生态气象监测指标体系-草地生态系统(试行).doc

.附件3：生态气象监测指标体系（试行）草地生态系统中国气象局二六年三月.前 言人口、资源、环境和灾害等是全人类正在且必须面对的重大课题，因为近百年来全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化。这种变化对世界范围内生态、资源、环境的负面效应日益显现，导致了水资源短缺、海平面上升、冰川退缩、干旱化和荒漠化加剧以及各类极端天气气候事件的频繁发生，已经并将继续对经济社会的可持续发展带来深远的影响。我国的气象事业发展正在进入一个崭新的时期，气象与经济社会发展的关系日益紧密，已经深入到政治、经济、社会、国家安全、环境、外交和可持续发展的方方面面。中国气象事业发展战略研究成果提出了“公共气象、安全气象、资源气象”的发展理念，中国气象局业务技术体制按照“多轨道、研究型、集约化、开放式”的总体思路，明确了八条业务轨道和四个功能平台的业务布局与分工，其中生态与农业气象为业务轨道之一。开展生态与农业气象业务，是气象部门“坚持公共气象的发展方向，大力提升气象信息对国家安全的保障能力，大力提升气象资源为可持续发展的支撑能力”的现实需求，是进一步发挥气象专业技术优势，积极拓展气象业务服务领域，改善生态环境，提高资源利用效率的重要基础性工作，是气象部门为实现经济社会全面、协调、可持续发展所做的积极探索和努力。其中，生态气象监测作为一种重要的工作手段，是生态与农业气象业务的核心构成。为了保证全国气象部门生态气象监测工作的深入开展并进一步实现业务化、规范化和制度化，我们组织编制了该项生态气象监测指标体系（试行）。本书依据地面气象观测规范、农业气象观测规范和生态气象观测规范（试行）等，并充分利用卫星遥感监测技术和方法，初步建立了农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等6种生态系统下大气、生物、土壤和水以及相关灾害等监测指标体系。生态气象监测是一项正在发展中的业务，其指标的建立尚未完全成熟，科学技术和社会经济的飞速发展，也必将对此项业务提出更新更多的需求。因此，随着今后全国气象部门开展生态与农业气象业务的工作实践，本监测指标体系将不断得到检验，预测减灾司也将适时对本体系进行修改完善，并根据发展需要建立其它生态系统的监测指标体系。中国气象局预测减灾司 二六年三月目 录概述1原则2草地生态系统监测指标总表3气象4大气成分6生物7植物要素7动物要素9土壤10灾害12参考文献18附加说明19.概 述生态学是研究生物生存条件、生物及其群体与环境相互作用的过程及其规律的科学，其目的是指导人与自然、资源与环境的协调发展。生态气象是应用气象学、生态学的原理与方法研究天气气候条件与生态系统诸因子间相互关系及其规律的一门科学。生态气象监测，即通过对生态系统的大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的主要特征量的观测、调查和计算，解读气象条件与各生态因子之间的相互关系和作用机理，科学评价生态系统的动态状况，提供保护、改善和合理利用生态系统的信息，同时为气候系统、气候变化研究和预测提供重要的基础数据。生态气象监测指标，指的是在生态气象监测过程中选定的能够反映和指示生态系统状况的特征量，由大气、生物、土壤和水以及相关灾害五类特征量组成，包括应用卫星遥感技术和地面观测方法获取的直接观测值或调查值，以及对直接观测值或调查值加工处理后的计算值。生态气象监测指标体系，是各生态系统生态气象监测指标总集。本指标体系涵盖农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统。其中农田生态系统指标47个，森林生态系统指标43个，草地生态系统指标48个，湿地生态系统指标35个，湖泊生态系统指标35个，荒漠（绿洲）生态系统指标40个，总计248个指标。