淺析城市生態(tài)監(jiān)測體系研究及展望

劉偉龍

（深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 深圳 518000）

引言

及時、全面、準(zhǔn)確地獲取城市生態(tài)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而為城市生態(tài)資源監(jiān)管、生態(tài)破壞事件監(jiān)管、生態(tài)環(huán)境科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，是非常有必要的。

1 理論概述

1.1 城市生態(tài)監(jiān)測對象

針對城市生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律和與人類活動相互作用的關(guān)系進(jìn)行研究，綜合城市生態(tài)系統(tǒng)的系統(tǒng)格局、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和變化過程是主要內(nèi)容。其中生態(tài)系統(tǒng)格局監(jiān)測包括：生態(tài)保護(hù)紅線的質(zhì)量、功能、性質(zhì)和人類活動監(jiān)管；生物多樣性監(jiān)測包括：動物、昆蟲、植物、外來物種等；生態(tài)系統(tǒng)功能監(jiān)測包括：土壤物理性質(zhì)、海洋生態(tài)、氣象與輻射、碳通量、地表徑流等。人居環(huán)境適應(yīng)性監(jiān)測包括：空氣微生物、植物排放有機(jī)物、康養(yǎng)因子、病原體載體、過敏性花粉等；城市生態(tài)安全監(jiān)測包括：數(shù)據(jù)存儲與可視化、生態(tài)安全評估、生態(tài)風(fēng)險預(yù)警、信息發(fā)布等；生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管系統(tǒng)包括：格局評估、質(zhì)量與服務(wù)功能評估、成效評估、風(fēng)險預(yù)警等。

1.2 城市生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)

一般情況下，基于復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)和城市生態(tài)學(xué)等理論，構(gòu)建適用于城市生態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)體系。城市生態(tài)系統(tǒng)的一個目標(biāo)是保持新陳代謝活動能力、對外界的壓力有恢復(fù)力的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。為此，選取了反映城市生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測城市生態(tài)系統(tǒng)除了考慮氣象、水文與水質(zhì)、大氣環(huán)境、土壤、森林資源和植物群落以外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮人工組分，例如人口、經(jīng)濟(jì)和城市格局等，充分反映城市生態(tài)系統(tǒng)的特征。此外，人類的健康及人居環(huán)境適應(yīng)型應(yīng)成為監(jiān)測重點(diǎn)，以充分評估城市生態(tài)對人類的影響。

1.3 城市生態(tài)監(jiān)測方法

根據(jù)相關(guān)研究可以了解到，城市生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測方法包括：定位觀測站、樣地調(diào)查和遙感監(jiān)測。其中，定位觀測站需要建設(shè)盡一定數(shù)量的觀測站以實現(xiàn)生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求。定位觀測站的建設(shè)需要考慮到城區(qū)和郊區(qū)之間的地理位置差異，包括：主導(dǎo)風(fēng)向、河流的主導(dǎo)流向等，還要考慮到人類活動強(qiáng)度的區(qū)域差異。樣地調(diào)查需要建設(shè)分布于城市關(guān)鍵點(diǎn)位的多個觀測樣地，按照重要、代表性和監(jiān)測頻次對樣地范圍內(nèi)生物多樣性、植被群落、水資源等生態(tài)觀測要素的長期觀測調(diào)查。遙感監(jiān)測利用衛(wèi)星、無人機(jī)拍攝的不同分辨率的空間遙感資料，以及高光譜、多光譜、SAR合成孔徑雷達(dá)、LiDAR激光點(diǎn)云等技術(shù)，獲取目標(biāo)區(qū)域二維空間遙感信息，借助反演算法將光譜特征計算出植被光譜指數(shù)，可以得到城市建成區(qū)、過渡區(qū)、植被生長狀況、河流湖庫水質(zhì)情況、生物棲息地變化等重要監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 城市生態(tài)監(jiān)測存在的問題

目前大多數(shù)城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面隨著城鎮(zhèn)化的加速，城市人口增加，產(chǎn)業(yè)高度集中，存在自動化水平不高、覆蓋范圍有限等問題，現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測體系無法滿足生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管要求，具體包括以下幾點(diǎn)。

