国家自然科学基金大气科学学科二级申请代码下设研究方向与关键词解读：D0507 生态气象

王雪梅 冯兆忠 汲玉河 常鸣 申芳霞 余振 要茂盛

1 暨南大学环境与气候研究院, 广州 510632

2 南京信息工程大学应用气象学院, 南京210044

3 中国气象科学研究院生态与农业气象研究所, 北京 100081

4 北京航空航天大学空间与环境学院, 北京 100191

5 北京大学环境科学与工程学院, 北京 100871

1 引言

国家生态保护和高质量可持续发展迫切需要加强地球系统多圈层相互作用的研究，其中大气与生态系统的交叉融合研究日益受到科学界的重视。早在2004 年，国际地圈—生物圈计划（IGBP）就针对大气与生态系统相互作用设立了陆地生态系统—大气过程集成研究计划（iLEAPs）。我国也于2001 年开始建设国家尺度跨生态系统的通量观测网络，并基于该平台开展了从微观的分子层面到宏观的全球尺度的研究，推动了大气与生态系统多过程之间的联系和反馈等机理研究的发展（于贵瑞等, 2014）。近年来，在国家生态文明建设的需求驱动下，我国相关领域研究非常活跃，尤其在生物气溶胶科学与技术、大气组分对生态系统影响、生态系统对大气过程的反馈、生态气象监测与模拟新技术方法等方面得到了长足发展。2019 年，中国气象科学研究院周广胜研究员牵头组织相关科学家在中国生态学学会正式成立生态气象专业委员会。然而，目前这一领域的工作总体上仍比较零碎和分散，亟需整合大气成分、气候变化及大气过程与生态系统相互作用的研究工作，以促进生态环境保护和应对气候变化工作的有机结合（王体健等, 2019;吴建国等, 2020）。

国家自然科学基金委员会（简称“自然科学基金委”）开展了新时代科学基金资助改革，提出了“明确资助导向”“完善评审机制”和“优化学科布局”三大改革任务。其中，申请代码调整是“优化学科布局”任务的重要组成部分和切入点。地球科学部地球科学五处（大气科学学科）（简称“大气学科”）在科学界的支持下，集思广益，调整了大气科学学科申请代码，形成2020 版大气科学学科申请代码和关键词。2021 年对申请代码进行了微调，并进一步完善关键词。其中，D0507 生态气象是此次代码调整中新增的大气学科二级申请代码（刘哲等, 2020）。这一代码的设立，标志着生态气象作为一门交叉学科受到科学家和政府的高度关注和重视。

生态气象是研究生态系统与大气之间相互作用的科学（周广胜和周莉, 2021），是气候系统多圈层相互作用的关键环节，推进了生态学与气象学的交叉融合研究（何建军等, 2020）。本次大气科学学科申请代码调整新增生态气象二级申请代码，有利于生态学与气象学的进一步交叉融合研究。本文对生态气象下设研究方向和关键词的内涵、逻辑关系、具体考量等进行解读，并利用文献计量学方法分析了生态气象关键词的使用情况，期望帮助基金申请人更好的选择申请代码和关键词，提升通讯评审的精准指派。

2 总体框架

生态气象是生态学与大气科学的交叉科学，并融合了生物学、地理学、遥感技术等科学（王让会, 2018; 冯兆忠等, 2021）。生态气象以大气与生态系统相互作用为研究对象，涉及地球系统的五大圈层（大气圈、生物圈、水圈、土壤圈、冰冻圈）及其相互作用，空间尺度从分子、个体、生态系统、景观、区域、大洲到全球。目前，生态气象设立4个研究方向，包括微生物的大气过程、大气变化的生态效应、生态系统对大气的影响和生态气象监测与模拟，生态气象各研究方向之间的关系如图1 所示。微生物的大气过程强调微生物与大气物理化学过程的相互影响，属于新增前沿发展方向；大气变化的生态效应强调大气及其组分变化对生态系统不同时空尺度的影响；生态系统对大气的影响强调生态系统对天气、气候、气候变化过程及大气组分变化的反馈；生态气象监测与模拟强调新技术、新设备、新方法在生态气象研究中的应用。生态气象的研究方向、关键词及其大致归类详见表1。

