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生物多樣性監(jiān)測(cè)方法及現(xiàn)狀

閱讀：1342發(fā)布時(shí)間：2022-12-29

生物多樣性是生物及其環(huán)境形成的生態(tài)復(fù)合體以及與此相關(guān)的各種生態(tài)過(guò)程的總和，包括動(dòng)物、植物、微生物和它們所擁有的基因以及它們與其生存環(huán)境形成的復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)^[1]，通常由遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性三部分組成。生物多樣性是人類社會(huì)賴以生存持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其在維持生態(tài)系統(tǒng)功能、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、延續(xù)人類福祉等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用^[2]。由于氣候變化以及人類活動(dòng)的加劇影響，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能嚴(yán)重退化，生物多樣性正在經(jīng)受快速變化^[3,4]。目前，生物多樣性保護(hù)已成為關(guān)注的熱點(diǎn)問題^[5,6]，各國(guó)政府以及相關(guān)領(lǐng)域科研人員已積極參與到生物多樣性監(jiān)測(cè)和保護(hù)中^[7]。

中國(guó)是世界上生物多樣性極豐富的國(guó)家之一，生物多樣性豐富程度是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展能力和潛力的基礎(chǔ)，是國(guó)家的重要戰(zhàn)略性資源。與此同時(shí)，生物多樣性治理水平也是國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)成效的重要標(biāo)志^[8]。為了緩解物種滅絕速率以及進(jìn)一步理解生物多樣性喪失機(jī)制，我國(guó)已有大量研究致力于生物多樣性監(jiān)測(cè)與保護(hù)能力建設(shè)等方面^[9-13]，并對(duì)不同尺度生物多樣性進(jìn)行長(zhǎng)期性、周期性和動(dòng)態(tài)性的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，以加深我們對(duì)生物多樣性變化的主導(dǎo)過(guò)程及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能和人類活動(dòng)反饋機(jī)制的理解^[14]。

生物多樣性的監(jiān)測(cè)方法主要包括傳統(tǒng)的地面人工觀測(cè)與運(yùn)用*手段和技術(shù)連續(xù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)觀測(cè)兩個(gè)主要方面。地面人工生物多樣性觀測(cè)主要在物種和生態(tài)系統(tǒng)尺度上開展，通常在典型植被類型區(qū)域建立一定面積的長(zhǎng)期固定樣地，對(duì)樣地內(nèi)部的物種組成、結(jié)構(gòu)、功能以及關(guān)鍵物種、瀕危物種進(jìn)行觀測(cè)^[15,16]。傳統(tǒng)的生物多樣性主要側(cè)重于群落多樣性研究，Whittaker提出了生物群落多樣性的3個(gè)空間尺度，即 α、β、γ 多樣性。α多樣性表征物種豐富度、相對(duì)多度、均勻度等特征，因此也包含了基本的多樣性指數(shù)即物種數(shù)量及物種豐富度指數(shù)。α多樣性關(guān)注的是群落內(nèi)部的特征，也被稱之為生境內(nèi)的多樣性(With-in Habitat Diversity)，而β多樣性強(qiáng)調(diào)沿生境梯度的物種組成的異質(zhì)性，也稱為生境間的多樣性(Between Habitat Diversity)，γ多樣性關(guān)注的是區(qū)域或大陸尺度的物種數(shù)量，也稱為區(qū)域多樣性(Regional Diversity)^[17]。

圖1 傳統(tǒng)生物多樣性測(cè)度方法

與α、β、γ多樣性相對(duì)應(yīng)的一些傳統(tǒng)的生物多樣性測(cè)度指數(shù)主要表征物種豐富度、變化度、均勻度、優(yōu)勢(shì)度、多度等特征，但依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)中的理論分布參數(shù)去測(cè)度群落物種多樣性仍存在很大的局限性，因此，產(chǎn)生了一些與物種多度分布格局獨(dú)立的多樣性指數(shù)，其中，應(yīng)用較為廣泛的有 Simpson、Shannon-Wiener 指數(shù)以及 Pielou均勻度指數(shù)等。Simpson多樣性指數(shù)也稱優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，對(duì)群落中常見種的評(píng)價(jià)較準(zhǔn)確，但對(duì)稀有物種的貢獻(xiàn)較小，Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson多樣性指數(shù)則相反，對(duì)常見種的測(cè)度并不敏感。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)自身實(shí)驗(yàn)需求選擇具針對(duì)性的測(cè)度方法^[17]。

近幾十年來(lái)，生物多樣性保護(hù)研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但大多研究受限于觀測(cè)技術(shù)，多是基于傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法進(jìn)行研究，并且多集中于物種個(gè)體和樣地水平尺度上^[18,19]，而對(duì)景觀、區(qū)域乃至尺度生物多樣性的監(jiān)測(cè)較少，這限制了我們對(duì)大尺度生物多樣性組成及其變化以及受威脅程度的定量描述的理解。目前，迫切需要利用*的技術(shù)手段對(duì)生物多樣性進(jìn)行觀測(cè)，并在大尺度范圍內(nèi)開展生物多樣性監(jiān)測(cè)工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)因其能夠提供大規(guī)模、長(zhǎng)時(shí)間序列、全覆蓋以及高分辨率的生物多樣性觀測(cè)信息，已成為監(jiān)測(cè)生物多樣性的有效手段^[20,21]。遙感技術(shù)一般采用直接法或間接法對(duì)生物多樣性進(jìn)行監(jiān)測(cè)^[22]，直接法是直接識(shí)別物種或群落類型及其分布、多度，這類方法對(duì)遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率有相當(dāng)高的要求。間接法是通過(guò)遙感數(shù)據(jù)衍生一些指標(biāo)或變量，然后與野外觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)建模型預(yù)測(cè)生物多樣性^[15]。按照觀測(cè)高度和觀測(cè)尺度，遙感可進(jìn)一步分為衛(wèi)星遙感、航空遙感和近地面遙感，目前，衛(wèi)星遙感在該領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛^[23]，而近地遙感作為近年來(lái)的新型手段，其在監(jiān)測(cè)生物多樣性方面仍在不斷探索與發(fā)展。就觀測(cè)對(duì)象而言，基于衛(wèi)星遙感和激光雷達(dá)技術(shù)監(jiān)測(cè)植物多樣性的研究極多^[23-25]，對(duì)動(dòng)物類群多樣性的監(jiān)測(cè)主要集中于鳥類以及大型哺乳動(dòng)物^[26-29]。

