基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡規(guī)劃

郭 慧, 王 兵, 牛 香

中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091

基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡規(guī)劃

郭 慧, 王 兵, 牛 香*

中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所, 國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 北京 100091

森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站可為森林經營和生態(tài)效益評估提供基礎數據。以湖北省為例，設計森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的指標體系，基于球狀模型進行普通克里格插值，與GIS的空間疊置分析相耦合，生成湖北省生態(tài)地理區(qū)劃和生態(tài)功能區(qū)劃；建立森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的有效分區(qū)，進行森林生態(tài)站站點布設，構建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡；總結討論了該網絡的合理性和保障措施、與其它生態(tài)站網絡的比較和網絡規(guī)劃的局限性。結果表明：該網絡將湖北省劃分成12 個分區(qū)，共布設16 個森林生態(tài)站，其中計劃建設12 個生態(tài)站，已經建設4 個生態(tài)站；不僅可以監(jiān)測湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)面積，而且9 個森林生態(tài)站分布與湖北省4 個重點生態(tài)功能區(qū)和3 個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)相匹配。該網絡可以實現森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)要素的連續(xù)觀測與清查，為森林生態(tài)服務功能和生態(tài)效益評估，以及重大生態(tài)工程提供數據支撐和輔助決策分析依據。

森林生態(tài)站; 空間分析; 網絡規(guī)劃; 精度評價

當前生態(tài)環(huán)境惡化(如森林植被嚴重破壞和生物多樣性銳減等)對社會和經濟的發(fā)展造成較大的影響，直接威脅著人類的生存與健康。生態(tài)環(huán)境保護工作引起了各國政府的高度重視和公眾的廣泛關注[1]，我國啟動了系列重大生態(tài)建設工程[2]。中國共產黨第十八次全國代表大會指出要大力推進生態(tài)文明建設，把資源消耗、環(huán)境損害和生態(tài)效益納入經濟社會發(fā)展評價體系。評估生態(tài)系統(tǒng)或重大生態(tài)工程效益的最大制約因素在于基礎生態(tài)參數[3]的長期系統(tǒng)化、標準化獲取。因此，構建生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡非常關鍵。

國外發(fā)達國家的長期定位觀測研究比較成熟，如美國1939年建立了第一個森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測站Laguillo實驗站[4]，之后很多國家相繼開展了定位觀測研究工作，并逐漸由單獨生態(tài)定位站發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡；中國生態(tài)定位研究起步于20世紀50年代，近年來也逐步呈現出網絡化發(fā)展趨勢。綜合分析相關數據、資料和成果，根據生態(tài)系統(tǒng)網絡研究對象的差異可分為綜合性網絡和專題性網絡，其中綜合性網絡主要針對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變化開展研究，比如美國長期生態(tài)系統(tǒng)研究網絡(United States Long-Term Ecological Research, US-LTER)[5]、英國環(huán)境變化網絡(Environment Change Network, ECN)[6]、加拿大生態(tài)監(jiān)測和評估網絡(Ecological Monitoring and Assessment Network(Canada), EMAN)[7]，中科院系統(tǒng)組建的中國生態(tài)系統(tǒng)定位研究網絡(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)[8-10]主要針對中國各種生態(tài)系統(tǒng)類型開展長期監(jiān)測研究，已建設42個生態(tài)系統(tǒng)試驗站；專題性網絡主要針對區(qū)域內某項專題內容開展研究，比如歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)研究網絡(European Forest Ecosystem Research Network, EFERN)[11]、亞洲CO2通量監(jiān)測網(AsiaFlux)[12]，國家林業(yè)局組建的中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)[13,14]主要針對中國森林生態(tài)系統(tǒng)開展長期連續(xù)觀測與清查，已建設90 個森林生態(tài)站。

