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生态环境监测及在我国的发展

  1前言

  随着人们对环境问题及其规律认识的不断深化,环境问题不再局限于排放污染物引起的健康问题,而且包括自然环境的保护、生态平衡和可持续发展的资源问题。因此,环境监测正从一般意义上的环境污染因子监测开始向生态环境监测过渡和拓宽。除了常见的各类污染因子外,由于人为因素影响,灾害性天气增加,森林植被锐减,水土流失严重,土壤沙漠化加剧,洪水泛滥,沙尘暴、泥石流频发,酸沉降等,使我国本已十分脆弱的生态环境更加恶化。这促使人们重新审查环境问题的复杂性,用新的思路和方法了解和解决环境问题。人们开始认识到,为了保护生态环境,必须对环境生态的演化趋势、特点及存在的问题建立一套行之有效的动态监测与控制体系,这就是生态环境监测。生态环境监测是环境监测发展的必然趋势。

  本质上看,环境保护是以减少或避免生态系统的破坏为终极目标。对环境监测,目前单纯的理化指标和生物指标监测存在很大的局限性,而生态环境监测则可弥补传统环境监测的不足。因此前者强调“局部剖析”,只对大气、水、土壤等中的化学毒物或有害物理因子进行测定;而后者着眼于“整体综合”,对人类活动造成的生态破坏和影响进行测定。可以说,生态环境监测是生态保护的前提,是生态管理的基础,是生态法律法规的依据。目前,生态环境监测已在全球范围内展开,但在我国才刚起步,基础差,底子薄,相对落后,缺乏统一的标准,国家尚未制定技术规范。本文主要结合国内情况拟对生态环境监测作一全面介绍,以期大家共同努力来推动生态环境监测工作在我国的开展。

  2生态监测

  所谓生态系统(Ecosystem)是指地表生物与非生物间的相互依存关系。生态质量是环境质量的核心。是以生态学理论为基础,从生态系统层次上研究系统各组成、变化规律和相互关系、以及人为作用下结构和功能的变化,从而评价环境质量。因而生态质量及其评价的综合性极强。

  生态监测是采用生态学的各种方法和手段,从不同尺度上对各类生态系统结构和功能的时空格局的度量,主要通过监测生态系统条件、条件变化、对环境压力的反映及其趋势而获得。生态监测,又称生态环境监测,目前的定义不很一致。美国环保局Hirsch把生态监测解释为自然生态系统的变化及其原因的监测,内容主要是人类活动对自然生态结构和功能的影响及改变。国内有学者提出“生态监测就是运用可比的方法,在时间和空间上对特定区域范围内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素等进行系统地测定和观察的过程,监测的结果则用于评价和预测人类活动对生态系统的影响,为合理利用资源、改善生态环境和自然保护提供决策依据,这一定义似乎从方法原理、目的、手段、意义等方面作了较全面的阐述。

  在监测对象上,生态监测既不同于城市环境质量监测,也不同于工业污染源监测。从环境监测发展历程来看,目前所指的生态监测主要侧重于宏观的、大区域的生态破坏问题,它具有反映人类活动对我们所处的生态环境的全貌、有机综合影响的优点。如近年来积极开展的福建省湿地生态环境监测,河南省渔业生态环境监测,南极中山站近岸海域生态环境监测,以及在我国开展生态环境监测较早,近几年又做了大量工作的新疆荒漠生态环境监测。

  生态监测的对象可分为农田、森林、草原、荒漠、湿地、湖泊、海洋、气象、物候、动植物等。每一类型的生态系统都具有多样性,它不仅包括了环境要素变化的指标和生物资源变化的指标,同时还要包括人类活动变化的指标。

  应当看到,生态监测是环境监测的拓宽,除了新的理论、技术和方法外,环境监测的理论和实践必是生态监测得以发展和完善的基本保证。景观生态学、农业生态学、森林生态学、淡水生态学、海洋生态学、荒漠生态学、脆弱带生态学、地球化学、气象学、物候学、水文学、环境经济学、人文物理学等的理论和实践对生态监测更是大有裨益。

