目前世界上超过50%的人口生活在城市中,城市生态环境质量的好坏将直接关系到社会经济可持续发展的能力。生态学越来越关心城市问题,积极开展城市区域的人、生物和环境之间相互作用的研究。从研究城市中的生态学(ecology in city)发展到了城市生态学(urban ecology)。将城市作为一个生态系统,系统研究城市生态系统结构、格局、过程和功能。1997年美国自然基金会(National Science Foundation, NSF)在长期生态学研究计划(Long-Term Ecological Research, LTER)中资助建立了马里兰州的巴尔迪摩和亚利桑那州的凤凰城2个城市生态系统研究站,开展城市生态系统的长期观测和研究。2008年年初,北京城市生态系统研究站终于加入了中国生态系统研究网络(Chinese Ecological Research Network, CERN),这标志着城市生态系统长期研究在中国开始发芽,将为中国城市可持续发展提供重要科学支撑。

开展生态系统长期监测,是研究生态系统长期演变的基础工作。但对于城市生态系统长期检测工作,为什么监测？监测什么？怎样监测？是我国城市生态系统长期检测目前迫切需要关注的议题。本文将从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开始,结合北京城市生态系统研究站的长期监测实践,分析城市生态系统的基本特点以及城市生态系统长期研究的监测目的、监测原则、监测内容和监测方法,这将为我国开展长期城市生态系统监测和研究工作提供科学指导。

美国长期生态学研究计划中的2个城市生态站(巴尔迪摩和凤凰城),面向长期生态学研究,从1997年开始陆续建立了长期观测体系。2个城市生态站的环境差异和针对的生态环境问题差异,研究的科学问题和研究内容也有差异^{[ 1]},因而长期生态学研究的监测内容和监测方法也有不同。巴尔迪摩以流域单元为出发点,进行流域水文和水质的监测,并建立了城市碳通量观测塔和7个观测样地(表1)^{[ 2]}。凤凰城生态站以城市整体为着眼点,采用网格分层双密度采样布点设计方法(Tessellation-stratified dual-density sampling design),确立了200个长期样地(Survey 200)开展一系列的调查和监测工作,并对地表水和地下水进行了监测(表2)^{[ 3]}。2001年开始,凤凰城生态站还建立了社会调查网(Phoenix Area Social Survey,PASS),通过社区和居民调查,分析社会经济对城市生态系统的结构和功能的影响以及城市居民如何决定和适应城市生态系统演变的。

表1

Table 1

表1(Table 1)

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 注：根据网站：http://www.beslter.org/中的资料整理得到

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

表2

Table 2

表2(Table 2)

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 ＊资料来自：http://caplter.asu.edu/research/long-term-monitoring/

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

在过去10多年来,通过对城市生态系统的长期监测,2个城市生态站取得了很多重要研究成果。这里就列举一些重要结果。在巴尔的摩的研究发现：①外来鸟类丰富度与城市化程度相关,而当地鸟类的丰富度与植被盖度相关^{[ 4]}；②河流氮磷污染大部分来源夏季暴雨和硬化地表面积大形成的洪水^{[ 5]}；③暴雨期间和暴雨后城市河流中大肠杆菌会大量存在^{[ 6]}；④夏季水体的高温对城市河流鱼类造成很大影响^{[ 7]}；⑤流域氮平衡表明有70%的氮会存留在城市生态系统中,主要是河流地带^{[ 8]}。在凤凰城的研究发现：①过去几十年城市夜间气温增加了5^oC之多^{[ 9]}；②城市局地气候变化与土地利用和土地覆盖的性质关系很大^{[ 10]}；③城市化和热岛效用引起植物季候变化对植物种群和群落动态产生很大影响^{[ 11]}；④城市热岛效应强度与高耗水支撑的户外植被多少有关^{[ 12]}；⑤城市小范围的氮输送量是流域特性和暴雨特征共同决定的^{[ 13]}；⑥中性和绿洲的土壤具有较高的节肢动物丰富度和多样性与灌溉密切相关^{[ 14]}；⑦居住时间越长居民,越青睐中性生境和绿洲,而不喜欢沙漠^{[ 15]}。从这些监测研究结果可以看出,城市生态系统长期监测工作意义重大。

生态系统长期研究越来越依靠长期监测工作。城市生态系统长期监测,是要围绕城市生态系统的结构—格局—过程—功能特征及其变化,达到以下目的：

(1)为城市生态系统长期演变规律研究提供基础数据：城市生态系统的要素包括水、土、气、生,子系统包括自然、经济和社会子系统^{[ 1]},是一种多种要素和多个子系统相互作用的复杂系统。开展城市生态系统结构、格局、过程和功能的长期监测,将为认识城市生态系统的长期演变规律,辩识影响城市可持续发展的生态环境问题,提供长期可靠的基础科学数据。

