生態環境測量技術現狀分析

唐揚 張明婷

摘要 本文總結分析了生態環境測量的需求，生態環境多尺度測量技術的發展現狀，包括水環境、土壤和沉積物、碳排放和微塑料等方面的測量現狀。基于此，指出目前生態環境測量領域在范圍測量、測量數據以及微納塑料多尺度測量技術等方面有待進一步改進；在此基礎上，提出生態環境測量朝多參量在線測量、復合測量和綜合環境感知等方向發展的建議，目的是通過提高生態環境測量技術水平進一步助力經濟社會綠色發展。

關鍵詞 測量；生態環境；多尺度；復合測量；綜合環境感知

中圖分類號 X171.1；X835? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）10-0067-03

生態環境測量是生態系統管理的重要手段之一，在促進人與自然和諧共生的綠色發展中發揮著重要的保障作用。在生態環境領域，測量是提升環保技術裝備產業競爭力的基礎，是應對氣候變化的關鍵環節之一[1-2]。隨著生態環境系統治理、高精度監測、全鏈條監管、多污染物協同治理和環保產業等的發展，生態環境監測、環保裝備、生態環境新材料及生態環境科研等對生態環境測量技術提出了更高需求。因此，開展生態環境測量研究，對推動監測儀器行業高質量發展，為生態環境管理和監測數據質控提供更加科學可靠的技術支撐具有重要意義。目前，生態環境多尺度測量在測量基礎研究、關鍵測量技術等方面有待進一步強化。本文以生態環境多尺度測量為切入點，總結分析生態環境測量需求與多尺度測量技術發展現狀，在此基礎上，探討生態環境測量研究發展趨勢，為生態環境測量技術研究提供參考。

1 生態環境測量的需求分析

目前，大氣、水、土壤和固體廢物等的污染防治向全過程精細化發展。快速有效的生態環境監測、多污染物多行業全過程控制、資源循環利用以及經濟高效的環境友好型技術開發成為生態環境測量領域的研究重點。各類新型污染物治理、危險廢物全生命周期生態環境管理等成為生態環境管理和研究的重點，同時生態環境技術裝備朝著智能化方向發展。需要不同尺度、平臺和技術的監測手段協同作戰、揚長避短、互相借鑒和互為補充，厘清不同尺度的碳源碳匯演變規律是該領域的研究重點[3-4]。

高質量數據觀測和復雜系統模型可以捕獲不同自然過程、人類活動及其結果之間的相互作用和機制，是應對氣候變化和環境問題的決策支撐工具。將資源環境大數據、基于過程的模型與機器學習相結合，擴展技術方法，可提高資源與環境科學不同領域的決策和管理支撐能力[5]。

2 生態環境多尺度測量發展現狀分析

2.1 水環境多尺度測量

Ma等[6]運用比較湖沼學和多時空尺度模擬實驗等手段，發現在全生態系統水平上驗證高氮促進沉積物磷釋放的綜合機制。Dong等[7]基于多尺度地理加權回歸模型算法和輔助因子，將近地表一氧化碳（CO）濃度空間分辨率降尺度為1 km×1 km，討論和分析了CO濃度高值聚集的區域分布以及季節變化。Nyberg等[8]基于GEE云平臺和Landsat 8影像，利用機器學習算法，生成全球尺度的河道帶范圍地圖，研究發現，在1 km分辨率下，全球河道帶表面積30.5×105 km2，比河道范圍大7倍，52%的河道具有多通道的平面形態，其余是單通道形態。Gonzalez等[9]對生物多樣性—生態系統功能的跨尺度研究發現，生物多樣性—生態系統功能的關系不只是存在于小尺度，而是存在于多個尺度，并且由于跨尺度的反饋，其強度和形式會隨著尺度的變化而變化。需要在尺度理論、物種網絡的空間直觀模型和多樣性在生態系統時空過程中的互補性效應之間建立更強的聯系，以取得更新的進展。岳天祥等[10]討論了生態地理建模中的尺度轉換問題、跨尺度相互作用問題、空間尺度與時間尺度的關聯問題和多尺度數據處理問題。