  3生态监测的类型

  国内对生态监测类型的划分有许多种,常见的是从不同生态系统的角度出发,可分为城市生态监测、农村生态监测、森林生态监测、草原生态监测及荒漠生态监测等。这类划分突出了生态监测对象的价值尺度,旨在通过生态监测获得关于各生态系统生态价值的现状资料、受干扰(特别指人类活动的干扰)程度、承受影响的能力、发展趋势等。根据生态监测两个基本的空间尺度,生态监测可分为两大类:

  3.1宏观生态监测

  研究对象的地域等级至少应在区域生态范围之内,最大可扩展到全球。宏观生态监测以原有的自然本底图和专业数据为基础,采用遥感技术和生态图技术,建立地理信息系统(GIS)。其次也采取区域生态调查和生态统计的手段。

  3.2微观生态监测

  研究对象的地域等级最大可包括由几个生态系统组成的景观生态区,最小也应代表单一的生态类型。微观生态监测以大量的生态监测站为工作基础,以物理、化学或生物学的方法对生态系统各个组分提取属性信息。

  根据监测的具体内容,微观生态监测又可分为干扰性生态监测、污染性生态监测和治理性生态监测以及环境质量现状评价生态监测。

  宏观生态监测必须以微观生态监测为基础,微观生态监测又必须以宏观生态监测为主导,二者相互独立,又相辅相成,一个完整的生态监测应包括宏观和微观监测两种尺度所形成的生态监测网。

  4生态监测的任务与特点

  4.1生态监测的基本任务

  对生态系统现状以及因人类活动所引起的重要生态问题进行动态监测;对破坏的生态系统在人类的治理过程中生态平衡恢复过程的监测;通过监测数据的集积,研究上述各种生态问题的变化规律及发展趋势,建立数学模型,为预测预报和影响评价打下基础;支持国际上一些重要的生态研究及监测计划,如GEMS(全球环境监测系统),MAB(人与生物圈)等,加入国际生态监测网络。

  4.2生态监测的特点

  4.2.1综合性

  生态监测是一门涉及多学科的交叉领域,涉及到农、林、牧、副、渔、工等各个生产行业。

  4.2.2长期性

  自然界中生态过程的变化十分缓慢,而且生态系统具有自我调控功能,短期监测往往不能说明问题。长期监测可能导致一些重要的和意想不到的发现,如北美酸雨的发现就是典型的例子。

  4.2.3复杂性

  生态系统本身是一个庞大的复杂的动态系统,生态监测中要区分自然因素(如洪水、干旱和水灾)和人为干扰(污染物质的排放、资源的开发利用等)这两种因素的作用有时十分困难,加之人类目前对生态过程(ecological process)的认识是逐步积累和深入的,这就使得生态监测不可能是一项简单的工作。

  4.2.4分散性

  生态监测站点的选取往往相隔较远,监测网的分散性很大。同时由于生态过程的缓慢性,生态监测的时间跨度也很大,所以通常采取周期性的间断监测。

  5生态监测指标体系与优先监测项目

  5.1生态监测指标体系

  生态监测指标体系主要指一系列能敏感清晰地反映生态系统基本特征及生态环境变化趋势的并相互印证的项目,是生态监测的主要内容和基本工作。生态监测指标的选择首先要考虑生态类型及系统的完整性,一般说来,陆地生态站(农田生态系统、森林生态系统和草原生态系统等)指标体系分为气象、水文、土壤、植物、动物和微生物六个要素:水文生态站(淡水生态系统和海洋生态系统)指标体系分为:水文、气象、水质、底质、浮游植物、浮游动物、游泳动物、底栖生物和微生物八个要素。除上述自然指标外,指标体系的选择要根据生态站各自的特点,生态系统类型及生态干扰方式同时兼顾以下三方面,即人为指标(人文景观、人文因素等)、一般监测指标(常规生态监测指标、重点生态监测指标等)和应急监测指标(包括自然和人为因素造成的突发性生态问题)。

