國外草原生態環境監測體系現狀及對我國的啟示*

劉欣超，張 靖，辛曉平，徐大偉，庾 強，閆瑞瑞，王路路，，秦 琪，邵長亮※

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.內蒙古農牧業科學院，呼和浩特 010031；3.澳大利亞莫納什大學，墨爾本 028000；4.北京農學院生物與資源環境學院，北京 102206）

0 引言

我國是一個草原大國，有天然草原3.9 億hm2，約占全球草原面積12%，居世界第一。從我國各類土地資源來看，草原資源面積也是最大，占國土面積的40.9%，是耕地面積的2.9倍、森林面積的1.9倍，是耕地與森林面積之和的1.2 倍[1]。目前，我國天然草原存在面積正在減少、質量不斷下降，草原載畜力下降、普遍超載過牧，草原退化、沙化、鹽漬化等問題日益嚴重。20世紀90年代末，我國草原退化面積不斷增加，北方各省草原退化面積已過半數，在西部和青藏高原傳統草場中90%的草原出現退化的跡象，其中50%的草原退化程度達到中度以上，草原生態環境形勢十分嚴峻[2-4]。因此，當前開展草原生態環境監測研究是十分重要的。

現在，國際草原生態環境監測和信息服務體系建設，已經開始以數字化管理技術為切入點，實現網絡化、空間化、智能控制為主的全面信息化階段，能夠提供系統的數字信息和實用的數字化產品[5-7]。例如將氣象衛星資料用于草原植被遙感監測，計算特定區域的歸一化差植被指數，實現對草原生產力和草原面積的實時監測[8]；歐美學者也利用遙感技術手段進行草原生物量監測預報與草原資源退化監測，為草原資源的合理利用和調控提供了科學依據[9,10]。除了在生產、生態環境方面的監測研究外，以歐美和澳大利亞為代表的國家將計算機技術和對地觀測技術結合起來，發展出具有預警和管理決策的信息服務系統[11-13]。這些系統所提供的服務都在草原資源環境監測的基礎上深化了監測產品對草原經營管理的作用和效益，對完善我國草原信息服務體系和推動我國草原畜牧業現代化、產業化進程具有重要意義[14-16]。針對這一情況，文章通過對美國、澳大利亞、歐盟等草畜業先進國家的草原生態環境監測現狀進行概覽并通過分析、討論以實現如下目標：（1）了解國際草原生態環境監測與信息服務技術體系的發展應用現狀；（2）對國內外草原生態環境監測發展現狀特點進行比較分析；（3）對我國草原生態環境監測與信息服務體系發展方向提供啟示。

1 歐美國家草原生態環境監測體系特點

1.1 澳大利亞

1.1.1 建構完善的法律體系，依法保護生態環境

澳大利亞從20 世紀60 年代開始制定環境保護法律法規，澳大利亞的聯邦、州、市3 級政府都有相應的法律法規。聯邦的環境保護立法有50多個，如“環境保護和生物多樣性保持法”“國家公園和野生生物保護法”等。自1990年代起，每5年就會在全境開展生態環境全面普查，對生態環境狀況開展系統評估，隨后聯邦政府為了鼓勵環保產業的發展，制定了一系列稅收優惠政策[17]。目前，生態環境保護在澳大利亞被提高到了國家戰略的層面，受到各級政府的高度重視和監管。同時，聯邦、州與市三級政府之間職責明確，分工協作，聯邦政府負責在國家層面進行生態環境的統籌規劃和綜合治理，州政府負責生態環境建設和保護，市政府則在州發展框架和指導下制定和執行本市范圍內的環保規劃[17-18]。

澳大利亞是生態環境保護較好的國家之一，歸功于完整齊全的生態環境保護的法律條例與規章制度，以及良好的公民生態文明素質。澳大利亞的聯邦、州、市三級政府的生態環保立法大多以預防為主，同時相關法律條款制定的非常細致，便于掌握，操作性強[19]。與立法同樣重要的是澳大利亞對于維護環境保護法律法規的權威和嚴格執法十分重視，對于任何違法相關法律的個人、企業、組織都會依法懲處。

