“修復(fù)我們的地球”是今年世界地球日的主題。維持我們生存的星球的健康，不是一種“選擇”，而是一種“必要”，這已逐漸成為各界的共識(shí)。

　　隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的深入，修復(fù)和治理的要求也越來(lái)越高，在科研和治理實(shí)踐中，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、遙感等技術(shù)的作用越來(lái)越明顯。不久前，電子科技大學(xué)教授張明芳和加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)流域生態(tài)首席教授、電子科技大學(xué)客座教授魏曉華發(fā)表在《科學(xué)》上的前瞻性評(píng)述論文，也詮釋了信息技術(shù)對(duì)地球修復(fù)來(lái)說(shuō)已不是一種“選擇”，更是一種“必要”。

　　林水關(guān)系再認(rèn)識(shí)

　　森林生態(tài)學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為：在一定范圍內(nèi)，森林增加會(huì)引起徑流減少，而森林減少則造成徑流增加。張明芳等人在論文中說(shuō)，“林水關(guān)系遠(yuǎn)非這么簡(jiǎn)單！”

　　“森林增加還是減少?gòu)搅鞯臓?zhēng)論由來(lái)已久�！睆埫鞣几嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“這其中有復(fù)雜的變量關(guān)系，還要考慮不同區(qū)域的特點(diǎn)，不能一概而論�！�

　　張明芳認(rèn)為，從大的方面說(shuō)，徑流分年徑流和季節(jié)徑流，從季節(jié)徑流看，森林蓄水會(huì)減少雨季徑流，但可能增加枯水期徑流。從年徑流來(lái)說(shuō)，也存在很多森林增加后徑流不減的情況。比如位于高山、亞高山區(qū)域或海岸帶迎風(fēng)坡云霧帶中的森林，樹(shù)葉會(huì)截留部分云霧水，這相當(dāng)于增加了森林生態(tài)系統(tǒng)的降水，從而增加徑流。

　　在目前的森林水文研究中，受研究的空間尺度及手段限制，主要關(guān)注點(diǎn)是森林通過(guò)增加蒸騰作用和截持降水而消耗更多水分，但這些蒸騰或截持的水分最終會(huì)進(jìn)入大氣并以降水等方式重回地表。

　　“中國(guó)林業(yè)科學(xué)院研究員劉世榮團(tuán)隊(duì)在川西地區(qū)的研究表明，亞高山暗針葉林蒸騰的水汽以降水的形式降落在高山草甸，亞高山暗針葉林與高山草甸之間構(gòu)成了一個(gè)完整的局地尺度水循環(huán)。但森林蒸騰的水汽在更大空間尺度上的運(yùn)移規(guī)律仍不明確。要回答這個(gè)問(wèn)題，需要加強(qiáng)大尺度森林水文過(guò)程的觀測(cè)和模擬研究�！睆埫鞣颊f(shuō)，“此外，林水關(guān)系研究還有時(shí)間尺度的問(wèn)題。比如，樹(shù)木“青壯年”期生長(zhǎng)旺盛，耗水量大，其短期影響非常明顯。但人工林進(jìn)入成熟期，甚至過(guò)熟期，有更穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和植被結(jié)構(gòu)后，造林的減水效應(yīng)逐漸降低�！�

　　“這篇前瞻性論文全面、深入地評(píng)述了森林變化的水文影響研究進(jìn)展與存在爭(zhēng)議的可能原因，提出了未來(lái)加強(qiáng)研究的建議�！敝袊�(guó)林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所研究員王彥輝對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“森林水文研究存在不同觀測(cè)結(jié)果(徑流增加、減少和不變)和激烈學(xué)術(shù)爭(zhēng)論，這是因?yàn)閺搅髯兓�不僅與森林面積、森林質(zhì)量、森林發(fā)育等有關(guān)，也深受氣象、地形、土壤、植被等因子影響。由于以前缺乏信息技術(shù)和研究手段，傳統(tǒng)森林水文研究不得不想法排除森林以外的影響因素，采用對(duì)比小流域的經(jīng)典方法來(lái)量化造林或毀林的水文影響，因此其結(jié)論不能上推到大流域，也不能外推到其他類型地區(qū)。此外，傳統(tǒng)研究關(guān)注森林面積變化帶來(lái)的水文影響，不能詳細(xì)刻畫(huà)森林質(zhì)量及其動(dòng)態(tài)變化的影響，更不能解釋和預(yù)測(cè)氣候、地形、土壤、植被等多因素共同作用下的森林水文功能變化�！�

　　信息技術(shù)顯優(yōu)勢(shì)

　　受氣候、流域特征、森林經(jīng)營(yíng)管理等因素的影響，流域徑流對(duì)森林變化的響應(yīng)存在高度時(shí)空變異。但至今尚不清楚這些因素在不同時(shí)空尺度上作用于林水關(guān)系的機(jī)制。因此，全面系統(tǒng)地揭示不同時(shí)空尺度下森林水文影響動(dòng)態(tài)與作用機(jī)制，統(tǒng)一對(duì)林水關(guān)系一致性和復(fù)雜性的認(rèn)識(shí)，對(duì)于森林水文學(xué)的發(fā)展和變化環(huán)境下流域森林資源與水資源的適應(yīng)性管理都十分必要。

　　“進(jìn)行‘山水林田湖草沙’綜合治理就要求我們?nèi)�面、綜合、系統(tǒng)地研究水文情勢(shì)及它對(duì)水生態(tài)的影響�！睆埫鞣颊f(shuō)，“傳統(tǒng)水文站獲取數(shù)據(jù)的方式有一定的局限性，如果擴(kuò)展到更大的尺度上，或涉及一些極端環(huán)境條件，遙測(cè)的作用就格外明顯。隨著海量數(shù)據(jù)的獲取，森林水文研究勢(shì)必依賴機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)來(lái)快速處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析建模。”

