城市生態系統定位觀測站建站研究

傅光華，劉隨存，樊蘭英，吳 專

(1.國家林業和草原局林產工業規劃設計院，北京 100010；2.山西省林業科學研究院，山西 太原 030012)

生態系統長期定位觀測是國際上為研究揭示生態系統結構和功能的變化規律而采用的一種研究方法。它是通過在自然或人工生態系統的典型地段建立生態系統定位觀測站，在固定樣地上對生態系統的組成、結構、生物生產力、養分循環、水分循環和能量平衡等進行長期觀測，進而闡明生態系統發生、發展、演替的內在機制，在自然狀態下或某些人為活動干擾下的動態變化格局與過程、生態系統自身的動態平衡以及參與生物地球化學循環過程等[1]。生態定位觀測站建設(簡稱“建站”)以實現創建野外觀測和科學研究為一體的長期基地及可持續發展為宗旨，以生態學、生態系統學及生物環境學理論為指導，以充分發揮生態效益和社會效益為目標，以生態群落組成、結構、能量循環、水分循環、養分循環及環境效益為觀測建設基礎，遵循自然規律，依靠完善的設施、先進的觀測和分析儀器，觀測分析與研究并重且持續推進，實現數據資源共享、大尺度服務效應，逐步建成完備的生態系統定位研究站標準系列[2]。

世界上超過50%的人口生活在城市中，城市生態環境質量直接關系到社會經濟的可持續發展。將城市作為一個生態系統，系統地研究其結構、格局、過程和功能，是城市發展的趨勢。2008年，北京城市生態系統研究站加入中國生態系統研究網絡，標志著城市生態系統長期研究在中國開始啟動。

基于國際國內多年的研究，學者們提出城市生態系統長期觀測研究的3544法則，即3個目的：為研究長期演變、為探索人與自然相互作用和為城市居民提供數據；5個原則：綜合與重點相結合原則、綜合性和前瞻性原則、與城市相關部門監測融合原則、面向科學研究原則和長期一致性原則；4項內容：生態要素、生態格局、生態過程和生態系統功能；4種方法：遙感監測、長期調查樣地監測、定位觀測站監測和社會經濟調查監測[3]。

太原城市生態系統定位觀測站是我國第1個以城市生態系統為基本需求構建的完整的城市生態定位觀測站。作者分析了我國目前城市生態系統長期觀測及建站方面存在的問題，將城市生態系統觀測研究的目的、原則及內容指標化，根據觀測指標的篩選和分析，建立相應觀測設施及配套基礎設施，以期為城市生態系統定位觀測站的建設提供借鑒。

1 城市生態系統定位觀測存在的問題

1.1 定位觀測體系尚未建立

近年來，雖然我國加強了城市森林在固碳釋氧、凈化空氣、休閑游憩、森林保健等生態功能方面的研究，但大多以定性研究和經驗總結為主。我國的城市生態系統定位觀測研究剛剛起步，相關觀測指標體系和建站標準還在研究制定中，有關城市生態系統的觀測尚存在指標不全面、觀測方法不完善、單項研究具有局限性等問題。

1.2 定位觀測站建設嚴重滯后

專業性的定位觀測站是城市生態系統長期觀測研究的基礎條件和必要設施，也是創建國家森林城市的科技支撐和技術保障平臺。據不完全統計，截止2017年底，我國批準建設城市生態定位觀測站的僅有北京、太原、廣州和烏魯木齊4個市。另外，以城市森林站批準的還有上海、杭州、深圳。根據2017年城鄉建設統計公報，至2017年末，全國設市城市661個。其中，直轄市4個，地級市294個，縣級市363個。至2018年底，全國已有166個城市被授予“國家森林城市”稱號，有近100個城市正在創建“國家森林城市”，有十幾個省份開展了省級森林城市創建活動。森林城市已不僅是我國褒獎一個城市生態文明建設的最高榮譽，也是綜合體現一個城市科學發展水平與和諧發展程度的重要標志。可見，城市生態定位觀測站建設嚴重滯后，不能滿足現代城市發展的需要。

