全 文 ：我国区域尺度生态系统管理中的几个重要生态学命题3
于贵瑞 3 3 　谢高地　于振良　王秋凤　(中国科学院地理科学与资源研究所 , 北京 100101)
【摘要】　生态系统管理学是研究生态系统管理的理论与实践技术、相关政策和管理策略的综合性应用生
态学. 当前 ,综合研究全球或区域尺度生态系统管理模式及其相关的重大科学问题不仅是人类社会可持续
发展的迫切需要 ,也是生态系统管理学的重要发展方向和科学任务. 为此 ,本文系统地论述了生态系统的
服务功能、可持续性、复杂性和不确定性的综合评价与生态学机制 ,自然资源保护、生态系统健康以及退化
生态系统恢复的生态学基础 ,生态系统管理的基础生态学过程 ,生态系统适应性管理的理论与实践 ,生态
系统网络研究、监测和成果集成 ,区域尺度生态系统管理的综合性专题研究等一系列重要生态学命题 ,讨
论了这些生态学命题的国内外研究进展及其发展方向.
关键词 　生态系统管理 　生态学命题 　区域尺度生态系统 　可持续发展
文章编号 　1001 - 9332 (2002) 07 - 0885 - 07 　中图分类号 　Q149 　文献标识码 　A
Important ecological topics on regional scale ecosystem management in China. YU Guirui , XIE Gaodi , YU
Zhenliang and WAN G Qiufeng ( Institute of Geographical Sciences and N atural Resources Research , Chinese A2
cademy of Sciences , Beijing 100101) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (7) :885～891.
Ecosystem management is a synthetic applied ecology concerning ecosystem management theories , practical tech2
nologies , relevant policies and management strategies. It is not only an urgent need for the sustainable develop2
ment of human society , but also an important tendency and scientific task of ecosystem management to develop
integrated studies on models of global or regional scale ecosystem management and the relevant scientific prob2
lems. For this reason , we systematically expounded a series of important ecological topics , such as the synthetic
evaluation and ecological mechanism of the services , sustainability , complexity , and indeterminacy of ecosystem ,
the ecological basis of natural resources conservation , ecosystem health , and the rehabilitation of degraded e2
cosystem , basic ecological processes for ecosystem management , theories and practice on adaptive management of
ecosystem , ecosystem network study , monitor , and achievement integration , as well as synthetic special topic
studies on regional scale ecosystem management etc. Research advances and tendencies of these topics at home
and abroad were also reviewed.
Key words 　Ecological topics , Ecosystem management , Regional scale ecosystem , Sustainable development .3 中国科学院“百人计划”和“引进国外杰出人材”项目及知识创新
领域前沿资助项目 (CX10 G2C00201) .3 3 通讯联系人.
2000 - 12 - 25 收稿 ,2001 - 03 - 01 接受.
1 　引 　　言
20 世纪 40 年代以来 , 在世界经济高速发展过程中 ,全
球规模的环境问题越来越严重 , 这些环境问题已经对人类
社会的持续发展构成了极大的威胁 ,向全世界的科学家和政
治家们提出了严峻的挑战. 在大量全球规模的环境研究计划
的实施过程中 ,生态学家们积极倡导用生态系统的原理和方
法来管理自然环境和自然资源 [5 ] . 90 年代前后 ,生态学的研
究重点是探讨人类如何以可持续发展概念来设计生物圈可
持续利用 ,设计世界经济秩序 ,保护人类共同的未来. 也就是
说 ,人类由以往的对地球圈、生物圈和大气圈以及地球生态
系统变化的被动适应 ,开始走向实施有意识的控制管理 [44 ] .
生态系统管理学作为一这领域的应用科学也应运而生 ,并且
很快地被广泛认同和采纳 [5 ,8 ,12 ,29 ] ,成为当代科学发展的新
热点. 近年来生态系统管理学也得到了我国生态学界的关注
和重视. 赵士洞和汪业勖 [48 ]首先介绍了国外生态系统管理
的概念 ,论述了生态系统管理的一些基本问题 ;任海等 [32 ]系
统地讨论了生态系统管理的概念及其要素 ;于贵瑞 [44 ]综合
地论述了生态系统管理的概念框架和生态学基础.
然而 ,对于目前人类所面临的众多环境问题来说 ,仅仅
依据过去的那些对各种试验站点或小尺度生态学过程的认
识已经很难解决实际问题 ,要求我们必须从区域或全球的视
野 ,研究大尺度区域性生态系统的总体行为 ,探讨区域尺度
生态系统管理的理论与实践问题. 这是因为 : (1)生态系统的
很多生态学过程是跨越行政边境 ,发生在一个广泛的时间和
空间尺度上的 ,没有足够的时间和空间尺度的生态系统管理
行为和策略 ,不可能达到对生态过程实施有效控制的目的.