1.1.2 草原監測體系穩步發展

在20世紀90年代之前，澳大利亞的草原監測主要由州級主管部門獨立制定方案計劃開展工作，基本都是通過地面調查的方式進行。在這一階段，雖然各州都普遍重視畜牧生產對生態環境的影響問題，但同時存在著各州監測標準不統一，監測體系無法滿足實際需要等問題。自1997 年起澳大利亞聯邦政府成立了國家土地和水資源稽查局，并頒布了一系列工作計劃和項目，建立了涵蓋草原生態系統結構、物候狀況、產草量和社會人文等相對綜合全面的指標體系，在全國范圍內進行的草原監測和數據收集工作[20,21]。2000年澳大利亞國家土地和水資源稽查局在聯邦政府的支持下整合了全國范圍內來自不同地區和不同部門草原監測和畜牧產業信息，建立了綜合性的澳大利亞合作牧地信息系統（Australian Collaborative Rangelands Information System，ACRIS)，并定期為澳大利亞政府提供草原生態環境監測數據并發布相關報告，分析澳大利亞全國范圍內草原生態環境和畜牧生產的相關情況（http:www.environment.gov.au/land/acris/index.html）[22]。

1.1.3 依據各州情況針對性地開展草原監測

在組成澳大利亞聯邦的6州2地中，大部分地區都各自開展了生態環境和畜牧產業的特點，針對性地開展了大量的工作：（1）位于澳大利亞東南部的新南威爾士州，其國土和水資源保護部，根據該州東部濕潤疏林草地區，中部半干旱灌叢草地區和西部干旱荒漠草地區的各自特點針對性的制定了草原評估計劃，該計劃自20世紀90年代以來建立了340個草地實地監測點，開展了生態環境常規監測，同時在人員培訓、資料整理更新方面也做了大量工作[23]；（2）在南澳大利亞州草原生態環境監測任務主要是由環境和水資源部負責的，該州草原監測工作主要關注于草原土地覆被變化和土地管理方面；（3）澳大利亞聯邦面積最大的西澳大利亞州地廣人稀，自然生態環境相對來說保留原始狀態，其農業部建立了西澳大利亞草原監測系統（The Western Australian Rangeland Monitoring System，WARMS），負責草場的管理、監測和評估。（4）在澳大利亞北領地國土規劃和環境部負責草原生態環境監測工作，監測內容主要有牧場測繪和草地資源評估等。

1.2 美國

1.2.1 成熟的國家監測體系

早在20 世紀初美國就已利用國家監測體系（The Long-Term Agroecosystem Research Network，LTAR）開展土地監測工作，經過100 多年的發展完善，逐漸形成了較為完整的監測和信息化管理的結構體系[24]。國家政府統一負責體系的管理和運行，并提供資金、技術和設備等方面的支持。以美國農業實驗站為例，按照流域劃分，在18個區域共分布有23個實驗臺站。實驗站主要負責實地觀測、收集數據、并對數據進行初步整理、上傳匯交。采用地面調查和遙感進行監測，內容涉及氣象信息、生產力信息、地面生態環境監測信息（包括牧草高度、草原植被蓋度、草原植被多樣性、枯落物量、土壤緊實度、土壤侵蝕等）[25]。

1.2.2 基于信息化手段充分發揮草原評價和監測數據的服務作用

在美國草原評價和監測方法信息化管理上，美國農業部農業研究中心基于NCIC（National Cartographic Information Center）景觀工具項目和OCS 合作組織的研究內容，集合多位牧場主、草原管理人員和專家學者共同設計，發展出了一種基于Wiki 交互式工具指南用于草原監測和評價信息的管理。這一指南將相關研究成果、來自不同組織的文件和相關報告以及專家經驗和建議等信息進行了有效整合，使得使用者能夠更好地分析解釋監測數據，并服務于草原管理。該指南包括兩部分，第一部分是發現工具，通過輸入查詢題目、關鍵詞、日期和尺度等搜索信息，調用數據庫為使用者提供數據和相關方法信息；另外一部分基于Wiki 的搜索網頁，能為使用者提供多種格式的方法和數據內容。在指南中，考慮到的數據涵蓋以下14個方面：植被蓋度、植物種類、密度、頻度、多樣性/豐富度、存在度、土地利用分類、植被垂直蓋度和結構、數量和狀態、邊界制圖、產量/生物量、土壤屬性和牧草利用程度等[26]。

