自然资源要素综合观测站网建设模式探讨

刘玖芬，赖 明，杨 斌，尹永会，石连武，裴小龙，方梦阳

（1.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心, 北京 100055；2.自然资源要素耦合过程与效应重点实验室, 北京 100055；3.中国地质大学(武汉)资源学院, 湖北 武汉 430074；4.中国地质调查局应用地质研究中心, 四川 成都 610036；5.中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心, 山东 烟台 264000；6.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心, 河北 廊坊 065000；7.中国地质调查局海口海洋地质调查中心, 海南 海口 570100）

生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计，生态环境问题归根到底是自然资源过度开发、粗放利用和奢侈消费造成的，生态保护必须从自然资源管理这个源头抓起[1-3]。自然资源部成立以后，全面实施自然资源“两统一”管理，但当前支撑自然资源变化规律研究、预判自然资源演化趋势等基础数据不足，迫切需要在调查监测基础上，系统开展自然资源要素综合观测[4-5]。2018 年10 月，《自然资源科技创新发展规划纲要》将“自然资源要素综合观测网络工程”列为十二大科技工程之首，拉开了自然资源要素综合观测站网建设的序幕[6]。

目前，各科研院所、高校和行业部门针对各自需求建立了不同观测站网[7-8]。但观测站大多以自建为主，存在数据壁垒，共享难，可借鉴的共建机制、模式鲜见。新发展阶段，贯彻“绿色、共享”新发展理念，充分发挥各部门现有观测站网资源优势，避免重起炉灶、重复建设[9-11]，需深入探索观测站之间的融合机制，发展共建共享建站模式。本文基于自然资源要素综合观测网络工程在青藏高原、黄河流域、黑河流域、塔里木河流域等全国重点典型区域开展的试点示范，联合新疆生产建设兵团、东营市政府、中国科学院、北京师范大学、兰州大学等10 多家单位共同探讨了“空白添建，自建为主”“高位嫁接，融合共建”“需求牵引，政府支持”“成果转化，企业参与”和“调查-监测-观测一体化”5 种自然资源要素综合观测站网建设模式。

1 国内外观测站网建设现状

为实现自然资源可持续利用，西方发达国家依据地球系统科学和人地系统理论，向天-空-地-网一体化自然资源观测网络快速迈进，建立了国家、区域以及全球尺度的观测站网络(表1)，为生态系统、生物多样性、关键区域和社会生态研究领域的多种用途提供全球分布式网络和长期研究站点基础设施，各合作伙伴在站点、国家、地区乃至全球范围进行广泛合作，推动了数据共享。例如，自1993年成立以来，国际长期生态学研究网络(ILTER)发展成为由全球44 个网络成员(包括美国的US-LTER、中国的CERN、澳大利亚的TERN、英国的ECN等)、约700 个长期生态研究站点以及约80 个长期社会生态研究平台组成的网络，ILTER 成员通过申请加入，可以是国家级别的观测网络，也可以是单独的站点或平台，实现网络成员间的数据共享[12]；美国国家生态观测网络(NEON)在美国国家基金委员会(NSF)支持下，将美国划分为20 个生态气候区，历经20 年规划建设，建成并运营了由81 个野外观测站(47 个陆地生态站和34 个淡水水域生态站)组成的观测网络，站点覆盖整个美国大陆，形成天-空-地一体化、高度信息化和自动化的大陆尺度生态系统观测研究平台，NEON 项目没有各个观测站点的所有权，而是通过管理承包商分别与美国自然资源部、美国国家公园管理局、美国林业局、大自然保护协会等组织协调和合作建设，并由各观测站所有者管理和运营[13]。澳大利亚昆士兰州政府于2009 年通过国家合作研究基础设施战略(NCRIS)建立了澳大利亚陆地生态系统研究网络(TERN)，TERN 包括13 个卫星观测校验场地，16 个生态系统过程监测超级站，1 750 余个生态系统监测样地样带，提供地块、站点和大陆3 个尺度上的环境研究基础设施，旨在解答未来复杂的环境变化问题，实现国家尺度的生态系统可持续管理。TERN 通过新建和融合已有网络的方式，填补已有网络的空白，避免了重复建设，并降低了建设成本[14]。

