肖 俞，吳學(xué)燦，段禾祥

(云南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究中心，云南 昆明 650034)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，隨著國(guó)家“五位一體”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，生態(tài)文明的思想日益深入人心，人與自然和諧共生日益成為引領(lǐng)社會(huì)和諧發(fā)展的主流思想。為了更好地踐行生態(tài)文明思想，我們迫切需要實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明在生態(tài)管理方式、管理技術(shù)手段、考核機(jī)制等方面的轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新，而生態(tài)監(jiān)測(cè)無疑是這種管理方式和手段創(chuàng)新的需要。

1 生態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)也稱為生態(tài)監(jiān)測(cè)。廣義的生態(tài)監(jiān)測(cè)包括環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物監(jiān)測(cè)。狹義的生態(tài)監(jiān)測(cè)強(qiáng)調(diào)的是自然生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，主要針對(duì)特定區(qū)域范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)系統(tǒng)組合體的類型、結(jié)構(gòu)和功能及其組成要素等進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)定和觀察。在現(xiàn)有工作制度及技術(shù)水平下，目前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作集中于環(huán)境污染、環(huán)境質(zhì)量以及資源動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范都已出臺(tái)并進(jìn)行了適時(shí)的更新。而基于生態(tài)環(huán)境管理下的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范卻還沒有統(tǒng)一的規(guī)范[1-3]。

當(dāng)前，針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)本身的監(jiān)測(cè)主要分為兩類：一類是對(duì)宏觀的、大區(qū)域的生態(tài)破壞問題的監(jiān)測(cè)，如礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)監(jiān)管、自然保護(hù)區(qū)人類活動(dòng)的排查等，它具有反映人類活動(dòng)對(duì)我們所處的生態(tài)環(huán)境的全貌、有機(jī)綜合影響的特點(diǎn)[3]。這一類型的生態(tài)監(jiān)測(cè)主要是利用遙感技術(shù)獲取地被物數(shù)據(jù)，重點(diǎn)考慮從景觀尺度上采用景觀破碎度、優(yōu)勢(shì)度、蔓延度和聚集度等景觀格局指數(shù)反映景觀要素的增減、空間轉(zhuǎn)移、擴(kuò)張及縮減程度等方面。雖然景觀動(dòng)態(tài)特征能夠在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)變化情況，但在表征生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、健康方面科學(xué)性尚顯不足，僅從生態(tài)系統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)本身的變化也很難評(píng)估生態(tài)服務(wù)功能損失的價(jià)值[4-7]。因此這類宏觀的生態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)由于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致功能變化的評(píng)價(jià)參考價(jià)值不大，對(duì)生態(tài)補(bǔ)償措施制定、領(lǐng)導(dǎo)政績(jī)考核以及自然資源負(fù)債表編制等生態(tài)保護(hù)管理措施的指導(dǎo)作用不大。

另外一類是針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)自身功能與過程的監(jiān)測(cè)，主要是根據(jù)不同的生態(tài)系統(tǒng)類型提出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，如我國(guó)已發(fā)布應(yīng)用的森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法、重要濕地監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，以及以主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為目標(biāo)的生態(tài)監(jiān)測(cè)。這類指標(biāo)涉及到水文、氣象、動(dòng)物、植物等多個(gè)方面。這些指標(biāo)基本上都是在環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，增加了某些生物相關(guān)的內(nèi)容，雖然監(jiān)測(cè)指標(biāo)覆蓋范圍廣，但是指標(biāo)分類機(jī)械，難以在統(tǒng)一的理論框架內(nèi)應(yīng)用這些信息綜合反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)與變化[8-10]。