1.2.3 切實有效的草原健康評價指標體系和信息化管理系統

草原健康評價是草原監測工作的重要內容，這一評價可以提供草原生態系統質量信息，進而為管理者在生態修復等決策過程提供參考信息。當前美國西部的土地管理者一般采用Pyke 等提出的草原健康評價指標體系，包含細溝、水流痕跡、平地和/或階地、裸地、切溝、凋落物移動、表層土壤抗侵蝕能力、表層土壤流失或退化情況、滲透和徑流引起的植物群落組成和分布的情況、緊實土層的深度、植物功能或群落結構、植物死亡率或腐爛程度、凋落物量、年產量、有害或入侵植物的種類和數量、多年生植物再生產能力等17個指標[27,28]。

對于美國草原管理信息系統來說，在國家尺度上主要有美國土地管理局負責的覆蓋全國的公有草原信息管理系統，覆蓋了全國范圍內的共有草地。而美國草原主要分布范圍內的州也都建立了州一級草原信息化管理系統。美國農業部按照實現草原“精確放牧”的設想構建了全國性的牧場信息化管理系統。其數據庫的數據來源：一是基礎數據由各州自行收集，二是委托給第三方收集一些特殊數據，三是國家實驗臺站的觀測數據等。

1.3 歐盟

1.3.1 以各成員國為基本的信息收集單位，使用統一的數據標準

INSPIRE（Infrastructure for Spatial Information in the European Community）歐盟空間信息基礎設施：是歐盟關于建設空間數據基礎設施而發布的一部法案，于2002 年發布，法案規定了各歐盟成員國需要收集本國的空間數據，并定期匯報給歐盟，由歐盟統一整理發布，法案規定了各國需要收集的空間數據類型，其中關于草原生態系統的空間數據發布于附錄第2條第2款。該法案要求歐盟成員國每年匯報數據收集情況，自2017年開始，每5年向歐盟提交本國收集數據，并發布于網站上可供公眾查詢。自法案發布以來，雖然來自成員國的抱怨頗多，但已經基本實現空間信息的統一標準和共享，建立起來一個“第三方部門收集數據—成員國相應組織整理數據—歐盟統一發布數據”的良好鏈條，各相關數據，如草原面積、草原范圍、家畜數量分布、土壤狀況等，都在相關網站上對公眾開放，可免費獲取。缺點是具有一定的滯后性，并且此數據庫的部分內容和歐盟統計局數據庫（Eurostat）稍有重疊[29]。

LULUCF（Land Use，Land Use Change and Forestry）土地利用/土地利用變化和林業：此法案的是基于529/2013/EU 做出的擴大和修改，于2018 年發布，代替原有的529/2013/EU 法案，主要規定了各成員國在管理、監測、改善土地利用和土地利用改變所產生的碳排放問題，其中規定了關于各成員國碳排放的上限，并規定了需要減少的碳排放量[30]。提出了關于牧場管理和牧場改良有關的措施，例如：通過改變放牧的強度和時間來改善放牧地的管理；提高生產力，改善營養管理，改善消防管理；引進更合適的物種，尤其是深根物種等[31]。

1.3.2 種類繁多且針對性強的監測系統和數據庫管理系統

歐盟關于草原生態環境監測以各成員國為基本的信息收集單位，使用統一的數據標準，錄入歐盟數據庫統一對外發布。具體監測事項詳細、監測系統種類繁多，針對同一生態系統的不同服務功能，有不同的監測系統和數據庫管理系統，而且生態環境監測的數據發布和公眾服務相對完善，用戶通過一個網站就可以免費獲取數據[32-33]。

關于監測與信息發布，歐盟頒布法案要求各成員國應建立并運行一個綜合的管理和控制系統，綜合系統應包括以下要素：①計算機數據庫：包括農業包裹識別系統、識別和注冊付款權利的系統、援助申請和付款要求；②集成控制系統；③一個用于記錄提交援助申請或付款請求的每個受益人身份的信息系統[34]。較為典型的數據庫系統有監測生態多樣性監測的歐洲自然信息系統（https://eunis.eea.europa.eu/），針對飼草料和乳畜產品的農業綜合行政管理系統（IACS）[35]；監測統計農業生產經營狀況的農場會計數據網絡（http://ring.ciard.net/eu-farm-accountancy-data-network-fadn）等。

