(長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，湖北 武漢 430051)

濕地是全球最具經(jīng)濟(jì)價值和生物多樣性最為豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]，在氣候調(diào)節(jié)、水源涵養(yǎng)、水質(zhì)凈化、洪水調(diào)蓄和生物多樣性保護(hù)等方面發(fā)揮著重要的作用[2]。根據(jù)濕地公約首次發(fā)表的全球濕地展望(Global Wetland Outlook, GWO)報告，1970～2015年期間，世界濕地面積減少了35%[1]。自1992年加入《濕地公約》以來，我國相繼采取了一系列加強(qiáng)濕地保護(hù)與恢復(fù)的重大舉措，但由于巨大的人口壓力和快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，濕地受威脅因素持續(xù)增加[3]。第二次全國濕地資源調(diào)查成果顯示，近10 a來我國濕地面積以約33萬hm2/a的速度在減少[4]。

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以大數(shù)據(jù)為主導(dǎo)的數(shù)據(jù)科學(xué)已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點[5]。大數(shù)據(jù)依賴全面的數(shù)據(jù)來系統(tǒng)解決復(fù)雜的科學(xué)問題，為各種生態(tài)學(xué)問題的科學(xué)解決提供了新思路[6-9]。對濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能、環(huán)境因子及人為干擾進(jìn)行長期監(jiān)測，是揭示濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展、演替的作用機(jī)理與調(diào)控方式，濕地生態(tài)系統(tǒng)研究、科學(xué)保護(hù)和發(fā)展的重要保障[5]。濕地動態(tài)監(jiān)測將催生濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)，為濕地生態(tài)保護(hù)提供新思路。

本文以湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)為例，針對水利工程運(yùn)行對湖泊濕地影響研究、湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)的理論研究、湖泊生態(tài)補(bǔ)償制度研究存在的數(shù)據(jù)匱缺問題，探討利用湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測積累生態(tài)大數(shù)據(jù)，揭示湖泊水位-候鳥生境-候鳥種群數(shù)量的動態(tài)關(guān)聯(lián)特征，并幫助制定耦合生態(tài)系統(tǒng)各要素和主要生態(tài)過程的生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案和鏈接生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給者和受益者的生態(tài)補(bǔ)償制度，為水利工程水位優(yōu)化調(diào)控、湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)修復(fù)、生態(tài)補(bǔ)償措施實施提供依據(jù)。

1 湖泊濕地生態(tài)研究中的數(shù)據(jù)匱缺

1.1 水利工程運(yùn)行對湖泊濕地影響研究

水利工程作為調(diào)蓄水資源分配，保障供水安全和防洪安全的重大工程措施，在產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時，也不可避免地對江湖連通與河湖水文情勢產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響湖泊濕地生態(tài)水文過程、湖泊濕地生境及生物多樣性[10-11]。在水利工程建設(shè)新形勢的背景下，水利工程建設(shè)對湖泊水文情勢的影響及其帶來的候鳥生境變化(包括濕地組成、水深、濕地植被類型、濕地植被覆蓋度等)和候鳥種群數(shù)量的空間分布格局變化等成為廣大學(xué)者爭相研究的重大課題。為緩解水利工程運(yùn)行對湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，需要優(yōu)化水利工程調(diào)度方式，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展。但回顧目前水利工程的生態(tài)效應(yīng)研究，其往往片面性地將水利工程運(yùn)行-湖泊水位-候鳥生境-候鳥種群數(shù)量這個關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)的科學(xué)問題剝離進(jìn)行分析，且因為數(shù)據(jù)匱缺，現(xiàn)有研究缺乏系統(tǒng)性和完整性。因此，應(yīng)結(jié)合水利工程調(diào)度運(yùn)行原則，加強(qiáng)數(shù)據(jù)收集工作，開展水利工程運(yùn)行-湖泊水位-候鳥生境-候鳥種群數(shù)量和生物多樣性的動態(tài)關(guān)聯(lián)研究，為水利工程水位優(yōu)化調(diào)度提供重要依據(jù)。

1.2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)理論研究

湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能及生物多樣性關(guān)聯(lián)研究，是根據(jù)湖泊濕地生態(tài)保護(hù)與修復(fù)目標(biāo)確定湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與配置方式的科學(xué)基礎(chǔ)[12]。湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)機(jī)理研究重點包括[12]：① 主要生態(tài)限制因子對湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)要素的影響及湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)要素對其耐受限度。② 構(gòu)成湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的動植物群落中各物種的生態(tài)位及其基質(zhì)條件。③ 湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各要素之間及其生態(tài)系統(tǒng)功能、生物多樣性之間的相互關(guān)系。④ 湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程對生態(tài)系統(tǒng)功能、服務(wù)的影響?，F(xiàn)有研究主要基于生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)或生物物理模型分析環(huán)境因子對湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)要素的影響[13-16]、湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)要素之間的相互關(guān)系[17]及湖泊濕地水生植物多樣性對生態(tài)功能的影響[18]，對于外界環(huán)境因子的調(diào)控具有一定意義，但在湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的應(yīng)用方面還存在一定的局限性。因此，應(yīng)開展湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測和野外調(diào)查，積累湖泊濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)，為構(gòu)建關(guān)聯(lián)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-生物多樣性的模型、優(yōu)化湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的組成與配置提供重要依據(jù)。