2 生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估指標(biāo)體系建立

以景觀格局指數(shù)為主的宏觀生態(tài)監(jiān)測(cè)在反映土地利用類型轉(zhuǎn)變、擴(kuò)張及縮減方面較為靈敏，具有一定的管理指導(dǎo)意義，但難以反映生態(tài)系統(tǒng)自身的服務(wù)功能過程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)本身變化的解釋力不強(qiáng)。以生態(tài)系統(tǒng)類型和功能監(jiān)測(cè)為主的專業(yè)生態(tài)監(jiān)測(cè)較為科學(xué)，但其太過于專業(yè)無法綜合反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量，與經(jīng)濟(jì)監(jiān)測(cè)評(píng)估相對(duì)分離，難以在國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)考核中運(yùn)用，不適應(yīng)生態(tài)文明建設(shè)的行政決策需要[11]。

本研究以云南省金沙江流域典型生態(tài)區(qū)為研究對(duì)象，探討建立生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系。我們希望建立既能科學(xué)客觀反映生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，便于進(jìn)行評(píng)估考核的狀態(tài)指標(biāo)，又能揭示生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化以及反映變化的驅(qū)動(dòng)因素的壓力、響應(yīng)指標(biāo)來進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)，找出壓力因素，找到解決辦法。既加強(qiáng)對(duì)重要生態(tài)敏感區(qū)的監(jiān)測(cè)研究，及時(shí)提出預(yù)警措施，防止生態(tài)問題變成生態(tài)災(zāi)害，也能支撐對(duì)一個(gè)區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量的考核、資源負(fù)債表的編制、生態(tài)資產(chǎn)離任審計(jì)等現(xiàn)代生態(tài)管理制度的實(shí)施。

2.1 研究區(qū)概況

云南省金沙江流域?yàn)殚L(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，該區(qū)域是云南省重要的政治經(jīng)濟(jì)文化中心，同時(shí)也是重要的生物基因?qū)殠?、生態(tài)安全屏障和關(guān)系全局的生態(tài)功能區(qū)。因其生態(tài)系統(tǒng)類型、主導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能以及主要生態(tài)環(huán)境問題的不同，本研究將該區(qū)域劃分為金沙江上游生物多樣性保育區(qū)、干熱河谷區(qū)、滇中少雨區(qū)、礦山開采區(qū)和金沙江中下游水電開發(fā)區(qū)五個(gè)典型生態(tài)區(qū)。金沙江流域(云南段)涉及的主要生物多樣性維護(hù)生態(tài)功能區(qū)主要分布于云南省西北部香格里拉和麗江兩州(市)，以自然保護(hù)區(qū)為主體。干熱河谷區(qū)大致包括大理白族自治州賓川縣、楚雄彝族自治州元謀縣和昭通市水富縣等。滇中少雨區(qū)是云南省重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)中心，該地區(qū)人為干擾強(qiáng)度高，降雨量相對(duì)較少，是生態(tài)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展矛盾相對(duì)突出的區(qū)域。礦山開采區(qū)零星分布于整個(gè)金沙江流域，大規(guī)模的采礦活動(dòng)嚴(yán)重破壞了礦區(qū)原有的自然生態(tài)系統(tǒng)，使生態(tài)系統(tǒng)功能減弱甚至喪失。水電開發(fā)區(qū)主要位于金沙江的中下游，大壩和發(fā)電廠房等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及大壩的回水效應(yīng)等均會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞。各生態(tài)區(qū)的主要生態(tài)環(huán)境問題都可劃分為自然災(zāi)害和人類活動(dòng)干擾兩大類，具體見表1所示[12-13]。

