自然资源要素综合观测指标体系探讨

doi:10.18402/resci.2020.10.06

Abstract

Abstract:

In order to achieve the sustainable management and efficient use of natural resources, long-term, stable, and continuous comprehensive observations are necessary for acquiring basic resource data and information on resource types, quantity, quality, and processes of interactions. It is necessary to construct an indicator system of the comprehensive observation of natural resources. However, due to the lack of a unified indicator system of natural resources observation in China, there exist big gaps in observation and management between different regions, which make it difficult to standardize the management and improve the utilization of natural resources on a national scale. Hence, a scientific, systematic, and normative indicator system of comprehensive observations, which can be applied on a national scale in China, is urgently needed. Based on the primary issues to be addressed and with reference to the existing indicator systems in China and internationally, the authors summarized the basic principles of establishing the indicator system and the selection of indicators. On the basis of the classification of natural resource elements, the authors established a comprehensive observation indicator system that consists of 36 classification modules, 6 comprehensive observation subsystems, and several functional modules, by a combination of forward and inverse inference methods, modularization, and other construction methods. Through the establishment of a multidimensional comprehensive observation network across the atmosphere-surface-subsurface levels and the individual-landscape-regional scales, the data of natural resource elements can be obtained and the management, evaluation, and utilization of natural resources can be achieved.

Key words: comprehensive observation, natural resources, indicator system, elements, observation methods

ZHANG He, WANG Shaoqiang, WANG Liang, CHENG Shubo, JIANG Zhenglong, ZHANG Zifan. Discussion on the indicator system of comprehensive observation of natural resource elements[J].Resources Science, 2020, 42(10): 1883-1899.

Figures/Tables 10

Table 1

Table 2

Table 3

Figure 1

Figure 2

Table 4

Resource quantity-quality module of the comprehensive observation indicator system of natural resource elements (Partially adapted from [18, 19, 38, 39])"

