中美城市生态系统长期监测的内容和方法

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2014.05.0617

长期监测是研究生态系统演变规律的基本方法。针对自然和半自然生态系统的长期监测工作已经比较完善,但以人类活动为主的城市生态系统的研究和监测工作国内外都还处于探索阶段。针对城市生态系统长期监测的需要,在介绍美国巴尔的摩和凤凰城城市生态系统长期研究监测工作的基础上,结合北京城市生态系统研究站的长期监测工作实践,分析了城市生态系统的基本特点,提出了城市生态系统长期监测的3个目的(为研究长期演变、为探索人与自然相互作用和为城市居民提供数据)、5个原则(综合与重点相结合原则、综合性和前瞻性原则、与城市相关部门监测融合原则、面向科学研究原则和长期一致性原则)、4项内容(生态要素、生态格局、生态过程和生态系统功能)和4种方法(遥感监测、长期调查样地监测、定位观测站监测和社会经济调查监测),将为我国开展长期城市生态系统监测和研究工作提供重要科学方法指导。

关键词: 城市生态系统, 长期生态监测, 城市生态监测, 美国城市生态站, 北京城市生态站

Long-term monitoring is the essential method to investigate changes in ecological systems. The long-term monitoring of natural and semi-natural ecosystems has been practiced for several decades and its protocols have been accomplished. However, it is underdeveloped for the Long-Term Monitoring of Urban Ecosystem (LTMUE) that was dominated by human activities. For improving long-term monitoring of urban ecosystem, this paper will introduce the long-term monitoring practices carrying on in Baltimore and Phoenix long-term urban ecosystem studies in USA. Then, in terms of experiences of a decade monitoring practiced in Beijing Urban Ecosystem Research Station and the general characteristics of urban ecosystem, we analyzed the objectives, principles, contents and methods of LTMUE The objectives of LTMUE are to provide databases for scientists to investigate long-term changes in urban ecosystems, and study the interaction between human and nature, and for decision makers and residents to know and predict the changes that happened in urban ecosystems. In design of LTMUE, the five principles should be considered: Reasonably balancing comprehensive and key indicators monitored, focusing comprehensive and foresight indictors, infusing data government monitored, science-oriented monitoring and long-term consistence. The LTMUE includes ecological elements, pattern, processes and function monitoring. The mostly deployed methods are remote sensing, long-term plots, substation and social survey. This will be the important methodology to guide long-term urban ecosystem investigations in China.

Key words: Urban ecosystem, Long term ecological monitoring, Urban ecosystem monitoring, Urban ecosystem program in USA, Beijing urban ecosystem research station.

中图分类号:

表1 巴尔迪摩城市生态系统长期研究监测方法和指标

Table 1 The monitoring method and indicators in Baltimore long-term urban ecosystem study

项目	检测点数量和布点方法	监测指标
植被	7个样方,选择原则为：①代表城市和非城市森林；②远离生境边沿；③内部排水一致；④至少80%的树冠覆盖	树木(胸径>10 cm)：物种、胸径、高度、冠幅、有无藤本；小树(胸径<10 cm,高度>1 m)：物种、胸径、有无藤本；幼苗(高度>1 m)：物种、密度、被啃食；灌木：物种、盖度、高度；藤本：物种、盖度；地被层：物种、盖度
气象	1个基本参考站(其他气象资料来源于气象和林业部门)	空气温湿度、降水、风速风向、太阳总辐射、光合有效辐射、反射光合有效辐射、大气压、土壤温度(2层)、土壤体积水分、净辐射和土壤热通量
土壤	4个郊区森林样地,4个公园样地,2个草坪样地	土壤溶液样品、TDR土壤水分、土壤温度数据采集、箱式法测定CO₂、N₂O、CH₄排放、原位矿化、硝化和反硝化测定
径流	沿主河流4个采样点、若干个小流域观测点	流量、流速、阴离子、阳离子、TN、TP 、TSS、浊度、排泄大肠菌
碳通量	1个通量塔	CO₂交换通量
社会经济统计	分县统计资料

