北京市地面生態監測網絡建設構想

張 健，鹿海峰，劉嘉林，盧仁杰

（1.北京市環境保護監測中心，北京 100048；2.蘇州市環境監測中心，江蘇 蘇州 21500）

0 引言

地面生態監測是對應于空天遙感監測手段而提出的一種監測定義，是應用可比的方法，對一定區域范圍內的生態環境或生態環境組合體的類型、結構和功能及其組成要素進行系統的地面測定和觀測，利用監測數據反映的生物系統間相互關系來評價人類活動和自然變化對生態環境的影響。2016年8月，北京市制定了《北京市生態環境監測網絡建設方案》[1-2]，方案中提出要建立地面固定生態監測站，提升生態地面監測能力，結合環境質量和污染源排放、自然資源等監測數據，統籌科研機構生態監測評價能力。各相關部門配合開展生物多樣性、城市生態系統和自然生態系統等生態監測研究，大力發展遙感監測，建立符合首都功能定位要求的天地一體化生態監測網絡，從不同時空尺度監測和評估生態環境監測質量和生態系統服務功能。

本文對北京市地面生態監測網絡的建設做初步研究，探索北京市地面生態監測網絡建設理論和網絡結構，為建成覆蓋功能全面，技術體系完善的社會-經濟-自然復合的生態監測網絡做理論基礎。

1 北京市地面生態監測現狀和存在的問題

1.1 北京地面生態監測的現狀

地面生態監測始于英國，從上世紀70年代開始迅速發展起來，80年代末，我國開始組建的大尺度地面生態監測網絡，即中國生態系統研究網絡（CERN），為我國生態、環境、資源等系統的調查與研究工作提供了基礎[3-6]。1997年開始，美國巴爾的摩和鳳凰城陸續建立了長期生態觀測體系，并建立了社會調查網，為城市生態站的建設提供了實踐經驗[7-8]。北京城市生態系統研究站是CERN中首家以城市生態系統為研究對象的生態站點，在北京城區、近郊區、遠郊區建立3類固定監測站，并布設2 000多個監測樣方。此外，北京市政府部門開展著地面生態監測工作，從2012年開始，以全國生態環境10 a變化（2000～2010年）遙感調查與評估項目技術指南為依據，北京市環保監測中心連續開展了地面生態系統野外觀測工作，針對不同生態系統（森林、灌木、農田等）的背景生態環境、植被覆蓋情況以及生物量等20余項相關參數對20個樣區進行數據采集及生態環境質量評估。另外，經過幾十年的發展，北京市環境要素質量監測網絡日趨完善，形成了由水、大氣、土壤、噪聲、輻射等組成的覆蓋要素全面的環境監測網絡[9]。

1.2 北京市地面生態監測存在的問題

（1）北京市地面生態監測功能上存在的差距

從現狀來看，目前北京市地面生態監測主要是開展科學研究、專項的生態調查或是按照國家生態監測評價要求開展輔助遙感監測的地面核查工作，與實際需求有一定差距：①在支撐政府管理需求方面的功能有所欠缺，與目前北京市生態文明建設，生態資源資產保護，生態保護紅線管控方面的需求有脫節；②目前的地面生態監測僅僅是化學指標的監測，僅是反映了日常生活環境的某一側面，無法滿足公眾對綠色的渴望和宜居的要求；③還未形成長期連續的地面監測網絡，未與生態遙感監測緊密結合，遙感反演參數量不夠豐富，無法綜合反映生態環境狀況[10-11]。

（2）北京市地面生態監測結構上存在的差距

目前開展的服務于政府管理和公眾需求的生態監測主要是北京市地面生態調查或地面核查，是依據北京市生態系統分類進行監測，包括森林、灌木、草地、濕地、農田生態系統的監測，監測類型覆蓋不夠全面，缺少諸如城市生態系統的監測內容，北京市大城市特點明顯，城市生態系統的監測應該作為重點監測內容。目前北京市環境要素監測網絡的建設已較為完善，但生態要素監測僅限于點的監測，且兩者尚未建立相關聯系。另外，還未建立起固定的生態監測站，無法保證地面生態監測數據的平行可比統一。再者，目前的生態監測結構單一、不夠精細，對一種生態類型，遵循樣區-樣地-樣方的層級結構模式，而同一種生態系統當中會有不同的生態功能區，因此可以探索多種監測結構，既有分隔，又有重疊。

