用于生态恢复项目的长期监测策略，采用空间平衡的轮换面板设计

《Ecological Solutions and Evidence》：Long-term monitoring strategies for ecological reclamation programmes using spatially balanced rotating panel designs

　　生态修复监测需平衡成本与数据质量，本研究提出基于空间邻域划分的旋转面板设计，通过分层抽样确保每期采样覆盖均匀且具有代表性。以怀俄明州Pinedale Anticline天然气田为例，该设计成功应用于303个油井平台和21公里输气管道的生态监测，实现年度20%的覆盖率，满足多主体监管需求并降低30%的野外作业时间。

　　生态恢复是确保生态系统扰动不会永久存在的重要过程，尤其在应对气候变化、生物多样性下降、生态系统完整性以及社会和经济需求方面具有关键作用。随着人类活动的增加，生态恢复的需求也在不断上升，因此，如何有效地监测生态恢复的效果成为了一个重要的研究课题。监测方案对于不同利益相关方来说至关重要，它不仅有助于遵守法规要求，还能评估现场表现并为决策管理提供信息支持。然而，由于现场调查的物流限制，设计能够覆盖多个地点或大面积区域的采样策略对于提升监测方案的效率和准确性显得尤为重要。

为了应对这些挑战，研究人员提出了一种基于空间平衡的旋转面板采样设计，这种设计可以确保在不同时间点的采样过程中，样本在空间上具有良好的分布性。空间平衡采样方法在环境监测中已经被证明是有效的，因为它能够确保在感兴趣区域内有足够的覆盖，从而提高估计的精度。该方法的核心理念是：在空间上相邻的地点往往受到相似的生物和非生物因素影响，因此它们的响应值也更接近。基于这一前提，研究人员开发了一种“每簇一点”的采样策略，通过将整个区域划分为多个空间上连续的簇，确保每个簇中至少有一个地点被采样，从而实现对整个区域的均匀覆盖。

在本研究中，研究人员以美国怀俄明州斯布尔特县的皮纳代尔背斜天然气田为例，探讨了这一方法的实际应用。该天然气田总面积约为81,000公顷，拥有超过300个天然气井场，并且有一条约21公里长的输气管道走廊。由于该地区生长季节较短（每年18至67天无霜冻期），且降水不稳定，因此在生态恢复过程中，监测时间窗口非常有限。为了应对这些挑战，研究人员采用了旋转面板设计，该设计结合了空间平衡采样原则，以确保在不同的采样阶段都能获得高质量的数据。

对于井场部分，研究团队从303个井场中随机选取了300个作为样本（排除了3个井场），并将其划分为60个空间上连续的簇，每个簇包含5个井场。随后，基于这些簇，构建了5个不同的“每簇一点”样本，每个样本包含60个井场。通过优化采样路线和使用空间平衡采样方法，这些样本在空间上分布均匀，能够有效覆盖整个研究区域。此外，这种方法确保了每个采样阶段都有足够的代表性，从而提高了对生态恢复效果的评估能力。

同样地，在输气管道走廊部分，研究人员将21公里长的管道划分为146个等长的段落，每个段落的中心点被用作采样点。通过随机选取145个采样点（排除了一个），并将其划分为29个空间上连续的簇，每个簇包含5个采样点，最终构建了5个“每簇一点”的样本，每个样本包含29个采样点。这种方法不仅保证了空间上的均匀分布，还使得每次采样都能覆盖到管道走廊的不同区域，从而提高对生态恢复过程的全面了解。

这种旋转面板设计的另一个优势在于，它能够在每个采样阶段提供稳定的样本结构，确保数据的可比性和一致性。由于每个采样阶段都包含了来自不同簇的样本，因此可以更准确地评估局部变化，并且为长期趋势分析提供支持。此外，这种方法还允许在每次采样时对特定区域进行更详细的调查，例如，如果某些簇表现出较高的变化性或需要满足特定的监管要求，可以增加这些簇的采样数量，以提高数据的精确度。

在数据收集方面，研究人员采用了基于地理信息系统（GIS）的导航工具，结合优化的采样路线，提高了现场调查的效率。通过使用移动设备应用（如Field Maps）和无人机拍摄的1平方米图像，可以快速获取所需数据，并利用SamplePoint等软件进行手动分类。这些图像不仅能够用于评估植被覆盖、有害杂草的存在以及土壤侵蚀情况，还能够为监管机构和承包商提供准确的定位信息，从而提高监测工作的针对性和效率。

空间平衡采样方法的应用还具有显著的经济效益。由于每次采样都覆盖了区域的不同部分，因此可以减少重复采样的次数，从而节省时间和人力成本。同时，这种方法允许在短时间内完成大规模的生态恢复监测任务，例如，本研究中所有60个井场在不到两周的时间内就能被一个调查人员完成。这不仅提高了工作效率，还为数据的快速分析和应用提供了可能。

此外，空间平衡采样方法还能够支持生态恢复工作的长期规划和优化。通过持续收集数据，可以建立预测模型，以评估不同生态恢复措施的效果，并为未来的恢复工作提供科学依据。这些模型可以基于多种环境因素和恢复输入变量，从而帮助决策者更好地理解生态恢复过程，并制定更有效的管理策略。

尽管这种方法在特定的生态恢复场景中表现优异，但研究人员也指出，如果研究区域内的地点相对均匀，或者响应变量表现出负的空间相关性，那么该方法可能不会带来显著的优势。因此，在实际应用中，需要根据具体情况进行调整和优化。例如，如果某个区域内的生态恢复效果差异不大，那么传统的非空间采样方法可能已经足够，甚至更高效。

总体而言，基于空间平衡的旋转面板采样设计为生态恢复监测提供了一种科学、高效且具有代表性的方法。它不仅能够确保在不同时间点的采样中保持空间上的均匀分布，还能满足多种利益相关方的需求，包括监管机构、运营商和咨询公司。通过这种方法，可以更全面地评估生态恢复的效果，并为未来的生态恢复工作提供有力的数据支持。此外，这种方法还可以推广到其他生态系统，以帮助实现更广泛的生态监测和管理目标。