白馬雪山國家級自然保護區“天空地一體化”生態監測技術體系構建初探*

李琴，楊永貴，提布，許琨，趙筱青

(1.云南省生態環境監測中心，云南 昆明 650034；2.白馬雪山國家級自然保護區管護局德欽分局,云南 德欽674599；3.中科院昆明植物研究所,云南 昆明 650201；4.云南大學地球科學學院，云南 昆明 650500)

云南擁有良好的生態環境和自然稟賦，是生物多樣性高度富集的地區，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之一[1]。良好的生態環境是云南實現跨越發展的獨特優勢和核心競爭力，為了適應“生態立省、環境優先”的發展方向，云南省人民政府辦公廳印發了《云南省生態環境監測網絡建設工作方案》(云政辦發[2017]12號)，要求推進生態環境監測網絡建設，完善生物多樣性保護優先區等重點保護區域的生態環境狀況監測網絡。為推動云南省生態環境監測網絡建設，初步構建“天空地一體化”的生態環境監測技術體系，促進云南省長江經濟帶水源涵養區的生態環境保護， 從2019年開始由云南省生態環境監測中心牽頭，聯合白馬雪山國家級自然保護區管護局、中國科學院昆明植物研究所麗江森林生態系統定位研究站、云南大學地球科學學院，選取白馬雪山國家級自然保護區作為西南山地典型高山植被垂直帶生態監測試點，開展以遙感監測、低空無人機典型區域監測、生物及環境要素地面監測為手段的生態監測。

1 材料與方法

1.1 監測區域概況及監測點位布設

白馬雪山國家級自然保護區地處云南省西北部、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之一[2]。保護區海拔相對高差達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也是長江中上游地區重要的水源地之一，孕育了金沙江的一級支流珠巴洛河。云南省生態環境監測中心2019年的遙感監測數據顯示，珠巴洛河流域總面積約1 835 km2，在保護區內的流域面積就達1 577 km2。

白馬雪山生態監測點位布設情況如下：生物要素監測點位包括植物群落監測固定樣地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了急尖長苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)和大果紅杉(Larixpotaniniivar.macrocarpa)監測樣地各一塊；動物監測樣線2條，紅外相機布設線路2條[4]。環境要素監測點位包括珠巴洛河入金沙江口水質監測點位1個、空氣自動監測點位3個、氣象監測點位1個和土壤監測點位6個。生態環境遙感監測范圍以白馬雪山國家級自然保護區為核心區域，東至金沙江，西至瀾滄江，東北至保護區北界線，西北至德欽縣城北山脊線，東南至臘普河，西南至保護區南界線。低空無人機監測范圍為7塊固定樣地周邊典型區域。

1.2 監測內容

1.2.1 地面監測

(1)生物要素監測

植物群落監測 植物群落的監測對象包括生境、喬木層、灌木層和草本層。生境監測指標包括地名、地形地貌、坡向、坡度、坡位、海拔、土壤、地被物、人為干擾情況等。喬木層監測指標包括物種、密度、頻度、胸徑、冠幅，物種數、優勢種、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。灌木層和草本層監測指標包括物種、株/從數、蓋度、高度，物種數、優勢種、平均高度、群落蓋度。

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

動物監測 動物監測對象為鳥類和獸類，監測方式為樣線監測和紅外相機監測兩種方式[6]，樣線監測方法主要參考《自然保護區與國家公園生物多樣性監測技術規程》(DB 53/T 391-2012)的直觀監測法和蹤跡監測法。獸類監測基于保護區內一條長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。固定樣線每半年監測一次，每次監測均設兩次重復，間隔時間為7 d。紅外相機監測線路有兩條，為曲宗貢生態定位站至尼思各甲和曲宗貢生態定位站至崩樹青擁牧場路，15臺紅外相機布設在了動物獸道、糞場等活動頻繁的場所，安裝在距離地面50～100 cm的樹干上。相機設定為錄像和拍照混合模式，連續感應時間間隔30 s。

(2)環境要素監測

環境要素監測對象主要為地表水、空氣、土壤，具體監測指標和監測頻次詳見表1所示。環境要素監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)和臭氧自動監測儀，氣象五參數自動監測儀，負氧離子、臭氧、紫外線自動監測儀等。水質監測頻次是依據生態環境部印發的2019年國家生態環境監測方案(環辦監測函[2019]112號)執行，而土壤監測頻次則是參照2017年中國環境監測總站印發的生態環境地面監測工作補充方案(總站生字[2019]148號)執行。