1.3.3 活躍的技術創新及成果轉化應用

政策法規的能夠按時完成的背后基礎是歐洲對草原和畜牧業科學研究的大力支持，前面提到的各項政策法規都有對應的項目研究資助平臺，可供研究人員申請研究項目和科研經費，并在平臺上發布研究成果。比如，與生物多樣性信息系統BISE同屬于歐盟環境法案的LIFE項目平臺，自2013年設立以來共資助了115 個草原生態研究方向的研究項目。與LULUCF 同屬歐盟共同農業政策的歐洲農業創新合作組織（EIP-AGR）平臺，該平臺將多方參與者召集在一起，幫助研究人員獲得經費信息，幫助歐盟資助項目公開項目研究成果，還承擔著科普和研究成果轉化工作，平臺上共享有44 個草原生態和草原放牧家畜方向的科研項目進展和成果[36]。在這些項目中，針對正在進行的項目進行了調查，選取了幾個可供參考的項目，如下。

Inno4Grass（https://inno4grass.eu/en/）-歐洲草原可持續生產力的共享創新空間：Inno4Grass 自2018 年開始至2020 年結束，歐盟“地平線2020”基金資助200 萬歐元，用于構建新型草牧業智慧生產實踐（圖1）。智慧草業智慧牧業（Precision livestock farm）自20 世紀90 年代提出以來，在科學研究上已經取得了一系列成果，但是實際應用領域卻異常缺乏[37]。調查表明，截止2017年沒有一個私人牧場使用全套智慧牧場技術，使用部分智慧牧業管理的私人牧場不足3%，大型公司牧場的智能管理使用不足15%，草原智慧管理技術的高成本使無論是私營牧民或大型公司都望而卻步。研究機構和科研院所利用研究經費，在部分牧場及小范圍的應用了智慧草牧管理方案，取得了很好的成績，可是研究一旦結束，牧場主更傾向回到以前相對落后不環保的養殖方式[38]。Inno4Grass 為了解決這個問題，在全歐洲8個國家范圍內，選取對新技術有較高積極性的牧場主，聯合科研院所一起，為這些牧場主搭建智慧牧場，讓他們在牧場應用先進的智慧草牧管理技術，一方面能普及智慧牧場技術，通過獎勵農場主刺激他們接受先進的智慧牧場技術，另一方面，為科研機構提供更多的技術案例，能在不同草場環境下的智慧牧場發現問題，研究新方法新策略，完善智慧牧場相關技術。Inno4Grass 共有愛爾蘭、德國、法國、荷蘭、瑞典、波蘭、意大利、比利時等8 個國家，共59 個組織機構參與，包含20 家研究機構（大學、科研院所和具有研究實力的私人公司），其中每個國家各有一個研究機構，一個私人機構或政府機構參與。私人機構或政府機構負責篩選牧場主，研究機構負責在牧場中進行智慧牧場技術的架設和研究，除此之外，還有3家私人公司負責推廣和技術科普。歐洲草業聯盟(EGF)和歐盟農業生產和可持續發展部門作為總體的聯絡者負責整個項目的進行，并且每年會給予有杰出成果的牧場一定獎勵。

圖1 歐盟Inno4Grass項目管理結構

4D4F（Data Driven Dairy Decisions for Farmers，https://4d4f.eu/）-數據驅動的奶農決策系統：這是一個為期4 年的數據研究項目，由歐盟“地平線2020”資助，5 個國家15 家機構參與，其中包括數據處理公司、乳制品企業和兩所大學。該項目將智慧牧業（Precision livestock farm）和數據共享與大數據技術結合，重點關注奶牛動物和環境傳感器在收集實時信息中所扮演的角色，以幫助做出更明智的奶業決策。該項目將建立一個由農民、農場顧問、技術供應商、獸醫和研究人員組成的實踐社區，收集和促進數據和傳感器技術的最佳實踐。項目方案是通過傳感器和數據分析工具、視頻、信息圖表和乳制品傳感器技術所構成的在線虛擬倉庫來生成一個最佳實踐指南將結果傳達給農民。這個過程要通過生成一個標準監督程序（SOPs）來實現，該程序可針對各個農場量身定制，以幫助農民和農場顧問采用乳制品傳感器和數據分析技術[29]。SOP將由工作組制定制，這個工作組包括農民、農場顧問、技術供應商和研究人員，他們將共同制定對農民友好的SOP。同時，農場活動和研討會將對在線COP 和已發布的交流工具予以補充，以幫助農民和農場顧問實施創新的傳感器和數據分析技術。講習班和活動將促進農民與其同齡人之間就如何在自己的企業中最好地使用傳感器和數據分析進行討論。這個過程中產生本地對等支持，生成農場大數據，以促進采用數據驅動型乳制品決策。

