■ 沈運華/張秀榮/劉曉煌/張子凡
(1.中國地質大學(北京)馬克思主義學院,北京 100083;2.自然資源部自然資源要素耦合過程與效應重點實驗室,北京 100055;3.中國地質大學(武漢)地理與信息工程學院,湖北 武漢 430074)
恩格斯在《自然辯證法》中指出:勞動和自然界一起是財富的源泉,自然界為勞動提供材料,勞動把材料變?yōu)樨敻弧_@里自然界提供的“材料”可以稱作為自然資源,勞動則是將自然資源經(jīng)濟化的過程。自然資源是人類生產(chǎn)、生活的基本物質基礎和空間載體,科學保護并合理利用自然資源是人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的永恒主題[1]。當前全球經(jīng)濟社會高速發(fā)展,自然資源過度開發(fā)、消耗加劇,由此導致環(huán)境污染問題突出、生物多樣性退化、生態(tài)系統(tǒng)服務功能降低,人類生存空間被大幅壓縮。資源、生態(tài)、環(huán)境不協(xié)調問題,已經(jīng)嚴重影響到人類可持續(xù)發(fā)展。人地關系和諧成為發(fā)展的必然趨勢[2]。
黨的十八大以來,我國著眼于中華民族永續(xù)發(fā)展偉大目標,按照地球系統(tǒng)科學理論,提出了“山水林田湖草是生命共同體”論斷,深刻揭示了各類自然資源有機統(tǒng)一的本質,確立了資源、生態(tài)、環(huán)境三者有機統(tǒng)一的國家治理理念,強調統(tǒng)籌自然資源利用與生態(tài)環(huán)境修復保護工作,開啟了新時代生態(tài)文明建設和自然資源統(tǒng)一管理的序幕。
長期、持續(xù)、穩(wěn)定的自然資源系統(tǒng)觀測研究,有利于準確掌握自然資源的開發(fā)利用程度、變化態(tài)勢,探究自然資源各要素間耦合作用機理,評價各要素間協(xié)調程度,預判自然資源系統(tǒng)發(fā)展趨勢,為自然資源資產(chǎn)統(tǒng)一管理、國土空間的統(tǒng)一規(guī)劃和生態(tài)保護修復等提供基礎理論支撐,更好服務國家生態(tài)文明建設[3]。2018年10月,自然資源部發(fā)布《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》,將“自然資源要素綜合觀測網(wǎng)絡工程”列為十二項重大科技工程之首[4];2019年10月該工程正式啟動,由原武警黃金部隊轉隸組建的中國地質調查局自然資源綜合調查指揮中心(簡稱“指揮中心”)負責實施。該工程被定位為國家自然資源管理和生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略性、基礎性、緊迫性系統(tǒng)工程。
目前,對自然資源的研究,正在從服務特定學科領域向多學科交叉融合的方向轉變,從單資源或生態(tài)系統(tǒng)研究向區(qū)域多資源和自然資源與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)研究,以及從地基定位觀測向天-空-地立體化協(xié)同觀測轉變[5]。因此,需要建立綜合的、區(qū)域性的,天-空-地一體化的立體觀測研究網(wǎng)絡為自然資源管理服務。目前我國自然資源綜合觀測站網(wǎng)還不夠完善,本文擬從“山水林田湖草沙”生命共同體理念出發(fā),依據(jù)地球系統(tǒng)科學的概念,從觀測理論和技術架構方面對陸表自然資源觀測體系的構建提出一些新的思考。
地球系統(tǒng)科學的概念最早提出于19世紀80年代,主要是指將地球的大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈視作一個相互作用的有機整體,研究其中各個圈層的相互作用,借以了解現(xiàn)狀、分析過去和預見將來[6],解決人類可持續(xù)發(fā)展問題。陸表系統(tǒng)屬于地球系統(tǒng)的一部分,主要范圍上限為對流層的頂部,下限為巖石圈的上部[7]。