  包头市环境监测站将包头生态监测指标的设计拟分为三个层次和三个要素。三个层次为:优先指标—-目前的必测项目;常规指标—-应开展的项目;选择指标—-应完善、充实的项目。三大要素为环境、生物、社会。环境要素包括气象、水文和土壤;生物要素包括植物、动物和微生物;社会要素包括人口和经济。并按照自然状况及其生态功能将包头市由北向南划分为五大景观系统,即草原牧业景观;低山、丘陵、农牧交错景观;山地景观生态系统有其对应的指标体系以及优先监测的指标体系,例如,低山、丘陵、农牧交错景观生态系统以旱作农业和畜牧业生产为主,土地沙化、水土流失是其主要生态问题,监测内容为土层厚度,表层土壤颗粒组成;山前平原农业景观生态系统,土壤肥沃,气候适宜,是包头市粮食和蔬菜生产区,突然的问题是土壤次生盐渍化和工业污染,相应的土壤指标监测内容为有机质含量、pH值、含盐量、化肥有机肥施用量、重金属、氟化物含量。

  湖南省环境保护监测站的陆强国主要依据湿地功能原则和景观生态学的有关原理,对环洞庭湖区域面积为18720km2(包括湖北部分)的洞庭湖湿地生态环境进行了功能区划,即淹没区、湿地农业区和台地山岗区,针对各生态功能区的结构特点、生态目标和社会经济因子,拟出了湖泊湿地生态监测整体指标体系和优先监测项目。虽然作者是从研究洞庭湖出发,但由于其指标体系制定的原则具有广泛适用性,并且出发点是湿地生态系统的结构和功能区的特点,因而我们认为该指标体系对湿地生态监测具有广泛借鉴价值。

  农业部环境监测总站的王洪庆等从与以往农业环境监测的比较着手,提出农业生态环境监测的特征,制定了农业生态环境监测指标体系框架和具体指标。

  农业部环境监测总站的高怀友等以条件指标和压力指标划分,提出农业生态环境监测指标体系以及具体参评因子。

  辽宁省环境监测中心站的付运芝等人将地球上的生态系统,从宏观角度划分为陆地、海洋两大生态系统,对这两大系统又进行细分类,提出陆地生态系统监测指标体系分为八个部分,即气象要素、水文要素、土壤要素、植物要素、动物要素、微生物要素、地质要素、人类活动要素。建议海洋生态系统监测指标体系分为如下十个部分构成,即水文气象要素、水质要素、底质要素、浮游植物要素、浮游动物要素、底栖生物要素、微生物要素、底质要素、人类活动要素。并给出了每一种指标体系要素的具体监测内容,监测工作者实际应用时可适当增删。

  生态监测指标体系设计的优劣直接关系生态监测本身能否揭示生态环境质量的现状、变化和趋势。因此生态监测指标选择要充分考虑生态系统的功能及不同生态类型间相互作用的关系,另一方面,社会、经济发展程度不同的地区,对环境质量和价值的要求和评价也是不一样的。从生态资源的环境价值、评价问题、所受的环境压力及生态系统结构与功能间关系的角度出发,生态监测指标可分为条件指标和环境压力指标,其中条件指标又可分为反映指标、暴露指标和生态指标。反映指标是关于生态系统中生物在各层次上(生物个体、种群、群落及生态系统)组合状况的环境特征的指标;暴露指标是关于反映生态系统中物理、化学和生物的压力大小的环境特征指标;生态指标是生态系统中受外来环境压力下,能满足生态系统中层次生物正常生活和循环的各种物理、化学和生物状况的指标;压力指标是关于自然力和人为因素影响生态系统发生变化的指标。应当看到,复杂的生态环境决定了生态监测指标体系的多样性、可变性,生态监测内容涉及面之广,远远超过了环境质量监测和工业污染源监测。目前的生态监测指标体系对监测部门显得太多,监测方法不规范,微观和宏观生态监测尚未有机结合,特别是一些指标和方法路线应当有一个统一的规划。另外,笔者认为在制订指标体系的同时,应多在为达到生态系统目标,各指标内容的优化目标的确立上做工作。