不同尺度上開展森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究的側重點是不同的[15]。全球、地區(qū)和國家尺度的長期觀測研究主要側重重大生態(tài)問題的長期定位觀測與集成研究，旨在為生態(tài)環(huán)境建設與保護、政治外交等提供決策依據。區(qū)域和省域尺度的長期觀測研究主要側重重點林業(yè)生態(tài)工程建設和生態(tài)環(huán)境熱點問題，開展森林生態(tài)系統(tǒng)關鍵生態(tài)要素作用機理研究。由于森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域分布完整性和多樣性的特點，在市級或縣級尺度上全面開展網絡布局的工作使得生態(tài)站布設存在重復的可能性，不僅不能體現典型抽樣的思想，而且投資成本過大。因此，選擇省域尺度進行森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的建設，其主要目的是通過長期定位的監(jiān)測，從格局-過程-尺度有機結合的角度，研究水分、土壤、氣象、生物要素的物質轉換和能量流動規(guī)律，定量分析不同時空尺度上生態(tài)過程演變、轉換與耦合機制，建立森林生態(tài)環(huán)境及其效益的評價、預警和調控體系，揭示該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能、演變過程及其影響機制。

湖北省植被資源非常豐富，具有典型的南北過渡特征，也是中國東西植物區(qū)系的過渡地帶。省內重大生態(tài)工程集中分布，如三峽工程、南水北調工程、退耕還林工程、天然林資源保護工程、林業(yè)血防工程等，而森林生態(tài)站站點只有4 個且只分布于鄂西地區(qū)，無法對本省其它區(qū)域進行有效監(jiān)測。隨著現代遙感、地理信息系統(tǒng)和模型等技術的不斷發(fā)展與成熟，為生態(tài)系統(tǒng)變化時空尺度數據獲取提供了重要的技術手段和方法[16]。遙感技術已在區(qū)域生態(tài)效益評估[17]、森林健康監(jiān)測[18]和森林生物量監(jiān)測[19]等方面發(fā)揮了很好的作用，但也存在一定的局限性，如由于空間分辨率和光譜特征的限制，無法獲取森林樹高、胸徑等生態(tài)系統(tǒng)結構參數信息；森林生態(tài)功能遙感監(jiān)測模型還難以有效支撐水源涵養(yǎng)、保育土壤、營養(yǎng)物質積累等領域的研究；森林生態(tài)參數遙感反演的精度問題等。為此需要構建湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡，把生態(tài)系統(tǒng)組成、結構和過程的野外長期定位監(jiān)測與相對宏觀尺度的景觀結構和過程的遙感監(jiān)測相結合是下一步的重要工作。

本文綜合考慮區(qū)域地形、植被、氣候和重大生態(tài)工程的典型代表性，以湖北省為例，基于GIS的技術構建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡，并討論了該網絡的合理性和保障措施、與其它生態(tài)站網絡的比較和網絡規(guī)劃的局限性，將GIS的空間分析功能整合應用到森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的布局建設中，以期探索出更加科學合理的生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的布局構建方法。

1 研究區(qū)概況

湖北省地處長江中游，位于108°21′—116°07′E，29°05′—33°20′N。地勢西高東低，鄂西多為山地，北部多丘陵，東南部為大面積平原，且湖泊眾多。該區(qū)域是北亞熱帶和中亞熱帶的過渡區(qū)域，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫15—22 ℃，年降水量800—1600 mm。湖北省生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，主要有森林、濕地、農田和城市等。湖北省森林面積713.86萬hm2，主要分布在鄂西、鄂北和鄂東南，主要森林類型為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌叢和經濟林。湖北省在鄂西地區(qū)已建設森林生態(tài)站4 個，分別是大巴山、神農架、秭歸和恩施森林生態(tài)站(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

采用的數據主要包括：湖北省氣象站溫度日值數據(1981—2010年)，來源于中國國家氣象局；地形區(qū)劃數據，來源于湖北省林業(yè)科學研究院；數字高程模型(DEM)數據來源于美國太空總署和國防部國家測繪局；植被區(qū)劃和植被圖斑矢量數據，來源于張新時《中國植被》[20]的植被區(qū)劃和植被圖部分；重點生態(tài)功能區(qū)，來源于國務院2010年《全國主體功能區(qū)規(guī)劃》[21]；生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)，來源于國家環(huán)境保護部2010年《中國生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃》[22]；湖北省行政區(qū)劃數據，來源于湖北省國土資源廳。