（3）北京市地面生態監測技術上存在的差距

技術層面上，目前的生態監測技術仍不規范，監測指標不一，監測方法、評價方法多樣。沒有科學統一的監測技術體系，各部門、各單位的監測信息本身由于缺乏可比性、連續性，無法進行有效整合，造成了分析、評價上的片面性、局限性；監測能力方面，環境要素的監測能力逐步提高，自動化能力較強，而生物要素監測能力不足，自動化水平落后。

2 北京市地面生態監測網絡建設思路研究

結合北京市生態監測現狀及生態監測的特點，即復雜性、綜合性，北京市的地面生態監測網絡應該階段性的發展，逐步縮小在功能、結構和技術上的差距。建設初期，地面生態監測網絡以需求導向為建設原則，從服務于生態資源資產審計、生態保護紅線管控、生態風險防控等政府管理需求的監測及服務于生態環境、人居環境評價等公眾需求的監測著手，建設網絡的總體框架和主體結構，豐富生態監測的服務功能。

在建設中期以技術為導向為，通過技術創新，提升監測能力和評價體系，完善監測網絡，充分與遙感監測配合，建成天地一體化的生態監測系統。縮小在技術和結構上的差距，生態監測是長期業務化的政府資源投入，必須考慮網絡建設的長期穩定性，監測與評價技術的可操作性與可比性。

而在建設后期，由于生態監測網絡逐步完善，綜合監測和評價生態環境的能力大幅提升，應該拓展生態監測網絡的應用范圍，全方位動態監測生態環境，提高監測網絡的服務性能，包括生態狀況信息發布和生態安全預警，以及解析環境要素與生態指標的相互作用關系，相互調整與修復的對應政策等，此時應該以產品為導向進行建設。

以上可以歸結為地面生態監測網絡的3段發展理論，見圖1。

圖1 地面生態監測網絡建設的理論框架

3 北京市地面生態監測網絡主體結構研究

3.1 以城市生態系統為主體的地面生態監測網絡

近年來，北京人口迅速增加、建成區快速擴張、社會經濟迅速發展，成為國際上少見的特大城市。而城市化進程快于生態環境改善進程，對城市及城市周邊生態質量產生了很大影響。考慮北京市這一特征和京津冀一體化發展目標，以及生態建設的迫切性，可將城市生態系統的監測作為北京市生態監測的重點對象。因此，北京市地面生態監測網絡主體結構可以城市生態監測系統為中心，其他生態監測系統為重要組成。結合北京市主體功能區劃，應該以城6區（首都功能核心區、城市功能拓展區）以及通州區為網絡中心，這些區主要以建設用地為主，城市化程度較高，以城市發展新區、生態涵養發展區城區為分中心，這些區以林地、耕地為主，城市生態系統區域所占比例較小，其中屬于城市發展新區的通州區由于其將作為北京市“十三五”規劃的“城市副中心”，因此將其納入到城市生態系統監測中心部分，其他類型的生態系統監測區域作為組成。具體架構見圖2。

圖2 以城市生態系統為主體的地面生態監測網絡結構

監測站點的布設可以粗細相結合，對于中心和分中心區域，監測點和監測項目應該足夠多，依靠已有的水、氣、噪聲等環境監測網絡，重點布設生態測點和社會測點，監測項目除了氣候、水體、空氣、土壤以及植物等自然組分外，還應考慮人口、經濟、城市格局等人工組分，以充分反映城市生態系統基本特征；而網絡的其他區域，可以選取典型點位和項目開展監測，能說明其生態問題及評價生態服務功能即可。監測方法上可以建立長期調查樣地和定位觀測站相結合的方法，并輔以適當的社會經濟調查。重點監測內容及方法見表1。

表1 地面生態監測網絡重點監測內容及方法初步研究一覽

3.2 以北京市生態功能區劃為依據的地面生態監測網絡

在全國開展的生態功能區劃工作中，北京市被劃分為水源涵養生態功能區。北京市根據自身特點又將北京市的生態服務功能進行細化，劃分成了水源保護、水源涵養、生物多樣性、水土保持等11個生態功能區[13]。生態功能區能夠反映出該區域生態環境質量和主體功能，具有差別化的分類特點，生態保護紅線管控和自然資源資產審計等生態管理工作都可以此為基礎開展工作[14-15]。

2015年，北京市著手修編《北京城市總體規劃（2004～2020）》。其中，一個核心內容就是劃定生態保護紅線和城市增長邊界。截至當前，北京市已基本完成了生態保護紅線的劃定，包括8個方面，即：大氣環境改善功能區、飲用水水源保護區、防風固沙功能區、水源涵養功能區、水體保持功能區、洪澇調蓄功能區、生物多樣性維持功能區與重要自然景觀保護區。

