城市生态系统长期观测研究站及其主要任务

随着对城市人居环境质量高度关注,城市生态学越来越受到重视。城市生态系统长期观测研究站(简称城市生态站),作为能够跟踪和研究城市生态系统长期变化规律的一种研究手段,在国内外得到了较快发展。在分析国内外城市生态站的研究经验和实践过程基础上,提出了城市生态站的科学目标、研究内容和主要工作,特别就城市生态站的观测工作、模拟实验工作和社会服务的基本框架和工作内容进行了论述,可以作为城市生态站建设的设计思路。为我国新建和完善城市生态站工作提供重要指导作用。

城市生态系统:人与自然复合

随着城市化快速发展,城市生态学进入了空前繁荣时期,一些新理念和新范式引起了广泛关注。从生态系统角度,分析了城市生态系统组分、结构、过程、功能和服务的特点,提出了城市生态系统研究的黑箱范式和结构⁃过程⁃功能⁃服务级联范式。重点分析了人与自然在城市生态系统的组分、结构、过程、功能和服务等方面上的不同角色,探讨了人与自然在城市生态系统组分上镶嵌、结构上融合、过程上耦合、功能上互补和服务上协同的相互作用机制,提出了城市生态系统研究的人与自然共同进化范式,即人类和自然相互作用和适应,推动了城市发展。这将为深入认识和研究城市生态系统提供重要理论支撑。

城市生态系统:高度空间异质性

城市生态系统复杂性不但体现在人与自然复合关系上,而且体现在空间异质性上。不同于传统的内部相对均质的生态系统,城市生态系统的构成元素(建筑物、植被和水体)在类型、密度、人类干扰强度和社会经济生态功能等方面都存在着很大的空间差异,形成了城市生态系统内部的高度空间异质性。城市空间异质性描述多采用以斑块为基础的景观格局指数法和斑块分类法等。城市生态系统的高度空间异质性,表现在城乡梯度上,生态系统要素、结构、过程、功能和服务都呈现出一定的城乡变化梯度。还表现在各类城市要素和功能单元的破碎化分布上,形成了多层级的斑块化格局。因此,城市空间异质性研究可以采用城乡梯度范式和层级斑块动态范式。这将为城市生态系统内部空间分异规律研究和城市规划管理提供重要的方法学基础。

城市生态学长期监测的几个关键问题

伴随城市人口快速聚集及人类活动加剧,城市生态环境质量及其对人类社会经济发展的支撑能力正在受到严重挑战,城市生态系统及其变化的研究越来越受到重视,国内外涌现出大量城市生态学长期监测工作,但相关监测方法的讨论还很少。在分析城市生态学长期监测类型和实践经验基础上,从城市面临的环境胁迫和建设管理需求出发,构建了城市生态学长期监测的“胁迫+需求-生态系统响应”总体思路框架;从科学上最基本和社会上最关心的城市生态系统要素、格局和过程着眼,提出城市生态学长期监测的7项内容(土地覆盖与利用、人居环境质量、生物多样性、生物质生产、水文过程、生物地球化学循环和物质代谢);并分析了城市生态学长期监测的4种方法(遥感监测、仪器监测、调查监测、公众科学监测),分析了城市生态学长期监测单元及其空间布局及监测频率。这将为我国城市生态学长期监测工作开展提供方法论基础和实践参考。

城市生态学自然模拟实验研究进展

自然模拟实验,通过适当控制影响因素研究自然状态下生态系统变化,已经越来越受到生态学家的欢迎。新兴的快速发展的城市生态学越来越多的采用自然模拟实验方法。研究从城市生态学的实验设计方法(如人工梯度、自然梯度和城市建设实验)、环境因子(如空气污染、热岛、灯光和地表硬化)生态效应和生态系统(如社区、绿地、绿化屋顶和集水区)响应等方面,分析了国内外大量城市生态学自然模拟实验的研究案例,并总结了城市生态学自然模拟实验的特点,指出了城市生态学模拟实验应该考虑的主要问题,并提出未来主要发展方向:(1)多种环境因子复合影响模拟实验研究,(2)生态系统结构和功能响应模拟实验研究,(3)近自然的长期模拟实验研究,(4)大范围的联网模拟实验研究和(5)面向城市生态恢复和建设的模拟实验研究。希望研究能够为推进我国城市生态学的实验研究起到抛砖引玉作用。

