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探寻生态系统运行与演化的秘密——生态地质调查思路及方法解读
作者:聂洪峰, 肖春蕾, 郭兆成   来源:中国自然资源航空物探遥感中心  发布日期:2020-04-27  点击:

  > 美丽中国 陈继宏/摄

  习近平总书记指出,山水林田湖草是一个生命共同体,形象地讲,人的命脉在田,田的命脉在水,水的命脉在山,山的命脉在土,土的命脉在林和草,这个生命共同体是人类生存发展的物质基础。“生命共同体”理念科学地界定了人与自然的内在联系和内生关系,蕴含着重要的生态哲学思想,成为当前和今后一段时期推进生态文明建设的重要方法论,在对生态的整体认知和人与生态环境关系的处理上为我们提供了重要的理论依据。

  我国独特的自然地理环境决定着生态环境格局,受地质构造、地形地貌、气候、水文等条件及人类活动等因素影响,目前我国一些生态系统遭到破坏,尚存在森林草地退化、湿地萎缩、水土流失、沙漠化、石漠化、盐碱化等问题。

  顺应自然、保护自然,做好生态系统整体保护、系统修复与综合整治,离不开生态赋存地质背景条件的调查——生态地质调查。它是将地质作用过程和生态空间分布、变化规律作为整体进行系统性调查研究,完整地获取地上、地下一体化信息,全面认识生态系统演变及趋势,寻求生态系统管理、保护与修复的地球系统科学解决方案。

  解读生态地质调查内涵 不断追溯本源核心价值

  “南山有台,北山有莱……南山有桑,北山有杨……南山有杞,北山有李”, 《诗经·小雅·南山有台》表明人们很早就从生产实践活动中懂得了不同地质条件影响地表植被与生态的分布。老子强调要遵循自然规律,提出“人法地,地法天,天法道,道法自然”的观点;《吕氏春秋》批判焚林而田、竭泽而渔的行为,认为那是短视之举。这些都体现了自古代起就有人与自然和谐共生、顺应自然变化规律的认知。

  生态地质调查就是要回归基础、追溯本源,调查生态赋存的基础地质环境条件,主要是调查研究各种生态问题或生态过程的地学机理、地质作用过程及环境条件,形成岩石-风化壳-土壤-水-生态完整的地表与地下一体化数据,为生态系统整体保护、系统修复,国土空间用途管制等工作提供地球系统科学解决方案。生态地质调查主要任务有以下4方面:一是调查生态与生态地质条件的现状分布及变化,分析其相互作用过程;二是调查生态地质问题类型及其分布,分析其控制与影响因素,预测发展趋势;三是开展生态地质系统综合评价,提出国土空间利用与生态系统保护修复建议;四是建立生态地质数据库和大数据平台,编制生态地质系列图件。我们认为,生态地质调查应该重点关注风化壳、包气带的结构、物理化学特征与演化,因为这部分是地球表层系统中最活跃、最富有活力的部分,是大气圈、生物圈、岩石圈和水圈相互作用最关键的地带,它决定了生态系统的运行与演化。因此,围绕当今生态环境及其问题,从整体性、系统性出发,搭建生态与地质条件之间的桥梁,促进地学与生态学的渗透与融合,突出两者的协同效应,具有十分重要的意义。

  > 大地的伤痕

  > 沙地之绿与生命之源

  生态地质调查的问题意识与追问之思

  > 生态地质系统示意图

  我国对区域地质、土壤与森林、草地、湿地等生态系统已经开展了卓有成效的调查研究。几十年来,相继完成了覆盖全国与部分地区的1:20万、1:25万与1:5万系列比例尺的区域地质调查、环境地质调查、水文地质调查等工作。全国开展了2次土壤普查、9次森林资源调查、2次草地资源调查、2次湿地资源调查、2次土地利用详查、1次地理国情普查,以及多尺度自然地理、农业、林业、国土的综合区划与生态功能划分。近年来,中国地质调查局部署实施了生态环境地质调查、农业地质调查、土地质量地球化学调查和全国自然资源遥感综合调查等项目,以及借鉴俄罗斯生态地质调查工作经验,完成了“1:25万铁岭市幅生态地质调查”和“大巴山地区1:5万生态地质调查”试点,构建了地质调查与区域生态环境研究之间的桥梁。可以说,以往的地质调查、土壤调查、生态调查的丰硕成果,为开展全国生态地质调查奠定了坚实的基础。但在当今全面推进生态文明建设的背景下,通过总结以往相关工作成果,我们认为还存在以下4方面问题:

  > “贫困”的水与“疲倦”的树

  第一,已有森林、草原、湿地等自然资源调查以类型、面积、生长状况和立地条件为主,而对地层岩性、地质构造、水文地质这些常常在不同程度上影响或制约着生态空间格局的地质条件研究不够充分。

  > 草原之本

  第二,对生态与地质之间(地球关键带多圈层)相互作用过程与机理的调查研究不够深入,比如:包气带、风化壳与生态之间的相互作用关系。

  > 立体调查

  第三,生态功能区划考虑生态地质条件的制约与影响不够,缺乏科学的生态地质单元指导和精细生态地质作用过程调查成果的支撑。

  第四,以往所形成的各类调查数据库缺少地上地下一体化的多门类全要素数据组织管理平台和多专业要素的大数据分析,不能满足目前不同尺度国土空间规划、生态保护与系统修复的切实需求。

  > 湿地追云的传说

  生态地质调查“四有”:有思路、有部署、有内容、有方法

  生态地质调查的思路是遵循山水林田湖草生命共同体理念,“地上与地下” 统筹考虑,数量、质量、生态 “三位一体”。以地球系统科学为指导,综合应用高分辨率遥感、生态地质剖面调查、多目标地球化学分析测试、大数据分析等新技术新方法,加强关键带岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈和生物圈等多圈层交互作用研究。

  生态地质调查的总体部署是分全国—重点地区—典型地段3个层次开展生态地质调查工作,注重3个层面工作的相互衔接,调查分析不同尺度森林、草原、湿地等生态空间的分布变化,成土母岩、地质构造、水文地质要素、土壤 、地形地貌等生态地质条件,以及荒漠化、石漠化等生态地质问题分布状况,划分全国及重点地区生态地质单元,开展生态地质分区评价,综合分析生态地质条件与生态空间分布变化的特征及其内在关系。

  全国尺度宏观把握

  主要是查清我国生态空间格局、主要生态地质问题的分布及其变化,分析生态地质条件的基本状况,形成宏观尺度上国土空间规划、生态保护与修复的地学对策建议。

  > 不断找寻就有力量

  全国尺度的生态地质调查,要在充分收集已有小比例尺相关调查成果基础上,整理汇编区域地质背景、地形地貌、土壤类型等资料,开展生态地质条件补充调查,形成全国生态地质综合研究的基础数据集。同时利用多源多时相的遥感地质解译、生态信息提取和动态变化综合分析等技术方法开展生态系统空间分布格局、演变规律的调查研究。在此基础上,参考重点地区、典型地段的调查研究成果,系统建立成土母岩、生态地质单元分类分级指标体系,划分出全国生态地质单元,进行生态地质分区评价,分析全国地质条件与生态空间格局动态变化的内在关系,关注全国生态安全等战略研究,提出生态系统整体保护与修复地学对策建议。

  全国尺度生态地质调查基础类成果,主要包括全国1∶50万成土母岩分布图、地貌形态类型图,全国森林、草地、湿地分布及其重要历史节点变化图,以及中国生态地质问题分布图、全国生态地质单元图、全国生态分区评价结果,等等。

  > 用脚步丈量大地

  重点地区精细调查

  对重点地区的调查主要是在重要生态功能区、生态环境敏感区和脆弱区,针对特殊生态地质条件和主要生态地质问题区开展调查,进行生态地质适宜性评价。

  > 地球关键带及物质、能量和基因信息的流动和转移示意图(朱永官,2015)

  重点地区生态地质调查,一是查明区域(流域/二级或三级生态地质单元)生态变化和生态地质条件(1∶25万),分析生态地质特征、生态资源优势,进行生态地质分区评价;二是查明生态地质问题类型、分布、程度、控制与影响因素,以及与生态问题相关的地质要素分布(1:5万),进行生态地质脆弱性评价。不同的生态地质单元,生态地质调查内容有所差异:在西南岩溶石山地区,主要调查岩溶关键带岩、土、水、生的作用过程与发育特征,以及其对植被生态的相互作用关系研究;在北方干旱半干旱地区,调查着重于成土母质结构、地下水位与土壤盐分的动态变化与植被生态的关系;在黄土高原区,调查内容主要是水土流失的自然成生条件,以及土地利用、植被破坏等人为影响因素;在青藏高原,着重调查构造隆升条件下的植被垂直分带,冻融性荒漠化分布、现状、演化;在滨海湿地,则主要调查滨海湿地类型、分布、现状、演化及其与水文地质条件、海岸带变迁关系。

