生物多样性监测方法及现状

生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体以及与此相关的各种生态过程的总和，包括动物、植物、微生物和它们所拥有的基因以及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统^[1]，通常由遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三部分组成。生物多样性是人类社会赖以生存持续发展的物质基础，其在维持生态系统功能、提供生态系统服务、延续人类福祉等方面发挥着至关重要的作用^[2]。由于全球气候变化以及人类活动的加剧影响，生态系统服务功能严重退化，生物多样性正在经受快速变化^[3,4]。目前，生物多样性保护已成为全球关注的热点问题^[5,6]，各国政府以及相关领域科研人员已积极参与到生物多样性监测和保护中^[7]。

中国是世界上生物多样性极丰富的国家之一，生物多样性丰富程度是国家可持续发展能力和潜力的基础，是国家的重要战略性资源。与此同时，生物多样性治理水平也是国家生态文明建设成效的重要标志^[8]。为了缓解物种灭绝速率以及进一步理解生物多样性丧失机制，我国已有大量研究致力于生物多样性监测与保护能力建设等方面^[9-13]，并对不同尺度生物多样性进行长期性、周期性和动态性的网络监测，以加深我们对生物多样性变化的主导过程及其对生态系统功能和人类活动反馈机制的理解^[14]。

生物多样性的监测方法主要包括传统的地面人工观测与运用先进手段和技术连续自动采集数据观测两个主要方面。地面人工生物多样性观测主要在物种和生态系统尺度上开展，通常在典型植被类型区域建立一定面积的长期固定样地，对样地内部的物种组成、结构、功能以及关键物种、濒危物种进行观测^[15,16]。传统的生物多样性主要侧重于群落多样性研究，Whittaker提出了生物群落多样性的3个空间尺度，即 α、β、γ 多样性。α多样性表征物种丰富度、相对多度、均匀度等特征，因此也包含了基本的多样性指数即物种数量及物种丰富度指数。α多样性关注的是群落内部的特征，也被称之为生境内的多样性(With-in Habitat Diversity)，而β多样性强调沿生境梯度的物种组成的异质性，也称为生境间的多样性(Between Habitat Diversity)，γ多样性关注的是区域或大陆尺度的物种数量，也称为区域多样性(Regional Diversity)^[17]。

图1 传统生物多样性测度方法

与α、β、γ多样性相对应的一些传统的生物多样性测度指数主要表征物种丰富度、变化度、均匀度、优势度、多度等特征，但依靠统计学中的理论分布参数去测度群落物种多样性仍存在很大的局限性，因此，产生了一些与物种多度分布格局独立的多样性指数，其中，应用较为广泛的有 Simpson、Shannon-Wiener 指数以及 Pielou均匀度指数等。Simpson多样性指数也称优势度指数，对群落中常见种的评价较准确，但对稀有物种的贡献较小，Shannon-Wiener指数与Simpson多样性指数则相反，对常见种的测度并不敏感。在实际应用中，应根据自身实验需求选择具针对性的测度方法^[17]。

近几十年来，生物多样性保护研究已取得了长足的进展，但大多研究受限于观测技术，多是基于传统的地面调查方法进行研究，并且多集中于物种个体和样地水平尺度上^[18,19]，而对景观、区域乃至全球尺度生物多样性的监测较少，这限制了我们对大尺度生物多样性组成及其变化以及受威胁程度的定量描述的理解。目前，迫切需要利用先进的技术手段对生物多样性进行观测，并在大尺度范围内开展生物多样性监测工作。

随着科学技术的不断发展，遥感监测技术因其能够提供大规模、长时间序列、全覆盖以及高分辨率的生物多样性观测信息，已成为监测生物多样性的有效手段^[20,21]。遥感技术一般采用直接法或间接法对生物多样性进行监测^[22]，直接法是直接识别物种或群落类型及其分布、多度，这类方法对遥感数据的空间分辨率和光谱分辨率有相当高的要求。间接法是通过遥感数据衍生一些指标或变量，然后与野外观测数据结合构建模型预测生物多样性^[15]。按照观测高度和观测尺度，遥感可进一步分为卫星遥感、航空遥感和近地面遥感，目前，卫星遥感在该领域的应用极为广泛^[23]，而近地遥感作为近年来的新型手段，其在监测生物多样性方面仍在不断探索与发展。就观测对象而言，基于卫星遥感和激光雷达技术监测植物多样性的研究极多^[23-25]，对动物类群多样性的监测主要集中于鸟类以及大型哺乳动物^[26-29]。

表1 不同尺度的生物多样性监测方法

遥感平台常用的传感器包括三类：光学传感器、微波雷达传感器和激光雷达传感器。光学传感器包括高分相机、多光谱成像仪、高光谱成像仪和热成像仪，分别获取特定波段范围内的光谱信息^[15]。其中，高分相机和多光谱成像仪可以获取植物的颜色信息和纹理特征；高光谱成像仪获取的影像可用于反演植物生化组分；热成像仪可以提取地物的温度信息；激光雷达遥感传感器能获得精细的地物三维信息。高分相机、多光谱以及高光谱成像仪在生物多样性研究中应用极多，而热红外成像技术的应用极少^[15]。目前，相机在生物多样性的研究中主要应用于对动物多样性监测，该技术可在野外无人操作的情况下对鸟类和兽类进行自动监测，尤其是对昼伏夜出习性较为明显的物种进行监测^[9]。但目前该技术在监测植物多样性的研究中应用较少，相信在技术不断发展的条件下，相机技术在监测植物多样性方面会取得显著效果，并在相关生态领域研究中发挥不可替代的优势。

图2 不同遥感平台在生物多样性研究中的观测尺度

图片来源于（郭庆华等，2018）

迄今为止，每种监测技术在生物多样性研究的应用中均存在一定的局限性。建议基于多种技术进行联合观测，建立立体化的生物多样性监测方案。结合多元化的传感器准确获取生物多样性研究所需的物种数量和性状、群落组成以及生态系统功能和结构等相关信息，以实现多途径数据优势互补，观测技术和数据融合技术的进一步探索将极大地改善单个数据源的不足，有助于对生物多样性研究的深入整合与保护^[30-32]。此外，在同一区域内系统性地利用多种监测技术开展跨尺度的生物多样性研究，可为生物多样性研究提供从样地—景观—区域—全球尺度的基础数据源^[15]，提高生物多样性监测的信息化水平^[10]，也为探究生物多样性演变过程及其内在机理提供科学依据。

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