国外草原生态环境监测体系现状及对我国的启示*

刘欣超，张 靖，辛晓平，徐大伟，庾 强，闫瑞瑞，王路路，，秦 琪，邵长亮※

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.内蒙古农牧业科学院，呼和浩特 010031；3.澳大利亚莫纳什大学，墨尔本 028000；4.北京农学院生物与资源环境学院，北京 102206）

0 引言

我国是一个草原大国，有天然草原3.9 亿hm2，约占全球草原面积12%，居世界第一。从我国各类土地资源来看，草原资源面积也是最大，占国土面积的40.9%，是耕地面积的2.9倍、森林面积的1.9倍，是耕地与森林面积之和的1.2 倍[1]。目前，我国天然草原存在面积正在减少、质量不断下降，草原载畜力下降、普遍超载过牧，草原退化、沙化、盐渍化等问题日益严重。20世纪90年代末，我国草原退化面积不断增加，北方各省草原退化面积已过半数，在西部和青藏高原传统草场中90%的草原出现退化的迹象，其中50%的草原退化程度达到中度以上，草原生态环境形势十分严峻[2-4]。因此，当前开展草原生态环境监测研究是十分重要的。

现在，国际草原生态环境监测和信息服务体系建设，已经开始以数字化管理技术为切入点，实现网络化、空间化、智能控制为主的全面信息化阶段，能够提供系统的数字信息和实用的数字化产品[5-7]。例如将气象卫星资料用于草原植被遥感监测，计算特定区域的归一化差植被指数，实现对草原生产力和草原面积的实时监测[8]；欧美学者也利用遥感技术手段进行草原生物量监测预报与草原资源退化监测，为草原资源的合理利用和调控提供了科学依据[9,10]。除了在生产、生态环境方面的监测研究外，以欧美和澳大利亚为代表的国家将计算机技术和对地观测技术结合起来，发展出具有预警和管理决策的信息服务系统[11-13]。这些系统所提供的服务都在草原资源环境监测的基础上深化了监测产品对草原经营管理的作用和效益，对完善我国草原信息服务体系和推动我国草原畜牧业现代化、产业化进程具有重要意义[14-16]。针对这一情况，文章通过对美国、澳大利亚、欧盟等草畜业先进国家的草原生态环境监测现状进行概览并通过分析、讨论以实现如下目标：（1）了解国际草原生态环境监测与信息服务技术体系的发展应用现状；（2）对国内外草原生态环境监测发展现状特点进行比较分析；（3）对我国草原生态环境监测与信息服务体系发展方向提供启示。

1 欧美国家草原生态环境监测体系特点

1.1 澳大利亚

1.1.1 建构完善的法律体系，依法保护生态环境

澳大利亚从20 世纪60 年代开始制定环境保护法律法规，澳大利亚的联邦、州、市3 级政府都有相应的法律法规。联邦的环境保护立法有50多个，如“环境保护和生物多样性保持法”“国家公园和野生生物保护法”等。自1990年代起，每5年就会在全境开展生态环境全面普查，对生态环境状况开展系统评估，随后联邦政府为了鼓励环保产业的发展，制定了一系列税收优惠政策[17]。目前，生态环境保护在澳大利亚被提高到了国家战略的层面，受到各级政府的高度重视和监管。同时，联邦、州与市三级政府之间职责明确，分工协作，联邦政府负责在国家层面进行生态环境的统筹规划和综合治理，州政府负责生态环境建设和保护，市政府则在州发展框架和指导下制定和执行本市范围内的环保规划[17-18]。

澳大利亚是生态环境保护较好的国家之一，归功于完整齐全的生态环境保护的法律条例与规章制度，以及良好的公民生态文明素质。澳大利亚的联邦、州、市三级政府的生态环保立法大多以预防为主，同时相关法律条款制定的非常细致，便于掌握，操作性强[19]。与立法同样重要的是澳大利亚对于维护环境保护法律法规的权威和严格执法十分重视，对于任何违法相关法律的个人、企业、组织都会依法惩处。