表1 巴尔迪摩城市生态系统长期研究监测方法和指标

Table 1 The monitoring method and indicators in Baltimore long-term urban ecosystem study

项目	检测点数量和布点方法	监测指标
植被	7个样方,选择原则为：①代表城市和非城市森林；②远离生境边沿；③内部排水一致；④至少80%的树冠覆盖	树木(胸径>10 cm)：物种、胸径、高度、冠幅、有无藤本；小树(胸径<10 cm,高度>1 m)：物种、胸径、有无藤本；幼苗(高度>1 m)：物种、密度、被啃食；灌木：物种、盖度、高度；藤本：物种、盖度；地被层：物种、盖度
气象	1个基本参考站(其他气象资料来源于气象和林业部门)	空气温湿度、降水、风速风向、太阳总辐射、光合有效辐射、反射光合有效辐射、大气压、土壤温度(2层)、土壤体积水分、净辐射和土壤热通量
土壤	4个郊区森林样地,4个公园样地,2个草坪样地	土壤溶液样品、TDR土壤水分、土壤温度数据采集、箱式法测定CO₂、N₂O、CH₄排放、原位矿化、硝化和反硝化测定
径流	沿主河流4个采样点、若干个小流域观测点	流量、流速、阴离子、阳离子、TN、TP 、TSS、浊度、排泄大肠菌
碳通量	1个通量塔	CO₂交换通量
社会经济统计	分县统计资料

表2 凤凰城城市生态系统长期研究监测方法和指标＊

Table 2 The monitoring method and indicators in Phoenix long-term urban ecosystem

监测方法	检测点数量的布点方法	监测指标
长期样地SURVEY 200	网格分层双密度采样布点204个	照片、植被组分、植被盖度、土壤物理化学生物学性质、生境和建筑物、人类活动
树木调查	50个样地	蓄积量和树木健康
社会经济调查(PASS)	40个社区800户	水资源供给和保护、土地利用保护和生长管理、空气质量和交通、气候变化和城市热岛
北部沙漠社区	4个社区	气温、地表温度、土壤温度、土壤热通量、土壤水分、景观用水、用电、建筑表面温度、节肢动物
大气沉降监测	从城市上风经过城市到下风15个监测点	降水干湿沉降及其主要阴阳离子、土壤养分
鸟类监测	56个样地和40个社区	鸟类种类和数量
爬行动物监测	31个样地	地栖爬行动物种类和数量
地表水质监测	3个河流入口和2个河流出口	主要水质指标
暴雨径流监测	1个汇水单元出口	主要水质指标
微气候监测	3个	主要气象指标
地下水监测	1个	主要水质指标

表2 凤凰城城市生态系统长期研究监测方法和指标＊

Table 2 The monitoring method and indicators in Phoenix long-term urban ecosystem

监测方法	检测点数量的布点方法	监测指标
长期样地SURVEY 200	网格分层双密度采样布点204个	照片、植被组分、植被盖度、土壤物理化学生物学性质、生境和建筑物、人类活动
树木调查	50个样地	蓄积量和树木健康
社会经济调查(PASS)	40个社区800户	水资源供给和保护、土地利用保护和生长管理、空气质量和交通、气候变化和城市热岛
北部沙漠社区	4个社区	气温、地表温度、土壤温度、土壤热通量、土壤水分、景观用水、用电、建筑表面温度、节肢动物
大气沉降监测	从城市上风经过城市到下风15个监测点	降水干湿沉降及其主要阴阳离子、土壤养分
鸟类监测	56个样地和40个社区	鸟类种类和数量
爬行动物监测	31个样地	地栖爬行动物种类和数量
地表水质监测	3个河流入口和2个河流出口	主要水质指标
暴雨径流监测	1个汇水单元出口	主要水质指标
微气候监测	3个	主要气象指标
地下水监测	1个	主要水质指标

