自然资源要素综合观测体系建设是自然资源部的基础性、公益性工程,是全面贯彻习近平生态文明思想、践行山水林田湖草生命共同体发展理念,履行自然资源“两统一”管理职责的重要举措,为系统、全面认识自然资源变化规律、预判未来发展趋势提供基础数据支撑。自然资源要素综合观测体系建设重点工作主要包括：第一,充分考虑多学科融合,做好顶层设计;第二,继承和发扬青藏科考精神,打造一支吃苦耐劳、稳定的观测队伍;第三,充分考虑森林、草地等不同资源之间的耦合,依托自然资源要素综合观测体系加强综合研究;借鉴国内外生态系统观测经验,利用现代化手段,科学搭建多尺度网络;第四,打破壁垒形成合力,探索不同观测网络、单位之间合作机制,服务国家重大需求;第五,明确核心任务,坚持点-线-面结合;第六,探索多部门合作,试点示范先行。

新形势下中国的自然资源管理由单资源分部门管理,转为以山水林田湖草生命共同体发展理念和地球系统科学理论指导下的“两统一”集中管理,不仅要综合考虑某种资源状态变化引起的其他相关资源状态的变化,还要考虑对国土空间生态环境的影响和规划,更要考虑未来的资源状态对国家重大决策的安全保障。因此,构建全国自然资源要素综合观测体系对国家生态文明建设有序发展具有十分重要的意义。本文论述了国内外现有观测网研究特点和不足,明确了全国自然资源综合观测网络构建的基本思路与原则;提出了包括要素、技术、质控、服务和运维五维一体的总体框架,采用自然资源综合区划与观测台站布设技术、自然资源要素耦合机理与指标选取技术、多源数据整合与数据处理技术、模型模拟技术与自然资源综合评价4种关键技术,开展自然资源要素长期、稳定、连续综合观测,探索自然资源各要素间的耦合关系、变化动因机制和演化趋势,解决认识自然生态变化规律、预判发展趋势的基础数据支撑能力不足问题,服务于新形势下国家自然资源统一管理和重大资源战略决策。

探索建立新的管理体制下自然资源分类体系对资源管理具有重要的意义。现有自然资源的学理、法理和管理分类在资源管理上存在交叉重叠、分类标准不统一、不利于掌握资源家底等现实问题。通过深入剖析自然资源统一管理的基本内涵,认为新的自然资源分类应该以满足资源管理为基础,还要与现有法律有效衔接、与现有分类有效融合。基于此,本文提出了分类标准统一清晰、新旧分类有效衔接以及学理、法理、管理分类有机结合的分类原则,构建了面向自然资源统一管理的包括3个一级类15个二级类53个三级类的自然资源分类体系。

自然资源综合区划是土地、矿产、森林、草地、湿地、水和海域海岛等复合自然资源空间异质性的直接反映,是分区、分类、分级推进自然资源综合观测体系构建和野外科学观测研究站布设的重要科学依据。目前中国自然资源综合区划理论研究较为欠缺,且技术方案尚未形成一套科学准确的评价范式。本文基于自然资源格局、演变和功能特性,以山水林田湖草生命共同体系统管理为出发点,阐述了自然资源综合区划的概念框架;按照主体性、整体性、多尺度、等级性和发展性五大原则,提出了区划技术方案,并初步开展实证研究;最后,比较了自然资源综合区划与自然区划和生态区划的差异。本文研究成果可增强对自然资源耦合关系和分异特征的科学认识,促进多学科建设,服务于自然资源治理体系建设等国家战略需求。

为了实现自然资源的规范管理和高效利用,需要对其要素进行长期、连续、稳定的综合观测,从而获得相关的基础数据,掌握资源种类、数量、质量和资源间相互作用过程信息。由于目前中国没有形成统一的自然资源观测指标体系,导致不同区域间资源观测和管理存在差异,使得国家尺度上对自然资源的规范化管理和合理利用难以实现。因此,亟需构建一套适用于国家尺度、科学、系统、规范的自然资源要素综合观测指标体系。本文以解决认识自然生态变化规律、预判发展趋势的基础数据支撑能力不足问题为出发点,参考国内外现有观测（监测）指标体系,确立了自然资源要素综合观测指标体系建立和选取的基本原则;在自然资源要素分类的基础上,采用正、反演相结合、模块化等构建方法,建立了由36个归类模块、6个资源要素综合观测系统和若干个赋能模块构成的自然资源要素综合观测指标体系。通过建立大气-地表-地下多层次,个体-景观-区域多尺度的立体化综合观测网,获取自然资源要素数据,以期实现对自然资源的精细化管理、评价和利用。