  5.2生态监测指标体系的确定原则

  生态监测指标体系的选择与确定是进行生态监测的前提。生态监测指标体系是一个庞大的系统,在可作为监测指标的众多要素中,科学性、实用性、代表性、可行性尤为重要。我们认为,选择与确定生态监测指标体系应遵循以下原则:

  5.2.1代表性

  确定的指标体系应能反映生态系统的主要特征,表征主要的生态环境问题。

  5.2.2敏感性

  要确定那些对特定环境敏感的生态因子,并以结构和功能指标为主,以此反映生态过程的变化。

  5.2.3综合性

  要真实反映生态环境问题,需要多种指标体系。

  5.2.4可行性

  指标体系的确定要因地制宜,同时要便于操作,并尽量和生态环境考核指标挂钩。

  5.2.5简易化

  从大量影响生态系统变化的因子中选取易监测、针对性强、能说明问题的指标进行研究。

  5.2.6可比性

  不同监测台站间同种生态类型的监测应按统一的指标体系进行。

  5.2.7灵活性

  哪怕对同类型的生态系统,在不同地区应用时指标体系也应作相应调整。

  5.2.8经济性

  尽可能以最少费用获得必要的生态环境信息。

  5.2.9阶段性

  根据现有水平和能力,先考虑优先监测指标,条件具备时,逐步加以补充,已确定的指标体系也可分阶段实施。

  5.2.10协调性

  多数生态环境问题已是全球性问题,所确定的指标体系,尽量和“全球环境监测系统”(GEMS)相协调,以便国际间的技术交流与合作。

  目前,国内学者针对不同的生态系统,提出的各种生态监测指标体系,如荒漠生态环境监测指标四原则,洞庭湖湿地生态监测指标四原则和农业生态监测指标五原则,与上述原则都是一致的。当然,监测指标体系的确定除受技术条件和人力、财力因素制约外,对已确定的指标体系,仍需在实践中考察和检验。

  5.3优先监测的指标体系

  优先监测指标体系必须满足对生态系统的生命支持能力进行评价的最大的要求。优先监测指标的确定原则是:当前受外力影响最大、可能改变最快的指标;反映生态系统的生命支持能力的关键性指标;有综合代表意义的指标。

  应当看到,我国当前的生态监测主要限于污染性生态监测,现有监测能力、技术与设备水平有限,生态监测评价经验不多,对生态系统规律认识不够,因此确定当前优先监测指标必须从实际出发,属于污染的生态指标仍为当前优先监测指标。同时,由于经济发展过快对生态环境形成压力影响的指标的监测,在当前亦显得十分迫切,需尽快列入优先监测指标。我们高兴地看到与我国可持续发展的战略相适应,一些地区已经将环境问题和社会、经济发展问题结合起来考虑,生态环境监测有直接服务于生产的趋势。

  下列指标在我国当前开展生态监测时可列入优先监测的指标体系中:全球气候变暖所引起的生态系统或植物区系位移的监测;珍惜濒危动植物物种的分布及其栖息地的监测;水土流失面积及其时空分布和环境影响的监测;沙漠化面积及其时空分布和环境影响的监测;草原沙化退化面积及其时空分布和环境影响监测;生态脆弱带面积及其时空分布和环境影响的监测;人类活动对陆地生态系统包括森林、草原、农田和荒漠等结构和功能影响的监测;水体污染对水体生态系统包括湖泊、水库、河流和海洋等结构和功能影响的监测;主要污染物(农药、化肥、有机物、重金属)在土壤—植物—水体中的迁移和转化的监测;水土流失、沙漠化及草原退化地优化治理模式的生态平衡的监测;各生态系统中为量气体的释放通量与吸收的监测等。

  6 生态监测的技术方法

  生态监测技术方法就是对生态系统中的指标进行具体测量和判断,从而获得生态系统中某一指标的特征数据,通过统计分析,以反映该指标的现状及变化趋势。在选择生态监测具体技术方法前,要根据现有条件,结合实际制定相应的技术路线,确定最佳监测方案。技术路线和方案的制定大体包含以下几点:生态问题的提出,生态监测台站的选址,监测的内容、方法及设备,生态系统要素及监测指标的确定,监测场地、监测频度及周期描述,数据的整理(观测数据、实验分析数据、统计数据、文字数据、图形及图象数据),建立数据库,信息或数据输出,信息的利用(编制生态监测项目报表,针对提出的生态问题建立模型、预测预报、评价和规划、政策规定)。

