美国长期生态研究计划三十年_特点_效果与启示_以弗吉尼亚海岸带保护区为例

1、美国长期生态研究计划三十年 :特点 、效果与启示以弗吉尼亚海岸带保护区为例 31213 3朱高儒John H. POR TER许学工(1 北京大学城市与环境学院 , 北京 100871; 2 弗吉尼亚大学环境科学系 , 美国夏洛茨维尔 22903)摘 要 为观测和理解长时间与大范围尺度的生态变化 ,美国自然科学基金会于 1980 年启动了长期生态研究计划 (L TER ) , 30年来在站点建设 、科学研究和社会服务等方面取得了巨大 成就. 本文将美国 L TER 的成功经验归纳为 5个特点 ,即 :研究网络 、研究主题和数据兼容的系 统性 ,项目时间与研究尺度的长期性 ,资金来源与研究内容的

2、灵活性 ,国际 、人文 、方法与机构合作方面的拓展性 ,数据和教育的共享性 ; 并以弗吉尼亚海岸保护区 (VCR )为案例展示其实施效果. 在此基础上提出对我国长期生态研究的建议 ,包括加强组织建设 ,建立完整网络并增 强站际合作 ,重视数据的质量 、管理和分享 ,增强多学科研究 ,扩大公共影响等.关键词 长期生态研究 (L TER ) 美国 生态站网络 弗吉尼亚海岸保护区 (VCR ) 启示文章编号1001 - 9332 ( 2011 ) 06 - 1615 - 08 中图分类号Q 14 文献标识码ATh ir ty yea r s of US L on g2Term Eco log ica

3、 l Re sea rch: C ha ra c ter ist ic s, re su lts, an d le sson s lea rn ed ofTa k in g the V irg in ia C oa st Re serve a s an exam p le. ZHU Gao2ru1 , John H.POR TER2 , XU Xue2gong1 (1 C o llege of U rban and Environm en ta l S ciences, Pek ing U n iversity, B ei2jing 100871, C h ina; 2 D epa rtm e

4、n t of Environm en ta l S cience, U n iversity of V irg in ia, C ha rlo ttesville22903, U SA ) . 2C h in. J. A ppl. Ecol. , 2011 , 22 ( 6 ) : 1615 - 1622.A b stra c t: In o rde r to ob se rve and unde rstand long2te rm and la rge2sca le eco logica l change s, the U S N a tiona l Sc ience Founda tion

5、 in itia ted a Long2Te rm Eco logica l R e sea rch (L TER ) p rogram in 1980.O ve r the p a st 30 yea rs, the U S L TER p rogram ha s ach ieved advance s in eco logica l and soc ia l sc i2 ence re sea rch, and in the deve lopm en t of site2ba sed re sea rch infra struc tu re. Th is p ap e r a ttribu

6、 ted the succe ss of the p rogram to five cha rac te ristic s, i. e. , 1 ) con sistency of re sea rch top ic s and da ta ac ro ss the ne two rk, 2 ) long2te rm tim e sca le of bo th the re sea rch and the p rogram , 3 ) flexib ility in re sea rch con ten t and fund ing p rocedu re s, 4 ) grow th of

7、L TER to inc lude in te rna tiona l p a rtne rs, new d isc ip line s such a s soc ia l sc ience, advanced re sea rch m e thod s, and coop e ra tion among site s, and5 ) sha ring of da ta and educa tiona l re sou rce s. The V irgin ia Coa st R e se rve L TER site wa s taken a s an examp le to illu st

8、ra te how the U S L TER wo rk s a t site leve l. Som e sugge stion s we re m ade on the Ch ina long2te rm eco logica l re sea rch, inc lud ing strengthen ing in stitu tion con struc tion, imp roving ne t2 wo rk and in te r2site coop e ra tion, emp ha sizing da ta qua lity, m anagem en t, and sha rin

9、g, re info rc ing m u ltid isc ip lina ry coop e ra tion, and exp and ing p ub lic influence.Key word s: Long2Te rm Eco logica l R e sea rch (L TER ) ; U n ited Sta te s; eco logica l site s ne two rk; V irgin ia Coa st R e se rve (VCR ) ; le sson s.过去的几十年 ,大规模的土地利用变化和环境污染已经在世界范围内导致了生态结构和功能的退 化 、生物多