海岸带自然资源丰富、类型多样,对沿海经济的发展起到非常重要的作用。目前国内外尚缺少反映海岸带自然资源发育和分布规律、便于自然资源的横向对比和综合评价的系统区划。为此,本文从海岸带自然资源类型、分布、影响因素着手,展开了反映海岸带自然资源分布的区划研究。分析了主要资源的分布特点,探讨了影响自然资源形成、发育和分布的气候、海岸带类型、水动力等多方面因素;基于这些影响因素和自然资源分布特点,提出了海岸带自然资源分级区划和命名原则,分为“区”和“带”2个级别。划分出黄-渤海海岸自然资源区、东海海岸自然资源区、东南沿海海岸自然资源区和海南岛海岸自然资源区4个海岸自然资源区,进一步划分为16个海岸自然资源带,并对每个区（或带）内的自然资源进行了介绍。本文结果可对海岸带自然资源评价和合理开发利用提供参考。

针对陆地表层土地资源、水资源、气候资源和生物资源综合观测台站的优化布设问题,基于空间抽样与统计推断“三位一体”理论,分析了自然资源的空间分布特征,采用“中国生态地理区域图”和全国2009—2018年NDVI表征陆表自然资源的空间分异性与相关性,选择能够同时考虑空间分异性与相关性的分层异质性表面无偏最优点估计方法作为统计推断方法,以其全局平均误差方差作为陆表自然资源综合观测台站布点优化设计的目标函数,并使用空间模拟退火算法进行优化求解获得了台站布设方案。研究结果表明：①多年平均NDVI能够较好地表征陆表自然资源的空间分布特征。②分层异质性表面无偏最优估计方法能够适配自然资源的空间变异特征,在变化较大的地方加密布点,在变化平缓的地方减少布点,与基于克里金的优化方法相比,能够以同样的观测台站数产生更小的估计误差方差。③观测台站数量与误差方差曲线图可以作为确定最佳台站数量的依据,本文推荐1000点作为台站数量。本文为陆表自然资源综合观测台站布点优化设计提供了一套理论方法,可用于指导实际的综合观测台站布设,服务于国家自然资源综合观测与科学管护。

探索建立湿地资源立体综合观测指标体系对湿地资源统一管理、理论研究和相关决策制定有重要意义。本文以自然资源“两统一”管理为指导,从山水林田湖草生命共同体理念出发,阐述了湿地资源立体综合观测系统框架和重要意义,分析了国内外湿地资源观测现状,结合湿地资源的独特性、复杂性和立体综合观测多尺度、多要素、系统性、动态性的特点,提出了指标体系构建原则,构建了以气候资源、生物资源、地表水资源、土壤资源、地下水资源5个一级指标18个二级指标31个三级指标构成的大气层—地表层—地下层湿地资源立体综合观测指标体系,对湿地资源开展长期、连续、稳定的观测,以期实现湿地资源管理从经验决策向数据决策转变,湿地资源开发利用从粗放向科学精准转变,从多资源要素保护向山、水、林、田、湖、草等资源全要素保护转变;同时,为解决当前湿地资源观测数据格式、标准不统一等问题,进一步提升湿地资源观测数据开放度、共享度和联网研究的能力提供参考。

真实准确地掌握草地基础数据,不仅是指导草地合理利用的基础,更是政府科学决策的重要依据。“星-空-地”一体化遥感观测技术应用为草地要素监测和草地植被生长过程的时空多维度、立体观测提供了新思路。本文通过梳理草地资源观测技术、要素指标与功能服务研究进展,围绕草地资源立体监测网络、要素指标体系以及应用服务需求与支撑决策等方面,提出了中国草地资源立体观测网络、指标要素与应用服务体系构建的技术思路。本文认为,未来应加强草地资源立体观测大数据平台建设,推进星基、空基遥感监测与地面监测大数据的深度融合与应用,提升对全国、区域、局域草地的自动化、全天候、立体化观测能力和多源数据获取能力,建立科学合理的草地资源智慧管理和决策支持系统工具,更好地为各级政府及相关部门制定草原保护制度建设及草业发展规划、决策及实施措施提供科学依据。