应用本指标体系，可以选择单一或多个指标开展定期或不定期的专题服务或评价；可以定期或不定期地在各生态系统中分别进行大气、生物、土壤和水以及相关灾害发生的变化分析或评价；可以在综合分析大气、生物、土壤和水以及相关灾害总体指标的前提下，定期制作各生态系统质量评价。原 则生态系统是地球上由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统。生物群落和（或）生态环境的差别形成不同的生态系统，每个生态系统都有自己的结构以及相应的能量流动和物质循环的方式和途径。因此，各生态系统存有共性，但又有各自的自身特点、面临问题和发展需求。本监测指标体系在充分分析农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等六种生态系统的共性与各自独特性的基础上，遵循以下原则选择建立指标体系。（一）代表性原则生态气象监测指标的选择，能够充分体现各种生态系统，包括农田生态系统、森林生态系统、草地生态系统、湿地生态系统、湖泊生态系统和荒漠（绿洲）生态系统等的自身特点，以及各种生态系统下信息服务的针对性、独特性。是为代表性原则。（二）整体性原则生态气象监测指标的选择，能够涵盖各种生态系统中各类信息服务产品的加工、制作和服务的全过程，包括直接观测指标、调查指标和计算指标。是为整体性原则。（三）通用性原则生态气象监测指标的选择，能够整体适用于不同地域范围的同种生态系统，而非部分适用并且不局限于某个特定区域。是为通用性原则。（四）应用性原则生态气象监测指标的选择，能够在信息服务中做到获取方便，加工程序简单，产品服务方向明晰，容易付诸实际应用，总之具有可操作性。是为应用性原则。草地生态系统监测指标总表气象大气成分生物土壤灾害植物要素动物要素10活动积温降水pH值指示种群牲畜种类土壤pH值干旱20初、终日降尘总量种群密度种群分布土壤盐分含量雪灾（或白灾）33初、终日植物丰富度草畜平衡土壤肥力草地鼠害45初、终日植被覆盖度载畜量10cm土壤冻结、解冻草地风灾5（日、月、年）平均气温叶面积指数动物物候地下水位草原虫灾6（日、月、年）最高气温、最低气温植被长势土壤水分含量草原火灾7气温（年）日较差物候期土壤风蚀、风积草场退化8降水量牧草产量地表径流量草地沙化9降水距平百分率牧草干物质重量沙丘移动10干燥度粗脂肪11日照时数粗纤维12光合有效辐射13积雪气 象1.0活动积温积温指一定时期内日平均温度的总和。积温是植物要求热量的指标，因植物种类、品种和生育期的不同而异；积温也是地区热量资源指标。根据植物的积温要求，对照地区的热量资源，便可评价该地热量条件，为植物的生育期预报和合理利用农牧业气候资源等提供依据。活动温度则指高于植物生物学下限温度的日平均气温。从每年日平均气温稳定通过0这天起，到稳定结束0这天止，其间逐日平均气温相加，其和为0活动积温。0活动积温是研究植物生长、发育对热量的要求和评价热量资源的一种指标。植物发育的起始温度（又称生物学零度）不一定和0相一致，因植物种类、品种而异，而且同一植物，不同发育期也不相同，多数都在0以上，因此0活动积温是热量资源的基本指标。Aa =Ti ( Ti 0)其中Aa为0活动积温；Ti为时段内某日的平均温度。2.0初、终日一年中春季日平均气温稳定通过0的日期，称为0的初日；秋季日平均气温稳定通过0的日期，称为0终日。0初日标志着冰雪开始融化，土壤开始解冻，牧草萌动。0终日标志着土壤开始冻结，牧草进入休眠期。0初、终日的统计方法可采用五日滑动平均法、二倍偏差法和三日连续偏低（或高）法。3.3初、终日一年中春季日平均气温稳定通过3的日期，称为3的初日；秋季日平均气温稳定通过3的日期，称为3终日。3初日标志着多年生牧草返青，牧草开始生长。3终日标志着多年生牧草开始黄枯。3初、终日之间的时段为天然牧草生长季（或生长期）。3初、终日统计可采用五日滑动平均法、二倍偏差法和三日连续偏低（或高）法。4.5初、终日一年中春季日平均气温稳定通过5的日期，称为5的初日；秋季日平均气温稳定通过5的日期，称为5终日。