表1 不同尺度的生物多樣性監(jiān)測(cè)方法

植物多樣性觀測(cè)	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	適用范圍
地面人工觀測(cè)	獲取數(shù)據(jù)精度高，個(gè)體分辨率高	難以獲得大空間覆蓋，長(zhǎng)時(shí)間序列的生物多樣性信息，且受制于研究區(qū)通達(dá)性、人力物力成本、時(shí)效性等多重限制。	物種個(gè)體及樣地尺度
遙感技術(shù) 觀測(cè)	能夠提供區(qū)域、洲際乃至尺度的高分辨率生物多樣性信息，監(jiān)測(cè)區(qū)域可重復(fù)訪問、數(shù)據(jù)一致性好并且能夠及時(shí)、規(guī)律地更新。	數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用較昂貴，空間分辨率與局地調(diào)查數(shù)據(jù)以及時(shí)間分辨率與生態(tài)過(guò)程的時(shí)間尺度存在不匹配的現(xiàn)象，獲取生境垂直結(jié)構(gòu)信息以及對(duì)于精細(xì)尺度的生物多樣性評(píng)價(jià)方面存在不足。	區(qū)域、景觀及大范圍尺度
動(dòng)物多樣性觀測(cè)	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)	適用范圍
地面人工觀測(cè)	獲取數(shù)據(jù)精度高	費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工作量大，投入成本高，觀測(cè)規(guī)模較小，難以提供長(zhǎng)時(shí)間序列連續(xù)的動(dòng)物多樣性信息。	樣地及群落尺度
紅外相機(jī) 觀測(cè)	全天候無(wú)間斷，隱蔽性強(qiáng)，非損傷性，且較少受到環(huán)境條件和研究人員的限制等。	監(jiān)測(cè)方案不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)分析難度大等。	群落尺度及區(qū)域尺度
遙感技術(shù) 觀測(cè)	省時(shí)省力，觀測(cè)范圍廣，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)。	由于動(dòng)物種的移動(dòng)性和隱蔽性特點(diǎn)，遙感很難直接研究動(dòng)物物種的多樣性。	區(qū)域、景觀及大范圍尺度

遙感平臺(tái)常用的傳感器包括三類：光學(xué)傳感器、微波雷達(dá)傳感器和激光雷達(dá)傳感器。光學(xué)傳感器包括高分相機(jī)、多光譜成像儀、高光譜成像儀和熱成像儀，分別獲取特定波段范圍內(nèi)的光譜信息^[15]。其中，高分相機(jī)和多光譜成像儀可以獲取植物的顏色信息和紋理特征；高光譜成像儀獲取的影像可用于反演植物生化組分；熱成像儀可以提取地物的溫度信息；激光雷達(dá)遙感傳感器能獲得精細(xì)的地物三維信息。高分相機(jī)、多光譜以及高光譜成像儀在生物多樣性研究中應(yīng)用極多，而熱紅外成像技術(shù)的應(yīng)用極少^[15]。目前，相機(jī)在生物多樣性的研究中主要應(yīng)用于對(duì)動(dòng)物多樣性監(jiān)測(cè)，該技術(shù)可在野外無(wú)人操作的情況下對(duì)鳥類和獸類進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)晝伏夜出習(xí)性較為明顯的物種進(jìn)行監(jiān)測(cè)^[9]。但目前該技術(shù)在監(jiān)測(cè)植物多樣性的研究中應(yīng)用較少，相信在技術(shù)不斷發(fā)展的條件下，相機(jī)技術(shù)在監(jiān)測(cè)植物多樣性方面會(huì)取得顯著效果，并在相關(guān)生態(tài)領(lǐng)域研究中發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢(shì)。

圖2 不同遙感平臺(tái)在生物多樣性研究中的觀測(cè)尺度

圖片來(lái)源于（郭慶華等，2018）

迄今為止，每種監(jiān)測(cè)技術(shù)在生物多樣性研究的應(yīng)用中均存在一定的局限性。建議基于多種技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，建立立體化的生物多樣性監(jiān)測(cè)方案。結(jié)合多元化的傳感器準(zhǔn)確獲取生物多樣性研究所需的物種數(shù)量和性狀、群落組成以及生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)多途徑數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，觀測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的進(jìn)一步探索將極大地改善單個(gè)數(shù)據(jù)源的不足，有助于對(duì)生物多樣性研究的深入整合與保護(hù)^[30-32]。此外，在同一區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)性地利用多種監(jiān)測(cè)技術(shù)開展跨尺度的生物多樣性研究，可為生物多樣性研究提供從樣地—景觀—區(qū)域—尺度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源^[15]，提高生物多樣性監(jiān)測(cè)的信息化水平^[10]，也為探究生物多樣性演變過(guò)程及其內(nèi)在機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。