10、样性降低 等 危及 可持 续发 展 的影 响. 然 而 ,生态变化通常是渐变和波动的 ,让人们难以直观感受 ,因此 ,在长时间尺度上获取和分析生态系统无机和有机组分的数据变得非常必要 1 . 1980 年 , 美 国自 然 科 学 基 金 会 ( N a tiona l Sc ience Founda tion, N SF)在总结国际生物学计划 ( IB P, 1964 1974 ) 经 验教训的基础上 ,启动了长期生态研究计划 (Long2Te rm Eco logica l R e sea rch, L TER ) 2 , 旨 在通 过各 站 点对长期生态过程 、机 理和 效应 的 研究

11、, 促 进科 学3 国家自然科学基金重点项目 ( 40830746 ) 、美国自然科学基金会项目 ( 0621014 )和北京大学博士生短期出国 (境 )研究项目资助.3 3 通讯作者. E2m ail: xxg u rban. p ku. edu. cn2010 211 214 收稿 , 2011 203 210 接受.家 、政府和社会对保护和管理国家生态系统及其生态服务的认识 . 这是世界上第一个国家尺度乃至洲 际尺度的长期生态研究网络.30 年来 ,美国 L TER 在研究领域和规模方面都得到了迅速发展 ,被视为在生态学中结合大科学和 海量数据的典范计划 2 . 20 世纪 80 年代

12、,主要开展 生态系统的过程与格局方面的研究并系统采集和存 贮了有关数据 ; 90 年代 ,重点进行跨站研究和人类 活动对生态系统的影响研究 ,以揭示生态系统的过程与格局在较大空间尺度上的特征 ;最近 10年重点 开展综合研究 、进行生态预测和更好地为社会发展 服务 ,同时加强生物多样性的研究和信息科学的发 展 3 . L TER 站点数量从 1980 年的 6 个增长到 2010 年的 26个 ,吸引了各院所 、各领域超过 1800 名科学家和学生参加 . 为了在世界范围内发展长期生态研 究站点并促进各国交流与信息共享 ,国际长期生态 研究项目 ( In te rna tiona l L TE

13、R o r IL TER ) 于 1993 年 启动. 目前 ,已有 40 个国家和地区设立了官方长期 生态研究项目并加入了该网络 (图 1 ) .美国 L TER 的 成 功 经 验 很 快 被 介 绍 到 其 他 国 家 . F rank lin等 4 在总结美国 L TER 中森林生态系 统的研究的基础上提出对智利 长期 生态 研 究的 启 示 ; Trip a th i 5 认为印度应当尽快建立国家长期生态 研究计划并加入 IL TER; Kim 等 6 认为美国 L TER是世界长期生态研究中最活跃和领导性的网络 ,通 过借鉴提出了对韩国长期生态研究在目标 、管理 、网 络基础等方面

14、的建议 . 我国学者赵士洞 3 , 7 - 8 介绍和 总结了美国 L TER 与 IL TER 的背景 、进展和前景 ;于 秀波 9 、牛栋 10 分别介绍和分析了 L TER 的战略规划 和 信 息 化 基 础 设 施 . 这 些 研 究 促 进 了 我 们 对 L TER 组织 、实施和 科学 发现 的了 解 . 但 是 , 已有 文 献 主要集中在对 L TER的宏观介绍 ,缺乏对其特 点图 1 美国 L TER 站点和 IL TER 成员数量F ig. 1 N um be r of U S L TER site s and In te rna tiona l L TER ( IL 2

15、TER ) m em be rs.和效果的深入剖析 ,也缺少案例分析 ;而对于其研究特点的总结和详细的案例分析更有利于相关经验的 借鉴和传播 . 基于此 , 本文将美国 L TER 30 年的经 验归纳为保障项目成功的 5 个特点 ,并以弗吉尼亚海岸保护区 (V irgin ia Coa st R e se rve, VCR ) 为案例 , 展示其效果 ,并提出对我国长期生态研究的建议. 选 取 VCR 作为案例的原因是其建站时间较早 、实施机 构和人员相对稳定 、发展历程具有代表性 .1 美国长期生态研究计划的特点111 系统性11111研究网络系统性 作为国家乃至洲际尺度的 生态科学 ,

16、L TER 需要良好的站点网络支撑 11 . 它的26个站点横跨从极地到热带的所有气候带 ,从热带 雨林到沙漠的众多植物区系 ,从近海到河口再到内 陆的众多生境 (表 1 ) ,既有各自独特的代表性 ,相互间又有一定的重叠和交叉 .研究网络的系统性深化了对单个生态系统的理 解 12 ,提高了对长期和大范围生态因子的覆盖和研表 1 美国 L TER站点分类列表Ta b le 1 Ca tegor iza t ion of US L TER s ite s主要研究生态系统P rinc ip al eco system站点数量Site num be r站点列表Site list森林 Fo rest6

