河南省种群生态模拟与控制院士工作站

一、概况

    大别山种群生态模拟与控制重点实验室始建于2005年，2009年3月，与中国林业科学研究院正式签约联合共建，中国林业科学研究院首席科学家、国务院参事唐守正院士任实验室学术委员会主任。2009年7月，被遴选为2010年度河南省高校重点实验室培育基地。2012年10月23日，河南省科技厅正式批准我校设立“河南省种群生态模拟与控制院士工作站”， 中国科学院院士唐守正研究员为工作站指导院士。院士工作站系政府推动，以企事业单位创新需求为导向，以院士及其团队为核心，以省内研发机构为依托，联合进行科学技术研究的高层次科技创新平台，旨在促进科技成果产业化，培养创新人才队伍，为增强企事业单位的自主创新能力提供强有力的支撑。

    河南省种群生态模拟与控制院士工作站联合中国林业科学研究院，围绕河南省农林业、环境和资源的发展战略，紧密结合大别山区独特的地理位置和丰富的生物资源，瞄准学科前沿，在数学各分支学科与农业、林业、生物、环境等学科之间的相互交叉为特色，实现数学、生物学、环境科学研究的有机结合，在种群生态模拟与控制领域形成鲜明特色，培养和造就一支高水平的学术队伍，解决种群生态模拟与控制领域中重要的科学问题。

    在唐院士指导下，双方卓有成效地开展了一系列具有重要意义的研究工作，逐步形成了生态过程数值模拟、病原微生物建模与控制、有害生物生态控制、林业数字图像处理和树木年轮微损测定等特色鲜明的研究方向。

    院士工作站已经建立了完善的制度与管理办法，现有《河南省种群生态模拟与控制院士工作站日常管理办法》、 《河南省种群生态模拟与控制院士工作站学术活动制度》和《河南省种群生态模拟与控制院士工作站学术委员会章程》等。

    先后于2009年、2014年和2018年，我校与中国林业科学研究院三次签署联合共建协议，合作期为2009年1月-2023年12月。

    院士工作站现有研究人员37人，其中正高职称17人、副高职称11人、具有博士学位的30人，在读博士1人。中国林业科学研究院8人：唐守正，鞠洪波，张会儒，雷相东，雷渊才，李海奎，符利勇, 卢军；信阳师范学院29人：宋新宇，柳合龙，袁红雨，卢东升，陶有德，蔡礼明，王娟，郭红建，苏春华，王霞，周学勇，师向云，郭淑利，方彬，汤京永，杨明海，张艳艳，何俊杰，李连兵，董丽，杨金根，黄明湛，尤磊，刘守宗，段光爽，潘虹，姚建峰，郭旭展，洪亮。

二、工作业绩

    双方合作以来，在中国林科院和信阳师范学院领导的大力支持和唐守正院士的精心指导下，围绕河南省农林业、环境和资源的发展战略，结合大别山区独特的地理位置和丰富的生物资源，瞄准学科前沿，开展基础和应用基础研究，取得了较好的成绩。

    2009年唐守正院士应聘我院兼职教授，他多次带领其科研团队成员（包括中国林科院院长刘世荣、资源所所长鞠洪波、雷相东、雷渊才、李海奎和符利勇研究员等）来我院讲学，并开展合作研究。我院领导及团队成员多次赴中国林科院与唐院士等洽谈合作、开展合作研究。

