唐揚(yáng) 張明婷

摘要 本文總結(jié)分析了生態(tài)環(huán)境測(cè)量的需求，生態(tài)環(huán)境多尺度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括水環(huán)境、土壤和沉積物、碳排放和微塑料等方面的測(cè)量現(xiàn)狀?；诖?，指出目前生態(tài)環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域在范圍測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)以及微納塑料多尺度測(cè)量技術(shù)等方面有待進(jìn)一步改進(jìn)；在此基礎(chǔ)上，提出生態(tài)環(huán)境測(cè)量朝多參量在線測(cè)量、復(fù)合測(cè)量和綜合環(huán)境感知等方向發(fā)展的建議，目的是通過(guò)提高生態(tài)環(huán)境測(cè)量技術(shù)水平進(jìn)一步助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展。

關(guān)鍵詞 測(cè)量；生態(tài)環(huán)境；多尺度；復(fù)合測(cè)量；綜合環(huán)境感知

中圖分類號(hào) X171.1；X835? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2024）10-0067-03

生態(tài)環(huán)境測(cè)量是生態(tài)系統(tǒng)管理的重要手段之一，在促進(jìn)人與自然和諧共生的綠色發(fā)展中發(fā)揮著重要的保障作用。在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域，測(cè)量是提升環(huán)保技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的基礎(chǔ)，是應(yīng)對(duì)氣候變化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[1-2]。隨著生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)治理、高精度監(jiān)測(cè)、全鏈條監(jiān)管、多污染物協(xié)同治理和環(huán)保產(chǎn)業(yè)等的發(fā)展，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、環(huán)保裝備、生態(tài)環(huán)境新材料及生態(tài)環(huán)境科研等對(duì)生態(tài)環(huán)境測(cè)量技術(shù)提出了更高需求。因此，開(kāi)展生態(tài)環(huán)境測(cè)量研究，對(duì)推動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，為生態(tài)環(huán)境管理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)控提供更加科學(xué)可靠的技術(shù)支撐具有重要意義。目前，生態(tài)環(huán)境多尺度測(cè)量在測(cè)量基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)等方面有待進(jìn)一步強(qiáng)化。本文以生態(tài)環(huán)境多尺度測(cè)量為切入點(diǎn)，總結(jié)分析生態(tài)環(huán)境測(cè)量需求與多尺度測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，探討生態(tài)環(huán)境測(cè)量研究發(fā)展趨勢(shì)，為生態(tài)環(huán)境測(cè)量技術(shù)研究提供參考。

1 生態(tài)環(huán)境測(cè)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(guò)程精細(xì)化發(fā)展?？焖儆行У纳鷳B(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、多污染物多行業(yè)全過(guò)程控制、資源循環(huán)利用以及經(jīng)濟(jì)高效的環(huán)境友好型技術(shù)開(kāi)發(fā)成為生態(tài)環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。各類新型污染物治理、危險(xiǎn)廢物全生命周期生態(tài)環(huán)境管理等成為生態(tài)環(huán)境管理和研究的重點(diǎn)，同時(shí)生態(tài)環(huán)境技術(shù)裝備朝著智能化方向發(fā)展。需要不同尺度、平臺(tái)和技術(shù)的監(jiān)測(cè)手段協(xié)同作戰(zhàn)、揚(yáng)長(zhǎng)避短、互相借鑒和互為補(bǔ)充，厘清不同尺度的碳源碳匯演變規(guī)律是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[3-4]。

高質(zhì)量數(shù)據(jù)觀測(cè)和復(fù)雜系統(tǒng)模型可以捕獲不同自然過(guò)程、人類活動(dòng)及其結(jié)果之間的相互作用和機(jī)制，是應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境問(wèn)題的決策支撐工具。將資源環(huán)境大數(shù)據(jù)、基于過(guò)程的模型與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，擴(kuò)展技術(shù)方法，可提高資源與環(huán)境科學(xué)不同領(lǐng)域的決策和管理支撐能力[5]。

2 生態(tài)環(huán)境多尺度測(cè)量發(fā)展現(xiàn)狀分析

2.1 水環(huán)境多尺度測(cè)量

Ma等[6]運(yùn)用比較湖沼學(xué)和多時(shí)空尺度模擬實(shí)驗(yàn)等手段，發(fā)現(xiàn)在全生態(tài)系統(tǒng)水平上驗(yàn)證高氮促進(jìn)沉積物磷釋放的綜合機(jī)制。Dong等[7]基于多尺度地理加權(quán)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(qū)域分布以及季節(jié)變化。Nyberg等[8]基于GEE云平臺(tái)和Landsat 8影像，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，生成全球尺度的河道帶范圍地圖，研究發(fā)現(xiàn)，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(tài)，其余是單通道形態(tài)。Gonzalez等[9]對(duì)生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能的跨尺度研究發(fā)現(xiàn)，生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系不只是存在于小尺度，而是存在于多個(gè)尺度，并且由于跨尺度的反饋，其強(qiáng)度和形式會(huì)隨著尺度的變化而變化。需要在尺度理論、物種網(wǎng)絡(luò)的空間直觀模型和多樣性在生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空過(guò)程中的互補(bǔ)性效應(yīng)之間建立更強(qiáng)的聯(lián)系，以取得更新的進(jìn)展。岳天祥等[10]討論了生態(tài)地理建模中的尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題、跨尺度相互作用問(wèn)題、空間尺度與時(shí)間尺度的關(guān)聯(lián)問(wèn)題和多尺度數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。