2 國際上的主要做法與經驗

生態文明重在建設和保護，在生態環境問題上，雖然我國在草原資源特征、社會經濟情況、草原資源所有權和管理體制、草原政策法規等方面差異顯著，但也存在許多相似之處。尤其是其十分完善的草原監測及信息信息服務體上的一些好的經驗和做法，值得借鑒。

2.1 從政策大局上轉變養殖方式，保護生態環境

美澳等國畜牧業經歷了從粗放型向集約型轉變的發展歷程和模式，前期粗放型畜牧業發展過程中使得這些國家草原生態環境狀況都出現不同程度的退化，轉變為集約化畜牧生產發展模式后，退化的草原生態環境得到了改善。參考以上國外經驗教訓，可以判斷中國畜牧業的未來發展方向和趨勢應以保護草原生態環境和實現畜牧產業的綠色可持續發展為總體目標，實現我國畜牧產業發展從傳統粗放經營到集約化生產模式的轉化，在保證畜牧產業可持續發展的同時切實保證草原生態環境狀況的改善[39]。

2.2 構建完善的草原生態環境監測評價體系

草原生態環境監測是對草原生態環境狀況、資源利用情況及其動態變化情況進行掌握的重要手段，也是開展草原生態環境保護工程建設以及制定草原資源保護和草原合理利用政策的基礎。以美國為例，20 世紀初就已開展全國的監測和評價體系建設工作。對于草原生態系統，美國按不同流域系統設置了生態監測站，為草原保護與利用提供數據支持和信息服務，實現了不同層級用戶對草原生態環境監測數據資源處于不同目的利用。與此對比我國當前草原生態監測站分屬于農業、科技、教育等有關行業和部門監測指標體系和技術框架互不統一，相互之間交流、協作與數據共享尚不充分。因此，國家農業農村部草原監理中心發布了《全國草原固定監測點建設總體規劃》，并按規劃逐步開展固定監測點基礎設施建設[40]。

2.3 加強草原信息化體系建設

歐美澳等國普遍對草原信息化建設和和相關數據應用高度重視。建立了相對完善的信息網絡，數據庫開放共享程度較高，可以為政府部門提供管理決策信息，為科研人員提供科研數據，為牧場主管理和利用草原提供指導信息。例如，美國自成立農業部以來一直在抓農業信息化。從農業信息化的工作內容、組織結構、法制建設到技術手段，不斷變革、不斷發展，到現在已經形成了龐大、完整和健全的制度和體系，建立了全球電子信息網絡和覆蓋全球的農業生產及農業經濟數據庫，可提供大量世界農業生產、農業經濟、需求等問題的研究報告。為確保農業信息化的快速發展，美國政府首先是通過對農業科研體制、投資結構和實用技術研究進行政策調整，在明確投資主體的前提下，加大力度進行農業信息系統的多項硬件建設。其次是提供充足的系統運行經費，每年10 億美元的農業信息經費支持，占農業行政經費的10%。在這樣的前提下，美國農業信息化保持了快速的發展勢頭。我國在草原信息化管理方面工作起步較晚，數據信息服務能力還很弱。結合國外經驗，我國應進一步加大草原信息化建設，通過組織開展信息網絡結構設計和系統開發，建成高效運行的全國草原信息管理系統，同時建立草原資源與生態動態調查制度，建立切實可行的草原生態環境監測信息數據共享機制，提高數據利用效率，為政府決策、指導生產、草原執法和農牧民生產提供依據和信息服務[41]。