陸表自然資源主要包括地表覆被資源(耕地、森林、草原、濕地等)、水資源和氣候資源[8],這些自然資源相互作用形成了復雜的系統(tǒng)。目前,陸表自然資源的研究,逐漸由對森林、草原、耕地、水等單資源或相關的生態(tài)系統(tǒng)研究,轉向區(qū)域植物-土地-水等自然資源間和自然資源與生態(tài)環(huán)境間的系統(tǒng)研究,如土地覆蓋變化與生物多樣性、氣候變化的關系研究[9-11],陸表蒸散發(fā)對氣候的響應[12-15],碳循環(huán)與降水量之間的關系[16]研究,植被NDVI指數(shù)和人類活動、氣溫的關系[17]研究等。這些研究主要以水土氣生為核心的生態(tài)環(huán)境過程研究為主,而從區(qū)域自然資源種類、數(shù)量、質量等變化對自然資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境間關系的研究,則比較薄弱。隨著地球科學系統(tǒng)理念的發(fā)展,以及自然資源觀測和模擬技術的成熟,開展多種學科、跨部門的資源-生態(tài)-環(huán)境系統(tǒng)綜合研究逐漸成為發(fā)展趨勢[18],以地球系統(tǒng)角度出發(fā),預測變化環(huán)境下陸表自然資源的變化具有重要意義[18]。如2021年美國提出了earthmap計劃,旨在打破學科界限,按照地球系統(tǒng)科學理論的工作方法,注重觀測、模擬、評估、預測工作流程的學科融合,實現(xiàn)對整個地球的全面分析、監(jiān)測、觀測和預測。2018年,自然資源部印發(fā)《自然資源科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃綱要》,明確提出要以地球系統(tǒng)科學理論為核心,揭示不同時期自然資源及環(huán)境要素的變化狀況及其動因,闡明不同自然綜合體的功能特征,探索重點區(qū)域、重點類型國土和海域利用變化與自然生態(tài)演化相互作用機理,形成管控機制[4]。
在這種大背景下,以地球系統(tǒng)科學為理論基礎,以區(qū)域為單元,建立自然資源綜合觀測體系,開展各類自然資源的配比結構與自然資源、生態(tài)環(huán)境的關系研究,掌握自然資源、生態(tài)環(huán)境的演替規(guī)律,可為自然資源系統(tǒng)研究和自然資源治理提供依據(jù),有效服務于自然資源系統(tǒng)履行“兩統(tǒng)一”可職責。
調查、觀測、監(jiān)測是研究和掌握自然資源規(guī)律的主要手段。服務于調查、監(jiān)測、觀測的技術主要有航天遙感技術、航空遙感技術和實地調查、站點觀測及監(jiān)測技術。我國航天遙感技術已經(jīng)進入高空間分辨率和高時間分辨率階段,空間分辨率已經(jīng)達到亞米級,時間分辨率達到小時級,可以高精度地對地面自然資源變化進行探測[19]。高精度無人機航空遙感也廣泛應用于生態(tài)環(huán)境安全監(jiān)測、區(qū)域建設與管理服務等,相比于航天遙感受云層的影響更小[20]。在實地調查和站點定點觀測、監(jiān)測方面,我國已經(jīng)建立的各類生態(tài)站700余座[5],可以作為研究的基礎。同時,開展覆蓋全國的觀測站網(wǎng)布設,通過對各類資源、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的加權平均和聚類分析,利用機器學習和專家評判相結合的方式,完成了全國自然資源的一級、二級和三級的綜合區(qū)劃圖,服務于覆蓋全國的自然資源站網(wǎng)布設[21-24]。
