基于疊置分析的上海城市森林長期定位觀測網(wǎng)絡布局*

韓玉潔

上海市林業(yè)總站 上海 200072

自20 世紀50 年代以來， 特別是1992 年聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會以后， 為研究和解決資源銳減、環(huán)境污染和生態(tài)安全等問題， 一批長期定位觀測研究網(wǎng)絡相繼建立， 以開展生態(tài)系統(tǒng)在人類和自然雙重影響下的演變機理和過程研究[1]。 在全球尺度上， 相繼成立了全球陸地觀測系統(tǒng)(GTOS)、全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)、 全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS) 和國際長期生態(tài)學研究網(wǎng)絡(ILTER)等[2]； 在區(qū)域尺度上， 有歐洲森林大氣污染影響監(jiān)測 (ICP Forest)[3]、 亞 洲 通 量 觀 測 網(wǎng) 絡(AsiaFlux)[4]等； 在國家尺度上， 有美國長期生態(tài)學研究網(wǎng)絡(US-LTER)、 美國國家生態(tài)觀測網(wǎng)絡(NEON)、 英國環(huán)境變化研究網(wǎng)絡(ECN)、加拿大生態(tài)監(jiān)測與分析網(wǎng)絡(EMAN)、 中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)、 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡(CTERN) 等， 幾乎囊括了地球表面的生態(tài)系統(tǒng)類型， 涵蓋了包括極地在內(nèi)的不同區(qū)域和氣候帶。

城市森林作為一個特殊的生態(tài)系統(tǒng)， 在植被特征、 經(jīng)營目的、 管理措施等方面， 與天然林生態(tài)系統(tǒng)有顯著區(qū)別。 城市森林與居民的關系最為密切， 在凈化大氣、 休閑游憩等方面為居民提供了豐富的生態(tài)系統(tǒng)服務， 是生態(tài)功能與生態(tài)服務的高效轉化器[5]； 城市可持續(xù)發(fā)展和居民健康生活需求， 又給城市森林建設和研究提出了新的挑戰(zhàn)[6]。 一些國家已針對城市環(huán)境和城市森林建立了長期定位觀測研究站， 如美國巴爾的摩和鳳凰城2 個城市生態(tài)站， 芬蘭赫爾辛基城市生態(tài)站[7]。我國的上海、 北京、 廣州等18 個城市建立了城市生態(tài)站， 實行統(tǒng)一的建設標準[8]和觀測指標體系[9]， 為城市生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測數(shù)據(jù)的整合分析奠定了基礎。

近年來， 我國在省域尺度上也開展了生態(tài)系統(tǒng)定位觀測網(wǎng)絡的研究和建設。 如云南省規(guī)劃布設森林、 草原、 濕地、 城市、 石漠化和干熱河谷生態(tài)站共64 個， 形成覆蓋全省的林草生態(tài)綜合監(jiān)測網(wǎng)絡[10]； 廣東省規(guī)劃布設森林、 濕地和城市生態(tài)站共42 個， 形成涵蓋珠三角的生態(tài)站網(wǎng)絡布局[11]； 浙江、 河南、 湖北等也開展了相關研究和建設。 但是在城市中， 尤其是超大和特大城市中的生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測網(wǎng)絡布局還缺少相關方法支撐和實際應用。

上海是有著2 487 萬人口(2020 年) 的超大城市， 居民對森林生態(tài)系統(tǒng)服務和產(chǎn)品需求強烈。市政府積極推進生態(tài)文明建設， 全面實踐城市森林理念[12]， 在幾乎沒有天然林的薄弱基礎上實施人工造林， 森林覆蓋率從2.7% (1979 年)[13]增加到18.49% (2020 年)， 是我國城市化與城市森林協(xié)同發(fā)展的典型代表[14]。 同時， 上海也面臨著諸如生態(tài)空間布局不夠健全、 土地資源約束等挑戰(zhàn)。 為加快打造同具有世界影響力的社會主義現(xiàn)代化國際大都市相匹配的城市軟實力， 上海在提高森林面積和質量的同時， 還應提升森林生態(tài)系統(tǒng)服務轉化率， 加強現(xiàn)有森林資源的開發(fā)利用，使市民生活與生態(tài)系統(tǒng)服務緊密結合。 為提升森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能及價值， 必先掌握基礎監(jiān)測數(shù)據(jù)， 因此開展上海城市森林長期觀測網(wǎng)絡布局研究和建設尤為重要。