自然资源要素综合观测体系具有观测对象多、观测指标多、观测技术手段多等特点。为保证观测数据质量,必须构建覆盖从采集到发布数据全周期全过程的数据质量管理体系。本文针对自然资源要素综合观测对数据质量管理体系提出的新要求,基于国内外观测领域数据质量管理体系现状分析,依据ISO9000族国际标准,建立由目标层、组织层、制度层、控制层及评估层五部分组成的综合观测数据质量管理体系框架;基于模块化集成思维,构建纵横多级质量控制体系：纵向上,建立综合研究中心—一级站—二级站—三级站4级外部检查,横向上,建立观测—校对—审核3级内部检查制度;质控技术上,重点研究了不同观测过程的质控模块,建立了QC0（样品实验测试质量控制模块）、QC1（观测数据内部质量控制模块）、QC2（观测数据外部质量控制模块）、QC3（数据质量的考核和评估模块）4种质控模块,提高了质控针对性和有效性。本文旨在通过构建全面的数据质量管理体系和科学的质控方法,保证观测数据准确可靠。

土壤肥力是土壤的基本属性和质的特征,其评价指标体系的建立是实现自然资源综合观测和统一管理的重要支撑,然而,目前仍然没有建立一个统一的标准和指标体系。本文基于文献计量的方法,对CNKI库中相关文献进行统计分析,总结了国内学者对土壤肥力质量评价所选用的主要指标,并分别从土壤化学、土壤物理和土壤生物学3个不同性质方面进行探讨。结果表明,有机质、全氮和速效钾等是土壤化学性状的重要指标,容重、土壤含水率和质地等是土壤物理性状的重要指标,脲酶、转化酶和代谢熵等是土壤生物学性状的重要指标。在此基础上,以全国自然资源综合观测和统一管理的需求为导向,遵循综合性、稳定性、独立性和获取性的指标选用原则,提出了土壤肥力评价指标体系的初步构建方案,旨在为开展土壤资源长期定位观测和质量评价提供科学依据。

自然资源要素综合观测数据具有来源多、类型复杂和数据量庞大等特点,需要建立自然资源要素综合观测一体化平台对数据进行统一管理和利用。本文基于物联网与数据中台技术,构建了自然资源要素综合观测一体化平台,主要包括自然资源要素数据中心、物联网中心和模型云中心三大模块,实现了从传感器终端到数据中台、模型云的自动数据传输和互联共享,以及数值分析、加工和综合应用,达到了可视化效果。为自然资源统一管理、全国重要生态系统保护和修复重大工程规划提供技术支撑。

当前,以全球、区域（流域）为单元建立分布式的观测网已成为陆地表层系统观测的主流方向,而良好的运行与维护、严格的数据质量控制是获取高质量观测数据的前提。本文以中国第二大内陆河黑河流域为例,概述了黑河流域地表过程综合观测网的相关情况,总结了该观测网的运行与维护以及数据质量控制的研究进展,主要包括：日-旬-月-年尺度的运行与维护流程,由仪器比对与标定、数据处理、筛选与审核等构成的数据质量控制流程等。以2018年3个超级站为例展示了观测数据成果,并介绍了黑河流域地表过程综合观测网的成效。本文的研究成果将对“丝绸之路经济带”上许多相近内陆河流域的野外观测与数据质量控制等工作起到借鉴作用。

降水是地表及地下水资源的根本补给源,直接影响水资源的时空分布格局以及山地冰冻圈的分布和发育。祁连山高寒山区是降水和产流高值区,降水特征受地形影响较大,但现有的降水观测网络还无法合理反映降水特征在地形垂直梯度上的变化。为了确定降水变化如何影响高寒山区的水文和生态过程,需要从流域垂直梯度观测降水形态和降水量的变化。本文概述了由T-200BM3组成的祁连山高山区降水格网化、梯度化、自动化观测网络,并在八一冰川冰缘区建立高寒山区降水标准校正场,采用世界气象组织（WMO）推荐的降水/降雪观测标准（DFIR）校正八一冰川区域降水量。在八一冰川区域对地面降水数据产品作初步分析,并利用高海拔站点数据评估了GPM和TRMM降水数据产品在祁连山区的适用性。该降水观测网络的建设对进一步认识高寒山区不同海拔雨雪和水汽变化规律,精细化评估高寒山区降水资源具有重要意义,并可为全国的降水资源综合观测和评估提供方法和降水数据产品。

