白馬雪山國家級自然保護區(qū)“天空地一體化”生態(tài)監(jiān)測技術(shù)體系構(gòu)建初探*

李琴，楊永貴，提布，許琨，趙筱青

(1.云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650034；2.白馬雪山國家級自然保護區(qū)管護局德欽分局,云南 德欽674599；3.中科院昆明植物研究所,云南 昆明 650201；4.云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

云南擁有良好的生態(tài)環(huán)境和自然稟賦，是生物多樣性高度富集的地區(qū)，其植物種類占中國植物種類的一半以上,也是世界相同緯度上生物多樣性最豐富的地區(qū)之一[1]。良好的生態(tài)環(huán)境是云南實現(xiàn)跨越發(fā)展的獨特優(yōu)勢和核心競爭力，為了適應(yīng)“生態(tài)立省、環(huán)境優(yōu)先”的發(fā)展方向，云南省人民政府辦公廳印發(fā)了《云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作方案》(云政辦發(fā)[2017]12號)，要求推進生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，完善生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)等重點保護區(qū)域的生態(tài)環(huán)境狀況監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。為推動云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，初步構(gòu)建“天空地一體化”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)體系，促進云南省長江經(jīng)濟帶水源涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護， 從2019年開始由云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心牽頭，聯(lián)合白馬雪山國家級自然保護區(qū)管護局、中國科學(xué)院昆明植物研究所麗江森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站、云南大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，選取白馬雪山國家級自然保護區(qū)作為西南山地典型高山植被垂直帶生態(tài)監(jiān)測試點，開展以遙感監(jiān)測、低空無人機典型區(qū)域監(jiān)測、生物及環(huán)境要素地面監(jiān)測為手段的生態(tài)監(jiān)測。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測區(qū)域概況及監(jiān)測點位布設(shè)

白馬雪山國家級自然保護區(qū)地處云南省西北部、青藏高原南部、滇西北橫斷山脈“三江并流”縱谷地帶的核心部位，同時也因地處中國西南山地而成為全球36個生物多樣性熱點地區(qū)之一[2]。保護區(qū)海拔相對高差達3 479 m，氣候和植物均形成了明顯的垂直帶譜，涵蓋7個植被型、11個植被亞型和37個群系[3]，分布有我國低緯度高海拔地區(qū)生物多樣性保存比較完整的原始高山針葉林，是世界上高山植物最豐富的區(qū)域之一，也是珍稀瀕危動物滇金絲猴(Rhinopithecusbieti)的主要棲息地。同時，白馬雪山國家級自然保護區(qū)也是長江中上游地區(qū)重要的水源地之一，孕育了金沙江的一級支流珠巴洛河。云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心2019年的遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，珠巴洛河流域總面積約1 835 km2，在保護區(qū)內(nèi)的流域面積就達1 577 km2。

白馬雪山生態(tài)監(jiān)測點位布設(shè)情況如下：生物要素監(jiān)測點位包括植物群落監(jiān)測固定樣地7塊，分別位于流石灘稀疏植被帶(海拔4 726 m)、高山灌叢草甸帶(海拔3 978 m)、寒溫性針葉林帶(海拔3 985 m和3 879 m)、溫性針闊混交帶(海拔3 074 m)、暖性針葉林帶(海拔2 274m)和干熱河谷灌叢帶(海拔2 401 m)，其中寒溫性針葉林帶布設(shè)了急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)和大果紅杉(Larixpotaniniivar.macrocarpa)監(jiān)測樣地各一塊；動物監(jiān)測樣線2條，紅外相機布設(shè)線路2條[4]。環(huán)境要素監(jiān)測點位包括珠巴洛河入金沙江口水質(zhì)監(jiān)測點位1個、空氣自動監(jiān)測點位3個、氣象監(jiān)測點位1個和土壤監(jiān)測點位6個。生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測范圍以白馬雪山國家級自然保護區(qū)為核心區(qū)域，東至金沙江，西至瀾滄江，東北至保護區(qū)北界線，西北至德欽縣城北山脊線，東南至臘普河，西南至保護區(qū)南界線。低空無人機監(jiān)測范圍為7塊固定樣地周邊典型區(qū)域。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容

1.2.1 地面監(jiān)測

(1)生物要素監(jiān)測

植物群落監(jiān)測 植物群落的監(jiān)測對象包括生境、喬木層、灌木層和草本層。生境監(jiān)測指標包括地名、地形地貌、坡向、坡度、坡位、海拔、土壤、地被物、人為干擾情況等。喬木層監(jiān)測指標包括物種、密度、頻度、胸徑、冠幅，物種數(shù)、優(yōu)勢種、基蓋度、平均胸徑、天然更新以及地表凋落物干重和自然含水率。灌木層和草本層監(jiān)測指標包括物種、株/從數(shù)、蓋度、高度，物種數(shù)、優(yōu)勢種、平均高度、群落蓋度。