17、A nd rew s (AND ) , Bonanza C reek ( BN Z ) , Cowee ta ( CW T ) , H a rva rd Fo re st ( H FR ) , H ubba rdB rook ( HBR ) , L uqu illo (LUQ )F lo rida Coa sta l Eve rglade s ( FCE ) , Geo rgia Coa stal Eco system s ( GCE ) , San ta B a rba ra Coa sta l( SBC) , V irgin ia Coa st R e se rve (VCR ) , P

18、lum Island Eco system s ( P IE)Sho rtgra ss Stepp e ( SGS) , Ceda r C reek Eco system Sc ience R e se rve ( CDR ) , Konza P ra irie ( KN Z) A rc tic (ARC) , M cM u rdo D ry V a lleys (MCM ) , Pa lm e r Sta tion ( PAL )Ca lifo rn ia Cu rren t Eco system ( CCE) , Moo rea Co ra l R eef (MCR )B a ltimo

19、re Eco system Study (B ES) , Cen tra l A rizona2Phoen ix ( CA P) Jo rnada B a sin ( JRN ) , Seville ta ( SEV )N iwo t R idge (NW T)No rth Temp e ra te L ake s (N TL )Ke llogg B io logica l Station ( KB S)海岸 Coa st5草原 P rairie极地 Po lar海洋 M a rine城市 U rban 沙漠 D e se rt 山地 Moun ta in 湖泊 L ake农业 A gricu

20、 ltu re33222111究能力 13 . 例如 ,对美国西部各生态站网点的观测显示 ,由于气候变化和外来病 ,近半个世纪以来森林 树木的死亡率有所增加 14 .11112研究主题系统性 虽然 L TER 各个站点的研究主题不尽相同 , 但是每个站点 都 需要 涉及 L TER 的 5 个核心研究领域 ,以保证站点之间和网络层面 的比较研究. 这 5 个核心研究领域包括 : 1 ) 初级生 产力格局和控制力 ; 2 )代表营养结构的种群时空分 布模式 ; 3 )在地面和沉积物中有机物积累和分解的模式与控 制 力 ; 4 ) 无 机 物 输 入 模 式 和 营 养 物 在 土 壤 、地下水和

21、地表水中的运动 ; 5 ) 扰动的模式和频率 13 .11113数据兼容系统性L TER 站点的数据形式多种多样 ,包括传感器数据 、自动观测系统采集数据及人 工 记 录 的 野 外 数 据. 为 了 保 证 数 据 的 兼 容 性 ,L TER 做了如下工作 : 1 )制定生态元数据语言 ( Eco2 logica l M e tada ta L anguage)行业标准 ,并在网络和站 点两个层面推广使用 ,这使得 L TER 成为了第 1 个 大规模采用元数据标准的网络 10 ; 2 )在每个站点设立具备生态学基础的信息管理员 ,确保各站遵循统 一的信息管理标准 ; 3 )各站点信息管理

22、员每 2 周进 行 1 次视频 会议 、每 年 举办 1 次 研讨 会 , 就 数据 格 式 、兼容性和对比研究等深入交换意见并制定规则 .112 长期性图 2 L TER 项目申请和评审机制F ig. 2P ropo sa l fund ing and eva lua tion p rocedu re s fo r U SL TER p ro jec ts.3 自 2000 年开始 ,经过 2 年缓冲期的站点通过二次评审后将获得 4年资助 ,以保持 6 年的周期不变 F rom 2000 , the site s comp le te a buffe r tim e of 2 yea rs

23、w ill ge t 4 2yea r fund ing in o rde r to keep the 6 2yea r fund ingcyc le unchanged.11211项目和队伍的长期性L TER 为了保持其研究的长期性和延续性 ,在组织形式上很有特点 . N SF会在详细审议和论证的基础上接受某一研究组设置 新站点的申请 ,但是站点一经设立 ,该研究组就不必 与其他研究组竞争下一期的归属权 ,该站点也不必与其他站点竞争延续权 15 . 站点每年都要提交年度 报告 ,内容包括项目参加者工作时间和内容 、合作组 织 、科学活动与发现 、出版物 (包括文章和书籍 ) 、网 络建设 、