    在以唐守正院士为首的中国林科院专家团队的悉心指导和合作下，我院科研平台实力显著提高，主要体现在以下几方面：

（1）2009年，“大别山种群生态模拟与控制实验室”被遴选为河南省高校重点实验室培育基地；

（2）2010年，“生物数学”研究团队被遴选为河南省高校科技创新团队，后被遴选为河南省创新型科技团队，获经费30万元；

（3）2010年，数学、生物学、系统科学三个学科获硕士学位授权一级学科；

（4）2010年，“种群生态模拟与控制实验室”获中央财政支持地方高校发展专项资金支持，资助金额400万元；

（5）2012年获批河南省种群生态模拟与控制院士工作站；

（6）2012年获批河南省研究生教育创新培养基地，获批经费80万元；

（7）2014年，生物数学科研创新团队获中央财政支持地方高校发展专项资金支持，资助金额350万元；

（8）2016年河南省种群生态模拟与控制院士工作站被评为优秀院士工作站，获经费30万元；

（9）2017年8月，中国绿色时报头版报道我校与中国林科院共建实验室成果丰硕；

（10) 数学被评为第八批(2012年)、第九批(2017年)河南省一级重点学科；

（11）2018年数学学科遴选为校优势学科（2019-2021），每年资助100万元；

（12）2020年微分方程及其应用研究团队被评为河南省高校科技创新团队，获经费30万元；

（13）2023年河南省种群生态模拟与控制院士工作站再次被评为优秀院士工作站。

    合作14年来，在中国林科院专家的指导与支持下，团队成员新获批国家自然科学基金项目35项，其中面上项目21项；省级项目20余项，其中省级重大项目6项。获第八届梁希林业科学技术一等奖，中国林科院重大科技成果奖，第十四届中国林业青年科技奖，共有7项专利发明公布， 宋新宇教授连续6年入选爱思唯尔中国高被引学者榜单。工作站成员在《Briefings in Bioinformatics》、《Forest Ecology and Management》、《Forest Science》、《Annuals of Forest Science》、《Trees》、《Journal of Theoretical Biology》、《Mathematical Biosciences 》、《Bulletin of Mathematical Biology》、《Journal of Mathematical Biology 》、《SIAM Journal of Applied Mathematics》、《Journal of Biological Dynamics》等国际著名期刊发表论文200余篇，所发表论文WOS引用次数达到3500多次(WOS引用次数来源于SCIE收录信息中“Times Cited in Web of Science Core Collection”)。

    在中国林科院和信阳师范学院的大力支持下，河南省种群生态模拟与控制院士工作站自2009年共建以来，团队成员参加国际国内学术会议130余人次，邀请国内外专家讲学、访问60人次，承办国际国内学术会议5次。为了加强共建实验室人才队伍建设，提高实验室的整体科研水平，中国林科院于2012年聘请宋新宇教授为中国林科院兼职研究员和博导（迄今为止中国林科院仅有两位）。并自重点实验室共建以来，中国林科院为信阳师院培养了一批优秀的青年骨干教师，解决了林业统计模型和计算机研究方向科研队伍不足。例如，已培养青年教师6名，并分别获得博士学位，其中实验室骨干黄明湛博士期间共发表SCI论文6篇，并获批国家自然科学基金青年项目1项，尤磊获中国林科院优秀博士论文奖。一位教师我校以A类博士人才引进，两位教师我校以B类博士人才计划引进。 另外还有1名青年骨干教师洪亮正在攻读博士研究生。

三、工作条件、内容及建设计划

    河南省种群生态模拟与控制院士工作站具有较好的科研实验条件和工作基础，其中实验室面积1200平方米，科研仪器设备总值1100万元。

1. 合作内容

(1) 开展大别山区林业可持续发展研究、用材林生长规律和森林资源管理信息系统研究，为森林资源的合理利用提供理论依据；

(2) 开展淮河流域生态环境资源研究，为淮河流域的生态环境建设提供基础服务。

2. 合作形式

(1) 中国林科院具体指导重点实验室的建设工作；

(2) 聘任中国林科院专家为重点实验室客座研究人员并签署聘任合同；

(3) 重点实验室研究人员到中国林科院访问或攻读博士学位；

(4) 为信阳师范学院培养一批青年骨干教师；

(5) 重点实验室为中国林科院科技人员提供工作条件和其他生活方面便利。

3. 为院士及其团队工作提供的保障条件

(1) 自2009年起，学院每年投入经费50-100万元，用于重点实验室人才队伍建设、设备设施以及实验室开放课题等，促进实验室和工作站的快速发展；

(2) 各类平台纵向经费1200余万元；

(3) 团队成员申请各类科研项目约1000余万元。

(4) 为确保院士工作站科研工作的顺利开展，在科研基地方面，信阳师范学院与鸡公山国家级自然保护区签订了面积为100公顷的科研教育及示范基地。除此之外，为进站科研人员提供良好的生活条件、办公场所与实验环境，并在软件环境上，制定并实施院士工作站相关的规章管理制度，确保科研工作的有序展开。

4. 预期目标及市场前景

    加强校院合作，促进大别山区和淮河流域森林生态与林业可持续发展，为河南经济和社会发展服务。

    通过双方合作，共同努力，把“大别山种群生态模拟与控制重点实验室”建成河南省重点实验室或国家林业局重点实验室。在相关研究领域获得有原创性和显示度的标志性成果，成为国内有影响的种群生态模拟与控制研究中心和人才培养基地。

    双方将进一步加强对重点实验室和院士工作站的建设和管理，促进实验室的快速发展，更好地发挥院士及其创新团队的作用，为我校培养一批优秀的青年教师。并通过双方合作，积极培育并力争获批国家级科技奖励和国家自然科学基金重点项目。

5. 双方研究团队重点合作项目

项目1：河南省省院科技合作项目：河南省主要人工用材林木材造材技术和优化方法研究，2013.1-2014.12，资助经费30万元。项目主持人：宋新宇，主要完成人：符利勇，尤磊，唐守正等。

