城市森林生态系统长期观测研究及服务管理——以许昌城市森林生态系统定位研究站为例

裴柏洋

(许昌市林业技术推广站，河南 许昌 461000)

1 引言

城市森林生态系统观测研究能够为城市森林生态效益监测评估、相关生态工程辅助决策和生态城市及森林城市经营建设提供数据支持[1]。城市森林生态系统长期观测研究是一项长远持久的工程，随着城市行政区划布局的调整改变、城市建成区功能设施的不断完善、城区绿化率的消长变化，以及观测平台周边植被的更新、人口密度的增减、观测仪器设备和观测技术的发展完善等，城市森林生态系统的数据采集结果会呈现明显的差异化。在此过程中积累的相关数据、方法和经验，能够为其他综合生态系统和专项生态系统研究提供参考，为人们开展延伸性研究提供必要条件，能够帮助提升和完善城市森林生态系统的生态服务功能，同时也为城市森林生态系统的深入观测研究提供一定的参考和借鉴。

2 基本概况及研究方向

许昌市位于河南省中部，地势平坦，属暖温带半湿润大陆季风性气候，四季分明。许昌市先后荣获国家森林城市、国家生态园林城市等荣誉称号。许昌城市森林生态系统定位研究站地处许昌市魏都区，地理坐标为北纬34°02′、东经113°47′，生态站于2011年建成并正式开始运行，对城市区域内的空气温度、土壤温度、大气压力、相对温度、风速、降雨量、太阳辐射等生态因子进行全面观测，按要求及时编制生成数据月报表和年报表。

主要研究方向：一是进行长时间、大尺度、多要素的观测数据积累；二是完善和强化城市森林生态系统基础平台、信息平台、研究平台及服务平台建设；三是通过对长期观测数据进行研究，揭示生态系统的变化规律、演变态势及发展趋势。

3 标准现状

随着各类生态系统站网的不断发展完善，专项生态系统观测在观测项目、观测指标、观测方法、数据采集与获取以及运行管理等方面步入规范化和标准化。针对城市生态系统，国家林业和草原局发布了《城市生态系统定位观测研究站建设技术规范》(LY/T2989-2018)、《城市生态系统定位观测指标体系》(LY/T2990-2018)等实施标准。

3.1 台站建设运行

城市森林生态系统观测站目前主要分为定位观测站和移动监测站。定位观测站包括人工观测站和自动监测塔，人工观测站和自动监测塔分别在固定样地内对气象、大气、土壤等要素进行综合观测。移动监测站在城市森林生态系统中选取特定的观测样地和观测位点，主要对气象、大气、水文、土壤、植物群落以及空气质量等要素进行专项监测，并进行相关试验测试和实验分析。

3.2 数据获取与处理

城市森林生态系统定位观测站的人工观测站每天定时定点对相应仪器设备上的数据进行读取和抄录，并将数据输入到计算机观测软件中进行运算处理；自动监测塔的监测数据每隔1 h自动记录并保存，通过远程无线传输发送到指定存储电脑中。移动监测站在选取的特定样地现场以定时读取的方式记录相应数据，监测结束之后将原始数据带回保存并分级分类进行相应的运算处理。

3.3 数据质量控制与管理

按照生态系统观测监测的标准和规范，适时对数据库中各个仪器的观测数据和监测数据的质量进行检查和分析，对来源、精度、指标和时间等属性数据有异常的进行标注并及时研判，同时对相应的仪器设备进行排查，分析异常原因。对正常范围内的异常数据做好备注和说明，对错误的异常数据查找问题原因，在数据信息处理和分析时予以剔除，并及时对设备故障进行修复。

4 运行管理

城市森林生态系统观测台站实行规范化、科学化管理，按照生态站运行管理规范和制度，对各类观测设施和仪器设备进行定期维护，对观测结果适时进行检查和评估，确保仪器设备运行正常，观测监测程序标准到位，数据信息采集结果准确、完整、连续、规范，同时做好各类档案资料的分级分类保存和管理工作。

5 应用与服务

5.1 数据应用

通过长期观测积累的数据，为城市森林生态效益的量化评价、环境效益的定量评估与调控[2]、相关科学研究以及社会发展服务提供重要研究数据。长期观测研究的数据结果，为城市森林生态系统及其资源的研究提供广泛的信息资料，为城市生态系统规划、管理和决策提供可靠的数据支持，为城市生态系统保护与开发利用提供有效的参考依据。将观测和研究成果应用到对城市森林生态系统物质量和价值量的分析探究中，从而为更高层次、更加宏观的研究和决策提供理论支持。

