“修復我們的地球”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。

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

　　林水關系再認識

　　森林生態(tài)學界的主流觀點認為：在一定范圍內(nèi)，森林增加會引起徑流減少，而森林減少則造成徑流增加。張明芳等人在論文中說，“林水關系遠非這么簡單！”

　　“森林增加還是減少徑流的爭論由來已久�！睆埫鞣几嬖V《中國科學報》，“這其中有復雜的變量關系，還要考慮不同區(qū)域的特點，不能一概而論�！�

　　張明芳認為，從大的方面說，徑流分年徑流和季節(jié)徑流，從季節(jié)徑流看，森林蓄水會減少雨季徑流，但可能增加枯水期徑流。從年徑流來說，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)域或海岸帶迎風坡云霧帶中的森林，樹葉會截留部分云霧水，這相當于增加了森林生態(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，主要關注點是森林通過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進入大氣并以降水等方式重回地表。

　　“中國林業(yè)科學院研究員劉世榮團隊在川西地區(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移規(guī)律仍不明確。要回答這個問題，需要加強大尺度森林水文過程的觀測和模擬研究�！睆埫鞣颊f，“此外，林水關系研究還有時間尺度的問題。比如，樹木“青壯年”期生長旺盛，耗水量大，其短期影響非常明顯。但人工林進入成熟期，甚至過熟期，有更穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和植被結(jié)構(gòu)后，造林的減水效應逐漸降低�！�

　　“這篇前瞻性論文全面、深入地評述了森林變化的水文影響研究進展與存在爭議的可能原因，提出了未來加強研究的建議�！敝袊�林業(yè)科學院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所研究員王彥輝對《中國科學報》說，“森林水文研究存在不同觀測結(jié)果(徑流增加、減少和不變)和激烈學術爭論，這是因為徑流變化不僅與森林面積、森林質(zhì)量、森林發(fā)育等有關，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，采用對比小流域的經(jīng)典方法來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)研究關注森林面積變化帶來的水文影響，不能詳細刻畫森林質(zhì)量及其動態(tài)變化的影響，更不能解釋和預測氣候、地形、土壤、植被等多因素共同作用下的森林水文功能變化�！�

　　信息技術顯優(yōu)勢

　　受氣候、流域特征、森林經(jīng)營管理等因素的影響，流域徑流對森林變化的響應存在高度時空變異。但至今尚不清楚這些因素在不同時空尺度上作用于林水關系的機制。因此，全面系統(tǒng)地揭示不同時空尺度下森林水文影響動態(tài)與作用機制，統(tǒng)一對林水關系一致性和復雜性的認識，對于森林水文學的發(fā)展和變化環(huán)境下流域森林資源與水資源的適應性管理都十分必要。

　　“進行‘山水林田湖草沙’綜合治理就要求我們?nèi)�面、綜合、系統(tǒng)地研究水文情勢及它對水生態(tài)的影響。”張明芳說，“傳統(tǒng)水文站獲取數(shù)據(jù)的方式有一定的局限性，如果擴展到更大的尺度上，或涉及一些極端環(huán)境條件，遙測的作用就格外明顯。隨著海量數(shù)據(jù)的獲取，森林水文研究勢必依賴機器學習等人工智能技術來快速處理數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)挖掘、分析建模�！�

　　“從更大尺度、更長時間范圍進行觀測和獲取數(shù)據(jù)，離不開一些新的技術手段，包括遙感、大數(shù)據(jù)、人工智能等�！敝袊�科學院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學國家重點實驗室研究員倪文儉對《中國科學報》說，“遙測的優(yōu)勢是覆蓋范圍大，時效性強，能節(jié)省大量的人力。而且我國也發(fā)射了多顆遙感衛(wèi)星，衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)在地學和生態(tài)學研究中起到了不可替代的作用�！�

　　張明芳團隊經(jīng)常在川西高山、亞高山地區(qū)進行野外研究，當?shù)氐匦螐碗s、地質(zhì)條件惡劣。研究人員要面對工作量大且有人身危險的難題，還要面對山中多霧、遙測“看不清”、通信信號弱、數(shù)據(jù)傳輸不通暢等問題。

　　“這就需要針對特定環(huán)境條件，去研發(fā)相應通訊網(wǎng)絡�！睆埫鞣颊f，“在這方面，電子科技大學多學科交叉和通信技術方面的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。”

　　該團隊通過改進和研發(fā)儀器，不但獲得了更精準的遙測數(shù)據(jù)，還解決了極端條件下監(jiān)測信號的傳輸問題，實現(xiàn)了在中亞咸海流域等極寒復雜環(huán)境下的生態(tài)環(huán)境信息實時感知與傳輸。團隊致力于融合傳統(tǒng)定位觀測、同位素示蹤、智能遙測、模型模擬等多種技術手段，基于長期地面觀測和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用機器學習、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制。

　　“研究復雜的系統(tǒng)，需多學科交叉融合，我們有物聯(lián)網(wǎng)、智能信息處理、信息可視化、云計算、人工智能等方面的技術和人才，可為研究解決生態(tài)環(huán)境問題和服務于生態(tài)文明建設提供有效的技術手段。”張明芳說，“如果僅依賴傳統(tǒng)的定位站，進行對比流域?qū)嶒�，時間和人力成本投入會非常大。”

　　“借助衛(wèi)星遙感觀測數(shù)據(jù)，可以從更宏觀的視角去發(fā)現(xiàn)和思考問題�！蹦呶膬�說，“當然，遙感觀測和獲取的數(shù)據(jù)還要和地面站點(包括生態(tài)站、通量觀測，水文站)的觀測結(jié)合�！�

　　非“選擇”是“必要”

　　“隨著治理階段的發(fā)展、治理目標的提高，那種目標單一、部門分割、尺度割裂、模式單調(diào)，很大程度上靠經(jīng)驗或預感決策的生態(tài)修復與管理模式越來越難以為繼，必須進行‘山水林田湖草沙’生命共同體綜合治理，必須進行多目標優(yōu)化、多部門聯(lián)合、多尺度銜接、多模式配套的生態(tài)修復。依靠堅實的基礎理論、先進技術、情景預測進行優(yōu)化權衡來確定治理方案，使之科學上合理、技術上先進、經(jīng)濟上高效。”王彥輝說，“這就越來越離不開先進技術的支持，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�！�

　　王彥輝認為，生態(tài)修復要通過加強機理化、數(shù)字化、智能化而推進“山水林田湖草沙”的整體保護、系統(tǒng)修復和綜合治理，充分利用信息技術來掌握和再現(xiàn)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及預測生態(tài)修復效果，統(tǒng)籌謀劃總體布局，分區(qū)分類制定修復策略，無縫銜接各種相關規(guī)劃，需要收集、整合、利用各種相關數(shù)據(jù)，形成國土空間生態(tài)修復的“一張圖”，用于摸清本底、辨識問題、科學規(guī)劃、精準評價、準確預測、科學管理。

　　為提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，優(yōu)化各種生態(tài)服務功能的整體價值，需要依托遙感和深度學習等信息技術，對生態(tài)修復的規(guī)劃布局、工程規(guī)模、動態(tài)數(shù)據(jù)、實施效果等進行實時監(jiān)測、精細監(jiān)管、及時預警、動態(tài)管理的“一本賬”。

　　“當前，研究者應用較多的還是3S技術，藉此獲得大量的數(shù)據(jù)和進行海量數(shù)據(jù)的管理�！蓖鯊┹x說，“為整合大量和繁雜的相關數(shù)據(jù)、實現(xiàn)各種專業(yè)和部門任務的交融，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，使之進入規(guī)劃、實施、監(jiān)管等環(huán)節(jié)的‘生態(tài)修復全程信息化管控時代’�！�

　　相關論文信息： https://doi.org/10.1002/eco.1687