極地海岸帶調(diào)查及前沿問題探析

摘要：文章提出了“極地海岸帶”這一概念，并從海岸帶內(nèi)涵的視角深入闡述了極地海岸帶的定義和范圍，全面分析了極地海岸帶的特殊性和重要性。從調(diào)查監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和涉及學科領域兩個角度梳理總結(jié)了與極地海岸帶相關的調(diào)查監(jiān)測實踐。同時，分析了極地海岸帶調(diào)查研究的前沿問題，提出了極地海岸帶資源生態(tài)要素的調(diào)查監(jiān)測發(fā)展方向，即充分利用遙感和現(xiàn)場探測手段，以較低成本來探明大空間尺度和長時間序列下的極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境生態(tài)要素與時空變化特征。最后，構(gòu)建了“雙源數(shù)據(jù)挖掘-空間耦合模擬-區(qū)域綜合評估-影響模擬預測”的知識與技術(shù)體系，為我國構(gòu)建極地海岸帶區(qū)域資源生態(tài)管理與保護政策體系提供科技支撐。

關鍵詞：極地海岸帶;調(diào)查監(jiān)測;前沿問題;關鍵知識與技術(shù)體系;發(fā)展展望

中圖分類號：P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）03-0003-10

0 引言目前，極地科學和技術(shù)正處于快速發(fā)展時期，各國對南北極的重視度也在迅速升溫，針對極地生態(tài)環(huán)境、保護區(qū)設置、國際公約履行和相關組織架構(gòu)模式的討論愈演愈熱，人類活動對極地的影響，尤其是南極的相關新議題不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)演化成國家間的政治博弈問題。南極大陸陸域面積約1400萬km2，其中83%的大陸曾被英國、法國和新西蘭等7國提出過主權(quán)聲索。值得關注的是，部分國家通過新建科考站、設置南極特別保護區(qū)、推廣南大洋新地理體系等手段不斷拓展自身的南極政治利益。

極地海岸帶，作為人類在極地范圍活動最為頻繁的區(qū)域，也是各國關注的核心區(qū)域。目前各國開展的大量極地科學考察涉及了多學科、多領域、多地區(qū)，在歷次極地科考過程中也有涉及海岸帶區(qū)域，其中涉及的調(diào)查技術(shù)、學科和領域也較多，但目前尚缺少系統(tǒng)的針對極地海岸帶開展綜合性調(diào)查。

盡管我國南北極考察在技術(shù)和學科研究方面已取得一些成果，但仍缺乏極地海岸帶區(qū)域長時間序列和大空間尺度的遙感與實測數(shù)據(jù)，對該區(qū)域資源生態(tài)要素的認知極為匱乏，致使諸多極地國際事務缺乏基礎數(shù)據(jù)與科學結(jié)論的支撐，難以為我國在南北極國際談判中爭取有利地位，不利于維護與實現(xiàn)國家極地權(quán)益。此外，探明極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境本底，追蹤時空變化特征，開展可視化預測模擬，是我國極地戰(zhàn)略政策制定和權(quán)益爭取的基礎，更是提升我國參與極地事務主動權(quán)和話語權(quán)的重要保障。如何以較低的成本實現(xiàn)對極地尤其是海岸帶區(qū)域自然資源和生態(tài)要素快速且準確的監(jiān)測、模擬和評估，逐漸成為一個重要而緊迫的課題。本研究將從海岸帶的內(nèi)涵和定義出發(fā)，深入研究極地海岸帶的重要性、特殊性，全面梳理極地海岸帶相關的調(diào)查技術(shù)和學科領域，并針對極地海岸帶研究需求嘗試分析前沿問題，并系統(tǒng)提出遙感與現(xiàn)場相結(jié)合的資源環(huán)境生態(tài)要素調(diào)查方案和體系。