城市生态系统服务价值评估方法体系探索--以江苏省徐州市为例

文章以江苏省徐州市为例,探讨基于土地覆盖变化的城市生态系统服务价值评估时空比较、方法体系改进与完善。研究目的:(1)用货币化体现"绿水青山就是金山银山"理念的城市生态系统服务价值;(2)基于城市生态系统服务价值评估方法系列改进,提出包括资产核算指标体系在内的多种方法融合评估体系的构建与完善。研究得出:(1)徐州市研究区按生态功能强度调整后的生态服务价值2005年为19.33亿元,2015年为29.27亿元,2005~2015年增长51.42%;(2)按Meta回归分析的人口与经济增长因素调整后的2015年评估生态服务总价值为57.32亿元,而人口与经济增长因素2005~2015年的增长值为28.05亿元,其中森林22.60亿元、湿地0.53亿元、河湖水域4.92亿元。文章在论述了城市人工生态、自然生态相互交融的人工生态系统服务价值评估特点的基础上,揭示了土地覆盖的时空变化与价值评估之间的内在关联与发展规律。在丰富、拓展城市生态系统服务价值评估理论的同时,为城市生态系统服务价值评估及方法体系提供科学依据,突出了评估方法的改进与体系创新。文章最后提出推进评估规范化、科学化,以及完善基于生态系统服务价值分级分类评估的环境资产考核制度与相关政策建议。

北京城市与西北远郊地表臭氧浓度梯度移动监测研究

北京城市与区域臭氧浓度逐年升高,对自然生态系统已经构成影响。但地表臭氧在北京城市与远郊梯度空间上的连续递变特征机制尚不清楚。采用移动监测车,搭载臭氧分析仪,选择夏季典型臭氧污染天气,以北京教学植物园为对照点,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。通过分析臭氧浓度和采样点周围归一化植被指数(NDVI)的关系以及典型臭氧污染情况下的天气形势和气团轨迹,探讨北京城市和区域臭氧浓度连续空间变化特征及机制。结果表明:(1)北京西北山区森林区域臭氧浓度显著高于“城市区域”,约为城市区域的 2.00 倍。十三陵是地表臭氧浓度的分界点,从十三陵开始臭氧浓度陡然升高,在西北山区方向保持在高水平。空间上从高到低的顺序是西北山区(254.68μg/m^3)>对照点教学植物园(220.89μg/m^3)>城市支路(162.84μg/m^3)>城市快速路和高速路(103.24μg/m^3);(2)植被分布影响臭氧空间格局。在相同时间范围内,臭氧浓度和 NDVI 正相关,随 NDVI 增加臭氧浓度呈 Logistic 增长;(3)西北山区地表臭氧空间变异系数为 0.11,城市支路上平均为 0.28,城市快速路上为 0.26,高速公路上为 0.36。山区地表臭氧浓度的空间变异系数最小,高速公路最大,城市快速路、城市支路空间变异较大;(4)大范围均压场、高压后部、低压前部等稳定型天气型易造成南向弱气流,能够把空气污染物输送到西北远郊,但本研究中监测到的西北山区高浓度臭氧并非当天从城区输送而来。北京城市与区域臭氧格局与植被的关系及成因需要深入研究。

北京城区自生植物分布格局及其影响因素

了解城市自生植物的空间分布格局有助于城市植物景观的规划和管理。基于北京城区的252个自生植物样地调查数据,使用指示克里金法和地理探测器模型展示了北京城区自生植物的空间分布格局并揭示其形成原因。结果显示:北京城区共记录自生植物173种,其中草本植物144种,木本植物29种。草本和木本自生植物的空间分布格局存在显著差异,草本自生植物多样性沿城市中心—城郊梯度增加;木本自生植物多样性在空间上没有明显的城乡梯度,在城区多数区域的多样性较低。人为干扰对城市生态系统的自生植物空间分布格局产生了巨大的影响,草本自生植物主要受到距市中心距离、社会经济因素和绿地管理强度的影响,而木本自生植物则受到距城市中心距离、绿地管理强度、房价等因子交互作用的影响。研究结果有助于确定北京城区将来迫切需要保护或增强物种多样性的区域,为北京城市绿地管理提供参考。

