浅析城市生态监测体系研究及展望

刘伟龙

（深圳市生态环境监测站，广东 深圳 518000）

引言

及时、全面、准确地获取城市生态实时监测数据，从而为城市生态资源监管、生态破坏事件监管、生态环境科学决策提供数据依据，是非常有必要的。

1 理论概述

1.1 城市生态监测对象

针对城市生态系统演变规律和与人类活动相互作用的关系进行研究，综合城市生态系统的系统格局、系统结构、系统功能和变化过程是主要内容。其中生态系统格局监测包括：生态保护红线的质量、功能、性质和人类活动监管；生物多样性监测包括：动物、昆虫、植物、外来物种等；生态系统功能监测包括：土壤物理性质、海洋生态、气象与辐射、碳通量、地表径流等。人居环境适应性监测包括：空气微生物、植物排放有机物、康养因子、病原体载体、过敏性花粉等；城市生态安全监测包括：数据存储与可视化、生态安全评估、生态风险预警、信息发布等；生态保护红线监管系统包括：格局评估、质量与服务功能评估、成效评估、风险预警等。

1.2 城市生态监测指标

一般情况下，基于复合生态系统和城市生态学等理论，构建适用于城市生态监测的指标体系。城市生态系统的一个目标是保持新陈代谢活动能力、对外界的压力有恢复力的内部组织结构。为此，选取了反映城市生态系统健康状况的指标进行监测。监测城市生态系统除了考虑气象、水文与水质、大气环境、土壤、森林资源和植物群落以外，还应重点考虑人工组分，例如人口、经济和城市格局等，充分反映城市生态系统的特征。此外，人类的健康及人居环境适应型应成为监测重点，以充分评估城市生态对人类的影响。

1.3 城市生态监测方法

根据相关研究可以了解到，城市生态系统监测方法包括：定位观测站、样地调查和遥感监测。其中，定位观测站需要建设尽一定数量的观测站以实现生态监测网络建设要求。定位观测站的建设需要考虑到城区和郊区之间的地理位置差异，包括：主导风向、河流的主导流向等，还要考虑到人类活动强度的区域差异。样地调查需要建设分布于城市关键点位的多个观测样地，按照重要、代表性和监测频次对样地范围内生物多样性、植被群落、水资源等生态观测要素的长期观测调查。遥感监测利用卫星、无人机拍摄的不同分辨率的空间遥感资料，以及高光谱、多光谱、SAR合成孔径雷达、LiDAR激光点云等技术，获取目标区域二维空间遥感信息，借助反演算法将光谱特征计算出植被光谱指数，可以得到城市建成区、过渡区、植被生长状况、河流湖库水质情况、生物栖息地变化等重要监测数据。

2 城市生态监测存在的问题

目前大多数城市生态环境监测方面随着城镇化的加速，城市人口增加，产业高度集中，存在自动化水平不高、覆盖范围有限等问题，现有的生态监测体系无法满足生态保护红线监管要求，具体包括以下几点。

2.1 自动化水平低，监测周期长

当前的生态监测自动化水平不高，大部分工作依靠人工完成，导致监测周期长、人工成本高、数据时效性得不到保障等问题长期存在。如在城市生态观测方面，目前大多数生物监测设备均为人工操作设备，监测周期较长，效率较低；在动植物资源调查方面，大多数由于为人工操作，历时多年才可以完成一定范围内野生动植物资源野外调查；在裸土地监测方面，由于常规卫星图无法做到动态监控。因此，现有的生态监测的自动化水平将无法为城市生态环境监测提供实时的基础监测数据。

2.2 覆盖范围小，无法满足监管要求

总体上现有的生态监测点位较少，覆盖的区域十分有限。当前的生态相关监测主要集中在保护区、部分省市行政区划交界处等，林业方面点位则主要集中在省市行政区划交界处、主要山体核心区域，水务方面点位主要集中在饮用水源保护区。基于生态环境保护的特点及管理要求，一方面城市内生态红线范围边界、所有区块核心区域等均为重点监管区域，特别是红线范围边界，受人类活动干扰的风险较大，需要重点监控。另一方面为掌握城市生态环境保护的总体情况并定期监测与考核，也需要掌握针对所有生态保护红线范围的面积、性质等变化情况进行监测，因此，目前的监测点位覆盖范围是远远达不到生态环境保护的监管要求。

2.3 指标因子不全，监测手段欠缺

城市生态系统包含众多的要素和过程，人类和环境的相互作用，表现出多样性、复杂性和动态变化，在监测指标体系的选择上还需要进一步规划论证，需要监测的内容和指标非常复杂。生态监测主要包括生态系统功能、生态系统自身动态变化的监测。而城市生态监测体系需结合城市具体条件，综合考虑当地的人口、社会特点，确定合适的监测指标，构造城市生态监测体系，为城市生态系统长期研究提供服务。

