一种高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法

1.本发明涉及生态系统技术，具体涉及一种典型脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法。


背景技术：

2.不同区域具有其各自独特的生态特征和面临的主要生态环境问题，如何科学的筛选出区域典型脆弱生态系统的预警指标并且较为准确的判定其阈值是目前区域生态系统安全预警所面临的主要问题。
3.目前国内外关于生态安全预警的基本原理与方法、生态系统健康概念及评价方法、生态系统的风险评价应用及预警特征等方面做了大量研究，并且呈现多学科交叉的趋势，加入了对生态系统服务建模、生态补偿制度、生态红线等内容。但不同生态系统本身内部结构与过程差异较大，导致其评估模式、评估体系差异巨大，普遍存在难以推广、不易复制的问题。此外，生态系统评估中对指标选取与量化、权重赋值尚存一定分歧，且存在主观性强、指标体系繁杂等问题，难以实现研究成果从理论到应用。
4.甘南高寒草原是甘肃境内最为典型的脆弱生态系统之一，也是黄河重要水源补给区和长江重要支流发源地，辽阔的天然草地是保护黄河、长江流域生态安全的巨大天然屏障，境内有天然草场 2.73万km2，约占其总土地面积的70%。近年来甘南通过天然草原退牧还草工程、草原鼠害综合防治项目、沙化草原（黑土滩）综合治理项目、草原补奖政策等诸多草原生态保护与建设重点项目和政策措施的落实，使甘南高寒草原生态环境恶化趋势得到一定遏制。然而，甘南高寒草原退化这一生态“顽疾”并未得到完全治愈，牧畜超载率接近20%，草畜失衡问题仍然突出，甚至出现了草地沙化、黑土滩、水土流失、湿地资源萎缩、生物多样性减少等为主要标志的退化问题。甘南高寒草原生态系统的水源涵养和碳汇功能受到严重削弱，可能直接影响黄河流域上游生态保护和高质量发展的重大战略贯彻实施。因此，亟需开展甘南高寒草原脆弱生态系统健康评估和预警技术研发与示范研究，对生态系统的逆向演替、退化做出预判，提前发布风险预警，构建生态系统健康评估与预警平台，为甘肃典型脆弱生态系统保护管理以及制定针对性的干预措施提供科技支撑。
5.以往关于高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法开展了大量的研究，但由于生态系统健康研究这一学科涉及的研究领域较宽，内容较多，影响生态系统维持和发展的因素及其相互关系也较为复杂，同时不同生态系统本身内部结构与过程差异较大。现有对于生态系统健康的研究大多聚焦于现状的分析，对其变化趋势以及预警研究比较薄弱，关于生态系统健康评估和风险预警仍处于实验和摸索阶段，尚未形成一套成熟的方法。通过系统梳理现有生态系统健康评价方法与预警技术，并综合分析目前生态系统健康评估和风险预警所涉及主要技术方法、知识产权和技术标准，发现这些技术和标准在甘肃脆弱生态系统应用中仍存在一些问题：不同生态系统的评估模式、评估体系存在巨大的差异。虽然在相关专利授权和标准制定方面已有许多成果，但普遍存在难以推广，不易复制的问题；从成果自身来看，对于生态系统健康的评估存在主观性强、不易连续追踪与预测；对于指标
的选取与量化、权重的赋值尚存一定分歧。在气候变化和人类活动双重影响背景下，就甘南高寒草原和脆弱生态系统而言，应该充分汲取相关技术和知识产权的优点，完善各生态系统健康评价技术体系，研发分布式风险预警模型和综合性预测预警系统，积极进行甘肃典型脆弱生态系统健康水平评估和预警是优化和提升区域生态系统智能管理和可持续发展过程中亟须解决的现实技术需求。