表1 国外典型观测站网Table 1 Typical observation networks abroad

我国观测研究网络建设总体起步较晚，目前，国家生态环境部、林业和草原局、中国气象局、地震局、中国科学院、北京师范大学、兰州大学等众多部门、科研院所、高校已建立资源环境类野外站7 000 多个，并基于野外站建立了生态、环境、森林、气象等全国性的观测网络[15-16]。观测网络主要包括部门业务观测网络和科学研究观测网络两大类。业务网络侧重针对某个或某类要素展开观测，获取长期、连续数据，主要支撑服务行业部门管理需求，如国家地震台网的地震监测网[17]、生态环境部的生态环境监测网络[18]、林业和草原局的中国森林生态系统定位研究网络[19]、中国气象局的气象监测站网等；科学研究观测网络侧重针对某一科学问题，在获取长期、连续数据的基础上展开深入研究，如中国科学院建立的中国生态系统研究网络[20-23]、北京师范大学联合中国科学院、兰州大学等单位建立的黑河流域地表过程综合观测网络[24]等。

目前，国内观测站网主要有自主建设、合作建设和站网联盟3 种建站模式。自主建设模式是主流，如中国气象局的气象监测站网、中国地质环境监测院地下水监测网、水利部地表水监测网等行业部门主导的业务网，自主投入地块、装备、人员等建设观测站，建站运维模式自成体系，长期运维经费有保障，能保证产出长期、稳定、连续的观测数据，最大化满足本部门业务需求。合作建设和站网联盟方式还比较少，主要是各科研院所及高校间合作，各方发挥各自优势，分别提供场地、装备，共同运维，数据共享，如中国科学院、北京师范大学、兰州大学等合作建设的黑河流域地表过程综合观测网络，及中国科学院联合西藏自治区、中国气象局、中国农业大学、武汉大学等，建设了森林生态系统、荒漠-草地生态系统、湿地生态系统、农田生态系统观测研究野外站联盟和高寒地表过程与环境监测研究野外站联盟共5 个站网联盟[25]等，合作建设及站网联盟实现资源共享共用，降低建站成本和运维成本，特别是解决了科研院所、高校因为某个项目结题而没有持续资金运维观测站的痛点，同时，合作共享顺应国家新时期新发展理念。

目前，国内观测站网普遍存在数据壁垒、标准规范不统一、数据共享利用滞后、站点布设不均、顶层设计不足、缺乏多要素观测等问题[26-28]，不利于自然资源的统一管理、综合研究，难以综合评价分析自然资源间耦合作用关系，不能满足科学预判自然资源变化动因、发展趋势和资源环境承载力的需求[29-30]。亟需建立自然资源要素综合观测站网，系统开展自然资源要素综合观测。

2 自然资源要素综合观测站网构建

2.1 自然资源要素综合观测站网基本定位

自然资源要素综合观测站网建设是一项战略性、紧迫性、公益性基础工程。在国内已有观测站点基础上，通过自建、融合共建等多种方式，以自然资源一、二、三级综合区划为基础单元，布设一级站、二级站、三级站3 级观测站。制定科学、全面、统一观测指标，结合航天遥感、航空遥感、地面观测、实地调查等技术手段，对水、土、森林、草等自然资源多要素进行综合观测，获取自然资源种类、数量、质量、结构等长时间序列观测数据，通过数据分析、模型模拟，研究自然资源要素间耦合作用过程、机理，揭示资源-生态-环境互馈机制，评价资源环境承载力，为自然资源管理和国土空间规划提供决策支撑。

2.2 自然资源要素综合观测站网建设原则

1)科学布局，分步推进。坚持“山水林田湖草生命共同体”理念，针对各地区存在的资源环境问题与现实需求，依据中国自然资源综合区划，结合实地详细调研，系统考虑，科学布局观测站。围绕国家重大需求，自然资源管理重大问题，优先在国家重点生态功能区、重要流域、重要生态系统保护和修复区布设观测站，优先填补观测站空白区，再逐步扩展至全国，分步推进观测站网建设。