5初日标志着多年生牧草开始旺盛生长，进入青草期，牲畜膘情开始恢复。5终日标志着大部分多年生牧草种子（果实）成熟。5初、终日之间的时段为天然牧草生长旺季。5.（日、月、年）平均气温日平均气温是一天中不同时间观测的气温值的平均数。月平均气温是一月中各日平均气温值的平均数，是将各日的平均气温相加，除以该月的天数而得。年平均气温是一年中各月平均气温值的平均数，是将12个月的月平均气温累加后除以12而得。6.（日、月、年）最高气温、最低气温日最高气温指一天中气温的最大值，日最高气温一般出现在午后两点钟左右；（月、年）极端最高气温指一月中或一年中气温的最大值。日最低气温指一天中气温的最小值，日最低气温一般出现在清晨日出前后；（月、年）极端最低气温指一月中或一年中气温的最小值。7.气温（年）日较差每昼夜最高气温和最低气温之差，称为气温日较差。它的大小反映了气温日变化的程度。某地月平均气温最高值同月平均气温最低值之差，称为该地的气温年较差。气温日（年）较差的大小与地理纬度、季节、地表性质、天气状况有关，对植物生长发育、产量形成、产品品质等有很大影响。气温日较差=日最高气温日最低气温气温年较差=月平均最高气温月平均最低气温8.降水量降水量是指某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。以mm为单位，取一位小数。降水量反映当地的农牧业气候资源。监测降水量的变化，可研究一定时期降水量大小对植物生长的利弊影响。通常采用雨量器（雨量计）于每日08、20时分别量取前12小时降水量，或采用自动观测方法。9.降水距平百分率指某时段降水量与历年同时段平均降水量差值占历年同时段平均降水量的百分率，降水距平百分率可表示旱涝的程度。降水距平百分率=（某时段降水量-历年同时段平均降水量）/历年同时段平均降水量100%10.干燥度干燥度指有植被地段的最大可能蒸发量与降水量之比值。这是衡量一个地区气候干湿程度的定量指标，也是衡量植物水分供求程度的水分平衡指标，同时也是各地水分资源的区划指标。 式中，K为年干燥度；CT表示蒸发力，其中C为系数，T为0活动积温；R为0期间的降水量。当K=1时，表示水分大体收支平衡；当K 1时，水分支大于收；当K 0，0分别为尺度和形状参数，和可用极大似然估计方法求得： (3) (4)其中 (5)式中，xi为降水量资料样本，为降水量多年平均值。确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0事件的概率为： (6)利用数值积分可以计算用（1）式代入（6）式后的事件概率近似估计值。b.降水量为0时的事件概率由下式估计： (7)式中，m为降水量为0的样本数，n为总样本数。表3-2 根据标准化降水指数SPI划分的干旱等级等级类型SPI值累积频率1无旱-0.5 SPI31%2轻旱-1.0 SPI -0.51631%3中旱-1.5 SPI -1.0716%4重旱-2.0 SPI -1.527%5特旱SPI -2.00.5时，P=1.0-P，S=1；当P0.5时，S=-1。，。由（9）式求得的Z值也就是此标准化降水指数SPI。相对湿润度指数(Mi)相对湿润度指数的定义可写成如下形式：式中，P为某时段的降水量，E为某时段的可能蒸散量，用Penman-Monteith或Thornthwaite方法计算。表3-3 根据相对湿润度指数Mi划分的干旱等级等级类型相对湿润度指数Mi（月尺度）相对湿润度指数Mi（季尺度）1无旱-0.50 Mi-0.25 Mi2轻旱-0.75 Mi -0.50-0.50 Mi -0.253中旱-0.90 Mi -0.75-0.75 Mi -0.504重旱-0.99 Mi -0.90-0.90 Mi -0.755特旱Mi -0.99Mi -0.90综合干旱指数Ci由于发生干旱的原因是多方面的，影响干旱严重程度的因子很多，所以确定干旱的指标是一个复杂的问题。单一干旱指数无法满足要求。