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****** 内 ***
容 ******
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历 史 与 发 展
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1、开展长期森林生态系统定位研究的必要性 |
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长期定位观测是国际上为研究、揭示生态系统的结构与功能变化规律而采用的重要手段。它通过在典型自然或人工的生态系统地段，建立生态系统定位观测站，在长期固定样地上，对生态系统的组成、结构、生物生产力、养分循环、水循环和能力利用等在自然状态下或某些人为活动干扰下的动态变化格局与过程进行长期监测，阐明生态系统发生、发展、演替的内在机制和生态系统自身的动态平衡，以及参与生物地球化学循环过程等不可替代的研究方法。对于像森林这样具有复杂的结构、多种多样的功能、时间较长的动态过程，而且具有生态环境效益滞后等特点的生态系统，采用通常的短期调查和实验研究往往难以准确地揭示生物之间以及生物和环境之间的复杂关系，特别是生长过程、发育过程和干扰过程的规律和机理，从而导致片面的或错误的认识，不能准确探求森林生态系统的内在规律。因此，就需要采用长期的定位跟踪监测技术，应用可比性较强的测定方法，以求真实完整地解释森林生态系统的过程和机理。
森林植被是陆地生态系统的主体，是维持水、土、大气等生态环境的屏障。 森林植被在参与生物地球化学循环过程中，通过与土壤、大气、水流在多界面、多层次、多尺度上进行物质与能量交换，改变和影响区域气候、水资源分布，起到涵养水源、净化水质、保持水土资源和抵御各种自然灾害的作用。因此，保护和建设生态环境已成为我国现代化建设中的一项基本国策。自1978年起，我国政府耗巨资先后启动了天然林保护工程、"三北"和长江中下游等防护林体系建设工程、退耕还林（草）试点工程、环北京地区防沙治沙工程、野生动植物保护及自然保护区建设工程和重点地区以速生丰产林为主的林业产业基地建设工程。经过整合后的六大林业重点工程区总面积超过705.6万km2，占国土总面积的73.5％，规划营造林总面积11679.2万公顷，覆盖了我国主要的水土流失、风沙危害和台风盐碱等生态环境最为脆弱的地区。这六大林业重点工程构成了我国改善生态环境工程建设的基本骨架，是面向21世纪林业跨越式发展的主要内容。而迎接新世纪林业跨越式发展的基础和前提就是通过及时、系统、准确的野外监测了解生态环境质量的现状和发展趋势，为减少资源退化和恢复已退化的生态系统提供决策依据。为此需要获得有效的、完整的和成为国家环境和自然资源政策基础的信息。为达到这个目的，需要进一步建设和完善中国森林生态系统研究网络，通过野外台站长期定位定时的监测，可以从水分循环和生物地球化学循环入手，系统分析森林、湿地、荒漠、山地生态系统对生态环境影响的物理、化学和生物学过程；从格局－过程－尺度有机结合的角度，研究水、土、气、生界面的物质转换和能量流动规律，定量分析不同时空尺度上生态过程演变、转换与耦合机制；建立森林、湿地、荒漠、山地生态环境及其效益的评价、预警、调控体系。
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2、国内外森林生态系统研究网络发展现状 |
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2.1 国外发展现状 |
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本世纪中叶之后，资源与环境问题逐步成为全世界普遍关注的问题。一些发达国家和国际组织开始建立资源与环境监测网络及其数据信息管理系统，
如:1957年国际科联建立了世界数据中心，1972联合国开发计划署建立了全球环境监测系统，1985年又建立了全球资源信息库，目前已在10个国家和地区建立了全球共享的数据网。联合国环境规划署（UNEP）还有相继建立了全球资源信息数据库（GRID）、国际环境信息系统（IEIS）等大型生态信息系统。自1972年联合国人类与环境会议和1992联合国"环境与发展大会"以后，各种生态系统研究和监测相继成立。其中国际上最著名的有国际地圈生物圈计划（IGBP），美国的"长期生态学研究网络"（LTER），英国的环境变化研究网络（ECN），东南亚农业生态系统网络（SUAN）。德国、日本、澳大利亚、加拿大等国家均有各自的专题性或综合性的区域范围的资源与生态研究和监测网络系统，这些网络又在一定程度上与国际生态与环境信息网络联网。在森林资源基础信息方面，美国森林调查局研制了资源信息显示系统（Resource
