我国城市生态系统定位观测研究站的空间布局

摘要

摘要

城市生态系统定位观测研究站是国家陆地生态系统定位观测研究站网的重要组成部分，是监测城市生态系统发展演变的主要手段，与其他类型生态系统定位观测研究站既有共性也有独特性，其科学合理的空间布局是科学定位观测的基础。文章在分析城市生态站布局现状、差距的基础上，从自然、经济、社会因素全方位全要素研究城市生态站的横向总体布局设计，从国家大、中、小等不同城市规模角度研究城市生态站的纵向总体布局设计;同时，对城市内一站多点布局进行系统梯度布点、分类复合布点、区位特殊布点设计;最后提出城市生态站理想布局展望，这对推动城市生态站科学发展、推动人与自然和谐共生具有重要意义。

建立长期定位观测研究站是揭示生态系统结构功能动态变化规律和开展生态系统服务功能科学评估的有效手段，欧美一些国家在这方面起步很早，近年来在世界各国得到了迅猛发展。伴随着网络和信息技术的飞速发展，生态系统观测研究已从基于单个生态站的长期观测研究，向跨国家、跨区域、多站参与的全球化、网络化观测研究体系发展，从单纯的科研过程发展成为政府决策或社会服务提供依据的信息渠道。城市作为人类活动最为集中的地区，具有自然景观与人工景观相互交错、内部活动与周边活动相互影响的复杂性，是一个复合生态系统，同时也对区域生态系统有着重要的影响。在应对全球气候变化、保护生物多样性和实现人与自然和谐共生的今天，亟需建立面向以城市生态系统为对象的长期定位观测研究站，以及时关注城市生态系统的功能变化和健康状况。

我国林业部门开展森林、湿地、荒漠生态系统的定位观测研究比较早，从20世纪50年代就开始建立生态站，形成了覆盖全国、具有重要影响的中国陆地生态系统定位观测研究站网(CTERN)。近年来，城市生态系统定位观测研究受到国家重视，2016年，原国家林业局发布了《国家陆地生态系统定位观测研究网络中长期发展规划(2008—2020)》(修编版)，新增了城市生态站建设内容，将上海、重庆、深圳、扬州等8个森林或湿地生态站纳入城市生态站管理，截至2020年已批复建立了18个城市生态站。2021年，国家科技部负责组织建设的国家生态系统观测研究网络将69个野外站列入国家野外站择优建设名单，其中就有3个以城市化为背景进行长期定位研究的生态站。

目前，我国城市生态系统的基础研究还需要全面提升，特别是对城市生态系统的结构、功能、价值和作用等方面缺乏系统、深入的研究，对城市生态系统的生态、经济和社会效益价值评估研究较少，难以满足政府和社会公众对城市生态系统服务功能进行全面、系统、科学和准确评价的要求，也影响了对城市生态系统的保护和合理利用。我国城市生态系统建设范围和研究尺度还需要提前布局，以避免城市生态系统科学研究和建设管理中“你说你的，我干我的”不匹配问题，要学会在个体、群落、建成区、城近郊区、市域行政区、城市群等多个尺度进行研究，回答不同利益相关者的问题与需求。

我国城市生态站建设起步晚、发展速度快，怎样科学合理布局全国范围内、单个城市内城市生态站建设，是我国城市生态系统定位观测研究健康发展的首要问题。本文通过分析我国城市发展特点和城市生态站建设现状，以服务全国城市可持续发展为目标，提出CTERN城市生态站空间布局建设的思路和对策，对于强化城市生态系统基础研究和实用技术研发，增强公众对城市生态建设成果的感知体验，进一步完善我国陆地生态系统定位研究站网，建设人与自然和谐共生的现代化城市具有重要意义。

1 我国城市生态站布局现状

1.1 城市生态站布局现状

截至2020年，全国已批复建立18个城市生态站，其中有2个面向城市群，即广东珠江口城市群生态站和湖南长株潭城市群生态站(图1、表1)。其所在城市中，有2个为直辖市，即上海和重庆;有10个省会城市，即长沙、银川、杭州、广州、乌鲁木齐、西安、太原、郑州、南昌、合肥;有1个经济特区，即深圳;有1个国家级新区，即雄安新区。

