本文来自微信公众号：集智俱乐部 （ID：swarma_org），作者：李周园

导语

自然之道、自然之法是我们取用不竭的认知系统问题的源泉。生态系统这样一个复杂而动态的整体，承载着物质循环、能量流动与信息传播的核心功能。我们应该如何研究生态系统？如何理解其中的复杂性？它又能给人类带来哪些启发？本期访谈北京林业大学副教授李周园，带你走进生态系统研究。

关键词：生态系统，地球科学

李周园丨受访者

集智编辑部丨整理

目录

什么是生态系统？

如何构建生态系统的时空模型？

生态系统的研究价值

未来的方向

什么是生态系统？

Q1：生态系统有哪些关键特征？

生态系统，它是生物和环境的一个集合。我们研究生态系统，就是研究生态系统的物质流动、能量循环，还有信息传播这些过程。生态系统，有两个最基本的属性，一个就是它的多样性的特征，还有就是它的稳定性的特征。那这个，其实是生态系统的一体两面的。那么多样性，更强的反映了生态系统的结构特征，它是指的生态系统当中这些物种的这些组成组分，它们是生态系统中的各种个体，个体会形成一个整体，整体发生各种各样的涌现，形成生态系统的功能。那么功能在时间维度上呢，它就是一种以稳定性的这种属性呢，我们可以进行测度，进行评价。

Q2：模拟生态系统有何特点？

人工生态系统，比如说像城市、农田，还有我们一些人造的一些生态系统，以及计算机系统当中模拟的生态系统，与真实的自然相比呢，最大的区别就在于复杂性。因为自然生态系统，它是全息的，而且是非常真实的。那么任何的模拟，任何的人工，它都是取其一个维度，取其一个局部。我们在去接近一个系统，或者说是深入的研究一个系统的时候，我们必然要以牺牲掉一些信息损失为代价的，去刻画它，去描述它。我们在有限的维度上，对生态系统进行解构，进行拆解，进行降维，这是一个信息处理的必然的一个过程，就是我们没必要也不可能事无巨细的把自然的系统的每一个细节呈现出来。但是呢，我们作为理性的去认知这么一个客观的大自然的时候，解构这么一个复杂系统的时候，我们必须要通过控制变量的方法，或者说拆解其一个侧面，来判断它的全貌。

如何构建生态系统的时空模型？

Q3：生态系统能有多大或多小？

生态系统的研究，确实是一个跨尺度的问题。那么小，我们可以小到锥形瓶里的一个生态系统，小到培养皿的一个生态系统，我们可以构建一个微宇宙、微环境，去研究微生态的变化，或者是一些原生动物、藻类，一个微缩的一个生态系统。那么大的，放眼来看，我们甚至是可以把整个的这个地球作为一个生物圈。我们很知名的生态系统的研究，有生物圈二号的研究，那么它是模拟了自然的地表的生态系统的演变。那么在这个中间，我们还可以看到群落尺度的、景观尺度的、国土尺度的等等，它是一个跨尺度的一个研究。

Q4：对一个生态系统的研究需要多长时间？

关于生态系统来讲呢，它的变化的这个尺度，可以是一天之内或者几天之内，微生态的环境可能就发生了变化。比如肠道微生物的菌群的群落的变化，或者是土壤的一些根际微生物的变化，它可能是几个小时。或者是我们家庭的这后花园的这个蚜虫的爆发，可能是几天几个月。那么大到这个更大的空间尺度上呢，全球的变化、陆地生态系统的变化，它的演化周期是非常长的。草原的研究呢，那么可能达到几十年、几百年的观测水平，才可以比较全面、深入和真实的刻画这个系统。

随着技术手段的升级呢，生态学的研究对象呢，不断的在扩展。对于长时间序列的这个生态的演变呢，我们有很多这些间接观测的手段，还有数据资料。比如说，古生态系统呢，我们可以利用化石，可以利用这个冰芯或者是孢粉数据，对历史数据进行重建。那么几十年的尺度呢，我们有卫星遥感的数据，可以通过对地球拍摄大照片，采集监测几十年的这些演变。那么呢，这些呢都是可以从这个时间序列上补充我们的观测资料的。所以讲呢，理想的时间长度，是根据你系统的边界所确定的，和你研究的问题、关心的对象而确定的，它都有一个生命的周期。