Information Display System）,加拿大建立了森林可持续发展示范区网络系统。联合国粮农组织（FAO）为评价世界森林资源现状和动态变化规律，构建了世界森林资源综合数据库管理系统(A
comprehensive Database Management System, DBMS)，这个森林资源综合数据库管理系统汇集了全球100多个热带和非热带国家或地区的森林资源数据信息，并采用统计模型（FORIS）和地理信息系统（GIS）技术提供森林资源数据信息的查询和定量评价。
国外最早是在农林领域开展野外长期定位试验的研究，英国洛桑试验站（Dept.of
soil science Rothamsted Experimental Station）于1843年开始布置土壤肥力与肥料效益长期定位试验，已持续近160年。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，进行了长期而系统地观测研究，并做出了科学的评价。研究结果对世界化肥工业的兴起和发展、科学施肥制度的建立、农业生态和环境保护、农业生产的发展，甚至对计算机软件的发展均起到重要决策和推动作用。森林生态系统的定位研究也有数十年的历史，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。在过去，这些台站的研究内容基本上都以生态系统自身和系统外循环有关功能过程为主，随着区域性和全球一体化，这些生态定位站开始参与一些国际性计划，如国际地圈生物圈计划，以探讨农田和森林生态系统在更宏观范围内的作用。
80年代以来，随着全球生态环境问题的日益严重，国际上相继建立了一系列以解决人类所面临的资源、环境和生态系统方面问题为目的的国家、区域和全球性的长期监测、研究网络，其中，美国长期生态学计划（LTER）网络和英国有环境变化监测网络（ECN）是目前国际上最有影响的两个网络，它们在监测和研究本国生态环境限制及未来变化趋势、揭示一些重要的长期生态学问题方面取得了重要成果，并已经应用于国家资源、环境管理政策的制定和实施。当国际上兴起长期生态学研究网络后，委内瑞拉于1990年建立了由8个试验站组成的生态网；捷克1990年建立了以123个生物中心、182个生物廊道为主的国家生态稳定陆地（TSES）监测网络，随后，巴西、加拿大、哥斯达黎加、匈牙利、以色列、韩国、墨西哥、波兰、乌拉圭等国家相继建立了生态监测网络。同时，欧洲也成立了欧洲生态网（EECONET），该地区的一些生态网络已经加入欧洲生态网（EECONET）。
随着人们对地球系统受人类活动压力的不断认识，越来越需要了解有关地球系统状况的各种信息，以便为各级政府和决策者进行有关环境污染、自然资源管理、持续发展及全球气候变化决策提供科学依据。美国长期生态学计划（LTER）网络在国际范围内组建了国际长期生态研究网络（ILTER），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以及与个生态站和个学科科学家之间的交流；提高观测与实验结果的可比性，促进研究与监测相结合，鼓励数据交换；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。现已有15个国家或地区加入了国际长期生态研究网络（ILTER）。隶属联合国粮农组织(FAO)的全球陆地观测系统（GTOS）也对陆地生态系统野外观测网络（TEMS）的建设以及发展规划倾注了大量的热情。
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世界著名长期生态学研究网络 |
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| 序号 |
野外观测网络名称 |
所属国家 |
| 01 |
The Brazilian Long-term Ecological Research
Program |
巴西 |
| 02 |
Canada-The Ecological Monitoring and Assessment
Network |
加拿大 |
| 03 |
China-The Chinese Ecosystem Research Network |
中国 |
| 04 |
Chinese Taipei-The Taiwan Ecological Research
Network |
中国台北 |
| 05 |
Costa Rica Long Term Ecological Research |
哥斯达黎加 |
| 06 |