1 極地海岸帶的內(nèi)涵與特殊性

1.1 海岸帶定義與特征

1.1.1 海岸帶定義

海岸帶是陸海的關鍵地帶，受海洋與陸地雙重影響[1-2]。從復合系統(tǒng)視角出發(fā)，闡釋海岸帶具有陸海交互地帶整體性特點，強調(diào)從陸海統(tǒng)籌的角度對海岸帶資源環(huán)境變化系統(tǒng)研究，對實現(xiàn)海岸帶的全面認知、整體保護和綜合治理具有重要意義。海岸帶陸海相互作用計劃（LOICZ）將海岸帶定義為“陸地—海洋相互作用的過渡地帶”。它主要包括從近岸平原一直延伸到大陸架坡折帶之間的廣闊區(qū)域，特別是第四紀末期海平面變化過程中被淹沒或露出的范圍[3]。我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項的《海岸帶調(diào)查技術(shù)規(guī)程》將海岸帶定義為“海洋與陸地相互接觸、相互作用和相互影響的地帶”。國家標準《海洋學術(shù)語海洋地質(zhì)學》（GB/T18190—2017）定義海岸帶為“海洋與陸地相互作用的過渡地帶”，海岸帶范圍上限起自現(xiàn)代海水能夠作用到陸地的最遠界，下限為波浪作用影響海底的最深界，或現(xiàn)代沿岸沉積可以到達的海底最遠界限。作為具有空間特性的海岸帶，雖然上、下界限的判定不盡相同，但“兼具海洋與陸地雙重特征的海陸相互作用過渡地帶”的本質(zhì)內(nèi)涵卻是一致的。

1.1.2 海岸帶特征

在發(fā)生于水圈、巖石圈、大氣圈和生物圈之間的地球系統(tǒng)物質(zhì)大循環(huán)中，海岸帶是四大圈層間相互作用最劇烈的傳播導體。加之海岸帶地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達，使得人類干擾強烈，形成了自然和人為各種過程交織的情形[4]。海岸帶具有以下幾方面特征。

（1）陸海交錯特征。海岸帶在洋流、地形地貌、生態(tài)系統(tǒng)類型等自然環(huán)境方面具有陸地和海洋雙重特征。海岸帶區(qū)域洋流與開放海域相比有顯著的差別。因受到沿海海岸阻力和摩擦的影響，在近海和淺海形成了較為復雜的水力學環(huán)境，如：大陸架環(huán)流、海峽環(huán)流、內(nèi)海環(huán)流、灣內(nèi)環(huán)流等。由于地處海陸相互作用地帶，海岸帶地區(qū)地形地貌特征明顯，沿海陸域海岸侵蝕和海岸堆積地貌環(huán)境發(fā)育明顯，近岸海域則主要分布有水下丘陵、盆地和河谷等地形，以及近岸淺灘和珊瑚礁等獨特地貌[5]。此外，受咸-淡水交接直接影響，海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)也表現(xiàn)出珊瑚礁、紅樹林、海草床等濕地次級類型廣泛分布的特殊分布類型[6]。

（2）生境脆弱特征。受陸海格局、地形地貌、入海河流、洋流、氣候、政策、社會、經(jīng)濟、人口、交通等自然因素和人文因素的共同作用，海岸帶與陸地區(qū)域和海洋區(qū)域有著明顯的區(qū)別[7]，具有極其特殊的生態(tài)環(huán)境，表現(xiàn)出邊緣效應明顯、環(huán)境變化梯度大和自我恢復能力較弱的生態(tài)脆弱性。近年來，作為社會經(jīng)濟發(fā)展的主要區(qū)域，海岸帶生態(tài)系統(tǒng)受人類干擾影響同樣巨大。由于人類活動頻繁而無序，使得海岸帶本就脆弱的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重威脅和破壞，世界范圍內(nèi)約30%～50%的海岸帶生態(tài)系統(tǒng)正處于不斷退化的狀態(tài)。

（3）人文特征。海岸帶作為世界上人口、城市、產(chǎn)業(yè)最密集的地帶之一，形成了海洋型社會，創(chuàng)造了海洋獨特的精神文明和物質(zhì)文明，在社會制度、經(jīng)濟發(fā)展、思想精神和人文藝術(shù)等方面都較為領先[8]。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，濱海的旅游業(yè)以天然的海岸帶資源為基礎，逐步發(fā)展為一種高聯(lián)動的、綜合性的旅游服務業(yè)[9]。港口航運得益于海岸帶地區(qū)得天獨厚的地理位置和資源優(yōu)勢，已成為世界范圍內(nèi)最重要的交通運輸形式之一[10]。近年來，隨著國際社會的共同努力，海岸帶立法工作和相關的政策法規(guī)陸續(xù)出臺。例如，中國開展的“全國海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查”[11]、美國確立的《海岸帶管理法》[12]、歐盟提出的“歐洲議會和歐洲理事會建議”[13]等，大大提升了海岸帶綜合管理在全球可持續(xù)發(fā)展目標進程中的地位。