Q5：生态系统建模有哪些方法？

对于刻画和抽象一个生态系统来讲呢，用数学的方法，或者说我们说生态建模的方法，归纳来讲呢，主要有两类。我们可以借鉴物理学当中的这个归纳法和演绎法。那么其中有一类呢，就是动力学的方法。比如我们在研究虫口的爆发、人口的增长，一些动力系统的问题的时候，我们可以建立微分方程的这种建模的思路。另外一种呢，我给它称之为热力学的方法，或者说是热力统计学的方法，采取一种宏观有序而微观无序的这个视角，通过大数据的这个统计分析，总结和归纳提炼它的统计特征，然后在一些高维的这个数据空间上去进行实证的研究。这是两个方向，一个可以称之为演绎法，我指的是动力学的方法，还有一个呢，就是统计学的方法，或者说我们称之为用归纳法的这种方法论去研究。那么此外呢，由于生态学是研究生物与环境之间互相作用的关系，所以网络科学的方法，也可以在这些高维的变量、高维度的互相作用的这些过程当中呢，发挥很大的作用

Q6：您的主要研究方向是什么？

对于我个人的研究方向来讲，我有两类研究。一类呢，我把它称之为编字典式的生态学研究，还有一类，就是拍摄纪录片式的生态学研究。那么它对应于我们课题组的相对微观的视角的一个生态学研究，研究生态系统的生物多样性，我们是把各种物种，动物的、植物的这些生物多样性的信息进行编目，进行数据库的建设。那么就类似于读懂大自然的这本书，像编字典式的这个研究。另外一个宏观视角呢，我们就利用遥感技术对地的观测数据，通过遥感卫星图像，对宏观的生态系统的这些演变，那么忠实地记录地表生态系统的变化过程，还有分析它的背后的这些驱动力。解决的关键问题呢，就是解析生态系统结构、功能在环境变化下的这种响应，对未来呢，有更好的研判和预测。

Q7：研究中遇到最大挑战是什么？

说到最具挑战的研究或者是课题，我想说我们现在在研的一个问题，就是非常具有挑战难度的。我们在研的一个重点研发项目，是关于青藏高原的保护地及其周边的生物多样性保护和多功能的提升。那么核心的问题，就是想要解决高寒草地上高原的生态屏障区，人草野畜、人为活动、草地承载力、野生动物和家养生畜之间的矛盾的问题。它是一个非常复杂的自然的耦合体，也是一个复杂的共生体，并且在这种夏季和冬季的这种此消彼长的这个草地的流转过程当中呢，产生了一定的矛盾。因为我们国家的这个青藏高原的自然保护地，这几年的保护是卓有成效的，野生动物的种群呢，不断地在增长，那么它是否有这种外溢的效应，或者是与这个人为活动、放牧活动，包括居民也好、旅游也好，包括建设、城镇化，在时间和空间上，都有哪些冲突，我们是需要详细梳理，并且亟待解决的。这是一个多学科交叉的问题。那么如果说解决方法来讲呢，我们还是需要运用综合的、各个学科的这个手段，包括我们使用遥感、使用无人机、使用这个草地健康诊断、草学的、生态学的，还有这个气候变化等等栖息地评价，这些多学科的方法呢，融合到生态学的这框架之下，来解决人与自然和谐共生的问题。

生态系统的研究价值

Q8：生态系统研究有何社会意义？

我们讲生态系统对人类的福祉也好，对社会的效益也好，我们有一个比较公认的一个框架，它是联合国千年生态评估当中提出的。生态系统，对于人类福祉具有三大服务功能。第一就是支持供给功能，比如说提供了粮食、提供了木材、提供了各种我们的生产资料。那么第二类呢，就是它对于环境的调节功能。对于环境调节功能，包括调节它的水文的稳定呀、水文的这个蓄洪，以及这个水源涵养，还有水土保持，以及气候调节的功能。第三类，就是对于人类社会的美学和文化的功能，它有重要的精神，对于娱乐，以及地方的认同感等等，也是一个基础性的功能。上述呢就是关于生态系统直接对人类社会的作用。

但是我个人认为，生态学的研究对于人类社会，有另外一个间接的效益，就是它是人类社会的，或者说人类社会经济系统的一种隐喻。那么复杂的生态系统，大自然给了我们很多的这种寓言故事，也帮助我们思考这个复杂系统如何的可持续发展。比如说我们经常讲一些商业的生态模式，或者生态系统的构建，这都是来源于对于生态学的观察和研究得到的。

Q9：生态恢复中人类干预有多大的作用？

从我们近期的研究来看，我们做了一项青藏高原三江源地区的定量的遥感的研究。我们计算分析得到呢，气候因素对于三江源这个地区生态恢复的植被改善的效益，气候因素占比是大约是47%。地形地貌这些地理因素呢，占比大概是41%。而人为活动，我指的人为干预开展的各种围封恢复、人工的种植生态修复的这些措施呢，占比大概是12%。所以我们提出了一种叫“天帮忙，人努力”的高寒草地生态修复模式。这大概是人类干预活动、人类活动干预对于生态修复的一个贡献。这是我们案例的提供的一个资料。