从表1可看出：按照城市城区人口规模划分，现有的18个城市生态站所在城市有超大城市4个、特大城市5个、大型城市7个、中等城市2个。按照海拔和地貌区分，第三阶梯分布较多(13个)，所在城市地貌类型较为丰富;第二阶梯分布有5个，所在城市地貌地类大多为山地和高原;第一阶梯未有分布。从所属生态地理分区看，中温带干旱地区分布2个，暖温带半干旱地区1个，暖温带半湿润地区3个，北亚热带湿润地区3个，中亚热带湿润地区5个，南亚热带湿润地区3个，中热带湿润地区1个。

1.2 城市生态站建设差距

截止2020年，全国已有10个省会城市建设城市生态站，还有17个省会城市未布局城市生态站，即石家庄、呼和浩特、沈阳、长春、哈尔滨、南京、福州、济南、武汉、南宁、海口、成都、贵阳、昆明、拉萨、兰州、西宁;这些省会城市所在的省仅有江苏省、河北省、海南省已有城市生态站，其他省还未有城市生态站; 4个直辖市中，北京和天津还未建设城市生态站。

从城镇化空间格局来看，每个发展区基本都有城市生态站分布，但是兰州-西宁城市群、呼包鄂榆城市群、哈长城市群、辽中南城市群、山东半岛城市群、黔中城市群、滇中城市群、北部湾区城市群等8个城市群还没有城市生态站分布，尽管都有省会城市分布在其中。

从城市规模看，由于省会城市本身中等规模较少，没有小规模城市，所以目前的城市生态站所在城市中等和小规模城市较少。

从地理分区看，寒温带、高原温带、高原亚寒带、赤道热带未有城市生态站分布，其他生态地理分区中，中温带的湿润区、半湿润区和半干旱区未有城市生态站分布。特别是西北干旱、半干旱地区的城市生态站建设比较滞后。

根据城市生态站资料分析，从具体每个城市生态站的观测点布设来看，主站和辅站设置情况较为合理，但是观测点网络的设置未能系统开展，未能充分体现城市化梯度以及水土气生等数据一体化。

2 城市生态站总体布局设计

城市生态站建设数量和地点直接关系到观测研究的理论科学性和实践指导性。因此，需要综合考虑城市的自然条件、经济条件、社会条件和规模大小等多种因素，建设总量适宜、类型全面、布局合理的城市生态站。

2.1 按照自然、经济、社会因素

进行横向布局

2.1.1 自然因素：按照雨热条件和

地势海拔布局

根据降雨评价法，年降雨量是划分干湿区的指标，我国干旱区、半干旱区、半湿润区的年降雨量划分上线分别为200、400和800 mm，年降雨量>800 mm为湿润区。除了年降雨量划分干湿区方法外，考虑水面年蒸发量换算干燥指数来判断干湿区也得到了广泛应用。根据≥10℃的天数与积温值、最暖月平均温度等指标，杨勤业等将全国划分为11个温度带，分别为寒温带、中温带、暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带、边缘热带、中热带、赤道热带、高原亚寒带及高原温带等，同时考虑年干燥指数、天然植被等指标划分4类干湿地区(图2)。在城市生态站建设过程中，要均衡布局、综合考虑雨热条件差异，建立不同雨热条件下的城市生态站，提高城市生态站网研究成果的指导性和全面性。

中国是一个多山的国家，地势西高东低，大致呈三级阶梯状分布。青藏高寒区平均海拔4 500 m左右，内蒙古高原、黄土高原、云贵高原、准噶尔盆地、四川盆地、塔里木盆地等平均海拔在1 000~2 000 m间，东北平原、华北平原、长江中下游平原、辽东丘陵、山东丘陵、东南丘陵等平均海拔在500 m以下。需要针对不同海拔地区，选择山地、高原、盆地、平原、丘陵等不同地形，以及河谷、滨江、沿海城市等不同地理位置，设立不同类型城市生态站。

2.1.2 经济因素：按照经济

发展梯度布局

城市是社会经济发展的产物，经济发展水平也是支撑城市长期稳定发展的条件。我国的经济区域划分为东部、中部、西部和东北四大地区，不同经济区的城市发展水平和面临的生态环境问题需求不一样，要考虑城市经济发展水平的差异，在合理布设经济发达城市、一般城市和欠发达城市生态站基础上，优先选择基础条件好的城市，积累研究成果和建设经验。