资源大类	归类模块名称	一级指标	二级指标	三级指标	指标功能	观测频次
气候资源	①大气水分数量质量模块	大气水分资源数量	云资源量	云量	反映云的数量	1次/d
气候资源	①大气水分数量质量模块	大气水分资源数量	大气水分资源量	相对湿度、铅直水汽通量、水汽通量散度	反映大气水分资源量	1次/d
		大气水分资源质量	云层状况	云状、云高、基本反射率、组合反射率等	反映云的形态、位置及内部降水粒子尺度和密度	1次/d
	②光能热量数量质量模块	光能热量资源数量	太阳能辐射资源量	太阳高度角、光照度、直接辐射量等	反映光能和热量资源情况,计算光亮度	实时观测
			其他辐射量	净全辐射量、散射辐射量等	反映大气和地面辐射情况,地球热量收支状况	实时观测
	③风能数量质量模块	风能资源数量	风资源量	风向、平均/最大/极大/瞬时风速、风能密度	反映风能资源情况,计算气候风能资源总储量	1次/h
			气压状况	平均/最高/最低气压、空气密度等	反映大气气压情况,计算气候风能资源总储量	1次/h
	④大气成分数量质量模块	大气成分资源质量	大气能见度	能见度、最小能见度等	反映大气环境状况	1次/h
	④大气成分数量质量模块	大气成分资源质量	空气质量	O₃、CH₄等	反映空气状况	1次/d
地表覆盖资源	⑤植被数量质量共性模块	植被资源数量	植被类别	植被类型、植被种类、优势种	反映区域内物种类型特性	1~5次/5a
	⑤植被数量质量共性模块		植被数量	植被面积、植被高度	计算植被覆盖率、计算蓄积量	1~5次/5a
		植被资源质量	植被质量	植被覆盖度、植被密度、植被指数	反映植被茂密程度和生长状况	1~5次/5a
			生境质量	微生物种类、数量、生物量碳/氮等	反映植被提供生境情况,微生物环境及影响	1次/5a
	⑥林木数量质量特性模块	林木资源数量	林木数量	森林群落的胸高断面积	计算蓄积量	1次/5a
	⑥林木数量质量特性模块	林木资源数量	林木生长量	胸径/树高年平均生长量、净初级生产力	反映林木生长状况,计算林分蓄积生长量	1次/5a
		林木资源质量	林木质量	郁闭度、叶面积指数、林冠结构等	反映林木利用光能状况、冠层结构、营养积累量	1次/5a
	⑦草数量质量特性模块	草资源数量	牧草数量	牧草产量	反映牧草产量	1次/a
	⑦草数量质量特性模块	草资源数量	牧草载畜量	载畜量、载畜压力指数、放牧面积等	反映牧草载畜能力	1次/a
			草生产力	草面/草层最高/最低温度、出现时间等	侧面反映草的生产力	1~4次/a
		草资源质量	草感官质量	成熟度、叶片含量、色泽、嗅觉	评定草资源品质	1~4次/a
			牧草质量	粗蛋白质、粗脂肪、中性洗涤纤维等	反映草资源中营养含量、计算相对饲用价值	1~4次/a
	⑧作物数量质量特性模块	作物资源数量	作物播种收获量	播种量、产量	反映作物播种、收获情况	1次/季
	⑧作物数量质量特性模块	作物资源数量	作物数量	地上/下部总干重	反映作物生长总量	1次/季
		作物资源质量	作物质量	籽粒品质、枝/叶/花果/皮干重等	反映作物吸收营养及利用光能状况,评定作物品质	1次/季
水资源	⑨地表水数量质量模块	地表水资源数量	湖库水资源量	水域面积、岸线周长、多测点水深	计算湖库蓄水量	1次/a
			江河水资源量	河流横截面积、流速、流向、流域面积等	计算河流径流量、河网密度,划分河流等级	1~2次/a
		地表水资源质量	地表水理化生性质	水温、菌落总数等	反映地表水水质	1次/a
			水情	含泥沙量、枯/平/丰水期、冰冻期等	反映河流泥沙信息,分析河流水情	1次/a
			水生生物	浮游动植物现存种类/数量/初级生产力等	反映江河湖库水质及生长动植物特征、生长状况	1次/5a
	⑩冰川数量质量模块	冰川资源数量	冰川冰储量	冰川长度、宽度、密度、面积、厚度	计算冰川冰储量	1~4次/a
			永久性积雪量	积雪面积、各雪层深度、雪水当量	估算积雪体积、雪水完全融化的储量	1~4次/a
		冰川资源质量	冰川水理化性质	水体电导率、浑浊度等	反映冰川水水质	1~4次/a
			冰川及永久性积雪质量	各雪层液态含水率、微粒物含量等	反映各雪层雪的致密程度,冰川积雪受污染程度	1~4次/a