2.1 自動化水平低，監(jiān)測周期長

當(dāng)前的生態(tài)監(jiān)測自動化水平不高，大部分工作依靠人工完成，導(dǎo)致監(jiān)測周期長、人工成本高、數(shù)據(jù)時效性得不到保障等問題長期存在。如在城市生態(tài)觀測方面，目前大多數(shù)生物監(jiān)測設(shè)備均為人工操作設(shè)備，監(jiān)測周期較長，效率較低；在動植物資源調(diào)查方面，大多數(shù)由于為人工操作，歷時多年才可以完成一定范圍內(nèi)野生動植物資源野外調(diào)查；在裸土地監(jiān)測方面，由于常規(guī)衛(wèi)星圖無法做到動態(tài)監(jiān)控。因此，現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測的自動化水平將無法為城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測提供實時的基礎(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.2 覆蓋范圍小，無法滿足監(jiān)管要求

總體上現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測點(diǎn)位較少，覆蓋的區(qū)域十分有限。當(dāng)前的生態(tài)相關(guān)監(jiān)測主要集中在保護(hù)區(qū)、部分省市行政區(qū)劃交界處等，林業(yè)方面點(diǎn)位則主要集中在省市行政區(qū)劃交界處、主要山體核心區(qū)域，水務(wù)方面點(diǎn)位主要集中在飲用水源保護(hù)區(qū)?；谏鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)的特點(diǎn)及管理要求，一方面城市內(nèi)生態(tài)紅線范圍邊界、所有區(qū)塊核心區(qū)域等均為重點(diǎn)監(jiān)管區(qū)域，特別是紅線范圍邊界，受人類活動干擾的風(fēng)險較大，需要重點(diǎn)監(jiān)控。另一方面為掌握城市生態(tài)環(huán)境保護(hù)的總體情況并定期監(jiān)測與考核，也需要掌握針對所有生態(tài)保護(hù)紅線范圍的面積、性質(zhì)等變化情況進(jìn)行監(jiān)測，因此，目前的監(jiān)測點(diǎn)位覆蓋范圍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到生態(tài)環(huán)境保護(hù)的監(jiān)管要求。

2.3 指標(biāo)因子不全，監(jiān)測手段欠缺

城市生態(tài)系統(tǒng)包含眾多的要素和過程，人類和環(huán)境的相互作用，表現(xiàn)出多樣性、復(fù)雜性和動態(tài)變化，在監(jiān)測指標(biāo)體系的選擇上還需要進(jìn)一步規(guī)劃論證，需要監(jiān)測的內(nèi)容和指標(biāo)非常復(fù)雜。生態(tài)監(jiān)測主要包括生態(tài)系統(tǒng)功能、生態(tài)系統(tǒng)自身動態(tài)變化的監(jiān)測。而城市生態(tài)監(jiān)測體系需結(jié)合城市具體條件，綜合考慮當(dāng)?shù)氐娜丝凇⑸鐣攸c(diǎn)，確定合適的監(jiān)測指標(biāo)，構(gòu)造城市生態(tài)監(jiān)測體系，為城市生態(tài)系統(tǒng)長期研究提供服務(wù)。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，管理應(yīng)用不足

城市生態(tài)監(jiān)測在環(huán)境方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)、煙氣濃度數(shù)據(jù)、機(jī)動車尾氣排放數(shù)據(jù)、工地?fù)P塵濃度數(shù)據(jù)、地表徑流水質(zhì)數(shù)據(jù)、近岸海域水質(zhì)數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)、輻射數(shù)據(jù)等；在動植物資源調(diào)查方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括生物多樣性數(shù)據(jù)、珍稀瀕危及重點(diǎn)植物物種數(shù)據(jù)、物種標(biāo)本數(shù)據(jù)、環(huán)境DNA數(shù)據(jù)等；在遙感監(jiān)測方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括高中低分辨率、高光譜、多光譜、SAR、LiDAR激光點(diǎn)云等。目前環(huán)境自動監(jiān)測數(shù)據(jù)量日趨龐大。遙感衛(wèi)星圖像的精準(zhǔn)大幅提高，對城市環(huán)境監(jiān)測方面時空尺度變得越來越小，每日累計的數(shù)據(jù)量巨大。然而現(xiàn)階段各個部門的數(shù)據(jù)信息孤島的現(xiàn)象較為普遍，問題較為突出，各部門數(shù)據(jù)之間的銜接存在一定的問題。因此，也導(dǎo)致現(xiàn)在的監(jiān)測數(shù)據(jù)在全市范圍內(nèi)的統(tǒng)籌應(yīng)用方面較為不足，許多已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)未能集成并發(fā)揮更好的效益。