(2)任何生态系统都是开放的 ,通过系统内部和外部的物质
能量交换 ,与周围的生态系统形成密切的耦联关系. 某个对
象生态系统的行为极大地受到它周围环境系统的影响 ,各种
小尺度生态系统管理的效果也常常会因为它与周围系统的
相互作用而难以发挥 ,甚至会对周围系统产生负面影响. (3)
人类作为生态系统的重要组成部分 ,他的社会、政治和经济
活动对生态系统的行为产生着重大影响. 同时 ,随着社会经
应 用 生 态 学 报 　2002 年 7 月 　第 13 卷 　第 7 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,J ul. 2002 ,13 (7)∶885～891
济和科学技术的发展 ,人类活动的空间尺度以及对生态系统
的影响能力将越来越大 ,人类无止境的物质和金钱欲望将会
驱使他们以更大的强度、更大的规模去开发有限资源.
Grumbine 等[12 ]通过大量文献调查发现 ,最为广泛地被
生态系统管理学家所论及的生态系统管理议题有 :生态系统
的等级关系 ( hierarchical context ) 、生态学的边境 (ecological
boundaries) 、生态学的整体性 (ecological integrity) 、数据收集
(data collection) 、监测 ( monitoring) 、适应性管理 ( adaptive
management) 、跨部门间的协作 (interagency cooperation) 、组
织的变化 (organizational change) 、自然界人类的介入 (humans
embedded in nature) 、价值 (values) 等. 近年来关于生态系统
的可持续性 (sustainability) 、不确定性 (indeterminacy) 和服务
价值 (services values) 等也正在成为新的热点话题. 可是 ,目
前关于生态系统管理的一些研究工作还主要集中在对自然
保护区 (或国家公园)管理的生态经济学、政策和社会学等问
题的理论性探讨方面 ,今后的研究必将会转向区域或全球尺
度生态系统可持续发展的管理模式及其相关的重大科学问
题的定量化研究上来. 也就是说 ,如何将实验生态学和理论
生态学研究方法有机结合 ,以生态系统网络研究、定位观测
和常规气象数据资料以及资源环境数据库为依托 ,利用遥感
和地理信息系统等现代信息技术手段 ,研究特定区域或全球
尺度生态系统可持续管理 ,将会成为生态系统管理学的重要
发展方向. 这就需要我们准确地把握国际学术研究发展动
向 ,明确区域尺度生态系统管理的主要科学问题. 这里我们
从 (1)生态系统的综合评价与适应性管理 ; (2) 自然资源保
护、生态系统健康与退化生态系统恢复的生态学基础 ; (3) 生
态系统管理的基础生态学过程 ; (4)生态系统网络研究、监测
和成果集成 ; (5)区域尺度生态系统管理的综合研究等方面 ,
来论述区域尺度生态系统管理研究中的一些重要生态学命
题 ,阐述这些生态学命题的国际学术研究进展和发展方向 ,
分析我国的研究现状与问题.
2 　生态系统的综合评价与适应性管理理论
　　生态系统的功能、可持续性、复杂性和不确定性的综合
评价是把握生态系统状态 ,设计生态系统管理模式 ,制定生
态系统适应性管理策略和行动计划的依据. 虽然很多学者致
力于这方面的研究 ,但是还远不能满足区域尺度生态系统管
理的实践要求 ,特别是在以下 3 个问题上还没有形成学术界
的广泛共识.
211 　生态系统服务功能的评估理论和方法
长期以来 ,人们对生态系统的研究主要侧重于它的物质
(食物、纤维、燃料)生产功能 ,却忽略了自然生态系统的环境
服务功能. 90 年代以来 ,随着全球性环境问题的日趋严重 ,
环境经济学和生态经济学的发展 ,生态环境工程的产业化趋
势的加快 ,人们开始对生态系统物质生产以外的服务功能的
研究给予了较多的关注. 生态系统服务 (ecosystem services)
也被称之为自然服务 ,它是指人类从生态系统中直接或间接
得到的产品与环境服务. 据欧阳志云等[27 ]报道 ,生态系统
services这一术语是在《人类对全球环境的影响报告》[37 ]中
首次使用的 ,同时文中还提出了自然生态系统对人类的“环
境服务功能”的概念. 后来经过 Holdren[13 ] 、Westman[39 ] 、
Ehrlich[10 ]的发展 ,生态系统服务功能的概念逐渐为人们所
公认和普遍使用 ,成为生态学和生态经济学研究的分支. 生
态系统服务功能主要包括自然生产 (食物、纤维、燃料、医药
材) ,维持生物多样性 ,调解气候和物质循环 ,减轻自然灾害 ,
保持和改良土壤 ,净化环境 ,传粉和种子扩散 ,控制有害生
物 ,感官、心理和精神调解 ,美学和旅游价值等. 董全 [9 ]和欧
阳志云等[27 ]对此做过详细评述. 这里 ,我们将生态系统服务
功能中自然生产以外的与维持人类生存环境相关的功能集
合定义为生态系统的环境服务 (environmental services)功能.