2.2 土壤和沉積物多尺度測(cè)量

Li等[11]提出要準(zhǔn)確理解土壤、沉積物生物地球化學(xué)過(guò)程和污染特性，需要在微尺度水平上通過(guò)高時(shí)空分辨率的采樣和分析方法開(kāi)展研究，總結(jié)了土壤和沉積物微尺度采樣和成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)其未來(lái)的研究方向提出以下幾點(diǎn)建議：研發(fā)新型傳感和吸附材料并結(jié)合先進(jìn)的微觀表征技術(shù)，提高微尺度采樣和成像技術(shù)的待測(cè)目標(biāo)物數(shù)量和測(cè)量精度；與其他原位采樣和分析方法相結(jié)合，如中子成像監(jiān)測(cè)土壤中水分的空間變化，結(jié)合原位薄膜采樣和同步輻射技術(shù)（XRF）分析植物根際鐵斑中元素的空間分布，激光誘導(dǎo)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(fā)可搭載多種微尺度采樣和成像技術(shù)的便攜式原位設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其原位監(jiān)測(cè)功能。

2.3 碳排放多尺度測(cè)量

高帥等[12]基于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行碳收支參數(shù)遙感監(jiān)測(cè)，能夠快速提供與地面真實(shí)觀測(cè)結(jié)果較為一致的陸地生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域和全球尺度碳收支遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果，該流程在一定程度避免了生理過(guò)程模型復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置，減少了區(qū)域和全球大尺度碳收支監(jiān)測(cè)的不確定性。Chen等[13]綜合利用多組陸面模式控制試驗(yàn)結(jié)果和多套遙感植被數(shù)據(jù)，提出數(shù)據(jù)—模型融合新方法，定量解析了氣候變化對(duì)植被葉面積指數(shù)（LAI）的影響；結(jié)合多套蒸散發(fā)產(chǎn)品，建立了普適多元回歸模型，估算了陸地蒸散發(fā)對(duì)LAI和氣象要素變化的敏感性；在此基礎(chǔ)上，量化了全球尺度上氣候變化通過(guò)改變植被LAI對(duì)陸地蒸散發(fā)和可利用水量的間接影響。曹明奎等[14]建立了多尺度數(shù)據(jù)—模型融合方法，研究生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，應(yīng)用多尺度試驗(yàn)觀測(cè)和跨尺度機(jī)理模擬方法，認(rèn)識(shí)和定量表達(dá)不同尺度生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程相互作用對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)通量和貯量的控制作用。胡海清等[15]探討了集成實(shí)地測(cè)量、遙感觀測(cè)和模型模擬的跨尺度火干擾對(duì)碳循環(huán)的影響，提出尺度轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

2.4 微塑料尺寸測(cè)量

Chen等[16]對(duì)城市水體中納塑料與微塑料進(jìn)行研究，提出納塑料比微塑料具有更高的分析要求，更復(fù)雜的環(huán)境歸趨，較環(huán)境污染物更強(qiáng)的作用和更強(qiáng)的生態(tài)毒性，展望了塑料污染物的尺寸研究。Yu等[17]對(duì)全球納米塑料研究的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)與科學(xué)進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，指出目前尚不清楚環(huán)境中納米塑料的來(lái)源以及實(shí)際含量，亟須探索納米塑料的來(lái)源及其方法學(xué)。為了厘清納米塑料污染對(duì)環(huán)境和健康帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)飲用水、食品和各種環(huán)境中的納米塑料進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)測(cè)是必要的，同時(shí)，不同環(huán)境基質(zhì)中的納米塑料測(cè)量面臨一定的挑戰(zhàn)：一方面，小尺寸和低質(zhì)量的納米塑料很難從復(fù)雜的環(huán)境樣本中分離并富集，因此獲得的定性和定量分析信號(hào)有限；另一方面，高實(shí)驗(yàn)環(huán)境背景值帶來(lái)的樣品污染可能導(dǎo)致準(zhǔn)確測(cè)量低濃度樣品較為困難。

綜合分析生態(tài)環(huán)境測(cè)量需求和測(cè)量技術(shù)研究現(xiàn)狀可知，目前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域多尺度測(cè)量須進(jìn)一步提高范圍測(cè)量精度，以提供準(zhǔn)確范圍或邊界的測(cè)量數(shù)據(jù)，為科研提供支撐；測(cè)量數(shù)據(jù)較為分散，需要建立和優(yōu)化相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；微納塑料多尺度測(cè)量技術(shù)研究有待進(jìn)一步深入，以突破關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)。

