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  • 城市生态系统定位观测站建站研究

    检索:傅光华等. 城市生态系统定位观测站建站研究[J]. 山西林业科技. 2020,49(1:)

    傅光华1 刘随存2 樊兰英2 吴专1

    (1. 国家林业和草原局林产工业规划设计院,北京,100010

    2. 山西省林业科学研究院,太原,030012)

    摘要 总结太原城市生态系统定位观测站建站工作经验,分析城市生态系统的特点和要求,提出其生态系统长期观测的目标及指标体系,将康养环境和游憩景观指标体系纳入城市生态系统定位观测的特有指标体系。基于观测指标拟定观测设施,提出城市生态定位观测站建站的布局思路及建设方案。基于城市生态定位观测站的科普价值,以及其与城市和人的密切关系,提出配套科普宣教设施,增值其社会公益属性。

    关键词 城市生态 定位观测 康养环境 游憩景观

    Research on the Construction of long-term observation and research station of urban ecosystem

    FU Guang hua1 LIU Suicun2 FAN Lanying2 WU Zhuan1

    (1.Planning and Design Institute of Forest Products Industry National Forestry and Grassland Bureau,Beijing 100010,China

    2. Shanxi Academy of Forestry,Taiyuan 030012,China

    Abstract: Summing up the working experience of Taiyuan long-term observation and research station of urban ecosystem, Analysis of the characteristics and requirements of urban ecosystems, Systematically propose the goals and indicators of long-term observation of its ecosystem, Bring the index system of health environment and recreational landscape into the unique index system of long-term observation and research station of urban ecosystem. Development of observation facilities based on observation indicators,The layout and construction scheme of long-term observation and research station of urban ecosystem are put forward. The value of Science Popularization and its close relationship with cities and people based on Urban Ecological Positioning observation Station,Puts forward the supporting facilities for popularizing science and education, and adds value to its social public welfare attribute.

    Key words: Urban ecosystem; Long-term observation and research; Healthy environment; Recreational landscape;

    1 引言

    生态系统长期定位观测是国际上为研究揭示生态系统结构和功能的变化规律而采用的一种研究方法。它是通过在自然或人工生态系统的典型地段建立生态系统定位观测站,在长期固定样地上对生态系统的组成、结构、生物生产力、养分循环、水分循环和能量平衡等进行长期观测,进而阐明生态系统发生、发展、演替的内在机制,在自然状态下或某些人为活动干扰下的动态变化格局与过程、生态系统自身的动态平衡以及参与生物地球化学循环过程等。生态定位观测站建设(简称“建站”)以实现野外观测和科学研究为一体的长期基地及可持续发展为宗旨,以生态学、生态系统学及生物环境学理论为指导,以充分发挥生态效益和社会效益为目标,以生态群落组成、结构、能量循环、水分循环、养分循环及环境效益为观测建设基础,遵循自然规律,依靠科学的设施、先进的观测和分析仪器,观测分析与研究并重且持续推进,实现数据资源共享、大尺度服务效应,逐步建成完备的生态系统定位研究站标准系列。

    相对于比较成熟的森林、湿地和荒漠等生态系统定位观测,城市生态定位观测还有大量的工作要做。世界上超过50%的人口生活在城市中,城市生态环境质量的好坏直接关系到社会经济可持续发展的能力。将城市作为一个生态系统,系统研究城市生态系统的结构、格局、过程和功能,是城市发展的趋势。2008 年,北京城市生态系统研究站加入中国生态系统研究网络,标志着城市生态系统长期研究在中国开始启动。

    基于国际国内多年的研究,学者们提出城市生态系统长期观测研究的3544法则,即三个目的:为研究长期演变、为探索人与自然相互作用和为城市居民提供数据;五个原则:综合与重点相结合原则、综合性和前瞻性原则、与城市相关部门监测融合原则、面向科学研究原则和长期一致性原则;四项内容:生态要素、生态格局、生态过程和生态系统功能;四种方法:遥感监测、长期调查样地监测、定位观测站监测和社会经济调查监测。