生态系统服务功能的评价是当前生态系统和资源管理
的研究热点之一. 国际科学联合委员会 1991 年组织了关于
生物多样性与生态系统服务功能以及生态系统服务功能经
济评价的讨论会[34 ,38 ] . 1998 年 ,世界千年生态系统评估
(Millennium Ecosystem Assessment ,MA) 管理委员会成立. 其
目的是通过对全球生态系统的综合评估 ,为 21 世纪有效地
管理地球生态系统提供决策信息. 其服务对象确定为与生态
系统管理有关的国际组织、国家政府、民间团体和个人. MA
以 2000 年为基础 ,预测未来 10 年世界不同地区生态系统产
品和服务的质和量变化 ,估算生态系统产品和服务的平衡 ,
阐明提高生态系统综合效益的途径 ,确认生态系统管理政
策、制度和技术的改进状况以及它们对可持续发展的贡献 ,
并计划在全球十几个区域、国家和地区尺度上开展评估活
动.评估委员会将从世界不同地区寻找相关的科学家参与.
MA 的第一次评估在 2000 年底开始 ,预计于 2003 年完成 ,
并将被作为今后一项固定的国家活动 ,每 10 年开展一次. 千
年生态系统评估由 WRI、UNDP、世界银行和 FAO、WCMC、
国际食品政策研究所发起 ,其管理方式参照 IPCC 和全球水
分评估方式实施.
生态系统服务功能评估的一个重要学术问题是生态系
统环境服务功能的经济价值评估方法的确立. 它引起了世界
范围内生态经济学家的关注 [1 ,2 ,4 ,6 ,7 ,14 ,24～26 ,30 ] . 美国生态学
会组织了以 Gretchen Daily 负责的研究小组 ,对生态系统服
务功能经济价值评估方法进行了系统研究 ,并出版了论文
集. Costanza 等[6 ]把大量的、分散的研究工作加以总结 ,把生
态系统的服务功能归纳为 17 种类型 ,并且分别按 10 种不同
生物群区用货币形式对生态服务价值进行了测算. 他首次得
出了全球生态系统每年的服务价值为 16～54 万亿美元 ,平
均为 33 万亿美元 ,其最低估计算也可达 18 万亿美元 ,相当
于 1994 年全世界 GNP 的 118 倍. 他还估算出海岸生态系统
占全球生态系统总服务价值的 62 % ,陆地生态系统只占
38 %(主要来自森林与湿地) . 其中海岸生态系统每公顷服务
价值 577 美元 ,陆地生态系统每公顷服务价值 804 美元. 从
生态系统服务的方式来看 ,营养循环服务的价值最高 ,达
17075 美元 ,其次为文化服务 ,为 3015 美元 ,土壤形成作用
服务价值最低 ,为 53 美元. 生态系统通过内部各组分间以及
688 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
生态系统与其周围环境之间的物质和能量交换发挥着多种
多样的功能 ,从而维持着地球上的生命系统和生物圈的动态
平衡. 尽管生态系统环境服务功能的重要性愈来愈被人们所
认同 ,但是其价值评估的理论和方法目前还没有得到共识.
我国虽然曾在某些方面做过一些理论的、实践的研究工
作[9 ,16 ,17 ,21 ,27 ,28 ,47 ] ,但客观地说 ,系统的研究尚处于起步阶
段 ,不仅落后于国际先进水平 ,而且也与当前生态建设的迫
切要求不相适应. 综合运用生态学、经济学、地理学的理论与
方法 ,建立我国生态系统环境服务价值评估的指标体系与方
法 ,在区域尺度上估算我国典型生态系统类型的环境服务价
值及其时空变化格局是我国区域尺度生态环境建设和生态
系统管理的当务之急.
212 　生态系统可持续性的生态学机制及其评价和预警
20 世纪后半期以来 , 为了解决全球环境变化与资源短
缺对人类社会持续发展的威胁问题 ,区域或全球规模的生态
与环境研究成为最为活跃的科学领域. 生态系统管理概念的
提出是对当今深刻的生态环境和生物多样性危机的一种响
应 ,是人类保护环境、实现社会可持续发展的需要. 自 1992
年在巴西里约热内卢召开的联合国环境与发展首脑大会以
来 ,可持续发展已经成为世界各国的共同目标 ,成为指导世
界各国或区域社会经济发展的总体战略 [20 ] . 可是如何测度
和评价社会经济发展的可持续性却成为各国政府和科学家
所面临的最大难题. 为此 ,各种国际组织和各国的政府部门
都纷纷开展了评价社会、经济和生态环境可持续发展状态和
进程指标体系的研究工作 [18 ,35 ] .