24、数据共享 、对科学和社会的贡献等 . 在每一 期项目的中期 ( 3 年 ) 和末期 ( 6 年 ) ,站点都要提交总结报告 , N SF将就科学进展 、出版物质量 、管理 、教 育及与其他站点的合作程度等进行评价. 评价结果 将影响下一期项目的申请和后续资助 ,甚至可能导 致资助资格被取消 (图 2 ) .通过上述机制 ,虽然很多站点都有申请不通过 而进入两 年 缓 冲 期 的 经 历 , 但 极 少 有 站 点 被 撤 销(目前为止仅有 Illino is R ive rs、No rth In le t、O kefeno2kee 3个 ) ,从而保证了项目和队伍的长期性.11212研究尺度的

25、长期性 我们不能在单一时空尺 度下充分理解一个生态现象 16 . 因此 ,在传统生态学越来越趋向于微观和短期研究的情况下 ,长期生态研究更加凸显其重要性 ,同时 ,生态系统的长期格 局和过程也需要在不同空间尺度上理 解 13 . L TER 关注从月度到世纪尺度的生态现象 (表 2 ) ,它为短期研究提供背景知识 ,促进理解 、管理和预测生态变 化 17 . 例如 ,加利福尼亚的 CW T站利用 1934 年至 今的长期观测数据研究流域尺度的砍伐和外来菌类 侵袭美国栗树 ( C astanea den ta ta )对树种多样性和分 布的影响 18 .113 灵活性11311资金来源灵活性L

26、TER 各站点获取研究经费的首要来源是 N SF. 但 N SF并不限制各站点申请其他经费 ,因此很多站点利用 L TER 站点基础设施 和网络平台申请额外的研究资助. 以 2001 年为例 ,N SF当年资助 24 个站点总经费约 1700 万美元 ,各 站点寻求合作支持经费约 4900万美元 ,使得总经费 达到约 6600 万美元. 其中合作经费与 N SF 资助比 率最高的是佛罗里达的 FCE站 ,达 912 ,最低的是南 极洲的 PAL 站 ,为 013 19 .表 2 长期生态研究的时间尺度Ta b le 2 T im e sca le s of lon g2term eco log

27、 ica l re sea rch时间尺度Tim e sca le周期性自然现象Physica l reset even t生态现象Eco logica l p henom ena102101CO2 导致的气候变暖 CO2 2induced c lim a te wa rm ing太阳黑子爆发 Sun spo t cyc le厄尔尼诺 E l N io 草原大火 P ra irie fire s 湖泊更新 L ake tu rnove r 海洋涌升流 O cean upwelling世纪 Cen tu ry十年 D ecade人为富营养化 A rtific ia l eu trop h ica

28、 tion野兔数量 H a re num be r草原演替 P rairie succe ssion一年生植被 A nnua l p lan ts浮游植物演替 P lank ton succession100年 Year10 - 1月 Mon th根据文献 17 整理 A cco rd ing to cited lite ra tu re 17 .人类影响下 生态 环境 的 可持 续发 展 问题 28 . B ES、CA P、CW T和 N TL 4 个站作为试点进行了人类活动 与生态系统之间关系的综合研究 29 . 例如 , B ES通过对 B a ltimo re大都市区进行广泛且有重点的

29、监测 , 试图解答以下问题 :城市区域的社会经济 、生态和自 然因素相互联系的机理是什么 ? 能量 、物质 、资产和人口在城市系统中如何流动 ? 人们如何通过把都市 看作一个生态系统来改善环境 质量 和 减少 人为 排放 30 ?11413方法拓展 L TER 的传统方法是观测和试验 , 这在任何一个站点的研究中都是不可或缺的 4 . 随 着空间技术和计算机技术的发展 ,高分辨率影像和 三维遥感 (如激光雷达等 ) 以及与之匹配的地理信 息系统方法越来越多地运用于长期生态研究. 同时 , 数学和计算机模型也促进了长期生态过程和短期扰 动的模拟和预测研究. 此外 ,与社会科学的融合也给 L TE

30、R 带来了新的研究方法 , 例如在 生 态多 样性 保 护方面引入了研究动态的人与自然关系的生态 2经 济模型 31 .11312研究内容灵活性 各站点在制定计划时 , 研究内容除了规定的 5 个核心研究领域之外 ,可以根 据自身的软硬件条件和研究对象特点 ,制定不同的 研究计划 . 在研究过 程 中 , 既 可 以回 答设 计 好的 问 题 ,也可以解答在研究中观测到的偶然现象 . 长期生 态研究中出现的不常见和非典型的扰动事件虽然可能对既定研究路线产生干扰 ,但也可能由此产生新 的科学议题 . 这种灵活的研究模式保证了长期生态 研究的创新和发展.114 拓展性11411国际拓展 生态和环境