  在确定具体的生态监测技术方法时要遵循一个原则,即尽量采用国家标准方法,若干国家标准或相关的操作规范,尽量采用该学科较权威或大家公认的方法。一些特殊指标可按目前生态站常用的监测方法。

  生态监测具有着眼于宏观的特点,是一项宏观与微观监测相结合的工作。对于结构与功能复杂的宏观生态环境进行监测,必须采用先进的技术手段。其中,生态监测平台是宏观监测的基础,它必须以三S技术作支持,并要具备容量足够大的计算机和宇航信息处理装置。三S技术 ,即地理信息技术(GIS)、遥感技术(RS)和全球卫星定位技术(GPS)。三项技术形成了对地球进行空间观测、空间定位及空间分析的完整的技术体系。它能反映全球尺度上生态系统各要素的相互关系和变化规律,提供全球或大区域精确定位的高频度宏观资源与环境影像,揭示岩石圈、水圈、气圈和生物圈的相互作用和关系。在RS和GIS基础上建立的数学模型,能促进以定性描述为主到定量分析为主的过渡,实行时空的转移,在空间上由野外转入室内,在时间上从过去、现在的研究发展到在三维空间上定量预测未来。

  3S技术是宏观生态环境监测发展的方向,是其发展的主要技术基础,在今后较长的一个时期内,遥感手段将在生态环境监测中得到更广泛的应用,地理信息系统作为“3S”技术的核心将发挥更大的作用。目前美国、欧洲、日本和我国都在制定新的观测计划,国内北京、上海、重庆、厦门等地都在推进基础数字化工作,推广GPS定位观测,这些计划的实施将为区域环境监测提供重要的数据。

  传统监测手段,只能解决局部监测问题,而综合整体且准确完全的监测结果必须依赖三S技术。充分利用计算机技术把遥感、航照、卫星监测、地面定点监控有机结合起来,依靠专门的软硬件使生态监测智能化,使生态资料数据上网,实现生态监测网络化,是目前以及今后相当长的一段时间里监测人员的重点工作内容。

  7 国内生态监测现状

  在我国环境监测中,对自然生态环境破坏和恶化的监测与环境污染监测相比,仍处于落后状况。2001年10月在成都召开的第六次全国环境学术交流会上,提交的158篇论文中,有关生态监测的论文仅16篇,约占10%,这也从一个侧面说明了这一问题。由于人口和资源的压力,过去长期忽视生态环境保护,使我国生态环境的破坏和恶化已十分严重,特别是占国土总面积1/3的广大干旱半干旱草原和荒漠地区生态环境问题最为突出,因此对荒漠生态监测的研究在国内开展最早,做的工作也最多。新疆环保科研所1984年接受“荒漠生态系统定位观测研究”工作。中科院在新疆建立了阜康、策勒、吐鲁番等生态实验站,目前已取得了一定的成果。

  近年来,我国提出的“地球动态观测信息网络”、“我国代表类型区生态状况和变迁规律的大尺度时空观测研究以及发展趋势预测”,“中国资源生态环境预警研究”等方案及计划,均侧重生态监测的内容。在此基础上,中科院的“我国生态系统研究站网”研究计划(CERN)已经实施,其所属的53个生态定位站进行了大量的生态研究工作,成果已引起世界各国的关注。新疆、内蒙、洞庭湖、舟山等生态站的建立,为生态监测提供了广大的应用前景。国内在生态监测指标及生态质量评价指标体系方面也做了一些工作。中山大学与华南环科所在海南岛生态质量评价指标体系研究中,提出生物量、多样性、稳定性和清洁度四原则和20个指标参数,并将每个参数按生态学特征及影响划分为5个等级。吉林环科所对东北自然保护区生态指标体系研究中,将生态指标体系划分为三个层次五个指标。袁国应等自1987年起开展了荒漠生态监测指标体系的定位观测研究,历经5年建立了荒漠生态系统指标体系。陆强国根据洞庭湖湿地功能区特点及生态目标,拟定了生态监测指标体系和优先监测项目。张建辉等对农业监测目标与监测指标体系选择进行了探讨。宋国利等提出了北方森林、农业、矿业开发生态监测指标。沈志介绍了物候学在生态监测中的应用。目前,我国生态监测工作的特点注重生态过程的研究,生态监测覆盖范围较小,属微观监测范畴。