日尺度地表短波净辐射（DNSSR）是大部分陆面过程模型、全球环流模型、陆-气交换过程模型和各种水文模型的重要输入参数,在自然资源调查、生态环境监测、能量平衡研究等领域具有重要的研究意义和实用价值。本文通过匹配MODIS双星遥感观测和FLUXNET日尺度地面观测数据,筛选出包含18个自变量总计15531对的有效样本,利用机器学习的随机森林方法构建了日尺度DNSSR遥感反演模型,并利用地面实测数据对模型结果进行了真实性检验。结果表明,构建的日尺度DNSSR遥感模型的偏差Bias为-0.1 W/m²,均方根误差RMSE为27.8 W/m²,决定系数R²为0.90,表现出良好的精度。基于此过程,得到MODIS双星反演的DNSSR全球分布结果,并与不同季节下再分析ERA5数据扩展得到的DNSSR数据进行了对比,发现两者全球分布特征基本一致,且均与太阳能量随季节变化分布特点密切相关。为进一步证实验证的结果,将ERA5和地面站点实测数据作了进一步的对比,结果从侧面证实了本文构建的MODIS的DNSSR产品精度远高于ERA5的DNSSR,而且其产品空间分辨率也有了极大提升。研究结果证明,本文提出的基于MODIS双星观测与机器学习的日尺度DNSSR反演模型具有反演精度高、空间分辨率高、具备时间连续性等优点,能够有效移植至其他气候资源的遥感反演。

全面掌握区域自然资源现状,以此为数据基础进行生态安全格局优化,对综合开发及统筹布局自然资源具有重要意义。开展自然资源综合观测、识别区域生态保护及修复节点是安全格局构建的关键环节。本文选取江西省万年县为研究区,通过土地利用类型、DEM、道路数据和自然保护地数据对区域资源现状进行综合观测;同时基于InVEST模型、粒度反推法以及区域现状确定生态源地;结合土地利用类型、地形以及道路因子构建综合阻力面;并使用电路理论判定生态廊道,识别生态修复关键点。结果表明：①万年县生态源地面积95.93 km²,林地为主要源地类型,其对于区域生态安全格局的稳定至关重要;生态廊道长度217.89 km,其中,贯穿全域的33条关键廊道需要优先保护,未来可作为自然资源综合观测及监测的重点区域。②识别出“夹点”11处,“障碍点”74处,区域生境连通性仍有较大提升空间。③基于电路理论,通过源地选取、阻力面及廊道构建、重要战略点识别等,整合全域山水林田湖草自然资源,针对生态安全格局提出不同分区的资源优化策略,对于提高区域资源供给能力具有积极的实践意义。

湿地在维系干旱区绿洲生态系统结构、功能以及水文循环方面发挥着重要作用。对绿洲湿地的综合监测与评估,是准确认识湿地保护政策成效、加强湿地生态环境恢复与保护的基础。本文利用1975—2015年多时段遥感影像解译数据和效益转移法,定量分析了2000年湿地保护政策实施前后近40年塔里木河干流上游、黑河中游和石羊河中下游等典型绿洲湿地空间格局及其生态系统服务价值变化特征。结果表明：①2000年之前,由于绿洲湿地被肆意开垦,导致绿洲湿地面积均大幅减少且湿地景观逐渐破碎化,损失了较多湿地生态效益。2000年之后,在湿地保护政策实施下,塔里木河干流上游和黑河中游绿洲湿地面积及其生态效益均取得较好的恢复成效,湿地破坏较为严重的石羊河中下游绿洲,其湿地保护与恢复工作有待进一步加强。②湿地生态系统服务总价值主要来源于调节服务功能（占比74%~81%）。③湿地所占绿洲面积非常小,但对绿洲总生态系统服务价值变化的贡献率较大。因此,湿地的保护与恢复对绿洲生态系统稳定性、提升生态系统服务价值至关重要。

华北平原是中国重要的农业主产区,同时也是世界上水资源短缺最为严峻的地区之一。地表蒸散发（ET）是水资源消耗的最大项,因此获取准确的ET数据是华北平原水资源管理的重要基础。本文对全球3种高分辨率ET产品在华北地区进行精度验证和时空对比,以期为选择更适用于华北平原的高分辨率ET数据提供参考信息,更好地为水资源的研究和管理服务。通过与涡动相关测量数据对比,研究显示PML_V2产品在华北地区精度最高,其次是SSEBop_V4,最后是MOD16A2,相关系数分别为0.81、0.74和0.52;均方根误差分别为0.87、1.52和1.44 mm/d,PML_V2与站点观测值的波动趋势一致性最高。3种产品在小麦生长季的估算值与观测值的相关性均高于玉米生长季,SSEBop_V4和PML_V2估算值分别在小麦季和玉米季与观测值具有最高的相关性。通过3种产品相互之间的对比,结果发现PML_V2和SSEBop_V4在空间分布上较一致,相关系数最高,为0.76;MOD16A2的空间分布与其他2个产品差异较大;三者的最大差异出现在耕地区。从2003—2018年的变化趋势上,MOD16A2在3种土地利用类型下明显呈增加趋势,而SSEBop_V4和PML_V2无明显变化。该研究结果有助于评估每种产品的质量和不确定性,以改进ET算法和产品质量。