城市生態觀測：質量控制對象、體系和規范編制

王 楠,李海東,*,唐 力,趙立君,仇寬彪,姚國慧,王偉民

1 生態環境部南京環境科學研究所,南京 210042 2 深圳市生態環境監測站,深圳 518016

我國正處在快速城鎮化階段,根據預測,到2050年接近70%的人口將居住在城市,城市人居環境健康關系到人類的幸福指數[1- 2]。隨著城市化的快速推進,人群活動對自然生態系統的干擾不斷增強,負面影響逐漸擴大,物種多樣性喪失、生態系統退化、城市黑臭水體、熱島效應等逐漸成為影響城市生態安全和人類福祉的重要因素[3-4]。城市治理是國家治理體系和治理能力現代化的重要內容,城市生態系統的觀測可為研究城市生態質量、空間格局和生態系統服務功能變化提供一手科學數據,從而為城市生態系統管理和人居環境質量改善提供決策依據[5- 6]。

質量控制是保證城市生態觀測數據準確和長期科學觀測研究的重要保障。2018年,中國環境監測總站建立并驗收“國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室”,以環境監測內部質量控制、外部質量監督和質量管理制度與機制為主要方向開展研究,為環境監測和生態觀測質量保證和質量控制工作提供了支撐。2020年4月,生態環境部發布《關于推進生態環境監測體系與監測能力現代化的若干意見》,提出通過完善生態環境監測評價制度、夯實生態環境監測基礎,加強對數據質量的監督管理,生態觀測質量控制得到了完善與發展。現階段,我國從標準制定的角度開展城市生態觀測過程管理和質量控制的研究仍然較少[7-8],與生態文明示范區、國家環境保護模范城市創建和監管的新要求不相適應。構建觀測要素完整、觀測方法合理、質量控制措施完善是生態觀測質量控制體系建立的階段性目標。目前,城市生態觀測質量控制存在技術規范缺乏、監測與監管結合不緊密、質量控制體系尚未涵蓋全過程等問題[9]。例如,有些質量控制僅關注數據收集[10]、采樣[11- 13]和實驗室[14]等一個或幾個環節,生態觀測指標重點關注土壤[15-16]、水質[17-18]、噪聲[19]等部分要素,造成質量控制對象不清、指標要素不全、過程不連貫、數據不系統等問題。有些學者以森林、荒漠生態系統[20-21]為對象,研究了生態觀測質量管理的系統結構和質量控制措施,但對城市復合生態系統的關注較少,以城市為研究對象的生態觀測及質量控制仍處于探索階段,相關技術規范和標準的適用性差,難以滿足城市生態安全和綠色人居環境建設形勢的迫切要求。為此,研究和構建科學完善的城市生態觀測質量控制體系,制定生態觀測和管理所必需的技術標準和規范,已經成為城市生態系統長期觀測面臨的重要任務之一。

該文通過城市生態觀測質量控制的概念辨析,構建了城市生態觀測質量控制體系,分析了城市生態觀測質量控制標規范編制的可行性,以期為城市生態觀測質量控制規范的編制與生態系統管理提供科學依據。