利用氣象站溫度日值數據處理分析得到年積溫和積溫天數數據，通過普通克里格法對其進行空間插值；利用DEM數據對地形區(qū)劃數據進行校正；利用湖北省行政區(qū)劃空間裁切獲取湖北省溫度、地形、植被和生態(tài)功能區(qū)劃數據。

2.2 研究方法

森林生態(tài)站網絡規(guī)劃布局以典型抽樣思想為基礎，即選取典型有代表性的地點布設森林生態(tài)站進行長期定位觀測。生態(tài)區(qū)劃充分體現了一個區(qū)域的空間分異性規(guī)律，是實現典型抽樣的有效途徑，為此本規(guī)劃首先綜合考慮溫度、植被、水分和地形因素構建湖北省生態(tài)地理區(qū)劃，結合重點生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)生成湖北省生態(tài)功能區(qū)劃；其次在生態(tài)地理區(qū)劃的基礎上優(yōu)先考慮生態(tài)功能區(qū)劃獲取森林生態(tài)站網絡規(guī)劃有效分區(qū)，在有效分區(qū)內進行森林生態(tài)站站點布設，完成湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡規(guī)劃。采用的技術流程主要包括指標體系設計、功能區(qū)劃和網絡構建3 個步驟(圖2)。

圖2 技術流程圖Fig.2 Flow chart of technical methods

2.2.1 指標體系

指標體系主要有溫度指標、植被指標、地形指標和生態(tài)功能區(qū)指標。因湖北省全部位于亞熱帶季風濕潤地區(qū)，故不考慮水分指標。

(1) 溫度指標 選擇日均溫≥10 ℃的年積溫和積溫天數為指標[23]，原因在于日均溫10 ℃與絕大多數喬木樹種葉子的萌發(fā)與枯萎大體相吻合[24]，大于該界限溫度的持續(xù)日數和積溫對林業(yè)具有重要的指示作用。

(2) 植被指標 選擇中國植被區(qū)劃第五級區(qū)劃作為植被指標，主要是該級區(qū)劃側重局部水熱狀況、中等地貌單元造成的差異，并且根據占優(yōu)勢的植被分類單元進行區(qū)劃。

(3) 地形指標 選擇經DEM校正后的地形區(qū)劃為指標，該區(qū)劃將湖北省分為6 個分區(qū)，分別是鄂西北山地及丹江庫區(qū)、鄂北低丘崗地區(qū)、鄂東北低山丘陵區(qū)、鄂西南山地及三峽庫區(qū)、鄂東南幕阜山地區(qū)、江漢平原地區(qū)。

(4) 生態(tài)功能區(qū)指標 將重點生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性優(yōu)先保護區(qū)分別與湖北省行政區(qū)劃數據進行空間疊置分析，篩選出森林生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)功能區(qū)作為指標。重點生態(tài)功能區(qū)有大別山水土保持生態(tài)功能區(qū)、秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)、三峽庫區(qū)水土保持生態(tài)功能區(qū)、武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)。生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)有武陵山區(qū)，大巴山區(qū)和大別山區(qū)。

2.2.2 功能區(qū)劃

由于球狀模型用于普通克里格插值精度最高，且優(yōu)于常規(guī)插值方法[25]，因此本文采用球狀模型進行變異函數擬合。球狀模型公式如下：

(1)

式中，C0為塊金效應值，表示h很小時兩點間變量值的變化；C為基臺值，反映變量在研究范圍內的變異程度；a為變程，h為滯后距離。

基于球狀模型通過普通克里格方法構建湖北省溫度區(qū)劃，通過GIS空間裁剪得到湖北省植被區(qū)劃。湖北省溫度區(qū)劃和植被區(qū)劃以及DEM校正后的地形區(qū)劃進行疊置分析，指標圖層完全重合部分即為相對均質區(qū)域，破碎部分可采用長邊合并原則合并到相鄰區(qū)域，從而獲取湖北省生態(tài)地理區(qū)劃。選取重點生態(tài)功能區(qū)、生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)和湖北省行政區(qū)劃數據進行GIS空間疊置分析，提取森林生態(tài)功能類型，空間合并相同屬性后獲取湖北省生態(tài)功能區(qū)劃。