2.5 監(jiān)測能力難以適應(yīng)新的要求

現(xiàn)有的監(jiān)測方法和手段存在諸多局限，其中突出問題是生態(tài)環(huán)境信息的綜合分析能力較弱，對生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的挖掘能力不夠，難以建立高效的城市生態(tài)應(yīng)用模型，也難以為政府決策提供切實可行有效的依據(jù)。特別是在國家和公眾對生態(tài)文明建設(shè)的要求達(dá)到空前高度、生態(tài)保護(hù)監(jiān)管要求十分嚴(yán)格，現(xiàn)有的基于原始的監(jiān)測體系和手段難以完全滿足新的要求。一些地市在自動化監(jiān)測方面已進(jìn)行了一定的成效，但由于技術(shù)、設(shè)備等原因，目前也尚未完全鋪開建設(shè)。在城市生態(tài)安全方面，原有的生態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)由于覆蓋范圍有限，也無法實現(xiàn)對全市生態(tài)保護(hù)紅線的全方位監(jiān)管。此外，農(nóng)林漁業(yè)、氣象等部門也建立或計劃建立各自的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測工作大多是根據(jù)部門技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和分類體系進(jìn)行的單項調(diào)查。例如農(nóng)林漁業(yè)部門主要是對耕地面積、海洋漁業(yè)養(yǎng)殖污染、森林覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控；氣象部門則主要是對基本氣象因子的預(yù)報。這些細(xì)分領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)一般規(guī)模小，功能單一，難以綜合分析。彼此之間缺乏協(xié)調(diào)，形成公共基礎(chǔ)性資料無法共享的現(xiàn)狀。

3 城市生態(tài)監(jiān)測研究展望

為滿足城市生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)監(jiān)管與城市生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在新時期的新要求，城市生態(tài)監(jiān)測體系發(fā)展應(yīng)從現(xiàn)有建設(shè)條件的需求、監(jiān)測體系、監(jiān)測手段以及數(shù)據(jù)應(yīng)用四大方面全力提升優(yōu)化現(xiàn)有城市生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，形成滿足包含生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)嚴(yán)格管控要求的自動化城市生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系。首先應(yīng)梳理現(xiàn)有的生態(tài)監(jiān)測體系建設(shè)基礎(chǔ)與條件，從政策需求和監(jiān)管需求提煉出城市生態(tài)監(jiān)測監(jiān)管存在的問題，如城市熱島、生物入侵、人類活動侵占等生態(tài)問題，分析現(xiàn)有監(jiān)測手段并判斷存在的問題，如監(jiān)測手段以人工為主，監(jiān)測周期較長難以滿足監(jiān)管需求；大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)分散在各部門，未能產(chǎn)生較好的實際管理運(yùn)用效益等問題。面對具體存在的問題結(jié)合城市生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，為打造能夠滿足生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管需求、城市生態(tài)風(fēng)險防范以及城市人居環(huán)境提升的監(jiān)測手段。

在美國鳳凰城、巴爾的摩和北京城市生態(tài)觀測體系研究的基礎(chǔ)上[1]，結(jié)合城市生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并以生態(tài)系統(tǒng)研究的觀測的學(xué)術(shù)理論為基礎(chǔ)，本文提出了城市生態(tài)格局、生物多樣性、城市生態(tài)功能、人居適宜性四大監(jiān)測內(nèi)容的城市生態(tài)監(jiān)測體系建設(shè)思路。該體系更加注重城市生態(tài)空間的破碎性、易受人類活動影響性等，并更加注重對城市生態(tài)系統(tǒng)中人居健康相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測，因此，將從城市生態(tài)系統(tǒng)格局、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能、人居適宜性四大方面來建立監(jiān)測體系。