1 概念辨析1.1 城市生態觀測

生態觀測是貫徹“山水林田湖草是生命共同體”發展理念,對生態系統進行長期連續觀測,獲取長期、連續、穩定的觀測數據,以闡明生態系統發生、發展、演替的內在機制,揭示生態系統的普遍規律,目標是為生態系統管理和決策提供依據[22]。城市生態觀測是針對城市生態系統的觀測,城市生態系統是一個復雜的社會-經濟-自然復合生態系統[23-24],是人類社會、經濟和文化發展的產物,具有復雜性和空間異質性的特征。社會經濟構成的人工系統影響著自然系統,自然系統提供的城市生態系統服務支持著社會經濟的人工系統[25]。城市生態系統包括生物和環境兩個部分,生態系統中的基本要素和環境構成不同的生態空間格局,并實現物質傳遞和能量的流動,從而提供多種生態系統服務功能[26]。城市生態觀測最初主要是針對城市范圍內的部分生態要素,如生物變化的調查和研究,隨著城市生態環境問題不斷凸顯并受到關注,城市生態系統的概念被提出,對城市生態的觀測研究也逐漸擴展到完整的城市生態系統[27]。現狀城市生態觀測主要包括對城市生態系統要素、格局和物質、能量流動的過程以及功能采取相應的方法進行觀測(圖1),進而探討和解釋城市生態系統結構、質量與功能的時空變化規律[28]。目前對于城市生態系統要素的觀測已拓展到“水、氣、土、生”及人類社會全要素,由僅觀測數量拓展到數量、質量和生態的三位一體[29]。相比于其他生態系統觀測,城市生態觀測的內容是自然和人類社會的綜合,關注與社會經濟發展和人類生活相關的生態要素、結構和功能,具有變化快、受外部因素影響劇烈的特點。現階段,城市生態觀測方法主要包括遙感觀測、定位觀測、長期樣地觀測和社會經濟調查等[30]。定位觀測是在城市典型地域設置長期或短期的定位觀測站點；遙感觀測是通過對遙感數據的解譯,觀測城市生態空間格局的現狀與動態；長期樣地觀測是通過布設典型的樣地和樣方,進行長期的生物多樣性、土壤、水體等的樣地調查；社會經濟調查是進行社會經濟資料的調查和收集,獲得人類社會的變化情況。根據觀測要素的不同特點,實現多種手段并存、不同尺度觀測方法的有機結合,建立“空天地源”一體化的監測網絡,能夠全面地覆蓋城市生態觀測的內容。

圖1 城市生態觀測的主要內容Fig.1 The main connotation of urban ecological observation

1.2 城市生態觀測質量控制

質量控制最早源于分析化學,經歷了理論建設階段、統計學質量管理階段和全面質量管理階段3個階段[31],國家標準《質量管理和質量保證術語》(GB/T 6583—1994)對質量控制的定義是“為達到質量要求所采取的作業技術和活動”。質量控制的對象是過程,質量控制的目的在于以預防為主,通過采取預防措施來排除質量環節各階段產生問題的原因。隨著我國生態文明建設的縱深推進,生態環境保護受到廣泛關注,生態觀測是實施生物多樣性保護、生態保護修復的基礎性工作,為城市“雙修”(生態修復和城市修補)提供根本指引。城市生態觀測具有觀測對象多、觀測指標多、觀測技術手段多等特點,為保證觀測數據的質量,必須加強觀測過程中的質量控制[32]。城市生態觀測質量控制可以定義為,面向城市生態觀測內容,以貫穿生態觀測全過程的人員、儀器設備、文件/規范、數據和觀測過程為對象,為保證生態觀測全周期(觀測工作開始前、觀測過程中、觀測工作結束后等)質量要求[33],提高生態觀測結果的準確性而采取的質量控制措施。

觀測過程中的質量控制是影響觀測結果的重要因素,完善的生態觀測質量控制體系、合理有效的質量控制措施,是保證生態觀測結果準確性、科學性、代表性和權威性的重要手段[34]。提高生態觀測數據質量作為推進生態文明建設的重要任務之一,是城市生態學基礎研究、城市生態管理的重要技術支撐[35]。目前生態觀測質量控制的研究多集中在單要素或者單一生態系統的觀測質量管理,如袁國富等[36]按照ISO9000 族國際質量管理體系標準,提出了陸地生態系統水環境觀測質量管理體系；于新文[37]、王亞玲[38]提出了構建氣象觀測質量管理體系框架。對城市生態觀測質量控制有別于其他自然生態系統。其不同點在于：第一,受到人為活動的頻繁劇烈干擾,生態要素、生態過程更為復雜多變,對其的質量控制也提出了更高的要求；第二,城市是人類聚居的主要區域,也是人類社會經濟活動發生的主要場所,對其進行精細化的觀測以實現精準化管理是保障人類生存與發展的前提；第三,城市生態系統作為多種生態系統的復合體,不僅包括傳統的大氣、土壤、水等環境要素的觀測,還包括社會、經濟等要素的觀測,其觀測內容和方法更加復雜,需要更加完善的綜合觀測質量控制體系支撐質量保證和控制措施地合理和全面實施。