  重点地区尺度生态地质调查的基础成果主要是1∶25万/1∶5万比例尺的生态地质调查成果数据及图件,包括成土母岩分布图、土壤地质图、生态地质图、生态地质脆弱性评价图、生态地质问题修复监测图等生态地质系列图件,以及服务于地方行政区域的国土空间规划、生态整体保护修复、乡村振兴等需要的应用成果,例如森林、草地、湿地生态地质脆弱性评价,区域生态保护与修复建议,区域石漠化综合治理区划,土地荒漠化修复防治区划,政府关注的特定地区问题专报、成果图集,等等。重点地区尺度调查方法有多源多时相高分辨率遥感调查与监测,无人机、航空遥感动态监测,野外地质调查和成土母质、土壤、地下水、地表水、植被等取样测试分析,等等。

  典型地段的机理探究

  > 典型剖面:令人牵挂的那一份土

  全国和重点地区的调查研究都离不开第三个层面即典型地段(反映生态地质状况或生态地质问题的代表性样区)的重点剖析,主要目标是揭示大气圈、生物圈、岩石圈、水圈等多圈层各相关要素间的相互作用过程,分析生态系统演化的地质学机理,尤其是各圈层交互带水分、盐分、碳氮元素等的循环过程和演化机制;探究风化壳、包气带结构与垂直分带特征,元素迁移富集特征,生态问题地学响应机理及生态修复技术等等,建立生态地质图谱。

  采取的调查方法:一是生态地质剖面测量,采用人工剖面或浅井、浅钻等形式予以揭露,观察、测量生态地质现象,进行岩石-风化壳-土壤-水体-植被系统采样;二是测试分析,包括岩矿分析、成土母质分析、土壤分析、水测试分析、植被测试分析等;三是动态监测,包括地下水监测、土壤和成土母质监测、植物监测、气象监测,等等。

  > 绿叶对枯根和大地的留恋

  多维度:生态地质调查技术支撑

  生态地质调查以地球系统科学为指导,涵盖了系统性的多学科调查,包括生态、环境、地质等诸多内容,需要综合应用遥感技术、地球化学、地球物理、大数据分析等诸多技术。

  遥感技术

  > 用剖面探究机理

  遥感技术是生态地质调查不可替代的技术手段之一。它不仅能够获取宏观尺度上生态要素的类型、分布、面积、质量及动态变化信息,还可以获取地层岩性、断裂构造、水文地质要素等地质环境背景信息。遥感地质技术应用贯穿于整个生态地质调查全过程,需要创新发展遥感地质新技术新方法及其应用深度,为生态地质调查提供技术保障。不同尺度的调查,采用的遥感数据源、遥感解译方法和生态信息提取等各有侧重。

  遥感数据源:来自卫星、航空和无人机等多层次搭载平台,采用全色、多光谱、高光谱、机载LiDAR、微波等多谱段传感器。在全国尺度上,采用多期次空间分辨率优于16米的遥感数据作为生态格局分布及其变化调查的数据源;在重点地区尺度上,随着我国国产高分辨率卫星数据的普及,采用空间分辨率优于2米的多期次遥感数据;在典型地段,则采用无人机平台搭载高光谱、热红外、LiDAR等传感器开展更高分辨率的调查与监测。

  遥感解译与监测方法:针对大范围,可采取充分利用光谱特征和纹理特征的人机交互解译,获取森林、草原、湿地等空间分布、类型及其动态变化,生态地质问题及其影响因素;对长序列、高频次的生态格局分布及变化的解译与监测采用遥感数据变化信息检测方法。随着深度学习等算法的发展,基于人工智能生态地质信息自动获取、加工与提取技术,能够更加快速广泛地应用于不同尺度的生态地质调查。

  > 典型剖面:等到尺量的那一刻

  生态信息遥感反演与提取:通过利用植被的光谱特性,将多光谱的可见光和近红外波段进行组合,建立各类模型,自动反演提取植被指数、叶面积指数和净初级生产力等参数,进而通过多期次动态变化分析,形成生态信息遥感监测成果。