表1 金沙江流域典型生態(tài)區(qū)主要生態(tài)問題一覽表

2.2 生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系建立

鑒于生態(tài)系統(tǒng)變化與人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在復(fù)雜的邏輯關(guān)系，本研究以壓力(Pressure)—狀態(tài)(State)—響應(yīng)(Response)模型(PSR)來構(gòu)建金沙江典型生態(tài)區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估指標(biāo)體系。PSR模型強(qiáng)調(diào)了壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三者之間的相互關(guān)系，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，能精確地反映生態(tài)系統(tǒng)狀況的自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素之間的關(guān)系，為生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)構(gòu)建提供一種邏輯基礎(chǔ)。以問題為導(dǎo)向?qū)⒈O(jiān)測(cè)區(qū)域的主要生態(tài)問題及其驅(qū)動(dòng)因素作為壓力指標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，防止生態(tài)問題變成生態(tài)災(zāi)害。遴選科學(xué)表征生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能與完整性的指標(biāo)作為狀態(tài)指標(biāo)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)綜合質(zhì)量進(jìn)行測(cè)度，為生態(tài)補(bǔ)償政策制定和綠色GDP核算提供科學(xué)、客觀的依據(jù)。選取監(jiān)測(cè)區(qū)已開展的或即將開展的各類生態(tài)建設(shè)工程和生態(tài)保護(hù)活動(dòng)為響應(yīng)指標(biāo)來反映生態(tài)保護(hù)工作的效應(yīng)，為地方制定生態(tài)保護(hù)規(guī)劃提供借鑒。監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系建立應(yīng)遵循完整性、科學(xué)性及可行性等原則。

表2 金沙江流域典型生態(tài)區(qū)生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

完整性原則。指標(biāo)體系應(yīng)系統(tǒng)、完整，在現(xiàn)有知識(shí)體系下，盡可能將區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響因素、生態(tài)質(zhì)量的表征指標(biāo)以及現(xiàn)有的及可能的環(huán)境管理對(duì)策進(jìn)行選取，使指標(biāo)體系盡可能系統(tǒng)、綜合地進(jìn)行區(qū)域生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估。

科學(xué)性原則。進(jìn)一步分析監(jiān)測(cè)指標(biāo)的科學(xué)內(nèi)涵，盡可能保證指標(biāo)的科學(xué)性、內(nèi)在邏輯的關(guān)聯(lián)性，如利用增強(qiáng)型植被指數(shù)、葉面積指數(shù)等代替景觀指數(shù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的測(cè)度。

實(shí)用性原則。監(jiān)測(cè)指標(biāo)的建立應(yīng)能切實(shí)提供解決突出生態(tài)問題的生態(tài)環(huán)境管理對(duì)策。提出的壓力因子盡量是可以改善且符合邏輯的。

可行性原則。指標(biāo)體系的確定要因地制宜，同時(shí)要便于操作，并盡量和生態(tài)環(huán)境考核指標(biāo)掛鉤。

可比性原則。監(jiān)測(cè)指標(biāo)應(yīng)具有靈敏性，對(duì)于同一生態(tài)系統(tǒng)的不同時(shí)期的縱向變化和不同區(qū)域同一時(shí)期的橫向間變化能夠表征出可標(biāo)度的變化。

本研究采用頻度統(tǒng)計(jì)法梳理目前的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，遵循完整性、科學(xué)性等原則，遴選適用于研究區(qū)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，以自然災(zāi)害、人類活動(dòng)破壞和社會(huì)經(jīng)濟(jì)壓力為生態(tài)問題的驅(qū)動(dòng)因子，從景觀和生態(tài)系統(tǒng)兩個(gè)層次測(cè)度生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)，以生態(tài)建設(shè)工程和生態(tài)專項(xiàng)治理措施兩個(gè)方面表達(dá)人類響應(yīng)指標(biāo)初步建立指標(biāo)體系[6-9，14-17]。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評(píng)估

為了充分反映監(jiān)測(cè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的壓力、狀態(tài)和響應(yīng)情況，本研究篩選的指標(biāo)較為豐富，在針對(duì)具體區(qū)域運(yùn)用時(shí)不免會(huì)出現(xiàn)指標(biāo)重復(fù)的情況。針對(duì)該問題，在對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行生態(tài)質(zhì)量綜合評(píng)估時(shí)可運(yùn)用主成分分析(PCA)進(jìn)行指標(biāo)體系的進(jìn)一步凝練。對(duì)于同一監(jiān)測(cè)區(qū)域獲取不同時(shí)期的影像數(shù)據(jù)確定指標(biāo)值，利用PCA對(duì)指標(biāo)進(jìn)行降維處理聚合為幾個(gè)綜合指標(biāo)。主成分分析也同時(shí)客觀地給出了不同指標(biāo)的權(quán)重，繼而運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)法就可以客觀地進(jìn)行生態(tài)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)估，為生態(tài)補(bǔ)償制定、新型政績(jī)考核提供科學(xué)的依據(jù)。