表3 城市生态系统长期研究监测内容和监测方法

Table 3 Monitoring indicators and methods in long-term urban ecosystem study

内容	监测对象	监测方法	监测指标	监测频率
生态要素	生物	遥感调查、长期样地	土地覆盖和植被分布、植物种类、动物种类、植物物候、生长量和生物量、叶面积指数、光合速率和水分利用、动物种类和生境	5年1次
	土壤	长期样地	速效养分、8大离子、重金属、POPs、土壤微生物	5年1次
	空气	定位站	气象要素(空气温湿度、太阳辐射(总辐射、直接辐射、有效辐射)、风向、风速等)、空气质量(SO₂、NOx、O₃、CO、CO₂、PM_2.5)、颗粒物无机—有机物含量、有机气体、空气微生物、花粉	1小时1次
	水体	长期样地	水质基本指标和污染指标、水体生物及其生境指标	1月1次
	社会经济	社会调查	人口变化、教育、文化、社会保障、经济结构、居民收入水平、居住状况、耐用消费品、水资源利用、生活消费、能源消费、环境意识和行为	5年1次
生态格局	景观格局	遥感	景观类型、斑块数、斑块密度、斑块平均面积、斑块、斑块连接度、景观多样性	5年1次
	绿地格局	遥感	绿地类型、绿地面积、绿地连接度、绿地多样性	5年1次
	不透水地面格局	遥感	不透水地面类型、不透水地面面积、不透水地面比例结构、不透水地面连接度	5年1次
	土地利用格局	遥感、社会调查	居住区分布、功能区分布、公园分布	5年1次
生态过程	径流过程	定位站	屋顶、道路、绿地、广场和小区的暴雨径流量和水质指标	每次降水
	地气交换	定位站	城市绿地和湿地CO₂、NOx和CH₄、VOC排放	1小时1次
	热量平衡	定位站	屋顶、道路、绿地、广场的温度、反射辐射、热通量	1小时1次
	物质代谢	社会调查	家庭碳消费、工业产品消费	5年1次
生态功能	水资源	长期样地	土壤蓄水能力、土壤入渗能力、植被截留能力、蒸腾蒸发能力	1年1次
	生物多样性	长期样地	物种数、物种多样性指数	1年1次
	生物生产力	长期样地	植物生长、生物量及其变化	1年1次
	生活质量	社会调查	人口数、平均寿命、家庭收入、生活支出	1年1次

表3 城市生态系统长期研究监测内容和监测方法

Table 3 Monitoring indicators and methods in long-term urban ecosystem study

内容	监测对象	监测方法	监测指标	监测频率
生态要素	生物	遥感调查、长期样地	土地覆盖和植被分布、植物种类、动物种类、植物物候、生长量和生物量、叶面积指数、光合速率和水分利用、动物种类和生境	5年1次
	土壤	长期样地	速效养分、8大离子、重金属、POPs、土壤微生物	5年1次
	空气	定位站	气象要素(空气温湿度、太阳辐射(总辐射、直接辐射、有效辐射)、风向、风速等)、空气质量(SO₂、NOx、O₃、CO、CO₂、PM_2.5)、颗粒物无机—有机物含量、有机气体、空气微生物、花粉	1小时1次
	水体	长期样地	水质基本指标和污染指标、水体生物及其生境指标	1月1次
	社会经济	社会调查	人口变化、教育、文化、社会保障、经济结构、居民收入水平、居住状况、耐用消费品、水资源利用、生活消费、能源消费、环境意识和行为	5年1次
生态格局	景观格局	遥感	景观类型、斑块数、斑块密度、斑块平均面积、斑块、斑块连接度、景观多样性	5年1次
	绿地格局	遥感	绿地类型、绿地面积、绿地连接度、绿地多样性	5年1次
	不透水地面格局	遥感	不透水地面类型、不透水地面面积、不透水地面比例结构、不透水地面连接度	5年1次
	土地利用格局	遥感、社会调查	居住区分布、功能区分布、公园分布	5年1次
生态过程	径流过程	定位站	屋顶、道路、绿地、广场和小区的暴雨径流量和水质指标	每次降水
	地气交换	定位站	城市绿地和湿地CO₂、NOx和CH₄、VOC排放	1小时1次
	热量平衡	定位站	屋顶、道路、绿地、广场的温度、反射辐射、热通量	1小时1次
	物质代谢	社会调查	家庭碳消费、工业产品消费	5年1次
生态功能	水资源	长期样地	土壤蓄水能力、土壤入渗能力、植被截留能力、蒸腾蒸发能力	1年1次
	生物多样性	长期样地	物种数、物种多样性指数	1年1次
	生物生产力	长期样地	植物生长、生物量及其变化	1年1次
	生活质量	社会调查	人口数、平均寿命、家庭收入、生活支出	1年1次