2 基于“人機料法環”理論的城市生態觀測質量控制體系構建

2.1 質量控制對象

圖2 “人機料法環”視角下的城市生態觀測對象 Fig.2 Observation Objects of Urban Ecology from the Perspective of “4M1E”

“人機料法環”(簡稱4M1E),是全面質量管理的重要工具,隨著生態文明建設和生態環境保護的不斷深入,其理念已被廣泛應用于環境監測、生態觀測的質量控制中[39]。從全面質量控制的角度出發,把城市生態觀測的最終數據結果看做是一個產品,城市生態觀測實施的過程則是觀測數據產生的過程,影響城市生態觀測質量的因素可以從人、機、料、法、環這5個方面展開分析。“人機料法環”視角下的城市生態觀測質量控制對象如圖2所示。城市生態觀測質量控制的對象主要包括參與生態觀測的人員、使用的儀器設備和試劑材料等、制定的相關文件和使用的相關規范、數據的產生和評價以及針對在不同觀測環境下觀測過程中的主要工作(包括戶外調查、采樣、實驗室分析等具體的環節)。質量控制對象應是在觀測過程中對結果準確性有直接影響的各要素,通過采取相適應的質量控制措施,規范觀測全過程和各個環節,實現對觀測結果質量的有效管理。

2.2 組織結構

科學認知城市生態觀測的組織結構,建立健全內部質量控制為主、外部質量監督為輔的數據質量管理制度,有助于厘清生態觀測實施的內部關系,合理設計質量控制措施,實現生態觀測體系和能力的現代化。根據城市生態觀測的目標和要求,確定具體的城市生態觀測內容(包括生態要素、格局、過程和服務),按照觀測內容細化城市生態觀測的運行組織架構(圖3),觀測主體主要包括城市生態觀測內容承擔單位、調查小組等。在確定具體觀測指標的基礎上,制定相應的質量控制措施工作方案,實現生態觀測主體內部的自我質量管理。與此同時,建立質量控制實驗室對城市生態觀測運行主體和運行過程進行外部質量控制,實現對觀測主體行為全過程的監督,對生態觀測過程進行質量保障。

圖3 城市生態觀測的組織結構Fig.3 Organizational structure of urban ecological observation

2.3 質量控制體系

完善的質量控制體系可以確保生態觀測工作的順利開展和觀測數據的質量[40]。2016年11月,原環境保護部印發《“十三五”環境監測質量管理工作方案》,明確提出要強化質量控制體系建設,實現環境質量監測活動全要素溯源傳遞和全過程質量控制,保障監測數據的科學性和可比性。在明確城市生態觀測組織結構的前提下,從全過程質量管理角度出發,制定質量控制體系,為質量控制工作提供一定的依據與理論基礎[41]。城市生態觀測質量控制體系與質量控制對象密切相關,包括觀測前期準備工作以及觀測過程中的質量控制和觀測后數據的錄入、審核與評價等環節(圖4)。文件、標準的質量管理以及人員和儀器的管理,是生態觀測數據質量的保障和進行質量控制工作運行的基礎[42],城市生態觀測質量控制的要點涵蓋了人員、文件和設備的資格有效,和從觀測前準備階段到觀測結束后數據記錄全過程的程序有效。

圖4 城市生態觀測的質量控制體系Fig.4 Management system of quality control in the process of urban ecological observation

2.3.1人-人員

城市生態觀測人員管理主要規范在觀測全過程中人員配置、人員資質、人員培訓等方面的管理措施。優質的生態觀測結果是由高水平和高素質的管理人員、工作人員完成的,這就要求制定符合自身需求的人員管理制度。加強人員素質是提高生態觀測工作效率的關鍵。對生態觀測人員的專業素質、技能培訓提出了更高的要求[43]。參加生態觀測的人員,應具備相應的專業背景并按照相應的工作任務進行培訓和考核,考核合格后才能上崗,質量控制人員結構依據組織結構,按照調查單位和質量控制實驗室進行劃分。