2)长期运维，久久为功。观测站的最大优势是获取长期、连续的观测数据，树立久久为功的长期工作思维，建立科学的维护管理制度机制，培养技术过硬的观测人才队伍，争取持续的运维经费，保证观测站长期稳定运行。

3)联合共建，开放共享。团结协调自然资源系统内外各单位的观测和研究力量，充分利用现有基础，深化合作交流，创新多元化投入和建管模式，以最小投入获取最大成效。推动设备设施、观测技术、科学数据等科技资源共享，形成协同共建长效机制。

4)统一标准，确保质量。建立统一的标准规范，实现台站建设、野外观测、数据处理、运行管理等业务全流程的标准化、规范化，确保观测数据准确性、可比性。

2.3 自然资源要素综合观测站网架构设计

为充分掌握中国自然资源总体状况，综合考虑观测覆盖范围和经济成本，依据全国三级自然资源综合区划，拟在全国建成12 个观测研究中心(一级站)、105 个二级站、800 个三级站，形成覆盖全国的全天候、全时段、多要素的空-天-地-网立体观测能力。

一级站主要控制自然资源一级区划，每个一级站均设有1 个综合分析测试实验室、计算机模拟平台、数据分中心，下辖8～10 个二级站，主要以数据集成和分析为主，开展大数据处理、计算机模拟和重点样品处理、分析测试。负责二级站的日常运行和管理工作，汇聚二级站数据，集成自然资源大区数据，进行一级区划的综合分析。

二级站主要控制自然资源二级区划，每个二级站下辖5～10 个三级站，二级站主要以特色区域综合研究为主，负责三级站日常运行和管理工作，汇聚三级站数据，集成自然资源区域数据，进行二级区划的综合分析，并负责向一级站汇交数据。

三级站主要控制三级自然资源区划，主要开展一般数据处理、原位观测模拟、一般样品处理分析测试、遥感数据处理分析、遥感对地观测理论和观测系统验证、定量遥感正反演模型研发验证、定量遥感数据产品验证等。三级站下设观测点和观测样地，主要以自动观测、实地调查、无人机观测、实地采样分析为主，具有自然资源要素科学观测和分析能力，并向所属三级站汇交数据(图1)。

图1 观测站网架构Figure 1 Observation station network architecture

2.4 自然资源要素综合观测站网建设目标

自然资源要素综合观测站网建设是一项巨大、复杂工程，需要多技术、多方法、多手段融合并用，充分利用国内已有各类观测站资源，携手政府、高校、科研院所等各方力量，协同共建，以期实现以下目标：①构建自然资源要素综合观测台站网络。台站网络是观测体系的底层设施和获取观测数据的主要平台。综合考虑已有站点基础、观测覆盖范围和经济成本等因素，逐步建设形成一个覆盖全国、布局合理、功能完备、运行高效的自然资源要素综合观测台站网络；②集成汇聚自然资源大数据。科学研究需要完整、准确的科学数据支撑，依托观测站网，产出长期、连续、海量的观测基础数据，与自然资源调查监测数据互补互融，并结合大数据、云计算与人工智能等信息技术手段，集成自然资源大数据；③搭建一体化平台。搭建包括物联网中心、大数据中心、展示中心、模型云中心、综合管理中心和门户网站6 个子系统、48 个功能模块的自然资源要素综合观测一体化平台，集“大感知、大数据、大融合、大模拟、大平台”于一体，实现观测台站联网、设备联网、数据实时汇集、数据质量控制、数据管理、数据共享、专题运用、成果展示等功能；④形成健全的观测技术体系。融合航空航天遥感、无人机、地面定点观测、模拟试验等多种技术方法，建立健全空-天-地-网立体化协同同步观测技术体系，研制世界领先的大气、地表和地下多界面融合的观测装备，形成自然资源要素综合观测装备体系；⑤培养一支观测研究团队。以观测网为纽带，吸引和聚集具有长期观测研究经验和数据分析挖掘能力的专业技术人才，打造一支引领全国自然资源综合观测研究的科技创新团队。