31、问题的日益全球化是 L TER 向国际拓展的直接推动力 ,计算机与 GPS、G IS 和 R S (“3 S”)技术的发展则为人们认识此类全球问题提供了可能性. 1993 年 ,在 N SF支持下 , IL TER 在 美国科罗拉多州成立 , 其主要目标是 : 1 ) 促进和加 强对区域尺度的长期生态现象的理解 ; 2 )促进不同 站点和不同学科间科学家的交流 ; 3 )促进观测和实 验结果的可比性 , 鼓励数据交换 ; 4 ) 增强培训和教 育 ; 5 )夯实生态系统管理的科学基础 , 改进更大时空尺度的预测模型 20 . 截至 2010 年 , IL TER 正式成 员国已达 40 个 ,

32、 其中欧洲 19 个 、亚洲 8 个 、非洲 5个 、北美洲 4个 、南美洲 3个 、大洋洲 1个 21 .11412人文拓展 传统的生态学研究并不注重人类 影响 ,或 仅 仅 将 人 类 活 动 作 为 生 态 系 统 的 外 部 扰 动 22 . 但事实上全球尺度上自然或半自然生态系统日渐稀少 23 ,地球生态系统结构与功能的大部分方 面都受到人类活动强烈的甚至是控制性的影响 24 . 理解有人类作用的生态系统比理解原始生态系统对 全球变化研 究 更 有 意 义 25 . 2002 年 , N SF 在 L TER20年回顾报告中明确提 出 要加 强跨 学科 建 设 26 , 这促使 L

33、TER 在生态学研究中整合社会科学 ,称之 为生态变化的社会学方面或社 会变 化的 生 态学 方 面 27 ;并 在 此 基 础 上 发 展 为 长 期 社 会 生 态 研 究 (Long2Te rm Soc ioEco logy R e sea rch ) , 以 更 好 地 解 决11414机 构 合 作机 构 合 作 包 括 3 个 方 面. 一 是L TER 网络与其他大型研究计划 的 合作 , 例 如向 全球陆 地 观 测 系 统 ( Globa l Te rre stria l O b se rving Sys2tem ) 和 国 际 生 物 圈 2地 圈 计 划 ( In te

34、rna tiona l Geo2 sp he re2B io sp he re P rogramm e ) 等 国 际 项 目 提 供 分 析 结果以促进对全球各生态系统功能的理解 20 ,同时也计划通过正在建设中的国家生态观测网络 ( N a2 tiona l Eco logica l O b se rva to ry N e two rk ) 获 取 基 础 数 据 . 二是 L TER 站点与政府和非政府组织的合作. 三是站点之间的合作 ,主要通过以下几个项目 :北美生态 系 统 分 异 ( V a riance in No rth Am e rican Eco sys2 tem s)

35、、长期站间分解实验组 (Long2Te rm In te rsite D e2 compo sition Exp e rim en t Team ) 、生物多 样 性 /生产 力计划 ( The B iod ive rsity / P roduc tivity P ro jec t) 等 13 ; 通过会议 、邀请讲座等方式进行 的学 术交 流在 L TER站点之间也非常兴盛 ,进一步促进了站际合作.115 共享性11511信息共享 作为广泛的科学共同体的资源 ,数据库的创建 、维持和分发是 L TER 计划的重要部 分 . 第一 ,每一个站点都有自己的网站并提供站点介绍 、收集的数据及附加信

36、息 (如元数据 ) 、项目出版物等 13 . 第二 , 为 了 增 强 数 据 共 享 的 效 率 和 成 果 , L TER 还充分利用互联网技术 , 开发 了一 个 全站 目 录 ,把分布在各站点的数据集中在一个系统中 ,使用户可以 通 过 互 联 网 和 结 构 化 查 询 语 言 ( Struc tu red Q ue ry L anguage ) 方便地查询和下载 32 . 第三 , 远程 视频会议设施的广泛应用使得各站点具备了初步的 网络协同工作能力 10 ;各野外站的人员也可以通过 互联网进行视频和文本交流 . 总之 , L TER 通过即时更新和广泛共享的数据促进了超越站点层面