2.3.2機-儀器設備

在城市生態觀測過程中,完善的質量管理體系需要對相關技術、設備、方法進行靈活運用,而生態觀測儀器的質量水平是保證數據質量的根本[44]。要保證儀器的精度水平,必須要求相應的質量控制人員掌握和恪守儀器的標定方法和技術規范。儀器設備在使用過程中,應安排專人進行管理,并嚴格按照相關的技術規范進行操作,確保準確和規范。

2.3.3料-數據

城市生態觀測結束后,主要是對數據的管理,保證數據的準確和完整,是質量控制工作的最終目的[45]。數據質量的管理一般包括確保原始數據的獲取準確完整、加強數據錄入環節的質控以及、進行數據錄入后的審核與評價等步驟,通過制定數據質量監控制度和措施,協調各質量控制環節[46]。數據質量是評價城市生態觀測質量控制效果的主要因子,加強對數據質量的控制與管理,是觀測數據有效利用和共享的關鍵[47]。

2.3.4法-文件

圖5 質量文件系統Fig.5 Quality Document System

質量文件是描述質量管理的所有文檔,是組織開展城市生態觀測質量管理和質量保證的重要基礎。根據文件內容的性質,將質量文件分為程序性文件、作業指導書和質量記錄3個層次(圖5)。程序性文件對城市生態觀測的質量活動和具體工作程序中的細則做出規定,具有可操作性；作業指導書是對有關生態觀測活動的具體操作規程、操作方法作詳細描述的執行性文件,是針對特定組織結構活動應達到的要求和遵循的方法,是觀測人員使用的具體指導文件(主要包括針對水質、噪聲、地表徑流等城市生態觀測指標制定的相適應的質量控制方案)；質量記錄則是城市生態觀測獲得的第一手資料,是質量管理體系運行有效性的客觀依據。

2.3.5環-觀測過程

城市生態觀測過程是質量控制的主體,是保障觀測結果、反映質量控制工作成效的關鍵。不同生態觀測方法的質量控制措施不同(圖6),實現地面觀測與遙感監測的全面質量控制,達到“樣地-局部-區域-城市”全方位生態觀測質量控制目標。樣地觀測主要包括現場觀測環節、采樣環節及實驗室環節的質量控制[48]；長期定位觀測主要通過加強對觀測站點的系統維護和日常管理進行質量控制；社會經濟調查和遙感觀測主要通過確定觀測點的位置、規范觀測環節的行為實現質量控制。質量控制中樣點設置的規范性、代表性是保證生態觀測質量的第一道“關口”,應遵循“隨機”和“等量”的原則。可根據城市生態觀測的目標,開展生態觀測樣地標準化建設,統一樣地布設標準。觀測過程的質量控制主要包括對不同觀測內容采取全面的質量控制措施(表1)以及對觀測過程進行質量檢查抽查,從而提高城市生態觀測的整體水平。質量檢查抽查的內容包括：①觀測樣點和站點的布設；②現場觀測和樣品采集、制備、儲存與傳輸；③樣品分析過程與測試；④數據采集、傳輸、評價與報告編制；⑤儀器設備、人員和文件管理體系；⑥觀測方案和記錄檔案；⑦觀測站的儀器維護和管理。

圖6 城市生態觀測過程的質量控制Fig.6 Quality control in the process of urban ecological observation

3 城市生態觀測質量控制規范編制研究

3.1 相關規范制定現狀

生態觀測質量控制只有通過制定與實施相關標準規范,做到有標可依,才能確保生態觀測的質量和效益[57]。目前,關于城市生態觀測質量控制的規范十分有限,不利于城市群和城市生態觀測工作的有序開展。《生態環境監測規劃綱要(2020—2035年)》指出,生態環境監測方法標準體系有待健全,統一的生態環境監測體系尚未形成,現有的生態監測標準規范尚未覆蓋全部生態要素,自動監測、衛星遙感監測、應急監測等針對生態監測方法的標準規范缺口較大。由此可見,我國生態監測標準規范還多集中于傳統的生態要素觀測領域,對于新技術新方法在生態觀測中應用的質量控制還較為薄弱。我國已發布的生態觀測相關技術標準中,發布時間越晚,質量控制內容越完整,早期的技術標準基本沒有質量控制的內容(圖7和表2)。統計發現,與生態觀測相關的國家標準、環保行業標準、林業標準、其他部門標準以及地方相關標準共102則,僅38則明確提出了質量控制具體要求、措施和實施方法。相比于地方標準,國家標準和行業標準更多地涉及質量控制的要求,發布時間也較早,質量管理內容更全面,質量控制措施更具系統性。環保行業標準中,有關生態觀測更多的涉及質量控制內容,體系更加完善。從質量控制出現的時間軸來看,海洋行業標準最早在生態觀測相關標準中出現質量控制內容,時間為2005年,國家標準中最早為2006年,環保行業標準最早的為2008年發布的《近岸海域環境監測規范》(HJ 442—2008)。地方標準中提出對質量控制要求的生態觀測相關標準起步較晚,為2017年。