2.5 自然资源要素综合观测站网重要进展

实施自然资源要素综合观测网络工程以来，先后在青藏高原、黑河流域、黄河流域和塔里木河流域，开展了4 个自然资源要素综合观测试点项目；初步构建了自然资源要素综合观测指标体系[31]、标准体系[32]、质量管理体系[33]、分类体系[34]以及空-天-地-网立体化协同同步观测技术方法和观测-模拟-预测技术体系；初步搭建了自然资源要素综合观测一体化平台[35]；初步划分了全国自然资源一、二、三级综合区划[36-38]；协同科研院所、高校、部门和野外科学观测站数十家单位，建成8 个一级站、19 个二级站、39 个三级站，实现400 多台套观测装备共享(数据来源自然资源要素综合观测一体化平台)；研究成果和观测数据已被多家单位应用，为解决自然资源管理、生态保护修复、灾害预警等问题提供了数据。

3 自然资源要素综合观测站网建设模式

近3 年，基于在青藏高原、黄河流域、黑河流域、塔里木河流域等地区开展的自然资源要素综合观测试点项目，探索形成了5 种观测站建设模式。

3.1 空白添建，自建为主模式

1)建站思路。依据全国自然资源综合区划，聚焦国家战略需求，投入基础设施、观测样地、装备和人员，自建观测站，解决我国重要生态安全屏障区、重要生态功能区等观测数据不足的问题。

3)成果评价。该模式建设观测站，前期在观测站样地、基础设施、观测装备等方面经费投入较大，建设周期较长。但观测站研究方向、观测内容等方面自主性、灵活性强，建成后，成为汇聚国内外研究力量的综合平台。适用于观测站空白或稀少的重要生态安全屏障区、重要生态功能区等地区。

3.2 高位嫁接，融合共建模式

1)建站思路。依据自然资源综合区划和观测体系总体规划，梳理全国已有观测站点，主动走出去寻求合作。在现有观测站基础上，通过添加装备和人才队伍，补充自然资源要素综合观测指标，进行高位嫁接，融合共建，观测数据双方共享，仪器共同维护。解决有些科研院所、高校观测站因经费投入不足，运维困难的问题，提高观测站资源利用效率。

2)成果示范。观测网络工程开展以来，已在黑河流域、黄河流域、塔里木河流域等典型区域，与相关单位合作，融合了一批现有观测站。

在黑河流域聚焦上游水源涵养功能评价、草地退化等问题，中下游土地荒漠化、资源配比结构等问题，中国地质调查局西宁自然资源综合调查中心项目组与北京师范大学、兰州大学和中国科学院西北生态环境资源研究院开展合作，在“黑河流域生态-水文过程综合遥感观测联合试验(HiWATER,2012-2015)”的基础上，融合寺大隆站、大满超级站、四道桥超级站等共建13 个观测站，并全部完成实时数据网络传输，将黑河流域地表过程综合观测网升级为黑河流域自然资源要素综合观测网，有力支撑了自然资源要素综合观测工程，成为首个高位嫁接示范区。

在黄河流域中游聚焦荒漠化问题，中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心项目组与中国科学院鄂尔多斯沙地草地生态试验站融合共建内蒙古鄂尔多斯荒漠化自然资源系统野外科学观测研究站。布设野外长期观测点4 个，共享气象观测系统、土壤含水量观测系统等各类设备15 台套。观测站重点揭示鄂尔多斯沙地草地区自然资源综合变化情况，从各层次上对草地沙化产生、存在及演化的机理深入研究，为地区经济持续发展、荒漠化防治与环境治理提供理论基础和试验示范。