2.2.3 網絡構建

在湖北省生態(tài)地理區(qū)劃的基礎上，提取相對均質區(qū)域作為森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的目標靶區(qū)，并對森林生態(tài)站的監(jiān)測范圍進行空間分析，確定森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的有效分區(qū)；其次在有效分區(qū)的基礎上，優(yōu)先考慮生態(tài)功能區(qū)，通過ArcGIS中的Feature To Point(Inside)功能提取區(qū)劃的空間內部中心點布設森林生態(tài)站，對森林生態(tài)站的站點密度進行空間分析后確定森林生態(tài)站站點位置，從而完成湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡構建。

3 結果與分析

3.1 森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的有效分區(qū)

湖北省溫度區(qū)劃、植被區(qū)劃和地形區(qū)劃用GIS進行空間疊置分析，所有指標圖層重合的區(qū)域即為相對均質區(qū)域，破碎部分可采用長邊合并的原則合并至相鄰區(qū)域，共生成12個目標靶區(qū)。分區(qū)編碼命名規(guī)則為溫度區(qū)劃+水分區(qū)劃+流水號，其中溫度帶Ⅰ：日均溫≥10 ℃年均積溫4500—5100 ℃，積溫天數220—240d；溫度帶Ⅱ：日均溫≥10 ℃年均積溫5100—6400 ℃，積溫天數240—285d；A表示區(qū)內干濕指數≤0.99，屬于濕潤地區(qū)。

相對均質區(qū)域作為森林生態(tài)站布設的目標靶區(qū)，若布設森林生態(tài)站后，該生態(tài)站實際監(jiān)測范圍則能夠覆蓋整個相對均質區(qū)域，未均質區(qū)域即破碎部分是森林生態(tài)站不能監(jiān)測的區(qū)域。出現森林生態(tài)站網絡未監(jiān)測區(qū)的原因主要在于該區(qū)域處在山地向平原過渡地區(qū)，地形起伏較大，植被類型復雜多樣且相對破碎、面積較小，不具有典型代表性，如江漢平原周邊區(qū)域，在進行植被、地形和溫度區(qū)劃空間分析時表現為非均質，出現圖斑破碎情況。

基于植被圖斑矢量數據和生態(tài)功能區(qū)劃數據，從森林、生態(tài)功能區(qū)、重點生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)4個層次分別對森林生態(tài)站網絡監(jiān)測范圍進行空間分析。利用相對誤差方法對監(jiān)測范圍進行精度評價，具體公式為

(2)

式中,P為監(jiān)測精度；X為森林生態(tài)站網絡可監(jiān)測面積；T為生態(tài)地理區(qū)劃中的實有面積。

利用公式2計算該網絡的監(jiān)測精度(表1)。

表1 森林生態(tài)站網絡監(jiān)測類型面積精度

-表示該分區(qū)無此類別

(1) 森林面積的總監(jiān)測精度為81.8%。監(jiān)測精度最高的分區(qū)為ⅡA2，精度達到91.9%，該區(qū)域森林資源豐富，地形地貌較為單一且均為山地；監(jiān)測精度最低的分區(qū)為ⅡA4，精度為65.4%，該區(qū)域是鄂西山地向江漢平原過渡的地帶，地形情況較為復雜，監(jiān)測缺失較大。

(2) 生態(tài)功能區(qū)面積的總監(jiān)測精度為88.9%。監(jiān)測精度最高的分區(qū)是ⅡA1，可監(jiān)測100%的秦巴山地生物多樣性生態(tài)功能區(qū)；監(jiān)測精度最低的分區(qū)是ⅡA5，精度為82.3%，原因在于ⅡA5的生態(tài)功能區(qū)均分布在該分區(qū)的邊界線附近，相對比較破碎。

(3) 重點生態(tài)功能區(qū)面積的總監(jiān)測精度為98.2%。分區(qū)ⅠA1、ⅠA2、ⅡA2、ⅡA4、ⅡA7、ⅡA8的監(jiān)測精度均達到100%；監(jiān)測精度最低的分區(qū)是ⅡA5，精度為92.4%，該區(qū)域位于鄂西北山地及丹江庫區(qū)和鄂北低丘崗地區(qū)的過渡地帶，地形地貌變化較大。