1.3 湖泊生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)制定存在的數(shù)據(jù)匱缺

生態(tài)補(bǔ)償是以經(jīng)濟(jì)手段來調(diào)節(jié)和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空不平衡，協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給區(qū)域及其受益群體之間利益關(guān)系的政策設(shè)計手段[19-20]。除通過湖泊生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)宣傳教育等手段增加社會資本投入外，生態(tài)補(bǔ)償是發(fā)揮市場機(jī)制增加經(jīng)濟(jì)資本投入的另一種手段。然而，受限于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估存在的數(shù)據(jù)匱缺問題[21]，生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制往往很難發(fā)揮其市場調(diào)節(jié)作用。因此，應(yīng)全面開展湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)測，并以此為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地開展湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需耦合機(jī)制研究，明確湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給者和受益者之間的空間關(guān)聯(lián)特征并建立橫向生態(tài)補(bǔ)償制度。

2 湖泊濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)的積累與應(yīng)用

隨著信息化的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)來源日益豐富。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的增多和數(shù)據(jù)聚合力的增強(qiáng)會大幅提升生態(tài)研究工作者的工作效率，使研究人員更容易基于大數(shù)據(jù)去揭示生態(tài)學(xué)本身的發(fā)展、演替規(guī)律，提高生態(tài)系統(tǒng)的管理效率[6]。湖泊濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)主要包括：濕地定點(定線)監(jiān)測數(shù)據(jù)、水位監(jiān)測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)等(見圖1)。

圖1 大數(shù)據(jù)在湖泊濕地研究中的應(yīng)用框架Fig.1 Framework for applying big data in lake wetland research

2.1 湖泊濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測

對于不同區(qū)域和不同尺度的湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)研究來說，其最大制約性往往是數(shù)據(jù)可獲得性，致使大多數(shù)研究結(jié)果難以有效地指導(dǎo)管理實踐。湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測往往針對濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組分(如濕地面積、濕地植被、濕地景觀格局、水鳥種類及數(shù)量)、環(huán)境因子(包括水文情勢、濕地地形)及人為干擾等的某一個方面開展監(jiān)測，難以為湖泊水位-候鳥生境-候鳥種群數(shù)量-生物多樣性的動態(tài)關(guān)聯(lián)研究、湖泊濕地生態(tài)修復(fù)研究及湖泊濕地生態(tài)補(bǔ)償制度建立提供有效支撐。通過跨部門跨學(xué)科合作，將宏觀監(jiān)測和定位連續(xù)監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測手段應(yīng)用于多區(qū)域、多尺度的濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能和生物多樣性的生態(tài)大數(shù)據(jù)積累，能彌補(bǔ)湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)研究存在的數(shù)據(jù)匱缺。根據(jù)《國家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)中長期發(fā)展規(guī)劃(2008-2020年)》總體規(guī)劃，到2020年我國將建成覆蓋沼澤、湖泊、河流、濱海和人工濕地等五大類37個濕地類型中的典型濕地類型的濕地生態(tài)站50個，對我國主要濕地生態(tài)系統(tǒng)的水分、土壤、大氣環(huán)境要素和生物等進(jìn)行長期聯(lián)網(wǎng)觀測。規(guī)劃站點和監(jiān)測站點是否能服務(wù)于典型湖泊濕地研究還存在一定不確定性。因此，需要結(jié)合湖泊濕地的重要性和研究目標(biāo)，構(gòu)建跨尺度、跨區(qū)域的湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)體系，并在考慮監(jiān)測的整體布局的情況下建立湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測站。各領(lǐng)域的專家、學(xué)者應(yīng)全面合作，根據(jù)水利工程的調(diào)度目標(biāo)、湖泊濕地生態(tài)修復(fù)目標(biāo)、生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制建立的數(shù)據(jù)需求，構(gòu)建全面的監(jiān)測指標(biāo)體系并開展數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2.2 湖泊濕地生態(tài)大數(shù)據(jù)應(yīng)用

通過湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測，對湖泊水位、候鳥生境(包括濕地組成、濕地植被類型、濕地植被覆蓋度、水深、人為干擾等)、候鳥種群數(shù)量等生態(tài)大數(shù)據(jù)進(jìn)行積累和耦合，能掌握不同水位情況下湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化情況，定量化揭示湖泊水位-候鳥生境-候鳥種群數(shù)量-生物多樣性的動態(tài)關(guān)聯(lián)特征。大數(shù)據(jù)的耦合能幫助優(yōu)化水利工程調(diào)度方式，緩解水利工程運(yùn)行對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展?；诖髷?shù)據(jù)分析，也可以確定湖泊濕地生態(tài)修復(fù)區(qū)域的地理位置、地形、植被生長特性等，幫助制定耦合生態(tài)系統(tǒng)各要素和主要生態(tài)過程的生態(tài)修復(fù)技術(shù)方案(包括地形修復(fù)、植被修復(fù)等)，為湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)管理提供重要依據(jù)。大數(shù)據(jù)的耦合，能進(jìn)一步提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的精度，幫助識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給者和受益者的空間異質(zhì)性，為生態(tài)補(bǔ)償主客體界定、生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)制定提供重要支撐。

3 結(jié) 語

本文以當(dāng)前湖泊濕地生態(tài)研究中因數(shù)據(jù)匱缺而導(dǎo)致的研究片面性和理論難以指導(dǎo)生態(tài)修復(fù)和管理實踐的問題，探討了利用湖泊濕地生態(tài)監(jiān)測積累生態(tài)大數(shù)據(jù)，強(qiáng)化湖泊濕地生態(tài)研究的基本思路。生態(tài)大數(shù)據(jù)耦合能為湖泊濕地研究提供數(shù)據(jù)支撐，為水利工程水位優(yōu)化調(diào)控、湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)修復(fù)、生態(tài)補(bǔ)償措施實施提供依據(jù)。