白马雪山国家级自然保护区“天空地一体化”生态监测技术体系构建初探*

李琴，杨永贵，提布，许琨，赵筱青

(1.云南省生态环境监测中心，云南 昆明 650034；2.白马雪山国家级自然保护区管护局德钦分局,云南 德钦674599；3.中科院昆明植物研究所,云南 昆明 650201；4.云南大学地球科学学院，云南 昆明 650500)

云南拥有良好的生态环境和自然禀赋，是生物多样性高度富集的地区，其植物种类占中国植物种类的一半以上,也是世界相同纬度上生物多样性最丰富的地区之一[1]。良好的生态环境是云南实现跨越发展的独特优势和核心竞争力，为了适应“生态立省、环境优先”的发展方向，云南省人民政府办公厅印发了《云南省生态环境监测网络建设工作方案》(云政办发[2017]12号)，要求推进生态环境监测网络建设，完善生物多样性保护优先区等重点保护区域的生态环境状况监测网络。为推动云南省生态环境监测网络建设，初步构建“天空地一体化”的生态环境监测技术体系，促进云南省长江经济带水源涵养区的生态环境保护， 从2019年开始由云南省生态环境监测中心牵头，联合白马雪山国家级自然保护区管护局、中国科学院昆明植物研究所丽江森林生态系统定位研究站、云南大学地球科学学院，选取白马雪山国家级自然保护区作为西南山地典型高山植被垂直带生态监测试点，开展以遥感监测、低空无人机典型区域监测、生物及环境要素地面监测为手段的生态监测。

1 材料与方法

1.1 监测区域概况及监测点位布设

白马雪山国家级自然保护区地处云南省西北部、青藏高原南部、滇西北横断山脉“三江并流”纵谷地带的核心部位，同时也因地处中国西南山地而成为全球36个生物多样性热点地区之一[2]。保护区海拔相对高差达3 479 m，气候和植物均形成了明显的垂直带谱，涵盖7个植被型、11个植被亚型和37个群系[3]，分布有我国低纬度高海拔地区生物多样性保存比较完整的原始高山针叶林，是世界上高山植物最丰富的区域之一，也是珍稀濒危动物滇金丝猴(Rhinopithecusbieti)的主要栖息地。同时，白马雪山国家级自然保护区也是长江中上游地区重要的水源地之一，孕育了金沙江的一级支流珠巴洛河。云南省生态环境监测中心2019年的遥感监测数据显示，珠巴洛河流域总面积约1 835 km2，在保护区内的流域面积就达1 577 km2。

白马雪山生态监测点位布设情况如下：生物要素监测点位包括植物群落监测固定样地7块，分别位于流石滩稀疏植被带(海拔4 726 m)、高山灌丛草甸带(海拔3 978 m)、寒温性针叶林带(海拔3 985 m和3 879 m)、温性针阔混交带(海拔3 074 m)、暖性针叶林带(海拔2 274m)和干热河谷灌丛带(海拔2 401 m)，其中寒温性针叶林带布设了急尖长苞冷杉(Abiesgeorgeivar.smithii)和大果红杉(Larixpotaniniivar.macrocarpa)监测样地各一块；动物监测样线2条，红外相机布设线路2条[4]。环境要素监测点位包括珠巴洛河入金沙江口水质监测点位1个、空气自动监测点位3个、气象监测点位1个和土壤监测点位6个。生态环境遥感监测范围以白马雪山国家级自然保护区为核心区域，东至金沙江，西至澜沧江，东北至保护区北界线，西北至德钦县城北山脊线，东南至腊普河，西南至保护区南界线。低空无人机监测范围为7块固定样地周边典型区域。

1.2 监测内容

1.2.1 地面监测

(1)生物要素监测

植物群落监测 植物群落的监测对象包括生境、乔木层、灌木层和草本层。生境监测指标包括地名、地形地貌、坡向、坡度、坡位、海拔、土壤、地被物、人为干扰情况等。乔木层监测指标包括物种、密度、频度、胸径、冠幅，物种数、优势种、基盖度、平均胸径、天然更新以及地表凋落物干重和自然含水率。灌木层和草本层监测指标包括物种、株/从数、盖度、高度，物种数、优势种、平均高度、群落盖度。

植物群落监测基于在不同海拔梯度和不同植被带设定的7块固定样地，监测方法参考《自然保护区与国家公园生物多样性监测技术规程》(DB 53/T 391-2012)[5]。乔木层树种每隔5 a监测1次，灌木层和草本层每年监测1次。