生态系统是自然界和人类社会的基本单元 ,生态系统的
持续性是人类赖以生存、社会经济得以可持续发展的基本条
件. 因此 ,制止或逆转生物圈资源的退化 ,建立可持续生态系
统 (sustainable ecosystem)是现代生态学和生态经济学所追求
的目标 ,也是生态系统管理的最终目的. 生态系统管理要求
我们必须阐明生态系统可持续性的生态学机理 ,不断地探讨
生态系统对环境胁迫 ,特别是对人类活动的响应机理和特
征 ,用以指导生态系统可持续性评价理论和预警系统的建
立.一般认为 ,“可持续性”是指某个客观事物可以持久或无
限地维持或支持自我存在的能力. 生态系统可持续性可以理
解为生态系统持久地维持自身健康生存和发展的能力 ,它决
定于系统的生态整体性 (ecological integrity) 、自维持活力
(vigor of self2maintenance) 、自调解力 ( self2regulation) 和自组
织力 (self2organization) [15 ] . 这些内在的能力与系统结构的复
杂性和多样性有关 ,保护和维持生态系统多样性 (特别是生
物多样性)和相应的复杂性是提高生态系统抵抗干扰和环境
胁迫的有效途径 [5 ,12 ] . 生物多样性是决定生态系统可持续性
的核心 ,它在复杂的时空梯度上维持着生态系统过程的运
行 ,是生态系统抗干扰能力和恢复能力以及适应环境变化能
力的物质基础[48 ] . 可是 ,目前我们对生态系统可持续性内在
的生态学机理的理解还十分有限 ,很多生态学过程和格局与
生态系统持续性之间的关系还不清楚. 这正是目前在生态系
统可持续性评价和预警指标体系研究方面难以获得共识的
原因 ,也是生态系统管理所面临的一个重大理论问题.
213 　生态系统复杂性和不确定性评价及其适应性管理理论
近年来 ,生态复杂性 (ecological complexity) 是国际生态
学研究的新热点 ,其基本观点是利用复杂学 ( science of com2
plexity)的理论和方法来认识生态系统的动态行为. 生态系
统是一个典型的复杂系统 ,因为它的组成单元数量庞大 ,单
元之间存在着复杂的互作关系 ,系统及其单元具有自适应和
进化能力等系统动力学特征. 同时 ,生态系统是一个自适应
的复杂系统 ,处于混沌的边缘和临界状态 ,内部作用是生态
系统复杂化、有序化及自组织化的推动力. 生态系统复杂性
和人类对生态系统认识的有限性决定了人类对生态系统理
解的不确定性 ,这必然导致我们对生态系统管理的盲目性 ,
甚至是无效和经常性的失败. 因此 ,生态学家们强调生态系
统的适应性管理 ,承认它只能依赖于我们对生态系统临时的
和不完整的理解来进行 ,允许管理者对不确定性过程的管理
保持灵活性和适应性 [5 ] .
生态系统管理的不确定性主要来自 3 个方面 [48 ] :其一 ,
由于生态系统复杂性和动态特征而引起的不可预知的突变
事件以及生态系统对干扰响应的不同而引起的多种环境累
计效应预测的不确定性 ;其二 ,我们已有的生态学知识和对
生态系统理解的限制 ,尤其是将他们在时间和空间尺度外推
时产生的不确定性 ;其三 ,已有的数据质量差、取样偏差和分
析错误而引起的不确定性. 生态学的发展虽然使我们对某些
简单生态系统的理解和把握取得了很大的进步 ,但是对于区
域尺度的复杂大系统而言还是十分困难. 所以生态系统的适
应性管理策略和行动计划不仅要经过广泛的民主讨论和科
学分析 ,以使政策制定者、经营管理者和公众更多地了解因
不确定性可能引起的诸多问题 ,还要通过对公众的宣传教
育 ,使他们理解和参与适应性管理行动 [5 ] . 可是 ,如何定量地
评价生态系统复杂性和不确定性 ,如何依据对它们的定量化
评价结果来制定适应性管理策略和风险评估等方法论问题
还没有得到解决. 这也正是制约生态系统管理思想发挥应有
的社会效益的重要因素之一.
3 　自然资源保护、生态系统健康与退化生态系统恢复的生
态学基础
　　随着世界人口和技术开发能力的增长 ,人类对自然生态
系统特别是一些脆弱生态系统的破坏越来越严重. 为了保护
生物多样性和自然景观多样性 ,当前我们非常需要从自然保
护和保育生物学角度列出受威胁生态系统的清单、受害等
级、地理分布格局 ,制定合理的保护对策. 可是我们生活着的
地球 ,人类没有干预和破坏的生态系统已经所剩无几 ,开展
生态系统健康诊断和退化生态系统恢复与重建的生态学基
础和技术研究则是生态系统管理更为重要的任务.
生态系统健康 (ecosystem health) 的概念虽然仅有 10 余
年的历史 ,最近才开始应用于生态系统和景观水平 ,但是在
很多领域它已经成为一个指导性的框架 [46 ] ,已经在海洋生
态系统[36 ] 、森林生态系统[19 ] 、农田生态系统[11 ] 、沙漠生态
7887 期 　　　　　　　　　　于贵端等 :我国区域尺度生态系统管理中的几个重要生态学命题 　　　　　　　　
系统[40 ]等领域都得到了成功的应用. 国际生态系统健康学
会将生态系统健康学定义为 :研究生态系统管理的预防性
的、诊断性的和预兆的特征 ,以及生态系统健康与人类健康
之间关系的一门科学 [22 ] . 其主要任务是研究生态系统健康
的评价方法、生态系统健康与人类健康的关系、环境变化与
人类健康的关系、各种尺度生态系统健康的管理方法 [46 ] . 生
态系统健康将生物多样性和管理多样性与人们所熟知的一
些健康知识联系起来 ,它不但使人们认识到地球生命支持系
统存在的问题 ,同时也激励人们去寻找解决问题的途径和方
法.生态系统健康是生态环境和资源管理的一种新思维和新
方法 ,也是管理的新目标. 一个健康的生态系统应该能及时
调整系统的功能紊乱 (疾病、危困综合症) ,保持正常的功能
状态 ,维持系统的稳定性、可持续性和良好的组织结构以及
对环境胁迫的恢复力.