3.1 城市生態(tài)系統(tǒng)格局監(jiān)測

依靠無人機(jī)搭載高光譜和紅外設(shè)備及高清視頻監(jiān)控裝置，利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，通過感知化、物聯(lián)化、智能化的手段，形成城市生態(tài)系統(tǒng)格局監(jiān)測新模式。監(jiān)測要素有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)資源狀況，其中生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測指標(biāo)主要包括：生態(tài)保護(hù)區(qū)面積、城市森林面積、公園綠地面積、城市濕地面積、植被覆蓋度等；生態(tài)資源狀況主要包括：生態(tài)資源總體情況、重點(diǎn)保護(hù)野生動植物、典型生態(tài)景觀、示范點(diǎn)位等。通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)對城市生態(tài)保護(hù)紅線質(zhì)量與人為活動等要素進(jìn)行識別和分析。對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過人類干擾活動監(jiān)控、生態(tài)系統(tǒng)狀況動態(tài)監(jiān)測、生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警和生態(tài)資產(chǎn)統(tǒng)計核算等監(jiān)管業(yè)務(wù)，監(jiān)測與評價成果進(jìn)入監(jiān)管與臺賬綜合數(shù)據(jù)庫，最終形成綜合會商與服務(wù)系統(tǒng)，基于三維地球等形式進(jìn)行綜合體現(xiàn)。

3.2 城市生物多樣性監(jiān)測

生物多樣性作為城市生態(tài)的重要組成部分，是城市生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全的資源保障。但隨著經(jīng)濟(jì)的增長，城市用地與農(nóng)業(yè)占地不斷擴(kuò)張，加之高等級交通網(wǎng)的建設(shè)，使生態(tài)用地破碎化日益嚴(yán)重，造成物種之間的生殖隔離，導(dǎo)致生物多樣性不斷降低，威脅區(qū)域與城市生態(tài)安全[2]。應(yīng)用紅外觸發(fā)相機(jī)、昆蟲自動計數(shù)器、葉綠素?zé)晒庾詣颖O(jiān)測儀、無人機(jī)等監(jiān)測設(shè)備，對動物、昆蟲、植物等要素，獲取相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，按照《區(qū)域生物多樣性評價標(biāo)準(zhǔn)》計算野生動物的豐富度、野生維管束植物的豐富度、生態(tài)系統(tǒng)類型、物種特有性、受威脅物種的豐富度、外來物種入侵度等指標(biāo)，進(jìn)而對生態(tài)多樣性狀況進(jìn)行分級，分析生物多樣性。

3.3 城市生態(tài)系統(tǒng)功能監(jiān)測

生態(tài)系統(tǒng)功能觀測主要對氣象、地表徑流、海洋水質(zhì)等要素獲取相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)可以豐富相關(guān)部門的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于后期工作，同時也會對市民較關(guān)心的碳排放、氮代謝和城市熱環(huán)境等相關(guān)問題提出相應(yīng)的對策。氣象觀測實現(xiàn)對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、露點(diǎn)溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、太陽總輻射、降雨量、二氧化碳、日照時數(shù)、太陽直接輻射、紫外輻射、地球輻射、凈全輻射、環(huán)境氣體等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。可從生物安全的角度支撐關(guān)于生物個體生長、發(fā)育所受脅迫的生理效應(yīng)研究，以及危及種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性受到人口增長、資源短缺、環(huán)境污染等干擾所產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)研究。土壤物理性觀測實現(xiàn)對地溫（包括地表溫度、淺層地溫、深層地溫）、土壤濕度、土壤水勢、土壤熱通量、蒸發(fā)、土壤入滲水水質(zhì)等多項數(shù)據(jù)指標(biāo)的監(jiān)測。