2.1.3 社会因素：按照城市

区位价值布局

首先，优先选择省会城市，在全国23个省、5个自治区的省会级城市以及4个直辖市进行站点布局，发挥对当地城市生态建设的示范引领作用。其次，重点加强城市群地区的城市生态站建设。城市群是我国城市集中发展的一个特点，要关注主要城市群生态建设(图3)。继续完善京津冀、长三角等城市群区域的城市生态站布局，加强东北、西北、西南、东南沿海等城市群地区的建站步伐，并在各城市群内进行多站点布局，为国家城市群的健康发展和生态空间建设管理提供生态基础数据和技术服务。注：A湿润区;B半湿润区;C半干旱区;D干旱区。生态地理分区数据来源于资源环境科学与数据中心。

2.2 按照省-市-县(城市规模

大小)纵向布局

城市规模也是设立城市生态站需要考虑的因素之一。根据2022年中国统计年鉴(数据截至2021年底)，我国有293个地级市、977个市辖区、394个县级市、1 301个县和117个自治县。根据2020中国人口普查数据，在全国293个地级市及4个直辖市中，50万以下的小型城市85个，50~100万人口的中等城市111个，100~500万的大型城市有80个，50~1 000万的特大城市有14个，1 000万以上的超大城市有7个(含4个直辖市)。城市生态站建设除了关注特大、大型城市以外，还要选择一些代表性的中小城市、县城乃至典型城镇开展定位观测研究，为中小城镇健康发展服务。

3 城市生态站观测站点

布局设计

根据《城市生态系统定位观测研究站建设技术规范》(LY/T 2989-2018)要求，城市生态站需要设置站点和观测点，站点即主站和辅站，而观测点定义为在典型城市生态系统中为开展气象、大气、游憩康养环境、水文、水质、土壤、植物群落等方面的综合观测和研究设置的观测位点。主站和辅站投入大，属于研究基础平台，能够获取的数据有限，真正能够回答科学问题的数据来自于数量充足的观测点。因此需要合理布局观测点，增强数据的系统性和代表性。城市生态系统的监测样地布局需要综合考虑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，可以按分层布点、按流域、按风向或按人类活动强度布点。比如从北京城市中心向西北远郊方向，多点位连续测定地表臭氧浓度，以监测研究臭氧浓度的梯度变化。本文同样基于梯度和代表性考虑，提出系统梯度布点、分类复合布点、区位特殊布点三种具有普适性和互补性的观测布点方法，使得每个城市生态站的观测站点布设，既考虑观测内容的需要，也兼顾城市森林、湿地、草地等多种生态空间类型，以及城乡环境梯度的变化等因素。

北京市城市生物多样性观测点布局示意图

3.1 系统梯度布点

从市中心向城市郊区放射状系统布点。一般沿城市化梯度“十字形”或“米字形”设置轴线，沿轴线延长线的不同方向，等距离选择观测点，在城区内部至少有3个梯度，在城区外围至少有近郊和远郊两个梯度。例如广州城市生态站已建成以白云山主站点(梅花谷、麓湖)、越秀公园、海珠湿地公园、黄埔科学城体育公园、南沙滨海公园、浔峰山生态公园、马鞍山生态公园、花都湖湿地公园、石门国家森林公园9个长期定位观测站点及7个流动监测辅助站点，形成“一站多点”梯度分布的广州城市生态系统长期定位观测研究网络。上海城市站在崇明岛观测点的基础上，增加了城区公园、外环和滨海的观测点，形成中心城区-近郊-远郊观测梯度。

3.2 分类复合布点

在沿着城市化梯度系统布点时，由于城市是一个森林、湿地、草地、沙地、农田、街区等多种类型生态系统构成的复合生态系统，市域内不同类型生态系统的空间异质性较强，观测点的布设在生态系统类型上可能会有遗漏。本着能够反映城市生态系统整体状况以及城市化梯度变化状况布点原则，要有目的地在森林、湿地、草地、沙地、农田、街区等不同类型生态系统布设观测点，以便于全面认识城市生态系统的整体状况。比如，美国巴尔的摩城市生态站在设置城市森林长期监测点时，结合不同土地利用权重及网格法，建立商业区、工业区、林地、单位、居住区、公园、交通、未利用地等8类样地。

