生态环境测量技术现状分析

唐扬 张明婷

摘要 本文总结分析了生态环境测量的需求，生态环境多尺度测量技术的发展现状，包括水环境、土壤和沉积物、碳排放和微塑料等方面的测量现状。基于此，指出目前生态环境测量领域在范围测量、测量数据以及微纳塑料多尺度测量技术等方面有待进一步改进；在此基础上，提出生态环境测量朝多参量在线测量、复合测量和综合环境感知等方向发展的建议，目的是通过提高生态环境测量技术水平进一步助力经济社会绿色发展。

关键词 测量；生态环境；多尺度；复合测量；综合环境感知

中图分类号 X171.1；X835   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）10-0067-03

生态环境测量是生态系统管理的重要手段之一，在促进人与自然和谐共生的绿色发展中发挥着重要的保障作用。在生态环境领域，测量是提升环保技术装备产业竞争力的基础，是应对气候变化的关键环节之一[1-2]。随着生态环境系统治理、高精度监测、全链条监管、多污染物协同治理和环保产业等的发展，生态环境监测、环保装备、生态环境新材料及生态环境科研等对生态环境测量技术提出了更高需求。因此，开展生态环境测量研究，对推动监测仪器行业高质量发展，为生态环境管理和监测数据质控提供更加科学可靠的技术支撑具有重要意义。目前，生态环境多尺度测量在測量基础研究、关键测量技术等方面有待进一步强化。本文以生态环境多尺度测量为切入点，总结分析生态环境测量需求与多尺度测量技术发展现状，在此基础上，探讨生态环境测量研究发展趋势，为生态环境测量技术研究提供参考。

1 生态环境测量的需求分析

目前，大气、水、土壤和固体废物等的污染防治向全过程精细化发展。快速有效的生态环境监测、多污染物多行业全过程控制、资源循环利用以及经济高效的环境友好型技术开发成为生态环境测量领域的研究重点。各类新型污染物治理、危险废物全生命周期生态环境管理等成为生态环境管理和研究的重点，同时生态环境技术装备朝着智能化方向发展。需要不同尺度、平台和技术的监测手段协同作战、扬长避短、互相借鉴和互为补充，厘清不同尺度的碳源碳汇演变规律是该领域的研究重点[3-4]。

高质量数据观测和复杂系统模型可以捕获不同自然过程、人类活动及其结果之间的相互作用和机制，是应对气候变化和环境问题的决策支撑工具。将资源环境大数据、基于过程的模型与机器学习相结合，扩展技术方法，可提高资源与环境科学不同领域的决策和管理支撑能力[5]。

2 生态环境多尺度测量发展现状分析

2.1 水环境多尺度测量

Ma等[6]运用比较湖沼学和多时空尺度模拟实验等手段，发现在全生态系统水平上验证高氮促进沉积物磷释放的综合机制。Dong等[7]基于多尺度地理加权回归模型算法和辅助因子，将近地表一氧化碳（CO）浓度空间分辨率降尺度为1 km×1 km，讨论和分析了CO浓度高值聚集的区域分布以及季节变化。Nyberg等[8]基于GEE云平台和Landsat 8影像，利用机器学习算法，生成全球尺度的河道带范围地图，研究发现，在1 km分辨率下，全球河道带表面积30.5×105 km2，比河道范围大7倍，52%的河道具有多通道的平面形态，其余是单通道形态。Gonzalez等[9]对生物多样性—生态系统功能的跨尺度研究发现，生物多样性—生态系统功能的关系不只是存在于小尺度，而是存在于多个尺度，并且由于跨尺度的反馈，其强度和形式会随着尺度的变化而变化。需要在尺度理论、物种网络的空间直观模型和多样性在生态系统时空过程中的互补性效应之间建立更强的联系，以取得更新的进展。岳天祥等[10]讨论了生态地理建模中的尺度转换问题、跨尺度相互作用问题、空间尺度与时间尺度的关联问题和多尺度数据处理问题。