(2)为研究城市生态系统的人类活动和自然过程相互作用提供基础数据：城市生态系统的演变要受到人类活动和自然因素共同作用。通过对城市生态系统自然过程和人类活动的长期监测,获得人类活动和自然、经济、社会共同变化的数据,为研究城市生态系统中人与自然的相互关系提供科学数据支持。

(3)为城市居住者提供城市生态环境的实时和变化的数据：城市的生活者和管理者,需要及时了解城市生态环境的现状和变化,以便制定应对政策和措施。通过对城市生态系统的因子、过程和功能的连续监测,获取有关城市生态环境状态和变化的数据,将能够微指导城市居民合理安排生活和相关部门开展城市科学规划和管理提供科学依据。

城市生态系统是以人类活动为主导的社会—经济—自然复合生态系统。具有以下重要特点：

(1)综合性：城市生态系统,从自然属性看,是水、土、气、生相互作用的系统；从结构来看,包括了自然、经济和社会等子系统。城市生态系统的监测需要考虑多因素、多关系的综合作用。

(2)动态性：由于人类活动是城市生态系统的主体,能流、物流、信息流等交换量大而且速度快。生态系统的结构—格局—过程—功能处于不断快速变化中,因此进行城市生态系统的快速变化监测非常重要。

(3)内部异质性：尽管城市整体可以作为一个生态系统,但其内部具有很大的空间异质性。不同性质的斑块构成了城市生态系统的内部基本单元,支撑着城市生态系统的功能发挥。因此,选择代表性的监测位置和适宜的监测手段,是城市生态系统监测的核心工作之一。

(4)人工高度监控性：为了城市的管理,人类已经建立了高度复杂的监测、统计系统,对人类活动涉及的许多城市生态系统要素和过程进行观测和分析。这些分部门和分要素的数据,是城市生态系统研究的重要基础数据,应该充分加以利用。对于目前没有相应部门监测的反映城市生态系统结构—格局—过程—功能特征的指标,应该是城市生态系统监测的重点。

由于城市生态系统的综合性、动态性、空间异质性和人工监控性,需要进行城市生态系统监测的指标非常多,在有限的时间、空间和经济条件下,对于城市生态系统长期监测方案的制定有需要考虑以下原则：

(1)综合监测和重点监测相结合原则：由于城市生态系统的复杂性和空间异质性,监测点和监测项目应该足够多,以充分反映城市生态系统的结构—格局—过程—功能基本特征,但也要突出重点项目和指标,特别是影响城市生态系统功能的重要指标和敏感指标,以防止项目过多,造成对重点指标监测的质量(包括精度和频率等)难以保证。

(2)监测项目和监测指标的综合性和前瞻性原则：城市生态系统是一个复杂的综合系统,无论其结构、格局,还是过程、功能都是多要素相互作用的综合结果。城市生态系统的监测应该重视综合性的项目和指标。通过分析城市生态系统的发展演变趋势,选择能够反映城市生态系统结构和功能现状和未来变化特征的项目和指标。

(3)考虑与城市相关部门监测的相融合原则：城市生态系统是一个高度人工建造、干扰和管理的生态系统,许多部门都在进行城市生态系统某一方面的监测和统计工作,这些资料对于反映城市生态系统的结构和功能特征具有重要意义,应该充分交流和利用,互通有无。城市生态系统监测方案的制定中应该充分考虑现有城市相关部门的监测网,既避免重复,但同时要考虑合理对接利用。

(4)面向科学研究的原则：城市生态系统不但复杂而且异质性大,必须要有足够的监测网点才能够反映城市生态系统的整体特征。但我们应该以面向科学研究为目的,监测的目的是要揭示城市生态系统演变规律及其驱动机制,而不同于城市普查的目的。因此,在监测网点选择和监测方法的确定,都不同于普查工作,而要能够揭示城市生态系统结构、格局、过程和功能的演变规律及其调控原理。

(5)监测内容和方法的长期一致性原则：城市生态系统是一个人类活动集中和社会经济干扰大的系统,发展变化往往比较快,特别是在目前城市化速度比较快的时期。因此,在监测地点的选定和监测项目的确定上,要考虑相对稳定的地点,监测点附近的人类活动变化相对稳定。有些指标变化非常快,而有些变化非常缓慢,只有采用高精度的仪器和统一的技术手段,按照严格的监测规范和质量控制要求进行,才能够获得生态系统变化的可靠信息。