    太原城市生态系统定位观测站是我国第一个整体以城市生态系统为基本需求构建的完整城市生态定位观测站,作者在太原城市生态定位观测站立项、论证、设计和建设全过程工作总结的基础上,分析我国目前城市生态系统长期观测及建站方面存在的问题,将城市生态系统观测研究的目的、原则及内容指标化,根据观测指标的筛选和分析,建立相应观测设施、布局要求及配套基础设施,希望能对城市生态系统定位观测站的建站工作有所借鉴。

    2 城市生态系统长期定位观测存在的问题

    2.1 我国城市生态系统长期定位观测体系尚未建立

    近年来,虽然我国加强了城市森林在固碳释氧、净化空气、休闲游憩、森林保健等生态功能的研究,但大多以定性研究和经验总结为主,相对于野外生态的定位观测研究,我国的城市生态系统定位观测研究刚刚起步,相关观测指标体系和建站标准还在研究制定中,有关城市生态系统的观测尚存在指标不全面、观测方法不完善、单项研究具有局限性等问题。

    2.2 定位观测研究站建设严重滞后

    专业性的定位观测站是城市生态系统长期观测研究的基础条件和必要设施,也是创建国家森林城市的科技支撑和技术保障平台。不完全统计,截止2017年底,我国批准建设的城市生态定位观测站仅有北京、太原、广州和乌鲁木齐四个市,另外,以城市森林站批准的还有上海、杭州、深圳等三个。根据2017年城乡建设统计公报,至2017年末,全国设市城市661个,其中,直辖市4个,地级市294个,县级市363个。至2018年底,全国已有166个城市被授予“国家森林城市”称号,有近100个城市正在创建“国家森林城市”,有十几个省份开展了省级森林城市创建活动。森林城市已不仅是我国褒奖一个城市生态文明建设的最高荣誉,也是综合体现一个城市科学发展水平与和谐发展程度的重要标志。可见,城市生态定位观测站建设严重滞后现代城市发展的需要。

    2.3 现有城市生态定位观测站不能满足需要

    城市现有生态定位观测站建设主要基于森林生态系统定位站等要求建设,一是借用以前的观测研究设施,观测点功能单一,没有考虑城市人居集聚、车物流等城市环境在城市生态系统中的主导作用及其导致的生态多样性变化,因而建立的观测系统不能满足城市生态系统观测的需求:不是满足不了城市森林资源和生态功能观测的需求,就是缺少湿地生态系统的观测点;不是站址和站点不够,就是布点不科学致使观测工作采集到的数据代表性不强;二是投入资金不够,观测设施、仪器设备和实验室及基础设施没有按照城市生态定位观测站的要求系统配备,缺胳膊少腿的情况比较普遍;三是观测系统无法满足国家标准的要求。有些定位观测站现有观测工作以满足基础的科研项目为主,其观测的内容及手段比较简单和原始,观测工作没有完全与国家陆地生态系统定位观测站网络接轨,迫切需要按照《国家陆地生态系统定位观测研究站网管理办法》的有关规定,并结合城市生态定位观测的特点开展建设或改造。

    3 建站目标及监测指标体系

    城市生态系统是指以人类活动为主导的社会-经济-自然复合生态系统,城市的气候、空气、水文、土壤、生物等城市生态要素以及物质流、能量流等生态过程是人类活动与自然相互作用的产物,并随人与自然相互作用关系的变化而演变。开展城市生态系统长期观测,是研究城市生态系统长期演变的基础工作。

    城市生态监测指标包括气象、水文、土壤、植物、动物、微生物、底质、地质、人类活动等九个方面。随着现代城市发展和城市功能与人居环境的新变化,基于上述城市生态系统的定义和长期观测的功能目标,结合城市生态定位观测站建设的经验,同时参考森林生态定位观测站观测指标和太原城市生态定位观测站建设的实践经验,将城市生态系统长期观测的指标归纳为八个方面,并以此建立定位观测指标体系:

    1)城市森林资源指标体系:结合遥感和普查等措施,长期观测植被、树木种类、森林景观及古树名木等森林资源类指标;

    2)气象指标体系:建立气象站和观测场,定期、动态监测气压、日照、风向、风速、温度、湿度、降水、辐射等气象类指标;

    3)大气环境指标体系:以定位观测场为主,辅以流动观测场补充,定期和动态监测城市空气质量、植源污染、大气沉降类指标。与一般大气环境监测不同的是,城市生态站应侧重对人类生活生命质量密切相关的尘埃、二氧化硫、臭氧、植物花粉、挥发性有机物等指标的监测;

    4)康养环境指标体系:以定位观测场为主,辅以流动观测场补充,定期和动态监测城市生态区域给城市带来的康养环境因子,这是城市生态观测与一般城市环境监测最大的区别和特征,主要包括对人类身心健康有益的负氧离子、芬多精,以及不利的紫外辐射、声强等指标;

    5)游憩景观指标体系:以固定样地观测城市公园、生态区域等森林、湿地及土壤等的动物(含昆虫)和植物景观,观测城市人居环境的质量和变化,研究共生规律和生态城市、森林城市建设方向,是城市生态的重要观测指标和特征要求;

    6)水文与水质指标体系:在城市森林、湿地区域设置定位观测站,监测城市水文和水体环境的变化,观测指标包括水质及水源污染等方面的指标;

    7)土壤环境指标体系:设置定位观测场和固定样地,监测城市土壤环境的质量和变化,主要包括土壤物理、化学、微生物及凋落物等指标类别;

    8)植物群落指标体系:设置固定样地和流动监测点,观测城市的植物群落结构、植物生长和森林健康等类别指标,建立城市植物群落的生态因子档案,判断城市森林的健康状况。

    根据八个方面指标体系和指标类别,按照层级分解法对指标类别做进一步分解,确定具体观测指标,以及根据指标性质和目标需要确定观测方法和观测设施。

    观测指标包括需要长期定位观测的指标(表1)和根据需要和条件可自由选择的观测指标(表2)两部分。

    城市生态系统定位观测站建站研究

    城市生态系统定位观测站建站研究

    4 建设布局

    城市生态定位观测站的观测点选址应本着“代表性强、突出特色、长期观测、便于管理”的原则,根据所在城市的地貌特点,以及森林、绿地、湿地分布情况合理确定布局。城市生态系统定位观测站建设布局一般应考虑1个主站址,根据具体情况可以考虑1个或几个主站点,及若干个观测点,结合城市公园和人流分布情况适当考虑设置流动观测点。原则上,城市区域每类代表性或典型性生态区域均应设置观测点,视其需要观测的功能确定是单一或组合观测点。

    1) 主站址:是整个定位站的总部,应选址在便于管理,建设用地权属明确,水、电、热、交通等条件满足要求的地方。

    2)主站点:观测设施相对集中的区域。应选择代表性比较强、建设观测设施空间和范围足够满足要求,具备水电等设施条件的区域,一般处于城市核心区或重要功能区的城市森林、湿地集中地域或城市公园内的生物多样性良好的典型地带。

    3)固定观测点:具备建设单一或一定组合观测设施,且对城市某一区域具有代表性的选址。

    4)流动观测点:在人流相对集中,处于城市中心区或具有代表性的小区,设置流动观测点,作为固定观测点的补充。日常采用移动监测设备取样和监测,具有机动、丰富监测样本的特点。