在自然資源分類上,由原來的實用分類開始向以地球系統(tǒng)科學為指導的分類轉變。有學者根據(jù)自然資源所處的地球空間位置及其功能進行一級劃分:根據(jù)空間位置將人類可利用的自然資源劃分為巖石圈、水圈、大氣圈、近地太空圈,根據(jù)自然資源功能劃分為自然資源空間本身、自然物質、自然能、自然信息,重在導向自然資源綜合管理的“體”與“制”上[25]。在此基礎上面向統(tǒng)一管理的自然資源分類,張洪積等將自然資源按地上空間、地表空間和地下空間分為了9個一級類和32個二級類[26];孫興麗等以管理需求為導向,將自然資源分為3個一級類、15個二級類、53個三級類,一級類側重于空間屬性,二級類側重于資源要素類別,三級類側重于資源功能[27],同時提出以模塊化方式構建觀測指標體系的方法,形成了由36個歸類模塊、6個資源要素觀測系統(tǒng)和若干個賦能模塊構成的自然資源綜合觀測指標體系[28],以便于明確觀測、監(jiān)測研究的對象和指標。在實地調查和定點監(jiān)測技術上,通過定點測量工具,結合大數(shù)據(jù)、“3S”物聯(lián)網(wǎng)等技術,進行系統(tǒng)化的資源全面調查、災害風險預警等逐漸成為主流[29-30]。在預測上,主要技術手段為模擬預測,主要有建立相應的模型對碳循環(huán)過程進行模擬研究[31],建立集成水循環(huán)模型來模擬陸表水資源的變化情況[32],利用SWAT模型模擬流域徑流量和植被類型之間的關系[33]等。目前,自然資源的綜合探測技術已趨于成熟,但是眾多技術研究更偏向于科研,與自然資源管理銜接還不足。同時我國自然資源綜合探測研究的業(yè)務體系還缺乏頂層的技術架構,面向自然資源綜合管理的觀測方法上還缺乏理論基礎,針對空-天-地不同手段觀測到的數(shù)據(jù)還缺乏有效協(xié)同轉化的手段,調查、觀測、監(jiān)測、預測手段還缺乏有效銜接。針對這些問題,本文在自然資源管理和自然資源綜合觀測體系建設上提出以下思考。
地球系統(tǒng)科學理論指出,地球系統(tǒng)中不同圈層間的相互作用構成了一個有機整體,地球上的自然資源存在相互作用的關系。一定區(qū)域內(nèi)各自然資源要素的種類、數(shù)量、質量、分布范圍等組成特定的空間自然資源結構配比,區(qū)域內(nèi)一種自然資源的變化可能會引發(fā)其它自然資源和生態(tài)環(huán)境的變化。以地球系統(tǒng)科學為理論指導,將全國自然資源的變化視為一個綜合的整體,同時陸地表層圈層中各自然資源組成的系統(tǒng)也存在一定的空間異質性。服務于全國范圍的觀測需求,需要對自然資源進行精細化的綜合區(qū)劃,以區(qū)域為單元研究區(qū)域內(nèi)各類自然資源的配比關系,以及區(qū)域內(nèi)各類自然資源配比與環(huán)境的關系,摸清我國自然資源家底,同時要研究資源環(huán)境的關系,為自然資源合理開發(fā)利用提供決策支持。結合自然資源的經(jīng)濟屬性和生態(tài)屬性[34],在環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展不同角度上,為區(qū)域內(nèi)自然資源合理開發(fā)利用提供決策支持。
本文以自然資源綜合區(qū)劃所劃分出的三級區(qū)域——遼河平原南部旱地地區(qū)為例,研究該區(qū)域內(nèi)各自然資源配比情況,以及自然資源與生態(tài)環(huán)境之間的關系。遼河平原南部旱地地區(qū)屬于東北林耕自然資源大區(qū)[35],該區(qū)域自然資源分布情況如圖1(a)所示,各類自然資源配比情況為:耕地占68.27%,林地占13.21%,草原占5.76%,水域占1.29%,其他占11.4%。根據(jù)從文獻中查閱到的不同土地和植被類型的碳密度值和蒸散發(fā)系數(shù)[36-37],結合相應的觀測數(shù)據(jù),通過InVEST模型計算,得出該區(qū)域的總產(chǎn)水量和總固碳量,詳見圖1(b)和圖1(c)。