37、的区域 性和全球性综合研究 13 .11512教育共享 要使 L TER 的成果能被更广泛的 公众分享 ,教育是最重要的方式 ,包括 3 个层次. 一 是研究生教育 ,这也是 L TER 项目的主要活动之一 .L TER 站点为研究生提供了将特定主题的具体工作 与广泛的其他研究相结合的理想平台 ;同时 ,由于气 候和其他环境数据较易通过长期自动监测获取 ,研 究生们可以专心于构思与写作. 二是本科生教育. 通 过课程 、野外实习和公共宣传 ,学生们可以理解和分享 L TER 项目的成果 ,乃至成为潜在的研究人员. 纵 观 30年的发展历程 ,不少曾参与 L TER 的本科生和 研究生成为了该项

38、目的专业研究人员 . 三是针对从 幼儿园到高中生的校园项目 ( Schoo lya rd L TER ) ,其 主要目的是促进中小学生对本地生态系统的理解 、学习地球生态系统及长期生态变化 ; 在直接传播知 识的同时 ,还注意将研究成果转化为教师日后的教 学内容 ,以求长效 .VCR 作为一个人类活动干扰较小的区域 ,对其研究主要集中在自然生态方面. 项目主题是理解生态系 统状态变化的动力 ; 目标是理解并预测海岸带障壁 岛系统对长期环境变化 (气候 、海平面和土地利用 ) 的响应 ,并将其与生态服务功能相联系 ;重点在于缓 慢渐进的环境变化过程与风暴和物种入侵等短期扰 动事件是如何相互作用从

39、而控制景观动态和生物结 构的 .VCR L TER 是 在 继 承 的 基 础 上 不 断 创 新 发 展的 . 第 1 期为 1986 1992 年 ,着重于海岸带生态系 统的地球物理控制力 (例如风暴等 ) ,主要研究问题 是景观长期变化如何影响沿障壁岛 2泻湖综合体样 带内的生态演替 ,以及一定尺度的生态过程如何控 制这些样带的发展 33 . 第 2 期为 1992 1994 年 ,引 入了生态状态变化的概念 ,提出并验证了如下假说 :1)生态演替受水资源可得性 、盐度 、潮汐入侵频率 和泥沙沉积控制 ; 2 )盐度 、潮汐入侵频率 、有机质累 积 、初级生产力和营养物等受坡度 、海平面

40、和风暴潮 影响 ; 3 )很多生态状态变化源于短期扰动事件 34 . 第 3 期为 1994 2000年 ,在科学假说“生态系统 、景 观和演替模式受陆地 、海洋和淡水平面的相对垂直位置控制 ”的基础上研究了水平面上升与生态系统 变化 、湿地表面泥沙运动模式及生物群落对它的影 响 、农业化学物的地下水输运等内容 35 . 第 4 期为2000 2006 年 ,加入 了 高程 视角 , 提 供 了一 个检 验 海岸景观生态格局的新方法 ,重点研究了如下问题 :1 )生态系统如何与大西洋海平面的快速相对上升 相协调 ? 2 ) 对消失 60 年的基础物 种进 行重 繁 殖 , 生态系统将如何响 应

41、 ? 3 ) 湿地 对化 石 燃料 和肥 料 带来的营养物如何 响 应 ? 4 ) 生 态系 统 对全 球变 暖 36 导致的风暴潮如何响应 ? 第 5 期为 2006 2012年 ,主要研究问题包括 : 1 ) 长期变化因子 (气候 、海 平面上升 、土地利用变化 ) 和短期扰动事件如何相互作用并改变生态系统动力和状态 ,其效应如何被 内部过程和局地尺 度 的反 馈改 变 ? 2 ) 有机 质和 无 机质的流动如何影响生态系统动力和状态的变化 ?3 ) 未 来 的 景 观 结 构 及 其 驱 动 因 子 分 别 是 什2弗 吉 尼 亚 海 岸 保 护 区 长 期 生 态 研 究 ( VC R

42、L TER)实施效果弗吉尼亚海岸保护区 (VCR )是由大陆集水区 、潮滩湿地 、泻湖和障壁岛组成的景观异质性自然保 护区 ,位于弗吉尼亚 D e lm a rva 半岛东岸 , 由北向南 沿大西洋 海岸 延伸 110 km , 面 积 约 154 km2 , 海 拔- 1313 m , 年 平 均 气 温 1415 , 年 平 均 降 水 量1065 mm.211 科学成绩VCR L TER 是 由 弗 吉 尼 亚 大 学 环 境 科 学 系 于1986 年 申 请 设 立 的 , 目 前 正 在 进 行 第 5 期 研 究 . 37 - 38 么? 在最近的研究中 , VCR L TER

