基于叠置分析的上海城市森林长期定位观测网络布局*

韩玉洁

上海市林业总站 上海 200072

自20 世纪50 年代以来， 特别是1992 年联合国环境与发展大会以后， 为研究和解决资源锐减、环境污染和生态安全等问题， 一批长期定位观测研究网络相继建立， 以开展生态系统在人类和自然双重影响下的演变机理和过程研究[1]。 在全球尺度上， 相继成立了全球陆地观测系统(GTOS)、全球气候观测系统(GCOS)、 全球海洋观测系统(GOOS) 和国际长期生态学研究网络(ILTER)等[2]； 在区域尺度上， 有欧洲森林大气污染影响监测 (ICP Forest)[3]、 亚 洲 通 量 观 测 网 络(AsiaFlux)[4]等； 在国家尺度上， 有美国长期生态学研究网络(US-LTER)、 美国国家生态观测网络(NEON)、 英国环境变化研究网络(ECN)、加拿大生态监测与分析网络(EMAN)、 中国生态系统研究网络(CERN)、 中国陆地生态系统定位观测研究网络(CTERN) 等， 几乎囊括了地球表面的生态系统类型， 涵盖了包括极地在内的不同区域和气候带。

城市森林作为一个特殊的生态系统， 在植被特征、 经营目的、 管理措施等方面， 与天然林生态系统有显著区别。 城市森林与居民的关系最为密切， 在净化大气、 休闲游憩等方面为居民提供了丰富的生态系统服务， 是生态功能与生态服务的高效转化器[5]； 城市可持续发展和居民健康生活需求， 又给城市森林建设和研究提出了新的挑战[6]。 一些国家已针对城市环境和城市森林建立了长期定位观测研究站， 如美国巴尔的摩和凤凰城2 个城市生态站， 芬兰赫尔辛基城市生态站[7]。我国的上海、 北京、 广州等18 个城市建立了城市生态站， 实行统一的建设标准[8]和观测指标体系[9]， 为城市生态系统长期定位观测数据的整合分析奠定了基础。

近年来， 我国在省域尺度上也开展了生态系统定位观测网络的研究和建设。 如云南省规划布设森林、 草原、 湿地、 城市、 石漠化和干热河谷生态站共64 个， 形成覆盖全省的林草生态综合监测网络[10]； 广东省规划布设森林、 湿地和城市生态站共42 个， 形成涵盖珠三角的生态站网络布局[11]； 浙江、 河南、 湖北等也开展了相关研究和建设。 但是在城市中， 尤其是超大和特大城市中的生态系统长期定位观测网络布局还缺少相关方法支撑和实际应用。

上海是有着2 487 万人口(2020 年) 的超大城市， 居民对森林生态系统服务和产品需求强烈。市政府积极推进生态文明建设， 全面实践城市森林理念[12]， 在几乎没有天然林的薄弱基础上实施人工造林， 森林覆盖率从2.7% (1979 年)[13]增加到18.49% (2020 年)， 是我国城市化与城市森林协同发展的典型代表[14]。 同时， 上海也面临着诸如生态空间布局不够健全、 土地资源约束等挑战。 为加快打造同具有世界影响力的社会主义现代化国际大都市相匹配的城市软实力， 上海在提高森林面积和质量的同时， 还应提升森林生态系统服务转化率， 加强现有森林资源的开发利用，使市民生活与生态系统服务紧密结合。 为提升森林生态系统服务功能及价值， 必先掌握基础监测数据， 因此开展上海城市森林长期观测网络布局研究和建设尤为重要。

1 布局原则

根据上海自然地理特征和社会经济条件， 以及城市森林的分布、 结构、 功能和生态系统服务转化等因素， 考虑植被典型性、 林地稳定性、 观测持续性， 以及各站点间的协调性和可比性， 确定5 条布局原则: 1) 覆盖不同生境类型； 2) 涵盖典型植被群落； 3) 满足生态区划需求； 4) 反映城乡梯度格局； 5) 保障长期观测要求。

2 布局依据

上海市域面积仅6 340.5 km2， 东西、 南北经纬度跨度不大， 全市各区在气候和地势方面的差异性不明显。 但上海处于长江入海口的特殊地貌， 造就了土壤形成过程的天然差异； 在城乡梯度上还有着城市化水平的显著差异， 以及城市森林植被分布的聚集性差异。 因此， 上海城市森林长期观测网络布局要素与天然森林有很大区别(图1)。

图1 城市森林与天然森林长期观测网络布局要素的异同

2.1 地貌及城市化特征

上海境内除西南部有少数丘陵山脉外， 多为坦荡低平的平原。 根据上海地貌类型[15]、 城市总体规划与特点， 将上海分为4 个生态区:

1) 河口三角洲区。 该区包括长江河口及祟明、 长兴、 横沙等沙岛的延伸地带[15]， 其中， 崇明岛海拔3.5 ～4.5 m， 西部有部分低地； 长兴、横沙二岛海拔2.5～3.5 m。

