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生物多樣性監(jiān)測方法及現(xiàn)狀

閱讀：1403發(fā)布時間：2022-12-29

生物多樣性是生物及其環(huán)境形成的生態(tài)復合體以及與此相關的各種生態(tài)過程的總和，包括動物、植物、微生物和它們所擁有的基因以及它們與其生存環(huán)境形成的復雜的生態(tài)系統(tǒng)^[1]，通常由遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性三部分組成。生物多樣性是人類社會賴以生存持續(xù)發(fā)展的物質基礎，其在維持生態(tài)系統(tǒng)功能、提供生態(tài)系統(tǒng)服務、延續(xù)人類福祉等方面發(fā)揮著至關重要的作用^[2]。由于氣候變化以及人類活動的加劇影響，生態(tài)系統(tǒng)服務功能嚴重退化，生物多樣性正在經(jīng)受快速變化^[3,4]。目前，生物多樣性保護已成為關注的熱點問題^[5,6]，各國政府以及相關領域科研人員已積極參與到生物多樣性監(jiān)測和保護中^[7]。

中國是世界上生物多樣性極豐富的國家之一，生物多樣性豐富程度是國家可持續(xù)發(fā)展能力和潛力的基礎，是國家的重要戰(zhàn)略性資源。與此同時，生物多樣性治理水平也是國家生態(tài)文明建設成效的重要標志^[8]。為了緩解物種滅絕速率以及進一步理解生物多樣性喪失機制，我國已有大量研究致力于生物多樣性監(jiān)測與保護能力建設等方面^[9-13]，并對不同尺度生物多樣性進行長期性、周期性和動態(tài)性的網(wǎng)絡監(jiān)測，以加深我們對生物多樣性變化的主導過程及其對生態(tài)系統(tǒng)功能和人類活動反饋機制的理解^[14]。

生物多樣性的監(jiān)測方法主要包括傳統(tǒng)的地面人工觀測與運用*手段和技術連續(xù)自動采集數(shù)據(jù)觀測兩個主要方面。地面人工生物多樣性觀測主要在物種和生態(tài)系統(tǒng)尺度上開展，通常在典型植被類型區(qū)域建立一定面積的長期固定樣地，對樣地內部的物種組成、結構、功能以及關鍵物種、瀕危物種進行觀測^[15,16]。傳統(tǒng)的生物多樣性主要側重于群落多樣性研究，Whittaker提出了生物群落多樣性的3個空間尺度，即 α、β、γ 多樣性。α多樣性表征物種豐富度、相對多度、均勻度等特征，因此也包含了基本的多樣性指數(shù)即物種數(shù)量及物種豐富度指數(shù)。α多樣性關注的是群落內部的特征，也被稱之為生境內的多樣性(With-in Habitat Diversity)，而β多樣性強調沿生境梯度的物種組成的異質性，也稱為生境間的多樣性(Between Habitat Diversity)，γ多樣性關注的是區(qū)域或大陸尺度的物種數(shù)量，也稱為區(qū)域多樣性(Regional Diversity)^[17]。

圖1 傳統(tǒng)生物多樣性測度方法

與α、β、γ多樣性相對應的一些傳統(tǒng)的生物多樣性測度指數(shù)主要表征物種豐富度、變化度、均勻度、優(yōu)勢度、多度等特征，但依靠統(tǒng)計學中的理論分布參數(shù)去測度群落物種多樣性仍存在很大的局限性，因此，產(chǎn)生了一些與物種多度分布格局獨立的多樣性指數(shù)，其中，應用較為廣泛的有 Simpson、Shannon-Wiener 指數(shù)以及 Pielou均勻度指數(shù)等。Simpson多樣性指數(shù)也稱優(yōu)勢度指數(shù)，對群落中常見種的評價較準確，但對稀有物種的貢獻較小，Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson多樣性指數(shù)則相反，對常見種的測度并不敏感。在實際應用中，應根據(jù)自身實驗需求選擇具針對性的測度方法^[17]。

近幾十年來，生物多樣性保護研究已取得了長足的進展，但大多研究受限于觀測技術，多是基于傳統(tǒng)的地面調查方法進行研究，并且多集中于物種個體和樣地水平尺度上^[18,19]，而對景觀、區(qū)域乃至尺度生物多樣性的監(jiān)測較少，這限制了我們對大尺度生物多樣性組成及其變化以及受威脅程度的定量描述的理解。目前，迫切需要利用*的技術手段對生物多樣性進行觀測，并在大尺度范圍內開展生物多樣性監(jiān)測工作。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，遙感監(jiān)測技術因其能夠提供大規(guī)模、長時間序列、全覆蓋以及高分辨率的生物多樣性觀測信息，已成為監(jiān)測生物多樣性的有效手段^[20,21]。遙感技術一般采用直接法或間接法對生物多樣性進行監(jiān)測^[22]，直接法是直接識別物種或群落類型及其分布、多度，這類方法對遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和光譜分辨率有相當高的要求。間接法是通過遙感數(shù)據(jù)衍生一些指標或變量，然后與野外觀測數(shù)據(jù)結合構建模型預測生物多樣性^[15]。按照觀測高度和觀測尺度，遙感可進一步分為衛(wèi)星遙感、航空遙感和近地面遙感，目前，衛(wèi)星遙感在該領域的應用極為廣泛^[23]，而近地遙感作為近年來的新型手段，其在監(jiān)測生物多樣性方面仍在不斷探索與發(fā)展。就觀測對象而言，基于衛(wèi)星遙感和激光雷達技術監(jiān)測植物多樣性的研究極多^[23-25]，對動物類群多樣性的監(jiān)測主要集中于鳥類以及大型哺乳動物^[26-29]。