中国生态地理区城市水资源利用效率及影响因素

水资源利用效率是落实最严水资源管理制度和水生态文明建设的重要内容,是中国国民经济社会发展的重要战略问题。通过分类数据包络分析模型对2007-2016年中国生态地理区城市水资源利用效率进行测算,分析全国和生态地理区城市水资源利用效率特征,采用Tobit回归模型探讨中国和生态地理区城市用水效率的影响因素。研究结果表明:我国城市水资源利用效率普遍较低,全国水资源效率均值呈现先下降后上升波动式发展,全国城市间用水效率差距在缩小。生态地理区水资源利用效率差异显著,温带干旱区、温带半干旱区、温带半湿润区、温带湿润区和亚热带湿润区用水效率依次递减,区域间水资源效率差异在逐渐减小。城市人口、土地利用结构、经济发展水平、产业结构与全国城市水资源利用效率呈显著正相关,而城市供水、用水结构、水资源管理政策则表现为显著负相关性。

中国生态地理区城市水资源利用效率时空分异特征

我国水资源面临的形势十分严峻,水资源短缺、水污染严重、水生态环境恶化等问题突出,已成为制约社会经济可持续发展的主要瓶颈。基于分类数据包络分析(Categorical DEA)对2007—2016年中国生态地理区城市水资源利用效率进行测算,对其时间变化、空间分布以及空间收敛性进行分析。结果表明:1)2007—2016年期间全国城市水资源利用效率总体处于低效率状态,随时间高低交错波动式发展,整体呈先降后升势态;2)生态地理区城市水资源利用综合效率由高到低依次为温带干旱区、温带半干旱区、温带半湿润区、温带湿润区、亚热带湿润区,呈西北向东南逐渐递减的空间分布格局,生态地理区纯技术效率区间差异较大,但空间分布规律不显著,区域规模效率间差距小,且无明显空间分布规律;3)纯技术效率低效是制约全国水资源利用综合效率提升的主要因素,生态地理区间纯技术效率巨大差距导致全国纯技术效率整体低效,也是全国水资源利用综合效率低效的根本原因;4)生态地理区水资源利用综合效率区域差距逐渐缩小,主要是因为高效率区域效率值向低效率区域靠拢,区域间低效向高效的“追赶效应”不明显。

城市生态系统长期研究展望

随着全球和中国的快速城市化,城市生态系统的长期研究受到了高度关注。在分析城市生态系统结构、格局、过程和功能特点的基础上,评述了近些年来城市生态系统研究的主要框架和学术观点,比较了Phoenix、Baltimore和北京3个城市生态系统研究站在研究目的、基本科学问题、研究内容和研究方法上的特点,并介绍了这3个城市生态站的一些主要研究思路和研究成果,指出了今后城市生态系统的研究重点是从理论上和研究方法上创新,将自然过程和人类社会经济过程很好地结合起来,为城市可持续发展提供科学依据。

斑块面积对城市绿地降温效应的影响研究进展

在气候变化和快速城市化的双重影响下,全球城市面临日益加剧的热岛效应。绿地能够有效改善城市热环境。城市土地资源紧缺,优化绿地布局,使有限面积的绿地发挥更大的降温效果具有重要的理论意义和实践价值。其中,如何设置绿地斑块大小则是优化绿地布局的首要考虑因素之一。从斑块和景观的尺度总结了现有绿地斑块大小对其降温效应影响的研究进展,结果表明:1)在斑块尺度,随着绿地斑块面积增加,绿地的降温效应相应增加,但增加的趋势为非线性变化,表现为温度随绿地斑块面积的增加先下降,后趋于平稳,表明可能存在降温效率(单位面积绿地降温能力)最强的斑块大小;2)在景观尺度,绿地斑块大小在空间上的配置对热环境的影响研究结果存在差异,尚无一致性定论。基于已有研究,本文指出了现有绿地斑块大小对其降温效应影响研究中的问题与不足:1)主要关注绿地斑块大小与温度的统计关系,缺乏对其具体影响过程和内在机制的深入探讨;2)更多关注地表温度,而对与人体舒适度和健康直接相关的其他热环境指标的研究较少;3)研究中缺少对城市中数量巨大,分布最广的小型绿地斑块的考量。未来的研究应加强从遮阴和蒸腾等降温过程深入解析绿地斑块大小对热环境影响的内在机理机制,从降温效率的角度,探讨是否存在最优的斑块大小,并进一步探讨绿地周围建筑环境对绿地斑块大小与其降温效应关系的影响,为优化城市绿地分布,改善城市热环境提供科学依据。