地表徑流觀測是為服務(wù)城市生態(tài)定位自動觀測功能交互響應(yīng)部分，具體的通過采水、取樣、廢液處理、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)认嚓P(guān)輔助采樣設(shè)備儀器以及專業(yè)設(shè)備儀器，實現(xiàn)pH、SS，CO DCr，氨氮，總磷，總氮，BOD5，重金屬-砷、銅、鉻、鎳、錳，揮發(fā)性有機(jī)物，硝酸鹽氮，亞硝酸鹽氮等水質(zhì)指標(biāo)的在線分析。氮沉降觀測通過陸地氮沉降、酸雨、水體、氣象等相關(guān)觀測，獲取城市氮沉降觀測數(shù)據(jù)，分析得到城市活性氮排放以及氮足跡，綜合碳氮循環(huán)能夠支撐分析人類活動與氣候變化之間的相互作用關(guān)系，并為后期適應(yīng)氣候變化的機(jī)制與技術(shù)途徑提供支撐。

海洋水質(zhì)觀測對近岸海域周邊海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋環(huán)境風(fēng)險監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)管監(jiān)測。通過多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀、浮標(biāo)電子控制艙、營養(yǎng)鹽在線監(jiān)測儀、浮標(biāo)電子、藻密度自動監(jiān)測儀、浮游動物在線監(jiān)測，實現(xiàn)包括水深、水溫、鹽度、海流、波浪、水色、透明度、海冰、海發(fā)光等觀測，以及溶解氧、總堿度、活性硅酸鹽、活性磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、總磷、總氮、總碳等海洋化學(xué)要素。

3.4 人居環(huán)境適宜性監(jiān)測

人居環(huán)境是人類生存活動最密切的地表空間，是人類主動改造環(huán)境的重要場所，它包括自然、人類、社會、居住、支撐五大系統(tǒng)和全球、區(qū)域、城市、社區(qū)、建筑五大層次[3]。人居環(huán)境適宜性監(jiān)測能力建設(shè)可以包括以下四個部分：空氣微生物監(jiān)測、植物污染監(jiān)測、康養(yǎng)因子監(jiān)測以及病原體動物和昆蟲觀測。其中空氣微生物監(jiān)測通過在居住區(qū)和典型生態(tài)保護(hù)紅線區(qū)，采集樣地內(nèi)空氣中TSP、PM10和PM2.5等顆粒物，分別提取微生物DNA，通過定量PCR分析空氣細(xì)菌、真菌的濃度，比較分析不同粒徑的空氣細(xì)菌、真菌濃度與群落結(jié)構(gòu)的差異。

植物污染監(jiān)測通過在居民區(qū)、和典型生態(tài)保護(hù)區(qū)，分析大氣中花粉的種類、濃度、季節(jié)變化和空間分布?？叼B(yǎng)因子監(jiān)測主要采集樣地內(nèi)空氣中的負(fù)離子、紫外輻射（UVB）、生物源揮發(fā)性有機(jī)物（BVOCs）等多項人居環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。病原體動物觀測通過監(jiān)測蚊子種類及種群密度、蜱蟲種類及種群密度等得出相關(guān)要素指標(biāo)數(shù)據(jù)。

從經(jīng)濟(jì)、居住、服務(wù)、生態(tài)和文化這五個層面選取人文社會因素中的人均GDP、人口密度、人均公共綠地、空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例等指標(biāo)因子，通過相應(yīng)的方法，最后構(gòu)建人居環(huán)境適宜性綜合評價模型[4]。

4 結(jié)語

在生態(tài)文明建設(shè)的大力推進(jìn)下，城市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測對積極貫徹落實國家關(guān)于城市生態(tài)保護(hù)紅線監(jiān)管，滿足廣大市民城市人居環(huán)境的需求有著重要的意義。本文通過列舉分析生態(tài)系統(tǒng)格局、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能、人居環(huán)境適宜性相結(jié)合的立體式生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系，將促進(jìn)提高城市生態(tài)監(jiān)測能力，強(qiáng)化城市生態(tài)環(huán)境管理工作，推動生態(tài)文明建設(shè)不斷取得新成效。