北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡建設(shè)構(gòu)想

張 健，鹿海峰，劉嘉林，盧仁杰

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

0 引言

地面生態(tài)監(jiān)測是對應于空天遙感監(jiān)測手段而提出的一種監(jiān)測定義，是應用可比的方法，對一定區(qū)域范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境或生態(tài)環(huán)境組合體的類型、結(jié)構(gòu)和功能及其組成要素進行系統(tǒng)的地面測定和觀測，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的生物系統(tǒng)間相互關(guān)系來評價人類活動和自然變化對生態(tài)環(huán)境的影響。2016年8月，北京市制定了《北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡建設(shè)方案》[1-2]，方案中提出要建立地面固定生態(tài)監(jiān)測站，提升生態(tài)地面監(jiān)測能力，結(jié)合環(huán)境質(zhì)量和污染源排放、自然資源等監(jiān)測數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌科研機構(gòu)生態(tài)監(jiān)測評價能力。各相關(guān)部門配合開展生物多樣性、城市生態(tài)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)等生態(tài)監(jiān)測研究，大力發(fā)展遙感監(jiān)測，建立符合首都功能定位要求的天地一體化生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，從不同時空尺度監(jiān)測和評估生態(tài)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

本文對北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的建設(shè)做初步研究，探索北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡建設(shè)理論和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，為建成覆蓋功能全面，技術(shù)體系完善的社會-經(jīng)濟-自然復合的生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡做理論基礎(chǔ)。

1 北京市地面生態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀和存在的問題

1.1 北京地面生態(tài)監(jiān)測的現(xiàn)狀

地面生態(tài)監(jiān)測始于英國，從上世紀70年代開始迅速發(fā)展起來，80年代末，我國開始組建的大尺度地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，即中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（CERN），為我國生態(tài)、環(huán)境、資源等系統(tǒng)的調(diào)查與研究工作提供了基礎(chǔ)[3-6]。1997年開始，美國巴爾的摩和鳳凰城陸續(xù)建立了長期生態(tài)觀測體系，并建立了社會調(diào)查網(wǎng)，為城市生態(tài)站的建設(shè)提供了實踐經(jīng)驗[7-8]。北京城市生態(tài)系統(tǒng)研究站是CERN中首家以城市生態(tài)系統(tǒng)為研究對象的生態(tài)站點，在北京城區(qū)、近郊區(qū)、遠郊區(qū)建立3類固定監(jiān)測站，并布設(shè)2 000多個監(jiān)測樣方。此外，北京市政府部門開展著地面生態(tài)監(jiān)測工作，從2012年開始，以全國生態(tài)環(huán)境10 a變化（2000～2010年）遙感調(diào)查與評估項目技術(shù)指南為依據(jù)，北京市環(huán)保監(jiān)測中心連續(xù)開展了地面生態(tài)系統(tǒng)野外觀測工作，針對不同生態(tài)系統(tǒng)（森林、灌木、農(nóng)田等）的背景生態(tài)環(huán)境、植被覆蓋情況以及生物量等20余項相關(guān)參數(shù)對20個樣區(qū)進行數(shù)據(jù)采集及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估。另外，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，北京市環(huán)境要素質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)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(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡[9]。

1.2 北京市地面生態(tài)監(jiān)測存在的問題

（1）北京市地面生態(tài)監(jiān)測功能上存在的差距

從現(xiàn)狀來看，目前北京市地面生態(tài)監(jiān)測主要是開展科學研究、專項的生態(tài)調(diào)查或是按照國家生態(tài)監(jiān)測評價要求開展輔助遙感監(jiān)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(tài)文明建設(shè)，生態(tài)資源資產(chǎn)保護，生態(tài)保護紅線管控方面的需求有脫節(jié)；②目前的地面生態(tài)監(jiān)測僅僅是化學指標的監(jiān)測，僅是反映了日常生活環(huán)境的某一側(cè)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(xù)的地面監(jiān)測網(wǎng)絡，未與生態(tài)遙感監(jiān)測緊密結(jié)合，遙感反演參數(shù)量不夠豐富，無法綜合反映生態(tài)環(huán)境狀況[10-11]。