1.2 極地海岸帶的特殊性和重要性

根據(jù)海岸帶的內(nèi)涵定義，極地海岸帶不同于傳統(tǒng)海岸帶概念，其受陸地、海洋與海冰的多重影響，是陸地、海洋與海冰相互接觸、相互作用和相互影響的地帶，也是易受到人類活動影響的陸海冰相互作用的過渡地帶。與一般意義上的海岸帶相比，極地海岸帶所處緯度較高，沿岸區(qū)域在較長時間段內(nèi)會被海冰覆蓋，需要考慮海水表面與冰的接觸線、海水與巖石的冰下接觸線（可以在冰下或海平面以下）以及理論上的海平面與巖石的接觸線。極地海岸帶裸露在外面的陸地較少，人口稀少，呈現(xiàn)出與其他地區(qū)不同的自然和人文特征。

1.2.1 特殊性

南極海岸帶的特殊性主要在于冰海岸的廣泛分布及其與氣候變化的密切聯(lián)系。南極洲位于地球的最南端，由南極大陸及附近的島嶼組成，幾乎所有的地區(qū)都位于60°S 以南。海岸線長達3萬km，其中巖岸僅有900～1500km，占海岸線總長的3%～5%，冰海岸約28500～29100km，約占海岸線全長的95%左右。南極冰海岸從地貌上看可細分為巖冰海岸和浮冰海岸兩種主要類型，巖冰海岸包括受到海水沖刷的陸冰邊緣，大致占南極海岸的30%～40%;浮冰海岸包括陸冰始終漂浮的地區(qū)，主要是冰架，大致占南極海岸的55%以上。南極洲是地球上最后的空調(diào)，具有地球上70%的淡水和90%的冰，對地球的氣候環(huán)境穩(wěn)定具有重要作用。在全球變暖的背景下，南極冰川消融速度加快，極端天氣事件頻發(fā)，南極冰蓋正經(jīng)歷前所未有的快速退縮。相關專家預測到2050年，如果南極這一空調(diào)失靈，所有的冰雪融化，海平面將上升61m，地球氣候?qū)⒈罎ⅲ蠖鄶?shù)沿海地區(qū)尤其是近岸區(qū)域均將被淹沒[14]。

北極海岸帶依托北冰洋及其周圍陸地區(qū)域，其特殊性主要在于島嶼和涉及的主權(quán)國家較多，以及氣候變化背景下物種的獨特響應。北極是指北極圈（66°34'N）以北的廣大區(qū)域，包括最外側(cè)的泰加林帶、北極苔原、邊緣陸地海岸帶及島嶼和極區(qū)北冰洋。北冰洋周圍的陸地區(qū)域可以分為以格陵蘭海和白令海峽分隔的兩大部分：一部分是北美大陸與格陵蘭島;另一部分是歐亞大陸。北極地區(qū)的格陵蘭島是世界上最大的島嶼，世界上海岸線最長的十大國家就占3個，分別是俄羅斯、加拿大、挪威。北冰洋海岸線類型多樣且曲折，有陡峭的峽灣型海岸，也有三角洲、低平海岸、磨蝕海岸等復合型海岸，還有屬于陸架區(qū)約380萬km2的大陸型島嶼[15]。北極海岸演化是外生過程和內(nèi)生過程相互作用的結(jié)果，全球氣候變暖已經(jīng)影響到北極熊等標志性物種。此外，北極食物網(wǎng)的基礎取決于海冰的存在，隨著海冰減少，藻類也隨之減少，這對北極鱈魚、海豹、海象、鯨和北極熊等物種將產(chǎn)生連鎖反應，致使許多大型動物失去了重要的棲息地。

1.2.2 重要性

南北極海岸帶是人類探索極地資源環(huán)境、開展極地科考等活動的重要區(qū)域。從南極科考站和保護區(qū)的分布來看，各國南極科考站大多都在南極海岸帶地區(qū)布局，南極特別保護區(qū)也在沿岸地區(qū)居多，尤其是南極半島附近（圖1）。從南極訪客和船只數(shù)量來看，如圖2所示，近5年中《南極條約》締約方提供[通過電子信息交換系統(tǒng)（EIES）]訪問南極洲的信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)（以訪客和船只數(shù)量計），其中南極沿岸地區(qū)尤其是南極半島地區(qū)訪問量最大。雖然南極旅游和訪問受站點的約束，但從人類南極活動區(qū)域來講，大部分人類活動集中在南極洲的沿岸區(qū)域，尤其是南極半島及其沿岸地區(qū)。