另外，一些學者充分考慮北京市土地社會經濟屬性和生態安全屬性，對北京市生態用地類型進行了劃分，其思路也是以生態系統服務功能為基礎[16]。

因此，為方便生態管理，地面生態監測網絡結構可以依據生態功能區進行監測區域的劃分和結構的設計，從生態調節、生態安全、人居保障3個方面建立監測子網，見圖3。

圖3 以生態功能區劃為依據的地面生態監測網絡結構

北京市不同的行政區所覆蓋的生態功能區種類、數量和面積均不同，監測樣方的布設除了考慮可行性外還應考慮全面性、均勻性；針對不同的生態功能區，提出地面生態監測既有共性、又有特征性的監測項目，如生物多樣性生態功能區以生物多樣性、生物量、動物、昆蟲等方面指標為主，城鎮發展功能區以河道水質、公園、濕地、鳥類生境指標為主（重點監測內容及方法見表1）。

3.3 均勻網格化的地面生態監測網絡

目前，北京市生態環境項目主要局限于大尺度管理，缺乏精細尺度的全面管控模式和方法，如生態保護紅線的劃定，雖已初始完成，尚缺乏系統調查與評估，相關研究基礎薄弱，難以系統闡述北京市生態保護紅線區的質量狀況，無法確定面積不減、性質不變、功能不降的管控基準，缺乏合理評估其生態環境變化的系統機制，很難采用定量評估的結果來支撐生態服務監管工作。

因此，可將北京市生態系統進行精細的網格化劃分，生成精細的生態監測單元，為說清北京市生態環境質量及管理決策提供有力的技術支撐。

均勻網格化的結構借助遙感手段，對地面信息進行提取，以精細的北京市生態系統劃分及生態體系脅迫定量化為基礎，以行政管控單元為參考，劃分生態監測單元[17-18]。網格的劃分可以是多等級的空間網格體系：第一等級按照大的生態系統類型劃分，包括森林生態系統、草地生態系統、農田生態系統、濕地生態系統、城鎮生態系統。在此基礎上，根據生態服務功能等因素劃分第二等級。如森林，進一步劃分為水源涵養功能森林生態系統、防風固沙森林生態系統等；而城市，可以首先根據社會經濟功能劃分，如居民區、商業區等，然后考慮將生態系統的生態系統服務功能與社會經濟屬性相結合，以城市生態監測系統為例進行網格劃分思路見圖4。

圖4 地面生態監測網絡的網格化劃分路線

依據地形地貌和地面監測可行性，網格可以是規則形狀的區域，也可能是不規則形狀的區域。網格的尺度可以隨著監測網絡的發展而變化，在監測網絡構建的初級階段，網格的尺度可以大到生態系統類型，在大的網格里去尋找樣地和樣方。在監測網絡發展起來以后，可以將網格細化，均勻化。網格劃分以后，根據網格的屬性，選擇監測項目和方法，以此構建多等級的地面生態監測網絡（重點監測內容及方法見表1）。

4 總結及建議

北京市地面生態監測開展了一定的工作，仍存在功能不全、結構單一、技術相對落后的一些問題，北京市地面生態監測網絡需要長期建設發展的思路，在初期，可以先建立起主體結構，為此，本文總結出以城市生態系統為主體的地面生態監測網絡、以生態功能區為依據的地面監測網絡、均勻網格化的地面生態監測網絡3種主體結構作為參考。通過對北京市地面生態監測網絡的初步研究，對北京市地面生態監測網絡提出以下幾點建議。

（1）考慮到政府管理需求，尤其在生態保護紅線管控、自然資源資產審計方面的需求，在建設初期，可以生態功能區為依據進行地面生態監測網絡的建設，選取典型的生態功能區，在已有的環境要素監測站基礎上建設固定的生態監測站，以站帶點，逐步建設地面生態監測網絡。

（2）生態環境的精細化管理是未來的發展趨勢，在生態監測固定站點建設的同時可按一定方法開展地面生態監測網絡的網格化劃分，確定精細的監控單元。結合遙感監測技術開展生態功能單元網格空間識別技術及空間現行生態監管技術方面的研究。

（3）監測網絡的持續發展需要監測技術的支撐，在開展監測站點建設的同時，要同時提高生態環境監測技術，尤其是生態指標的監測能力和監測規范標準，注重提高自動化監測水平。

（4）為更好的進行生態環境管理，還需要提高地面生態監測的信息化手段，通過建立生態大數據平臺等方式，充分實現信息共享，提高管理決策效率。