3 監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取

目前，光學(xué)遙感為生態(tài)監(jiān)測(cè)的主流渠道，監(jiān)測(cè)指標(biāo)中的生態(tài)指標(biāo)基本都能夠?qū)崿F(xiàn)。特別是高光譜圖像擁有在生態(tài)系統(tǒng)上區(qū)分物種的潛能[18]。但某些指標(biāo)的獲取往往需要配合傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)完成，如NDVI和LAI指數(shù)的測(cè)定要與地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行估算。同時(shí)，在一些指標(biāo)內(nèi)容和精度限制的情況下，傳統(tǒng)遙感也表現(xiàn)出它的局限性。傳統(tǒng)遙感方法僅能從平面角度描述物種生境格局，關(guān)于生境三維結(jié)構(gòu)、質(zhì)量的定量描述，尤其是生物量垂直分布剖面輪廓(vertical biomass profiles)和物種對(duì)于棲息生境要求的三維刻畫、模擬等要求卻難以實(shí)現(xiàn)。

此外，傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)方法也逐漸呈現(xiàn)出局限性，對(duì)大尺度和跨尺度既定監(jiān)測(cè)目標(biāo)格局與動(dòng)態(tài)的把握存在困難：大范圍樣方數(shù)據(jù)的收集需要耗費(fèi)大量人力、物力，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)重復(fù)周期性取樣難度大；在計(jì)算一些指標(biāo)參數(shù)時(shí)，由于無法進(jìn)行重復(fù)性取樣導(dǎo)致結(jié)果包含空間異質(zhì)性信息；傳統(tǒng)方法未能很好地解決尺度推繹問題，樣點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)果上推到景觀水平往往并不完全可靠[19]。

激光雷達(dá)作為一種新興的主動(dòng)遙感技術(shù)，側(cè)視特點(diǎn)所使用的波長(zhǎng)比光學(xué)遙感的要長(zhǎng)，具有一定的穿透性，能獲得更準(zhǔn)確的植被立體信息，在植被生物量估算方面更具優(yōu)勢(shì)。此外，其不同波段對(duì)植被冠幅、土壤、水面等具有不同的后向散射特征，可對(duì)生態(tài)系統(tǒng)群落健康狀況、退化狀況等進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。但是，目前使用成本較高成為制約其發(fā)展的主要因素之一[20-22]。

4 建議

不同區(qū)域因其地形地貌、氣候、水熱條件等自然因素的不同以及人文環(huán)境的不同，主導(dǎo)生態(tài)問題及其驅(qū)動(dòng)因子不盡相同。因此，建立指標(biāo)體系應(yīng)進(jìn)行細(xì)致調(diào)查，進(jìn)一步挖掘區(qū)域主導(dǎo)生態(tài)問題以及驅(qū)動(dòng)因子，以便充分支撐生態(tài)保護(hù)措施的制定。在遴選狀態(tài)指標(biāo)時(shí)應(yīng)盡可能多地選擇不同類型的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，去蕪存精，在這一方面，主成分分析法是值得推薦的方法。

在指標(biāo)獲取方面，雖然目前傳統(tǒng)光學(xué)遙感占主流，但其在三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取方面確實(shí)存在局限性。隨著生態(tài)監(jiān)測(cè)精度要求的提高以及生態(tài)環(huán)境管理精細(xì)化、智能化和創(chuàng)新化，激光雷達(dá)的應(yīng)用必將與日俱增。在地區(qū)開展生態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估工作時(shí)應(yīng)盡可能突破傳統(tǒng)遙感技術(shù)，多借助激光雷達(dá)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的精確性和科學(xué)性，使生態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。