城市森林生態(tài)系統(tǒng)長期觀測研究及服務管理
——以許昌城市森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站為例

裴柏洋

(許昌市林業(yè)技術推廣站，河南 許昌 461000)

1 引言

城市森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究能夠為城市森林生態(tài)效益監(jiān)測評估、相關生態(tài)工程輔助決策和生態(tài)城市及森林城市經營建設提供數據支持[1]。城市森林生態(tài)系統(tǒng)長期觀測研究是一項長遠持久的工程，隨著城市行政區(qū)劃布局的調整改變、城市建成區(qū)功能設施的不斷完善、城區(qū)綠化率的消長變化，以及觀測平臺周邊植被的更新、人口密度的增減、觀測儀器設備和觀測技術的發(fā)展完善等，城市森林生態(tài)系統(tǒng)的數據采集結果會呈現明顯的差異化。在此過程中積累的相關數據、方法和經驗，能夠為其他綜合生態(tài)系統(tǒng)和專項生態(tài)系統(tǒng)研究提供參考，為人們開展延伸性研究提供必要條件，能夠幫助提升和完善城市森林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務功能，同時也為城市森林生態(tài)系統(tǒng)的深入觀測研究提供一定的參考和借鑒。

2 基本概況及研究方向

許昌市位于河南省中部，地勢平坦，屬暖溫帶半濕潤大陸季風性氣候，四季分明。許昌市先后榮獲國家森林城市、國家生態(tài)園林城市等榮譽稱號。許昌城市森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站地處許昌市魏都區(qū)，地理坐標為北緯34°02′、東經113°47′，生態(tài)站于2011年建成并正式開始運行，對城市區(qū)域內的空氣溫度、土壤溫度、大氣壓力、相對溫度、風速、降雨量、太陽輻射等生態(tài)因子進行全面觀測，按要求及時編制生成數據月報表和年報表。

主要研究方向：一是進行長時間、大尺度、多要素的觀測數據積累；二是完善和強化城市森林生態(tài)系統(tǒng)基礎平臺、信息平臺、研究平臺及服務平臺建設；三是通過對長期觀測數據進行研究，揭示生態(tài)系統(tǒng)的變化規(guī)律、演變態(tài)勢及發(fā)展趨勢。

3 標準現狀

隨著各類生態(tài)系統(tǒng)站網的不斷發(fā)展完善，專項生態(tài)系統(tǒng)觀測在觀測項目、觀測指標、觀測方法、數據采集與獲取以及運行管理等方面步入規(guī)范化和標準化。針對城市生態(tài)系統(tǒng)，國家林業(yè)和草原局發(fā)布了《城市生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站建設技術規(guī)范》(LY/T2989-2018)、《城市生態(tài)系統(tǒng)定位觀測指標體系》(LY/T2990-2018)等實施標準。

3.1 臺站建設運行

城市森林生態(tài)系統(tǒng)觀測站目前主要分為定位觀測站和移動監(jiān)測站。定位觀測站包括人工觀測站和自動監(jiān)測塔，人工觀測站和自動監(jiān)測塔分別在固定樣地內對氣象、大氣、土壤等要素進行綜合觀測。移動監(jiān)測站在城市森林生態(tài)系統(tǒng)中選取特定的觀測樣地和觀測位點，主要對氣象、大氣、水文、土壤、植物群落以及空氣質量等要素進行專項監(jiān)測，并進行相關試驗測試和實驗分析。

3.2 數據獲取與處理

城市森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測站的人工觀測站每天定時定點對相應儀器設備上的數據進行讀取和抄錄，并將數據輸入到計算機觀測軟件中進行運算處理；自動監(jiān)測塔的監(jiān)測數據每隔1 h自動記錄并保存，通過遠程無線傳輸發(fā)送到指定存儲電腦中。移動監(jiān)測站在選取的特定樣地現場以定時讀取的方式記錄相應數據，監(jiān)測結束之后將原始數據帶回保存并分級分類進行相應的運算處理。

3.3 數據質量控制與管理

按照生態(tài)系統(tǒng)觀測監(jiān)測的標準和規(guī)范，適時對數據庫中各個儀器的觀測數據和監(jiān)測數據的質量進行檢查和分析，對來源、精度、指標和時間等屬性數據有異常的進行標注并及時研判，同時對相應的儀器設備進行排查，分析異常原因。對正常范圍內的異常數據做好備注和說明，對錯誤的異常數據查找問題原因，在數據信息處理和分析時予以剔除，并及時對設備故障進行修復。

4 運行管理

城市森林生態(tài)系統(tǒng)觀測臺站實行規(guī)范化、科學化管理，按照生態(tài)站運行管理規(guī)范和制度，對各類觀測設施和儀器設備進行定期維護，對觀測結果適時進行檢查和評估，確保儀器設備運行正常，觀測監(jiān)測程序標準到位，數據信息采集結果準確、完整、連續(xù)、規(guī)范，同時做好各類檔案資料的分級分類保存和管理工作。

5 應用與服務

5.1 數據應用

通過長期觀測積累的數據，為城市森林生態(tài)效益的量化評價、環(huán)境效益的定量評估與調控[2]、相關科學研究以及社會發(fā)展服務提供重要研究數據。長期觀測研究的數據結果，為城市森林生態(tài)系統(tǒng)及其資源的研究提供廣泛的信息資料，為城市生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃、管理和決策提供可靠的數據支持，為城市生態(tài)系統(tǒng)保護與開發(fā)利用提供有效的參考依據。將觀測和研究成果應用到對城市森林生態(tài)系統(tǒng)物質量和價值量的分析探究中，從而為更高層次、更加宏觀的研究和決策提供理論支持。