2.2 土壤和沉积物多尺度测量

Li等[11]提出要准确理解土壤、沉积物生物地球化学过程和污染特性，需要在微尺度水平上通过高时空分辨率的采样和分析方法开展研究，总结了土壤和沉积物微尺度采样和成像技术的发展现状，对其未来的研究方向提出以下几点建议：研发新型传感和吸附材料并结合先进的微观表征技术，提高微尺度采样和成像技术的待测目标物数量和测量精度；与其他原位采样和分析方法相结合，如中子成像监测土壤中水分的空间变化，结合原位薄膜采样和同步辐射技术（XRF）分析植物根际铁斑中元素的空间分布，激光诱导击穿光谱法（LIBS）获取土壤剖面元素的高分辨率空间分布信息；研发可搭载多种微尺度采样和成像技术的便携式原位设备，实现其原位监测功能。

2.3 碳排放多尺度测量

高帅等[12]基于机器学习和大数据平台进行碳收支参数遥感监测，能够快速提供与地面真实观测结果较为一致的陆地生态系统区域和全球尺度碳收支遥感监测结果，该流程在一定程度避免了生理过程模型复杂的参数设置，减少了区域和全球大尺度碳收支监测的不确定性。Chen等[13]综合利用多组陆面模式控制试验结果和多套遥感植被数据，提出数据—模型融合新方法，定量解析了气候变化对植被叶面积指数（LAI）的影响；结合多套蒸散发产品，建立了普适多元回归模型，估算了陆地蒸散发对LAI和气象要素变化的敏感性；在此基础上，量化了全球尺度上气候变化通过改变植被LAI对陆地蒸散发和可利用水量的间接影响。曹明奎等[14]建立了多尺度数据—模型融合方法，研究生态系统碳循环，应用多尺度试验观测和跨尺度机理模拟方法，认识和定量表达不同尺度生态系统过程相互作用对生态系统碳循环通量和贮量的控制作用。胡海清等[15]探讨了集成实地测量、遥感观测和模型模拟的跨尺度火干扰对碳循环的影响，提出尺度转换问题。

2.4 微塑料尺寸测量

Chen等[16]对城市水体中纳塑料与微塑料进行研究，提出纳塑料比微塑料具有更高的分析要求，更复杂的环境归趋，较环境污染物更强的作用和更强的生态毒性，展望了塑料污染物的尺寸研究。Yu等[17]对全球纳米塑料研究的知识网络与科学进展进行了系统阐述，指出目前尚不清楚环境中纳米塑料的来源以及实际含量，亟须探索纳米塑料的来源及其方法学。为了厘清纳米塑料污染对环境和健康带来的风险，对饮用水、食品和各种环境中的纳米塑料进行调查与监测是必要的，同时，不同环境基质中的纳米塑料测量面临一定的挑战：一方面，小尺寸和低质量的纳米塑料很难从复杂的环境样本中分离并富集，因此获得的定性和定量分析信号有限；另一方面，高实验环境背景值带来的样品污染可能导致准确测量低浓度样品较为困难。

综合分析生态环境测量需求和测量技术研究现状可知，目前生态环境领域多尺度测量须进一步提高范围测量精度，以提供准确范围或边界的测量数据，为科研提供支撑；测量数据较为分散，需要建立和优化相应的测量数据转化标准规范；微纳塑料多尺度测量技术研究有待进一步深入，以突破關键测量技术。

3 结论与展望

生态环境测量技术伴随着经济社会的发展而发展，测量精度要求不断提高。目前，生态环境测量的发展趋势主要由测量尺度向多尺度、跨尺度发展；测量频响要求不断增大，测量参量由静态向动态方向拓展；测量参量向多种类、多参量方向发展；测量对象及条件要求不断升级，测量向对象复杂化和条件极端化发展；测量基准精度要求不断提高，测量基准开始由实物基准朝高精度的自然基准方向发展等[18]。

本文总结分析了生态环境测量的需求，生态环境多尺度测量技术的发展现状，指出目前生态环境测量领域在范围测量、测量数据以及微纳塑料多尺度测量技术等方面有待进一步改进，基于此，提出生态环境测量朝多参量在线测量、复合测量和综合环境感知等方向发展的建议，目的是通过提高生态环境测量技术进一步助力经济社会绿色发展。

参考文献

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[2] 赵春雷.环境监测在生态环境保护中的作用及发展措施探讨[J].皮革制作与环保科技，2020，1（15）：91-95.

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（责编：何 艳）