(4) 生物多樣性優(yōu)先保護區(qū)面積的總監(jiān)測精度為87.5%。除ⅠA1、ⅡA9、ⅡA10分區(qū)外，其余分區(qū)對生物多樣性優(yōu)先保護區(qū)面積監(jiān)測精度差異很小，原因在于湖北省3個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)均橫跨2個分區(qū)。

若在目標靶區(qū)內布設森林生態(tài)站，則森林生態(tài)站網絡可以監(jiān)測覆蓋湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)面積，證明該目標靶區(qū)劃分科學合理，可作為森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的有效分區(qū)。

3.2 森林生態(tài)站網絡規(guī)劃的站點布設

在湖北省12 個有效分區(qū)的基礎上，進行森林生態(tài)站站點布設。森林生態(tài)站站點位置選擇標準如下：

(1)每個分區(qū)應該至少布設1 個森林生態(tài)站。若該分區(qū)有已建森林生態(tài)站，則把已建森林生態(tài)站納入網絡規(guī)劃，不再重新建設森林生態(tài)站；反之，則需要重新布設森林生態(tài)站。

(2)若該分區(qū)沒有已建森林生態(tài)站，優(yōu)先考慮該分區(qū)的生態(tài)功能區(qū)劃，提取生態(tài)功能區(qū)的空間內部中心點布設森林生態(tài)站。若生態(tài)功能區(qū)面積小于分區(qū)面積的50%，則還需要提取除了生態(tài)功能區(qū)外區(qū)域的空間內部中心點補充布設森林生態(tài)站。

(3)若該分區(qū)沒有已建森林生態(tài)站和生態(tài)功能區(qū)，則直接提取分區(qū)的空間內部中心點布設森林生態(tài)站。

根據網絡布設方法步驟和生態(tài)站站點位置選擇標準對湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡進行規(guī)劃布局，結果表明湖北省需要布設16 個森林生態(tài)站。湖北省森林生態(tài)站網絡的站點密度進行空間分析如下：16 個森林生態(tài)站分布區(qū)域為西部地區(qū)布設7 個，中部地區(qū)布設4 個，東部地區(qū)布設5 個。從布設密度上看，西部地區(qū)比中部和東部高。從2 個方面做系統(tǒng)分析：一是從森林分布上分析。鄂西地區(qū)是湖北省森林資源的主要分布區(qū)，森林分布遠多于東部和中部地區(qū)，森林覆蓋率可達46.3%；中部和東部地區(qū)人為活動較多，原生植被破壞嚴重，多為次生林。江漢平原農業(yè)發(fā)展較好，現多為栽培植被，以經濟林為主，類型較為單一；二是從生態(tài)功能上分析。湖北省4 個重點生態(tài)功能區(qū)和3 個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)主要分布在西部和東北部地區(qū)，共布設森林生態(tài)站9 個，其中西部布設6 個，東北部布設3 個，保證了森林生態(tài)站站點分布與重點生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)相匹配。

綜上所述，基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡規(guī)劃結果如圖3所示，圖中不同顏色代表12 個有效分區(qū)，共布設16 個森林生態(tài)站，其中計劃建設12 個森林生態(tài)站(綠色)，生態(tài)站命名編碼為S01—S12；已經建設4 個森林生態(tài)站(藍色)，生態(tài)站站名分別是大巴山、神農架、秭歸和恩施；各個森林生態(tài)站站點的具體情況如表2所示。

圖3 湖北省森林生態(tài)站網絡規(guī)劃布局Fig.3 Hubei forest ecosystem research network plan

4 結論與討論

基于GIS規(guī)劃的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡將湖北省劃分成12 個有效分區(qū)，共布設16個森林生態(tài)站，其中計劃建設12 個森林生態(tài)站，已經建設4 個森林生態(tài)站。該網絡可以監(jiān)測覆蓋湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)面積；9 個森林生態(tài)站分布與湖北省4 個重點生態(tài)功能區(qū)和3 個生物多樣性保護優(yōu)先區(qū)相匹配。該結果論證了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡建設的科學合理性。

表2 湖北省規(guī)劃的森林生態(tài)站站點

4.1 保障措施

(1)組織機構和政策保障 組建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡管理中心，全面負責生態(tài)站建設、運行和日常管理。該網絡的建設符合國家的相關政策和精神，項目的建設方案按照國家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的相關要求進行，其建設具有有力的法律、法規(guī)和政策保障。