1 布局原則

根據(jù)上海自然地理特征和社會經(jīng)濟條件， 以及城市森林的分布、 結構、 功能和生態(tài)系統(tǒng)服務轉化等因素， 考慮植被典型性、 林地穩(wěn)定性、 觀測持續(xù)性， 以及各站點間的協(xié)調性和可比性， 確定5 條布局原則: 1) 覆蓋不同生境類型； 2) 涵蓋典型植被群落； 3) 滿足生態(tài)區(qū)劃需求； 4) 反映城鄉(xiāng)梯度格局； 5) 保障長期觀測要求。

2 布局依據(jù)

上海市域面積僅6 340.5 km2， 東西、 南北經(jīng)緯度跨度不大， 全市各區(qū)在氣候和地勢方面的差異性不明顯。 但上海處于長江入海口的特殊地貌， 造就了土壤形成過程的天然差異； 在城鄉(xiāng)梯度上還有著城市化水平的顯著差異， 以及城市森林植被分布的聚集性差異。 因此， 上海城市森林長期觀測網(wǎng)絡布局要素與天然森林有很大區(qū)別(圖1)。

圖1 城市森林與天然森林長期觀測網(wǎng)絡布局要素的異同

2.1 地貌及城市化特征

上海境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外， 多為坦蕩低平的平原。 根據(jù)上海地貌類型[15]、 城市總體規(guī)劃與特點， 將上海分為4 個生態(tài)區(qū):

1) 河口三角洲區(qū)。 該區(qū)包括長江河口及祟明、 長興、 橫沙等沙島的延伸地帶[15]， 其中， 崇明島海拔3.5 ～4.5 m， 西部有部分低地； 長興、橫沙二島海拔2.5～3.5 m。

2) 西部湖沼平原區(qū)。 該區(qū)包括太湖蝶形洼地的東延部分， 青浦、 松江大部、 金山北部及嘉定西南部等。 本區(qū)地勢低平， 湖蕩密布， 地下水位高， 一般高程在2.2～3.5 m， 松江零星分布有13座海拔不到100 m 的剝蝕殘丘。

3) 東部濱海平原區(qū)。 該區(qū)包括閔行、 嘉定、寶山、 奉賢、 浦東新區(qū)、 金山南部和松江佘山以東地區(qū)等。 本區(qū)地勢較高， 平均海拔高度多在4 m以上[15]。

4) 中心城區(qū)。 該區(qū)包括外環(huán)線以內(nèi)的區(qū)域。中心城區(qū)由于人口極端密集， 造成了高度城市化的特殊生態(tài)系統(tǒng)， 熱島效應明顯、 大氣污染較嚴重、 生境破碎、 人為干擾較多。

2.2 土壤性質

2010 年的上海市土壤普查數(shù)據(jù)表明， 上海境內(nèi)土壤類型歸屬4 個土類、 7 個亞類、 24 個屬和95個種。 水稻土占73.6%， 灰潮土占10.4%， 濱海鹽土占15.9%， 黃棕壤占0.1%。 土壤多為中性偏堿，從東向西土壤pH 值呈由弱堿性到弱酸性的變化規(guī)律[16]。 不同區(qū)域的土壤性質差異以及地下水位高低等因素， 對植物生理生態(tài)和適應性起著重要作用， 是影響植樹造林的重要因素， 也是城市森林區(qū)域分異的主要自然影響因素。 因此， 土壤性質可作為空間劃分的指標， 依據(jù)土壤酸堿度分為3 大類:pH＜6.5、 6.5≤pH＜7.5、 pH≥7.5。

2.3 植被分布

上海境內(nèi)99%以上森林為人工林， 僅存少量的天然次生林， 且受人為影響大， 空間分布不均。長期觀測站(點) 的選擇， 既要涵蓋主要的優(yōu)勢樹種(組)， 如闊葉林、 針葉林、 針闊混交林；又要涵蓋不同功能的林種， 如水源涵養(yǎng)林、 沿海防護林、 通道防護林、 污染隔離林、 風景林等；還要考慮森林的起源， 如人工林和天然林。 由于河網(wǎng)密布、 道路縱橫， 森林往往被河流、 道路等割裂。 因此， 應選擇生境破碎程度低、 連片面積大于10 hm2的森林才能較好地代表該區(qū)域森林群落、 土壤、 小氣候等特點。