1.1.2 草原监测体系稳步发展

在20世纪90年代之前，澳大利亚的草原监测主要由州级主管部门独立制定方案计划开展工作，基本都是通过地面调查的方式进行。在这一阶段，虽然各州都普遍重视畜牧生产对生态环境的影响问题，但同时存在着各州监测标准不统一，监测体系无法满足实际需要等问题。自1997 年起澳大利亚联邦政府成立了国家土地和水资源稽查局，并颁布了一系列工作计划和项目，建立了涵盖草原生态系统结构、物候状况、产草量和社会人文等相对综合全面的指标体系，在全国范围内进行的草原监测和数据收集工作[20,21]。2000年澳大利亚国家土地和水资源稽查局在联邦政府的支持下整合了全国范围内来自不同地区和不同部门草原监测和畜牧产业信息，建立了综合性的澳大利亚合作牧地信息系统（Australian Collaborative Rangelands Information System，ACRIS)，并定期为澳大利亚政府提供草原生态环境监测数据并发布相关报告，分析澳大利亚全国范围内草原生态环境和畜牧生产的相关情况（http:www.environment.gov.au/land/acris/index.html）[22]。

1.1.3 依据各州情况针对性地开展草原监测

在组成澳大利亚联邦的6州2地中，大部分地区都各自开展了生态环境和畜牧产业的特点，针对性地开展了大量的工作：（1）位于澳大利亚东南部的新南威尔士州，其国土和水资源保护部，根据该州东部湿润疏林草地区，中部半干旱灌丛草地区和西部干旱荒漠草地区的各自特点针对性的制定了草原评估计划，该计划自20世纪90年代以来建立了340个草地实地监测点，开展了生态环境常规监测，同时在人员培训、资料整理更新方面也做了大量工作[23]；（2）在南澳大利亚州草原生态环境监测任务主要是由环境和水资源部负责的，该州草原监测工作主要关注于草原土地覆被变化和土地管理方面；（3）澳大利亚联邦面积最大的西澳大利亚州地广人稀，自然生态环境相对来说保留原始状态，其农业部建立了西澳大利亚草原监测系统（The Western Australian Rangeland Monitoring System，WARMS），负责草场的管理、监测和评估。（4）在澳大利亚北领地国土规划和环境部负责草原生态环境监测工作，监测内容主要有牧场测绘和草地资源评估等。

1.2 美国

1.2.1 成熟的国家监测体系

早在20 世纪初美国就已利用国家监测体系（The Long-Term Agroecosystem Research Network，LTAR）开展土地监测工作，经过100 多年的发展完善，逐渐形成了较为完整的监测和信息化管理的结构体系[24]。国家政府统一负责体系的管理和运行，并提供资金、技术和设备等方面的支持。以美国农业实验站为例，按照流域划分，在18个区域共分布有23个实验台站。实验站主要负责实地观测、收集数据、并对数据进行初步整理、上传汇交。采用地面调查和遥感进行监测，内容涉及气象信息、生产力信息、地面生态环境监测信息（包括牧草高度、草原植被盖度、草原植被多样性、枯落物量、土壤紧实度、土壤侵蚀等）[25]。

1.2.2 基于信息化手段充分发挥草原评价和监测数据的服务作用

在美国草原评价和监测方法信息化管理上，美国农业部农业研究中心基于NCIC（National Cartographic Information Center）景观工具项目和OCS 合作组织的研究内容，集合多位牧场主、草原管理人员和专家学者共同设计，发展出了一种基于Wiki 交互式工具指南用于草原监测和评价信息的管理。这一指南将相关研究成果、来自不同组织的文件和相关报告以及专家经验和建议等信息进行了有效整合，使得使用者能够更好地分析解释监测数据，并服务于草原管理。该指南包括两部分，第一部分是发现工具，通过输入查询题目、关键词、日期和尺度等搜索信息，调用数据库为使用者提供数据和相关方法信息；另外一部分基于Wiki 的搜索网页，能为使用者提供多种格式的方法和数据内容。在指南中，考虑到的数据涵盖以下14个方面：植被盖度、植物种类、密度、频度、多样性/丰富度、存在度、土地利用分类、植被垂直盖度和结构、数量和状态、边界制图、产量/生物量、土壤属性和牧草利用程度等[26]。