现在也提倡近自然修复。天地是一大父母，人体是一个小宇宙，这就跟我们好像生病似的，这个人也是有抵抗力的。所以自然也是有一个免疫力的，它也是一个这种有韧性的、自组织的一个复杂系统，它就像人体健康一样。那我们生病了，有的时候还是要通过吃药干预一下，但是药呢，不能当饭吃。我们还是要通过这种自然的调控来实现自然的这种平衡。比如说，通过草原上顶级捕食者的这个调控，达到这个草畜平衡，或者说草地和野生动物之间达成的这种默契，种群在一个相对稳定的平衡态来讲呢，植被和动物都可以可持续的向前发展。

至于生态修复可能带来的这个不良的影响，我觉得就像人治病一样，不能过度治疗，不能过度干预，也可能适得其反。包括我们可能会引一些不当的引种呢，如果没有很好地了解到乡土种和生态入侵的生态物种、材料的一些特定的问题的话，有可能造成这个生态入侵的风险。

引用资料：Li，Z.;Shen，Q.;Fan，W.;Dong，S.;Wang，Z.;Xu，Y.;Ma，T.;Cao，Y.(2024)Nature-based solutions vs.human-induced approaches for alpine grassland ecosystem:“Climate-help”overwhelms“human act”to promote ecological restoration in the Three-River-Source Region of Qinghai-Tibet Plateau.Remote Sensing.16，1156.

未来的方向

Q10：如何看待生态系统研究的发展？

生态学是一个经历了非常漫长的演变的一个学科，并且它现在越来越重要。生态学的研究方法，或者说研究范式，经历了就像自然科学的几个阶段。它首先是一种博物学，从博物学也好、生物学也好，或者说是生物地理学的演变过来的。那么最开始它是从描述性的进行研究，之后就进入到了实验性的阶段，那么做了大量的控制实验。第三个阶段，就是更加定量的、更加理性的分析，那么会在积累了大量的客观的这些素材之上，那么它又发展了非常强有力的理论生态学的部分。

Q11：未来有哪些重点研究方向？

朝着未来的方向呢，生态学将在这种大数据的这个范式之下，它会涌现出这种更加可预测、更加定量化，我们讲叫more quantifiable和more predictable的ecology。那么也像类似于这个化学、物理和数学，走向更加硬化的这个科学的道路，有更多的公理、定理和这个定量化的、更加精准的这个研究迈进。同时，我觉得除了向硬化的这个方向迈进之外，还有另外一个软化的方向，也就是说生态学即将走向千家万户，或者说正在走向千家万户。现在的生态文明深入人心，而且生态的建设支撑我们人的美好生活和人与自然的这个和谐共生。像在大城市当中的，不管是绿化美化这个我们的环境，还是说是疗愈我们的心灵，包括对于生态的这个大健康、生态康养等等，这种产业的这种兴起，生态学不再是一个科学研究的形式出现，它更多的是一个通识的知识和这个人文的素养，或者说是社会福祉的重要的一个组分，走进千家万户。

Q12：对想进入该领域的学生有何建议？

首先我想说，生态学欢迎所有人。从做学术的角度上来讲呢，我觉得他山之石可以攻玉。生态学就是一个整体论的学科，它是需要各种的学科的这种集成交叉，来去促成这个学科的繁荣和发展。所以阅读经典，扎实培养好理性的思维，认真地去学习统计学的知识、植物学知识，读懂大自然的这个语言，是非常重要的。这个呢，也都能帮助你在生态学这个领域呢，走得更加长远。

本文为科普中国创作培育计划作品

受访者：李周园北京林业大学副教授

创作团队：集智俱乐部

审核专家：张江北京师范大学系统科学学院教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

地球系统科学读书会

世界气象组织《2023年全球气候状况》报告确认2023年是有观测记录以来最暖的一年。气候变化正在以高温、干旱、洪水、野火和沙尘暴等极端天气的形式吸引人们的广泛关注。世界经济论坛《2024全球风险报告》将气候变化作为首要值得关注的风险。地球作为一个多要素、非线性的开放复杂系统，要素间相互作用关系复杂，往往牵一发而动全身。在人类活动深刻影响下，我们该如何理解并有效应对正在面临的气候变化以及其带来的社会经济等一系列议题，实现人类与地球的可持续发展？

为了能够深入理解人类世背景下地球系统各要素之间复杂的相互作用与演化机制，并为人类应对未来的地球系统科学重大挑战提供一套科学的认知框架，集智俱乐部联合清华大学讲席教授陈德亮、北京师范大学教授樊京芳、东莞理工学院特聘副研究员陈爱芳、南开大学副教授戴启立老师和爱尔兰都柏林大学博士生班崭共同发起「地球系统科学」系列读书会第二季，将组织大家从新的研究范式出发梳理相关文献，并深入研读其中涉及的理论与模型。