2.4 监测数据量大，管理应用不足

城市生态监测在环境方面的基础数据包括空气质量数据、烟气浓度数据、机动车尾气排放数据、工地扬尘浓度数据、地表径流水质数据、近岸海域水质数据、噪声数据、辐射数据等；在动植物资源调查方面的基础数据包括生物多样性数据、珍稀濒危及重点植物物种数据、物种标本数据、环境DNA数据等；在遥感监测方面的基础数据包括高中低分辨率、高光谱、多光谱、SAR、LiDAR激光点云等。目前环境自动监测数据量日趋庞大。遥感卫星图像的精准大幅提高，对城市环境监测方面时空尺度变得越来越小，每日累计的数据量巨大。然而现阶段各个部门的数据信息孤岛的现象较为普遍，问题较为突出，各部门数据之间的衔接存在一定的问题。因此，也导致现在的监测数据在全市范围内的统筹应用方面较为不足，许多已有的监测数据未能集成并发挥更好的效益。

2.5 监测能力难以适应新的要求

现有的监测方法和手段存在诸多局限，其中突出问题是生态环境信息的综合分析能力较弱，对生态环境数据的挖掘能力不够，难以建立高效的城市生态应用模型，也难以为政府决策提供切实可行有效的依据。特别是在国家和公众对生态文明建设的要求达到空前高度、生态保护监管要求十分严格，现有的基于原始的监测体系和手段难以完全满足新的要求。一些地市在自动化监测方面已进行了一定的成效，但由于技术、设备等原因，目前也尚未完全铺开建设。在城市生态安全方面，原有的生态安全监测系统由于覆盖范围有限，也无法实现对全市生态保护红线的全方位监管。此外，农林渔业、气象等部门也建立或计划建立各自的监控系统，监测工作大多是根据部门技术标准和分类体系进行的单项调查。例如农林渔业部门主要是对耕地面积、海洋渔业养殖污染、森林覆盖率等指标进行动态监控；气象部门则主要是对基本气象因子的预报。这些细分领域的监控系统一般规模小，功能单一，难以综合分析。彼此之间缺乏协调，形成公共基础性资料无法共享的现状。

3 城市生态监测研究展望

为满足城市生态保护红线区监管与城市生态监测网络在新时期的新要求，城市生态监测体系发展应从现有建设条件的需求、监测体系、监测手段以及数据应用四大方面全力提升优化现有城市生态监测网络体系，形成满足包含生态保护红线区严格管控要求的自动化城市生态监测网络体系。首先应梳理现有的生态监测体系建设基础与条件，从政策需求和监管需求提炼出城市生态监测监管存在的问题，如城市热岛、生物入侵、人类活动侵占等生态问题，分析现有监测手段并判断存在的问题，如监测手段以人工为主，监测周期较长难以满足监管需求；大量的监测数据分散在各部门，未能产生较好的实际管理运用效益等问题。面对具体存在的问题结合城市生态系统的特点，为打造能够满足生态保护红线监管需求、城市生态风险防范以及城市人居环境提升的监测手段。

在美国凤凰城、巴尔的摩和北京城市生态观测体系研究的基础上[1]，结合城市生态系统的特点，并以生态系统研究的观测的学术理论为基础，本文提出了城市生态格局、生物多样性、城市生态功能、人居适宜性四大监测内容的城市生态监测体系建设思路。该体系更加注重城市生态空间的破碎性、易受人类活动影响性等，并更加注重对城市生态系统中人居健康相关指标的监测，因此，将从城市生态系统格局、生物多样性、生态系统功能、人居适宜性四大方面来建立监测体系。

3.1 城市生态系统格局监测

依靠无人机搭载高光谱和红外设备及高清视频监控装置，利用人工智能、云计算、大数据等新一代信息技术，通过感知化、物联化、智能化的手段，形成城市生态系统格局监测新模式。监测要素有生态系统结构和生态资源状况，其中生态系统结构的监测指标主要包括：生态保护区面积、城市森林面积、公园绿地面积、城市湿地面积、植被覆盖度等；生态资源状况主要包括：生态资源总体情况、重点保护野生动植物、典型生态景观、示范点位等。通过以上监测数据对城市生态保护红线质量与人为活动等要素进行识别和分析。对收集的数据进行处理，通过人类干扰活动监控、生态系统状况动态监测、生态风险监测预警和生态资产统计核算等监管业务，监测与评价成果进入监管与台账综合数据库，最终形成综合会商与服务系统，基于三维地球等形式进行综合体现。