    各观测点选址应具有局部区域的代表性,不同观测点所处位置和环境条件相互之间的差异应尽量大,观测和研究内容既有统一要求,又各有侧重,便于相互比较。

    5 建设方案

    城市生态定位观测站建设内容包括科研基础设施、观测设施、观测仪器设备等三部分[7-18]。由于城市是人的集聚地,与其他生态定位观测站不同,城市生态定位观测站应考虑开展科普宣教的设施,有必要在主站址、主站点及人流相对集中的城市公园设置科普宣教设施。

    5.1 科研基础设施

    定位站应有综合实验楼,包括功能用房和辅助用房两部分,建筑面积 600m2-1200m2。功能用房是指实验室、档案室、会议室、办公室等;辅助用房主要是指科研观测人员的单身宿舍、卫生间、厨房、餐厅等。

    综合实验楼内应配套建设城市生态环境预报平台。基于网络的城市生态环境监测系统,集电子技术、计算机技术、数据通信技术、网络技术于一体,实现网络数据集成,使得城市生态环境综合监测数据和生态环境预报在网络上共享,方便维护及查询,建立一个网络化的数据库。

    实验室设备主要有紫外-可见分光光度计、连续流动分析仪、高效液相色谱仪、通风消煮设备、显微镜、电子天平等。

    应配套建设给水、排水及消防设施。带有化学试剂的废水应单独收集,经中和及消毒处理后与其他废水处理达标后才能排放;应设通风系统,对仪器的进样口及分流口推荐采用360度的旋转抽气罩,统一管道高空排放。应配套供电及电气照明系统。

    5.2 观测设施及设备

    城市生态定位观测站的观测设施主要有气象及大气环境、水文水质、土壤、生物等观测及科普宣教等设施。

    5.2.1 气象及大气环境观测设施和设备

    主要用于气象、大气环境、康养环境等观测,包括地面气象观测场、小气候观测场、梯度观测塔、大气环境观测场等。

    1)地面气象观测场

    应设在能较好地反映观测区较大范围气象要素特点的区域。观测场四周应空旷平坦,10 m范围内不应种植高杆植物,避免设在陡坡、洼地或临近有公路、工矿、烟囱、高大建筑物的区域。应设在最多风向的上风方向,边缘与四周孤立障碍物距离大于该障碍物高度的3 倍以上,距成排障碍物距离应大于其高度的10 倍以上,距较大的水体的最高水位线距离应大于100 m。

    地面气象观测场规格为25 m×25 m或16 m(东西向)×20 m(南北向)。观测场四周设高度1.2 m的稀疏围栏。

    主要配备通风干湿表、干湿球温度表、最高温度表、最低温度表、日照计、总辐射表、净辐射表、标准雨量器、虹吸式雨量计、风速风向仪、气压表、蒸发皿、空气负离子监测仪、芬多精监测仪等仪器设备。

    2)小气候观测场

    应选择地形、气候、水文、植被和土壤等具有代表性和典型性的区域,远离道路、河流、林缘等可能产生干扰的其他地表类型。森林小气候观测场不应跨越两个林分。小气候观测场规格为16 m×20 m。

    主要设置自动气象观测系统,仪器设备有温湿度计、风速风向仪、标准雨量器、总辐射表、净辐射表、蒸发皿、气压计等,配备空气负离子监测仪、芬多精等仪器设备。

    3)梯度观测塔

    应选择具有代表性和典型性的区域,并远离道路、河流、林缘等。

    梯度观测塔类型为开敞式,高度为林分冠层高度的1.5倍—2倍,塔顶设避雷针,塔基接地,其接地电阻应小于4Ω。优先采用有源供电方式,如地处泄洪区或低洼积水地带,埋线需采取防水处理。

    不同观测高度设置相应仪器:林冠上4 m设置通风干湿表;林冠上2 m设置通风干湿表、风速仪;林冠上1.6 m设置天空辐射表、太阳高度角测定器;林冠内0.75 H处(H代表冠层高度)设置通风干湿表;地上1 m—1.5 m处设置点温计或温度表、空气负离子监测仪、芬多精监测仪;地面设置地面温度表;地下5,10,15,20,40,80,160 cm设置地温表。