动物监测 动物监测对象为鸟类和兽类，监测方式为样线监测和红外相机监测两种方式[6]，样线监测方法主要参考《自然保护区与国家公园生物多样性监测技术规程》(DB 53/T 391-2012)的直观监测法和踪迹监测法。兽类监测基于保护区内一条长3 000 m、宽20 m和一条长3 500 m、宽10 m的固定样线，鸟类监测基于一条长3 000 m、宽40 m和一条长3 500 m、宽20 m的固定样线。固定样线每半年监测一次，每次监测均设两次重复，间隔时间为7 d。红外相机监测线路有两条，为曲宗贡生态定位站至尼思各甲和曲宗贡生态定位站至崩树青拥牧场路，15台红外相机布设在了动物兽道、粪场等活动频繁的场所，安装在距离地面50～100 cm的树干上。相机设定为录像和拍照混合模式，连续感应时间间隔30 s。

(2)环境要素监测

环境要素监测对象主要为地表水、空气、土壤，具体监测指标和监测频次详见表1所示。环境要素监测主要使用的大型仪器包括原子吸收分光光度仪、原子荧光分光光度计、离子色谱、电感耦合等离子发射光谱仪，二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、颗粒物(PM2.5、PM10)和臭氧自动监测仪，气象五参数自动监测仪，负氧离子、臭氧、紫外线自动监测仪等。水质监测频次是依据生态环境部印发的2019年国家生态环境监测方案(环办监测函[2019]112号)执行，而土壤监测频次则是参照2017年中国环境监测总站印发的生态环境地面监测工作补充方案(总站生字[2019]148号)执行。

表1 环境要素监测的内容及指标

1.2.2 低空无人机监测

无人机在生态监测中的运用能弥补遥感监测影像时相性不好、分辨率不高的缺点，并且可以挂载监测设备进入通达性不好的区域，获取较地面监测更宏观的监测数据[7]。

2020年6月云南省生态环境监测中心利用无人机在白马雪山完成了2个监测任务：一是用大疆经纬M300 RTK无人机挂载PSDK102S五镜头倾斜相机，获取样地及周边典型区域的高清正射影像和3D影像。突破了传统航测垂直单一角度获取图像的局限，同时从垂直、倾斜多个角度采集样地空间信息[8]，得到真实反映监测样地外观、高度、表面积等属性的三维数据。二是借助大疆精灵4RTK多光谱版无人机，利用植物的光谱特征对部分样地的群落结构和空间分布进行分析[9]。本次无人机监测搭载的一体式多光谱成像系统集成了1个可见光传感器及 5个多光谱传感器(蓝光、绿光、红光、红边和近红外)，获取了样地及周边典型区域的RGB影像与NDVI影像，用于监测区域的NDVI指数分析。

1.2.3 遥感监测

生态环境遥感监测选用每年3月下旬和10月下旬两期Sentinel-2A影像数据，反演两期影像，分析每年高山雪线的变化情况。解译10月下旬影像，对高山林线、景观格局及人类干扰度进行分析，其中景观格局监测内容为各景观要素面积、所占比例(%)、斑块数量(个)、斑块密度、平均最近距离(m)，最大景观要素占比(%)，总边缘长度(m)、边缘密度、香浓多样性指数和蔓延度指数[10]；采用全年的GPM数据和Modis13Q1的NDVI产品数据对水源涵养进行监测。

2 结果与分析

2.1 植物样方监测

7个群落样方调查结果见表2，其中物种丰富度最高的是位于海拔3 074 m的温性针阔混交林样方，样地位于东北向陡坡，土壤为暗棕壤，存在的干扰因素主要是放牧，干扰强度较低。样地共记录有乔木12种(图1)，灌木24种，草本47种，样方群落总盖度为90%，且该样地的自然更新调查结果显示：群落健康、没有更新障碍。从图1该样地乔木优势种澜沧黄杉(Pseudotsugaforrestii)的空间点格局分析也可以看出，在相对距离小于3 m以内呈现聚集分布，随尺度增加聚集效应减弱，在6 m以上呈现随机分布。说明了样地成年植株由于竞争导致其逐渐呈现随机分布，而更新幼株大量分散在母树周围，形成了小尺度上的聚集分布。

图1 温性针阔混交带XR05样地乔木物种空间分布格局及优势种空间点格局

2.2 动物样线监测

两条兽类样线2020年共监测到3目10科13属13种，其中国家Ⅰ级保护动物1种(高山麝Moschuschrysogaster)，国家Ⅱ级保护物种5种[(水鹿(Rusaunicolor)、中华鬛羚(Capricornissumatraensis)、黑熊(Ursusthibetanus)、黄喉貂(Martesflavigula)、狼(Canislupus)]。高山麝活动痕迹的遇见率最高，为2.14次/km；兽类实体遇见狼，遇见率为0.08次/km。

两条鸟类样线2020年共监测到6目17科25属30种,其中国家I级保护鸟类2种[(金雕(Aquilachrysaetos)、四川雉鹑(Tetraophasisszechenyii)]，国家II级保护鸟类3种[(白马鸡(Crossoptiloncrossoptilon)、血雉(Ithaginiscruentus)、灰背隼(Falcocolumbarius)]。监测到的鸟类中柳莺(Phylloscopussp.) 活动痕迹的遇见率最高，为3.65次/km。