Czech Republic Long Term Ecological Research
Network |
捷克共和国 |
| 07 |
Hungary Long Term Ecological Research
|
匈牙利 |
| 08 |
Israel-The Dryland Ecosystem Management
Network |
以色列 |
| 09 |
Korea Long Term Ecological Research |
韩国 |
| 10 |
Mexico Long Term Ecological
Research |
墨西哥 |
| 11 |
Poland Long Term Ecological Research |
波兰 |
| 12 |
United Kingdom-The Environmental Change
Network |
英国 |
| 13 |
United States-The Long Term Ecological
Research Network |
美国 |
| 14 |
Investigaciones Ecological de Larga Duracion-Uruguay |
乌拉圭 |
| 15 |
Venezuela Long Term Ecological Research
Network |
委内瑞拉 |
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2.2 国内发展现状 |
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我国森林生态系统定位研究和发达国家相比起步较晚，从50－－60年代起开展了小规模的定位研究，八十年代之后，随着我国改革开放的深入发展，促进了我国生态系统定位研究的发展，中国科学院系统（CERN）已先后建立了几十个野外生态观测站，我国台湾省也于1992年在原有基础上建立了台湾生态研究网络。1992年国家林业部根据我国生态环境建设需要，建立了由11个生态站组成的中国森林生态系统研究网络（CFERN），并确定了网络研究总目标：以布局合理的定位观测网络为基础，从个体、种群、群落和系统水平四个层次上对森林生态系统结构和功能进行定性和定量研究，实现对中国森林资源和生态环境动态进行长期监测，揭示森林生态系统组成、结构与气候环境之间的关系，监测人类活动对森林生态系统的冲击与调控过程，探求森林在生态环境建设中的地位和作用，建立森林生态环境动态评价和预警体系，为森林可持续经营提供科学依据。
回顾我国森林生态定位研究站的发展历程，在始建初期主要是结合当地的自然条件和生产实际开展专项半定位的观测，70年代后广泛吸收欧美等国的生态系统理论和监测方法，开展了系统水平的物流、能流定位研究。80年代后期，森林生态定位研究站规模不断完善和扩大，并向网络化发展。同时，林业部门通过"七五""八五"及"九五"国家科技攻关项目和林业生态工程建设项目，分别在"三北"、长江、黄河、沿海、太行山等生态林业工程区内建立了近30个定位监测点，监测防护林体系的生态功能及环境效益。另外，林业部门在荒漠化地区、重要的湿地以及三峡库区建立了多个生态定位监测站，开展大气、植被、土壤、水文等多方面的系统观测。这些不同类型的监测站构成了我国林业生态环境效益监测网络的主体，形成了从沿海到内地，从农田林网到山地森林，从内陆湿地到干旱荒漠化地区的生态环境监测网络系统。现有的森林生态环境监测体系取得了不同层次的长期监测数据信息与一系列研究成果，对于我国林业生态环境建设有较大的指导作用。但是，我国林业生态环境效益监测网络建设还没有达到合理的空间布局，规范化和统一的监测技术体系以及现代化、自动化的观测设备，因此尚不能满足我国林业生态环境建设的需要。原有森林生态系统定位监测台站数量较少，空间分布不合理，受经费限制定位观测设施陈旧落后，难以完成我国天然林保护工程生态效益监测及评价任务。而我国先后启动的六大林业重点工程，仅靠科技攻关研究远不能完成工程生态效益的监测任务，攻关研究多为监测技术方面的研究，难以在全国主要区域建立长期定位监测网络并开展定位监测。湿地和荒漠化监测还处于发展的初期，尚需逐步扩大监测站点及改善定位监测站的观测基础设施。
目前，中国森林生态系统研究网络具备了良好的发展环境和机遇，初步形成了沿不同气候带分布的合理布局，从热带雨林区的尖峰岭生态站到寒温带针叶林区的根河生态站是一条热量梯度变化的研究样带；从东部森林区的武夷山生态站到新疆干旱荒漠区的天山生态站是一条水分梯度变化的研究样带，包括了从寒温带到热带、湿润地区到极端干旱地区的最为完整和连续的植被和土壤地带系列，是最典型的受热量和水分驱动的纬度、经度地带系统，基本反映了温度和水分驱动的森林植被梯度变化规律。网络南北两端和东西两端主要站点直线距离超过3700km,