2.4 加大國家經費、人員和政策支持力度

草原地面監測是耗費人力、財力的艱苦性工作，需要大量的資金投入才能有效開展。歐美澳等國基本上對于草原生態環境監測方面都建立了長期穩定的資金投入機制并建立了完善的監測體系，有相應機構負責體系的運行和監測工作的實施。然而，當前我國草原生態環境監測方面的資金投入尚難以滿足草原監測體系建設和運行方面的需求，且監測站點人員流動性較大，難以形成穩定可靠的人才隊伍。針對這一情況，草原監測體系建設應以長期的戰略目標為指導，通過設立專項資金、完善監測體系、設立專門崗位、定期開展人員培訓等手段，保持長期穩定的經費、人員和政策支持，逐步建立起覆蓋全國主要草原、布局科學合理、監測結果科學過硬的草原監測體系[42,43]。

2.5 促進畜牧生產的可持續發展

良好的生態環境、畜牧生產模式以及草原牧區社會經濟發展狀況是發展環境友好型可持續畜牧業的基礎條件，借鑒國外草原畜牧業高度的分布區域化、生產專業化和經營集約化的特色經驗，我國可結合自身國情，加大集約化飼養，全面實行區域性專業化集約經營，提高牧場勞動生產效率，推進畜牧產業健康發展。草原生態環境的保護與發展需要科學技術的推進，加強草原科技推廣，建立產學研緊密結合的產業技術體系，確保我國草原生態環境監測與畜牧業可持續。對于草原生態環境監測體系方面，需要切實開展草原基層數據收集整理，建立充實的基層監測數據庫，依托產學研一體化，形成從實驗室研發到實踐應用的高效轉化。吸納澳大利亞先進管理經驗，創新草原管理模式，推進最小“生態單元”草原精細化管理，完善草原基礎數據，并立足于畜牧產業的發展的切實需求，開發實用化產品提供草原生態環境監測信息和預警服務。

3 對我國今后草原生態環境監測體系發展的啟示

通過對國外草原生態環境監測與信息服務體系典型案例的分析，對我國相關工作的開展可得到如下啟示。

（1）國內外經驗表明草原生態環境的改善是一個長期的過程，在尊重自然的基礎上通過幾十年乃至更長的時間的努力才能使得草原生態環境得到逐步改善。因此我國在草原生態環境建設中應避免畢其功于一役的想法，需要堅持以長期戰略政策為向導，建立穩定的投入機制，重視固定監測點、人才隊伍建設和人員培訓等需要長期開展工作投入，合理規劃，逐步實現我國草原生態環境的改善和可持續發展。

（2）通過對國外相關領域的案例分析，可看到歐、美、澳等草牧業先進國家無不建立了完備的草原生態環境保護法規和切實可行的生態環境保護、利用、監測標準，使得相關工作的開展有法可依，有規可循，有據可查，這對于草原生態環境監測工作的長期化、規范化開展是十分重要的。我國當前出臺的《草原法》中明確規定了草原的總體規劃，但還應在此基礎上進一步修改和完善相關法律規范，保證法規政策的完整，有效力。

（3）長期以來歐盟、澳大利亞、美國等國在草原生態環境領域科研投入巨大，相關領域基礎科學研究長期處于世界先進水平，其扎實的基礎科學研究積累為建設符合本國實際情況的草原生態環境監測技術體系提供了有力的科技支撐。因此，加大我國相關領域基礎科研投入，開展一系列草原生態環境監測方面的基礎科學研究是必須要做的工作。

（4）草原生態類型多樣、環境問題復雜，草原生態環境監測涉及部門多、關系復雜，監測數據量大，數據種類豐富，往往需要不同部門不同領域的專家學者相互交叉合作才能完成對傳統生態環境的綜合監測，這也是中外草原監測工作所面臨的共同問題。歐、美、澳等國家在草原監測工作中提倡多部門合作，注重草原監測數據公開，高度共享，吸引不同專業的專家學者參加草原生態環境研究工作，為不同領域的新技術引入創造了條件，促進了多學科融合，同時也非常有利于相關領域的成果轉化，這是國外先進國家草原生態環境監測工作的一大亮點，十分值得我國借鑒。