2 極地海岸帶調(diào)查實踐

目前各國對極地的調(diào)查形式以南北極科考為主，大多為涉及多學科、多領域、多區(qū)域的綜合調(diào)查。我國初步建成了“二船四站一基地”的南極考察保障平臺和涵蓋站基、船基、空基、冰基、岸基、海基、海床基的國家南極觀測網(wǎng)[18]。北極地區(qū)主要為北冰洋和有主權(quán)歸屬的島嶼，無法設立綜合科考平臺。因此，我國北極科考主要是以船基為依托的北冰洋考察為主，為全面認識北極的環(huán)境與氣候，仍需開展相關陸地、冰川、凍土、空間與大氣科學等調(diào)查。

2.1 科考與調(diào)查監(jiān)測技術(shù)

在極地海岸帶科考與調(diào)查方面，我國已經(jīng)建立了多個相關平臺，包括自然資源部極地科學重點實驗室、中國極地考察國內(nèi)基地、南極長城生態(tài)國家野外觀測研究站、南極中山雪冰和空間特殊環(huán)境國家野外觀測研究站等。2019年，極地科學數(shù)據(jù)中心成為首批20個國家科學數(shù)據(jù)中心之一[19]。

站基考察方面，中國南極科考站包括中國南極泰山站、中山站、昆侖站和長城站，以及第5個在建的羅斯海新站。中國南極科考站是為中國科學家和科學機構(gòu)進行多學科考察和重大科學研究而設立的科學研究基地，主要常規(guī)科考觀測項目有：高分辨衛(wèi)星云圖接收、高層大氣物理、電離層觀測、氣象、地震和地磁等。在建的羅斯海新站面向太平洋扇區(qū)，位于羅斯海區(qū)域沿岸，是南極地區(qū)典型的大氣圈、冰凍圈、巖石圈、生物圈等天然地理要素交匯的地帶，具有非常重要的科學研究價值。中國北極科考站目前有黃河站和中-冰北極科考站。黃河站擁有全球規(guī)模最大的極地科考空間物理觀測點，中-冰北極科學考察站可用于夜側(cè)極光觀測、空間與大氣觀測、衛(wèi)星接收、無線電主動探測等調(diào)查監(jiān)測功能的實現(xiàn)，可實現(xiàn)冰川、空間等的觀測監(jiān)測，填補了我國北極科考的一大空白。

空基考察和監(jiān)測方面，“雪鷹601”號是我國第一架具有區(qū)域航空保障能力的固定翼飛機，它可以搭載各種科學儀器覆蓋南極冰蓋最高峰，是一種集航空科學調(diào)查、應急救援、快速運輸于一體的多用途固定翼飛機，標志著我國極地考察進入“航空時代”[20]。此外，“雪龍2”號裝備的AW169中型直升機“雪鷹301”號、“雪龍”號裝備的Ka-32重型直升機“雪鷹102”號，均為我國進行極地考察奠定了船載直升機的基礎保障能力[21]。

船基考察方面，1984年，我國首次組隊開展南極考察，多艘考察船先后赴南極進行科學考察，包括“向陽紅01”船、“J121”號、“海洋四號”船、“極地”號、“雪龍”號、“雪龍2”號等。“雪龍”號是22000噸級極區(qū)綜合科學考察破冰船，設有氣象分析預報中心、計算機數(shù)據(jù)處理中心和海洋物理、海洋化學、海洋生物、海洋地質(zhì)等一系列科學考察實驗室[22]。“雪龍2”號是國內(nèi)首艘自主研造的極地科考破冰船，具備第3檔的破冰能力，能在150cm冰厚的環(huán)境中連續(xù)破冰航行，滿足全球無限航行的要求，采用世界首創(chuàng)的船艏船艉雙向破冰船型設計，具備雙向破冰能力可突破極區(qū)20m 的當年冰，還具有可實現(xiàn)原地360°自由轉(zhuǎn)動的全回轉(zhuǎn)電力吊艙推進功能的全新的螺旋槳技術(shù)[23]，配備先進的海洋勘測與觀測儀器，對我國進行極地科學研究具有重要意義。

冰基考察與監(jiān)測方面，在獲取位置、海表溫度、大氣溫度、氣壓等基礎參數(shù)的基礎上，海冰浮標的觀測結(jié)果也被廣泛地運用于各種研究領域，如天氣和冰情預測、跟蹤海冰的成長與消融、衛(wèi)星數(shù)據(jù)驗證、全球氣候變化研究等[24-25]。我國作為國際南北極浮標計劃的成員國，聚集了大批海冰浮標科研人才，與國際前沿的浮標技術(shù)緊密結(jié)合，加速了對極地海冰浮標的觀測工作[26]。目前，衛(wèi)星遙感觀測與浮標定點觀測相結(jié)合，可持續(xù)自動監(jiān)測氣-冰-海的序列參數(shù)，提供海冰變化預報，通過對海冰運動的觀測，可以使衛(wèi)星觀測資料更準確，為研究極地海岸帶提供數(shù)據(jù)支持[27]。