(2)經費保障 森林生態(tài)站網絡建設已經納入公益性事業(yè)，其基礎設施建設和基本運行以政府財政投資為主，并采取部門匹配和地方配套等多渠道籌資辦法可以保障生態(tài)站網長期穩(wěn)定的投入。同時還要積極籌措多方資金，鼓勵和引導企業(yè)、社會資本投入生態(tài)站網的建設和科研工作。通過建立撥款、自籌經費相結合的經費投入機制，保障森林生態(tài)站網絡建設、運行和科研費用投入的可持續(xù)性。

(3)管理保障 森林生態(tài)站的建設、運行、管理和數據收集等工作嚴格遵循中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標準《森林生態(tài)站建設技術要求》[26]、《森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標體系》[3]、《森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法》[27]的規(guī)定。維護生態(tài)站基礎設施和觀測儀器的正常運行以保證觀測數據的質量。圍繞生態(tài)站建設、儀器設備管理、實驗室運行、觀測研究等制訂相應的管理制度，切實保證森林生態(tài)站的高效規(guī)范運行。

(4)加強隊伍建設 對生態(tài)站的專業(yè)科技人員和管理人員開展定期培訓，提高綜合業(yè)務能力和素質；重視學術帶頭人以及技術骨干隊伍的培養(yǎng)與提高；形成人員梯隊合理、結構穩(wěn)定的高水平管理與科研隊伍，保障生態(tài)站的研究水平。綜上所述，該森林生態(tài)站網絡建設能夠按照計劃順利開展實施。

4.2 不同生態(tài)站網絡的比較

目前國內外已有若干不同研究尺度和研究目的生態(tài)站網絡，基本上都遵循“先建設后納入”模式，即根據網絡特點選擇較為成熟的生態(tài)站構建網絡。而本文所建網絡遵循“先布局再建設”模式，首先結合已建森林生態(tài)站進行湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的規(guī)劃布局，再按照規(guī)劃布局結果進行森林生態(tài)站的建設，該模式更能表現規(guī)劃網絡的綜合性和整體性，也體現了典型抽樣的思想。這種模式的網絡建設只有美國國家生態(tài)觀測站網絡(National Ecological Observatory Network, NEON)[28]和中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡(CFERN)，區(qū)別在于NEON主要依據多元地理分組算法對全美生態(tài)氣候變量數據集進行區(qū)域聚類獲得分區(qū)，而湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡主要是對溫度區(qū)劃、植被區(qū)劃、地形區(qū)劃和生態(tài)功能區(qū)劃進行空間疊置分析獲得分區(qū)，在省域尺度細化CFERN并將逐步納入該體系。

4.3 網絡規(guī)劃的局限性

將GIS技術整合應用到森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡的建設中，在空間尺度上不僅可以直觀展示網絡規(guī)劃結果，而且可以對其進行空間分析和綜合分析。然而該網絡規(guī)劃在數據方面也存在一定的局限性，比如無法獲取與其它數據同期的湖北省植被分布數據，張新時所著《中國植被》中江漢平原地區(qū)部分經濟林與農作物存在一定的混分現象，可能會致使網絡規(guī)劃布局結果出現微小的偏差。

湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡可以實現湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)要素的連續(xù)觀測與清查，不僅在省域尺度補充和完善CFERN體系，而且也為森林健康監(jiān)測與評價、重大生態(tài)工程輔助決策和生態(tài)效益評估等提供決策支持。盡管在進行網絡規(guī)劃時存在一定的不足，但本文提出的研究方法具有一定的實際應用推廣價值，也為其它省份和地區(qū)在進行生態(tài)站網絡建設時提供一定的參考價值和借鑒意義。

[1] 曹世雄, 陳軍, 陳莉, 高旺盛. 關于我國國民環(huán)境的態(tài)度調查. 生態(tài)學報, 2008, 28(2):735-741.

[2] 李世東, 翟洪波. 世界林業(yè)生態(tài)工程對比研究. 生態(tài)學報, 2002, 22(11):1976-1982.