恢复生态学 (restoration ecology)是研究生态系统退化的
原因、生态学过程和机理、退化生态系统恢复与重建的技术
和方法的科学 ,是一门 80 年代以来迅速发展起来的现代生
态学分支[45 ] . 在外界作用下 ,生态系统的结构和功能发生位
移 (displacement) ,其结果造成生态系统平衡的破坏 ,使生态
系统的结构和功能发生变化 ,导致功能障碍或紊乱 ,进入破
坏性的波动或恶性循环 ,这样的生态系统通常称作为受害生
态系统 ( damaged ecosystem) 或退化生态系统 ( degraded e2
cosystem) ,也可称为病态生态系统 (morbid ecosystem) . 生态
系统的恢复 (restoration)包含了生态系统改造 (reclamation) 、
修复 ( rehabilitation) 、挽救 ( redemption) 、更新 ( renewal) 以及
再植 (revegetation)等涵义 ,泛指改良和重建被毁坏或被破坏
了的自然生态系统 ,恢复其生物学潜力 [45 ] .
自然干扰或人为干扰所导致的退化生态系统类型很多 ,
研究比较多的是裸地、森林采伐迹地、弃耕地、沙漠、采矿废
弃地和垃圾堆放场等. 然而 ,开展正在退化或可能退化的自
然生态系统的健康诊断和演替态势预测及其恢复的生态学
基础和技术研究 ,更是区域生态系统管理的迫切需要. 生态
系统恢复不仅需要大量的生态学等自然科学知识 ,其恢复和
重建过程在很大程度上也是人为策划的事业工程 ,还需要社
会、政治和经济力量的支持和驱动. 因此 ,恢复和重建可以理
解为一个复杂的生态系统工程 (ecosystem engineering) . 系统
工程学 (system engineering) 是生态系统管理的有效工具 ,它
是利用生态系统中的物种、种群间的共生相克关系 ,物质的
循环再生原理 ,结构与功能的协调原则 ,利用系统工程的最
优化思想和方法来设计生态系统的管理计划 ,是制定自然保
护区和退化生态系统恢复重建的指导思想和决策方法.
另外 ,生态环境工程产业化是以经济学原理和手段推进
生态环境恢复和重建的有效途径 ,必将成为恢复生态学的一
个新的研究方向 ,从生态经济学角度研究生态环境工程的价
值评估、投资效益和风险是生态环境建设的迫切需要. 当前
我国西部开发中生态环境建设的核心任务就是恢复和重建
退化了的农业、林业和草地生态系统. 然而 ,盲目地退耕还林
还草 ,不仅可能得不到预期的效果 ,甚至还会导致更大的环
境破坏 ,急需大量而细致的研究工作.
4 　生态系统管理的基础生态学过程
　　生态系统的功能 (functions)决定于生态系统结构 (struc2
ture)和生态学过程 (processes) . 生态系统总体功能的强弱取
决于生态系统结构的合理性以及不同等级的生态学过程的
状态. 所以生态系统的调控和管理只能通过影响系统组成、
结构和生态学过程而发挥其作用. 就区域生态系统管理而
言 ,对一些基础生态学过程深入开展研究是非常重要的.
411 　生态系统生产力与碳循环生理生态学过程与区域模型
生态系统管理的最终目的是要获取可持续的最大化的
生态功能 (价值) 输出. 以植被光合2呼吸作用为基础的生态
系统生产力的形成和碳循环构成了生态系统的基础生态学
过程. 生态系统生产力不仅可以直接表征生态系统为人类提
供产品服务的能力 ,同时它也是反映生态系统结构与功能状
况的综合性生态学指标. 因此 , 探讨生态系统生产力形成机
制和估算模型不仅是人类的食物安全、区域经济发展和生态
环境建设的需要 ,也是生态系统定向调控与优化管理等相关
研究的重大基础性命题. 尽管不同时期它的学术热点问题有
所不同 ,但是毫无疑问 ,关于生态系统生产力的研究是一个
永久性的生态学前沿领域. 生态系统的碳循环是 20 世纪 90
年代很多国际大科学计划 ( IGBP , GCTE ,LUCC ,WCRP 等)
的核心内容之一. 可是因为人们对陆地碳循环过程和格局认
识的诸多不明和不确定性 ,全球碳的汇/ 源格局与碳丢失
(missing) ,碳循环与气候变化、土地覆被变化的相互作用关
系及其模型表述 ,人类活动对陆地碳循环的影响和反馈作用
等科学问题还没有得到解决. 这些科学问题是我们理解工业
革命以来一系列全球变化问题发生机理的关键 ,也是精确预
测未来全球变化态势 ,探讨全球环境对策的需要. 特别应该
注意的是 ,在温室气体排放国际公约的谈判中“碳排放贸易”
概念的提出 ,使其与各国的经济利益直接联系起来 ,已经使
自然科学问题政治化.