表1 環境要素監測的內容及指標

1.2.2 低空無人機監測

無人機在生態監測中的運用能彌補遙感監測影像時相性不好、分辨率不高的缺點，并且可以掛載監測設備進入通達性不好的區域，獲取較地面監測更宏觀的監測數據[7]。

2020年6月云南省生態環境監測中心利用無人機在白馬雪山完成了2個監測任務：一是用大疆經緯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域的高清正射影像和3D影像。突破了傳統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]，得到真實反映監測樣地外觀、高度、表面積等屬性的三維數據。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構和空間分布進行分析[9]。本次無人機監測搭載的一體式多光譜成像系統集成了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域的RGB影像與NDVI影像，用于監測區域的NDVI指數分析。

1.2.3 遙感監測

生態環境遙感監測選用每年3月下旬和10月下旬兩期Sentinel-2A影像數據，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，其中景觀格局監測內容為各景觀要素面積、所占比例(%)、斑塊數量(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、香濃多樣性指數和蔓延度指數[10]；采用全年的GPM數據和Modis13Q1的NDVI產品數據對水源涵養進行監測。

2 結果與分析

2.1 植物樣方監測

7個群落樣方調查結果見表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查結果顯示：群落健康、沒有更新障礙。從圖1該樣地喬木優勢種瀾滄黃杉(Pseudotsugaforrestii)的空間點格局分析也可以看出，在相對距離小于3 m以內呈現聚集分布，隨尺度增加聚集效應減弱，在6 m以上呈現隨機分布。說明了樣地成年植株由于競爭導致其逐漸呈現隨機分布，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勢種空間點格局

2.2 動物樣線監測

兩條獸類樣線2020年共監測到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 無人機監測

2020年6月白馬雪山國家級自然保護區的無人機監測共拍攝了監測樣地及周邊典型區域的正射和傾斜影像共38 330張，六波段多光譜影像5 766張。影像經專業軟件拼接處理后，輸出樣地及周邊典型區域實景二維正射和三維傾斜數據模型，光譜數據則用于NDVI空間分析。

2.4 遙感監測

遙感監測結果節選了景觀格局空間分析結果，2020年10月29日的影像解譯分析結果。白馬雪山國家級自然保護區景觀格局以有林地、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：有林地分布在監測區南部、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；耕地分布在監測區的西南部；其他建設用地主要為道路，多數分布在監測區北部；居民點分布則相對分散。

2.5 環境要素監測

2019年和2020年環境要素監測結果顯示，保護區環境質量本底較好。按環境空氣質量標準GB3095—2012評價[11]，環境空氣質量優良率達到100%；按地表水環境質量標準GB3838—2002評價[12]，珠巴洛河入金沙江口水質達到或優于Ⅱ類以上比例也為100.0%。因原《土壤環境質量標準》(GB15618—1995)已被《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(GB15618—2018)[13]替代，按現行標準評價， 6塊固定樣地土壤汞、鉻、鎘、砷、鉛的測定結果(流石灘稀疏植被帶因主要以礫石為主，未進行土壤監測)，除溫性針闊混交帶土壤鎘含量(0.61 mg/kg)略高于農用地土壤污染風險篩選值0.6 mg/kg(當pH>7.5時)，其余各樣地5項重金屬指標測定值均低于農用地土壤污染風險篩選值。從土壤pH值測定結果來看，除以大果紅杉為優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果來看，溫性針闊混交帶樣地土壤的有機質含量、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

目前云南省的生態監測還存在站網不全、監測要素及監測手段單一、監測預警能力弱的現狀，還不能滿足國家和省政府對生態環境監測網絡建設的需求。在“十三·五”期間，云南省生態環境廳就已經把強化生態監測納入了云南省生態環境監測網絡建設的重點工作任務，生態監測、評價與預警體系的構建勢在必行。

首先，應有效整合現有的分散在生態環境、自然資源、林草、中科院及高校等部門的生態定位研究站點，查缺補漏，完善重要生態功能區、生態脆弱區、重要湖泊濕地等區域的生態監測站網，并建立全省生態監測大數據平臺，在生態監測站網建設和數據管理中實現統一規劃、統一標準、優化布局；其次，構建云南省“天空地一體化”的生態監測、評價與預警技術體系，統一監測標準和評價規范，完善監測要素和技術手段，讓生態監測不局限于生態系統結構功能研究，同時也關注人類活動對生態系統狀況與服務功能的影響，關注生態系統健康評估和演變綜合評估，從而有效地預警生態風險。

白馬雪山國家級自然保護區生態監測是對“天空地一體化”生態監測、評價與預警技術體系構建的一次新嘗試，也是對多部門、多要素、多手段生態監測的一次初探，雖然目前還存在氣象監測要素不全、樣地監測廣度和時間尺度不夠的問題，今后應逐漸補齊短板，持續開展生態監測，為保護區森林生態系統的健康評價和預報預警提供多維的數據支撐。