    4)大气环境观测场

    选择四周无遮蔽物,空气流通性好,有一定高度,大气边界层影响较小,局地污染源和其他人为干扰较小的地方建设。长期固定观测场选址应保持周围环境的稳定。

    主要监测TSP、PM2.5、PM10、NOX、SO2、臭氧、花粉种类、花粉浓度、挥发性有机化合物(VOC)、微生物、飞毛飞絮等指标。主要配备便携式CO2测定仪、SO2测定仪、NOx测定仪、CH4测定仪、O3测定仪、大气采样器、气瓶、集尘罐、降水收集器、花粉采样器、挥发性有机化合物检测仪、空气微生物监测仪等仪器设备。

    5.2.2 水文水质观测设施和设备

    水文水质观测设施一般有水量平衡场、地表径流场、测流堰、水质监测断面(监测点)、测井及植物蒸发渗透观测场等,基于城市生态定位观测站的监测指标,一般视场地条件主要配设水量平衡场、地表径流场、测流堰、监测断面(监测点)、测井等。

    1)水量平衡场

    水量平衡场为地表水和地下水观测场,应选择与周围没有水平的水分交换,底层为不透水层,地质条件一致,生物群落与周边更大范围的生物群落一致,具有代表性的自然闭合小区。

    规格为5 m(水平投影)×20 m(水平投影)。水量平衡场森林上空或林中空地设置降水收集量测装置1 个。场内设置穿透水收集量测装置1 组,设置树干径流收集量测装置1 组,设置土壤渗透水收集量测装置1 组。设置观测地下水位的变化的测井1 个。其他水文观测设备有土壤水分测定仪、压力膜、土壤水分蒸发渗漏仪、流速流量仪、地下水水位自动监测仪等。水质观测设备有便携式水质检测仪、浊度计、pH计(酸度计)、紫外可见分光光度计、多离子测试仪等。

    2)地表径流场

    地表径流场为地表水观测场,应选择能反应区域典型的植被类型中设置1 个,同时,至少在某一对照植被类型中设置1 个。

    规格为5 m(水平投影)×20 m(水平投影)。地表径流场森林上空或林中空地设置降水量观测点1 个。场内设置穿透水收集量测装置1组,设置树干径流量测装置1 组。其他水文观测设备有流速仪等。水质观测设备有便携式水质检测仪、浊度计、pH计(酸度计)、紫外可见分光光度计、多离子测试仪测等。

    3)测流堰

    测流堰用于测定水流流量的构筑物。应选择能反映本区域典型植被类型的小集水区设置1 个,同时,至少选择对照植被类型的小集水区设置1个。

    测流堰的形式主要有三角堰、矩形堰、梯形堰,对枯水流量极小、丰水流量极大的径流测堰,可设置多级测堰或镶嵌组合堰。

    三角堰适用于1 L/s—70 L/s的流量。矩形堰适用于大于50 L/s的流量。梯形堰适用于10 L/s—300 L/s的流量。

    测流堰水文观测设备有流速、水位、水温综合测定仪等。水质观测设备有便携式水质检测仪、浊度计、盐度计、透明度盘、紫外可见分光光度计、泥沙样品采集器、水样采集器等。

    4)监测断面(监测点)