    该项目以河南省主要人工用材林树种泡桐和杨树为对象，在掌握国内外研究现状的基础上，结合河南省人工用材林木材资源、价格体系及市场需求情况，研究实验树种的单株原条干型曲线的简单测定技术、树干节子分布及结构确定技术、制材和造材的优化算法以及造材效果的三维可视化技术等；通过大量实例对研究成果进行实用性和可行性验证及改进；研究和开发了主要人工用材林的三维可视化造材优化决策系统软件，并编写软件详细使用说明书，在此基础上，集成一套理论与应用软件相结合的主要人工用材林木材制材和造材体系。本项目研究人工用材林木材的合理造材方法和技术对全面提高人工用材林的经济效益、社会效益和环境效益等具有重要的实际意义。

项目2：国家自然科学基金面上项目：三维树干曲面的模拟与构建，2015.1-2018.12，资助经费95万元。项目主持人：宋新宇，主要完成人：符利勇，尤磊，段光爽，唐守正等。

    该项目围绕如何准确描述与度量树干的三维几何模型这一林业科研与生产中的基础性科学问题展开研究。针对树干中心轴是直线、树干横断面是圆这一传统树干模型无法准确描述树干几何形状的问题，项目组提出树干三维干轴曲线作为树干中心曲线的基础理论及其构建算法，这可为准确估算树干横断面的位置、树干弯曲与扭曲程度、树高与树长等提供技术支撑；提出树干横断面轮廓曲线的基础理论及其构建算法，这可为准确描述树干横断面的形状以及准确计算树干横断面断面积提供技术支撑。

    上述树干几何理论及树干参数提取方法为精确提取单木参数、林分参数以及区域尺度下计算森林蓄积量、碳储量与生物量提供技术保障，这不仅能进一步提升国家森林资源清查的准确度，也为国家实施“森林质量精准提升”工程提供精确测量的基础性技术，满足国家战略发展的发展需要。同时，树干几何理论可为原条量材优化提供准确翔实的树干基础数据，可进一步促进原条量材自动化的设计与实现，从而提高林业企业的经济效益，具有较好的应用前景。

项目3：河南省对外开放合作项目：河南省天然林立地质量评价和生产力估计研究，2017.1-2018.12，资助经费30万元。项目主持人：宋新宇，主要完成人：符利勇，段光爽，尤磊，唐守正，潘虹等。

    该项目提出了断面积和蓄积生产潜力，把生产潜力分为特定年龄生产潜力和基准年龄生产潜力。特定年龄生产潜力是指对于固定的立地类型和林分类型，在某个特定的（优势高）林分年龄，所能达到的最大断面积（或蓄积）年生长量。基准年龄生产潜力是指在基准年龄所能达到的最大断面积（或蓄积）生长量。生产潜力的重要作用是直接定量评价固定的立地类型和林分类型在某个特定的林分年龄时现实生产力和潜在生产力的差异程度，即林分的可提质增效空间。

    迄今为止，关于天然林立地质量评价的方法非常多，并且也提出相应的评价指标，但是没有一种统一的可靠评价方法。本项目从立地质量的真正含义出发，结合数学理论提出了断面积或蓄积潜在生产力指标，并推导了其详细的计算方法，具有可靠的理论保障。总结国内外常见的天然林立地质量评价方法和指标并用大量实例验证得到本项目提出的断面积或蓄积潜在生产力指标能很好的反映天然林立地质量情况，并且指标本身也具有很好的生物学意义，因此具有很大的应用潜力。总之，与其他方法和指标相比，本项目提出的天然林立地质量评价指标，不管从理论层面还是应用层面，都有明显的优势。

项目4：国家自然科学基金面上项目：基于点云图像与树木几何特征的林分蓄积量精准计算，2019.1-2022.12，资助经费59万元。项目主持人：尤磊，主要完成人：李海奎，唐守正等。

    传统林分蓄积量计算以“树干横断面是圆”为基础理论，并未考虑每株树木的几何形状。树木真实几何形状的差异导致以此理论计算的林分蓄积量必然与其真值存在着偏差。为精确计算林分蓄积量，本项目充分挖掘地面三维激光扫描仪获取点云图像中蕴含的树木几何特征，力求构建一套基于树木几何特征的林分蓄积量计算方法。其主要研究内容涵括3个方面：(1) 构建在林分点云中分割树木生长空间与提取树木点云的方法；(2) 基于树木与树干几何特征构建从树木点云中提取树干点云的方法、构建树干点云密度的修复与树干点云空洞的填充方法；(3) 基于树干表面几何特征构建林分蓄积量的计算方法，包括基于截面轮廓曲线、基于树干表面曲面模型与基于树干实体几何模型的计算方法。本项目将提供一套与树木几何特征相匹配的活立木材积与林分蓄积量的精确测定方法，丰富测树学理论与技术的发展，促进激光测量技术在森林调查中的应用，为森林经营与森林质量精准提升提供科学数据。