表1 生态气象的研究方向、关键词及其大致归类Table 1 Research direction, keywords, and general classification of ecometeorology

图1 生态气象各研究方向关系示意图Fig.1 Schematic of the relationship between different research directions of ecometeorology

3 关键词解读与说明

3.1 研究方向1：微生物的大气过程

本研究方向中微生物的范围是广义的，包括无法用肉眼观察到的微生物及生物来源的可在大气中传播的物种或物质，例如细菌、真菌、病毒等微生物以及花粉、遗传物质基因、细胞碎片和挥发性有机物等，关注微生物向大气中释放及其在大气传输、沉降过程中发生的物理、化学和生物过程及其与大气物理化学过程的相互作用，以及由此产生的对人体和生态系统健康的影响。因此，本研究方向关键词从研究对象、科学问题和机理机制解析了大气中的微生物及生物来源的成分与大气物理化学过程的相互作用及其健康效应。

（1）研究对象

大气中含有大量生物成分，对大气环境和人体健康具有重要影响。研究对象包括“病毒”“细菌”“真菌”“花粉”“蛋白质”和“挥发性有机物和抗性基因”等悬浮于大气中的不同类型的微生物或者生物来源的成分，“大气生物组分”“空气微生物”和“生物气溶胶”是常见的三个指代大气中微生物及其他生物来源物质的表达方式，“生物示踪物”是指特异性的由微生物等释放的可以指示微生物来源的化学物质，如阿糖醇、甘露醇和海藻糖等。其中，病毒、细菌、真菌和花粉等成分通过大气传播对人体有直接的暴露风险。例如，病原体暴露会直接造成感染，而过敏性物质会造成身体过敏反应。具体来讲，花粉是导致人体过敏反应的重要的过敏原之一，是春秋季季节性过敏的重要元凶；真菌也

可释放过敏性物质。“抗性基因”是在抗生素广泛使用和环境压力胁迫背景下产生的微生物来源的新型污染物。“蛋白质”等生物成分可作为有效的冰核和云凝结核。“真菌”等微生物会在自身代谢过程中释放挥发性有机物。这些生物成分通过大气传输不但对人体健康有影响，而且也会造成局部地区生态环境的改变。相关研究也涵盖针对这些生物成分的方法学研究如采集、检测等。

（2）科学问题与机理机制

微生物或生物成分在大气中的过程及其对人体健康和生态环境的影响都是亟待回答的重要科学问题。微生物在大气中通过参与成云、自身代谢、转化、传输和沉降等一系列过程，主要从环境和人体健康两个方面产生影响，包括通过大气过程和生态系统影响环境和通过健康或者毒性影响人体。

来源于花粉、细菌及其组成成分的物质，例如蛋白质，可以作为冰凝结核或者云凝结核参与成云过程，对云形成过程和后续效应产生影响。由于这些生物源组分在相对较高的温度（＆gt;-15°C）下可作为高效的冰凝结核直接影响大气成云过程，近年来受到的关注快速上升，据此将“冰核活性”“成核”作为该研究方向的关键词选项。

微生物作为有生命属性的生物体，不仅体内可发生复杂的生物化学代谢反应，同时也可通过其自身代谢过程对大气环境中的其他组分产生潜在影响。其中，微生物硝化和反硝化过程是其影响氮素循环的关键过程。微生物在大气中的“生物化学过程”“硝化”和“反硝化”等过程对微生物自身及大气环境均可产生直接影响。微生物通过“传播”“降尘”和“沙尘暴”等大气过程影响生态环境，包括大气中的生物多样性及其沉降后对各类生态系统中生物多样性的影响。