表1 不同尺度的生物多樣性監(jiān)測方法

植物多樣性觀測	優(yōu)點	缺點	適用范圍
地面人工觀測	獲取數(shù)據(jù)精度高，個體分辨率高	難以獲得大空間覆蓋，長時間序列的生物多樣性信息，且受制于研究區(qū)通達性、人力物力成本、時效性等多重限制。	物種個體及樣地尺度
遙感技術觀測	能夠提供區(qū)域、洲際乃至尺度的高分辨率生物多樣性信息，監(jiān)測區(qū)域可重復訪問、數(shù)據(jù)一致性好并且能夠及時、規(guī)律地更新。	數(shù)據(jù)獲取費用較昂貴，空間分辨率與局地調查數(shù)據(jù)以及時間分辨率與生態(tài)過程的時間尺度存在不匹配的現(xiàn)象，獲取生境垂直結構信息以及對于精細尺度的生物多樣性評價方面存在不足。	區(qū)域、景觀及大范圍尺度
動物多樣性觀測	優(yōu)點	缺點	適用范圍
地面人工觀測	獲取數(shù)據(jù)精度高	費時費力，工作量大，投入成本高，觀測規(guī)模較小，難以提供長時間序列連續(xù)的動物多樣性信息。	樣地及群落尺度
紅外相機觀測	全天候無間斷，隱蔽性強，非損傷性，且較少受到環(huán)境條件和研究人員的限制等。	監(jiān)測方案不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)分析難度大等。	群落尺度及區(qū)域尺度
遙感技術觀測	省時省力，觀測范圍廣，長時間連續(xù)觀測。	由于動物種的移動性和隱蔽性特點，遙感很難直接研究動物物種的多樣性。	區(qū)域、景觀及大范圍尺度

遙感平臺常用的傳感器包括三類：光學傳感器、微波雷達傳感器和激光雷達傳感器。光學傳感器包括高分相機、多光譜成像儀、高光譜成像儀和熱成像儀，分別獲取特定波段范圍內的光譜信息^[15]。其中，高分相機和多光譜成像儀可以獲取植物的顏色信息和紋理特征；高光譜成像儀獲取的影像可用于反演植物生化組分；熱成像儀可以提取地物的溫度信息；激光雷達遙感傳感器能獲得精細的地物三維信息。高分相機、多光譜以及高光譜成像儀在生物多樣性研究中應用極多，而熱紅外成像技術的應用極少^[15]。目前，相機在生物多樣性的研究中主要應用于對動物多樣性監(jiān)測，該技術可在野外無人操作的情況下對鳥類和獸類進行自動監(jiān)測，尤其是對晝伏夜出習性較為明顯的物種進行監(jiān)測^[9]。但目前該技術在監(jiān)測植物多樣性的研究中應用較少，相信在技術不斷發(fā)展的條件下，相機技術在監(jiān)測植物多樣性方面會取得顯著效果，并在相關生態(tài)領域研究中發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢。

圖2 不同遙感平臺在生物多樣性研究中的觀測尺度

圖片來源于（郭慶華等，2018）

迄今為止，每種監(jiān)測技術在生物多樣性研究的應用中均存在一定的局限性。建議基于多種技術進行聯(lián)合觀測，建立立體化的生物多樣性監(jiān)測方案。結合多元化的傳感器準確獲取生物多樣性研究所需的物種數(shù)量和性狀、群落組成以及生態(tài)系統(tǒng)功能和結構等相關信息，以實現(xiàn)多途徑數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補，觀測技術和數(shù)據(jù)融合技術的進一步探索將極大地改善單個數(shù)據(jù)源的不足，有助于對生物多樣性研究的深入整合與保護^[30-32]。此外，在同一區(qū)域內系統(tǒng)性地利用多種監(jiān)測技術開展跨尺度的生物多樣性研究，可為生物多樣性研究提供從樣地—景觀—區(qū)域—尺度的基礎數(shù)據(jù)源^[15]，提高生物多樣性監(jiān)測的信息化水平^[10]，也為探究生物多樣性演變過程及其內在機理提供科學依據(jù)。