城市能源消费CO2排放及其影响因素研究

人类活动引起的以CO2为主的温室气体过量排放是造成全球变暖最主要的原因之一。随着城市化进程加快,城市能源消费和CO2排放都呈增长趋势。文章梳理了近年来国内外城市及其工业、建筑业、交通运输业和城市居民生活能源消费CO2排放的研究进展;通过对比分析城市能源消费CO2排放影响因素及其城市间的差异,得到经济发展和人口增长是城市能源消费CO2排放的主要促进因素,能源强度下降对CO2排放的降低起主导作用。产业结构和能源消费结构中高碳能源所占比例的变化、能源技术水平的发展和相关政策的完善、城市形态等因素,对城市能源消费CO2排放的影响作用存在差异。影响因素在同一个城市区域的不同时段内对CO2排放的影响作用存在差异的原因可能来自城市的发展以及影响因素自身的变化。

城市植物挥发性有机化合物排放与臭氧相互作用及其机制

近地面臭氧(O_(3))已成为继PM_(2.5)后影响我国空气质量的一种重要二次污染物。随着氮氧化物浓度的持续下降和气候变暖的加剧,城市O_(3)的形成对挥发性有机化合物的浓度更加敏感。近年来城市绿色空间显著增长,植物源挥发性有机化合物(BVOCs)排放和浓度逐年增加。针对BVOCs与近地面O_(3)之间复杂的交互作用,从植物BVOCs的特性与作用出发,综述了不同因素尤其是O_(3)浓度增加对树木生理状态及BVOCs排放速率的影响,定量分析了已有研究中O_(3)对不同植物异戊二烯和单萜烯排放速率的影响,以及BVOCs对O_(3)形成的贡献,总结了BVOCs与O_(3)相互作用研究领域存在的不足。未来亟需加强的研究包括:(1)城市树种BVOCs排放因子的实测,建立物种的排放速率数据库,优化模型参数,提升精细尺度BVOCs排放量估算模型精度;(2)多种环境因子,比如污染物浓度、温湿度等对城市植物BVOCs排放的交互作用和综合影响的研究;(3)植物BVOCs对O_(3)形成贡献的定量研究,及其对植物抗污染能力的影响,为城市建设中的树种选择及减轻城市O_(3)污染提供理论依据和借鉴。

城市复杂环境中碳通量日变化规律及其影响因素

城市是人类居住和活动最集中地区,其CO_(2)排放量占世界总排放量的71%,城市碳排放规律研究对全球碳减排工作具有重要意义。利用涡动相关技术观测了北京市某街区2015年至2016年的CO_(2)通量,重点研究了不同时间尺度和气象条件下的CO_(2)通量的日变化规律,分析了影响城市CO_(2)通量的社会及自然因素。结果表明,CO_(2)通量日变化特征具有(1)明显的早晚“双峰型”特征,早晚高峰分别出现在早上7:30—9:30和晚上17:30—20:30;(2)周末特征:周末早高峰时间延迟,晚于工作日约1.5h,且峰值低了约10.8%,但晚高峰时间提前,且峰值高于工作日约10.6%;(3)季节特征:冬季CO_(2)通量均值和早高峰值明显高于其他季节,夏季中午具有明显低峰区;(4)风向特征:在不同来风方向上,CO_(2)通量的日变化峰值差异很大;(5)天气特征:阴天双峰特征比晴天明显。研究表明CO_(2)通量日变化主要与交通流量动态变化关系最为密切,其次要受到植被的影响。因此,交通减排和植被增汇对于控制城市碳排放具有重要意义。

