以农田、森林、高原生态系统以及区域和国家尺度的重大生态问题为对象，综合研究生态系统与环境变化关系及调控管理的理论和技术，致力于典型生态系统、区域和国家尺度生态系统动态过程和空间格局变化的网络观测与模拟理论和分析关键技术创新，发展和完善基于生态系统网络的观测、实验、研究体系，推动生态信息获取、管理和整合分析的理论创新和技术进步。
面向生态学学科前沿，重点开展生态系统结构功能、动态演化与空间格局的变化规律研究，探索生态系统与环境变化的相互作用关系及其过程机制，揭示生态系统结构与功能、格局与过程时空变异的生物地理学机制，促进生态系统生态学、全球变化生态学和生物地理生态学知识创新。
面向国家需求，开展华北平原农业区、南方红壤丘陵林业区、青藏高原农牧区的生态系统管理技术与模式的集成与创新研究，解决国家生态文明建设和应对全球气候变化中的重大生态学问题，推动区域可持续发展生态学领域的科技进步。
实验室的发展目标是，逐步建设一个以生态系统生态学研究为核心，国际知名、具有持续创新能力的研究机构，成为我国生态系统与环境变化关系及调控管理的科学研究中心、国家生态环境变化观测与模拟分析平台、国家生态系统观测研究网络科学数据资源中心，以及生态学研究领域的国际合作和学术交流中心。
“生态系统网络观测与模拟实验室”以其独特的地位，在中国生态系统研究网络、国家生态环境野外科学观测研究网络、科学院生态环境学科领域的野外试验基地中发挥着重要作用，同时成为国际的全球陆地观测系统(GTOS)、国际长期生态研究网络(ILTER)、全球气候观测系统(GCOS)和国际通量观测研究网络(FLUXNET)的主要成员，推动着全球变化生态学和长期生态学的发展和国际合作。实验室通过长期生态学与通量观测研究，对陆地生态系统水碳循环过程、生态学模型、生态系统的格局与过程、生态系统评价与管理、以及全球变化对生态系统的影响开展了系统性的研究工作，实验室取得了在国内外的生态学、全球变化与水碳耦合循环研究领域中的学术优势地位，主要表现在一下几个方面：
(1)实验室拥有3名院士领衔的老中青结合的优秀科研团队
实验室的研究团队是由原中科院副院长、CERN发起人与直接领导者、CERN科学指导委员会主任、著名的资源与生态学家孙鸿烈院士，中国生态学学会理事长、著名的生态学家李文华院士，著名的资源与生态信息学家孙九林院士，以及国际长期生态研究网络(ILTER)执行委员会委员、东亚及太平洋区域网络主席赵士洞研究员等老一辈科学家担任学术指导，以科学院“***计划”入选者和“国家***基金”获得者4人和地理所知识创新基地研究员10人为科研骨干所领导的各创新小组构成。同时试验室是一个全面开放的研究机构，吸纳了CERN的各分中心和相关试验站的研究力量，以直接承担实验室开放项目或参与实验室主持的研究项目的方式开展合作研究工作。该研究团队在国内外具有广泛的学术影响，1999年以来，承担着国家973计划、科学院重大项目、国家攻关、国家基金委重点和国家***基金等119项，成为国内生态系统生态学与全球变化生态学研究的一支重要力量。
(2)实验室拥有国际先进的野外观测设备和试验研究平台
在知识创新工程的支持下，中国科学院生态系统网络观测与模拟院重点实验室得到了壮大和发展，使实验室对生态系统变化的观测和研究水平得到全面提升。中国科学院总投资约1.6亿元的野外实验研究设备更新和基础设施建设计划的实施，使中国生态系统研究网络(CERN)的主要野外观测设备的配置接近了发达国家20世纪末的水平，具备了系统观测中国主要生态系统变化的基本能力，成为中国科学院生态系统网络观测与模拟院重点实验室的野外综合观测与试验研究的依托平台。特别是在CERN基础上所构建的中国陆地生态通量观测研究网络(ChinaFLUX)，使实验室在植被-大气间CO2、H2O和能量通量、生态系统的水循环和碳循环、生态系统对全球变化的响应与适应性的观测和实验研究设备装配达到了国际先进水平，成为中国生态系统变化及其对全球变化响应与适应性研究的科技创新平台。实验室直接依托的地理科学与资源研究所三个野外台站(禹城、千烟洲和拉萨试验站)已经开展了生态系统碳循环与碳收支、生态系统的水循环与水平衡，土壤肥力演化与N、P、K等养分平衡等领域的科研工作、取得了一系列突破性的研究进展。
(3)实验室拥有中国生态系统动态观测和区域尺度的数据资源
实验室在CERN的领导下，依托综合中心和各分中心，全面主持修订了生态系统变化的观测规范，组织了CERN动态监测与数据集成工作，已经开发和完善了CERN动态观测数据库、CERN试验台站的空间图形数据库，全国1Km气象/气候信息空间数据库和ChinaFLUX动态数据库，以及其他生态系统研究专题数据库和社会经济数据库，建立了CERN综合信息和ChinaFLUX的中英文网站，制定了严格的数据观测、数据管理和数据发布的规范与相关政策和条例。实验室首次获得了中国5个草地、4个森林和1个农田生态系统近2年完整连续的植被-大气间CO2、H2O和能量交换通量以及与此配套的群落微气象、生态系统碳循环关键过程的观测数据;首次构建了国家尺度生态系统碳/水循环的动态信息系统。实验室负责主持的ChinaFLUX的建设和运行，不仅推动了中国生态系统通量观测研究事业的发展，也成为了IPCC国家信息通报的重要内容之一和国际交流与合作的重要基地。
