北京市地面生态监测网络建设构想

张 健，鹿海峰，刘嘉林，卢仁杰

（1.北京市环境保护监测中心，北京 100048；2.苏州市环境监测中心，江苏 苏州 21500）

0 引言

地面生态监测是对应于空天遥感监测手段而提出的一种监测定义，是应用可比的方法，对一定区域范围内的生态环境或生态环境组合体的类型、结构和功能及其组成要素进行系统的地面测定和观测，利用监测数据反映的生物系统间相互关系来评价人类活动和自然变化对生态环境的影响。2016年8月，北京市制定了《北京市生态环境监测网络建设方案》[1-2]，方案中提出要建立地面固定生态监测站，提升生态地面监测能力，结合环境质量和污染源排放、自然资源等监测数据，统筹科研机构生态监测评价能力。各相关部门配合开展生物多样性、城市生态系统和自然生态系统等生态监测研究，大力发展遥感监测，建立符合首都功能定位要求的天地一体化生态监测网络，从不同时空尺度监测和评估生态环境监测质量和生态系统服务功能。

本文对北京市地面生态监测网络的建设做初步研究，探索北京市地面生态监测网络建设理论和网络结构，为建成覆盖功能全面，技术体系完善的社会-经济-自然复合的生态监测网络做理论基础。

1 北京市地面生态监测现状和存在的问题

1.1 北京地面生态监测的现状

地面生态监测始于英国，从上世纪70年代开始迅速发展起来，80年代末，我国开始组建的大尺度地面生态监测网络，即中国生态系统研究网络（CERN），为我国生态、环境、资源等系统的调查与研究工作提供了基础[3-6]。1997年开始，美国巴尔的摩和凤凰城陆续建立了长期生态观测体系，并建立了社会调查网，为城市生态站的建设提供了实践经验[7-8]。北京城市生态系统研究站是CERN中首家以城市生态系统为研究对象的生态站点，在北京城区、近郊区、远郊区建立3类固定监测站，并布设2 000多个监测样方。此外，北京市政府部门开展着地面生态监测工作，从2012年开始，以全国生态环境10 a变化（2000～2010年）遥感调查与评估项目技术指南为依据，北京市环保监测中心连续开展了地面生态系统野外观测工作，针对不同生态系统（森林、灌木、农田等）的背景生态环境、植被覆盖情况以及生物量等20余项相关参数对20个样区进行数据采集及生态环境质量评估。另外，经过几十年的发展，北京市环境要素质量监测网络日趋完善，形成了由水、大气、土壤、噪声、辐射等组成的覆盖要素全面的环境监测网络[9]。

1.2 北京市地面生态监测存在的问题

（1）北京市地面生态监测功能上存在的差距

从现状来看，目前北京市地面生态监测主要是开展科学研究、专项的生态调查或是按照国家生态监测评价要求开展辅助遥感监测的地面核查工作，与实际需求有一定差距：①在支撑政府管理需求方面的功能有所欠缺，与目前北京市生态文明建设，生态资源资产保护，生态保护红线管控方面的需求有脱节；②目前的地面生态监测仅仅是化学指标的监测，仅是反映了日常生活环境的某一侧面，无法满足公众对绿色的渴望和宜居的要求；③还未形成长期连续的地面监测网络，未与生态遥感监测紧密结合，遥感反演参数量不够丰富，无法综合反映生态环境状况[10-11]。

（2）北京市地面生态监测结构上存在的差距

目前开展的服务于政府管理和公众需求的生态监测主要是北京市地面生态调查或地面核查，是依据北京市生态系统分类进行监测，包括森林、灌木、草地、湿地、农田生态系统的监测，监测类型覆盖不够全面，缺少诸如城市生态系统的监测内容，北京市大城市特点明显，城市生态系统的监测应该作为重点监测内容。目前北京市环境要素监测网络的建设已较为完善，但生态要素监测仅限于点的监测，且两者尚未建立相关联系。另外，还未建立起固定的生态监测站，无法保证地面生态监测数据的平行可比统一。再者，目前的生态监测结构单一、不够精细，对一种生态类型，遵循样区-样地-样方的层级结构模式，而同一种生态系统当中会有不同的生态功能区，因此可以探索多种监测结构，既有分隔，又有重叠。