2.2 涉及學科領域

從涉及的學科領域來看，南北極海岸帶調(diào)查監(jiān)測主要包括極地海冰、物理海洋和海洋氣象、海洋地質(zhì)、海洋地球物理、海洋生態(tài)與生物多樣性、海洋化學與碳通量等多個領域。

極地海冰調(diào)查監(jiān)測方面，國內(nèi)外一般都采用現(xiàn)場原位觀測法和建立科學考察站點的方法進行觀測，但這些方法只能監(jiān)測近海岸的海冰，觀測范圍受限[28]。與現(xiàn)場觀測相比，遙感觀測是對極地海冰大范圍的連續(xù)觀測的一種重要方法[29]。在空間尺度上，國產(chǎn)“高分”和國產(chǎn)“資源”系列衛(wèi)星可以提供極地較高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)。高分辨率影像已被成功地用于南極冰蓋表面流速監(jiān)測，南極龍尼-菲爾希納冰架的高精度三維模型也得到了衛(wèi)星立體圖像的支持，可以獲得冰架的地表形貌和裂隙的發(fā)育特點[30]。在時間尺度上，國產(chǎn)“海洋”和國產(chǎn)“風云”系列衛(wèi)星可提供極地高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)，如海冰類型、海冰覆蓋范圍和海冰密集度等，其精確度已達到國際水平[31]。

物理海洋和海洋氣象調(diào)查方面，主要從多角度、多學科來探討極地氣候的變化。南北極是全球氣候變化最為重要的地區(qū)，它推動著人們把物理海洋學、海洋與海冰光學、海冰物理學、海氣相互作用等方面的知識結(jié)合起來，從而建立起與海冰變化相關的物理科學研究系統(tǒng)[32]。物理海洋學是該系統(tǒng)的基礎，它的主要目的是研究極地海洋的基本物理性質(zhì)和海冰在特定時空內(nèi)的運動規(guī)律[33]。國內(nèi)目前已開展了海洋漂流浮標等儀器的應用研究和數(shù)據(jù)分析，同時也開展了外海布放試驗和近海性能測試，進行了一系列的靜態(tài)比對試驗，觀測獲取的大氣溫度、氣壓及海表溫度等數(shù)據(jù)也在臺風預測等方面得到了初步應用[34]。但這些試驗更多的是針對海洋要素，關于極地海冰的研究還處于起步階段。

海洋地質(zhì)和地球物理調(diào)查方面，為全球氣候變化在南北極的響應等研究工作提供了基礎。我國在南北極海洋資源、海洋地質(zhì)、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)構(gòu)造、基礎編圖等方面均做出了突出貢獻[35]。用于極地的海洋地球物理探測技術(shù)方法包括海洋地震勘探、海底水深測量、海底熱流探測、海洋重力測量和海洋電磁探測等海底地球物理觀測，是多技術(shù)手段融合和多學科交叉的產(chǎn)物，使極地海洋地球物理探測技術(shù)不斷地創(chuàng)新和進步[36]。

海洋生態(tài)與生物多樣性調(diào)查方面，從分子層面、基因組層面進行極地生態(tài)系統(tǒng)的研究，將豐富人們對極地生物的認知[37]。極地生態(tài)系統(tǒng)是一個巨大的、潛在的淡水資源庫和生物資源庫，是組成全球生態(tài)系統(tǒng)的重要部分。極地生物是極地生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的重要載體，極地冰區(qū)的海洋魚類物種形成率顯著高于熱帶海洋地區(qū)，而隨著生物科技的進步，極地生態(tài)系統(tǒng)對全球氣候的影響是多方面的，因此在極地海岸帶地區(qū)開展陸地生態(tài)系統(tǒng)與全球生態(tài)系統(tǒng)之間的相互影響因素研究具有十分重要的意義。