1.2.3 切实有效的草原健康评价指标体系和信息化管理系统

草原健康评价是草原监测工作的重要内容，这一评价可以提供草原生态系统质量信息，进而为管理者在生态修复等决策过程提供参考信息。当前美国西部的土地管理者一般采用Pyke 等提出的草原健康评价指标体系，包含细沟、水流痕迹、平地和/或阶地、裸地、切沟、凋落物移动、表层土壤抗侵蚀能力、表层土壤流失或退化情况、渗透和径流引起的植物群落组成和分布的情况、紧实土层的深度、植物功能或群落结构、植物死亡率或腐烂程度、凋落物量、年产量、有害或入侵植物的种类和数量、多年生植物再生产能力等17个指标[27,28]。

对于美国草原管理信息系统来说，在国家尺度上主要有美国土地管理局负责的覆盖全国的公有草原信息管理系统，覆盖了全国范围内的共有草地。而美国草原主要分布范围内的州也都建立了州一级草原信息化管理系统。美国农业部按照实现草原“精确放牧”的设想构建了全国性的牧场信息化管理系统。其数据库的数据来源：一是基础数据由各州自行收集，二是委托给第三方收集一些特殊数据，三是国家实验台站的观测数据等。

1.3 欧盟

1.3.1 以各成员国为基本的信息收集单位，使用统一的数据标准

INSPIRE（Infrastructure for Spatial Information in the European Community）欧盟空间信息基础设施：是欧盟关于建设空间数据基础设施而发布的一部法案，于2002 年发布，法案规定了各欧盟成员国需要收集本国的空间数据，并定期汇报给欧盟，由欧盟统一整理发布，法案规定了各国需要收集的空间数据类型，其中关于草原生态系统的空间数据发布于附录第2条第2款。该法案要求欧盟成员国每年汇报数据收集情况，自2017年开始，每5年向欧盟提交本国收集数据，并发布于网站上可供公众查询。自法案发布以来，虽然来自成员国的抱怨颇多，但已经基本实现空间信息的统一标准和共享，建立起来一个“第三方部门收集数据—成员国相应组织整理数据—欧盟统一发布数据”的良好链条，各相关数据，如草原面积、草原范围、家畜数量分布、土壤状况等，都在相关网站上对公众开放，可免费获取。缺点是具有一定的滞后性，并且此数据库的部分内容和欧盟统计局数据库（Eurostat）稍有重叠[29]。

LULUCF（Land Use，Land Use Change and Forestry）土地利用/土地利用变化和林业：此法案的是基于529/2013/EU 做出的扩大和修改，于2018 年发布，代替原有的529/2013/EU 法案，主要规定了各成员国在管理、监测、改善土地利用和土地利用改变所产生的碳排放问题，其中规定了关于各成员国碳排放的上限，并规定了需要减少的碳排放量[30]。提出了关于牧场管理和牧场改良有关的措施，例如：通过改变放牧的强度和时间来改善放牧地的管理；提高生产力，改善营养管理，改善消防管理；引进更合适的物种，尤其是深根物种等[31]。

1.3.2 种类繁多且针对性强的监测系统和数据库管理系统

欧盟关于草原生态环境监测以各成员国为基本的信息收集单位，使用统一的数据标准，录入欧盟数据库统一对外发布。具体监测事项详细、监测系统种类繁多，针对同一生态系统的不同服务功能，有不同的监测系统和数据库管理系统，而且生态环境监测的数据发布和公众服务相对完善，用户通过一个网站就可以免费获取数据[32-33]。

关于监测与信息发布，欧盟颁布法案要求各成员国应建立并运行一个综合的管理和控制系统，综合系统应包括以下要素：①计算机数据库：包括农业包裹识别系统、识别和注册付款权利的系统、援助申请和付款要求；②集成控制系统；③一个用于记录提交援助申请或付款请求的每个受益人身份的信息系统[34]。较为典型的数据库系统有监测生态多样性监测的欧洲自然信息系统（https://eunis.eea.europa.eu/），针对饲草料和乳畜产品的农业综合行政管理系统（IACS）[35]；监测统计农业生产经营状况的农场会计数据网络（http://ring.ciard.net/eu-farm-accountancy-data-network-fadn）等。