（3）北京市地面生态监测技术上存在的差距

技术层面上，目前的生态监测技术仍不规范，监测指标不一，监测方法、评价方法多样。没有科学统一的监测技术体系，各部门、各单位的监测信息本身由于缺乏可比性、连续性，无法进行有效整合，造成了分析、评价上的片面性、局限性；监测能力方面，环境要素的监测能力逐步提高，自动化能力较强，而生物要素监测能力不足，自动化水平落后。

2 北京市地面生态监测网络建设思路研究

结合北京市生态监测现状及生态监测的特点，即复杂性、综合性，北京市的地面生态监测网络应该阶段性的发展，逐步缩小在功能、结构和技术上的差距。建设初期，地面生态监测网络以需求导向为建设原则，从服务于生态资源资产审计、生态保护红线管控、生态风险防控等政府管理需求的监测及服务于生态环境、人居环境评价等公众需求的监测着手，建设网络的总体框架和主体结构，丰富生态监测的服务功能。

在建设中期以技术为导向为，通过技术创新，提升监测能力和评价体系，完善监测网络，充分与遥感监测配合，建成天地一体化的生态监测系统。缩小在技术和结构上的差距，生态监测是长期业务化的政府资源投入，必须考虑网络建设的长期稳定性，监测与评价技术的可操作性与可比性。

而在建设后期，由于生态监测网络逐步完善，综合监测和评价生态环境的能力大幅提升，应该拓展生态监测网络的应用范围，全方位动态监测生态环境，提高监测网络的服务性能，包括生态状况信息发布和生态安全预警，以及解析环境要素与生态指标的相互作用关系，相互调整与修复的对应政策等，此时应该以产品为导向进行建设。

以上可以归结为地面生态监测网络的3段发展理论，见图1。

图1 地面生态监测网络建设的理论框架

3 北京市地面生态监测网络主体结构研究

3.1 以城市生态系统为主体的地面生态监测网络

近年来，北京人口迅速增加、建成区快速扩张、社会经济迅速发展，成为国际上少见的特大城市。而城市化进程快于生态环境改善进程，对城市及城市周边生态质量产生了很大影响。考虑北京市这一特征和京津冀一体化发展目标，以及生态建设的迫切性，可将城市生态系统的监测作为北京市生态监测的重点对象。因此，北京市地面生态监测网络主体结构可以城市生态监测系统为中心，其他生态监测系统为重要组成。结合北京市主体功能区划，应该以城6区（首都功能核心区、城市功能拓展区）以及通州区为网络中心，这些区主要以建设用地为主，城市化程度较高，以城市发展新区、生态涵养发展区城区为分中心，这些区以林地、耕地为主，城市生态系统区域所占比例较小，其中属于城市发展新区的通州区由于其将作为北京市“十三五”规划的“城市副中心”，因此将其纳入到城市生态系统监测中心部分，其他类型的生态系统监测区域作为组成。具体架构见图2。

图2 以城市生态系统为主体的地面生态监测网络结构

监测站点的布设可以粗细相结合，对于中心和分中心区域，监测点和监测项目应该足够多，依靠已有的水、气、噪声等环境监测网络，重点布设生态测点和社会测点，监测项目除了气候、水体、空气、土壤以及植物等自然组分外，还应考虑人口、经济、城市格局等人工组分，以充分反映城市生态系统基本特征；而网络的其他区域，可以选取典型点位和项目开展监测，能说明其生态问题及评价生态服务功能即可。监测方法上可以建立长期调查样地和定位观测站相结合的方法，并辅以适当的社会经济调查。重点监测内容及方法见表1。

表1 地面生态监测网络重点监测内容及方法初步研究一览

3.2 以北京市生态功能区划为依据的地面生态监测网络

在全国开展的生态功能区划工作中，北京市被划分为水源涵养生态功能区。北京市根据自身特点又将北京市的生态服务功能进行细化，划分成了水源保护、水源涵养、生物多样性、水土保持等11个生态功能区[13]。生态功能区能够反映出该区域生态环境质量和主体功能，具有差别化的分类特点，生态保护红线管控和自然资源资产审计等生态管理工作都可以此为基础开展工作[14-15]。

2015年，北京市着手修编《北京城市总体规划（2004～2020）》。其中，一个核心内容就是划定生态保护红线和城市增长边界。截至当前，北京市已基本完成了生态保护红线的划定，包括8个方面，即：大气环境改善功能区、饮用水水源保护区、防风固沙功能区、水源涵养功能区、水体保持功能区、洪涝调蓄功能区、生物多样性维持功能区与重要自然景观保护区。