[1]	Wang Xiaoke, Ouyang Zhiyun, Ren Yufen, et al. Advances in urban ecosystem long-term studies[J]. Advances in Earth Science, 2009, 24(8):928-935.
	[王效科,欧阳志云,任玉芬,等. 城市生态系统长期研究展望[J].地球科学进展, 2009, 24(8):928-935.]
[2]	Grimm N B, Redman C L, Boone C G, et al. Viewing the urban socio-ecological system through a sustainability lens: Lessons and prospects from the Central Arizona-Phoenix LTER programme[M]//Singh S,Haberl H,Chertow M, et al, eds. Long Term Socio-ecological Research: Studies in Society-Nature Interactions Across Spatial and Temporal Scales. Human-Environment Interaction Series, Volume 2. Netherlands: Springer,2013: 217-246.
[3]	Grove J M,Pickett S T A, Whitmer A, et al. Building an urban LTSER: The case of the Baltimore ecosystem study and the D.C. / B.C. ULTRA-Ex project[M]//Singh S J, Haberl H,Chertow M, et al, eds. Long Term Socio-ecological Research: Studies in Society-Nature Interactions Across Spatial and Temporal Scales. Netherlands: Springer-Verlag, 2012:369-408.
[4]	Nilon C H, Warren P S, Wolf J. Baltimore birdscape study: Identifying habitat and land cover variables for an urban bird monitoring project[J/OL]. Urban Habitats,2009, 6[2013-12-24].. URL
[5]	Shields C A, Band L E, Law N, et al. Streamflow distribution of non-point source nitrogen export from urban-rural catchments in the Chesapeake Bay watershed[J]. Water Resources Research, 2008, 44:W09416,doi:10.1029/2007WR006360.
[6]	Belt K T, Hohn C, Gbakima A, et al. Identification of culturable stream water bacteria from urban, agricultural, and forested watersheds using 16S rRNA gene sequencing[J]. Journal of Water and Health, 2007,5(3):395-406.
[7]	Kim H J. Temperatures of Urban Streams: Impervious Surface Cover, Runoff, and the Importance of Spatial and Temporal Variations[M]. Baltimore County, Baltimore, MD:MS, University of Maryland, 2007.
[8]	Groffman P M, Boulware N J, Zipperer W C, et al. Soil nitrogen cycle processes in urban riparian zones[J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36:4547-4552.
[9]	Sun C Y, Brazel A, Chow W T L, et al. Desert heat island study in winter by mobile transect and remote sensing techniques[J]. Theoretical & Applied Climatology, 2009, 98:323-335.
[10]	Myint S W, Okin G S. Modelling land-cover types using multiple endmember spectral mixture analysis in a desert city[J]. International Journal of Remote Sensing, 2009, 30(9):2 237-2 257.
[11]	Neil K, Wu J. Effects of urbanization on plant flowering phenology: A review[J]. Urban Ecosystems, 2006, 9:243-257.
[12]	Martin C A, Warren P S, Kinzig A P. Landscape vegetation in small urban parks and surrounding neighborhoods: Are socioeconomic characteristics a useful predictor of vegetation taxa richness and abundance?[J].HortScience, 2003, 38(5):733.
[13]	Lewis D B, Grimm N B. Hierarchical regulation of nitrogen export from urban catchments: Interactions of storms and landscapes[J]. Ecological Applications, 2007, 17(8):2 347-2 364.
[14]	Cook W M, Faeth S H. Irrigation and land use drive ground arthropod community patterns in urban desert[J]. Environmental Entomology, 2006, 35:1 532-1 540.
[15]	Yabiku S, Casagrande D G, Farley-Metzger E. Preferences for landscape choice in a southwestern desert city[J]. Environment and Behavior, 2008, 40:382-400.
[16]	Qiu Jiangxiao, Wang Xiaoke. Object-oriented classification of urban land cover based on the images remote sensed[J]. Technology and Application of Remote Sensing, 2010,25(5):653-661.
	[仇江潇,王效科.基于高分辨率遥感影像的面向对象城市土地覆被分类比较研究[J].遥感技术与应用,2010,25(5):653-661.]
[17]	Zhao Juanjuan, Ouyang Zhiyun, Zheng Hua, et al. Stratified randomly sampling method for urban plant investigation[J]. Chinese Journal of Ecology, 2009, 28(7):1 430-1 436.
	[赵娟娟,欧阳志云,郑华,等. 城市植物分层随机抽样调查方案设计的方法探讨[J]. 生态学杂志, 2009, 28(7):1 430-1 436.]
[18]	Hou Peiqiang, Ren Yufen, Zhang Ye, et al. The temporal and spatial variations of water quality in a trans-urban river in Beijing, China[J]. Fresenius Environmental Bulletin, 2012, 22(2):561-572.