区域尺度生态系统生产力和碳循环的生理生态学过程
模型是研究全球气候变化的基础模型之一 ,它与土壤2植物2
大气系统的水分和能量传输模型相耦合 ,构成了大气循环模
型 ( GCMs)的陆面过程模型的基础. 同时以生态系统光合作
用模型为基础 ,可以进一步发展相应的区域尺度作物生产模
型和营养物质的生物化学循环模型 ,直接用于指导农田生态
系统管理. 国际上大规模的生态系统生产力和碳循环研究是
在 60 年代开始的 IBP、MAB 和 IGBP 的推动下展开的. IBP
阶段 (1964～1974)主要强调对斑块尺度生产力的大规模测
定. 1972 年开始的 MAB 是 IBP 的深入和延续 ,这一阶段的
研究主要强调人与生态系统及环境之间的关系. 1986 年以
来的 IGBP 主要强调陆地生态系统与全球变化的关系. 为
此 ,生态学家们建立了大量模拟全球或区域尺度生产力或碳
循环的模型[23 ,31 ,33 ,42 ] . 然而 ,随着植物生理学的发展 ,目前
国际上更多地注重植物光合作用生理化学模型的开发 ,并且
致力于开发光合作用模型与 GCMs、卫星遥感以及 GIS 的耦
888 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　13 卷
合嵌套技术[41 ] . 我国在这方面的研究几乎还是空白. 因此 ,
从光合作用的生理生态学机制角度 ,研究我国典型生态系统
生产力和碳循环的生理生态学机理模型 ,探讨斑块尺度的生
产力和碳循环模型向景观和区域尺度转换的理论与技术问
题 ,在区域尺度上估算生态系统生产力和碳通量 ,阐述它们
的地理分异规律及其对气候变化和人为活动的应答特征 ,预
测环境变化条件下生态系统植被生产力、生态系统结构和功
能的演替态势 , 建立生态系统的人口和社会经济承载能力
和环境质量预警的理论和技术体系 ,都是我国区域尺度生态
系统管理的迫切要求.
412 　土壤2植物2大气系统相互作用关系及其能量交换与物
质循环
生态系统与环境系统间的耦联是通过生态系统物质和
能量的输入和输出实现的. 物质和能量的输入和输出规律是
研究生态系统对环境变化的响应及其反馈作用的有效途径.
同时 ,土壤2植物2大气系统的能量交换与物质循环过程是生
态系统环境服务价值形成的生态学基础 ,它与生态系统生产
力和生态系统环境服务功能形成过程相耦联 ,直接决定着生
态系统生产力水平和环境服务功能状态 ,决定着生态系统与
环境系统的互作关系. 区域环境变化与发生在土壤圈、生物
圈和大气圈界面的化学物质循环、能量流动和水循环相关
联.研究这种界面过程是了解各圈层相互作用的关键 ,有助
于了解区域环境的变化规律 ,有效地预测生态系统对全球变
化的响应和反馈能力 ,为生态系统可持续管理提供科学依
据.
目前国际上广泛应用的土壤2植物2大气系统的能量与
水分循环模型 ,主要是以 Penman2Monteith 模型或 Shuttle2
worth2Wallace 模型为基础发展起来的. 这些模型在农田尺
度、区域尺度甚至全球规模的微气象或者气候变化预测中被
广泛应用[43 ] . 同时 ,以这些模型为基础 ,还相应地开发了大
量更为严密的数值模拟模型 (例如 , CERES、ENWA TBAL 、
SPACM、SWA TR、SWEA T、SWIM 和 WA TBAL 、BA TS、
MAESTRO、SiB、SiB2、SVA T 和 N EO SPAM 等) [43 ] . 但是 ,
这些模型大多是以特定的生态系统 (主要是热带湿润地区)
为对象提出的 ,难以直接应用于我国陆地生态系统. 由于我
国在这一领域的研究起步比较晚以及试验设备等方面的条
件所限 ,进展也比较缓慢. 虽然一些学者对国外的模型进行
了一些引进和改良工作 ,可是目前还没有一个有效的模型可
以用来解析我国区域尺度陆地生态系统的能量与物质循环
特征 ,特别是可以用于与 GCMs、GIS耦合嵌套的地表过程模
型的开发工作远远落后于世界先进水平.