6.甘南高寒草原牧畜超载率接近20%，草畜失衡问题仍然突出，甚至出现了草地沙化、黑土滩、水土流失、湿地资源萎缩、生物多样性减少等为主要标志的退化问题。因此，针对甘南高寒草原脆弱生态系统的敏感性和不稳定性，以及当前和今后面临新的生态环境问题，亟需开展脆弱生态系统健康评估和预测预警系统研究，认知生态系统服务功能之间的系统与权衡关系，研发典型脆弱生态系统演变历程再现、现状评价、变化预测和生态预警模拟器，对生态系统的逆向演替、退化做出预判，提前发布风险警报，并预测健康异常状况出现的时空范围和危害程度，实现生态系统健康评估与预警，从而提供科学合理的决策支持以制定针对性的精准化干预措施，使综合生态环境治理总体方案与对策措施更加科学化、区域化和具体化。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种典型脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法，进行我国高寒草原脆弱生态系统健康评估及预警研判，形成生态系统变化预测预警系统，研发网基预警平台，实现脆弱生态系统关键要素动态演变与多维预警信息可视化、长中短期生态系统灾害和风险的自动识别及警情发布，以期为我国山地典型脆弱生态系统恢复和管理提供理论依据，推进我国高寒山地生态文明建设与可持续发展。
8.本发明采用的技术方案是：一种高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法，包括：高寒草原脆弱生态系统健康评估；高寒草原脆弱生态系统未来情景的构建及主要生态要素模拟；高寒草原脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建。
9.进一步地，所述高寒草原脆弱生态系统健康评估包括：基于甘南高寒草原的地形、气候、土壤、植被、土地利用状况及社会经济等数据以及野外样地调查、定位监测等资料，利用arcgis和envi这些软件，研究高寒草原的专家分类器准则，对比分析生态系统的时空分布和演变特征；基于科学性、代表性、可操作性及系统性原则，从生态系统结构、功能、环境和服务四大方面选择重点风险因素作为生态系统健康风险诊断的指标，采用综合指数法和功效系数法构建甘南高寒草原生态系统健康诊断模式和健康风险判别模型，系统分析近年来甘肃典型脆弱生态系统健康风险的空间分布现状和动态变化状况；针对甘南高寒草原生态系统的自然环境、社会经济和生态状况，利用多元数据，选取水土流失、草地退化、鼠害、土壤侵蚀、过渡放牧及放牧承载力等人类影响风险源，采用概率损失度模型评价不同风险源对生态系统的影响，揭示生态系统健康风险的主要风险源，确定各风险源的重要性程度及其阈值；量化人类活动和气候变化对生态系统健康的影响，阐明生态系统健康风险的关键驱动因素。
10.更进一步地，所述高寒草原脆弱生态系统未来情景的构建及主要生态要素模拟包括：典型脆弱生态区未来气候与人类活动情景构建：依据社会经济发展和温室气体排
放情景，驱动嵌套的全球气候模式-高分辨率区域气候模式，构建典型生态脆弱区高分辨率未来气候情景；以全球气象预报模式为背景场，利用wrf模式动力降尺度并融合实时气象数据产生保护区高分辨率中期和短期气象情景，将三种尺度的气候气象预测方法集成，形成生态脆弱区长中短期气候气象情景构建技术；基于典型脆弱生态区人类活动和生态系统现状，利用大数据分析技术，判定对应的发展类型及人类活动强度等级，构建自然条件对人类活动发展的约束以及人类活动对地表基本要素影响的量化模型，形成脆弱生态区气候变化与人类活动情景；典型脆弱生态系统演变机制研究：针对高寒草原生态系统开展地面与遥感监测，通过野外观测调查、遥感数据分析、历史文献整理、比较分析研究、数据挖掘及数据同化等手段，形成机理机制探索、尺度效应分析、生态系统预警模型构建的基础数据集；在此基础上，依据地表状况和人类活动情景，利用构建的长期气候情景模拟分析生态系统及其主控因素的发展趋势，识别生态系统状态和服务面临的潜在威胁；利用中期气象情景模拟生态系统主控因素的发生发展及实时