[1]	王奕佳,刘焱序,宋爽,傅伯杰. 水—粮食—能源—生态系统关联研究进展[J]. 地球科学进展, 2021, 36(7): 684-693.
[2]	吴殿廷, 张文新, 王彬. 国土空间规划的现实困境与突破路径[J]. 地球科学进展, 2021, 36(3): 223-232.
[3]	陈良侃, 陈少辉. “一带一路”沿线国家农作物虚拟水贸易时空格局及驱动因素分析[J]. 地球科学进展, 2021, 36(4): 399-412.
[4]	吴园涛, 段晓男, 沈刚, 殷建平, 张偲. 强化我国海洋领域国家战略科技力量的思考与建议[J]. 地球科学进展, 2021, 36(4): 413-420.
[5]	张菁,路紫,杜欣儒,杜晓辉,高玉健. 京津石多机场系统航空流运行结构及其对比研究[J]. 地球科学进展, 2020, 35(12): 1281-1291.
[6]	吴佳梅,彭秋志,黄义忠,黄亮. 中国植被覆盖变化研究遥感数据源及研究区域时空热度分析[J]. 地球科学进展, 2020, 35(9): 978-989.
[7]	蔡运龙. 生态问题的社会经济检视[J]. 地球科学进展, 2020, 35(7): 742-749.
[8]	李侠祥, 刘昌新, 王芳, 郝志新. 中国投资对“一带一路”地区经济增长和碳排放强度的影响[J]. 地球科学进展, 2020, 35(6): 618-631.
[9]	陆大道. 地理国情与国家战略[J]. 地球科学进展, 2020, 35(3): 221-230.
[10]	苗毅, 刘海猛, 宋金平, 戴特奇. 青藏高原交通设施建设及影响评价研究进展[J]. 地球科学进展, 2020, 35(3): 308-318.
[11]	童磊,郑珂,苏飞. 生计脆弱性概念、分析框架与评价方法[J]. 地球科学进展, 2020, 35(2): 209-217.
[12]	葛玉娟,赵宇鸾,任红玉. 山区耕地细碎化对不同利用方式农地集约度的影响[J]. 地球科学进展, 2020, 35(2): 180-188.
[13]	魏伟, 张轲, 周婕. 三江源地区人地关系研究综述及展望：基于“人、事、时、空”视角[J]. 地球科学进展, 2020, 35(1): 26-37.
[14]	蒋俊霞,杨丽薇,李振朝,高晓清. 风电场对气候环境的影响研究进展[J]. 地球科学进展, 2019, 34(10): 1038-1049.
[15]	陈明星,周园,郭莎莎,黄莘绒. 新型城镇化研究的意义、目标与任务[J]. 地球科学进展, 2019, 34(9): 974-983.

阅读次数

全文

摘要

The Monitoring System for Long-term Urban Ecosystem Study in USA and China