			冰川变化	冰川冰变形、冰川表面运动速度等	反映冰川自身形变、冰川运动变化情况	1~4次/a
			冰川生境	冰芯/冰川雪中微生物种类、数量	反映冰芯沉积年代气候环境变化情况,微生物环境	1次/5a
	海水数量质量模块	海水资源数量	海浪资源量	波高、周期、波向、波型等	反映海岸带海况	8次/d
	海水数量质量模块		海流量	流速、流向	反映海洋环流情况	8次/d
		海水资源质量	海水理化性质	水温、盐度、电导率、溶解氧、矿化度等	反映海水水质	1~4次/a
			海水环境噪声	噪声频带声压级、幅度谱密度等	反映海水环境噪声影响状况	1~4次/a
			海水生境	浮游/水生/底栖生物种类、数量、海发光	反映海水水质及生长动植物特征、生长状况	1次/5a
	地下水数量质量模块	地下水资源数量	地下水类别	地下水类型、泉类型	反映地下水类型特性	1次/5a
	地下水数量质量模块	地下水资源数量	地下水资源量	补给量-消耗量	估算地下水资源量	1次/a
			地下水径流量	含水层厚度、水位、断面宽度	计算地下水径流量、水力坡度	1次/a
			相邻含水层越流量	渗流速度、临界水头梯度	计算相邻含水层的越流量	1次/a
		地下水资源质量	地下水理化生性质	水温、总硬度、电导率、菌落总数等	反映地下水水质	1次/a
			地下水环境	含水层岩性、岩溶含水层中岩溶分布	反映地下水含水层岩性、岩溶分布情况	1~2次/10a
土地资源	农用地数量质量共性模块	农用地资源数量	农用地类别	土地类型	反映土地类型特性	1次/5a
			农用地数量	土地面积、土壤分层厚度	反映土地资源量、计算涵养水源量	1次/5a
		农用地资源质量	农用地特征	地面坡度、坡向	反映地表单元朝向、陡缓程度及日照情况	1次/5a
			土壤物理性质	土壤结构、质地、容重、含水率等	反映土壤水分涵养能力、计算土壤蓄水量等	1~2次/10a
			土壤化学性质	总碳、有机碳、微量元素等	反映土质	1~2次/10a
土地资源		农用地资源质量	土壤生物性质	微生物群落类别、数量、比率等	反映土壤环境、改善土壤养分状况	1~2次/10a
			生境质量	土壤动物种类、数量、活动状态	反映土壤提供生境情况	1~2次/10a
	耕地数量质量特性模块	耕地资源数量	耕地类别	轮作体系	反映耕地使用机制	1次/1a
			耕地数量	年耕地播种总面积	计算耕地复种指数	2次/1a
		耕地资源质量	耕地土壤物理性质	田间持水量、最大吸湿水量、总孔隙度等	反映土壤水分动态特征,计算吸湿系数、凋萎系数	1次/5a
			耕地土壤化学性质	0~20 cm表层土壤碱解氮、速效钾/磷等	反映表层土壤养分、交换性能	1次/5a
			耕地土壤生物性质	土壤酶活性、耕作层根生物量	判断土壤生物化学过程强度,评价土壤肥力水平等	1次/5a
			土壤团聚体稳定性	团粒结构、团聚体分形维数、成分含量等	反映土壤结构、物理形状及水稳性,计算分散系数	1次/5a
	冻土数量质量模块	冻土资源数量	冻土资源量	冻土面积、厚度、上/下限深度	计算地下冰储量,推测冻土分布范围	1次/5a
		冻土资源质量	冻土物理性质	活动层温度/湿度、未冻水含量、导热率等	反映土壤特性、评价冻土水分迁移、冻结状态等	1次/5a
			冻土化学性质	有机质总量、易溶盐含量等	反映冻土土质（包含盐渍化/泥炭化多年冻土）	1次/5a
			冻土生物性质	微生物种类、数量	反映冻土环境	1次/5a
			冻土强度特性	抗压/抗剪/抗拉强度	计算冻土强度	1次/5a
			冻土冻胀特性	冻胀率、地表冻胀量、冻结层厚度	反映冻土冻胀作用状况,计算冻胀性分级等	1次/5a
			冻土融化下沉特性	孔隙比、冻土融化体积压缩系数等	计算融化下沉性等级	1次/5a
	可利用海滩数量质量模块	可利用海滩资源数量	海滩类别及数量	海滩类型、海滩面积等	反映可利用海滩类型特性及面积情况	1~2次/10a
	可利用海滩数量质量模块	可利用海滩资源质量	海滩特征	前滨宽度、海滩长度、干滩厚度等	反映潮间带距离及可利用海滩规模	1~2次/10a
			沉积物性质	表层/底质沉积物粒度、元素组成等	反映介质流动性,沉积水动力环境	1~2次/10a
			生境质量	土壤动物种类、数量	反映可利用海滩生物生态环境	1~2次/10a