  随着我国空间技术的发展,宏观生态监测有了一定的进步,3S技术成为近几年来生态监测工作者们研究的重点内容,并显示出其快速准确的明显优点,是宏观监测技术发展的趋势:“六五”期间内蒙古草场资源遥感调查,“七五”期间三北防护林遥感调查、黄土高原遥感调查均包括生态监测内容。新疆环境监测中心站利用全区气象卫星NOAA-12五个波段影象数据,完成了全区土地荒漠现状的评价工作。利用遥感技术对热带森林植被的动态变化、森林火灾后生态变化遥感监测评价模型的构建方法、中国北方沙尘灾害特点及其下垫面状况、金衢盆地土地退化、黄河三角洲盐碱地、内蒙古土地盐渍化典型区域动态监测、广州珠江口、太湖水体污染、大连湾海域水体富营养化状况、利用GIS系统预测预报模型对黄土高原、三峡库区等重点侵蚀区域进行土地退化预报、景观生态退化预测、小流域土壤侵蚀预测和应用国土资源卫星数据对陕北黄土高原生态环境进行遥感动态监测,初步建立了生态环境的遥感识别标志等进行了研究。近年来,利用遥感技术监测牧场产量、农作物产量、资源调查、水土保持状况和灾害预测等方面都取得了一定的成果,为宏观生态监测积累了经验。其中热带森林植被的动态变化遥感监测课题是世界自然基金会(原称世界野生生物基金会)西双版纳自然保护资助合作项目,由中方和比利时遥感技术人员共同完成,利用多时相遥感图象判读,系统分析了西双版纳森林植被的动态变化,其结果经地面实况验证基本属实,为结构极为复杂的热带森林植被动态变化监测探索了一条新路。笔者认为利用3S技术解决生态环境监测问题要注意GPS,GIS,RS三相技术的结合,利用任一技术要想对环境进行综合监测评价是不可能的。RS象片应用进一步提高判读和分类精度,涉及计算机分类精度的提高,需利用已有信息资料辅助区划,利用技术人员协助判读,利用GIS产生辅助判读因子,同时加强地面调查工作。

  从国内已有工作来看,许多现代化的技术和手段,还没有在生态监测中发挥作用。多数工作尚属研究性质,环境监测意义尚的常规生态监测工作尚在起步和酝酿中,急待开发和实施。目前,特别需要一套操作性强的指标体系和方法,并且对各种生态类型监测的技术路线和要求有一个统一的规划,以便大范围普遍开展生态监测工作。

  8 结语

  生态监测是一项复杂的系统工程,它对环境监测工作者提出了更高的要求。环境监测的最终结果是对环境质量进行评价从而提出污染治理方案。生态监测将为更深层次的环境管理和决策部门服务,提出生态环境规划、生态设计方案,最终目的是建立天地人和的生态环境。

  生态监测的总体趋势是:三S技术和地面监测相结合,从宏观和微观角度来全面审视生态质量;网络设计趋于一体化,考虑全球生态质量变化,在生态质量评价上逐步从生态质量现状评价转为生态风险评价,以提供早期预警;在信息管理上强调标准化、规范化,广泛采用地理信息系统,加强国与国之间的合作。总之,随着经济的发展,人口、资源、环境问题的日益严峻,单纯从理化、生物指标监测来了解环境质量已不能满足要求,生态监测是环境监测发展的必然趋势,它必将被广大环境监测工作者逐步认识和掌握。

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