1.3.3 活跃的技术创新及成果转化应用

政策法规的能够按时完成的背后基础是欧洲对草原和畜牧业科学研究的大力支持，前面提到的各项政策法规都有对应的项目研究资助平台，可供研究人员申请研究项目和科研经费，并在平台上发布研究成果。比如，与生物多样性信息系统BISE同属于欧盟环境法案的LIFE项目平台，自2013年设立以来共资助了115 个草原生态研究方向的研究项目。与LULUCF 同属欧盟共同农业政策的欧洲农业创新合作组织（EIP-AGR）平台，该平台将多方参与者召集在一起，帮助研究人员获得经费信息，帮助欧盟资助项目公开项目研究成果，还承担着科普和研究成果转化工作，平台上共享有44 个草原生态和草原放牧家畜方向的科研项目进展和成果[36]。在这些项目中，针对正在进行的项目进行了调查，选取了几个可供参考的项目，如下。

Inno4Grass（https://inno4grass.eu/en/）-欧洲草原可持续生产力的共享创新空间：Inno4Grass 自2018 年开始至2020 年结束，欧盟“地平线2020”基金资助200 万欧元，用于构建新型草牧业智慧生产实践（图1）。智慧草业智慧牧业（Precision livestock farm）自20 世纪90 年代提出以来，在科学研究上已经取得了一系列成果，但是实际应用领域却异常缺乏[37]。调查表明，截止2017年没有一个私人牧场使用全套智慧牧场技术，使用部分智慧牧业管理的私人牧场不足3%，大型公司牧场的智能管理使用不足15%，草原智慧管理技术的高成本使无论是私营牧民或大型公司都望而却步。研究机构和科研院所利用研究经费，在部分牧场及小范围的应用了智慧草牧管理方案，取得了很好的成绩，可是研究一旦结束，牧场主更倾向回到以前相对落后不环保的养殖方式[38]。Inno4Grass 为了解决这个问题，在全欧洲8个国家范围内，选取对新技术有较高积极性的牧场主，联合科研院所一起，为这些牧场主搭建智慧牧场，让他们在牧场应用先进的智慧草牧管理技术，一方面能普及智慧牧场技术，通过奖励农场主刺激他们接受先进的智慧牧场技术，另一方面，为科研机构提供更多的技术案例，能在不同草场环境下的智慧牧场发现问题，研究新方法新策略，完善智慧牧场相关技术。Inno4Grass 共有爱尔兰、德国、法国、荷兰、瑞典、波兰、意大利、比利时等8 个国家，共59 个组织机构参与，包含20 家研究机构（大学、科研院所和具有研究实力的私人公司），其中每个国家各有一个研究机构，一个私人机构或政府机构参与。私人机构或政府机构负责筛选牧场主，研究机构负责在牧场中进行智慧牧场技术的架设和研究，除此之外，还有3家私人公司负责推广和技术科普。欧洲草业联盟(EGF)和欧盟农业生产和可持续发展部门作为总体的联络者负责整个项目的进行，并且每年会给予有杰出成果的牧场一定奖励。

图1 欧盟Inno4Grass项目管理结构

4D4F（Data Driven Dairy Decisions for Farmers，https://4d4f.eu/）-数据驱动的奶农决策系统：这是一个为期4 年的数据研究项目，由欧盟“地平线2020”资助，5 个国家15 家机构参与，其中包括数据处理公司、乳制品企业和两所大学。该项目将智慧牧业（Precision livestock farm）和数据共享与大数据技术结合，重点关注奶牛动物和环境传感器在收集实时信息中所扮演的角色，以帮助做出更明智的奶业决策。该项目将建立一个由农民、农场顾问、技术供应商、兽医和研究人员组成的实践社区，收集和促进数据和传感器技术的最佳实践。项目方案是通过传感器和数据分析工具、视频、信息图表和乳制品传感器技术所构成的在线虚拟仓库来生成一个最佳实践指南将结果传达给农民。这个过程要通过生成一个标准监督程序（SOPs）来实现，该程序可针对各个农场量身定制，以帮助农民和农场顾问采用乳制品传感器和数据分析技术[29]。SOP将由工作组制定制，这个工作组包括农民、农场顾问、技术供应商和研究人员，他们将共同制定对农民友好的SOP。同时，农场活动和研讨会将对在线COP 和已发布的交流工具予以补充，以帮助农民和农场顾问实施创新的传感器和数据分析技术。讲习班和活动将促进农民与其同龄人之间就如何在自己的企业中最好地使用传感器和数据分析进行讨论。这个过程中产生本地对等支持，生成农场大数据，以促进采用数据驱动型乳制品决策。

