監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，規(guī)劃到2020年，森林生態(tài)站數(shù)量達(dá)到99個(gè)，濕地生態(tài)站達(dá)到50個(gè)，荒漠生態(tài)站達(dá)到43個(gè)。為了規(guī)范網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理及監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，也制定并頒布了森林、濕地和荒漠方面的一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[28]。

此外，中國水利、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)也根據(jù)業(yè)務(wù)需要建立了相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，如水利部門的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，由水利部水土保持監(jiān)測中心、7大流域監(jiān)測中心站、31個(gè)省級監(jiān)測總站、175個(gè)重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)測分站以及分布在不同水土流失類型區(qū)的典型監(jiān)測點(diǎn)構(gòu)成了覆蓋全國的水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)部門的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)由全國農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和草原生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，分別負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)以及草原的例行監(jiān)測與管理。環(huán)保部門以國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)為主，其目標(biāo)是說清環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢、說清污染源排放狀況、說清潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；經(jīng)過30多年的建設(shè)形成了覆蓋全國的，涉及水、空氣、土壤、生物、生態(tài)、近岸海域等環(huán)境要素的網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行機(jī)制上建立了由國家、省、地市和縣4級監(jiān)測站組成的業(yè)務(wù)化運(yùn)行體系，負(fù)責(zé)不同層級行政區(qū)域內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)。

4 生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

全球面臨著氣候變化、環(huán)境污染、土地利用變化以及生物多樣性喪失等一系列共性生態(tài)環(huán)境問題，其形成機(jī)理、演變過程及解決手段的研究，均需要基于系統(tǒng)科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)長期觀測研究數(shù)據(jù)，這也是20世紀(jì)80年代以來，全球性、區(qū)域性及國家不同尺度生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的重要原因。目前，國際上生態(tài)系統(tǒng)長期觀測研究主要圍繞4個(gè)研究領(lǐng)域，分別為生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能、生物地球化學(xué)循環(huán)過程、氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的影響和響應(yīng)、人類-自然生態(tài)系統(tǒng)的相互耦合關(guān)系[2,29-30]。

生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出4個(gè)發(fā)展態(tài)勢：①多個(gè)臺站甚至多個(gè)觀測研究網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)觀測與研究逐漸成為主流。隨著生態(tài)系統(tǒng)研究的時(shí)空尺度不斷拓展，基于單個(gè)臺站的數(shù)據(jù)資料已經(jīng)無法滿足研究需要，需要跨區(qū)域的不同監(jiān)測站點(diǎn)甚至不同觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)合觀測與研究，建立從樣地到區(qū)域甚至到全球多尺度的、系統(tǒng)的觀測與研究成為趨勢[29]。②重視觀測的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化與數(shù)據(jù)共享。生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)觀測研究必須保證觀測數(shù)據(jù)的可比性，因此，規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化觀測尤為重要，目前幾乎每個(gè)生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)都將觀測行為的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化作為首要任務(wù)，另外也在積極推動(dòng)觀測數(shù)據(jù)的共享。今后需要繼續(xù)推進(jìn)觀測的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，進(jìn)一步統(tǒng)一不同生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)的觀測標(biāo)準(zhǔn)，最好建立國際統(tǒng)一的觀測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。③觀測手段多樣化、自動(dòng)化水平不斷提高。隨著生態(tài)環(huán)境觀測設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器以及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是成套自動(dòng)觀測設(shè)備的大量裝備，監(jiān)測數(shù)據(jù)精確性得到提高，部分監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的頻率從原來以天為單位甚至提高到以秒為單位[1]。④綜合觀測與模型模擬日益得到重視。地面長期定位觀測數(shù)據(jù)在空間尺度上具有局限性，只能反映有限空間范圍的生態(tài)環(huán)境狀況及變化過程，為了實(shí)現(xiàn)對區(qū)域甚至更大尺度生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能的觀測研究，需要將長期定位觀測數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和同化，同時(shí)借助數(shù)學(xué)模型開展的綜合研究日益得到重視[29-31]。在環(huán)保業(yè)務(wù)領(lǐng)域，中國國家環(huán)境保護(hù)野外觀測研究臺站建設(shè)也是對國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的補(bǔ)充和拓展，目前國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)在單個(gè)環(huán)境要素(如水、空氣)的監(jiān)測已經(jīng)形成了覆蓋全國的監(jiān)測斷面(點(diǎn)位)，但是按照生態(tài)系統(tǒng)角度進(jìn)行綜合觀測(包括生物群落及水、氣、土等環(huán)境要素)與綜合評價(jià)還相對薄弱。為了更好地適應(yīng)環(huán)境管理的需求，國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)需要對目前的監(jiān)測任務(wù)和工作進(jìn)行統(tǒng)一布置，對實(shí)行“一把尺子”的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)整，未來要根據(jù)自然區(qū)域(如區(qū)域、流域等)開展綜合監(jiān)測與評價(jià)，需要拓展生物、生態(tài)、土壤等監(jiān)測要素，同時(shí)研究建立相應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)、評價(jià)方法、技術(shù)規(guī)范、數(shù)據(jù)質(zhì)控及能力建設(shè)等，補(bǔ)充完善現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系[32-35]。

5 結(jié)語

國家環(huán)境保護(hù)野外觀測研究臺站是未來支撐國家環(huán)境科技創(chuàng)新的重要平臺，對重點(diǎn)區(qū)域的長期綜合觀測，為揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變，研究重大生態(tài)環(huán)境問題的形成、轉(zhuǎn)化及發(fā)展規(guī)律具有重要作用。國內(nèi)外已有的生態(tài)環(huán)境觀測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念、建設(shè)模式、觀測指標(biāo)、觀測規(guī)范、重點(diǎn)研究領(lǐng)域等對中國國家環(huán)境保護(hù)野外觀測研究臺站的建設(shè)起到很好的借鑒作用，有助于建成高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)和特色鮮明的生態(tài)環(huán)境觀測研究網(wǎng)絡(luò)。

國家環(huán)境保護(hù)野外觀測研究臺站的特點(diǎn)是在不同區(qū)域進(jìn)行綜合觀測與數(shù)據(jù)采集,其觀測要素一般包括生物群落(動(dòng)植物群落)、地表水、空氣、降水、氣象、土壤、自然植被、土地利用等，以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)牧業(yè)方面的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評價(jià)與分析，因此它既是目前國家環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)的補(bǔ)充和完善，也是未來建立國家環(huán)境綜合觀測體系的重要基礎(chǔ)。

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