1.3 現有城市生態定位觀測站不能滿足需要

城市現有生態定位觀測站建設主要基于森林生態系統定位站等要求建設，一是借用以前的觀測研究設施，觀測點功能單一，沒有考慮城市人居集聚、車物流等在城市生態系統中的主導作用及其導致的生態多樣性變化，因而建立的觀測系統不能滿足城市生態系統觀測的需求。二是投入資金不夠，觀測設施、儀器設備和實驗室及基礎設施沒有按照城市生態定位觀測站的要求配備。三是觀測系統無法滿足國家標準的要求。有些定位觀測站以滿足基礎的科研項目為主，其觀測內容及方法比較簡單和原始，觀測工作沒有完全與國家陸地生態系統定位觀測站網絡接軌，迫切需要按照《國家陸地生態系統定位觀測研究站網管理辦法》的有關規定，并結合城市生態定位觀測的特點開展建設或改造。

2 建站目標及監測指標體系

城市生態系統是指以人類活動為主導的社會-經濟-自然復合生態系統，城市的氣候、空氣、水文、土壤、生物等城市生態要素以及物質流、能量流等生態過程是人類活動與自然相互作用的產物，并隨人與自然關系的變化而演變。開展城市生態系統長期觀測，是研究城市生態系統長期演變的基礎工作。

城市生態監測指標包括氣象、水文、土壤、植物、動物、微生物、底質、地質、人類活動[4]等9個方面。隨著現代城市發展和城市功能與人居環境的變化，基于上述城市生態系統的定義和長期觀測的功能目標，結合城市生態定位觀測站建設的經驗，同時參考森林生態定位觀測站觀測指標[5]，將城市生態系統長期觀測指標歸納為8個方面，并以此建立定位觀測指標體系：

1) 城市森林資源指標體系。結合遙感和普查等措施，長期觀測植被、樹木種類、森林景觀及古樹名木等森林資源類指標。

2) 氣象指標體系。建立氣象站和觀測場，定期、動態監測氣壓、日照、風向、風速、溫度、濕度、降水、輻射等氣象類指標。

3) 大氣環境指標體系。以定位觀測場為主，輔以流動觀測場，定期動態監測城市空氣質量、植源污染、大氣沉降類指標。與一般大氣環境監測不同，城市生態站應側重與人類生活質量密切相關的塵埃、二氧化硫、臭氧、植物花粉、揮發性有機物等指標的監測。

4) 康養環境指標體系。以定位觀測場為主，輔以流動觀測場，定期動態監測城市生態區域給城市帶來的康養環境因子，主要包括對人類身心健康有益的負氧離子、芬多精，以及不利的紫外輻射、聲強等指標。

5) 游憩景觀指標體系。以固定樣地觀測城市公園、生態區域等的動物(含昆蟲)和植物景觀，觀測城市人居環境的質量和變化，研究共生規律和生態城市、森林城市建設方向，是城市生態的重要觀測指標和特征要求。

6) 水文與水質指標體系。在城市森林、濕地區域設置定位觀測站，監測城市水文和水體環境的變化。觀測指標包括水質及水源污染等方面。

7) 土壤環境指標體系。設置定位觀測場和固定樣地，監測城市土壤環境的質量和變化，主要包括土壤物理、化學、微生物及凋落物等指標類別。

8) 植物群落指標體系。設置固定樣地和流動監測點，觀測城市的植物群落結構、植物生長和森林健康等類別指標，建立城市植物群落生態因子檔案，判斷城市森林的健康狀況。

根據以上指標體系和指標類別，按照層級分解法[6]對指標類別做進一步分解，確定具體觀測指標，根據指標性質和目標確定觀測方法和觀測設施。

觀測指標包括需要長期定位觀測的指標(表1)和根據需要和條件可自由選擇的觀測指標(第22頁表2)2部分。

表1 城市生態系統長期觀測指標體系構建層級表

表2 城市生態系統選擇性觀測指標體系構建層級表

3 建設布局

城市生態定位觀測站觀測點的選址應本著“代表性強、突出特色、長期觀測、便于管理”的原則，根據所在城市的地貌特點，以及森林、綠地、濕地分布情況合理布局。城市生態系統定位觀測站建設布局一般應考慮1個主站址，根據具體情況可以考慮1個或幾個主站點，及若干個觀測點，結合城市公園和人流分布情況適當考慮設置流動觀測點。原則上，城市區域每類代表性或典型性生態區域均應設置觀測點，視其需要觀測的功能確定是單一觀測點或組合觀測點。