[3] 國家林業(yè)局. LY-T1606-2003森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標體系. 北京:中國標準出版社, 2008.

[4] 國家林業(yè)局. 國家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網絡中長期發(fā)展規(guī)劃(2008-2020年). 北京. 2008.

[5] Hobbie J E, Carpenter S R, Grimm N B, Gosz J R, Seastedt T R. The US long term ecological research program. Bioscience, 2003, 53(1):21-32.

[6] Miller J D, Adamson J K, Hirst D. Trends in stream water quality in environmental change network upland catchments:the first 5 years. Science of the Total Environment, 2001, 265(1/3):27-38.

[7] Vaughan H, Brydges T, Fenech A, Lumb A. Monitoring long-term ecological changes through the ecological monitoring and assessment network:science-based and policy relevant. Environmental Monitoring and Assessment, 2001, 67(1/2):3-28.

[8] 黃鐵青, 劉健, 陳泮勤, 傅伯杰. 中國科學院資源環(huán)境科學領域野外觀測試驗站工作進展. 中國科學院院刊, 2002, 17(3):231-234.

[9] 黃鐵青, 牛棟. 中國生態(tài)系統(tǒng)研究網絡(CERN):概況、成就和展望. 地球科學進展, 2005, 20(8):895-902.

[10] Fu B J, Li S G, Yu X B, Yang P, Yu G R, Feng R G, Zhuang X L. Chinese ecosystem research network:progress and perspectives. Ecological Complexity, 2010, 7(2):225-233.

[11] Andersson F O, Feger K H, Huttl R F, Krauchi N, Mattsson L, Sallnas O, Sjoberg K. Forest ecosystem research priorities for Europe. Forest Ecology and Management, 2000, 132(1):111-119.

[12] 王文杰, 石福臣, 祖元剛, 楊逢建, 毛子軍, 小池孝良. 陸地生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量網的建設和發(fā)展. 東北林業(yè)大學學報, 2002, 30(4):57-61.

[13] 王兵, 崔向慧, 楊鋒偉. 中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網絡的建設與發(fā)展. 生態(tài)學雜志, 2004, 23(4):84-91.

[14] Niu X, Wang B, Wei W J. Chinese forest ecosystem research network:a platform for observing and studying sustainable forestry. Journal of Food, Agriculture & Environment, 2013, 11(2):1008-1016.

[15] Lindenmayer D B, Likens G E. The science and application of ecological monitoring. Biological Conservation, 2010, 143(6):1317-1328.

[16] 李文華, 張彪, 謝高地. 中國生態(tài)系統(tǒng)服務研究的回顧與展望. 自然資源學報, 2009, 24(1):1-10.

[17] 王曉慧, 陳永富, 陳爾學, 張元應, 雒艷蘭. 基于遙感和GIS的三北防護林工程生態(tài)效益評價研究——以山西省中陽縣為例. 水土保持通報, 2011, 31(5):171-175.

[18] 高廣磊, 信忠保, 丁國棟, 李叢叢, 張佳音, 梁文俊, 安云, 賀宇, 肖萌, 李文葉. 基于遙感技術的森林健康研究綜述. 生態(tài)學報, 2013, 33(6):1675-1689.

[19] Lu D S. The potential and challenge of remote sensing-based biomass estimation. International Journal of Remote Sensing, 2006, 27(7):1297-1328.

[20] 中國科學院中國植被圖編輯委員會. 中國植被及其地理格局-中華人民共和國植被圖(1:1000000). 北京:地質出版社, 2007.

[21] 中華人民共和國國務院. 全國主體功能區(qū)規(guī)劃——構建高效、協(xié)調、可持續(xù)的國土空間開發(fā)格局. 北京. 2010.

[22] 中華人民共和國環(huán)境保護部. 中國生物多樣性保護戰(zhàn)略與行動計劃(2011-2030年). 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2011.

[23] 鄭度. 中國生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)研究. 北京:商務印書館, 2008.

[24] 陳咸吉. 中國氣候區(qū)劃新探. 氣象學報, 1982, 40(1):35-47.

[25] 何亞群, 左蔚然, 張書敏, 勞國洪, 段晨龍. 基于地質統(tǒng)計學的煤田煤質插值方法比較. 煤炭學報, 2008, 33(5):514-517.