（2）北京市地面生態(tài)監(jiān)測結(jié)構(gòu)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(tài)監(jiān)測主要是北京市地面生態(tài)調(diào)查或地面核查，是依據(jù)北京市生態(tài)系統(tǒng)分類進行監(jiān)測，包括森林、灌木、草地、濕地、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測，監(jiān)測類型覆蓋不夠全面，缺少諸如城市生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容，北京市大城市特點明顯，城市生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測應該作為重點監(jiān)測內(nèi)容。目前北京市環(huán)境要素監(jiān)測網(wǎng)絡的建設(shè)已較為完善，但生態(tài)要素監(jiān)測僅限于點的監(jiān)測，且兩者尚未建立相關(guān)聯(lián)系。另外，還未建立起固定的生態(tài)監(jiān)測站，無法保證地面生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的平行可比統(tǒng)一。再者，目前的生態(tài)監(jiān)測結(jié)構(gòu)單一、不夠精細，對一種生態(tài)類型，遵循樣區(qū)-樣地-樣方的層級結(jié)構(gòu)模式，而同一種生態(tài)系統(tǒng)當中會有不同的生態(tài)功能區(qū)，因此可以探索多種監(jiān)測結(jié)構(gòu)，既有分隔，又有重疊。

（3）北京市地面生態(tài)監(jiān)測技術(shù)上存在的差距

技術(shù)層面上，目前的生態(tài)監(jiān)測技術(shù)仍不規(guī)范，監(jiān)測指標不一，監(jiān)測方法、評價方法多樣。沒有科學統(tǒng)一的監(jiān)測技術(shù)體系，各部門、各單位的監(jiān)測信息本身由于缺乏可比性、連續(xù)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(jiān)測能力方面，環(huán)境要素的監(jiān)測能力逐步提高，自動化能力較強，而生物要素監(jiān)測能力不足，自動化水平落后。

2 北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡建設(shè)思路研究

結(jié)合北京市生態(tài)監(jiān)測現(xiàn)狀及生態(tài)監(jiān)測的特點，即復雜性、綜合性，北京市的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡應該階段性的發(fā)展，逐步縮小在功能、結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的差距。建設(shè)初期，地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡以需求導向為建設(shè)原則，從服務于生態(tài)資源資產(chǎn)審計、生態(tài)保護紅線管控、生態(tài)風險防控等政府管理需求的監(jiān)測及服務于生態(tài)環(huán)境、人居環(huán)境評價等公眾需求的監(jiān)測著手，建設(shè)網(wǎng)絡的總體框架和主體結(jié)構(gòu)，豐富生態(tài)監(jiān)測的服務功能。

在建設(shè)中期以技術(shù)為導向為，通過技術(shù)創(chuàng)新，提升監(jiān)測能力和評價體系，完善監(jiān)測網(wǎng)絡，充分與遙感監(jiān)測配合，建成天地一體化的生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)?？s小在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上的差距，生態(tài)監(jiān)測是長期業(yè)務化的政府資源投入，必須考慮網(wǎng)絡建設(shè)的長期穩(wěn)定性，監(jiān)測與評價技術(shù)的可操作性與可比性。

而在建設(shè)后期，由于生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡逐步完善，綜合監(jiān)測和評價生態(tài)環(huán)境的能力大幅提升，應該拓展生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的應用范圍，全方位動態(tài)監(jiān)測生態(tài)環(huán)境，提高監(jiān)測網(wǎng)絡的服務性能，包括生態(tài)狀況信息發(fā)布和生態(tài)安全預警，以及解析環(huán)境要素與生態(tài)指標的相互作用關(guān)系，相互調(diào)整與修復的對應政策等，此時應該以產(chǎn)品為導向進行建設(shè)。

以上可以歸結(jié)為地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的3段發(fā)展理論，見圖1。