1) 主站址。是整個定位站的總部，應選在便于管理、建設用地權屬明確，水、電、熱、交通等條件滿足要求的地方。

2)主站點。主站點為觀測設施相對集中的區域。應選擇代表性比較強、建設觀測設施空間和范圍足夠滿足要求，具備水電等設施條件的區域。一般處于城市核心區，或重要功能區城市森林、濕地集中的地域，或城市公園內生物多樣性良好的地帶。

3) 固定觀測點。選擇具備建設單一或一定組合觀測設施，且具有區域代表性的區域。

4) 流動觀測點。在人流相對集中、處于城市中心區或具有代表性的小區設置流動觀測點，作為固定觀測點的補充。日常采用移動監測設備取樣和監測，具有機動、豐富監測樣本的特點。

各觀測點選址應具有局部區域的代表性，使不同觀測點所處位置和環境條件之間具有較大差異。觀測和研究內容既有統一要求，又各有側重，便于相互比較。

4 建設方案

城市生態定位觀測站建設內容包括科研基礎設施、觀測設施、觀測儀器設備等3部分[7-18]。

4.1 科研基礎設施

定位站應有綜合實驗樓，包括功能用房和輔助用房2部分，建筑面積600 m2～1 200 m2.功能用房指實驗室、檔案室、會議室、辦公室等，輔助用房主要是指科研觀測人員的單身宿舍、衛生間、廚房、餐廳等。

綜合實驗樓內應配套建設城市生態環境預報平臺。基于網絡的城市生態環境監測系統，集電子技術、計算機技術、數據通信技術、網絡技術于一體，實現網絡數據集成，使得城市生態環境綜合監測數據和生態環境預報在網絡上共享，方便維護及查詢，建立一個網絡化的數據庫。實驗室設備主要有紫外可見分光光度計、連續流動分析儀、高效液相色譜儀、通風消煮設備、顯微鏡、電子天平等。

應配套建設給水、排水及消防設施。帶有化學試劑的廢水應單獨收集，經中和及消毒處理后，與其它廢水處理達標后才能排放。應設通風系統，儀器的進樣口及分流口推薦采用360度旋轉抽氣罩，統一管道高空排放。應配套供電及電力照明系統。

4.2 觀測設施及設備

城市生態定位觀測站的觀測設施主要有氣象及大氣環境、水文水質、土壤、生物等觀測設施和科普宣教等設施。

4.2.1 氣象及大氣環境觀測設施和設備

主要用于氣象、大氣環境、康養環境等觀測，包括地面氣象觀測場、小氣候觀測場、梯度觀測塔、大氣環境觀測場等。

1) 地面氣象觀測場。應設在能較好地反映觀測區較大范圍氣象要素特點的區域。觀測場四周應空曠平坦，10 m范圍內不應種植高桿植物，避免設在陡坡、洼地或臨近有公路、工礦、煙囪、高大建筑物的區域。應設在最多風向的上風方向，邊緣與四周孤立障礙物距離大于該障礙物高度3倍以上，距成排障礙物距離應大于其高度10倍以上，距較大水體最高水位線距離應大于100 m.地面氣象觀測場規格為25 m×25 m或16 m(東西向)×20 m(南北向)。觀測場四周設1.2 m高的稀疏圍欄。

主要設備有通風干濕表、干濕球溫度表、最高溫度表、最低溫度表、日照計、總輻射表、凈輻射表、標準雨量器、虹吸式雨量計、風速風向儀、氣壓表、蒸發皿、空氣負離子監測儀、芬多精監測儀等。

2) 小氣候觀測場。應選擇地形、氣候、水文、植被和土壤等具有代表性和典型性的區域，遠離道路、河流、林緣等可能產生干擾的地類。森林小氣候觀測場不應跨越2個林分，規格為16 m×20 m.