生态系统温室气体排放与吸收、碳氮等生物化学循环也
是发生在土壤圈、生物圈和大气圈界面的生态学过程 ,研究
这些过程特征参数的时空分异性是探讨陆地生态系统的物
质循环、基于生物化学循环和植被地理分布的植被动态模拟
的基础 ,也是探讨地球环境变化对策的关键. 为此 ,世界上已
经建立了国际 CO2 和水热通量观测网络 ( FLUXN ET) ,其中
包括了 AmeriFlux 和 EUROFLUX ,2000 年以日本为核心的
亚洲研究网络 (AsiaFlux) 也已正式启动 ,可是我国在世界的
CO2 通量观测网络中还是空白区域 ,缺乏系统的、长期的定
位试验观测资料. 气候变化 (温室气体、臭氧和紫外线) 对生
态系统影响的实验研究在近 10 多年来得到较快的发展. 国
际上的实验研究从生长箱模拟实验 ,经过封闭和开顶式温室
模拟实验 ,已经发展到大规模的 FACE ( Free2Air Carbon
Dioxide Enrichment) 试验 ,欧美多国先后建立了作物 (棉花、
小麦) 、森林和草地 FACE实验场 ,日本也建立了水稻 FACE
实验场. 迄今我国的研究还仅仅限于在封闭或开顶式温室内
对一些农作物进行一些零散的实验研究.
413 　生态系统过程模型与尺度转换理论
生态模型是对现实生态系统的抽象化、简单化和公式化
的表述 ,可用它来揭示和预测生态系统中的各种现象. 最简
单的模型可以用语言和图形表达 ,可是要进行量的预测必须
构建以统计学和数学为基础的生态系统过程模型. 所以 ,基
于生态学过程的动力学模型的开发一直是生态学研究的主
要内容 ,在个体、群体和斑块尺度的许多模型都已经比较成
熟. 可是 ,如何把这些生态学过程模型进行尺度转换 (scaling
up) ,从斑块尺度向区域甚至全球生态系统扩展的研究工作
还刚刚起步. 开展生态过程的跨尺度动态研究 ,探讨生态学
特征参数的空间分异规律 ,开展区域生态模型的误差检验和
不确定性评估 ,借助遥感和地理信息系统技术 ,提取生态模
型参数和参数改进等都是在生态系统过程模型研究中具有
挑战性的课题 ,也是一些国际科学计划 ( GTOS、GCTE、
LUCC)所关注的热点问题.
414 　生态系统内部亚系统间的耦合生态学过程
区域尺度生态系统内部亚系统间是通过若干主要生态
学过程相耦合的 ,使亚系统之间发生着物质的、能量的和经
济的联系. 这种联系既可以产生区域间的资源和经济优势互
补 ,也可能引起区域间的经济利益纷争. 因此 ,开展区域尺度
生态系统内部亚系统间耦合的生态学过程研究 ,是自然和社
会资源的区域优化配置、区域发展和区域内经济合作等重大
战略问题的需要.
5 　生态系统网络研究、监测和成果集成的理论与方法
　　为了在更大尺度上揭示生态系统的演变规律 ,减少生态
系统管理的不确定性 ,长期的生态系统联网研究和监测是一
种有效的方法. 80 年代以来世界上建立了多个生态系统研
究网络. 在国家尺度上的有 : 美国的长期生态研究网络
(L TER) 、英国的环境变化研究监测网络 ( ECN) 、加拿大的生
态监测与分析网络 ( EMAN) ;在区域尺度上有 :泛美全球变
化研究所 ( IAI) 、亚太全球变化研究网络 (APN) 和欧洲全球
变化研究网络 ( EN2RICH) ;在全球尺度上有 :全球生态监测
系统 ( GEMS) 、全球陆地观测系统 ( GTOS) 、全球气候观测系
统( GCOS) 和全球海洋观测系统 ( GOOS) . 中国科学院于
1988 年开始组建中国生态系统研究网络 (CERN) . 经过十几
年的努力 ,包括农田、森林、草地、湖泊和海湾生态系统的 29
个试验站、5 个分中心和 1 个综合中心的建设工作已经取得
9887 期 　　　　　　　　　　于贵端等 :我国区域尺度生态系统管理中的几个重要生态学命题 　　　　　　　　
了重大进展 ,成为我国乃至全世界的重要生态学研究基地 ,
也成为全球性环境和生态系统监测网络的重要组成部分. 随
着生态系统研究网络的建立 ,如何有效地利用生态系统网络
监测数据和历史资料、开发区域和长时间尺度的生态系统模
型以及生态环境问题的综合分析 ,已经成为生态学发展亟待
解决的问题[3 ] . 在“九五”期间 ,CERN 的各定位站开展了以
生态系统碳氮循环和生产力为主题的生态系统结构、功能及
演变规律的研究. 1998 年以来 ,CERN 依据统一的观测标准
开始了生态系统的网络监测 ,积累了大量数据和研究成果.