空气暴露对人体健康的影响，即“空气毒性”，与大气中的化学组分和生物组分都密切相关。广义的微生物通过耦合其他化学的气粒组分，可通过过敏、促炎症等途径影响大气组分引起的健康效应、过敏性疾病和传染性疾病等，其在大气环境中的过程变化可直接影响空气毒性的变化。当前新冠疫情背景下，新冠病毒通过空气传播作为重要的传播途径之一已成为共识。病毒等病原体在大气环境中的活性变化直接影响其传染性和影响程度。从大气科学的角度，研究微生物在大气中的活性变化，对于未来应对通过空气传播的传染性疾病防控有重要的理论价值（Yao, 2022）。

3.2 研究方向2：大气变化的生态效应

本方向主要包含大气变化和生态效应两大类的关键词。其中，大气变化包括大气及其组成与状态的变化，而生态效应则是由于人类活动或自然环境变化导致的生态系统组成、结构和功能的变化。因此，本研究方向的关键词囊括了大气变化与生态系统变化相关的内容。

（1）研究对象

大气变化包括大气组成成分和含量的变化，其中大气组成成分主要涉及“臭氧”“气溶胶”“温室气体”等关键词。由于不论是平流层还是近地表的臭氧都与气候变化紧密联系，因此“气候变化”也是主要研究对象的高频关键词之一。例如，地表的臭氧浓度随着人类活动加剧而升高并形成大气污染，对植被的生长产生影响，因而改变了植被对大气二氧化碳的吸收并间接对气候变化产生影响。相比而言，气溶胶则是通过改变太阳辐射的透过率而对生物圈内部和各组分之间的能量传递产生影响，并进一步影响至气候系统。

从生态系统角度出发，主要研究对象的关键词包含了“海洋生态系统”和“陆地生态系统”，也包括了“生态系统的生态承载力”“生态功能”“生态系统脆弱性”等与其稳定性和服务能力紧密相关的指标。其中，对于陆地生态系统而言，“植被”是最主要的研究对象之一，也是高频关键词之一。而特别要指出的是，“植物生物多样性”和“水分利用效率”这两个关键词指代的是直接受大气变化影响的敏感指标，也是本方向研究的热门主题。

（2）研究机制与过程

在大气变化对生态系统产生的生态效应中，最受广泛关注的关键词是“气候变化”与“气候的生态效应”，主要包括“温室效应”“大气污染”等过程。温室效应主要与二氧化碳、甲烷和氧化亚氮三种温室气体紧密相关，其影响遍布全球各个角落，故对生态系统过程产生的影响也最为直接。此外，大气变化本身也包含大气状态变化所衍生的诸如高温、热浪等事件，这也是“干旱”等“极端天气气候事件”的诱因之一，其形成机制与过程也是当前研究热点。而初级生产力作为量化大气变化生态效应的最普遍使用的指标之一，其变化机制与过程也受到普遍关注。

此外，对于海洋生态系统而言，“海洋酸化”与大气中的二氧化碳含量密切相关，是一个与碳循环紧密联系的热点问题。而对于陆地生态系统而言，当前的研究相对均匀地涵盖了“生物入侵”“干湿沉降”“水土流失”“碳汇”等传统研究中与“生态系统演变”密切相关的生态效应，也有部分研究开始涉及“碳中和”等近期的研究热点。从总体上看，对陆地生态系统研究中，碳氮循环也是贯穿本方向对大气变化机制和过程研究的主轴线。

3.3 研究方向3：生态系统对大气的影响

气象与生态系统是相互依存、相互作用的。生态系统在受到气象条件和大气成分作用的同时，也会对其所处生态环境的大气乃至气候产生不同程度的影响，如生态系统也能改变大气的成分，调节局地气候以及影响全球变化。因此，本研究方向的关键词包含了生态系统各个层面对大气影响相关的内容。

（1）研究对象

生态气象研究生态系统与大气之间的相互关系，是地球系统多圈层相互作用的关键环节。在研究生态系统对大气的影响方面，主要涉及生态系统变化对大气组分、天气气候及气候变化的反馈。因此，从生态系统结构、功能、分布与度量的变化出发，设计了“生态工程”“生态系统调控”“生态系统服务”“生态系统适应性”和“生态系统稳定性”这些关键词，以探索生态系统的生产功能（如生物量、生产力）、生态系统服务及生物多样性与大气条件之间的关系。