然后改變自然資源配比數(shù)據(jù),模擬出不同配比下固碳量和產(chǎn)水量的值。當林地轉換為耕地后,該區(qū)域陸表資源分布如圖2(a)所示,模擬出的總產(chǎn)水量和總固碳量如圖2(b)和圖2(c)所示。相比于現(xiàn)狀,在林地轉換為耕地后,區(qū)域產(chǎn)水量由約1.73×1010m3變?yōu)榧s1.86×1010m3,固碳量由7.47×108噸變?yōu)?.93×108噸。由于不同的自然資源有不同的生態(tài)服務價值,依據(jù)不同資源類型的服務價值當量和標準當量因子,可以計算出區(qū)域內(nèi)自然資源的生態(tài)服務價值,為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支持[38]。因此以區(qū)域為單元對域內(nèi)自然資源配比進行系統(tǒng)研究,能夠得出不同自然資源配比下的環(huán)境狀態(tài)及生態(tài)服務價值,從而在自然資源合理開發(fā)利用和經(jīng)濟發(fā)展上為政府提供決策支持。
圖1 區(qū)域內(nèi)資源配比及產(chǎn)水量、固碳量現(xiàn)狀
圖2 林地轉換為耕地后區(qū)域內(nèi)資源配比及產(chǎn)水量、固碳量狀態(tài)
自然資源隨外界條件不斷變化,只有清晰地認識陸表自然資源的過去、現(xiàn)在、未來等狀態(tài),才能更好地服務于決策。建立獲取自然資源過去、現(xiàn)在、未來等狀態(tài)的方法技術體系,從而實現(xiàn)對不同狀態(tài)自然資源進行有序化、系統(tǒng)化獲取,是目前需要解決的問題。獲取自然資源要素狀態(tài)的業(yè)務手段主要有調查、監(jiān)測、觀測,同時根據(jù)已有的研究基礎,可以對自然資源進行預測。其中自然資源調查主要描述自然資源的總體情況,摸清自然資源的家底,更適用于長時間尺度的定期系統(tǒng)調查;自然資源監(jiān)測主要掌握自然資源自身變化和人類活動引起的變化;自然資源觀測主要研究自然資源間的相互作用,預判自然資源的變化趨勢,掌握資源的變化動因機制,具有長期連續(xù)觀測的特點[39]。同時由于各類自然資源的形成、變化過程因時間尺度而異,因此需要選擇不同時間尺度進行調查、監(jiān)測和觀測研究(圖3)。
圖3 自然資源不同時間尺度變化及與調查、監(jiān)測、觀測之間的關系
通過對調查、監(jiān)測、觀測方法進行有效銜接,加強野外科學站網(wǎng)融合,實現(xiàn)單類自然資源要素觀測研究向區(qū)域多類自然資源要素綜合觀測研究的轉變,建立由系統(tǒng)調查-觀測試驗-預測模擬-監(jiān)測評價構成的全鏈條“四位一體”方法技術體系,系統(tǒng)化地獲取自然資源要素和自然資源要素間過去、現(xiàn)在、未來的三種狀態(tài)(圖4)。其中系統(tǒng)調查可以全面掌握自然資源現(xiàn)狀家底,以覆蓋全國的觀測站網(wǎng)為依托,以區(qū)域為單元對全國各區(qū)域的自然資源進行數(shù)年尺度的系統(tǒng)化全面調查;觀測試驗掌握資源變化動因機制和不同條件下的資源狀態(tài),主要技術手段為把觀測研究站定點觀測與衛(wèi)星遙感觀測結合,觀測自然資源的變化,以及自然資源變化與環(huán)境的關系。對固定樣地進行監(jiān)測,研究自然資源間及自然資源與環(huán)境間的轉換關系[40-41],主要針對陸表自然資源的蒸散發(fā)、碳循環(huán)、水循環(huán)、光合作用率進行小時尺度和日尺度的研究,同時也可以得到長時間連續(xù)序列的自然資源數(shù)量和質量等觀測基礎數(shù)據(jù);預測模擬判斷未來狀態(tài),一般對變換氣候情景下的資源進行模擬,可以建立不同時間尺度的模型,有作物生長模型[42]、水文模型[43-44],以及基于地理元胞自動機模擬土地資源變化的PLUS和FLUS模型等,同時也可以引入深度學習、人工智能等方式進行預測[45-48],還可以進行不同政策驅動下的資源狀態(tài)進行模擬;監(jiān)測評價判別自然資源現(xiàn)狀及未來狀態(tài)與既定目標的差距問題,為咨詢服務和政府決策提供科學支撐。