Table 4

Table 5

Resource interaction processes module of the comprehensive observation indicator system of natural resource elements (Partially adapted from [18,19,38,39])"

归类模块名称	一级指标	二级指标	三级指标	指标功能	观测频次
气候作用过程共性模块	气候作用过程共性	凝结作用	日降水量、雨滴中值粒径等	估算大气降水量	1次/d
		凝华凝固作用	降雪雪深、最大冰雹直径等	反映大气降雪→其他资源补充	1次/月
		降水化学性质	降水酸碱度、氢氧同位素等	反映大气水分性质	1次/a
		沉降作用	干/湿沉降总量、电导率等	反映大气干湿沉降情况	1次/a
气候与地表水作用模块	气候与地表水作用	气温影响	水面温度	反映大气→地表水的影响	1次/d
气候与地表水作用模块	气候与地表水作用	蒸发作用	水面蒸发量	反映地表水→大气补充	1次/d
气候与植被作用过程共性模块	气候与植被作用过程共性	气温影响	露点温度、有效积温等	反映大气→植被的影响	1次/d
气候与植被作用过程共性模块	气候与植被作用过程共性	散发（蒸腾）作用	气孔导度、植物蒸腾效率	反映植物调节气候、涵养水分	实时观测
		光合作用	生态系统呼吸、释放氧气量等	反映植物调节气候、释放氧气	实时观测
		固氮作用	固氮量	反映植物营养积累量	1~ 4次/a
气候与林木作用模块	气候与林木作用	降水作用	林冠截留雨量	反映林冠→降雨的截留作用	1次/月
		散发（蒸腾）作用	树干蒸腾量	反映林木→气候调节	1次/月
		升华作用	林冠截雪升华量	反映林冠→大气水分的补给	1次/月
气候与冰川作用模块	气候与冰川作用	气温影响	表面温度、冰川水氢、氧同位素	反映水汽凝结时的气温变化	1次/d
		升华作用	积雪升华量、升华潜热等	反映气候变化、水量/能量平衡	1~2次/月
		融化作用	冰川上/下游海拔、雪线等	推算冰川消融量	1次/季
气候与海水作用模块	气候与海水作用	气温影响	海平面气温、气压	反映大气→海面的影响	1次/d
		蒸发作用	海平面蒸发量	反映海面→大气补充	1次/d
气候与土地作用模块	气候与土地作用	气温影响	地表温度	反映大气→土地的影响	1次/d
		热交换	土壤感热/潜热通量	反映大气→土地的热交换	实时观测
		蒸发作用	土壤水分蒸发量	反映土壤→大气补充	实时观测
		呼吸作用	土壤呼吸速率、甲烷排放通量	反映土壤→大气补充	实时观测
		风蚀作用	土壤风蚀量、风沙流输沙量	反映大气→土地的剥蚀搬运	1次/月
气候与冻土作用模块	气候与冻土作用	气温影响	冻土地表温度	判断冻土中冰升华	1次/d
		热交换	活动层土壤感热/潜热通量	反映大气→冻土的热交换	实时观测
		呼吸作用	冻土碳通量	反映碳循环、调节气候作用	实时观测
		凝华凝固作用	季节冻结深度	反映大气→季节性冻土影响	1次/季
		融化作用	季节融化深度	反映大气→季节性冻土影响	1次/季
		升华作用	冻土表面升华量	反映气候变化、水量/能量平衡	1次/月
气候与地下水作用模块	气候与地下水作用	渗流作用	降水入渗面积、入渗补给系数	计算降水入渗补给量	1次/a
		蒸发作用	潜水蒸发系数	估算潜水蒸发量	1次/a
地表水资源利用模块	地表水资源利用	利用量	湖库取水量、泵站提水量等	反映人类利用情况	1次/月
地表水与土地作用模块	地表水与土地作用	渗流作用	河床坡度、渗流速度等	反映地表水→土地水分补充	1次/a
		水蚀作用	输沙量、中值粒径	反映流域水土流失程度	1次/a
		地貌改造	河道下蚀深度、河流曲率等	反映河水对地貌改造程度	1次/5a
地表水与地下水作用模块	地表水与地下水作用	补给作用	潜水水位、泉水溢出量、地表/地下水氢氧同位素	反映地表水?地下水相互转化	1次/a
土地与植被作用过程共性模块	土地与植被作用过程共性	供给水分	根系茎流值、根系分布形态等	反映土壤→植物提供水分	实时观测
		呼吸作用	根系呼吸速率	反映碳排放中根系的贡献率	实时观测
		保育作用	枯落物持水量	反映植物→土壤保育,涵养水分	1次/季
土地与林木作用模块	土地与林木作用	供给水分	树干茎流量	反映土壤→林木提供水分	实时观测
		保育作用	枝/叶干重、落叶/腐殖质厚度	反映林木提供生境、保育土壤	1次/季
土地与草作用模块	土地与草作用	保育作用	枯草/杂物干重	反映草→土壤保育	1次/季
土地与作物作用模块	土地与作物作用	供给水分	茎流量	反映土壤→作物提供水分	实时观测
		保育作用	杂物干重、腐殖质厚度	反映作物→土壤保育	1次/季
土地与地下水作用模块	土地与地下水作用	渗流作用	土壤水氢氧同位素等	反映土壤水分动态、转化情况	1次/2a
冰川与地表水、地下水作用模块	冰川与地表水、地下水作用	融化作用	冰川融水截面积、流速、水位、流向	计算融水径流量、反映冰川消融情况	1次/季
冰川与冻土作用模块	冰川与土地、冻土作用	热量传递	热传导率	反映冰川?土地、冻土间热量传递情况	1次/5a
地下水资源利用模块	地下水资源利用	利用量	开采量、土地灌溉面积/定额	计算耕地灌溉水入渗补给量	1次/5a
		补给作用	人工回灌补给量	估算补给量	1次/5a