2 国际上的主要做法与经验

生态文明重在建设和保护，在生态环境问题上，虽然我国在草原资源特征、社会经济情况、草原资源所有权和管理体制、草原政策法规等方面差异显著，但也存在许多相似之处。尤其是其十分完善的草原监测及信息信息服务体上的一些好的经验和做法，值得借鉴。

2.1 从政策大局上转变养殖方式，保护生态环境

美澳等国畜牧业经历了从粗放型向集约型转变的发展历程和模式，前期粗放型畜牧业发展过程中使得这些国家草原生态环境状况都出现不同程度的退化，转变为集约化畜牧生产发展模式后，退化的草原生态环境得到了改善。参考以上国外经验教训，可以判断中国畜牧业的未来发展方向和趋势应以保护草原生态环境和实现畜牧产业的绿色可持续发展为总体目标，实现我国畜牧产业发展从传统粗放经营到集约化生产模式的转化，在保证畜牧产业可持续发展的同时切实保证草原生态环境状况的改善[39]。

2.2 构建完善的草原生态环境监测评价体系

草原生态环境监测是对草原生态环境状况、资源利用情况及其动态变化情况进行掌握的重要手段，也是开展草原生态环境保护工程建设以及制定草原资源保护和草原合理利用政策的基础。以美国为例，20 世纪初就已开展全国的监测和评价体系建设工作。对于草原生态系统，美国按不同流域系统设置了生态监测站，为草原保护与利用提供数据支持和信息服务，实现了不同层级用户对草原生态环境监测数据资源处于不同目的利用。与此对比我国当前草原生态监测站分属于农业、科技、教育等有关行业和部门监测指标体系和技术框架互不统一，相互之间交流、协作与数据共享尚不充分。因此，国家农业农村部草原监理中心发布了《全国草原固定监测点建设总体规划》，并按规划逐步开展固定监测点基础设施建设[40]。

2.3 加强草原信息化体系建设

欧美澳等国普遍对草原信息化建设和和相关数据应用高度重视。建立了相对完善的信息网络，数据库开放共享程度较高，可以为政府部门提供管理决策信息，为科研人员提供科研数据，为牧场主管理和利用草原提供指导信息。例如，美国自成立农业部以来一直在抓农业信息化。从农业信息化的工作内容、组织结构、法制建设到技术手段，不断变革、不断发展，到现在已经形成了庞大、完整和健全的制度和体系，建立了全球电子信息网络和覆盖全球的农业生产及农业经济数据库，可提供大量世界农业生产、农业经济、需求等问题的研究报告。为确保农业信息化的快速发展，美国政府首先是通过对农业科研体制、投资结构和实用技术研究进行政策调整，在明确投资主体的前提下，加大力度进行农业信息系统的多项硬件建设。其次是提供充足的系统运行经费，每年10 亿美元的农业信息经费支持，占农业行政经费的10%。在这样的前提下，美国农业信息化保持了快速的发展势头。我国在草原信息化管理方面工作起步较晚，数据信息服务能力还很弱。结合国外经验，我国应进一步加大草原信息化建设，通过组织开展信息网络结构设计和系统开发，建成高效运行的全国草原信息管理系统，同时建立草原资源与生态动态调查制度，建立切实可行的草原生态环境监测信息数据共享机制，提高数据利用效率，为政府决策、指导生产、草原执法和农牧民生产提供依据和信息服务[41]。