43、开始突破以前的计划 ,尝试联合其他学者进行社会经济学研究 ,包括对海草 、牡蛎 、鸟栖息地进行公众估价 ,以及两 项涉及公共决策的调查等 39 . 科学假说的验证 、关 键问题的解决和研究领域的拓展让项目取得了丰硕 成果 . 在过去 24 年中 , VCR L TER 的出版物数量和资助金额都取得了快速增长 (图 3 ) .合作的研究项目 . 目前 ,弗吉尼亚大学与其他 9所科研单位开展直接的研究合作 ,例如与弗吉尼亚海洋 科学研究所合作进行海草监测和重繁殖试验 . 已经 有包括土壤学家 、水动力学家 、海洋学家 、社会学家在内的学者参与 ,为研究的综合发展奠定了基础. 此 外 ,项目组成员还

44、通过学术会议 、兼任学术职务 、邀 请校外专家前来讲座等形式保 持与 国 内外 的广 泛 联系 .VCR L TER 也致力于加强与政府和非政府组织的合作 ,包 括 : 吸 引 联 邦 地 质 调 查 局 ( U n ited Sta te s Geo logica l Su rvey) 科学家驻站工作 ; 邀请自然保 护 区所在县政府 、自然保护区 、国家自然资源管理委员 会 ( The N a tu re Con se rvancy)弗吉尼亚分会的相关人 士开会参与计划的制定和成果的总结 ; 接受地方政府和自然保护区有关科学问题的咨询 . 这些努力促 进了成果的应用 ,也拓展了进一步的研究

45、 .图 3 VCR L TER 各期年均出版物数量和资助金额F ig. 3 A nnua l p ub lica tion s and fund ing in each fund ing cyc le of the VCR L TER.: 1986 - 1992; : 1992 - 1994; : 1994 - 2000; : 2000 -2006; : 2006 - 2012.212 数据积累VCR L TER 每一期申请书都有专门的数据管理 章节 ,目的是有效记录 、组织 、检查 、存储 、调用和分享数据. 每一期测得数据既有上一期数据的延续 ,又有新增数据集. 目前有 170 个公开数据

46、集可在网上 公开下载 ,涉及站点特征 (如降水量 ) 、初级生产力(如生物量 ) 、有机质 (如微生物时空分布 ) 、营养物 运动 (如土壤水营养物 ) 、营养结构 如鹭 (A rdeidae)数量 、扰动 (如风暴统计 ) 、生物多样性 (如小型哺乳动 物 ) 7 个 方 面 , 其 中 很 多 是 长 年 连 续 观 测 的 成果.213 教育与扩展从项目一开始 ,大学教育就是 VCR L TER 的重 点之一. 弗吉尼亚环境科学系通过每年的暑期学校 和野外实习 ,每学期的校园宣传活动 ,每周的邀请讲 座与每天的大厅电子屏展示相结合 ,使包括本系学 生在内的大量学生对 L TER 有了清晰

47、的认识并激发他们的研究兴趣. 目前 ,已经有 135位研究生通过项目研究完成了硕士 /博士论文 ,同时项目每年还支持3 6名本科生参与研究 .虽然中小学教育不是最初的目标和任务中心 , 但却是公众兴趣的附带结果 ,因此 , VCR L TER 从项 目之初就通过邀请公立学校学生参观 VCR 站点和 安排研究生与教师讲解等方式积极扩大 L TER 的影响 . 从第 3 期项目开始 , Schoo lya rd L TER 成 为正 式课题 ,每年大约 200 名学生参与 . 通过讲解 ,让学生 们了解“3 S”、植物分类 、环境变化 、水质等知识 .VCR L TER 从一开始就是各院校 、各领

48、域学者3 对中国长期生态研究的启示为了应对人口增长 、经济发展和掠夺式开发等因素导致的严峻生态问题 ,我国于 1988年设立生态 系 统 研 究 网 络 ( Ch ine se Eco system R e sea rch N e t2 wo rk) ,开展长 期 生 态 研 究 , 并 在 1993 年 首 批 加 入IL TER ,与美国等国家和地区进行合作 . 中国生态学 学会也在 2004年设立了长期生态研究专业委员会.与美国 L TER 相比 ,中国的长期生态研究虽起步较 晚 ,但发展迅速 ,目前已建成了农田 、森林 、草地 、沙 漠 、海洋 、湖泊 、沼泽 、城市八类共 40 个生