表3-4 根据综合干旱指数Ci划分的干旱等级等级类型Ci值干旱影响程度1无旱-0.6 Ci降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象。2轻旱-1.2 Ci -0.6降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分不足，对植物有轻微影响。3中旱-1.8 Ci -1.2降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分较严重不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对植物和生态环境造成一定影响。4重旱-2.4 Ci -1.8土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落；对植物和生态环境造成较严重影响，工业生产、人畜饮水产生一定影响。5特旱Ci -2.4土壤出现水分长时间持续严重不足，地表植物干枯、死亡；对植物和生态环境造成严重影响、工业生产、人畜饮水产生较大影响。气象干旱综合指数Ci是以标准化降水指数、相对湿润指数和降水量为基础建立的一种综合指数：当Ci0时，P10 Pa；P30 1.5Pa，并P10 Pa /3；或Pd Pa /2，则Ci =Ci；否则Ci =0。当Ci0，并P10 E0 时，则Ci =0.5Ci；当Py200mm，Ci=0。Pa =200mm，E0 =E5，当E5 5mm时，则E0 = 5mm。式中，Z3、Z9为近30天和90天标准化降水指数SPI；M3为近30天相对湿润度指数；E5为近5天的可能蒸散量。P10为近10天降水量，P30为近30天降水量，Pd为近10天一日最大降水量，Py为常年年降水量；、为权重系数，分别取0.4、0.8、0.4。土壤墒情干旱指数土壤相对湿度，以重量含水率占田间持水量的百分比表示。式中，w为土壤重量含水率；fc为田间持水量。土壤重量含水率：式中，W为土壤重量含水量，mw为湿土重量，md为干土重量。表3-5 根据土壤相对湿度划分的干旱等级等级类型20cm深度土壤相对湿度对植物影响程度1无旱R 60%地表湿润，无旱象2轻旱60 R 50%地表蒸发量较小，近地表空气干燥3中旱50 R 40%土壤表面干燥，地表植物叶片白天有萎蔫现象4重旱40 R 30%土壤出现较厚的干土层，地表植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落5特旱R 30%基本无土壤蒸发，地表植物干枯、死亡帕默尔干旱等级帕默尔干旱指数计算步骤如下：a.统计水文帐，由长期气象资料序列计算出月水分平衡各分量的实际值、可能值及平均值，包括蒸散量、潜在蒸散量、径流量、潜在径流量、补水量、潜在补水量、失水量和潜在失水量；b.计算各气候常数和系数，包括蒸散系数、补水系数、径流系数、失水系数和气候特征值；c.计算出水分平衡各分量的气候适宜值，包括气候适宜蒸散量、气候适宜补水量、气候适宜径流量、气候适宜失水量和气候适宜降水量；d.计算水分盈亏值和水分距平指数；e.建立帕默尔干旱指数计算公式；f.对权重因子K进行修正，计算最后的水分距平指数Z；g.干期（或湿期）结束的度计算。表3-6 根据帕默尔指数划分的干旱等级级别干旱等级旱度指数（X）范围划分名称危害程度12345无旱轻旱中旱重旱特旱无危害轻微危害中等危害严重危害特重危害X -0.99-1.00 X -1.99-2.00 X -2.99-3.00 X -2.99X -4.002.雪灾（或白灾）冬春牧场降雪过多时，积雪过深掩埋牧草，造成家畜采食困难或根本采不到牧草，因饥饿而消瘦以致死亡的灾害现象。雪灾的发生不仅受降雪量、积雪深度、密度和时间的影响，而且与草场状况、牧业生产方式（放牧与舍饲）及补饲条件等紧密相关。雪灾对畜牧业生产影响较大。雪灾采取地面观测、调查方式。在冬春季节，当出现大的降雪过程造成大面积积雪之后，开展雪情和雪灾的观测、调查。