红外相机监测2020年总计收回照片5 592张，视频2 490个，其中有效照片2 584张，有效视频1 758个，共计监测到15类禽兽活动影像，其中包括国家Ⅰ级保护动物4种：林麝(Moschusberezovskii)(照片100张、视频37个)、高山麝(照片1张、视频2个)、四川雉鹑(照片32张、视频8个)、斑尾榛鸡(Bonasasewerzowi)(照片4张、视频2个)。本次监测收集到的照片和视频还涉及了国家Ⅱ级保护动物10种：毛冠鹿(Elaphoduscephalophus，照片2张、视频5个)、中华鬣羚(照片27张、视频12个)、黑熊(照片24张、视频13个)、黄喉貂(照片4张、视频4个)、豹猫(Prionailurusbengalensis，照片4张)、猕猴(Macacamulatta)(照片6张)、岩羊(Pseudoisnayaur，视频516个)、水鹿(照片1张、视频1个)、血雉(照片215张、视频77个)、白马鸡(照片658张、视频260个)。

2.3 无人机监测

2020年6月白马雪山国家级自然保护区的无人机监测共拍摄了监测样地及周边典型区域的正射和倾斜影像共38 330张，六波段多光谱影像5 766张。影像经专业软件拼接处理后，输出样地及周边典型区域实景二维正射和三维倾斜数据模型，光谱数据则用于NDVI空间分析。

2.4 遥感监测

遥感监测结果节选了景观格局空间分析结果，2020年10月29日的影像解译分析结果。白马雪山国家级自然保护区景观格局以有林地、草地和灌木林地3种景观类型为主，其中有林地面积占比就达到了66%，而居民点、其他建设用地、未利用地、滩地和湖泊的面积占比总和仅达到0.77%。各景观要素在空间上的主要分布为：有林地分布在监测区南部、中部和东北部；灌木林地分布在东北部及西北部；冰川、雪地和草地分布在北部和中北部；耕地分布在监测区的西南部；其他建设用地主要为道路，多数分布在监测区北部；居民点分布则相对分散。

2.5 环境要素监测

2019年和2020年环境要素监测结果显示，保护区环境质量本底较好。按环境空气质量标准GB3095—2012评价[11]，环境空气质量优良率达到100%；按地表水环境质量标准GB3838—2002评价[12]，珠巴洛河入金沙江口水质达到或优于Ⅱ类以上比例也为100.0%。因原《土壤环境质量标准》(GB15618—1995)已被《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)[13]替代，按现行标准评价， 6块固定样地土壤汞、铬、镉、砷、铅的测定结果(流石滩稀疏植被带因主要以砾石为主，未进行土壤监测)，除温性针阔混交带土壤镉含量(0.61 mg/kg)略高于农用地土壤污染风险筛选值0.6 mg/kg(当pH>7.5时)，其余各样地5项重金属指标测定值均低于农用地土壤污染风险筛选值。从土壤pH值测定结果来看，除以大果红杉为优势种的寒温性针叶林为5.16，其余5块样地土壤pH值均大于7.5，偏碱性，其中流石滩稀疏植被带、暖性针叶林带和干热河谷灌丛带样地土壤pH值大于8.5小于9.0。从土壤物理指标测定结果来看，温性针阔混交带样地土壤的有机质含量、田间持水量、自然含水量和总孔隙度均最高，分别为160 g/kg、32.63%、28.27%和63.98%，而暖性针叶林样地土壤这4项测定值均最低，分别为20.2 g/kg、7.80%、 3.20%和39.58%。

3 讨论

目前云南省的生态监测还存在站网不全、监测要素及监测手段单一、监测预警能力弱的现状，还不能满足国家和省政府对生态环境监测网络建设的需求。在“十三·五”期间，云南省生态环境厅就已经把强化生态监测纳入了云南省生态环境监测网络建设的重点工作任务，生态监测、评价与预警体系的构建势在必行。

首先，应有效整合现有的分散在生态环境、自然资源、林草、中科院及高校等部门的生态定位研究站点，查缺补漏，完善重要生态功能区、生态脆弱区、重要湖泊湿地等区域的生态监测站网，并建立全省生态监测大数据平台，在生态监测站网建设和数据管理中实现统一规划、统一标准、优化布局；其次，构建云南省“天空地一体化”的生态监测、评价与预警技术体系，统一监测标准和评价规范，完善监测要素和技术手段，让生态监测不局限于生态系统结构功能研究，同时也关注人类活动对生态系统状况与服务功能的影响，关注生态系统健康评估和演变综合评估，从而有效地预警生态风险。

白马雪山国家级自然保护区生态监测是对“天空地一体化”生态监测、评价与预警技术体系构建的一次新尝试，也是对多部门、多要素、多手段生态监测的一次初探，虽然目前还存在气象监测要素不全、样地监测广度和时间尺度不够的问题，今后应逐渐补齐短板，持续开展生态监测，为保护区森林生态系统的健康评价和预报预警提供多维的数据支撑。