49、态实验站 , 尝试揭示不同时期不同生态系统及环境要素的变化 规律及其动因 、建立我国主要类型生态系统服务功能和生态环境质量评价指标体系 、阐明我国主要类 型生态系统的功能特征和重要元素生物地球化学循 环的基本规律 、明确全球变化对我国重要生态系统 的影响 以 及 不 同 区 域 生 态 系 统 对 全 球 变 化 的 作 用 40 ,同时还研究和分析了长期生态研究所需要关注的核心问题与发展趋势 41 . 然而 ,我国长期生态 研究与美国相比在资金投入 ,基础信息采集 、存储与 共享 ,理论与方法研究 ,研究成果的应用等方面尚存 在一定差距 . 如何更好地推动我国的长期生态研究 , 美国 L T

50、ER 的经验值得借鉴 .1 )加强组织建设. 对资 助方 而 言 , 项目 申请 既要有竞争性 ,又要有稳定性 ,从而保证研究的持续 , 实现生态研究的长期化 ;从受资助方来看 ,长期生态 研究需要主要研究人员长年保 持对 此 项研 究的 兴 趣 ,协调团队内其他 研 究人 员并 积 极寻 求资 助 , 因p a red w ith the fram ewo rk ac tivitie s of the Long2Te rm Ec2 o logica l R e sea rch ( L TER ) N e two rk s of the U n ited Sta te s and Ch ina

51、. J ou rna l of Ecology and F ield B iology,2011, 34 ( 1) : 19 - 29Zhao S2D (赵士洞 ) . In te rna tiona l Long2Te rm Eco logi2 ca l R e sea rch. A cta Phy toecolog ica S in ica (植物生态学 报 ) , 2001 , 25 ( 4 ) : 510 - 512 ( in Ch ine se)Zhao S2D (赵士洞 ) . In troduc tion of the 3 rd Long Te rm Eco logica l R

52、 e sea rch N e two rk A ll Sc ien tists M ee ting and M ee ting of D irec to rs of In te rna tiona l Long Te rm Eco logi2 ca l R e sea rch. Ch inese J ou rna l of A pplied Ecology (应用 生态学报 ) , 1994, 5 ( 1 ) : 110 - 112 ( in Ch ine se)Yu X2B (于秀波 ) . Stra tegic p lann ing of U S Long Te rmEco logica

53、l R e sea rch ne two rk. A dvances in Ea rth S cience(地球科学 进 展 ) , 2007, 22 ( 10 ) : 1087 - 1093 ( inCh ine se)N iu D (牛 栋 ) . A n in troduc tion to L TER ne two rk cy2be rinfra struc tu re stra tegic p lan ( I) . A dvances in Ea rth此 ,依托科研院所建设核心人才梯队是成功的保障 .2 )建立完整网络并增强站际合作 . 基于站点的 生态研究是网络研究的基础 ,要加强

54、各站点观测 、分析 、模拟等基础研究工作 ; 为完善站点体系 ,应适时在有代表性的区域 ,例如青藏高原北部和东部的亚 寒带区域 、南海 、南极大陆等设立新的站 点 ; CERN 正在逐渐进入以联网动态监测和联网实验研究为主 的新阶段 42 ,要加强站点间的人员交流 ,鼓励跨站 合作.3 )重视数据的质量 、管 理和 共享 . 第 一 要在 项 目设计和执行中严格遵循现代实验原则 ,保证数据 鲁棒性 43 ;第二要制定数据管理制度 ,保证数据采 集 、存储 、使用和分发的规范性 ; 第三要设立高级别 的数据管理员 ,并保证人员相对稳定 ;第四要建立站 点和网络层面的数据共享平台 ;最后要加大投资

55、 ,美 国 L TER 的经验表明 ,至少 25 %的经费预算应当被 用于数据管理 44 .4 )增强多学科研究. 长期生态研究应当成为多 学科专家的交汇点. 要通过多学科知识的融合 ,增强 试验设计 、数据融合的能力 ,以便从长时间尺度对关 键变量进行综合分析 .5 )扩大公共影响 . 利用多种渠道让决策者了解长期生态知识 ,使其支持生态学者提出的理念 ,最终 促进研究成果的实际应用 ; 同时可以考虑安排专项 资金用于公共宣传 ,特别是针对中小学生的宣传教 育 ,使得长期生态研究具有良好的公共发展基础. 7 8 9 10 S cience (地球 科 学 进 展 ) ,( in Ch ine se)2008, 23 ( 2 ) : 201 - 205Robe rtson GP. Long2te rm eco logica l re sea rch: R e2in2 ven ting ne two rk sc ience. F ron tiers in Ecology and the Environm en t, 2008 , 6: 281F rank lin J F, B led soe CS, Ca llahan J T.