详细记载草场积雪深度、积雪范围、掩埋牧草情况、牲畜采食情况和受影响程度等，分析评述雪灾的影响范围和程度。3.草地鼠害表3-7 草地鼠危害草地的等级等级受 害 征 状1轻草根被挖食,有明显挖出的新土丘、洞口，占地面积50%草地鼠害是指草地鼠大量啃食牧草的地上枝叶和地下根茎，推出土堆，造成牧草大面积减产甚至死亡的一种自然灾害。草地鼠害不仅影响畜草的平衡，而且也是造成草地退化、沙化甚至形成“黑土滩”的主要原因之一。当鼠害发生时，实地测量鼠土堆面积或进行调查，根据实测值或调查结果计算鼠土堆面积占调查面积的百分比，确定危害等级。4.草地风灾在草原上由于刮风造成的一种气象灾害。草地风灾采取观测调查方式。表3-8 风灾对牧草危害程度评定标准等 级受 害 症 状1轻个别植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。2中部分植株叶、花序、花蕾、子房、未熟果实受损，植株折断。3重大部分植株茎杆折断、草倒伏、灌木、半灌木当年生枝条断落。4很重大部分植株被吹走，根系暴露，或被沙土掩埋。当灾害出现后，及时进行观测、调查。详细记载气象灾害发生时的天气气侯情况及牧草受害症状，依据牧草器官及植株受害程度分析评述风灾的影响程度。5.草原虫灾草原发生虫灾时，常使牧草产量降低，牧草品质下降。表3-9 虫灾对牧草危害程度评定标准等 级受 害 症 状1轻个别植株叶片受害，残缺不全。2中部分植株叶片、花、果实、茎受害。3重大部分植株叶片、花、果实和茎受害。4很重全部植株茎、叶受害。草原虫灾采取观测调查方式。当草原发生虫灾时，及时进行观测、调查。详细记载牧草受害症状，依据牧草器官及植株受害程度分析评述虫灾的影响程度。6.草原火灾草原火灾是指自然火或人工火，在天然草原或人工草地上燃起，致使大面积草原烧毁的自然灾害。草原火灾监测对保护、建设和合理利用草原，改善生态环境，维护生物多样性，发展现代畜牧业，促进经济和社会的可持续发展具有重要的意义。地面调查法当火灾发生后，实地测量过火面积或进行调查，根据实测值或调查结果计算出过火面积占该地草地面积的百分比，确定危害等级。见表3-10。表3-10 草原火灾程度标准受灾程度受害草原面积S（hm2）草原火警 100一般草原火灾1002000重大草原火灾20008000特大草原火灾8000 卫星遥感法主要利用卫星遥感方法，确定火点位置、判断火点性质，计算过火面积，划分火灾程度等。7.草场退化草场退化是指由于受气候变化、过度放牧和人类活动的共同影响而导致草地生产力下降、毒害草蔓延、生物多样性遭到破坏的一种草地生态系统逆向演替过程。草场退化现象已成为制约草场永续利用、畜牧业可持续发展的主要障碍。通过综合指标法确定草场退化等级。主要包括：牧草覆盖度、草层高度、优势种数量、可食牧草与不可食牧草个体数和产量、指示植物、土壤表层有机质含量等的变化程度。表3-11草地退化程度的分级与分级指标项 目未退化轻度退化中度退化重度退化植物群落特征总覆盖度相对百分数的减少率（%）草层高度相对百分数的降低率（%）01001011201120213021303030群落组成结构优势度牧草综合算术优势度相对百分数的减少率（%）可食草种个体数相对百分数的减少率（%）不可食草与毒害草个体数相对百分数的增加率（%）010010010112011201120213021302130303030指示植物草地退化指示植物个体数相对百分数的增加率（%）草地沙化指示植物个体数相对百分数的增加率（%）草地盐渍化指示植物个体数相对百分数的增加率（%）010010010112011201120213021302130303030地上部产草量总产草量相对百分数的减少率（%）可食草产量相对百分数的减少率（%）不可食草与毒害草产量相对百分数的增加率（%）010010010112011201120213021302130303030土壤养分020cm土层有机质含量相对百分数的减少率（%）010112