另外，一些学者充分考虑北京市土地社会经济属性和生态安全属性，对北京市生态用地类型进行了划分，其思路也是以生态系统服务功能为基础[16]。

因此，为方便生态管理，地面生态监测网络结构可以依据生态功能区进行监测区域的划分和结构的设计，从生态调节、生态安全、人居保障3个方面建立监测子网，见图3。

图3 以生态功能区划为依据的地面生态监测网络结构

北京市不同的行政区所覆盖的生态功能区种类、数量和面积均不同，监测样方的布设除了考虑可行性外还应考虑全面性、均匀性；针对不同的生态功能区，提出地面生态监测既有共性、又有特征性的监测项目，如生物多样性生态功能区以生物多样性、生物量、动物、昆虫等方面指标为主，城镇发展功能区以河道水质、公园、湿地、鸟类生境指标为主（重点监测内容及方法见表1）。

3.3 均匀网格化的地面生态监测网络

目前，北京市生态环境项目主要局限于大尺度管理，缺乏精细尺度的全面管控模式和方法，如生态保护红线的划定，虽已初始完成，尚缺乏系统调查与评估，相关研究基础薄弱，难以系统阐述北京市生态保护红线区的质量状况，无法确定面积不减、性质不变、功能不降的管控基准，缺乏合理评估其生态环境变化的系统机制，很难采用定量评估的结果来支撑生态服务监管工作。

因此，可将北京市生态系统进行精细的网格化划分，生成精细的生态监测单元，为说清北京市生态环境质量及管理决策提供有力的技术支撑。

均匀网格化的结构借助遥感手段，对地面信息进行提取，以精细的北京市生态系统划分及生态体系胁迫定量化为基础，以行政管控单元为参考，划分生态监测单元[17-18]。网格的划分可以是多等级的空间网格体系：第一等级按照大的生态系统类型划分，包括森林生态系统、草地生态系统、农田生态系统、湿地生态系统、城镇生态系统。在此基础上，根据生态服务功能等因素划分第二等级。如森林，进一步划分为水源涵养功能森林生态系统、防风固沙森林生态系统等；而城市，可以首先根据社会经济功能划分，如居民区、商业区等，然后考虑将生态系统的生态系统服务功能与社会经济属性相结合，以城市生态监测系统为例进行网格划分思路见图4。

图4 地面生态监测网络的网格化划分路线

依据地形地貌和地面监测可行性，网格可以是规则形状的区域，也可能是不规则形状的区域。网格的尺度可以随着监测网络的发展而变化，在监测网络构建的初级阶段，网格的尺度可以大到生态系统类型，在大的网格里去寻找样地和样方。在监测网络发展起来以后，可以将网格细化，均匀化。网格划分以后，根据网格的属性，选择监测项目和方法，以此构建多等级的地面生态监测网络（重点监测内容及方法见表1）。

4 总结及建议

北京市地面生态监测开展了一定的工作，仍存在功能不全、结构单一、技术相对落后的一些问题，北京市地面生态监测网络需要长期建设发展的思路，在初期，可以先建立起主体结构，为此，本文总结出以城市生态系统为主体的地面生态监测网络、以生态功能区为依据的地面监测网络、均匀网格化的地面生态监测网络3种主体结构作为参考。通过对北京市地面生态监测网络的初步研究，对北京市地面生态监测网络提出以下几点建议。

（1）考虑到政府管理需求，尤其在生态保护红线管控、自然资源资产审计方面的需求，在建设初期，可以生态功能区为依据进行地面生态监测网络的建设，选取典型的生态功能区，在已有的环境要素监测站基础上建设固定的生态监测站，以站带点，逐步建设地面生态监测网络。

（2）生态环境的精细化管理是未来的发展趋势，在生态监测固定站点建设的同时可按一定方法开展地面生态监测网络的网格化划分，确定精细的监控单元。结合遥感监测技术开展生态功能单元网格空间识别技术及空间现行生态监管技术方面的研究。

（3）监测网络的持续发展需要监测技术的支撑，在开展监测站点建设的同时，要同时提高生态环境监测技术，尤其是生态指标的监测能力和监测规范标准，注重提高自动化监测水平。

（4）为更好的进行生态环境管理，还需要提高地面生态监测的信息化手段，通过建立生态大数据平台等方式，充分实现信息共享，提高管理决策效率。