与国家生态环境建设的决策尺度相适应，能够监测长江、黄河、雅鲁藏布江、松花江（嫩江）等流域森林生态系统的变化和效益，分析森林在我国生态环境建设中的地位和作用。
截止2000年中国森林生态系统研究网络已有尖峰岭、大岗山、祁连山、帽儿山和会同等5个生态站入选国家级野外重点台站序列，每年得到国家科技部的专项经费支持。在FAO建设的GTOS网络818个陆地生态系统监测台站（TEMS）中，收录了中国科学院CERN的部分生态站和中国森林生态系统研究网络（CFERN）中的大岗山生态站和尖峰岭生态站，表明这些生态站的研究水平得到了国内外同行的初步认可。
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3、面向21世纪的CFERN重点研究课题 |
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面对21世纪林业跨越式发展的挑战，中国森林生态系统研究网络未来5年的研究任务应该是：充分应用现代对地空间观测的各种先进技术（遥感系统、全球定位系统、地理信息系统），采用生态梯度的耦合研究方法，研究中国森林生态系统的结构、功能规律及反馈机理，以及森林生态系统变化对我国社会经济发展的生态效应。在前期各台站独立研究的基础上，通过中国森林生态系统研究网络中心的建设与实体化操作，开展区域和全国范围的大中尺度生态系统监测和生态环境变化趋势研究，为解决碳排放和水资源等热点问题提供强有力的决策依据。未来5年CFERN的研究重点是：1、通过CFERN研究中心的建立，积极建设中国森林生态系统结构和功能与生态环境因子数据库和互联网信息共享主页；2、建立区域和国家尺度上的森林资源、生态环境、水资源、碳循环以及有关的社会经济数据耦合模拟模型；3、建立中国主要流域（长江、黄河等）和典型生态环境脆弱区森林生态效益评估体系；4、建立由15个生态站构成的森林生态环境有机监测网络和动态预警系统。
要完成以上研究工作，就必须对前期初步建立的各单项生态因子模型通过各生态站新的监测和实验数据加以修正，并沿着两条途径加以综合。一是生态环境变化与森林生态系统各单元的相关性在不同的单元类型和不同的CO2、温度、水分相关性类型之间进行耦合，如：森林群落动态模型、生态系统功能模型、土壤水分动态模型与环境变化相关性的耦合；植被结构与生态系统过程之间的耦合；以及大气－土壤－植被对全球变化响应的综合模型的构建。另一途径是单因子森林生态模型由小到大的尺度转换，包括随尺度递增可能出现的新问题的解决以及区域尺度的水分和CO2模型构建和向国家级尺度发展的尺度转换。个体－斑块－景观尺度上生态系统结构耦合建模是以生态过程为基础的多时空尺度耦合建模，在小尺度上强调能够反馈温度、水分、CO2浓度变化对植物生理生态过程的影响，在中大尺度上注重以生理机制为基础的全球植被动态模型。在研究方法上宜采用模型嵌套技术、GIS技术、遥感技术进行模型的空间转换和外推。
而目前根据国际生态领域的形势和国家生态环境建设的需要，中国森林生态系统研究网络（CFERN）近期急需开展森林与水的关系研究以及森林对碳循环影响的研究。
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3.1 森林植被对区域水资源及水文生态效益的影响研究 |
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森林植被与水关系研究已有较长的历史，但是以往的研究局限在单项水文要素和小尺度研究的层面水平，缺乏在大流域、系统上应该维持多大规模、何种时空结构及景观格局的植被生态系统才能有效地发挥改善、调控水文生态功能的理论依据，缺乏植被生态系统对洪水灾害、水土流失、淡水资源不足及水质污染与水环境退化等生态环境问题在不同时空尺度的影响机制和影响程度的重大理论。森林生态系统的水文循环动力学模型及多种尺度耦合的水循环调控理论尚未建立，森林对地区降雨的影响在学术界还存在争论；现有大面积人工林的水文生态功能以及对水资源保护的作用尚待评价，适生、低耗水造林树种的选择、造林密度问题都紧紧围绕森林与水的关系。因此，森林植被与水关系的生态学系统研究比以往任何时刻都显得更为重要。
本项目旨在通过CFERN网络内生态站的协同试验开展长江上游和黄河中上游等大流域（区域）森林植被对生态环境的影响及其调控机理的研究，建立不同尺度生态学过程和水文学过程的整合机制及推绎模型，阐明森林植被时空变化对水资源数量与质量的影响，以及对土壤侵蚀与水源涵养在不同时空尺度上的影响，并在确立不同尺度土壤－森林植被－大气连续体的物质能量传输变化规律及模拟模型整合方法、森林植被生态学过程与水文学过程尺度的尺度转换技术、森林植被理水调洪等生态系统服务功能调控理论、植被生态环境建设理论等研究方面取得重大突破性进展与创新，建立和完善不同尺度的森林水文学和流域水文管理学的理论体系，为长江上游和黄河中上游地区国土保安和生态环境安全、改善农业生态环境，促进天然林保护工程和退耕还林工程的顺利实施提供理论与决策依据。