Table 5

Figure 3

Figure 4

Table 6

Functional module of forest water conservation"

森林水源涵养量/(W/m³)	林冠层截留量/(C/m³)	枯枝落叶层持水量/(L/m³)	土壤层蓄水量/(S/m³)
$W = C + L + S$	$C = ∑ i = 1 n α i × R × A i$	$L = ∑ i n β i × A i$	$S = ∑ i n γ i × D × A i$
公式参数、指标	林冠截留率 $α$ /%	枯枝落叶层最大持水量 $β$ /m³·hm²	土壤非毛管孔隙度γ/%
	年最大日降水量R/mm	⑤ 植被面积A/m²	植被土层厚度D/m
	⑤ 植被面积A/m²	⑤ 植被类型i	⑤ 植被面积A/m²
	⑤ 植被类型i		⑤ 植被类型i
其他相关指标	⑥ 林冠结构	枝、叶、花果、皮、杂物干重	维根管植物根系结构
	⑥ 郁闭度	落叶层、腐殖质厚度	根系分布形态

Table 6

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国家/组织	建立年份	观测网/观测系统名称	观测指标
世界冰川观测服务（WGMS）	1894	全球陆地冰川观测网（GTN-G）	冰川面积、形状、冰厚度、运动速度等
世界气象组织、日本等	1992	全球气候观测系统（GCOS）	臭氧量、气温、降水量、光照时间、风力等
政府间海洋学委员会（IOC）、世界气象组织、国际科学联合会理事会和联合国环境规划署	1996	全球海洋观测系统（GOOS）	海洋表面温度、海平面高度、降水量、海水密度等
联合国、欧盟和美国环境规划署	2002	全球综合地球观测系统（GEOSS）	空气质量6参数、水量水质、生物多样性等
美国	1980	美国长期生态研究网络（LTER）	植物茎流、叶片温度、土壤水分、光辐射等
英国	1990	英国环境变化监测网络（ECN）	地表径流量、浮游动植物种类及丰富度等
美国国家科学基金	1993	国际长期生态观测研究网络（ILTER）	植被类型、地表水和土壤酸碱度等
美国	2000	美国国家生态观测站网（NEON）	O₃浓度、外来入侵物种、河流中含氮量等

分类	观测网名称	所属单位	观测指标
综合研究网	中国生态系统研究网络（CERN）	中国科学院	植被营养元素、生物多样性指数、密度等
	黑河流域地表过程综合观测网	北京师范大学、中国科学院	植被蒸腾量、土壤蒸发量、地表温度等
专项研究网	中国陆地生态系统定位观测研究（CTERN）	国家林业局	群落物种结构、表层土壤速效养分等
	中国森林生态系统定位研究网络（CFERN）	国家林业局	群落高度、演替阶段或林龄、凋落物元素含量、大型真菌种类和数量等
	中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）	中国科学院	碳通量、水热通量、温室气体排放量等
专业监测网	环境监测网	生态环境部	CO₂、O₃、颗粒物、土质、水质等
	气象监测网络	气象部门	降水强度、空气质量等
	水文监测站网	中国地质调查局和环境监测院	地表水径流量、水质、地下水位等

观测类型	自然资源要素综合观测	生态系统要素观测
观测对象	自然资源（土地、森林、草原、水、湿地、海域海岛等资源）	生态系统（森林、草地、荒漠、水域、城市等生态系统）
空间单元	自然资源区划	生态功能区划
观测目标	服务自然资源管理,掌握自然资源数量、质量变化动因机制和资源间耦合作用过程等	以科研为主,掌握生态系统结构、功能及动态变化规律等
具体指标	年耕地播种总面积、森林蓄积量、牧草产量、地下水位、冰川冰储量等	林冠结构、植被密度、植被营养元素、微生物量、地下水位等
服务对象	以政府管理部门为主	以科研院所研究为主

Discussion on the indicator system of comprehensive observation of natural resource elements

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