海洋化學與碳通量調(diào)查方面，主要是海洋-大氣二氧化碳通量觀測系統(tǒng)，由走航海氣pCO2觀測技術(shù)、衛(wèi)星遙感碳參數(shù)觀測技術(shù)、錨系和漂流浮標技術(shù)和高營養(yǎng)鹽低葉綠素（High-Nutrient，Low-Chlorophyll，HNLC）海區(qū)的施鐵肥試驗技術(shù)等組成[38]。由于極地調(diào)查環(huán)境艱苦且缺少長時間序列的資料數(shù)據(jù)，加上很多極區(qū)海域?qū)儆贖NLC海區(qū)，因此被認為是具有吸收大氣中二氧化碳的能力但被嚴重忽視的海域。當前極地海洋化學與碳通量相關的科學研究熱點主要有以下幾個方面：北極沿岸溫度和降水的增加使碳吸收速率增加;呼吸土壤植物與基本氣候參數(shù)之間存在著簡單的相關關系;以泥炭形式儲存的老有機碳，向大氣中排放，會受到包括有機物質(zhì)的不穩(wěn)定性在內(nèi)的一系列更為復雜的因子的作用[39]。

3 極地海岸帶調(diào)查研究前沿問題分析與展望

3.1 前沿問題分析

極地陸海交接帶有著大部分被海冰覆蓋的特殊性，其岸線范圍和海岸帶區(qū)域也存在不確定性。但無論是以冰蓋與海交界線為主還是以陸地與海交界為主，海岸帶區(qū)域的資源環(huán)境與人類活動均是密切相關的，其資源環(huán)境對全球氣候變化、碳中和目標實現(xiàn)均具有重要的意義。對此，綜合極地海岸帶的特殊性和重要性，以及前文對科考與調(diào)查監(jiān)測技術(shù)和相關學科研究的小結(jié)，本研究歸納了以下國際社會研究前沿和熱點關注的極地海岸帶問題：人類活動對極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境有何影響？ 南極人類活動大部分集中在海岸帶區(qū)域，對南極陸海資源環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)有何種影響？ 南極海岸和海冰等的系統(tǒng)變化將對人類在海岸帶區(qū)域的活動造成何種影響？ 南極沿岸海冰及其冰蓋下的生命活動與碳循環(huán)存在何種相互作用關系？ 南極沿岸這一陸海冰相互作用的地帶在全球或者南極區(qū)域碳循環(huán)中會起到何種作用？ 人類對南極海岸帶采取何種研究方式將最大限度地減少對生態(tài)系統(tǒng)的影響？ 極地海岸帶區(qū)域在碳循環(huán)過程中有何重要作用？ 南北極周邊海域的吸碳作用與南極大陸之間存在何種耦合關系？ 北極海岸線侵蝕退化將給人類社會、當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)帶來何種影響？ 北極海岸帶區(qū)域如何響應氣候變化、海洋污染、生物多樣性降低和過度捕撈等問題？ 極地海洋、氣候與生物地球化學過程與人類活動的耦合機制是什么，在人類發(fā)展歷史中起到了什么作用？ 要回答以上這些問題，極地海岸帶區(qū)域的調(diào)查監(jiān)測和資源環(huán)境本底生態(tài)要素識別技術(shù)顯得尤為重要。

加強極地海岸帶區(qū)域調(diào)查監(jiān)測，將有助于回答諸如全球氣候變化等宏觀問題。探明南北極資源環(huán)境本底、追蹤時空變化特征、開展可視化模擬預測是摸清極地資源環(huán)境要素的基礎，也是戰(zhàn)略政策制定、權(quán)益維護的依據(jù)，更是提升我國參與極地事__務主動權(quán)和話語權(quán)的重要保障。然而，南極和北極區(qū)域的特殊性與環(huán)境的復雜性使得大空間尺度、長時間序列的資源環(huán)境要素監(jiān)測難度大、成本高，且在全球疫情的影響下極地實地調(diào)查監(jiān)測也存在強烈的不確定性，如何以較低的成本實現(xiàn)對極地自然資源快速、準確的監(jiān)測、模擬和評估成為另一個重要課題。

3.2 關鍵知識與技術(shù)體系構(gòu)建

極地海岸帶區(qū)域調(diào)查技術(shù)具有較為成熟的技術(shù)可參照，以遙感和現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測為主要手段。現(xiàn)場觀測和遙感探測是獲得極地尤其是極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境信息兩種最有效的手段。由于極地遠離人類活動范圍，自然環(huán)境條件也比較苛刻，因此，采用遙感技術(shù)對極地區(qū)域進行觀測，能夠在短時間內(nèi)獲得大量的資料，并對極地環(huán)境要素進行變化特征分析，尤其是衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的運用，更是有著無可取代的意義。如何充分利用遙感和現(xiàn)場探測手段，以較低成本探明大空間尺度和長時間序列極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境生態(tài)要素與變化時空特征，是目前亟須解決的難題，也是當前技術(shù)發(fā)展的重要方向。