项目5：十四五国家重点研发计划项目子课题：典型森林生态系统增汇潜力估算，2021.12-2026.11，资助经费330万元。主持人：符利勇，主要完成人：谭炳香、马志波、庞丽峰、王世强、洪亮等。

    本项目开展了以碳汇增益为目标的森林不同发育阶段的林分空间结构优化经营，并提出我国造林适宜地潜在面积以及用于固碳增汇的适宜树种分布，显著提高了森林总碳储量，极大增加了森林经营性碳汇，林业碳汇效应凸显，市场空间广阔。本项目研发的基于气候变化下森林固碳增汇的经营技术模式，将解决中国森林碳汇交易市场可能的潜力和存在的问题，进而将促进中国森林碳汇交易市场的形成和发展，加快中国造林再造林以及森林保护和管理方式的创新，对我国森林质量精准提升，实现碳达峰、碳中和、乡村振兴、改善民生福祉和促进区域经济社会协调发展具有重要意义。

项目6：十三五国家重点研发计划项目子课题：新增林地区域的确定及其碳汇潜力评估，2017.01-2020.12，资助经费60万元。主持人：符利勇，主要完成人：刘德晶、段光爽、刘清旺等。

    研究重点：本研究“新增林地区域的确定及其碳汇潜力评估”重点解决：（1）影响森林碳汇的主要立地因子研究；（2）不同立地类型不同林分类型的碳汇相容性模型构建；（3）宜林地立地质量和碳汇潜力评价方法确定；（4）新增林地区域的确定。

    经济社会效益分析：本课题的顺利实施有利于加强我国森林固碳增汇能力提升科技创新，培育健康稳定高效的森林生态系统，是维护我国生态安全的重要战略需求，进一步将从技术应用上助推“双碳”达标，将极大地促进我国林业应对气候变化的经营管理水平，对我国森林质量精准提升，实现碳达峰、碳中和、乡村振兴、改善民生福祉、促进区域经济社会协调发展具有重要意义。此外，本课题已提出一套森林固碳潜力评估方法，并对我国固碳潜力进行了综合分析，并利用了多个不同地域数据并对该方法进行了测试和验证，测试结果达到理想精度、并且符合林分实际生长规律，因此研究成果在后续的森林资源监测和森林生物量或碳汇潜力预估中具有很大的应用前景，除此之外，本项目理论—程序实现—实际应用一体化，因此为未来推广提供了好的基础平台。同时本项目所有知识产权归国家所有，成果公开使用。研究成果以技术规程、学术论文、专著、研究报告等形式向社会提供共享。

项目7：林业公益性行业科研专项经费项目：我国主要林区林地立地质量和生产力评价研究，2015.01-2018.12，资助经费204万元。主持人：雷相东，主要完成人：唐守正、符利勇、李海奎、段光爽等。

    研究重点：本研究提出一种基于林分潜在生长量的新的立地质量和适地适树评价方法学，该方法学首次严格定义了潜在立地生产力的概念，推导出潜在生产力的模型和计算方法。包括以下4项关键技术：（1）基于树种组成和生长过程的林分生长过程组的划分方法；（2）基于立地因子和树高生长的立地等级划分方法；（3）林分潜在生产力估计方法；（4）基于树种（林分类型）分布和潜在生产力的定量适地适树评价方法。该方法在吉林省、河北省、浙江省和广东省得到了初步应用。基于多期一类清查固定样地，建立了主要林分生长过程组的立地质量评价数表。以吉林省和汪清林业局为例，实现了落实到地块的任意林地的立地质量和适地适树评价。

    经济社会效益分析：当前在我国日益重视森林经营、精准提升森林质量的背景下，回答我国林地的生产潜力尤为重要和迫切。无论对于人工林和天然林，只有明确了其潜在生产力，才能针对性的制定经营和修复措施。为解决立地潜在生产力的预估问题，本研究系统提出了一套立地质量评价的新的方法学。该方法学首次严格定义了潜在立地生产力的概念，推导出潜在生产力和现实生产力的差异和计算方法，提出了立地元素-林分类型元素-生长过程组-现实生产力和潜在生产力模型和数表-落实到地块的立地质量制图的技术流程。该方法适用于纯林和混交林，初步回答了某一立地“种什么（树种）？有多少（生产力）？如何实现（最优密度）？”等森林经营中的关键问题。为森林质量精准提升提供了可靠的依据。