然而 ,如何利用这些数据和信息对我国典型生态系统进行综
合对比分析 ,探讨生态系统网络研究数据的规范化、栅格化
和可视化以及网络成果综合集成和共享方式是当前 CERN
面临的一项重要任务. 但是 ,这里不得不直言地指出 :我国疆
土如此广阔 ,地形地貌和生态类型多种多样 ,仅仅用 CERN
的 29 个试验站的试验监测数据来回答区域尺度上的生态系
统管理问题是很困难甚至是不可能的. 另外 ,从 CERN 的 29
个试验站的类型分布来看 ,主要是以农业为主体 ,缺乏开展
生态环境综合研究和监测的能力. 加上我国目前的科研体制
和数据政策的影响 ,数据商品化和私有化倾向严重 ,难以进
行部门间的数据交换和共享 ,严重地制约了生态系统网络研
究的发展 ,急需要以某种机制来推动 CERN 与气象、农业、
林业和水利部门所属试验台站的联网合作.
6 　区域尺度生态系统管理的综合研究
　　区域尺度生态系统管理的生态学基础研究还需要与环
境科学、资源科学、经济学和社会学有机结合 ,开展一些专题
性的综合研究. 因为这是使生态系统管理学研究成果直接为
国家决策、区域社会经济发展服务的重要环节. 中国作为世
界上最大的发展中国家 , 近 20 多年来社会经济有了突飞猛
进的发展 ,在其高速的经济增长为世界关注的同时 ,发展中
所带来的一系列生态环境问题也同样为世人所瞩目. 中国的
生态环境既有全世界所面临的共同问题 , 又有它的特殊性.
主要表现为 : (1) 人口密度过大 , 人均资源占有量少 ,整个
社会经济尚处于发展的初级阶段 ,今后随着社会经济高速增
长期的到来 ,必将使已经承受着很严重环境胁迫的生态系统
承受着更大甚至是难以承受的环境压力. 世界资源的分配格
局在工业革命过程中已经形成 , 发展中国家要想从现在的
世界资源分配格局中争取它们经济发展所需的份额 ,没有长
期的努力是难以实现的. 这就是说 ,在今后相当长的时期内 ,
我国社会经济发展的资源供给必须立足于国内. (2) 由于我
国地域辽阔 ,气候类型多样 ,社会经济区域发展不均衡 ,所以
全国各大生态区域所存在的环境问题有所不同 ,区域分异性
强. (3) 同一区域内多种环境问题交错并存 ,特别是我国西
北部地区 ,处于干旱、半干旱气候区 ,社会经济落后 ,水土流
失、耕地草场退化和沙漠化等多种环境问题同时并存 ,互相
联动. 对于众多的环境问题 ,我国的资源科学家、环境科学
家、生态科学家以及农业科学家们在可持续发展战略的引导
下 ,”九五”期间 ,从不同方面进行了大量科学研究 ,取得了很
多有价值的研究成果 ,获得了很多技术和数据储备 ,为开展
区域尺度生态系统管理的综合研究奠定了良好的基础.
当前 ,动态解析我国 (或特定区域)的自然资源和环境质
量的时空演化、生态系统对全球气候变化和经济开发的响应
特征及其环境质量预警 ,综合评价生态系统生产力和碳循环
的演变和对社会经济发展的承载能力 ,探讨环保型农业经营
和不同类型生态系统的可持续管理模式、退化和受污染生态
系统的恢复与重建 ,研究以水土资源为中心的资源持续利用
政策和技术等问题都是与国民经济和国家安全密切相关的
重大战略课题. 从学术研究来看 ,我国的长江流域和黄河流
域生态系统、青藏高原生态系统、北方农牧交错带生态系统、
西部干旱和半干旱农业和草地生态系统在世界上具有独特
的生态系统多样性和生态环境问题的复杂性 ,对其开展综合
研究不仅可以对世界生态学发展做出重大学术性贡献 ,更重
要的是这些问题都是我国可持续发展和生态环境建设中迫
切需要解决的重大科学问题.
7 　结 　　语
　　生态系统管理的概念是为解决区域或全球环境问题而
提出的 ,把实验生态学和理论生态学的研究方法有机结合起
来 , 综合利用各种资源环境数据和现代信息技术 ,综合研究
大尺度区域性生态系统的基础生态学过程 ,解决一些与生态
系统管理有关的重大科学问题 ,是生态系统管理学科所面临
的重要任务. 本文对区域尺度生态系统管理的主要生态学命
题进行了讨论 ,但没有论及相关的社会学和经济学问题 ,这
并不意味着它们就不重要. 这里想特别强调指出 ,目前我国
国民的环境意识、社会行动规范以及环境政策法规建设等方
面问题很多 ,也正是制约生态系统管理计划实施的重要因
素.
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作者简介 　于贵瑞 ,男 ,1959 年 7 月生 ,农学博士和学术博
士 ,研究员 ,博士生导师. 中国科学院“百人计划”和“引进国
外杰出人材”入选者. 现任中国科学院地理科学与资源研究
所生态系统网络综合研究中心主任. 主要从事生态系统管理
学、植物生理生态学和土壤2植物2大气系统的物质转移和能
量交换等研究. 曾在国内外发表学术论文 100 多篇 ,独立或
合作出版学术专著 7 部. E2mail :yugr @yuguiruicern. ac. cn ,或
yugr @igsnrr. ac. cn
1987 期 　　　　　　　　　　于贵端等 :我国区域尺度生态系统管理中的几个重要生态学命题