2) 西部湖沼平原区。 该区包括太湖蝶形洼地的东延部分， 青浦、 松江大部、 金山北部及嘉定西南部等。 本区地势低平， 湖荡密布， 地下水位高， 一般高程在2.2～3.5 m， 松江零星分布有13座海拔不到100 m 的剥蚀残丘。

3) 东部滨海平原区。 该区包括闵行、 嘉定、宝山、 奉贤、 浦东新区、 金山南部和松江佘山以东地区等。 本区地势较高， 平均海拔高度多在4 m以上[15]。

4) 中心城区。 该区包括外环线以内的区域。中心城区由于人口极端密集， 造成了高度城市化的特殊生态系统， 热岛效应明显、 大气污染较严重、 生境破碎、 人为干扰较多。

2.2 土壤性质

2010 年的上海市土壤普查数据表明， 上海境内土壤类型归属4 个土类、 7 个亚类、 24 个属和95个种。 水稻土占73.6%， 灰潮土占10.4%， 滨海盐土占15.9%， 黄棕壤占0.1%。 土壤多为中性偏碱，从东向西土壤pH 值呈由弱碱性到弱酸性的变化规律[16]。 不同区域的土壤性质差异以及地下水位高低等因素， 对植物生理生态和适应性起着重要作用， 是影响植树造林的重要因素， 也是城市森林区域分异的主要自然影响因素。 因此， 土壤性质可作为空间划分的指标， 依据土壤酸碱度分为3 大类:pH＜6.5、 6.5≤pH＜7.5、 pH≥7.5。

2.3 植被分布

上海境内99%以上森林为人工林， 仅存少量的天然次生林， 且受人为影响大， 空间分布不均。长期观测站(点) 的选择， 既要涵盖主要的优势树种(组)， 如阔叶林、 针叶林、 针阔混交林；又要涵盖不同功能的林种， 如水源涵养林、 沿海防护林、 通道防护林、 污染隔离林、 风景林等；还要考虑森林的起源， 如人工林和天然林。 由于河网密布、 道路纵横， 森林往往被河流、 道路等割裂。 因此， 应选择生境破碎程度低、 连片面积大于10 hm2的森林才能较好地代表该区域森林群落、 土壤、 小气候等特点。

2.4 生态空间规划

开展长期定位观测研究， 森林和林地的稳定性是非常重要的因素。 根据“上海市基本生态网络规划” 提出的生态空间体系， 重点在生态保育区、 生态走廊、 中心城绿地、 外环绿带和近郊绿环中选择符合条件的森林； 同时， 根据“上海市林地保护利用规划” 的界定， 在Ⅰ级和Ⅱ级保护等级中选择符合条件的林地。 通过这两个要素进行筛选得出的林地具有较强稳定性。

3 布局方法

以典型抽样为基础[17]， 遵守建站选址原则，利用地理信息系统(GIS) 空间叠置分析技术，结合复杂区域均值模型， 以MCI 指数为标准， 综合上述5 大要素， 在基于每个因素进行分层抽样的基础上， 实施叠加分析， 确定各站(点) 位置， 从而构建上海城市森林长期定位观测研究网络(图2)。 具体步骤如下:

图2 基于典型抽样的上海城市森林长期观测研究站网布局方法

1) 根据上海市森林资源监测数据， 利用ArcGIS 桌面软件在其属性表中根据面积(area)字段和等级(level) 字段应用字段计算器， 筛选出保护等级为Ⅰ级和Ⅱ级且连片面积大于10 hm2的森林， 得到符合条件的森林斑块86 个， 生成连片面积大于10 hm2森林分布图(图3)。

2) 基于上海市地貌类型图及城市化度， 将上海分成的中心城区、 东部滨海平原区、 西部湖沼平原区和河口三角洲4 个生态区生成图层后， 再与土壤区划图进行叠置分析， 得到10 个相对均质区域， 即生态亚区(图4)。

3) 将上海市生态区划图层(图4)、 基本生态网络规划图层(图5) 与连片面积大于10 hm2森林分布图(图3) 统一边界与坐标投影后进行叠置分析， 并设置不同图层的透明度， 以使地图直观清晰， 进而得到多图层叠置分析图(图6)。

图3 上海市连片面积大于10 hm2森林分布图

图4 上海市生态分区区划图

图5 上海市基本生态网络规划图[17]

图6 多图层叠置分析图

4) 在10 个生态亚区中， 以植被典型性、 森林主导功能、 长期观测站(点) 稳定性和可达性等为选择标准， 通过分层抽样法， 应用复杂区域均值模型， 在每一个生态功能区遴选并确定1 ～2 个站点， 共拟建12 个长期观测站(点)(图7)。