依據(jù)“四位一體”的方法技術體系來實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)多類自然資源要素之間耦合效應的研究,對于探索自然資源要素變化本質,準確掌握變化規(guī)律,探究自然資源過去-現(xiàn)在-未來演替機理,實現(xiàn)科學決策具有重要作用。
圖4 系統(tǒng)調查-觀測試驗-預測模擬-監(jiān)測評價方法技術體系
依據(jù)地球系統(tǒng)科學理論,陸表圈層內(nèi)的各個圈層之間的相互作用關系,以及自然資源與環(huán)境之間的互饋作用具有時空異質性,需要以不同的時空尺度進行觀測研究。從空間尺度上看,以個體、景觀、區(qū)域三個尺度進行觀測可以更全面地掌握區(qū)域內(nèi)各自然資源分布和變化情況。個體觀測無法掌握區(qū)域內(nèi)自然資源整體的變化,而以區(qū)域為主的遙感觀測無法了解該區(qū)域內(nèi)特定自然資源的變化和分布,個體、景觀、區(qū)域相結合的觀測研究更利于對自然資源變化進行試驗模擬和監(jiān)測評價。在時間尺度上,由于在整個地球系統(tǒng)中大氣圈、水圈與自然資源之間的互饋關系,需要以天、時、分、秒為尺度進行觀測研究,生物圈中的碳存儲量、土壤養(yǎng)分含量與各類自然資源間的關系需要以年、季、月時間尺度去觀測,而地下的礦產(chǎn)資源是歷經(jīng)百萬年演變形成的,因此區(qū)域內(nèi)不同自然資源需要以不同的時間尺度進行調查、觀測和監(jiān)測,以便于建立全面的自然資源觀測體系。因此,可通過衛(wèi)星遙感觀測、航空遙感觀測和地面定點觀測多種技術方法相結合,利用不同時空分辨率遙感數(shù)據(jù)和地面觀測站觀測數(shù)據(jù),結合不同時間尺度的定點觀測和實地調查數(shù)據(jù),實現(xiàn)不同空間尺度上的協(xié)同觀測和時間上的全天候觀測,最終掌握區(qū)域內(nèi)資源與環(huán)境的時空變化規(guī)律。
衛(wèi)星遙感、航空遙感、定點觀測是獲取自然資源數(shù)據(jù)的主要技術手段,但三者間數(shù)據(jù)還缺乏同步協(xié)調和尺度轉換,不同技術獲取的數(shù)據(jù)間的關聯(lián)研究還比較薄弱,甚至不同尺度的觀測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生沖突。需要加強衛(wèi)星遙感觀測與地面觀測站的頂層統(tǒng)籌部署,推進觀測站遙感校驗場、試驗場和航空遙感觀測建設,提升地面觀測立體探測能力。以實際觀測點數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結合實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面獲取。
構建陸表自然資源綜合探測體系的頂層技術架構,系統(tǒng)、全面地指導自然資源調查、觀測、監(jiān)測、預測業(yè)務,實現(xiàn)自然資源探測體系的系統(tǒng)化、有序化、流程化,是目前需要解決的問題。