5.2 信息服务

一方面，通过构建以监测数据为关键要素的城市森林生态信息平台，能够科学评估和实时反馈本地区的生态效益，能够客观、完整、准确、全面的反映城市森林生态系统的地位和作用，从而准确直观的表达、反映和评价本地区林业生态建设成效；另一方面，基于多源遥感手段提取的观测和研究成果，能够立体化的反映出土地利用时空变化和强度变化以及森林覆盖面积变化对生态系统区域性服务价值的影响[3]，为城市森林生态经济量化核算及研究应用提供详细具体的论证信息，为城市生态管理制度的制定提供扎实可靠的决策信息和技术依据。

6 建议和发展方向

6.1 深入本质掌握观测仪器的结构和原理

生态站管理和观测人员应熟悉并熟练掌握生态站观测仪器设备的结构原理及技术性能，对观测仪器的使用要点和技术要领要全面掌握，对机械结构和工作原理要深入了解，一方面减小观测仪器长年使用出现的观测误差，使观测结果更加准确[4]；另一方面确保及时有效应对可能出现的各种机械故障，最大程度减少对观测连续性、稳定性的影响。如自记雨量计，在降水量达到指针下落的位点之后，仪器内部的储存水排不出来，指针不归零，自记纸不能正常显示实际降水量；经多方查找原因之后发现，是连接排水装置的橡胶接口出现老化，密封不严，导致仪器内部的储存水无法正常排出，在更换橡胶接口之后，自记雨量计恢复正常运行。

6.2 加强同高校学科和城市发展的衔接与融合

一方面，加强与高校的联系和交流合作，向高校相关院系师生进行针对性的推介，吸引高校相关专业师生进驻生态站研究学习，在满足高校对林业生态实践需求的同时，充分发挥城市森林生态站的专业特色和社会价值，同时利用高校的学科和专业优势，进一步提升生态站的建设水平和观测能力[5]；另一方面，对生态站的研究成果加强推广，积极主动回应社会公众对城市森林生态福利共享、生态健康及生态安全的关注和关切，有效提升生态站在地区经济社会发展和生态建设中的权重，增强社会影响力，使城市森林生态站成为城市规划、建设和发展过程中不可忽视的一部分，从而在城市总体规划调整建设中赢得更广阔的发展空间。

6.3 加强城市森林生态系统信息服务平台建设

通过先进智能设备和传感技术，建立符合需求的生态数据传输和处理的一体化物联网平台[6]，减少在数据采集过程中人力物力的耗费，降低观测难度，提高数据获取的连续性、准确性，做到时刻监控、实时传输、定时更新、精准管理和高效运用，进而获取长时间、多层次、大尺度、多要素、高质量的生态数据，达到在精确评估城市森林生态系统基本表征的同时，准确把握城市森林生态系统的动态变化规律，实现对城市森林生态系统生态状况的精准监测和研究评估。

6.4 加强观测数据预处理

在对观测数据进行处理和运用时，需对数据质量进行严格检测。因环境变化或传感器异常，会导致观测数据出现异常变化和波动[7]，因此应根据城市森林生态系统的环境指标、内在联系、数据特征及波动变化情况，制定出针对性的异常数据检测算法，对因传感器故障产生的异常数据，在数据运用时予以剔除，对因季节因素或人类活动等原因出现的异常数据予以保留。在数据检测过程中，通过灵活运用人工检测和自动化检测，统筹考虑生态系统多要素间的相互作用和内在联系，对数据的有效性进行精确判别，从而为后续观测数据的分析和应用提供扎实基础。

6.5 构建具有区域特色的城市森林生态系统定位观测体系

加强监测的多面性、整体性、综合性和协调性，对本地区气象、土壤、水质、生物、地貌地形等各类监测对象进行系统构建，探索地域内“气-土-水-生-地”各类监测对象之间的关联性和融合性，设计并建设布局全面、观测指标完善的立体化观测体系[8]。通过对本地区城市森林生态系统各类对象、各种相关信息进行完整全面的监测、监察和监控，获取类型多样的多源数据，达到多层次布局、全方位监测、多要素量化、多维度评估的整体监测效果，真正实现对区域内城市森林生态系统的全貌监测。