在塔里木河流域巴州北部地区，聚焦塔里木河中下游水资源短缺、荒漠化、土壤盐渍化加剧等亟待解决的问题，中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心项目组与巴音布鲁克草原生态系统研究站、塔里木河水文监测站开展合作，融合共建巴音布鲁克草原观测站和塔里木河生态水文监测研究站。新增水面蒸发测定、土壤温湿盐自动监测系统等设备9 台套，深入研究塔里木河下游地下水与地表水的交互关系和巴音布鲁克草原有害杂草分布及扩散问题，为当地自然资源部门提交决策咨询报告2 份。

3)成果评价。该模式有基础设施、样地、装备、技术、数据等基础优势，前期资金投入小，建设周期短。但存在融合工作协调难和数据服务收费、付费难的问题，合作模式机制尚需进一步探讨。适用于已建有气象、森林、草、水等观测站的区域。该建站模式顺应绿色、共享新发展理念，是未来观测站主流建站模式。

（1）体重严重超标的人。许多人不吃晚餐，目的是为了减肥。那么这样做有没有效果呢？当然有了，不吃晚餐，相当于减少了三分之一的食物摄入量。吃得少，自然会瘦。

3.3 需求牵引，政府支持模式

1)建站思路。以满足地方需求为纽带，争取地方政府投入资金、土地、装备等，我方提供装备和观测技术力量，共同建设观测研究站，以服务新时期地方生态文明建设和自然资源统一管理。

2)成果示范。观测网络工程已与多地政府机构达成合作，无偿提供观测样地、设备等，供开展自然资源要素综合观测。

中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心项目组多次与东营市现代农业示范区机关各部门进行科技、党建等工作的对接，经协商，东营市现代农业示范区拟划拨200 亩(约0.133 km2)观测用地和2 000 m2的建设用地，无偿使用20 年，供项目组开展自然资源要素综合观测工作，有效推动东营市现代农业示范区省级数字经济园区建设。

中国地质调查局烟台海岸带地质调查中心项目组与黄河三角洲国家级自然保护区达成合作协议，保护区提供观测样地，项目组提供观测装备和队伍，为保护区自然资源年度监测报告提供数据，很好支撑了保护区内土壤和植被资源的综合治理与规划。

塔里木河流域巴州北部观测项目组与当地林草局达成合作协议，林草局提供两块具有多年工作基础的永久样地，供开展人工观测、无人机航测飞行、遥感地面验证等工作，双方共享观测数据，联合运维。

3)成果评价。该模式得到政府支持，可节省建设观测站资金投入、租用土地的大额经费，在当地政府的支持下，能顺利推进观测站建设、运维，快速推动科研成果转化为政府决策。适用于当地政府需求明确，政府投资意愿强烈的地区。

3.4 成果转化，企业参与模式

1)建站思路。企业参与合作建设观测站，企业提供样地、基础设施和部分观测装备，己方提供观测技术队伍和部分观测装备，为企业承担的生态修复类项目提供技术支撑。

2)成果示范。在三亚市政府的大力支持下，中国地质调查局海口海洋地质调查中心项目组与海南融盛置业有限公司、中国地质大学(北京)、国家海洋局第二海洋研究所签署合作协议。共同建设三亚南岛自然资源要素综合观测研究站，以支撑服务海南融盛置业有限公司完成“国家全域土地整治暨自然资源生态修复”试点项目。海南融盛置业有限公司提供观测场地、办公场地、观测装备，并每年投入10 万元科研经费用于观测数据集成与应用研究；海口海洋地质调查中心提供观测装备、观测队伍；国家海洋局第二海洋研究所提供技术支持；中国地质大学(北京)每年派研究生到站实习科研。观测站的建设，将有效服务三亚生态文明建设，探索现代生态环境和资源保护监管体制创新和示范。

3)成果评价。该模式通过吸引企业参与共建，企业提供观测场地、基础设施和装备，保障了观测站建设和运维，己方投入观测和研究力量，实现为企业所需而观测，观测研究成果支撑企业完成生态修复等重大任务。适用于企业需求明确，企业投资意愿强烈的地区。