表1 城市生態系統觀測的質量控制措施

圖7 城市生態觀測相關標準中的質量控制出現的時間軸Fig.7 The timeline of the emergence of quality control in the related standards of urban ecological observation

表2 生態觀測質量控制相關技術規范

3.2 規范編制的可行性分析

城市生態觀測質量控制相關的標準/規范是指導生態觀測全過程、衡量觀測結果是否受到控制的手段,對相關標準/規范的質量控制是生態觀測質量控制體系中的重要環節之一。隨著全程質量控制研究工作不斷受到重視,質量控制的規范也擴展到了觀測、采樣與分析等全過程中,為了解決觀測規范化的問題,針對不同生態系統的生態觀測標準與體系,生態環境部、中國環境監測總站、國家林業局和中國科學院相繼出臺了水、氣、土、生物等相關生態要素觀測的制度、細則、技術導則和規范[58-61],這些制度、規定和要求奠定了環境監測、生態觀測質量的基礎。2015年,原環境保護部發布了一系列生物多樣性技術導則,如生物多樣性觀測技術導則 水生維管植物(HJ 710.12—2016)、生物多樣性觀測技術導則 蝴蝶(HJ 710.9—2014)等,規定了生物多樣性觀測的主要內容、技術要求和方法,雖然也明確了質量控制和安全管理的部分措施,但是內容不全,未形成質量控制體系；《環境監測質量管理技術導則》(HJ630—2011)規定了環境監測過程質量保證與質量控制方法,但是沒有對城市生態觀測質量控制作出要求。這些標準與規范普遍缺乏針對性,雖然也涉及到了城市生態系統的生態觀測和質量控制的相關內容,但是許多規范對指標的描述并不詳細,并沒有關注不同生態系統在觀測指標、內容、方法上存在的差異性,尚存在薄弱點,且質控措施和內容不足,造成在有些方面無標準可循的狀況,影響了生態環境監督管理。因此,針對城市生態觀測的特點,制定一個統一的、規范化的、可操作性強的、開展城市生態觀測質量控制所必須的專業技術規范,確保觀測結果的準確性、科學性和可比性,是十分必要的。

現有的環境監測質量控制技術規范一般通過建立質量管理體系并規定質量控制措施來達到保障環境監測結果質量的效果[62]。本文介紹了城市生態觀測質量控制的概念,提出了質量控制體系和措施,為城市生態觀測質量控制規范的編制奠定了基礎。在現有研究基礎上,文章參考國內相關規范的有關內容,編制《城市生態觀測質量控制規范》(表3),對生態觀測全過程質量保證和質量控制技術進行規定,側重質控手段和質控指標,主要包括前引、正文和附錄三部分,主要技術內容包括質量體系和觀測過程的質量控制措施。

表3 《城市生態觀測質量控制規范》各章節內容

4 結論

城市生態觀測質量控制是指面向城市生態觀測指標和內容,以貫穿生態觀測全過程的人員、儀器設備、文件/規范、數據和觀測過程為對象,為保證生態觀測全周期(觀測工作開始前、觀測過程中、觀測工作結束后等)質量要求,提高生態觀測結果的準確性而采取的質量控制措施。