同时，从生态系统对大气短期、中长期时间尺度和局地、全球空间尺度不同层面的影响出发，设计了“空气质量”“温室气体”“气候效应”“气候变化”和“微气候”作为生态系统变化对物理气候系统的影响相关的关键词，以表征生态系统对气象条件和大气组分变化的反馈作用；此外，“青藏高原”作为第三极，其对大气环流、气候有着独特的贡献，其中特殊的生态系统对于局地气候存在着调节和适应的关系，也在此列为关键词。

（2）研究机制与过程

为了理解自然和人工生态系统对大气物理、化学过程与生物地球化学循环之间的交互作用，需要对地球系统的生物—物理—化学—社会过程进行深入的描述。其中，生态系统内部的多种过程直接对大气组分变化产生影响，包括“生物固氮”“生物排放”和“植物吸附”等生物过程，这些过程通过影响大气组分的排放、沉降等对空气质量和温室气体等研究对象产生影响，进而间接影响全球气候。同时在气候变化和人为应对的背景下，生态系统的各项内部过程也会随之发生演变，这些反馈与效应均需要开展相应研究。

生态系统通过其自身的结构与功能变化，也改变了其与大气之间的物质和能量的交换、分配，影响地表能量、水分平衡和近地面大气动力等非生物过程，例如植被生长导致的地表反照率、粗糙度的变化引起辐射、风温结构的变化等，因此需要对“地气交换”“碳氮水耦合”等生物地球物理、生物地球化学过程内在机制开展研究。这种对生态系统与大气环境之间能量流动、物质循环的研究，不局限于某个生态系统，也不仅涵盖自然过程，还涉及人为活动，例如土地利用和土地管理所造成的“氨交换”“水文过程”等的变化均值得深入探讨，以明晰人类对生态系统—大气相互作用的贡献，提出人与自然和谐发展的气象与生态系统相互作用关系途径。

3.4 研究方向4：生态气象监测与模拟

生态气象监测与模拟的关键词强调新技术、新设备、新方法的应用，其关键词大致可以分为4 大类，模型模拟技术、遥感观测技术、综合观测技术和特殊观测技术。

（1）模型模拟技术

陆面过程模拟包括发生在陆面上（或海面上）的所有的物理、化学、生物过程，及其与环境组分要素、生态系统、各个圈层（大气圈、生物圈、水圈、冰冻圈、岩石圈）之间的制约关系和反馈机制。

“生态系统模拟”包括对不同空间尺度的生态系统（个体、群落、生态系统、景观、区域、大洲、全球等）的组成、结构、功能的模拟，以及对环境要素（气象、土壤、水、大气成分等）与生态系统相互作用及其反馈过程与机制的模拟。

“参数化”包括改变已有模型中的参数值，通过优化过程求出最佳解，提升模型模拟精度，也包括根据参数数据和逻辑关系生成新模型。

“多源遥感数据融合”是利用各种处理技术解决卫星传感器不能同时获取高空间分辨率和高时间分辨率影像的缺陷，以获得高空间分辨率或高时间分辨率影像数据，包括图像信息增强处理、多时相数据融合、不同空间分辨率数据融合、以及遥感影像与高程等环境信息的融合。

“大数据分析”是指利用本地电脑或云计算、云存储和虚拟化技术，对数量巨大、来源分散、格式多样的数据进行采集、存储和关联分析，或对海量数据进行处理，挖掘生态气象相关的信息，包括云计算、云存储、数据库、虚拟化技术、数据传输技术、WebGIS 技术等。

（2）遥感观测技术

“遥感监测”是利用遥感技术进行监测的技术方法。包括（卫星、航天飞机、载人飞船、天空站）航天遥感、（飞机、飞艇、气球等）航空遥感、（高塔、车、船）地面遥感等获取波谱信息和雷达信息，并可以基于这些信息实现对地球某个圈层及其组成要素的监测。