3 結(jié)論與展望

生態(tài)環(huán)境測(cè)量技術(shù)伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展而發(fā)展，測(cè)量精度要求不斷提高。目前，生態(tài)環(huán)境測(cè)量的發(fā)展趨勢(shì)主要由測(cè)量尺度向多尺度、跨尺度發(fā)展；測(cè)量頻響要求不斷增大，測(cè)量參量由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)方向拓展；測(cè)量參量向多種類、多參量方向發(fā)展；測(cè)量對(duì)象及條件要求不斷升級(jí)，測(cè)量向?qū)ο髲?fù)雜化和條件極端化發(fā)展；測(cè)量基準(zhǔn)精度要求不斷提高，測(cè)量基準(zhǔn)開(kāi)始由實(shí)物基準(zhǔn)朝高精度的自然基準(zhǔn)方向發(fā)展等[18]。

本文總結(jié)分析了生態(tài)環(huán)境測(cè)量的需求，生態(tài)環(huán)境多尺度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出目前生態(tài)環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域在范圍測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)以及微納塑料多尺度測(cè)量技術(shù)等方面有待進(jìn)一步改進(jìn)，基于此，提出生態(tài)環(huán)境測(cè)量朝多參量在線測(cè)量、復(fù)合測(cè)量和綜合環(huán)境感知等方向發(fā)展的建議，目的是通過(guò)提高生態(tài)環(huán)境測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步助力經(jīng)濟(jì)社會(huì)綠色發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂洪德.環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].皮革制作與環(huán)保科技，2023，4（4）：48-50.

[2] 趙春雷.環(huán)境監(jiān)測(cè)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的作用及發(fā)展措施探討[J].皮革制作與環(huán)?？萍?，2020，1（15）：91-95.

[3] 中國(guó)科學(xué)院，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì). 中國(guó)資源與環(huán)境科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略[M].北京：科學(xué)出版社，2023.

[4] 中國(guó)工程院全球工程前沿項(xiàng)目組. 全球工程前沿2023[M]. 北京：高等教育出版社，2023.

[5] 帕麗代·努爾買(mǎi)買(mǎi)提，優(yōu)麗吐孜.探討生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展趨勢(shì)[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2020（6）：48.

[6] MA S N，WANG H J，WANG H Z，et al. High ammonium loading can increase alkaline phosphatase activity and promote sediment phosphorus release：a two-month mesocosm experiment[J]. Water research，2018，145：388-397.

[7] DONG J Q，ZHANG X Y，ZHAN N. Satellite-based estimates of high-resolution CO concentrations at ground level in the Yangtze River Economic Belt of China[J]. Atmospheric environment，2023，312：120018.

[8] NYBERG B，HENSTRA G，GAWTHORPE R L，et al. Global scale analysis on the extent of river channel belts[J]. Nature communications， 2023，14（1）：2163.

[9] GONZALEZ A，GERMAIN R M，SRIVASTAVA D S，et al. Scaling-up biodiversity-ecosystem functioning research[J]. Ecology letters，2020，23（4）：757-776.

[10] 岳天祥，劉紀(jì)遠(yuǎn). 生態(tài)地理建模中的多尺度問(wèn)題[J]. 第四紀(jì)研究，2003，23（3）：256-261.

[11] LI C，DING S，CHEN M，et al. Visualizing biogeochemical heterogeneity in soils and sediments：a review of advanced micro-scale sampling and imaging methods[J]. Critical reviews in environmental science and technology，2023，53（12）：1229-1253.

[12] 高帥，侯學(xué)會(huì)，汪云，等. 基于機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支遙感監(jiān)測(cè)[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用，2022，37（5）：1190-1197.

[13] CHEN Z F，WANG W G，CESCATTI A，et al. Climate-driven vegetation greening further reduces water availability in drylands[J]. Global change biology，2023，29（6）：1628-1647.

[14] 曹明奎，于貴瑞，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等. 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的多尺度試驗(yàn)觀測(cè)和跨尺度機(jī)理模擬[J]. 中國(guó)科學(xué)（地球科學(xué)），2004，34（增刊2）：1-14.

[15] 胡海清，魏書(shū)精，孫龍，等. 氣候變化、火干擾與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[J]. 干旱區(qū)地理，2013，36（1）：57-75.

[16] CHEN Z J，SHI X D，ZHANG J Q，et al. Nanoplastics are significantly different from microplastics in urban waters[J]. Water research X，2023，19：100169.

[17] YU Q S，CHUANG C Y A，JIANG Y L，et al. Exploring environmental nanoplastics research：networks and evolutionary trends[J]. Reviews of environmental contamination and toxicology，2023，261（1）：12.

[18] 譚久彬. 精密測(cè)量：支撐高端裝備制造質(zhì)量的基石[J]. 張江科技評(píng)論，2020（5）：13-15.

（責(zé)編：何 艷）