植物群落監(jiān)測基于在不同海拔梯度和不同植被帶設(shè)定的7塊固定樣地，監(jiān)測方法參考《自然保護區(qū)與國家公園生物多樣性監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(DB 53/T 391-2012)[5]。喬木層樹種每隔5 a監(jiān)測1次，灌木層和草本層每年監(jiān)測1次。

動物監(jiān)測 動物監(jiān)測對象為鳥類和獸類，監(jiān)測方式為樣線監(jiān)測和紅外相機監(jiān)測兩種方式[6]，樣線監(jiān)測方法主要參考《自然保護區(qū)與國家公園生物多樣性監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(DB 53/T 391-2012)的直觀監(jiān)測法和蹤跡監(jiān)測法。獸類監(jiān)測基于保護區(qū)內(nèi)一條長3 000 m、寬20 m和一條長3 500 m、寬10 m的固定樣線，鳥類監(jiān)測基于一條長3 000 m、寬40 m和一條長3 500 m、寬20 m的固定樣線。固定樣線每半年監(jiān)測一次，每次監(jiān)測均設(shè)兩次重復(fù)，間隔時間為7 d。紅外相機監(jiān)測線路有兩條，為曲宗貢生態(tài)定位站至尼思各甲和曲宗貢生態(tài)定位站至崩樹青擁牧場路，15臺紅外相機布設(shè)在了動物獸道、糞場等活動頻繁的場所，安裝在距離地面50～100 cm的樹干上。相機設(shè)定為錄像和拍照混合模式，連續(xù)感應(yīng)時間間隔30 s。

(2)環(huán)境要素監(jiān)測

環(huán)境要素監(jiān)測對象主要為地表水、空氣、土壤，具體監(jiān)測指標和監(jiān)測頻次詳見表1所示。環(huán)境要素監(jiān)測主要使用的大型儀器包括原子吸收分光光度儀、原子熒光分光光度計、離子色譜、電感耦合等離子發(fā)射光譜儀，二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、顆粒物(PM2.5、PM10)和臭氧自動監(jiān)測儀，氣象五參數(shù)自動監(jiān)測儀，負氧離子、臭氧、紫外線自動監(jiān)測儀等。水質(zhì)監(jiān)測頻次是依據(jù)生態(tài)環(huán)境部印發(fā)的2019年國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方案(環(huán)辦監(jiān)測函[2019]112號)執(zhí)行，而土壤監(jiān)測頻次則是參照2017年中國環(huán)境監(jiān)測總站印發(fā)的生態(tài)環(huán)境地面監(jiān)測工作補充方案(總站生字[2019]148號)執(zhí)行。

表1 環(huán)境要素監(jiān)測的內(nèi)容及指標

1.2.2 低空無人機監(jiān)測

無人機在生態(tài)監(jiān)測中的運用能彌補遙感監(jiān)測影像時相性不好、分辨率不高的缺點，并且可以掛載監(jiān)測設(shè)備進入通達性不好的區(qū)域，獲取較地面監(jiān)測更宏觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]。

2020年6月云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心利用無人機在白馬雪山完成了2個監(jiān)測任務(wù)：一是用大疆經(jīng)緯M300 RTK無人機掛載PSDK102S五鏡頭傾斜相機，獲取樣地及周邊典型區(qū)域的高清正射影像和3D影像。突破了傳統(tǒng)航測垂直單一角度獲取圖像的局限，同時從垂直、傾斜多個角度采集樣地空間信息[8]，得到真實反映監(jiān)測樣地外觀、高度、表面積等屬性的三維數(shù)據(jù)。二是借助大疆精靈4RTK多光譜版無人機，利用植物的光譜特征對部分樣地的群落結(jié)構(gòu)和空間分布進行分析[9]。本次無人機監(jiān)測搭載的一體式多光譜成像系統(tǒng)集成了1個可見光傳感器及 5個多光譜傳感器(藍光、綠光、紅光、紅邊和近紅外)，獲取了樣地及周邊典型區(qū)域的RGB影像與NDVI影像，用于監(jiān)測區(qū)域的NDVI指數(shù)分析。