系统监测，预估季节尺度生态环境恶化和灾害风险；利用实时系统监测和短期气象预报预测极端天气诱发的土地退化、水土流失、草原火灾等突发灾害；实现基于过程模型的长中短期典型脆弱生态系统关键要素的时空模拟预测；采用空间状态评价方法，在历史背景和现状分析的基础上，构建基于生态系统健康的生态承载力评价指标体系，利用层次分析法确定各指标权重，分级评价区域生态弹性度、资源承载指数和社会影响力，量化区域生态承载力指数，明确其空间特征，阐明甘南高寒草原资源利用和保护策略影响下的区域水碳权衡关系；针对生态系统发展生态水文过程-生态系统服务耦合动力学模型，结合构建的长中短期气候气象和人类活动情景，建立基于物理过程耦合的生态系统水-土-气-生要素时空动态模拟预测技术，阐明生态系统服务功能的演变趋势与主控因素；典型脆弱生态系统变化预警模型与算法：利用熵值法遴选脆弱区生态环境状况和生态系统服务最具代表性和最敏感的因子；以生态系统健康风险与灾害为重点，基于历史灾情资料和基础生态环境数据,利用机器学习阐明灾情指数与自然环境和人类干扰因子间的关系，识别主要致灾因子；研发基于生态系统监测和物理过程模拟的脆弱区生态系统质量、生态系统服务、生态灾害等多维度、多时间跨度预警体系和预警模型，综合生态系统敏感因子和主要致灾因子形成预警指标，确定各指标的类型和权重，建立风险预警指标体系；依据生态功能定位、环境质量标准及灾害风险等级，确定预警指标的阈值，设置对应的警戒线，设立预警模式；在系统监测、模型模拟及整合分析的基础上，根据预警指标和警戒线，建立预警级别，判定生态系统灾害风险程度；综合预警指标、指标警戒线、预警模式和预警级别，基于生态脆弱性评价概念模型框架，构建典型脆弱生态系统变化预警体系。
11.更进一步地，所述高寒草原脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建包括：在高寒草原生态系统潜在风险识别及健康评估指标体系确定的基础上，建立研究区典型生态问题评估模型，依据国家相关标准及区域生态功能定位，并针对典型生态问题分别设定各自的预警指标、预警值和警戒线，构建基于对象的分布式预警模型；未来情境下，根据脆弱生态系统突出生态问题的中长期预测结果，利用警戒模型进行警情判定，识别各生态问题不同警别警情出现的时间、地点和频率；系统总体框架遵循j2ee架构和网络服务开发模式，结构上采用浏览器/服务器的开发架构模式；该系统将由用户层、应用服务层、业务支撑层、数据资源层和基础平台层共5个层次组成，其主要功能是监测数据的综合管理、预警信息的综合服务以及未来情景的预测预警；系统设计以甘南高寒草原脆弱生态系统健康
潜在风险预测预警为向导，综合运用webgis、空间数据库管理、空间数据可视化、面向问题程序设计框架、未来情景预测与模拟技术、系统集成等技术，构建具备通用性、多功能性、可扩充性和实用性等特点的网基预警平台；集成长短期气候情景和人类活动情景数据库、基础生态环境数据库以及脆弱生态系统中关键生态问题监测、健康评估指标和分布式预警模型构建技术，搭建甘南高寒草原脆弱生态系统网基预警平台。
12.本发明的优点：本发明针对高寒草原脆弱生态系统的敏感性和不稳定性，以及当前和今后面临新的生态环境问题，亟需开展脆弱生态系统健康评估和预测预警系统研究，认知生态系统服务功能之间的系统与权衡关系，研发典型脆弱生态系统演变历程再现、现状评价、变化预测和生态预警模拟器，对生态系统的逆向演替、退化做出预判，提前发布风险警报，并预测健康异常状况出现的时空范围和危害程度，实现生态系统健康评估与预警，从而提供科学合理的决策支持以制定针对性的精准化干预措施，使综合生态环境治理总体方案与对策措施更加科学化、区域化和具体化。
13.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