“生物监测”是利用生态系统（个体、种群或群落）或其代谢物或特异生化效应，对环境或其变化进行测定，以阐明环境健康状况。

（3）综合观测技术

“气候变化”观测技术指针对气候要素及其生态效应观测的新理念、新技术、新方法。

“微气象”观测技术指对近地面大气层中和上层土壤中小范围的气象要素进行监测的新理念、新技术、新方法，监测内容包括环境温度、湿度、风速、风向、气压等气象参数，也包括土壤墒情、水位、水情等环境要素。

“涡度相关”观测技术指基于涡度相关观测原理解决生态气象研究的新理念、新技术、新方法。

“界面通量”观测技术指生态系统与大气之间不同界面之间能量传输与物质交换的新理念、新技术、新方法，包括植物蒸腾与散发、土壤蒸发（向上）、水汽凝结（向下）的观测，以及植物光合作用（向下）、植物和土壤和呼吸作用（向上）观测。

（4）特殊观测技术

“控制实验”是指经过特殊设计的专门实验，人为地控制某些变量，从而突出某些变量的作用，以及对实验所得的大量数据进行整理、分析，从中推出某些发现、结论，同时对实验的假设进行验证。

“同位素示踪”是利用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物是一种特殊物质，因此同位素示踪被归为特殊观测技术。

4 生态气象各方向关键词文献计量分析

在Web of Science 核心合集（SCI-E）数据库中，作者以生态气象各研究方向的关键词（附表A1）对环境科学、气象学和大气科学、生态学三个学科的相关参考文献进行检索。本文将所检索到的所有参考文献题录导出后，分析每个关键词近五年及长期的使用情况（检索时间为2022 年4 月20 日）。

检索结果表明，生态气象中各个关键词对应的文献出现频率有显著差异。例如，近五年相关文献中，最高频的气候变化（Climate change）有8 万余篇文献（2017～2021 年），植被（Vegetation）有4 万余篇，而生物示踪物（Biotracer）、生物传播（Biotransport）等仅有文献数十篇。这种差异一方面与传统生态气象研究重视气候变化和植被研究相关，另一方面也表明与低频关键词相关的研究方法应用或研究内容仍处于起步阶段，未来需要密切关注其发展。另外，根据部分跨领域关键词（如“气候变化”）检索到的文献并不全是生态气象相关的研究，由于文献计量方法暂不能对此进行逐一区分，故可能会导致部分关键词使用频率的高估。未来在大气学科对关键词进行进一步完善时可能需要进行更为细致和针对性的设计。

图2 显示了文献中生态气象各个方向关键词使用情况，图中纵轴采用对数坐标轴，以期降低不同关键词对应文献条目数量级差异造成的干扰。可以看出：（1）微生物的大气过程方向的最高频关键词是生物多样性（Biodiversity）、其次为细菌（Bacteria），且前5 个关键词出现频率远超过其他关键词，表明目前针对微生物的大气过程的研究中研究对象以细菌居多，研究内容中与微生物多样性相关的较多。（2）大气变化的生态效应方向的最高频关键词是气候变化，其次是植被，近五年关键词出现频率没有出现明显的分级现象，各个关键词来自我国的文献比例在近五年呈现较为均匀的增长。（3）生态系统对大气的影响方向的最高频关键词是气候效应（Climate effect）、其次为空气质量（Air quality），其他关键词出现频率没有出现明显的分级现象；Ecosystem stability、Ecosystem regulation 出现的频率在近五年增多（使得其排序上升）；我国在Tibetan Plateau 相关的研究中占据统治地位，同时在Land-air exchange 这个关键词上我国文献占比近五年取得了大幅的增长，表明了我国研究者对陆气交换方向有所加强。（4）生态气象监测与模拟方向的最高频关键词是Climate change（出现频率更为显著，超过其他关键词）；其他关键词出现频率大概可以分两级，一级为