2.4 加大国家经费、人员和政策支持力度

草原地面监测是耗费人力、财力的艰苦性工作，需要大量的资金投入才能有效开展。欧美澳等国基本上对于草原生态环境监测方面都建立了长期稳定的资金投入机制并建立了完善的监测体系，有相应机构负责体系的运行和监测工作的实施。然而，当前我国草原生态环境监测方面的资金投入尚难以满足草原监测体系建设和运行方面的需求，且监测站点人员流动性较大，难以形成稳定可靠的人才队伍。针对这一情况，草原监测体系建设应以长期的战略目标为指导，通过设立专项资金、完善监测体系、设立专门岗位、定期开展人员培训等手段，保持长期稳定的经费、人员和政策支持，逐步建立起覆盖全国主要草原、布局科学合理、监测结果科学过硬的草原监测体系[42,43]。

2.5 促进畜牧生产的可持续发展

良好的生态环境、畜牧生产模式以及草原牧区社会经济发展状况是发展环境友好型可持续畜牧业的基础条件，借鉴国外草原畜牧业高度的分布区域化、生产专业化和经营集约化的特色经验，我国可结合自身国情，加大集约化饲养，全面实行区域性专业化集约经营，提高牧场劳动生产效率，推进畜牧产业健康发展。草原生态环境的保护与发展需要科学技术的推进，加强草原科技推广，建立产学研紧密结合的产业技术体系，确保我国草原生态环境监测与畜牧业可持续。对于草原生态环境监测体系方面，需要切实开展草原基层数据收集整理，建立充实的基层监测数据库，依托产学研一体化，形成从实验室研发到实践应用的高效转化。吸纳澳大利亚先进管理经验，创新草原管理模式，推进最小“生态单元”草原精细化管理，完善草原基础数据，并立足于畜牧产业的发展的切实需求，开发实用化产品提供草原生态环境监测信息和预警服务。

3 对我国今后草原生态环境监测体系发展的启示

通过对国外草原生态环境监测与信息服务体系典型案例的分析，对我国相关工作的开展可得到如下启示。

（1）国内外经验表明草原生态环境的改善是一个长期的过程，在尊重自然的基础上通过几十年乃至更长的时间的努力才能使得草原生态环境得到逐步改善。因此我国在草原生态环境建设中应避免毕其功于一役的想法，需要坚持以长期战略政策为向导，建立稳定的投入机制，重视固定监测点、人才队伍建设和人员培训等需要长期开展工作投入，合理规划，逐步实现我国草原生态环境的改善和可持续发展。

（2）通过对国外相关领域的案例分析，可看到欧、美、澳等草牧业先进国家无不建立了完备的草原生态环境保护法规和切实可行的生态环境保护、利用、监测标准，使得相关工作的开展有法可依，有规可循，有据可查，这对于草原生态环境监测工作的长期化、规范化开展是十分重要的。我国当前出台的《草原法》中明确规定了草原的总体规划，但还应在此基础上进一步修改和完善相关法律规范，保证法规政策的完整，有效力。

（3）长期以来欧盟、澳大利亚、美国等国在草原生态环境领域科研投入巨大，相关领域基础科学研究长期处于世界先进水平，其扎实的基础科学研究积累为建设符合本国实际情况的草原生态环境监测技术体系提供了有力的科技支撑。因此，加大我国相关领域基础科研投入，开展一系列草原生态环境监测方面的基础科学研究是必须要做的工作。

（4）草原生态类型多样、环境问题复杂，草原生态环境监测涉及部门多、关系复杂，监测数据量大，数据种类丰富，往往需要不同部门不同领域的专家学者相互交叉合作才能完成对传统生态环境的综合监测，这也是中外草原监测工作所面临的共同问题。欧、美、澳等国家在草原监测工作中提倡多部门合作，注重草原监测数据公开，高度共享，吸引不同专业的专家学者参加草原生态环境研究工作，为不同领域的新技术引入创造了条件，促进了多学科融合，同时也非常有利于相关领域的成果转化，这是国外先进国家草原生态环境监测工作的一大亮点，十分值得我国借鉴。