围绕城市生态系统演变规律及其与人类活动的相互作用关系的研究,结合美国城市生态系统长期监测的经验和北京城市生态系统长期监测的实践,对于城市生态系统结构、格局、过程和功能的综合监测的主要监测项目包括(表3)：

①城市生态要素：生物、土壤、空气、水体、社会经济等；②城市生态格局：景观格局、绿地格局、不透水地表格局、土地利用格局等；③城市生态过程：径流过程、地气交换、热量平衡、物质代谢；④城市生态系统功能：水资源、生物多样性、生物生产力、生活质量。

各监测项目的具体指标可参考表3,还可以根据各地实际情况进行取舍。

表3

Table 3

表3(Table 3)

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、PM2.5)、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

对于以上提出的城市生态系统系统的结构—格局—过程和功能的监测内容,需要有相应的监测方法来完成。结合美国巴尔迪摩和凤凰城以及我们在北京城市生态系统长期研究站的监测工作实践,以及参考现有的国外生态学长期研究和中国生态系统网络(CERN)的生态系统监测方法,城市生态系统的监测方法可以归纳为遥感监测、样地调查、定位观测站监测和社会经济调查等。

(1)遥感监测：利用不同空间分辨率的遥感资料,包括TM,SPOT和Quickbird等,进行解译分析,得出有关植被分布、城市空间格局及其历史变化等。遥感资料的解译可以采用面向对象的方法^{[ 16]}。

(2)长期调查样地监测：按照样地的代表性、重要性和需要监测的强度,建立分布于城市的多个观测样地,开展对城市生物、土壤、水体、水资源、生物多样性、生物生产力等城市生态系统结构和功能指标的定期调查。对于不同的监测内容,监测样地的布点方法不一样。如植被可采用网格分层随机布点方法^{[ 17]}、水体可采用沿城市河流布点^{[ 18]}、鸟类可采用样线法。

(3)定位观测站监测：对于生态要素和生态过程的监测,经常需要安装连续监测仪器,如气象、空气质量、径流过程、地气交换和热量平衡等,就有必要建立长期的定位观测站。由于城市高度异质性,尽可能地多设置一些定位站。定位站的设置可考虑城区和郊区的差别、城市主导风向、主导河流流向、人类活动强度的区域差异等。

(4)社会经济调查：作为主体的人类社会经济活动对城市生态系统的结构和功能有很大的影响,因此社会经济资料的调查和收集,应该是城市生态系统监测的重要内容。对于城市或区县的人口、工业、农业生产和居民生活消费可以通过统计年鉴等政府统计资料获得。需要调查主要是居民生活消费以及居民出行等数据,以分析城市居民对城市生态系统结构和功能的影响及其适应能力。选点可以结合长期样地监测工作,在长期样地附近选择典型的生活小区进行调查。

尽管城市生态系统的长期研究和监测还处于一个发展阶段,但国内外的一些初步工作,特别是美国的巴尔迪摩和凤凰城城市生态站以及我国的北京城市生态系统研究站,都已经进行了多年的探索。在此基础上,本文对城市生态系统长期研究的监测目标、监测内容和监测方法进行了框架性的初步分析,希望能够作为开展城市生态系统长期研究和监测工作的重要参考。

城市作为一个人类和自然相互作用的复杂生态系统,包含了众多的要素和过程,表现出多样的功能,需要开展监测的内容和指标非常多。但在资源有限的情况下,如何开展高效的监测工作,更好的为城市生态系统长期研究服务,首先,要认识到长期样地和定位观测站的建设是基础。科学地选择监测样地和定位站,将能够为城市生态系统长期监测提供基本平台。样地选择应该考虑各种自然和人类活动因素,针对拟研究的生态环境问题或生态过程特点,可以分层布点、按流域布点、按风向布点或按人类活动强度布点。样地要考虑长期的稳定性和代表性。其次,要考虑自然因素或过程的监测与人类活动或社会经济过程的监测相结合。城市生态系统研究要同时考虑自然和人类两类因素、驱动力、过程和功能。对于每一项监测内容都要有相应的其他自然指标和人类活动指标的同时监测。这样才能够满足揭示生态系统长期演变规律的研究需要。最后,城市生态系统长期监测是一项看起来简单,但坚持下去非常艰难的工作。许多短期行为,包括考核、人员、资金和环境变化等,都将可能使监测工作半途而废。但没有监测工作为基础,人类可能永远无法认识生态系统的长期演变规律。但愿那些有为社会和科学奉献精神的人们,能够做好思想准备,为人类开展城市生态系统的长期监测工作。只有坚持下去才能有收获。