[26] 國家林業(yè)局. LY-T1626-2005森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站建設技術要求. 北京:中國標準出版社, 2005.

[27] 國家林業(yè)局. LY-T1952-2011森林生態(tài)系統(tǒng)長期定位觀測方法. 北京:中國標準出版社, 2011.

[28] NEON (The National Ecological Observatory Network). The NEON Strategy-Enabling Continental Scale Ecological Forecasting. United States, Washington, D. C.:NEON. 2009.

A plan for a forest ecosystem observation research network, based on GIS, in Hubei province

GUO Hui, WANG Bing, NIU Xiang*

KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration;ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentalandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Forest ecosystem observation research stations provide valuable data for forest management and ecological benefit assessments. Currently, the lack of long-term, standardized ecological data is one of the most important factors limiting effective ecological benefit assessments and the implementation of ecological engineering projects. As a result, there is a need to plan forest ecosystem observation research networks. This study focuses on the development of a forest ecosystem observation research network for Hubei province, China. First, the main indicators used as a basis for network planning were defined. These included temperature, vegetation type, terrain, and functional ecological zone. Annual accumulated temperatures (average daily temperature ≥10 ℃) and accumulated temperature days (average daily temperature ≥10 ℃) were selected as the temperature indicators. Vegetation groups in level 5 of the China vegetation regionalization program were chosen as the vegetation indicator. Terrain data, corrected by the digital elevation model (DEM), were chosen as the terrain indicator. Zones with different ecological functions within forest types were selected as ecological function indicators. These were also defined by overlying important ecological function zones and priority biodiversity conservation zones. Interpolation was carried out using ordinary kriging with a spherical model in ArcGIS software. This GIS analysis enabled the creation of a zoning plan for Hubei province that included eco-geographic and ecological function aspects. Second, relatively homogeneous areas were identified as target areas for the forest ecosystem monitoring network on the basis of the eco-geographic zones of Hubei Province. A spatial analysis of the monitoring scope was implemented to determine the potential coverage of the network plan. Functionally important zones were identified as a priority and the areas at the centers of these zones were located with ArcGIS software. The final stage in the development of the forest ecosystem observation research network plan was a spatial analysis of the density of forest ecological stations to determine optimal station locations. The results of our analysis indicated that an optimal forest ecological monitoring network is achieved when Hubei province is divided into 12 partitions and 16 forest ecological stations are constructed; 12 forest ecological stations are planned and 4 forest ecological stations are established. In this network, the area of forest monitored and the accuracy of the ecological function zone area were as high as 81.8% and 88.9%, respectively. In addition, coverage of important ecological function areas and biodiversity conservation priority areas was also high, with accuracies reaching 98.2% and 87.5%, respectively. The plan to include nine forest ecological stations was consistent with the existence of four important ecological function zones and three biodiversity conservation priority zones. The results provide strong scientific evidence for the adoption of a forest ecosystem observation research network planning approach in Hubei province. Finally, the safeguards for this network were analyzed, including organization and policy, funding, management, and team building. The construction, operation, and management of ecological monitoring stations and data collection work followed the People′s Republic of China forestry industry standards. The development of this network followed a “plan first and then build” approach and differed in a number of ways from other networks. There were some limitations to the data collection capacity of this network. For example, the presence of forests and crops on the Jianghan Plain resulted in classification errors that slightly influenced the results. To conclude, this monitoring network enables the effective implementation of forest ecosystem monitoring and provides data for assessment of forest ecosystem services and ecological benefits, along with providing important information that aids decision-making for major ecological projects.

forest ecological monitoring station; spatial analysis; observation network planning; accuracy assessment

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204101, 201404303); 國家林業(yè)局林業(yè)軟科學研究項目(2013-R03)

2014-04-02; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201404020627

*通訊作者Corresponding author.E-mail: niuxiang@caf.ac.cn

郭慧, 王兵, 牛香.基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網絡規(guī)劃.生態(tài)學報,2015,35(20):6829-6837.

Guo H, Wang B, Niu X.A plan for a forest ecosystem observation research network, based on GIS, in Hubei province.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6829-6837.