構建陸表自然資源綜合觀測體系頂層技術架構的大體思路和技術方法如圖5所示。首先明確自然資源觀測對象,綜合各類自然資源及與之相關的環(huán)境要素,對全國進行自然資源綜合區(qū)劃,將全國自然資源進行綜合化、系統(tǒng)化、精細化劃分,一般劃分為三到四級。根據(jù)區(qū)劃底圖,以異質性表面無偏估計法,確定三個等級站點的位置和控制區(qū)域,以現(xiàn)有的觀測站為基礎,通過空白填建和融合共建相結合的方式進行站點布設。依據(jù)自然資源分類標準和各類自然資源的屬性及相互作用特征,建立統(tǒng)一的覆蓋全國陸表自然資源的包含自然資源數(shù)量、質量和相互作用關系的觀測指標模塊體系,為統(tǒng)一、規(guī)范地觀測自然資源夯實基礎。各個觀測區(qū)域根據(jù)觀測對象的不同,從已有的指標體系中選取指標并構建不同的指標模塊集,用于觀測研究。針對區(qū)域資源稟賦的差異,可選取對應的森林區(qū)、冰川凍土區(qū)和草原區(qū)等指標模塊集。明確觀測區(qū)域、觀測對象和觀測指標后,采取航天-航空-站點觀測技術手段,通過系統(tǒng)調查-觀測試驗-預測模擬-監(jiān)測評價方法業(yè)務體系,多尺度、全面地獲取自然資源各個指標數(shù)據(jù)的過去、現(xiàn)在狀態(tài),預測未來變化趨勢。然后以觀測站為依托,建立統(tǒng)一標準規(guī)范、統(tǒng)一管理精度、統(tǒng)一基準原則和統(tǒng)一規(guī)范要求的數(shù)據(jù)質量管理體系,對獲取的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化管理。運用云存儲技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)可視化技術構建觀測一體化平臺,實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、共享、展示,最終通過大數(shù)據(jù)分析建立相應的模型,為政府決策提供支撐或產(chǎn)出高質量數(shù)據(jù)為科學研究服務。
本文遵循“山水林田湖草是生命共同體”發(fā)展理念,以地球系統(tǒng)科學為理論基礎,基于陸表自然資源觀測體系現(xiàn)狀,提出構建與完善陸表自然資源觀測預測體系的思路與框架:
(1)以區(qū)域為單元研究自然資源要素間的相互作用,以及資源與環(huán)境間的互饋關系,研究區(qū)域內(nèi)自然資源的配比平衡和自然資源配比變化產(chǎn)生的影響,綜合自然資源的生態(tài)和經(jīng)濟價值為政府提供決策支持。
(2)將調查、監(jiān)測和觀測三種方法獲取的數(shù)據(jù)進行有效銜接,建立系統(tǒng)調查-觀測試驗-預測模擬-監(jiān)測評價的方法體系,進行區(qū)域內(nèi)自然資源要素的觀測和預測,系統(tǒng)化和有序化地獲取區(qū)域內(nèi)自然資源過去、現(xiàn)在和未來的狀態(tài)。
(3)不同自然資源具有不同時空屬性,運用衛(wèi)星遙感、航空遙感、定點觀測開展天-空-地一體化立體觀測,加強衛(wèi)星遙感觀測與地面觀測站的頂層統(tǒng)籌部署,推進觀測站遙感校驗場、試驗場和航空遙感觀測建設,實現(xiàn)個體、景觀、區(qū)域和秒、分、時、日、月、年、10年的不同時空尺度的觀測和協(xié)同,更全面地掌握自然資源變化情況,對自然資源未來動態(tài)變化情況作出更科學、更合理的預測。
(4)對全國自然資源進行精細化的綜合區(qū)劃,根據(jù)區(qū)劃底圖布設站點,確定各觀測站的觀測區(qū)域、觀測對象和觀測指標、觀測手段和方法體系,明確觀測數(shù)據(jù)質量控制和管理方法,并建設數(shù)據(jù)存儲和分享一體化的觀測平臺技術架構。
以地球系統(tǒng)科學為理論基礎、以區(qū)域為單元的陸表自然資源觀測,可以打破地理、生態(tài)和資源的分隔,提升人類對地球系統(tǒng)的認知水平,系統(tǒng)了解地球的過去、現(xiàn)在和未來。實現(xiàn)宜居地球的夢想,還面臨巨大的挑戰(zhàn),陸表自然資源觀測技術方法體系還需要在實踐中不斷完善,包括觀測的多源數(shù)據(jù)融合和尺度轉換,該體系的保障機制也需要通過實踐不斷探索完善。