1.2.3 遙感監(jiān)測

生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測選用每年3月下旬和10月下旬兩期Sentinel-2A影像數(shù)據(jù)，反演兩期影像，分析每年高山雪線的變化情況。解譯10月下旬影像，對高山林線、景觀格局及人類干擾度進行分析，其中景觀格局監(jiān)測內(nèi)容為各景觀要素面積、所占比例(%)、斑塊數(shù)量(個)、斑塊密度、平均最近距離(m)，最大景觀要素占比(%)，總邊緣長度(m)、邊緣密度、香濃多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)[10]；采用全年的GPM數(shù)據(jù)和Modis13Q1的NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)對水源涵養(yǎng)進行監(jiān)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物樣方監(jiān)測

7個群落樣方調(diào)查結(jié)果見表2，其中物種豐富度最高的是位于海拔3 074 m的溫性針闊混交林樣方，樣地位于東北向陡坡，土壤為暗棕壤，存在的干擾因素主要是放牧，干擾強度較低。樣地共記錄有喬木12種(圖1)，灌木24種，草本47種，樣方群落總蓋度為90%，且該樣地的自然更新調(diào)查結(jié)果顯示：群落健康、沒有更新障礙。從圖1該樣地喬木優(yōu)勢種瀾滄黃杉(Pseudotsugaforrestii)的空間點格局分析也可以看出，在相對距離小于3 m以內(nèi)呈現(xiàn)聚集分布，隨尺度增加聚集效應(yīng)減弱，在6 m以上呈現(xiàn)隨機分布。說明了樣地成年植株由于競爭導(dǎo)致其逐漸呈現(xiàn)隨機分布，而更新幼株大量分散在母樹周圍，形成了小尺度上的聚集分布。

圖1 溫性針闊混交帶XR05樣地喬木物種空間分布格局及優(yōu)勢種空間點格局

2.2 動物樣線監(jiān)測

兩條獸類樣線2020年共監(jiān)測到3目10科13屬13種，其中國家Ⅰ級保護動物1種(高山麝Moschuschrysogaster)，國家Ⅱ級保護物種5種[(水鹿(Rusaunicolor)、中華鬛羚(Capricornissumatraensis)、黑熊(Ursusthibetanus)、黃喉貂(Martesflavigula)、狼(Canislupus)]。高山麝活動痕跡的遇見率最高，為2.14次/km；獸類實體遇見狼，遇見率為0.08次/km。

兩條鳥類樣線2020年共監(jiān)測到6目17科25屬30種,其中國家I級保護鳥類2種[(金雕(Aquilachrysaetos)、四川雉鶉(Tetraophasisszechenyii)]，國家II級保護鳥類3種[(白馬雞(Crossoptiloncrossoptilon)、血雉(Ithaginiscruentus)、灰背隼(Falcocolumbarius)]。監(jiān)測到的鳥類中柳鶯(Phylloscopussp.) 活動痕跡的遇見率最高，為3.65次/km。

紅外相機監(jiān)測2020年總計收回照片5 592張，視頻2 490個，其中有效照片2 584張，有效視頻1 758個，共計監(jiān)測到15類禽獸活動影像，其中包括國家Ⅰ級保護動物4種：林麝(Moschusberezovskii)(照片100張、視頻37個)、高山麝(照片1張、視頻2個)、四川雉鶉(照片32張、視頻8個)、斑尾榛雞(Bonasasewerzowi)(照片4張、視頻2個)。本次監(jiān)測收集到的照片和視頻還涉及了國家Ⅱ級保護動物10種：毛冠鹿(Elaphoduscephalophus，照片2張、視頻5個)、中華鬣羚(照片27張、視頻12個)、黑熊(照片24張、視頻13個)、黃喉貂(照片4張、視頻4個)、豹貓(Prionailurusbengalensis，照片4張)、獼猴(Macacamulatta)(照片6張)、巖羊(Pseudoisnayaur，視頻516個)、水鹿(照片1張、視頻1個)、血雉(照片215張、視頻77個)、白馬雞(照片658張、視頻260個)。

2.3 無人機監(jiān)測

2020年6月白馬雪山國家級自然保護區(qū)的無人機監(jiān)測共拍攝了監(jiān)測樣地及周邊典型區(qū)域的正射和傾斜影像共38 330張，六波段多光譜影像5 766張。影像經(jīng)專業(yè)軟件拼接處理后，輸出樣地及周邊典型區(qū)域?qū)嵕岸S正射和三維傾斜數(shù)據(jù)模型，光譜數(shù)據(jù)則用于NDVI空間分析。