5.2 信息服務

一方面，通過構建以監(jiān)測數據為關鍵要素的城市森林生態(tài)信息平臺，能夠科學評估和實時反饋本地區(qū)的生態(tài)效益，能夠客觀、完整、準確、全面的反映城市森林生態(tài)系統(tǒng)的地位和作用，從而準確直觀的表達、反映和評價本地區(qū)林業(yè)生態(tài)建設成效；另一方面，基于多源遙感手段提取的觀測和研究成果，能夠立體化的反映出土地利用時空變化和強度變化以及森林覆蓋面積變化對生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域性服務價值的影響[3]，為城市森林生態(tài)經濟量化核算及研究應用提供詳細具體的論證信息，為城市生態(tài)管理制度的制定提供扎實可靠的決策信息和技術依據。

6 建議和發(fā)展方向

6.1 深入本質掌握觀測儀器的結構和原理

生態(tài)站管理和觀測人員應熟悉并熟練掌握生態(tài)站觀測儀器設備的結構原理及技術性能，對觀測儀器的使用要點和技術要領要全面掌握，對機械結構和工作原理要深入了解，一方面減小觀測儀器長年使用出現的觀測誤差，使觀測結果更加準確[4]；另一方面確保及時有效應對可能出現的各種機械故障，最大程度減少對觀測連續(xù)性、穩(wěn)定性的影響。如自記雨量計，在降水量達到指針下落的位點之后，儀器內部的儲存水排不出來，指針不歸零，自記紙不能正常顯示實際降水量；經多方查找原因之后發(fā)現，是連接排水裝置的橡膠接口出現老化，密封不嚴，導致儀器內部的儲存水無法正常排出，在更換橡膠接口之后，自記雨量計恢復正常運行。

6.2 加強同高校學科和城市發(fā)展的銜接與融合

一方面，加強與高校的聯(lián)系和交流合作，向高校相關院系師生進行針對性的推介，吸引高校相關專業(yè)師生進駐生態(tài)站研究學習，在滿足高校對林業(yè)生態(tài)實踐需求的同時，充分發(fā)揮城市森林生態(tài)站的專業(yè)特色和社會價值，同時利用高校的學科和專業(yè)優(yōu)勢，進一步提升生態(tài)站的建設水平和觀測能力[5]；另一方面，對生態(tài)站的研究成果加強推廣，積極主動回應社會公眾對城市森林生態(tài)福利共享、生態(tài)健康及生態(tài)安全的關注和關切，有效提升生態(tài)站在地區(qū)經濟社會發(fā)展和生態(tài)建設中的權重，增強社會影響力，使城市森林生態(tài)站成為城市規(guī)劃、建設和發(fā)展過程中不可忽視的一部分，從而在城市總體規(guī)劃調整建設中贏得更廣闊的發(fā)展空間。

6.3 加強城市森林生態(tài)系統(tǒng)信息服務平臺建設

通過先進智能設備和傳感技術，建立符合需求的生態(tài)數據傳輸和處理的一體化物聯(lián)網平臺[6]，減少在數據采集過程中人力物力的耗費，降低觀測難度，提高數據獲取的連續(xù)性、準確性，做到時刻監(jiān)控、實時傳輸、定時更新、精準管理和高效運用，進而獲取長時間、多層次、大尺度、多要素、高質量的生態(tài)數據，達到在精確評估城市森林生態(tài)系統(tǒng)基本表征的同時，準確把握城市森林生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化規(guī)律，實現對城市森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)狀況的精準監(jiān)測和研究評估。

6.4 加強觀測數據預處理

在對觀測數據進行處理和運用時，需對數據質量進行嚴格檢測。因環(huán)境變化或傳感器異常，會導致觀測數據出現異常變化和波動[7]，因此應根據城市森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境指標、內在聯(lián)系、數據特征及波動變化情況，制定出針對性的異常數據檢測算法，對因傳感器故障產生的異常數據，在數據運用時予以剔除，對因季節(jié)因素或人類活動等原因出現的異常數據予以保留。在數據檢測過程中，通過靈活運用人工檢測和自動化檢測，統(tǒng)籌考慮生態(tài)系統(tǒng)多要素間的相互作用和內在聯(lián)系，對數據的有效性進行精確判別，從而為后續(xù)觀測數據的分析和應用提供扎實基礎。

6.5 構建具有區(qū)域特色的城市森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測體系

加強監(jiān)測的多面性、整體性、綜合性和協(xié)調性，對本地區(qū)氣象、土壤、水質、生物、地貌地形等各類監(jiān)測對象進行系統(tǒng)構建，探索地域內“氣-土-水-生-地”各類監(jiān)測對象之間的關聯(lián)性和融合性，設計并建設布局全面、觀測指標完善的立體化觀測體系[8]。通過對本地區(qū)城市森林生態(tài)系統(tǒng)各類對象、各種相關信息進行完整全面的監(jiān)測、監(jiān)察和監(jiān)控，獲取類型多樣的多源數據，達到多層次布局、全方位監(jiān)測、多要素量化、多維度評估的整體監(jiān)測效果，真正實現對區(qū)域內城市森林生態(tài)系統(tǒng)的全貌監(jiān)測。