14.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
15.图1是本发明的高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法框架图。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.参考图1，一种典型脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建方法的具体实验方案：1.甘南高寒草原脆弱生态系统健康评估首先，基于甘南高寒草原的地形、气候、土壤、植被、土地利用状况及社会经济等数据以及野外样地调查、定位监测等资料，利用arcgis和envi等软件，研究高寒草原的专家分类器准则（相关指标及阈值等），对比分析生态系统的时空分布和演变特征。其次，基于科学性、代表性、可操作性及系统性原则，从生态系统结构、功能、环境和服务四大方面选择重点风险因素作为生态系统健康风险诊断的指标，采用综合指数法和功效系数法构建甘南高寒草原生态系统健康诊断模式和健康风险判别模型，系统分析近年来甘肃典型脆弱生态系统健康风险的空间分布现状和动态变化状况。最后，针对甘南高寒草原生态系统的自然环境、社会经济和生态状况，利用多元数据，选取水土流失、草地退化（黑土滩）、鼠害、土壤侵蚀、过渡放牧及放牧承载力等人类影响风险源，采用概率损失度模型评价不同风险源对生态系统的影响，揭示生态系统健康风险的主要风险源，确定各风险源的重要性程度及其阈值；量化人类活动和气候变化对生态系统健康的影响，阐明生态系统健康风险的关键驱动因素。
18.在识别甘南高寒草原脆弱生态系统时空变化特征及潜在风险的基础上，依据甘南草原生态功能和脆弱性特点，遵照各指标间相互补充完善原则，初步遴选了包含抵抗力、恢复力/弹力、活力、组织力、生产力、生物多样性、完整性、缓冲能力、碳汇能力、涵养水源能力、生物供给能力等一套综合评价健康评价指标。在目前常用的活力-组织力-弹力（vor）生态系统健康评估的生物模型基础上，引入生态服务功能这一系统分量反映生态系统过程变化对其生态功能的影响，并完成了模型构建和调试，为全面反映并量化甘南高寒草原生态系统健康现状提供了方法。为充分考虑人类活动（尤其是农牧业发展）和鼠害对甘南高寒草原生态系统健康和稳定性影响，构建并调试了甘南草原区的压力-状态-响应（psr）模型，综合考虑了气候变化、人类活动和环境胁迫对甘南草原生态系统健康状况演变规律的影响，以期探寻甘南草原生态系统健康现状水平与维持机制。
19.2.甘南高寒草原脆弱生态系统未来情景的构建及主要生态要素的模拟典型脆弱生态区未来气候与人类活动情景构建：依据社会经济发展和温室气体排放情景，驱动嵌套的全球气候模式（gcm）-高分辨率区域气候模式（rcm），构建典型生态脆弱区高分辨率未来气候情景；以全球气象预报模式（gfs）为背景场，利用wrf模式动力降尺度并融合实时气象数据产生保护区高分辨率中期（月至年）和短期（天至周）气象情景；将三种尺度的气候气象预测方法集成，形成生态脆弱区长中短期气候气象情景构建技术。基于典型脆弱生态区人类活动和生态系统现状，利用大数据分析技术，判定对应的发展类型及人类活动强度等级，构建自然条件（气候和地形）对人类活动发展的约束以及人类活动对地表基本要素（土地利用结构和水文连通度等）影响的量化模型，形成脆弱生态区气候变化与人类活动情景。
20.典型脆弱生态系统演变机制研究：针对甘南高寒草原生态系统开展地面与遥感监测，通过野外观测调查、遥感数据分析、历史文献整理、比较分析研究、数据挖掘及数据同化等手段，形成机理机制探索、尺度效应分析、生态系统预警模型构建的基础数据集。在此基础上，依据地表状况和人类活动情景，利用构建的长期（10年以上）气候情景模拟分析生态系统及其主控因素的发展趋势，识别生态系统状态和服务面临的潜在威胁；利用中期气象情景模拟生态系统主控因素的发生发展及实时系统监测，预估季节尺度生态环境恶化和灾害风险；利用实时系统监测和短期气象预报预测极端天气（强降水、大风、干旱等）诱发的土地退化、水土流失、草原火灾等突发灾害；实现基于过程模型的长中短期典型脆弱生态系统关键要素的时空模拟预测，开展生态系统演变机制研究。