3.5 调查-监测-观测一体化模式

1)建站思路。为充分挖掘数据价值，实现“一查多用”，自然资源综合调查任务结束后，接着在调查区布设观测站，实现面上调查与定点观测有机结合，获取从点到面不同尺度调查-监测-观测数据。

2)成果示范。2019-2021 年，乌鲁木齐自然资源综合调查中心开展“南疆地区(巴州)盐渍化区生态地质调查”项目，在重盐碱地用碱水浇种耐盐植物，取得了良好效果，受到新疆生产建设兵团第二师33 团高度重视，该调查项目解题后，33 团提供500 亩(约0.333 km2)盐碱较重地块，项目组投入气象、土壤呼吸等观测装备11 台套，建成塔里木河流域自然资源要素综合观测基地(南疆盐渍化生态修复示范基地、农业科技科普示范基地)，在面上调查基础上，进行点上研究，理清该地区盐渍化形成机理，揭示土壤水盐动态变化规律，为当地生态、农业和水资源调配支撑服务。

3)成果评价。该模式具有前期在某地区开展调查工作所积累的宝贵的工作经验和大量的数据资料，在此基础上，开展观测工作，事半功倍。但此模式处于探索阶段，尚缺乏统筹规划和顶层设计，项目组之间如何有效衔接需要进一步探讨。适用于已开展了大量土地质量、生态地质、森林、草等各类调查、监测任务，已积累了大量基础资料和数据的地区。

4 思考与展望

基于国内外现有观测站网资源，探讨了生态文明时期建设自然资源要素综合观测站网的5 种模式，针对两年来试点示范过程中遇到的诸多问题，提出几点思考。

1)健全制度机制。我国已进入新发展阶段，需要用新发展理念，从国家层面推动观测事业绿色、融合、共享，建议由自然资源部牵头，联合科技部、农业部、环保部、中国科学院、气象局等部委，形成资源环境综合观测大联盟，建立部门协作机制，形成部门间定期会商制度，研究解决资源-生态-环境重大科学难题。创新融合机制，自建站实行站长负责制，接受依托单位领导和监督；合作站由双方共同建设和管理，共同负责观测仪器的运行和维护。建立数据共享机制，打破部门、行业间数据壁垒，制定双方认可并共同遵守的数据保密、共享制度，充分挖掘数据价值。建立成果发布机制，所有的自然资源要素观测成果，均由自然资源部统一对外发布，保证数据的权威性。

2)建立多元化经费保障体系。目前，在融合共建过程中，观测站网运维、数据交换、共享(付费)等国家、行业制度、规定和标准还较欠缺，影响合作的持久性和稳定性，建议国家有关部门出台相关规定，推进我国数据资源深度共享，解决跨部门、跨领域数据融合难等问题。加强与财政部门的沟通协调，积极争取建设及运行维护所需经费，纳入各级财政预算，统筹安排、集中使用，突出重点、保障急需、提高绩效。同时，积极申请5 大平台(国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发计划、技术创新引导专项、基地和人才专项)项目，吸纳国家专项资金，解决重大问题，服务国家需求。争取地方政府财政支持和资金投入，申请地方重大专项和科技计划资金，服务地方政府和社会，支持地方生态文明建设。鼓励和引导企业、社会资本投入，确保建立以财政投入为主体，多元化投入相结合的经费投入保障体系。

3)推动调查-监测-观测一体化。调查-监测-观测是摸清自然资源家底和准确掌握自然资源变化趋势的3 种手段，三者相互补充，缺一不可，但目前真正能把以上3 种手段一体化落到实处的还不多见。建议从国家层面做好顶层设计，统筹推进周期性调查-航空监测-综合观测一体化体系建设，以获取同时空、多维度、多尺度、高精度数据，支撑解决资源生态环境重大问题。

期望以本文为基础，吸引“观测人”共同探讨创新，形成一套能应对各种不同场景，科学合理、绿色共享的建站模式，推动观测站网“大融合”，形成“大联盟”，产出“大数据”，共谋“大发展”，为国内外同行提供观测站建设范式。