　　“從更大尺度、更長(zhǎng)時(shí)間范圍進(jìn)行觀測(cè)和獲取數(shù)據(jù)，離不開(kāi)一些新的技術(shù)手段，包括遙感、大數(shù)據(jù)、人工智能等�！敝袊�(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員倪文儉對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“遙測(cè)的優(yōu)勢(shì)是覆蓋范圍大，時(shí)效性強(qiáng)，能節(jié)省大量的人力。而且我國(guó)也發(fā)射了多顆遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)在地學(xué)和生態(tài)學(xué)研究中起到了不可替代的作用�！�

　　張明芳團(tuán)隊(duì)經(jīng)常在川西高山、亞高山地區(qū)進(jìn)行野外研究，當(dāng)?shù)氐匦螐?fù)雜、地質(zhì)條件惡劣。研究人員要面對(duì)工作量大且有人身危險(xiǎn)的難題，還要面對(duì)山中多霧、遙測(cè)“看不清”、通信信號(hào)弱、數(shù)據(jù)傳輸不通暢等問(wèn)題。

　　“這就需要針對(duì)特定環(huán)境條件，去研發(fā)相應(yīng)通訊網(wǎng)絡(luò)�！睆埫鞣颊f(shuō)，“在這方面，電子科技大學(xué)多學(xué)科交叉和通信技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了�！�

　　該團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)和研發(fā)儀器，不但獲得了更精準(zhǔn)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，還解決了極端條件下監(jiān)測(cè)信號(hào)的傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了在中亞咸海流域等極寒復(fù)雜環(huán)境下的生態(tài)環(huán)境信息實(shí)時(shí)感知與傳輸。團(tuán)隊(duì)致力于融合傳統(tǒng)定位觀測(cè)、同位素示蹤、智能遙測(cè)、模型模擬等多種技術(shù)手段，基于長(zhǎng)期地面觀測(cè)和遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、氣候—生態(tài)—水文耦合模型等方法，深入探究大空間尺度上森林與水的作用與反饋機(jī)制。

　　“研究復(fù)雜的系統(tǒng)，需多學(xué)科交叉融合，我們有物聯(lián)網(wǎng)、智能信息處理、信息可視化、云計(jì)算、人工智能等方面的技術(shù)和人才，可為研究解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)提供有效的技術(shù)手段�！睆埫鞣颊f(shuō)，“如果僅依賴傳統(tǒng)的定位站，進(jìn)行對(duì)比流域?qū)嶒?yàn)，時(shí)間和人力成本投入會(huì)非常大�！�

　　“借助衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以從更宏觀的視角去發(fā)現(xiàn)和思考問(wèn)題�！蹦呶膬�說(shuō)，“當(dāng)然，遙感觀測(cè)和獲取的數(shù)據(jù)還要和地面站點(diǎn)(包括生態(tài)站、通量觀測(cè)，水文站)的觀測(cè)結(jié)合�！�

　　非“選擇”是“必要”

　　“隨著治理階段的發(fā)展、治理目標(biāo)的提高，那種目標(biāo)單一、部門(mén)分割、尺度割裂、模式單調(diào)，很大程度上靠經(jīng)驗(yàn)或預(yù)感決策的生態(tài)修復(fù)與管理模式越來(lái)越難以為繼，必須進(jìn)行‘山水林田湖草沙’生命共同體綜合治理，必須進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化、多部門(mén)聯(lián)合、多尺度銜接、多模式配套的生態(tài)修復(fù)。依靠堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)理論、先進(jìn)技術(shù)、情景預(yù)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化權(quán)衡來(lái)確定治理方案，使之科學(xué)上合理、技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上高效�！蓖鯊┹x說(shuō)，“這就越來(lái)越離不開(kāi)先進(jìn)技術(shù)的支持，包括3S(遙感RS、全球定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS)、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)�！�

　　王彥輝認(rèn)為，生態(tài)修復(fù)要通過(guò)加強(qiáng)機(jī)理化、數(shù)字化、智能化而推進(jìn)“山水林田湖草沙”的整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)和綜合治理，充分利用信息技術(shù)來(lái)掌握和再現(xiàn)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)生態(tài)修復(fù)效果，統(tǒng)籌謀劃總體布局，分區(qū)分類制定修復(fù)策略，無(wú)縫銜接各種相關(guān)規(guī)劃，需要收集、整合、利用各種相關(guān)數(shù)據(jù)，形成國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)的“一張圖”，用于摸清本底、辨識(shí)問(wèn)題、科學(xué)規(guī)劃、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、科學(xué)管理。

　　為提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，優(yōu)化各種生態(tài)服務(wù)功能的整體價(jià)值，需要依托遙感和深度學(xué)習(xí)等信息技術(shù)，對(duì)生態(tài)修復(fù)的規(guī)劃布局、工程規(guī)模、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、實(shí)施效果等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精細(xì)監(jiān)管、及時(shí)預(yù)警、動(dòng)態(tài)管理的“一本賬”。

　　“當(dāng)前，研究者應(yīng)用較多的還是3S技術(shù)，藉此獲得大量的數(shù)據(jù)和進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的管理�！蓖鯊┹x說(shuō)，“為整合大量和繁雜的相關(guān)數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)各種專業(yè)和部門(mén)任務(wù)的交融，必須充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，使之進(jìn)入規(guī)劃、實(shí)施、監(jiān)管等環(huán)節(jié)的‘生態(tài)修復(fù)全程信息化管控時(shí)代’�！�

　　相關(guān)論文信息： https://doi.org/10.1002/eco.1687