2.4 生態(tài)空間規(guī)劃

開展長期定位觀測研究， 森林和林地的穩(wěn)定性是非常重要的因素。 根據(jù)“上海市基本生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃” 提出的生態(tài)空間體系， 重點在生態(tài)保育區(qū)、 生態(tài)走廊、 中心城綠地、 外環(huán)綠帶和近郊綠環(huán)中選擇符合條件的森林； 同時， 根據(jù)“上海市林地保護利用規(guī)劃” 的界定， 在Ⅰ級和Ⅱ級保護等級中選擇符合條件的林地。 通過這兩個要素進行篩選得出的林地具有較強穩(wěn)定性。

3 布局方法

以典型抽樣為基礎[17]， 遵守建站選址原則，利用地理信息系統(tǒng)(GIS) 空間疊置分析技術，結合復雜區(qū)域均值模型， 以MCI 指數(shù)為標準， 綜合上述5 大要素， 在基于每個因素進行分層抽樣的基礎上， 實施疊加分析， 確定各站(點) 位置， 從而構建上海城市森林長期定位觀測研究網(wǎng)絡(圖2)。 具體步驟如下:

圖2 基于典型抽樣的上海城市森林長期觀測研究站網(wǎng)布局方法

1) 根據(jù)上海市森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)， 利用ArcGIS 桌面軟件在其屬性表中根據(jù)面積(area)字段和等級(level) 字段應用字段計算器， 篩選出保護等級為Ⅰ級和Ⅱ級且連片面積大于10 hm2的森林， 得到符合條件的森林斑塊86 個， 生成連片面積大于10 hm2森林分布圖(圖3)。

2) 基于上海市地貌類型圖及城市化度， 將上海分成的中心城區(qū)、 東部濱海平原區(qū)、 西部湖沼平原區(qū)和河口三角洲4 個生態(tài)區(qū)生成圖層后， 再與土壤區(qū)劃圖進行疊置分析， 得到10 個相對均質區(qū)域， 即生態(tài)亞區(qū)(圖4)。

3) 將上海市生態(tài)區(qū)劃圖層(圖4)、 基本生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃圖層(圖5) 與連片面積大于10 hm2森林分布圖(圖3) 統(tǒng)一邊界與坐標投影后進行疊置分析， 并設置不同圖層的透明度， 以使地圖直觀清晰， 進而得到多圖層疊置分析圖(圖6)。

圖3 上海市連片面積大于10 hm2森林分布圖

圖4 上海市生態(tài)分區(qū)區(qū)劃圖

圖5 上海市基本生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃圖[17]

圖6 多圖層疊置分析圖

4) 在10 個生態(tài)亞區(qū)中， 以植被典型性、 森林主導功能、 長期觀測站(點) 穩(wěn)定性和可達性等為選擇標準， 通過分層抽樣法， 應用復雜區(qū)域均值模型， 在每一個生態(tài)功能區(qū)遴選并確定1 ～2 個站點， 共擬建12 個長期觀測站(點)(圖7)。

4 總體布局及特征

4.1 總體布局

根據(jù)4 個生態(tài)分區(qū)， 將12 個長期觀測站(點) 分為4 個觀測站群(圖7)， 全面開展生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的長期追蹤與監(jiān)測研究(共性研究)。 不同觀測站(點) 的代表性森林類型及主導功能存在差異， 觀測指標和研究方向各有側重，以解決不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務需求。

圖7 上海城市森林長期觀測網(wǎng)絡布局

1) 中心城區(qū)觀測站群。 該觀測站群包括中山、 共青、 金海站3 個站點， 面積約660 km2， 約占全市總面積的10%； 人口約1 000 萬， 約占常住人口的44%。 本觀測站群是高度城市化的特殊生態(tài)系統(tǒng)， 公園綠地作為唯一有綠色生命的基礎設施， 主要滿足居民休閑游憩需求。 因此， 本觀測站群將側重大氣環(huán)境質量、 游憩康養(yǎng)和森林小氣候等方面的指標觀測和研究， 為改善生態(tài)環(huán)境質量、 打造和諧宜居環(huán)境提供服務。

2) 西部湖沼平原區(qū)觀測站群。 該觀測站群包括攔路港、 葉榭和佘山站3 個站點， 面積約1 719 km2， 約占上海總面積的27%； 分布著黃浦江中上游流域及其主要支流， 以人工營造的水源涵養(yǎng)林為主， 佘山地區(qū)有少量殘存的天然次生林。 對于觀測研究， 攔路港站和葉榭站側重水文與水質，佘山站側重植物群落和游憩康養(yǎng)等， 為開展水源涵養(yǎng)林近自然更新?lián)嵊耙吧鷦游飾⒌刂亟ǖ忍峁┓铡?/p>