圖1 地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡建設(shè)的理論框架

3 北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡主體結(jié)構(gòu)研究

3.1 以城市生態(tài)系統(tǒng)為主體的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡

近年來，北京人口迅速增加、建成區(qū)快速擴張、社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，成為國際上少見的特大城市。而城市化進程快于生態(tài)環(huán)境改善進程，對城市及城市周邊生態(tài)質(zhì)量產(chǎn)生了很大影響?？紤]北京市這一特征和京津冀一體化發(fā)展目標，以及生態(tài)建設(shè)的迫切性，可將城市生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測作為北京市生態(tài)監(jiān)測的重點對象。因此，北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡主體結(jié)構(gòu)可以城市生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為中心，其他生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為重要組成。結(jié)合北京市主體功能區(qū)劃，應該以城6區(qū)（首都功能核心區(qū)、城市功能拓展區(qū)）以及通州區(qū)為網(wǎng)絡中心，這些區(qū)主要以建設(shè)用地為主，城市化程度較高，以城市發(fā)展新區(qū)、生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)城區(qū)為分中心，這些區(qū)以林地、耕地為主，城市生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域所占比例較小，其中屬于城市發(fā)展新區(qū)的通州區(qū)由于其將作為北京市“十三五”規(guī)劃的“城市副中心”，因此將其納入到城市生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中心部分，其他類型的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域作為組成。具體架構(gòu)見圖2。

圖2 以城市生態(tài)系統(tǒng)為主體的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

監(jiān)測站點的布設(shè)可以粗細相結(jié)合，對于中心和分中心區(qū)域，監(jiān)測點和監(jiān)測項目應該足夠多，依靠已有的水、氣、噪聲等環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，重點布設(shè)生態(tài)測點和社會測點，監(jiān)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(jīng)濟、城市格局等人工組分，以充分反映城市生態(tài)系統(tǒng)基本特征；而網(wǎng)絡的其他區(qū)域，可以選取典型點位和項目開展監(jiān)測，能說明其生態(tài)問題及評價生態(tài)服務功能即可。監(jiān)測方法上可以建立長期調(diào)查樣地和定位觀測站相結(jié)合的方法，并輔以適當?shù)纳鐣?jīng)濟調(diào)查。重點監(jiān)測內(nèi)容及方法見表1。

表1 地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡重點監(jiān)測內(nèi)容及方法初步研究一覽

3.2 以北京市生態(tài)功能區(qū)劃為依據(jù)的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡

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

2015年，北京市著手修編《北京城市總體規(guī)劃（2004～2020）》。其中，一個核心內(nèi)容就是劃定生態(tài)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(tài)保護紅線的劃定，包括8個方面，即：大氣環(huán)境改善功能區(qū)、飲用水水源保護區(qū)、防風固沙功能區(qū)、水源涵養(yǎng)功能區(qū)、水體保持功能區(qū)、洪澇調(diào)蓄功能區(qū)、生物多樣性維持功能區(qū)與重要自然景觀保護區(qū)。

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

因此，為方便生態(tài)管理，地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以依據(jù)生態(tài)功能區(qū)進行監(jiān)測區(qū)域的劃分和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，從生態(tài)調(diào)節(jié)、生態(tài)安全、人居保障3個方面建立監(jiān)測子網(wǎng)，見圖3。

圖3 以生態(tài)功能區(qū)劃為依據(jù)的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

北京市不同的行政區(qū)所覆蓋的生態(tài)功能區(qū)種類、數(shù)量和面積均不同，監(jiān)測樣方的布設(shè)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(tài)功能區(qū)，提出地面生態(tài)監(jiān)測既有共性、又有特征性的監(jiān)測項目，如生物多樣性生態(tài)功能區(qū)以生物多樣性、生物量、動物、昆蟲等方面指標為主，城鎮(zhèn)發(fā)展功能區(qū)以河道水質(zhì)、公園、濕地、鳥類生境指標為主（重點監(jiān)測內(nèi)容及方法見表1）。

3.3 均勻網(wǎng)格化的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡

目前，北京市生態(tài)環(huán)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(tài)保護紅線的劃定，雖已初始完成，尚缺乏系統(tǒng)調(diào)查與評估，相關(guān)研究基礎(chǔ)薄弱，難以系統(tǒng)闡述北京市生態(tài)保護紅線區(qū)的質(zhì)量狀況，無法確定面積不減、性質(zhì)不變、功能不降的管控基準，缺乏合理評估其生態(tài)環(huán)境變化的系統(tǒng)機制，很難采用定量評估的結(jié)果來支撐生態(tài)服務監(jiān)管工作。