主要設置自動氣象觀測系統，儀器設備有溫濕度計、風速風向儀、標準雨量器、總輻射表、凈輻射表、蒸發皿、氣壓計、空氣負離子監測儀、芬多精監測儀等。

3) 梯度觀測塔。應選擇具有代表性和典型性的區域，并遠離道路、河流、林緣等。梯度觀測塔類型為開敞式，高度為林分冠層高度的1.5倍～2.0倍，塔頂設避雷針，塔基接地，其接地電阻應小于4 Ω.優先采用有源供電方式，如地處泄洪區或低洼積水地帶，埋線需采取防水處理。

不同觀測高度設置相應儀器：林冠上4 m設置通風干濕表；林冠上2 m設置通風干濕表、風速儀；林冠上1.6 m設置天空輻射表、太陽高度角測定器；林冠內H=0.75 m處(H代表冠層高度)設置通風干濕表；地上1.0 m～1.5 m處設置點溫計或溫度表、空氣負離子監測儀、芬多精監測儀；地面設置地面溫度表；地下5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，40 cm，80 cm，160 cm 設置地溫表。

4) 大氣環境觀測場。選擇四周無遮蔽物，空氣流通性好，有一定高度，大氣邊界層影響較小，局地污染源和其它人為干擾較小的地方建設。主要監測TSP，PM2.5，PM10，NOX，SO2，臭氧、花粉種類、花粉濃度、揮發性有機化合物(VOC)、微生物、飛毛飛絮等指標。

主要設備有便攜式CO2測定儀、SO2測定儀、NOx測定儀、CH4測定儀、O3測定儀、大氣采樣器、氣瓶、集塵罐、降水收集器、花粉采樣器、揮發性有機化合物檢測儀、空氣微生物監測儀等。

4.2.2 水文水質觀測設施和設備

水文水質觀測設施一般有水量平衡場、地表徑流場、測流堰、水質監測斷面(監測點)、測井及植物蒸發滲透觀測場等。基于城市生態定位觀測站的監測指標，一般視場地條件主要配設水量平衡場、地表徑流場、測流堰、監測斷面(監測點)、測井等。

1) 水量平衡場。水量平衡場為地表水和地下水觀測場，應選擇與周圍沒有水平水分交換，底層為不透水層，地質條件一致，與周邊生物群落一致，具有代表性的自然閉合小區。規格為 5 m(水平投影)×20 m(水平投影)。水量平衡場森林上空或林中空地設置降水收集量測裝置1 個。場內設置穿透水收集量測裝置1 組，樹干徑流收集量測裝置1 組，土壤滲透水收集量測裝置1 組；設置觀測地下水位變化的測井1 個。其它水文觀測設備有土壤水分測定儀、壓力膜、土壤水分蒸發滲漏儀、流速流量儀、地下水水位自動監測儀等。水質觀測設備有便攜式水質檢測儀、濁度計、pH計(酸度計)、紫外可見分光光度計、多離子測試儀等。

2) 地表徑流場。地表徑流場為地表水觀測場，應在能反應區域典型的植被類型中設置1個，同時在某一對照植被類型中設置1個。規格為5 m(水平投影)×20 m(水平投影)。地表徑流場森林上空或林中空地設置降水量觀測點1個。場內設置穿透水收集量測裝置1組，樹干徑流收集量測裝置1組。其它水文觀測設備有流速儀等。水質觀測設備有便攜式水質檢測儀、濁度計、pH計(酸度計)、紫外可見分光光度計、多離子測試儀等。

(4)該生物復菌劑作為一種活菌制劑，產品的作用效果受施用方法、環境條件等方面的限制，大棚試驗過程中作用效果不是非常穩定，這也影響該產品的進一步推廣、應用。下階段，將深入研究其施用的土壤條件、作物類型、耕作方式、施用方法、施用量以及與之相應的化肥施用狀況等，有針對性地篩選功能菌種，保證微生物肥料施用的有效性。

3) 測流堰。測流堰是用于測定水流流量的構筑物。應在能反映本區域典型植被類型的小集水區設置1個，同時在某一對照植被類型小集水區設置1個。

測流堰的形式主要有三角堰、矩形堰、梯形堰，對枯水流量極小、豐水流量極大的徑流測堰可設置多級測堰或鑲嵌組合堰。三角堰適用于1 L/s～70 L/s的流量，矩形堰適用于大于50 L/s的流量，梯形堰適用于10 L/s～300 L/s的流量。