4 总体布局及特征

4.1 总体布局

根据4 个生态分区， 将12 个长期观测站(点) 分为4 个观测站群(图7)， 全面开展生态系统结构与功能的长期追踪与监测研究(共性研究)。 不同观测站(点) 的代表性森林类型及主导功能存在差异， 观测指标和研究方向各有侧重，以解决不同区域的生态系统服务需求。

图7 上海城市森林长期观测网络布局

1) 中心城区观测站群。 该观测站群包括中山、 共青、 金海站3 个站点， 面积约660 km2， 约占全市总面积的10%； 人口约1 000 万， 约占常住人口的44%。 本观测站群是高度城市化的特殊生态系统， 公园绿地作为唯一有绿色生命的基础设施， 主要满足居民休闲游憩需求。 因此， 本观测站群将侧重大气环境质量、 游憩康养和森林小气候等方面的指标观测和研究， 为改善生态环境质量、 打造和谐宜居环境提供服务。

2) 西部湖沼平原区观测站群。 该观测站群包括拦路港、 叶榭和佘山站3 个站点， 面积约1 719 km2， 约占上海总面积的27%； 分布着黄浦江中上游流域及其主要支流， 以人工营造的水源涵养林为主， 佘山地区有少量残存的天然次生林。 对于观测研究， 拦路港站和叶榭站侧重水文与水质，佘山站侧重植物群落和游憩康养等， 为开展水源涵养林近自然更新抚育及野生动物栖息地重建等提供服务。

3) 东部滨海平原区观测站群。 该观测站群包括金山石化、 海湾、 老港、 安亭和浦江站5 个站点， 面积约2 591 km2， 约占上海总面积的41%；以人工营造的污染隔离林、 通道防护林、 沿海防护林、 风景林为主。 金山石化、 海湾和老港站地处城市远郊区， 对于观测研究， 金山石化站侧重化工区污染下大气环境质量和植物群落生长， 海湾站侧重森林游憩和近自然营建技术， 老港站侧重垃圾填埋地的植被恢复技术等。 安亭和浦江站地处城市近郊区， 在观测研究方面， 安亭站侧重森林景观格局和大气环境质量， 浦江站侧重游憩康养和森林小气候等。

4) 河口三角洲观测站群。 该观测站群包括崇明岛站1 个站点。 崇明岛面积1 370 km2， 是世界最大的河口冲积沙洲， 也是中国第三大岛， 代表了以人工针叶林为主的河口三角洲森林生态系统。针对河口冲击平原特殊立地对森林营建和植被恢复的限制问题， 崇明岛站侧重水文、 土壤及植物群落等方面的观测研究， 为开展良种选育、 近自然更新管理及动物栖息地重建等提供服务。

4.2 布局特点

12 个长期观测站(点) 分别代表了不同环境特征和林分类型(表1)， 实现了上海城市森林长期定位观测网络“多功能组合， 多站点联合， 多尺度拟合， 多目标融合” 的目标， 具备3 大特点:

表1 上海城市森林12 个长期观测研究站(点) 特征

1) 自然地理特征的全覆盖。 12 个站点在地理空间上体现了由南至北、 由西向东以及东南—西北季风主导风向上的环境差异； 在行政区划上分布于中心城区和郊区共11 个区； 在地貌类型与生态区划上涵盖了4 个生态区10 个生态亚区。

2) 城市化进程的梯度显现。 基于上海城市环境时空格局及演变的研究[18-19]， 将城乡梯度划分为城区、 近郊区和远郊区， 其中， 中山公园、 共青、 金海站位于城区， 浦江、 叶榭、 安亭、 佘山站位于近郊区， 拦路港、 金山石化、 海湾、 老港、崇明岛站位于远郊区。

3) 城市森林类型的典型表征。 12 个站点在植被自然属性方面涵盖了天然次生林、 近自然林以及人工林； 在林分发育方面涵盖了不同林龄；在功能属性方面涵盖了水源涵养林、 污染隔离林、沿海防护林、 风景林等。

5 结语

本研究首次提出超大城市森林长期观测研究站网布局方法， 指出城市森林与天然森林长期观测网络布局要素的异同， 基于典型抽样和图层叠置分析， 得出上海城市森林长期定位观测研究网络布局。 12 个长期定位观测站(点) 不仅充分体现了上海市自然、 社会、 经济的特点， 而且也体现了生态学“环境梯度研究” 的思想。 后续开展的观测研究将紧密围绕城市中综合环境-经济-社会梯度进行对比分析， 探究城市复杂生态系统中多因子协同作用下城市森林的环境响应格局、 生态变化过程及服务功能发挥， 阐释其作用机制与内在联系， 探索城市森林的恢复重建及多样性保育技术， 进而为城市森林生态系统经营与服务功能价值评估提供科学、 可靠的数据来源。 本研究结果可为城市森林长期观测站(点) 的规划和布设提供理论依据和借鉴参考， 为实现超大和特大城市市域尺度上的生态环境综合观测提供科学指导。