2.4 遙感監(jiān)測

遙感監(jiān)測結(jié)果節(jié)選了景觀格局空間分析結(jié)果，2020年10月29日的影像解譯分析結(jié)果。白馬雪山國家級自然保護區(qū)景觀格局以有林地、草地和灌木林地3種景觀類型為主，其中有林地面積占比就達到了66%，而居民點、其他建設(shè)用地、未利用地、灘地和湖泊的面積占比總和僅達到0.77%。各景觀要素在空間上的主要分布為：有林地分布在監(jiān)測區(qū)南部、中部和東北部；灌木林地分布在東北部及西北部；冰川、雪地和草地分布在北部和中北部；耕地分布在監(jiān)測區(qū)的西南部；其他建設(shè)用地主要為道路，多數(shù)分布在監(jiān)測區(qū)北部；居民點分布則相對分散。

2.5 環(huán)境要素監(jiān)測

2019年和2020年環(huán)境要素監(jiān)測結(jié)果顯示，保護區(qū)環(huán)境質(zhì)量本底較好。按環(huán)境空氣質(zhì)量標準GB3095—2012評價[11]，環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良率達到100%；按地表水環(huán)境質(zhì)量標準GB3838—2002評價[12]，珠巴洛河入金沙江口水質(zhì)達到或優(yōu)于Ⅱ類以上比例也為100.0%。因原《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618—1995)已被《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準》(GB15618—2018)[13]替代，按現(xiàn)行標準評價， 6塊固定樣地土壤汞、鉻、鎘、砷、鉛的測定結(jié)果(流石灘稀疏植被帶因主要以礫石為主，未進行土壤監(jiān)測)，除溫性針闊混交帶土壤鎘含量(0.61 mg/kg)略高于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值0.6 mg/kg(當(dāng)pH>7.5時)，其余各樣地5項重金屬指標測定值均低于農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險篩選值。從土壤pH值測定結(jié)果來看，除以大果紅杉為優(yōu)勢種的寒溫性針葉林為5.16，其余5塊樣地土壤pH值均大于7.5，偏堿性，其中流石灘稀疏植被帶、暖性針葉林帶和干熱河谷灌叢帶樣地土壤pH值大于8.5小于9.0。從土壤物理指標測定結(jié)果來看，溫性針闊混交帶樣地土壤的有機質(zhì)含量、田間持水量、自然含水量和總孔隙度均最高，分別為160 g/kg、32.63%、28.27%和63.98%，而暖性針葉林樣地土壤這4項測定值均最低，分別為20.2 g/kg、7.80%、 3.20%和39.58%。

3 討論

目前云南省的生態(tài)監(jiān)測還存在站網(wǎng)不全、監(jiān)測要素及監(jiān)測手段單一、監(jiān)測預(yù)警能力弱的現(xiàn)狀，還不能滿足國家和省政府對生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求。在“十三·五”期間，云南省生態(tài)環(huán)境廳就已經(jīng)把強化生態(tài)監(jiān)測納入了云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點工作任務(wù)，生態(tài)監(jiān)測、評價與預(yù)警體系的構(gòu)建勢在必行。

首先，應(yīng)有效整合現(xiàn)有的分散在生態(tài)環(huán)境、自然資源、林草、中科院及高校等部門的生態(tài)定位研究站點，查缺補漏，完善重要生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)、重要湖泊濕地等區(qū)域的生態(tài)監(jiān)測站網(wǎng)，并建立全省生態(tài)監(jiān)測大數(shù)據(jù)平臺，在生態(tài)監(jiān)測站網(wǎng)建設(shè)和數(shù)據(jù)管理中實現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、優(yōu)化布局；其次，構(gòu)建云南省“天空地一體化”的生態(tài)監(jiān)測、評價與預(yù)警技術(shù)體系，統(tǒng)一監(jiān)測標準和評價規(guī)范，完善監(jiān)測要素和技術(shù)手段，讓生態(tài)監(jiān)測不局限于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能研究，同時也關(guān)注人類活動對生態(tài)系統(tǒng)狀況與服務(wù)功能的影響，關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)健康評估和演變綜合評估，從而有效地預(yù)警生態(tài)風(fēng)險。

白馬雪山國家級自然保護區(qū)生態(tài)監(jiān)測是對“天空地一體化”生態(tài)監(jiān)測、評價與預(yù)警技術(shù)體系構(gòu)建的一次新嘗試，也是對多部門、多要素、多手段生態(tài)監(jiān)測的一次初探，雖然目前還存在氣象監(jiān)測要素不全、樣地監(jiān)測廣度和時間尺度不夠的問題，今后應(yīng)逐漸補齊短板，持續(xù)開展生態(tài)監(jiān)測，為保護區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的健康評價和預(yù)報預(yù)警提供多維的數(shù)據(jù)支撐。