生态系统，作为承载物质循环、能量流动与信息传播核心功能的复杂而动态的整体，一直是科学研究的重要领域。本期访谈邀请到北京林业大学副教授李周园，带领我们深入探索生态系统研究的奥秘。

探索生态系统：关键特征与模拟之道

生态系统的关键特征

生态系统是生物和环境的集合，研究它主要是探究其中的物质流动、能量循环和信息传播过程。它具有两个基本且相互关联的属性，即多样性和稳定性。多样性反映了生态系统的结构特征，指生态系统中物种组成等组分的整体情况以及由此产生的涌现现象；稳定性则体现在时间维度上，是生态系统的一种特性，可以进行测度和评价。

模拟生态系统的特点

人工生态系统（如城市、农田等）以及计算机模拟出的生态系统，与真实的自然生态系统相比，最大的区别在于复杂性。自然生态系统是全息且真实的，而任何模拟和人工构建都只能选取一个维度或局部。我们在接近和深入研究系统时，必然要以信息损失为代价进行刻画和描述。通过控制变量，拆解生态系统的侧面，进而判断其全貌，这是在有限维度上对生态系统进行解构、拆解和降维的必然过程，也是我们认知自然、解构复杂系统的重要方法。

构建生态系统时空模型：多维度解析

生态系统的尺度范围

生态系统的研究是一个跨尺度的问题。从小的方面来看，可以研究锥形瓶里、培养皿中的微生态系统，甚至是原生动物、藻类组成的微缩生态系统；从大的方面来说，甚至可以将整个地球视为一个生物圈进行研究，如著名的生物圈二号研究，模拟自然地表生态系统的演变。此外，还有群落尺度、景观尺度、国土尺度等不同层次的生态系统研究。

研究生态系统所需的时间

生态系统的变化尺度也各不相同。在短时间内，如几天或几个月，微生态环境（如肠道微生物菌群群落、土壤根际微生物、家庭后花园的蚜虫爆发等）就可能发生变化；而在更大的空间尺度上，如全球变化、陆地生态系统变化，其演化周期非常长，草原研究可能需要几十年、几百年的观测才能全面、深入和真实地刻画该系统。随着技术手段的升级，我们可以通过化石、冰芯、孢粉数据重建古生态系统，利用卫星遥感数据监测几十年来的生态演变，研究的时间长度需根据研究系统边界、问题和关注对象来确定。

生态系统建模的方法

刻画和抽象生态系统主要有两类方法。一类是动力学方法，借鉴物理学中的归纳法，通过建立微分方程模型来研究虫口爆发、人口增长等动力系统问题；另一类是热力学方法或热力统计学方法，采用宏观有序而微观无序的视角，通过大数据统计分析总结归纳统计特征，在高维数据空间上进行实证研究，也可称为统计学方法或归纳法。此外，由于生态学研究生物与环境的相互作用关系，网络科学方法在高维变量和相互作用过程中也能发挥重要作用。

研究方向与挑战

李周园副教授的研究方向分为两类。一类是编字典式的生态学研究，即对生态系统中的生物多样性信息进行编目和数据库建设，类似于读懂大自然这本书；另一类是拍摄纪录片式的生态学研究，利用遥感技术观测地面，记录地表生态系统的变化过程，分析其背后的驱动力，解析生态系统结构和功能在环境变化下的响应，以更好地研判和预测未来。

目前，其研究团队面临的挑战是青藏高原保护地及其周边的生物多样性保护和多功能提升问题。该问题核心在于解决高寒草地高原生态屏障区中人、草、野生动物、家畜之间以及人为活动、草地承载力、野生动物与家畜之间的矛盾。我国青藏高原自然保护地保护成效显著，野生动物种群增长，需考察其外溢效应以及与人为活动、放牧活动在时间和空间上的冲突。这是一个多学科交叉的问题，需要综合运用遥感、无人机、草地健康诊断、草学、生态学、气候变化以及栖息地评价等多学科手段，融合到生态学框架下，以实现人与自然和谐共生。

生态系统研究的价值：社会意义与未来展望

生态系统研究的社会意义

生态系统对人类福祉具有重要的服务功能。从联合国千年生态评估框架来看，包括支持供给功能（提供粮食、木材等生产资料）、环境调节功能（调节水文、气候等）和人类社会的美学与文化功能（娱乐、地方认同感）。此外，生态学研究对人类社会还有间接效益，它为人类社会经济系统提供了一种隐喻，帮助我们思考复杂系统的可持续发展，如商业生态模式的构建。

生态恢复中的人类干预

以青藏高原三江源地区为例，定量遥感研究结果显示，气候因素对生态恢复中植被改善的效益占比约为 47%，地形地貌等地理因素占比约为 41%，而人为活动（如围封恢复、人工种植等生态修复措施）占比约为 12%。因此，提出了“天帮忙，人努力”的高寒草地生态修复模式。在生态修复中，应遵循近自然修复原则，不过度干预，避免产生生态入侵等不良影响，让自然通过自身的调控能力实现平衡和可持续发展。

生态系统研究的发展方向

生态学是一个不断演变且愈发重要的学科。其研究方法和范式经历了从博物学、生物学或生物地理学的描述性研究，到实验性阶段的控制实验，再到更加定量的理性分析阶段，发展出了强有力的理论生态学部分。未来，生态学将朝着两个方向发展。一方面，在大数据范式下，将成为更加可预测、更加定量化的“硬科学”，拥有更多公理、定理和精准的研究；另一方面，生态学也将走向大众，成为生态文明建设的重要组成部分，融入人们的日常生活，如城市绿化美化、生态大健康等产业。

对学生的建议

生态学欢迎所有人，尤其是那些想进入该领域进行学术研究的学生。生态学是一个整体论的学科，需要各学科的集成交叉。因此，学生要认真阅读经典，扎实培养理性思维，学习统计学知识、植物学知识，读懂大自然的语言，这样才能在生态学领域走得更远。

生态系统研究是一个充满挑战和机遇的领域，它不仅有助于我们深入理解自然规律，还能为人类社会的可持续发展提供重要的指导和启示。从对生态系统的基本特征研究到复杂的时空模型构建，再到其在社会中的广泛应用和未来发展，生态系统研究正不断拓展着我们的认知边界，引领我们走向更加和谐的人与自然共生之路。