測流堰水文觀測設備有流速、水位、水溫綜合測定儀等。水質觀測設備有便攜式水質檢測儀、濁度計、鹽度計、透明度盤、紫外可見分光光度計、泥沙樣品采集器、水樣采集器等。

4) 監測斷面(監測點)。主要為濕地水文的觀測場，應避開妨礙觀測工作的地物、地貌、建筑物、構筑物，及工業生產中排泄廢水、污水的地點。

水文觀測設備有流速、水位、水溫綜合測定儀等。水質觀測設備有便攜式水質檢測儀、濁度計、鹽度計、透明度盤、紫外可見分光光度計、泥沙樣品采集器、水樣采集器等。

5) 測井。對城市區域內有意義的含水層、地表水體以及突水點等，設立觀測點進行動態長期觀測。儀器設備有流量測井儀、井斜儀、井徑儀、井溫儀等。

4.2.3 土壤觀測設施和設備

建立城市生態定位觀測站主要考慮土壤采樣。應選在被采土壤類型特征明顯，地形相對平坦、穩定，植被良好的地點。土壤采樣點可在固定樣地中選取。

土壤采樣工具有鐵鍬、鐵鏟、圓狀取土鉆、螺旋取土鉆、竹片以及適合特殊采樣要求的工具等。土壤理化性質野外測定儀器設備有土壤硬度計、土壤膨脹儀、TDR便攜式土壤水分測定儀、pH筆、土壤野外速測箱等。

4.2.4 生物觀測設施和設備

主要通過樣地、樣方、樣線等形式，觀測城市森林、游憩景觀、植物群落、地表覆蓋物環境及濕地生境等指標。

1) 固定樣地(樣方)。為植物種類和數量調查的場地。選擇有代表性的植被類型，且受人為干擾較少、交通相對方便的地方設置。陸地上樣地面積為0.1 hm2～1.0 hm2.濕地固定樣地結合場地地形及濕地特點確定。每種生態類型設置1個～3個樣地。根據需要，在固定樣地內可設置10 m2×10 m2，2 m2×2 m2，1 m2×1 m2面積的樣方，分別用于喬木層、下木層、草本層調查。

調查工具有皮尺、鋼卷尺、游標卡尺、樣方框、便攜式電子秤等。野外測定儀器設備有穩態氣孔計、植物壓力室、植物光合測定儀、葉綠素熒光儀、年輪分析系統、葉面積儀、植物冠層分析儀、植物根系分析系統及手持北導儀、海拔儀、坡度儀等。

2) 樣線、樣方、樣點。用于野生動物種類和數量的調查。鳥類觀測可采用樣線法和樣點法，小型鳥類調查宜使用樣點法，爬行類觀測可采用樣線法和樣方法，兩棲類觀測可采用樣線法和樣方法。

4.2.5 科普宣傳欄及標識牌

在擬建站點附近區域的路口或交通要道設置科普宣傳欄，在站點設施適當位置設置標識牌。

5 結語

隨著城市化的進一步發展，城市納入生態系統觀測網絡，城市生態定位觀測站建設的急迫性凸顯。城市生態系統長期觀測的目標主要包括生態要素、生態格局、生態過程和生態系統功能4個方面，監測方法主要有遙感監測、樣地監測、定位觀測和調查監測。觀測手段和內容主要是通過建立生態定位觀測站來實現。

目前看，城市現有生態定位觀測站主要基于森林生態系統定位觀測站等要求建設，觀測系統不能滿足城市生態系統觀測的需求，且站址和站點數量不夠，布點不科學，系統配置不完善，急需按照城市生態定位觀測研究的特點開展建設和改造。

基于城市生態系統的定義和長期觀測的目標需求，結合城市生態定位觀測站建設的經驗，將城市生態系統長期監測的指標歸納為城市森林資源、氣象、大氣環境、康養環境、游憩景觀、水文與水質、土壤環境及植物群落8大指標體系。其中，康養環境、游憩景觀指標體系屬于城市生態系統定位觀測的特有指標體系。按照層級分解法將指標體系分解為指標類別及具體觀測指標，根據指標確定觀測類別和觀測方法，并以此進一步確定觀測監測設施和儀器設備。

城市生態定位觀測站建站階段應遵循一定原則和要求，結合所在城市的地貌特點、生態小區和城市公園分布情況合理布局。一般應考慮1個主站址。再根據具體情況可以考慮1個或幾個主站點，及若干個主要觀測點。根據需要還可以適當考慮設置一些流動觀測點。

城市生態定位觀測站建設內容包括科研基礎設施、觀測基礎設施、觀測監測儀器設備等3個方面。對于有一定基礎的建站，應充分利用已有設施，盡可能和其它監測站(氣象、水文、水質監測站點)相結合，避免重復建設。