城市生態觀測質量控制對象主要包括參與生態觀測的人員、使用的儀器設備、制定的相關文件和使用的相關規范、數據的產生和評價以及觀測過程中的主要工作五方面。城市生態觀測質量控制體系與質量控制對象密切相關,包括觀測前期準備工作以及觀測過程中的質量控制和觀測后數據的錄入、審核與評價等環節。在質量控制的內容和方式上,除了傳統的對人員、儀器設備等硬件條件的控制外,更應該包含在觀測過程中的第三方單位的質量檢查,從而由外向內增加約束,形成完整的城市生態觀測質量控制體系。

目前關于城市生態觀測質量控制的規范有限,不利于城市群和城市生態觀測工作的有序開展。我國已發布的生態觀測相關技術標準中,發布時間越晚,質量控制內容越完整,早期的技術標準基本沒有質量控制的內容。從質量控制出現的時間軸來看,海洋行業標準最早在生態觀測相關標準中出現質量控制內容,時間為2005年。

在現有研究的基礎上,提出編制《城市生態觀測質量控制技術規范》,應包含健全的質量控制體系和完善的質量控制措施,增強生態觀測質量控制規范的針對性和可操作性。

5 展望

以城市生態系統研究為目的的觀測已經開展很多年,國內陸續建成北京城市生態系統研究站、深圳“1+4”定位觀測站、南昌城市生態系統定位觀測研究站,研究城市整體自然環境因子及其受人類活動和經濟發展的影響[63],這些傳統意義上的城市生態觀測能有效獲取生態環境的大數據,推進了生態效益評估工作,對推動城市可持續發展具有重要的作用。城市生態觀測質量控制保障了各城市生態觀測工作的標準化和一致性,確保城市生態觀測數據的科學性與準確性,便于比較各城市生態環境建設效果,有利于制定科學合理的考核制度,提升全國生態環境領域治理體系和治理能力現代化水平。隨著我國生態文明建設進入快車道,作為摸清自然資源家底、支撐國土空間生態修復、城市環境管理與決策實施的依據,城市生態觀測數據的真實、準確客觀至關重要,觀測過程中的質量控制越來越受到重視。2017年9月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于深化環境監測改革 提高環境監測數據質量的意見》,明確提出要加快提高環境監測質量監管能力,健全質量管理體系；2018年8月,生態環境部在此基礎上制定了《生態環境監測質量監督檢查三年行動計劃(2018—2020年)》,上海、四川、陜西和青海等地紛紛在此基礎上制定實施方案,全面提升環境監測數據質量。2020年3月,四川省生態環境廳印發了《2020年四川省生態環境監測方案》,實施“提高環境監測數據質量行動”,確保監測數據真準全。相關文件的陸續出臺為城市生態觀測質量控制提供了支撐與基礎保障。應在此基礎上加快制定與城市生態觀測相適應的質量控制規范,開展城市生態觀測試點示范,調查與評估現有相關的技術標準的適用性,提出生態觀測標準制定的需求和建議,促進現有技術標準在示范臺站的示范、推廣、應用。同時為了規范城市生態觀測的具體操作步驟和流程,在制定和完善標準、規范的基礎上,盡快完善城市生態觀測標準體系,為指導城市生態系統觀測領域的標準修訂、編制提供研究基礎。

本文所探索出的城市生態觀測質量控制體系尚存在如下不足。第一,城市生態觀測是一個長期工作,隨著技術發展,一些新的觀測工具、觀測技術可能被應用到城市生態觀測中,如何及時吸納這些新技術新方法,及時更新城市生態觀測質量控制是未來需要考慮的重點之一。第二,城市生態觀測的質量控制體系不僅僅是個生態觀測項目質控的簡單羅列,而是各生態觀測項目的有機組合,相互之間存在數據的生產、應用上的上下游關聯,隨著未來城市生態觀測項目的擴充,如何保證這些生態觀測項目之間的有機整合事關城市生態觀測結論的可信度,比如隨著我國碳達峰和碳中和目標的提出,城市生態觀測內容將有所改變,質量控制措施和保障體系需不斷完善。第三,城市是人類社會經濟活動發生的主要場所,生態環境風險的影響較大,今后,如何在城市生態觀測質量控制體系中考慮城市生態環境風險數據的質量控制,對城市生態環境風險防控、輔助城市生態環境決策有重要意義。