因此，可將北京市生態(tài)系統(tǒng)進行精細的網(wǎng)格化劃分，生成精細的生態(tài)監(jiān)測單元，為說清北京市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及管理決策提供有力的技術(shù)支撐。

均勻網(wǎng)格化的結(jié)構(gòu)借助遙感手段，對地面信息進行提取，以精細的北京市生態(tài)系統(tǒng)劃分及生態(tài)體系脅迫定量化為基礎(chǔ)，以行政管控單元為參考，劃分生態(tài)監(jiān)測單元[17-18]。網(wǎng)格的劃分可以是多等級的空間網(wǎng)格體系：第一等級按照大的生態(tài)系統(tǒng)類型劃分，包括森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)生態(tài)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(yǎng)功能森林生態(tài)系統(tǒng)、防風固沙森林生態(tài)系統(tǒng)等；而城市，可以首先根據(jù)社會經(jīng)濟功能劃分，如居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等，然后考慮將生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能與社會經(jīng)濟屬性相結(jié)合，以城市生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為例進行網(wǎng)格劃分思路見圖4。

圖4 地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的網(wǎng)格化劃分路線

依據(jù)地形地貌和地面監(jiān)測可行性，網(wǎng)格可以是規(guī)則形狀的區(qū)域，也可能是不規(guī)則形狀的區(qū)域。網(wǎng)格的尺度可以隨著監(jiān)測網(wǎng)絡的發(fā)展而變化，在監(jiān)測網(wǎng)絡構(gòu)建的初級階段，網(wǎng)格的尺度可以大到生態(tài)系統(tǒng)類型，在大的網(wǎng)格里去尋找樣地和樣方。在監(jiān)測網(wǎng)絡發(fā)展起來以后，可以將網(wǎng)格細化，均勻化。網(wǎng)格劃分以后，根據(jù)網(wǎng)格的屬性，選擇監(jiān)測項目和方法，以此構(gòu)建多等級的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡（重點監(jiān)測內(nèi)容及方法見表1）。

4 總結(jié)及建議

北京市地面生態(tài)監(jiān)測開展了一定的工作，仍存在功能不全、結(jié)構(gòu)單一、技術(shù)相對落后的一些問題，北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡需要長期建設(shè)發(fā)展的思路，在初期，可以先建立起主體結(jié)構(gòu)，為此，本文總結(jié)出以城市生態(tài)系統(tǒng)為主體的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡、以生態(tài)功能區(qū)為依據(jù)的地面監(jiān)測網(wǎng)絡、均勻網(wǎng)格化的地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡3種主體結(jié)構(gòu)作為參考。通過對北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的初步研究，對北京市地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡提出以下幾點建議。

（1）考慮到政府管理需求，尤其在生態(tài)保護紅線管控、自然資源資產(chǎn)審計方面的需求，在建設(shè)初期，可以生態(tài)功能區(qū)為依據(jù)進行地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的建設(shè)，選取典型的生態(tài)功能區(qū)，在已有的環(huán)境要素監(jiān)測站基礎(chǔ)上建設(shè)固定的生態(tài)監(jiān)測站，以站帶點，逐步建設(shè)地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡。

（2）生態(tài)環(huán)境的精細化管理是未來的發(fā)展趨勢，在生態(tài)監(jiān)測固定站點建設(shè)的同時可按一定方法開展地面生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡的網(wǎng)格化劃分，確定精細的監(jiān)控單元。結(jié)合遙感監(jiān)測技術(shù)開展生態(tài)功能單元網(wǎng)格空間識別技術(shù)及空間現(xiàn)行生態(tài)監(jiān)管技術(shù)方面的研究。

（3）監(jiān)測網(wǎng)絡的持續(xù)發(fā)展需要監(jiān)測技術(shù)的支撐，在開展監(jiān)測站點建設(shè)的同時，要同時提高生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，尤其是生態(tài)指標的監(jiān)測能力和監(jiān)測規(guī)范標準，注重提高自動化監(jiān)測水平。

（4）為更好的進行生態(tài)環(huán)境管理，還需要提高地面生態(tài)監(jiān)測的信息化手段，通過建立生態(tài)大數(shù)據(jù)平臺等方式，充分實現(xiàn)信息共享，提高管理決策效率。