21.采用空间状态评价方法，在历史背景和现状分析的基础上，构建基于生态系统健康的生态承载力评价指标体系，利用层次分析法确定各指标权重，分级评价区域生态弹性度、资源承载指数和社会影响力，量化区域生态承载力指数，明确其空间特征，阐明甘南高寒草原资源利用和保护策略（放牧、禁牧等）影响下的区域水碳权衡关系。在明晰生态系统演变机制基础上，进一步针对生态系统发展生态水文过程-生态系统服务耦合动力学模型，结合构建的长中短期气候气象和人类活动情景，建立基于物理过程耦合的生态系统水-土-气-生要素时空动态模拟预测技术，阐明生态系统服务功能的演变趋势与主控因素。
22.典型脆弱生态系统变化预警模型与算法：利用熵值法遴选脆弱区生态环境状况和生态系统服务最具代表性和最敏感的因子；以生态系统健康风险与灾害为重点，基于历史灾情资料和基础生态环境数据,利用机器学习阐明灾情指数与自然环境和人类干扰因子间
的关系，识别主要致灾因子；研发基于生态系统监测和物理过程模拟的脆弱区生态系统质量、生态系统服务、生态灾害等多维度、多时间跨度预警体系和预警模型，综合生态系统敏感因子和主要致灾因子形成预警指标，确定各指标的类型（正向或负向演变）和权重，建立风险预警指标体系。依据生态功能定位、环境质量标准及灾害风险等级，确定预警指标的阈值，设置对应的警戒线，设立预警模式（如脆弱性指数、灾变风险、恶化趋势及恶化速度等）；在系统监测、模型模拟及整合分析的基础上，根据预警指标和警戒线，建立预警级别（蓝色、黄色、橙色及红色），判定生态系统灾害风险程度；综合预警指标、指标警戒线、预警模式和预警级别，基于“敏感性-恢复力-压力度”生态脆弱性评价概念模型框架，构建典型脆弱生态系统变化预警体系。从系统融合、数据库构建以及gis技术的集成等方面，研发基于对象的分布式预警模型和算法。
23.3.甘南高寒草原脆弱高寒草原生态系统健康评估及预警平台构建在甘南高寒草原生态系统潜在风险识别及健康评估指标体系确定的基础上，建立研究区典型生态问题（如草场沙化、水土流失、水源涵养等）评估模型，依据国家相关标准及区域生态功能定位，并针对典型生态问题分别设定各自的预警指标、预警值和警戒线，构建基于对象的分布式预警模型。未来情境下，根据脆弱生态系统突出生态问题的中长期预测结果，利用警戒模型进行警情判定，识别各生态问题不同警别警情出现的时间、地点和频率，实现对甘南草原生态问题的中长期预测预警。
24.系统总体框架遵循j2ee架构和网络服务开发模式，结构上采用浏览器/服务器（b/s）的开发架构模式。该系统将由用户层、应用服务层、业务支撑层、数据资源层和基础平台层共5个层次组成，其主要功能是监测数据的综合管理、预警信息的综合服务以及未来情景的预测预警。系统设计以甘南高寒草原脆弱生态系统健康潜在风险预测预警为向导，综合运用webgis、空间数据库管理、空间数据可视化、面向问题程序设计框架、未来情景预测与模拟技术、系统集成等技术，构建具备通用性、多功能性、可扩充性和实用性等特点的网基预警平台。集成长短期气候情景和人类活动情景数据库、基础生态环境数据库以及脆弱生态系统中关键生态问题监测、健康评估指标和分布式预警模型构建技术，搭建甘南高寒草原脆弱生态系统网基预警平台，实现甘南高寒草原气象数据长短期预测分析，生态环境时空演变长期预测、结果分析、图形展示及警情判别。
25.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。