3.2 城市生物多样性监测

生物多样性作为城市生态的重要组成部分，是城市生态系统稳定、可持续发展及生态安全的资源保障。但随着经济的增长，城市用地与农业占地不断扩张，加之高等级交通网的建设，使生态用地破碎化日益严重，造成物种之间的生殖隔离，导致生物多样性不断降低，威胁区域与城市生态安全[2]。应用红外触发相机、昆虫自动计数器、叶绿素荧光自动监测仪、无人机等监测设备，对动物、昆虫、植物等要素，获取相应指标数据，按照《区域生物多样性评价标准》计算野生动物的丰富度、野生维管束植物的丰富度、生态系统类型、物种特有性、受威胁物种的丰富度、外来物种入侵度等指标，进而对生态多样性状况进行分级，分析生物多样性。

3.3 城市生态系统功能监测

生态系统功能观测主要对气象、地表径流、海洋水质等要素获取相应指标数据。利用这些数据可以丰富相关部门的基础数据，便于后期工作，同时也会对市民较关心的碳排放、氮代谢和城市热环境等相关问题提出相应的对策。气象观测实现对环境温度、环境湿度、露点温度、风速、风向、气压、太阳总辐射、降雨量、二氧化碳、日照时数、太阳直接辐射、紫外辐射、地球辐射、净全辐射、环境气体等指标进行监测。可从生物安全的角度支撑关于生物个体生长、发育所受胁迫的生理效应研究，以及危及种群、群落和生态系统稳定性受到人口增长、资源短缺、环境污染等干扰所产生的生态效应研究。土壤物理性观测实现对地温（包括地表温度、浅层地温、深层地温）、土壤湿度、土壤水势、土壤热通量、蒸发、土壤入渗水水质等多项数据指标的监测。

地表径流观测是为服务城市生态定位自动观测功能交互响应部分，具体的通过采水、取样、废液处理、数据无线传输等相关辅助采样设备仪器以及专业设备仪器，实现pH、SS，CO DCr，氨氮，总磷，总氮，BOD5，重金属-砷、铜、铬、镍、锰，挥发性有机物，硝酸盐氮，亚硝酸盐氮等水质指标的在线分析。氮沉降观测通过陆地氮沉降、酸雨、水体、气象等相关观测，获取城市氮沉降观测数据，分析得到城市活性氮排放以及氮足迹，综合碳氮循环能够支撑分析人类活动与气候变化之间的相互作用关系，并为后期适应气候变化的机制与技术途径提供支撑。

海洋水质观测对近岸海域周边海洋环境监测、海洋环境风险监测、海洋环境监管监测。通过多参数水质监测仪、浮标电子控制舱、营养盐在线监测仪、浮标电子、藻密度自动监测仪、浮游动物在线监测，实现包括水深、水温、盐度、海流、波浪、水色、透明度、海冰、海发光等观测，以及溶解氧、总碱度、活性硅酸盐、活性磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、总磷、总氮、总碳等海洋化学要素。

3.4 人居环境适宜性监测

人居环境是人类生存活动最密切的地表空间，是人类主动改造环境的重要场所，它包括自然、人类、社会、居住、支撑五大系统和全球、区域、城市、社区、建筑五大层次[3]。人居环境适宜性监测能力建设可以包括以下四个部分：空气微生物监测、植物污染监测、康养因子监测以及病原体动物和昆虫观测。其中空气微生物监测通过在居住区和典型生态保护红线区，采集样地内空气中TSP、PM10和PM2.5等颗粒物，分别提取微生物DNA，通过定量PCR分析空气细菌、真菌的浓度，比较分析不同粒径的空气细菌、真菌浓度与群落结构的差异。

植物污染监测通过在居民区、和典型生态保护区，分析大气中花粉的种类、浓度、季节变化和空间分布。康养因子监测主要采集样地内空气中的负离子、紫外辐射（UVB）、生物源挥发性有机物（BVOCs）等多项人居环境数据指标进行监测。病原体动物观测通过监测蚊子种类及种群密度、蜱虫种类及种群密度等得出相关要素指标数据。

从经济、居住、服务、生态和文化这五个层面选取人文社会因素中的人均GDP、人口密度、人均公共绿地、空气质量优良天数比例等指标因子，通过相应的方法，最后构建人居环境适宜性综合评价模型[4]。

4 结语

在生态文明建设的大力推进下，城市生态环境监测对积极贯彻落实国家关于城市生态保护红线监管，满足广大市民城市人居环境的需求有着重要的意义。本文通过列举分析生态系统格局、生物多样性、生态系统功能、人居环境适宜性相结合的立体式生态环境监测体系，将促进提高城市生态监测能力，强化城市生态环境管理工作，推动生态文明建设不断取得新成效。