針對極地海岸帶探測所需的低成本高效率的技術(shù)發(fā)展方向，本研究整合了國內(nèi)外近海海岸帶以及海島區(qū)域已得到廣泛應用的知識圖譜和技術(shù)體系，在此基礎上構(gòu)建了“雙源數(shù)據(jù)挖掘-空間耦合模擬-區(qū)域綜合評估-影響模擬預測”知識與技術(shù)體系（圖3），旨在充分挖掘遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)意義，構(gòu)建極地實測數(shù)據(jù)與遙感影像的耦合關系，耦合單次實測數(shù)據(jù)和多維遙感數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度的、長時間序列的極地資源環(huán)境關鍵要素空間模擬。同時，該體系可以綜合考慮不同關鍵要素的時空特性，構(gòu)建極地資源環(huán)境空間綜合評估模型，產(chǎn)出一系列具有空間異質(zhì)性的綜合評估結(jié)果圖層;還能采用仿真模擬等建立南北極環(huán)境與人類活動的系統(tǒng)映射，開展直接人為干擾和氣候變化脅迫下的極地情景模擬，預測極地海岸帶環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的變化趨勢，提出極地關鍵區(qū)域開發(fā)利用的影響預測。

3.3 發(fā)展展望與預期成果

未來，將通過極地海岸帶調(diào)查實踐、前沿問題知識圖譜構(gòu)建、調(diào)查監(jiān)測技術(shù)體系與資源環(huán)境生態(tài)要素耦合，來構(gòu)建極地海岸帶關鍵資源要素指紋庫，實現(xiàn)南北極關鍵資源精準評估與環(huán)境可視化模擬。同時，將針對重點區(qū)域開展保護與開發(fā)的影響評估與預測，提供極地態(tài)勢變化政策預研與形勢預判。將通過國際合作等多種形式開展北極重點海岸帶區(qū)域調(diào)查，為北極地區(qū)的全球變化響應和可持續(xù)發(fā)展做好基礎儲備與中國貢獻。針對南極海岸帶區(qū)域，將通過階段式調(diào)查方案逐步實現(xiàn)關鍵區(qū)域的調(diào)查監(jiān)測。此外，也將研究通過全面、綜合、基于科學知識、基于生態(tài)系統(tǒng)和解決方案導向的海洋治理，制定有效的極地綜合戰(zhàn)略政策，以實現(xiàn)近極地資源與生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性管理。研究的關鍵點將集中在關鍵要素數(shù)據(jù)挖掘與空間分析、數(shù)據(jù)耦合與空間模擬、綜合評估與自然分區(qū)、管理戰(zhàn)略與保護對策等方面，具體如下文所述。

極地海岸帶資源環(huán)境關鍵要素數(shù)據(jù)挖掘與空間分析方面，由于現(xiàn)場實測獲取難度大、成本高，而遙感影像具有便捷的獲取來源、可靠的數(shù)據(jù)質(zhì)量、長時間序列的數(shù)據(jù)及大尺度的空間顯示等特點，因此將充分利用現(xiàn)場實測和遙感影像雙源數(shù)據(jù)，形成南北極資源環(huán)境本底數(shù)據(jù)集，構(gòu)建南北極關鍵資源與生態(tài)要素數(shù)據(jù)庫。基于獲取的雙源數(shù)據(jù)，分析其在南北極管理上的指標性與重要性，形成關鍵要素數(shù)據(jù)庫，為戰(zhàn)略政策研究奠定基礎。此外，遙感影像，特別是高分辨率、多（高）光譜遙感影像蘊含豐富的生態(tài)意義，因此可以通過地理信息技術(shù)和數(shù)學模型等對其生態(tài)意義進行充分挖掘，為開展空間耦合模擬奠定基礎。

極地海岸帶區(qū)域數(shù)據(jù)耦合與空間模擬方面，將通過相關研究來實現(xiàn)南北極資源環(huán)境要素空間模擬、人類活動空間模擬。基于獲取的單次的、點狀的實測數(shù)據(jù)和長時間序列的、面狀的遙感數(shù)據(jù)，建立實測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的空間耦合關系，并采用回歸分析、神經(jīng)網(wǎng)絡、隨機森林等數(shù)學模型，建立二者的耦合關系，進而實現(xiàn)“由點到面”“由今仿明”的資源環(huán)境要素空間模擬。另外，將引入地緣政治、地區(qū)經(jīng)濟、人文活動、保護區(qū)行動、科考捕撈等人類活動關鍵指標，與自然資源指標整合。最終，以較低成本獲取長時間序列、大空間尺度的極地關鍵要素空間數(shù)據(jù)，選取關鍵生態(tài)要素，反映從表層到底層、從宏觀到微觀的資源環(huán)境狀況及相互聯(lián)系，形成統(tǒng)一整體，構(gòu)建包含人類活動的南北極可視化模型。