2.2 土壤和沉積物多尺度測量

Li等[11]提出要準確理解土壤、沉積物生物地球化學過程和污染特性，需要在微尺度水平上通過高時空分辨率的采樣和分析方法開展研究，總結了土壤和沉積物微尺度采樣和成像技術的發展現狀，對其未來的研究方向提出以下幾點建議：研發新型傳感和吸附材料并結合先進的微觀表征技術，提高微尺度采樣和成像技術的待測目標物數量和測量精度；與其他原位采樣和分析方法相結合，如中子成像監測土壤中水分的空間變化，結合原位薄膜采樣和同步輻射技術（XRF）分析植物根際鐵斑中元素的空間分布，激光誘導擊穿光譜法（LIBS）獲取土壤剖面元素的高分辨率空間分布信息；研發可搭載多種微尺度采樣和成像技術的便攜式原位設備，實現其原位監測功能。

2.3 碳排放多尺度測量

高帥等[12]基于機器學習和大數據平臺進行碳收支參數遙感監測，能夠快速提供與地面真實觀測結果較為一致的陸地生態系統區域和全球尺度碳收支遙感監測結果，該流程在一定程度避免了生理過程模型復雜的參數設置，減少了區域和全球大尺度碳收支監測的不確定性。Chen等[13]綜合利用多組陸面模式控制試驗結果和多套遙感植被數據，提出數據—模型融合新方法，定量解析了氣候變化對植被葉面積指數（LAI）的影響；結合多套蒸散發產品，建立了普適多元回歸模型，估算了陸地蒸散發對LAI和氣象要素變化的敏感性；在此基礎上，量化了全球尺度上氣候變化通過改變植被LAI對陸地蒸散發和可利用水量的間接影響。曹明奎等[14]建立了多尺度數據—模型融合方法，研究生態系統碳循環，應用多尺度試驗觀測和跨尺度機理模擬方法，認識和定量表達不同尺度生態系統過程相互作用對生態系統碳循環通量和貯量的控制作用。胡海清等[15]探討了集成實地測量、遙感觀測和模型模擬的跨尺度火干擾對碳循環的影響，提出尺度轉換問題。

2.4 微塑料尺寸測量

Chen等[16]對城市水體中納塑料與微塑料進行研究，提出納塑料比微塑料具有更高的分析要求，更復雜的環境歸趨，較環境污染物更強的作用和更強的生態毒性，展望了塑料污染物的尺寸研究。Yu等[17]對全球納米塑料研究的知識網絡與科學進展進行了系統闡述，指出目前尚不清楚環境中納米塑料的來源以及實際含量，亟須探索納米塑料的來源及其方法學。為了厘清納米塑料污染對環境和健康帶來的風險，對飲用水、食品和各種環境中的納米塑料進行調查與監測是必要的，同時，不同環境基質中的納米塑料測量面臨一定的挑戰：一方面，小尺寸和低質量的納米塑料很難從復雜的環境樣本中分離并富集，因此獲得的定性和定量分析信號有限；另一方面，高實驗環境背景值帶來的樣品污染可能導致準確測量低濃度樣品較為困難。

綜合分析生態環境測量需求和測量技術研究現狀可知，目前生態環境領域多尺度測量須進一步提高范圍測量精度，以提供準確范圍或邊界的測量數據，為科研提供支撐；測量數據較為分散，需要建立和優化相應的測量數據轉化標準規范；微納塑料多尺度測量技術研究有待進一步深入，以突破關鍵測量技術。

3 結論與展望

生態環境測量技術伴隨著經濟社會的發展而發展，測量精度要求不斷提高。目前，生態環境測量的發展趨勢主要由測量尺度向多尺度、跨尺度發展；測量頻響要求不斷增大，測量參量由靜態向動態方向拓展；測量參量向多種類、多參量方向發展；測量對象及條件要求不斷升級，測量向對象復雜化和條件極端化發展；測量基準精度要求不斷提高，測量基準開始由實物基準朝高精度的自然基準方向發展等[18]。

本文總結分析了生態環境測量的需求，生態環境多尺度測量技術的發展現狀，指出目前生態環境測量領域在范圍測量、測量數據以及微納塑料多尺度測量技術等方面有待進一步改進，基于此，提出生態環境測量朝多參量在線測量、復合測量和綜合環境感知等方向發展的建議，目的是通過提高生態環境測量技術進一步助力經濟社會綠色發展。

參考文獻

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（責編：何 艷）