  地球化学分析测试技术

  生态地质调查要加强关键带多圈层交互作用研究和特色生态产品生态地质条件剖析,需要开展常量元素、微量元素在岩石、土壤和植物中的迁移规律研究。这就需要地球化学分析测试技术的支撑。地球化学分析测试技术是指在规范的岩石、土壤、水、沉积物和植物样品采样、记录及其加工处理基础上,选择达到相关标准要求的实验分析测试方法,对元素及化合物含量特征及空间分布规律和迁移规律进行系统调查技术方法的统称。不同取样对象和测试分析目的,测试的指标差异较大。例如,对地表基岩开展岩矿化学全分析,不同地区可根据实际情况增加铀、钍放射性指标与铊、锑、铋、锡分析指标及矿物鉴定;对成土母质与土壤除了岩矿分析指标,还要测试粒度、有机质pH值等;对植物则需要测试叶绿素、水分、营养元素、微量与重金属元素等指标。

  生态地质剖面测量技术

  在岩石、土壤和植被生态特征发育典型,能够反映岩石、土壤与植被生态相互作用的部位,开展生态地质剖面调查,利用定性观察、描述和定量测量不同地质、地形地貌、土壤、生态等生态地质相关信息。选择已有人类工程活动切坡剖面或采用浅井、浅钻等形式揭露剖面,观察记录岩石类型、结构、构造与颜色和矿物成分等,测量岩层产状和岩石节理裂隙特征;观察记录风化壳、成土母质、土壤类型、颜色、结构、成分,测量厚度、分层结构和水分;观察记录地表植被的类型、生长状况、结构层次等,测量根系数量、深度及其空间分布,典型植被可采用样方调查的方式测量植被生态参数。在上述观察记录基础上,系统进行岩石-风化壳-土壤-水-植被的采样,并绘制生态地质剖面图。在需要时可采用适当的地球物理方法和钻探方法。

  大数据分析评价技术

  生态地质涉及到地球关键带的岩石圈、水圈、大气圈、生物圈多个圈层要素数据,对上述多圈层数据的集成管理和综合分析对生态地质调查有着重要意义。因此,生态地质调查必须要建立数量+质量+生态“三位一体”,地上地下一体化的大数据综合管理与分析评价平台。以生态地质多圈层调查成果资料为数据源,建立模型库(信息提取模型、数据挖掘模型、分析评价模型和三维展示模型)、方法库(集成神经网络、遗传算法、机器学习等技术方法)和知识库,研发生态地质单元评价、生态地质脆弱性评价、荒漠化及石漠化修复分区评价等子系统平台,实现对不同层级生态地质单元的生态地质系统功能性评价以及国土空间开发适宜性评价。另一方面,充分利用“地质云”已有软、硬件资源与平台功能,与“地质云”深度融合对接,实现数据集成管理、信息共享、数据分析评价及成果社会发布等,打造“数据聚合—集成管理—分析评价—应用服务”的全链条、一站式生态地质调查工作流,客观高效地为政府决策、科学研究和社会公众提供不同层次需求的信息资料服务。

  道路漫漫与上下求索:生态地质调查工作展望

  > 奔腾 陈继宏/摄

  党的十九大报告指出,“生态文明建设是中华民族永续发展的千年大计”,建设生态文明体现了为子孙后代留下良好生存环境的情怀。全面贯彻落实生态文明思想,持续开展生态地质调查,以地球系统科学为指导,广泛吸收和借鉴地质学、地理学、生态学、水文学、土壤学等多学科基础理论,综合运用遥感、地面调查、物化探、钻探、大数据分析及人工智能等新技术方法,逐步建立集基础理论、技术方法、成果应用为一体的生态地质学学科体系,通过对全国、重点地区、典型地段多维度生态地质调查工作的逐步推进,建立完整的星—空—地—网相协同的生态地质调查技术体系,形成全国与重点地区科学、系统、权威的地上地下一体化的生态地质整装性数据与成果,从而为全面服务于全国、地方不同尺度山水林田湖草整体保护与系统修复、国土空间规划与用途管制,以及生态优良产品发展,提供基础数据和决策支撑。

  生态地质调查前景广阔!

  > 静静地等

 
 
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