(4)实验室在陆地碳循环过程及其模型研究领域处于国内领先地位
在中国陆地生态系统碳收支的研究方面，实验室研究人员全面地开展了生态系统光合作用碳固定与呼吸作用碳排放，以及水分利用效率的环境控制机制的研究，提出了一系列新的认识，还对中国土壤和植被碳储量和空间格局动态特征进行了系统性的评价，国内首次构建了生态系统碳循环过程模型体系，自主开发了AVIM2、CEVSA、光合作用-蒸腾作用-气孔导度耦合模型、土壤-植物-大气系统水热传输模型以及生态系统生产力模型，引进了TEM、SiB2、FOREST-BGC等国际著名模型，国内率先开展了中国陆地生态系统碳循环动力学模型的比对研究，模拟评价了中国陆地碳源/汇时空格局特征。这些研究结果为我国制定温室气体的控制方案、确定生态系统增汇战略和碳增汇减排措施、以及参与环境外交谈判和国际合作提供了重要的科学依据。
(5)实验室在生态系统生产力形成机制研究方面取得重大进展
实验室主持的生态系统生产力形成机制的研究工作，全面揭示了主要农作物的产量与水分耗散间的定量关系、黄土高原和黄淮海平原的农田土壤水分特征、主要农田生态系统类型养分循环与平衡、典型农田生态系统中养分的淋溶损失机制，评价了氮、磷、钾淋失对水体环境质量的潜在威胁;揭示了中国森林生态系统碳、氮库的空间特征及对气候变化的响应;揭示了高寒草甸和温带典型草原生产力形成机制以及不同干扰强度对草地生产力和碳平衡的影响。同时基于植物气孔行为在控制光合作用与蒸腾作用的机制，系统性地开发了从叶片到群落尺度的生态系统光合作用与蒸腾蒸发耦合模型，并探讨了在区域尺度的水循环和碳循环模型的尺度扩展理论和技术。
(6)实验室在北方地区农业生态系统水分运行区域分异规律研究方面取得重大进展
利用我国北方地区不同气候区10个野外观测台站的长期观测资料，得出了主要作物需水、耗水和水分利用效率的区域分异规律;在改进和修正光合—蒸腾—气孔导度耦合模型的基础上，构建了农田生态系统中水热传输与作物生长的耦合模型(农田生态系统综合模型，CropS)，为开展农业资源优化管理、农田物质(水、碳、氮)循环以及气候变化对农业生态系统的影响研究构筑了基础平台;通过大量多点田间试验，阐明了水分养分优化耦合的作物直接、间接补偿机理，得出了黄土高原地区水肥双因素耦合作用与作物产量形成关系的统计学模型，提出了旱地土壤氮、磷养分供应指标，经过综合技术集成，得到小麦和玉米水分最高利用效率分别为22 kg/ha·mm、24.4 kg/ha·mm，证实了研究区典型作物水分利用效率存在着一定潜力;提出了以多时相遥感数据为主的二层遥感模型，从而能够反演出华北地区土壤水分利用率的区域分布;用全遥感信息推算裸地和稀疏植被地区水、热通量的新思路，反演了我国西北裸地和稀疏植被地区的蒸发量;建立了计算植被CO2通量的遥感模型，做出了我国华北地区白天植被CO2通量的区域分异图;在尺度转换的方法研究和试验基础上，实现了我国北方地区关键遥感参数由田间尺度到区域尺度的转换;提出了下伏土壤干层的生物成因观点，从农业水分平衡的角度，进一步对华北平原水资源供需状况及缺水指标进行了诊断分析，提出了缓解水资源供需矛盾的对策;分析了我国北方地区40年来潜在蒸发量的变化，获得了我国北方地区40年来湿润指数的时空变化规律，发现90年代以后，我国北方地区潜在蒸发明显减小，东经100度以东的半湿润黄淮海区和半干旱黄土高原区湿润指数变小，东经100度以西的西北干旱地区湿润指数变大等现象。
(7)实验室成为我国生态系统综合研究的国际交流和人才培养基地
实验室还是我国培养生态科学术带头人和业务骨干，博士和硕士研究生的基地，是开展对外交流和国际合作的重要基地。1999-2003年，从事生态学研究的毕业生，博士后5人，博士37人，硕士15人。实验室所依托的CERN各实验站是全球陆地观测系统(GTOS)、国际长期生态研究网络(ILTER)、全球气候观测系统(GCOS)的主要重要成员，CERN与美国的长期生态研究网络(US-LTER)和英国环境变化观测网络(ECN)并称为世界3大著名的国家研究网络。
CERN综合研究中心组织实施的野外台站建设思想和经验，不仅成为我国野外台站网络建设的思想库和知识库，也对国际生态系统研究网络的发展产生了重大影响，成为ILTER亚洲区域的核心成员和区域中心。同时，实验室积极开展了多方面、多层次的国际学术交流活动，确立了中国科学院生态系统网络观测与模拟院重点实验室在生态系统动态观测、生态系统通量观测、生态系统碳和水循环综合研究领域的优势学术地位，先后与美国、日本、加拿大、澳大利亚等国家的多个大学与研究机构建立了合作关系，开展生态系统生态学与全球变化等领域的合作研究，提高了实验室的学术研究水平。