图2 2017～2021 年（第一行）和2002～2021 年（第二行）生态气象关键词文献情况Fig.2 Literature publication related to keywords of ecometeorology: 2017-2021 (top line); 2002-2021 (bottom line)

Phenology、Parameterization、Biomonitoring、Eddy covariance，另一级为Big data analysis、Isotope tracing，在相关文献出现的频率在近五年排序上升，说明大数据处理技术、同位素示踪技术研究近几年取得了快速的发展。我国文献比例在Biomonitoring、Ecosystem modelling、Micrometeorology 没有大幅增长，可能需要关注。

5 研究方向和关键词选择的注意事项与建议

当前，生态气象下设的4 个研究方向并不是完全独立的，各个方向之间也存在交叉。因此，部分关键词可能适用于两个以上方向。例如，“气候变化”关键词既可能是“大气变化的生态效应”方向，也适用于“生态系统对大气的影响”方向。对于交叉学科，在选择关键词的时候应该以研究中最核心的关键词为主，参考本文中对关键词的解读内容，选择最紧密相关的研究方向。对于既无专家填写维护又无项目申报的关键词，例如“生物示踪物”“生物入侵”，建议在跟踪一到两年后根据学科发展进行修改。

微生物的大气过程作为一个新的前沿发展方向，在项目申请中有交叉的二级申请代码包括D0506大气化学、D0514 大气环境与健康气象等，建议积极引入相关交叉领域专家完善专家库。同时，建议申请人员在评估研究内容和方向内容契合度的基础上，优先选择更为精准的研究方向，从而推动我国研究人员在该研究方向的进展和国际国内的影响力。

6 总结与展望

本文对大气学科下设的二级申请代码D0507生态气象研究方向和关键词进行了解读，旨在帮助基金申请人准确选择和匹配申报项目的申请代码和关键词，也有助于申报项目评审专家的准确匹配，进一步促进学科的均衡发展。同时，本文还从生态气象的研究空间范围、研究对象、研究对象之间的内在关系等，对4 个研究方向，即微生物的大气过程、大气变化的生态效应、生态系统对大气的影响、生态气象监测与模拟，进行了细致阐述；并对4 个研究方向关键词的相关文献进行了统计分析。

随着技术进步与学科研究的不断深入，未来生态气象将在研究方法、技术和内容上不断更新和发展。例如，随着数字化、网络化、智能化的快速发展，“智慧气象”等生态气象特色方向的研究也得以拓展（冯兆忠等, 2021）。由于此次新冠疫情的暴发和流行，气溶胶传播新型传染病以及大气环境的影响也受到了前所未有的关注与重视（Dutkiewicz et al., 2020）。与此同时，生态气象监测技术也取得新的进展，诸如涡度相关和痕量气体高频观测等相关的新仪器、新设备也不断投入使用。此外，遥感技术的兴起与发展也为生态气象学科提供了重要研究手段（周广胜, 2006; 冯兆忠等, 2021）。近几十年遥感图像的空间、时间、光谱分辨率得到显著提升，许多生态气象指标已可以实现从立地尺度到区域乃至全球尺度的监测覆盖，极大提升了生态气象研究的便利性。随着海量数据的获取，强化生态气象资料的同化技术研究，建立多数据源的生态气象业务应用数据库系统，搭建数字化共享平台也成为迫切的需求（陈鹏飞等, 2018）。因此，未来应该继续鼓励新兴技术对生态气象（D0507）研究的推动作用，不断吸纳和优化与新技术、新手段、新方法密切相关的关键词，吸引申请人和评审专家参与到学科发展建设中来，促进已有研究方向的深入、新兴方向的拓展、交叉方向的融合。

致谢本文写作过程中，周广胜研究员、周国逸研究员给予悉心指导，并对论文认真修改。作者在此一并表示诚挚的感谢！

附录A

表A1 生态气象研究方向及关键词解读Table A1 Interpretation of keywords in ecometeorology

表A1 （续）

表A1 （续）

表A1 （续）

表A1 （续）