3) 東部濱海平原區(qū)觀測站群。 該觀測站群包括金山石化、 海灣、 老港、 安亭和浦江站5 個站點， 面積約2 591 km2， 約占上海總面積的41%；以人工營造的污染隔離林、 通道防護林、 沿海防護林、 風景林為主。 金山石化、 海灣和老港站地處城市遠郊區(qū)， 對于觀測研究， 金山石化站側重化工區(qū)污染下大氣環(huán)境質量和植物群落生長， 海灣站側重森林游憩和近自然營建技術， 老港站側重垃圾填埋地的植被恢復技術等。 安亭和浦江站地處城市近郊區(qū)， 在觀測研究方面， 安亭站側重森林景觀格局和大氣環(huán)境質量， 浦江站側重游憩康養(yǎng)和森林小氣候等。

4) 河口三角洲觀測站群。 該觀測站群包括崇明島站1 個站點。 崇明島面積1 370 km2， 是世界最大的河口沖積沙洲， 也是中國第三大島， 代表了以人工針葉林為主的河口三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)。針對河口沖擊平原特殊立地對森林營建和植被恢復的限制問題， 崇明島站側重水文、 土壤及植物群落等方面的觀測研究， 為開展良種選育、 近自然更新管理及動物棲息地重建等提供服務。

4.2 布局特點

12 個長期觀測站(點) 分別代表了不同環(huán)境特征和林分類型(表1)， 實現(xiàn)了上海城市森林長期定位觀測網(wǎng)絡“多功能組合， 多站點聯(lián)合， 多尺度擬合， 多目標融合” 的目標， 具備3 大特點:

表1 上海城市森林12 個長期觀測研究站(點) 特征

1) 自然地理特征的全覆蓋。 12 個站點在地理空間上體現(xiàn)了由南至北、 由西向東以及東南—西北季風主導風向上的環(huán)境差異； 在行政區(qū)劃上分布于中心城區(qū)和郊區(qū)共11 個區(qū)； 在地貌類型與生態(tài)區(qū)劃上涵蓋了4 個生態(tài)區(qū)10 個生態(tài)亞區(qū)。

2) 城市化進程的梯度顯現(xiàn)。 基于上海城市環(huán)境時空格局及演變的研究[18-19]， 將城鄉(xiāng)梯度劃分為城區(qū)、 近郊區(qū)和遠郊區(qū)， 其中， 中山公園、 共青、 金海站位于城區(qū)， 浦江、 葉榭、 安亭、 佘山站位于近郊區(qū)， 攔路港、 金山石化、 海灣、 老港、崇明島站位于遠郊區(qū)。

3) 城市森林類型的典型表征。 12 個站點在植被自然屬性方面涵蓋了天然次生林、 近自然林以及人工林； 在林分發(fā)育方面涵蓋了不同林齡；在功能屬性方面涵蓋了水源涵養(yǎng)林、 污染隔離林、沿海防護林、 風景林等。

5 結語

本研究首次提出超大城市森林長期觀測研究站網(wǎng)布局方法， 指出城市森林與天然森林長期觀測網(wǎng)絡布局要素的異同， 基于典型抽樣和圖層疊置分析， 得出上海城市森林長期定位觀測研究網(wǎng)絡布局。 12 個長期定位觀測站(點) 不僅充分體現(xiàn)了上海市自然、 社會、 經(jīng)濟的特點， 而且也體現(xiàn)了生態(tài)學“環(huán)境梯度研究” 的思想。 后續(xù)開展的觀測研究將緊密圍繞城市中綜合環(huán)境-經(jīng)濟-社會梯度進行對比分析， 探究城市復雜生態(tài)系統(tǒng)中多因子協(xié)同作用下城市森林的環(huán)境響應格局、 生態(tài)變化過程及服務功能發(fā)揮， 闡釋其作用機制與內(nèi)在聯(lián)系， 探索城市森林的恢復重建及多樣性保育技術， 進而為城市森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營與服務功能價值評估提供科學、 可靠的數(shù)據(jù)來源。 本研究結果可為城市森林長期觀測站(點) 的規(guī)劃和布設提供理論依據(jù)和借鑒參考， 為實現(xiàn)超大和特大城市市域尺度上的生態(tài)環(huán)境綜合觀測提供科學指導。