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3.2 中国森林碳储量的估测以及森林对碳平衡的影响机理研究 |
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地球人口急剧增长，工业高速发展，化石燃料消耗猛增。森林资源，特别是热带森林，日益减少，导致大气CO2浓度增加，引起了温室效应等一系列生态环境问题。世界各国生态环境专家，正着手于探讨控制大气CO2浓度增加的对策。一方面通过制定"京都议定书"等公约限制各国工业CO2排放量；
另一方面研究和评价森林在调节大气CO2平衡中的作用，加强森林保护，特别是热带森林的保护。美国生态学家研究了土地利用方式改变导致的CO2吸收/排放的变化。加拿大林学家，从森林因子出发，研究和评价了加拿大森林对大气CO↓2的调节作用。本研究项目以森林生态系统15个生态站为基础，从我国现有森林资源资
料出发，探讨适合于评价我国森林在大气碳平衡中作用的研究框架。
森林植物通过同化作用，吸收大气中的CO2，固定在森林生物量中，森林是碳的汇；另一方面森林中动物、植物和微生物的呼吸以及枯枝落叶的分解氧化等过程，以CO2、CO、CH4等形式向大气排放碳，森林又是碳的释放源。森林生态系统是陆地生态系统中生产力最高的系统，生物量很高，生物量(干重)中含碳43%～58%，土壤中又储存着大量有机碳。如热带原始森林地上部分生物量中含150t/hm2碳，土壤中含115t/hm2碳。因此森林是一个巨大的碳库，是大气CO2的重要调节者之一，
即植物同化固定C→固定态C的转移→固定态C的释放。
估测我国森林生物量和森林土壤的贮碳量及其变化的研究框架是：以15个森林生态站为基点，精确测定全国森林贮碳量及其变化，并进行详细深入的研究。如典型森林类型的生物量调查及统计，干扰因子的敏感性分析，林产品碳库、
森林生物量碳库及森林土壤碳库的贮量及流通量的估测等。由于从长远来看，林产品碳库贮量变化不大，鉴于时间和现有资料的限制，作为评价我国森林在大气碳平衡中作用的第一阶段，先仅估测我国森林生物量碳库和森林土壤碳库的贮量及其变化。
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3.2.1估测全国森林生物量碳库和森林土壤碳库的贮量 |
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森林生物量(包括乔木层、活地被物层及动物和微生物的生物量)、死地被物量及土壤有机质含量，与森林类型、森林生长发育阶段、气候等因子有关。因此，根据全国森林资源清查资料，划分主要森林类型，按森林资源清查规程划分的生长发育阶段，估测各生长发育阶段主要森林类型单位土地面积上森林生物量贮碳量及森林土壤贮碳量。其他森林类型可参照相近的主要森林类型，给出调整参数，进行估计。根据15个森林生态站观测结果和全国森林资源清查资料，统计出全国森林生物量碳库和森林土壤碳库的总贮量。只有总面积、总蓄积量和森林类型，可按平均单位面积蓄积量、各生长发育阶段平均单位面积森林生物量贮碳量和森林土壤贮碳量进行估算。 |
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3.2.2估测全国森林生物量碳库和森林土壤碳库的变化量 |
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未受干扰的原始森林(顶极群落)，其土壤的输入、输出碳量基本维持平衡，可作未发生变化处理。受采伐、病虫害、火灾、人类培育等干扰的森林，土壤贮碳量变化与受干扰前的基础值的高低有关。受干扰后，能天然更新的森林(原始林或次生林)，尽管受干扰后几年内土壤排放一定量碳，但随着森林更新和恢复，土壤贮碳量可很快恢复到原来水平，也可作土壤碳量未发生变化处理。如果在土壤贮碳量较低的荒山、荒地或弃耕农田、牧地上人工或天然更新森林，随着林分生长，土壤碳逐渐积累，变化显著。综上所述，土地利用方式未发生变化的林业土壤，其贮碳量可近似地作未发生变化处理。林业土地利用方式改变，导致土壤贮碳量变化的差异很明显。因此，估测全国森林土壤贮碳量变化，只需在本项目研究的基础上估测林业用地利用方式改变所引起的土壤贮碳量变化。 |
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