3.3 区位特殊布点

区位布点是关键区域布点，是对系统布点和分类布点的进一步补充，是基于城市的社会、经济、生态、文化发展背景等自然和人类活动特点考虑，针对城市热点区、敏感区、重要区等特殊关键点布设观测点，服务于城市居民休闲游憩和生态旅游的发展需求，增强生态感知的服务能力，比如旅游城市需要在人流量较多的景点设立观测点。

4 展望

4.1 城市生态站的理想数量和布局

我国城市生态站布局要综合考虑自然条件、经济发展水平和社会条件等因素，优先选择全国22个省、5个自治区、4个直辖市的省会级城市，发挥对当地城市生态建设的示范引领作用，需要建设31个城市生态站;在京津冀、长三角、珠三角、环渤海等主要城市群需加大布局密度，增加10个生态站;为服务中小城市生态建设，需按照中国四大经济区域及气候带分区，选择山地、丘陵、平原、绿洲等不同类型城市设20个生态站。因此，总体上我国城市生态站建设数量达到61处比较理想(图4)，四大经济区域和三级阶梯的每个省、自治区至少有2处城市生态站(宁夏除外)，并且每个城市群均有城市生态站，各级城市规模数量也较为均衡。

4.2 近期城市生态站建设

“十四五”时期，继续完善省会级城市布局，重点从东中西部、南北方、海拔高低、地貌类型、大中小规模、发展速度等多个角度综合考虑，并根据城市群发展战略，完善京津冀、长三角等城市群生态站布局，增强全国城市生态系统研究的均衡性和代表性。重点建设北京、石家庄、哈尔滨、呼和浩特、福州、厦门、南宁、昆明、贵阳、成都、武汉等省会级城市生态站，推进岳阳、吉林等中小城市的城市生态站建设，建议新建16个，使城市生态站的总量由2020年的18个，增加到34个(图5)。

4.3 每个城市生态站的站点布设

国家林业和草原局从2016年开始单独设立城市生态站。前期的上海、深圳、重庆等生态站是由传统的森林生态站改建，因此需要按照城市生态站的建设要求、观测指标持续完善，特别是要增加完善不同类型观测点的数量和空间布局，按照城乡梯度、涵盖多种绿色生态空间类型等要求加密布设观测点，增加观测内容。

标准气象站

成果展示

简易气象站

综合楼

珠江口城市群生态站建设情况

对于新建的城市生态站，要结合城市自身特点和需求，突出服务所在城市生态建设和市民美好生活的总体定位，科学布设观测站点，加快完善基础设施和仪器设备，增加研究力量和完善团队人才结构。

4.4 城市群地区生态站的协作研究

城市群是我国城市发展的主要特色和重要方向，其生态建设需要有中国自己的科学理论和技术。目前城市群生态站只有珠江口城市群和长株潭城市群2个，京津冀、长三角两个城市群还没形成面向城市群的研究体系和布局，是传统意义上单类森林问题的研究，在研究内容和区域耦合上比较欠缺，所做的研究工作还未能体现城市群特色，需要加强城市群监测点布局、基础数据构建，以反映城市群生态系统过程与功能。

4.5 城市生态站的研究力量

城市生态系统是一个复合生态系统，城市生态站关注的重点是森林、湿地、草地等城市生态空间，需要生态站的人才队伍拥有森林、湿地、生态学、风景园林、动物学、昆虫学、社会学、美学等多学科知识和研究技能，因此生态站建设要尽量选择科研机构数量多、科研人员充沛的城市，并在后期不断强化生态站的技术力量。

生态站的研究力量

4.6 城市生态站的服务能力

城市生态站既是一个科学研究站，也是一个科普教育、自然体验站，是一座城市生态建设的窗口。要围绕城市可持续发展、绿色生态系统建设、居民生态福祉需求、森林感知服务、政府决策需求等开展针对性的研究，提供接地气的理论、可落地的技术、易感知的服务，更多地把论文写在大地上，写在公众的心里。

生态站的服务能力

城市生态站是国家林业和草原局管理的八类国家陆地生态系统定位观测研究站网之一，是直接服务于城市可持续发展和居民美好生活的科学研究站，对于全面支撑我国建设人与自然和谐共生的中国式现代化具有重要意义，随着城市生态站建设布局的不断完善，理论和技术成果的不断应用，将会为中国城镇化绿色发展和美丽中国建设做出重要贡献。

第一作者

李世东，男，博士，教授级高级工程师，研究方向为生态保护修复、林草发展战略、智慧林业等。