針對極地海岸帶區(qū)域綜合評估與自然分區(qū)，將形成極地區(qū)域尤其是海岸帶區(qū)域綜合評估結(jié)果圖層，以此搭建南北極可視化模型。具體而言，將基于南北極海岸帶關鍵資源環(huán)境要素的空間數(shù)據(jù)，從不同視角提出以空間異質(zhì)性為特色的綜合評估模型，包括承載力模擬、脆弱性模型、生態(tài)健康模擬、生態(tài)韌性模型等，而各模型能夠從不同視角反映極地生態(tài)系統(tǒng)和人類活動的綜合特征，并產(chǎn)出一系列具有空間異質(zhì)性的評估結(jié)果圖層。接著，結(jié)合南北極空間模擬與可視化模型的構(gòu)建，通過不同結(jié)果的疊加與綜合評估，為南極生態(tài)空間分區(qū)奠定基礎。之后，通過整合觀測數(shù)據(jù)、模型模式、虛擬仿真和人工智能等手段，建立系統(tǒng)的特征、過程和機制的數(shù)字化映射，搭建可視化模型。最終，通過空間評估結(jié)果疊加，展現(xiàn)復雜的多元的南北極空間場數(shù)據(jù)評估結(jié)果，模擬不同情景下的極區(qū)表達，理解、控制和優(yōu)化現(xiàn)實極地保護與開發(fā)。

構(gòu)建極地海岸帶區(qū)域資源生態(tài)管理與保護戰(zhàn)略政策體系方面的研究則將助力我國極地事務管理主動權(quán)和話語權(quán)的提升。具體將采用情景分析法，結(jié)合從全球環(huán)境變化、人類開發(fā)強度變化、國際政治態(tài)勢變化3個方面設定多種未來情景變化，并分析預測不同情境下極地資源環(huán)境態(tài)勢變化。接著根據(jù)南極開發(fā)與保護情況，形成適應我國戰(zhàn)略需求的生態(tài)保護區(qū)、人類活動區(qū)、科考開發(fā)區(qū)等不同分區(qū)結(jié)果，提供精準保護與開發(fā)對策建議。此外，也將為極地戰(zhàn)略對策提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)與預測模擬相結(jié)合的綜合支持，實現(xiàn)極地資源環(huán)境態(tài)勢變化預測、分區(qū)保護開發(fā)政策建議、區(qū)域人類活動影響預測。

4 結(jié)語

本研究提出了極地海岸帶的概念，并從海岸帶內(nèi)涵與定義思考了極地海岸帶、海岸線的內(nèi)涵和范圍。鑒于海岸帶是人類經(jīng)濟活動和人口最為集中的區(qū)域，本研究也根據(jù)極地海岸帶的特征分析了其特殊性和重要性。在此之上，從國內(nèi)外極地考察實踐中梳理分析了與極地海岸帶相關的調(diào)查監(jiān)測實踐，從調(diào)查監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和涉及學科領域兩個角度進行了回顧與總結(jié)。據(jù)此，分析了極地海岸帶調(diào)查研究的前沿問題，討論了極地海岸帶區(qū)域人類活動與生態(tài)系統(tǒng)的相互影響，并提出了極地海岸帶資源生態(tài)要素的調(diào)查監(jiān)測發(fā)展方向，即充分利用遙感和現(xiàn)場探測手段，以較低成本探明大空間尺度和長時間序列極地海岸帶區(qū)域資源環(huán)境生態(tài)要素與變化時空特征。此外，還整合了國內(nèi)外近海海岸帶以及海島區(qū)域已得到廣泛應用知識圖譜和技術(shù)體系，構(gòu)建了“雙源數(shù)據(jù)挖掘-空間耦合模擬-區(qū)域綜合評估-影響模擬預測”知識與技術(shù)體系，并對其未來的發(fā)展和將取得的重要成果進行了展望，為我國構(gòu)建極地海岸帶區(qū)域資源生態(tài)管理與保護戰(zhàn)略政策體系、提升極地事務管理主動權(quán)和話語權(quán)提供了基礎與支撐。

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