    主要为湿地水文的观测场。应避开妨碍观测工作的地物、地貌、建构筑物及工业生产中排泄废水、污水的地点。

    水文观测设备有流速、水位、水温综合测定仪等。水质观测设备有便携式水质检测仪、浊度计、盐度计、透明度盘、紫外可见分光光度计、泥沙样品采集器、水样采集器等。

    5)测井

    对城市区域内有意义的含水层、地表水体,以及突水点等,应设立观测点,进行动态长期观测。仪器设备有流量测井仪、井斜仪、井径仪、井温仪等。

    5.2.3 土壤观测设施和设备

    城市生态定位观测站主要考虑土壤采样点。选在被采土壤类型特征明显的地方,地形相对平坦、稳定、植被良好的地点。土壤采样点可在固定样地中选取。

    土壤采样工具有铁锹、铁铲、圆状取土钻、螺旋取土钻、竹片以及适合特殊采样要求的工具等。土壤理化性质野外测定仪器设备有土壤硬度计、土壤膨胀仪、TDR便携式土壤水分测定仪、pH笔、土壤野外速测箱等。

    5.2.4 生物观测设施和设备

    主要通过样地、样方、样线等形式,观测城市森林、游憩景观、植物群落、地表覆盖物环境及湿地生境等指标。

    1)固定样地(样方)

    为植物种类和数量调查的场地。选择具有代表性的植被类型且受人为干扰较少交通又相对方便的地方设置。陆上样地面积为0.1公顷—1.0 公顷。湿地固定样地结合场地地形及湿地特点确定。每种生态类型设置1个—3个样地。根据需要,在固定样地内可设置(10×10)平方米、(2×2)平方米、(1×1)平方米面积的各类样方,分别用于乔木层、下木层、草本层调查。

    调查工具有皮尺、钢卷尺、游标卡尺、样方框、便携式电子秤等。野外测定仪器设备有稳态气孔计、植物压力室、植物光合测定仪、叶绿素荧光仪、年轮分析系统、叶面积仪、植物冠层分析仪、植物根系分析系统及手持北导仪、海拔仪、坡度仪等。

    2)样线、样方、样点

    用于野生动物种类和数量的调查。鸟类观测可采用样线法和样点法。小型鸟类调查宜使用样点法。爬行类观测可采用样线法和样方法。两栖类观测可采用样线法和样方法。

    5.2.5 科普宣传栏及标识牌

    在拟建站点附近区域的路口或交通要道设置科普宣传栏,在站点设施适当位置设置标识牌。

    6 结语

    随着城市化的进一步发展和城市纳入生态系统观测网络,城市生态定位观测站建设的急迫性凸显。城市生态系统长期观测的目标主要包括生态要素、生态格局、生态过程和生态系统功能四个方面,监测方法主要有遥感监测、样地监测、定位观测和调查监测。观测的主要手段和内容主要是通过建立生态定位观测站来实现。

    目前看,城市现有生态定位观测站主要基于森林生态系统定位观测站等要求建设,观测系统不能满足城市生态系统观测的需求,且站址和站点数量不够,布点不科学,系统配置缺胳膊少腿的情况比较普遍,急需按照城市生态定位观测研究的特点开展建设和改造。

    基于城市生态系统的定义和长期观测的目标需求,结合城市生态定位观测站建设的经验,将城市生态系统长期监测的指标归纳为城市森林资源、气象、大气环境、康养环境、游憩景观、水文与水质、土壤环境及植物群落等八大指标体系,其中康养环境、游憩景观指标体系属于城市生态系统定位观测的特有指标体系。按照层级分解法对指标体系分解为指标类别及具体观测指标,根据指标确定观测类别和观测方法,并以此进一步提出观测监测设施和仪器设备。

    城市生态定位观测站建站阶段应遵循一定原则和要求,结合所在城市的地貌特点、生态小区和城市公园分布情况合理确定布局。一般应考虑1个主站址,根据具体情况可以考虑1个或几个主站点,及若干个主要观测点,根据需要还可以适当考虑设置一些流动观测点。

    城市生态定位观测站建设内容包括科研基础设施、观测基础设施、观测监测仪器设备等三个方面。与其他生态定位观测站不同,科普宣教设施应作为城市生态定位观测站承担的城市社会功能而配建。

    当然,对于有一定基础的建站,应充分利用已有设施,尽可能和其他监测站(气象、水文、水质监测站点)结合,避免重复建设。

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