南京和北京城市天然源挥发性有机物排放差异

以南京市和北京市优势树种为研究对象,利用森林资源清查数据、小时气象观测资料和G95光温模型算法对中国南北典型城市南京和北京地区2015年森林天然源挥发性有机化合物(BVOCs)排放总量进行估算.研究发现,南京市总BVOCs排放主要来自湿地松、栎树类和杨树,北京市主要优势树种BVOCs排放量最高的是栎树类、杨树和油松.从排放总量来看,北京市森林BVOCs排放量是南京的2~3倍,分别为72114.1和28025.3t/a,但南京市单位面积BVOCs排放通量是北京市的1.6倍.两市各类BVOCs排放量季节变化均呈单峰型,即夏季排放最高,冬季最低,春秋季排放量相差不大.南京市的中龄林和近熟林为主要BVOCs排放源,北京市BVOCs的主要排放源是中龄林和幼龄林.总BVOCs排放量在各龄级的比例主要由其叶生物量决定,但各龄级内部优势树种类型不同也一定程度地影响BVOCs排放.

中美城市生态系统长期监测的内容和方法

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。

北京夏季地表臭氧污染分布特征及其对植物的伤害效应

臭氧是重要的空气氧化剂,适当浓度的臭氧可以消菌杀毒,但过高浓度的臭氧可能对生物健康构成威胁。随着城市汽车保有量的迅速上升,臭氧的前体物氮氧化物和VOCs排放增多,臭氧浓度随之不断升高,地表臭氧污染日趋严重。地表臭氧的分布特征以及其对植物的胁迫伤害效应引起了人们的重视。是通过监测北京夏季地表臭氧污染分布规律,鉴定是否有植物受到臭氧伤害,以及受伤害植物的种类及地理分布特征,为城市与区域臭氧风险评估提供依据。从2012年7月4日到8月30日,采用被动采样分析的方法,在北京东北、西北、西南、东南郊区以及城区设置了10个研究样点,监测平均臭氧浓度的变化。同时,运用"森林健康专家咨询系统"鉴定植物受臭氧伤害的特征。结果表明:(1)监测期间,北京西部和北部山区的臭氧浓度高于平原地区;在平原地区,公园中的臭氧浓度高于道旁绿化带;山区的臭氧浓度平均为105.39μg/m3,公园中为68.49μg/m3,道旁绿化带为56.54μg/m3;(2)在北京的公园和山区发现了18种植物符合"森林健康专家咨询系统"所述臭氧伤害特征,有五叶地锦(Parthenocissus quinquefolia)、核桃(Juglans regia)、臭椿(Ailanthus altissima)、喇叭花(Pharbitis purpurea)、桑树(Morus alba)、榆树(Ulmus pumila)、国槐(Sophora japonica)金叶槐(Sophora japonica f.flavi-rameus)、木槿(Hibiscus syriacus)、重瓣棣棠花(Kerria japonica)、山香(Hyptis suaveolens)、决明(Cassia tora)、毛白杨(Populus tomentosa)、黄花柳(Salix caprea)、大花地榆(Sanguisorba sitchensis)、火炬树(Rhus typhina)、大豆(Glycine max)、向日葵(Helianthus annuus);没有在道旁绿化带的植物叶片发现臭氧伤害症状;(3)臭椿(Ailanthus altissima)幼树臭氧伤害症状明显,易于辨认,且臭椿出现频率最高,是分布广泛的乡土树种,适合作为臭氧污染指示植物。

北京典型绿化树种幼苗光合特性对硬化地表的响应

以北京典型绿化树种油松(Pinus tabulaeformis)、白蜡(Fraxinus chinensis)和元宝枫(Acer truncatum)幼苗为试验材料,设置透水硬化地表、不透水硬化地表和对照3个水平的地表类型,通过监测地表温度、土壤含水量(20 cm)和光合参数等指标,分析3种树木叶片光合特性对硬化地表的响应特征。结果表明:城市硬化地表极显著地提高了地表温度(P<0.01),表现为透水地表>不透水地表>对照;不透水地表极显著地降低了3种树木土壤含水量(P<0.01);透水地表极显著地提高了油松和元宝枫土壤含水量(P<0.01)。两种硬化地表下油松、元宝枫和不透水地表下白蜡幼苗叶片的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度降低,株高和基径生长受到抑制。硬化地表对油松和元宝枫的影响主要源于硬化地表形成的高温胁迫,对白蜡的影响主要源于不透水地表形成的干旱胁迫。因此,在配置和种植城市绿化植物时,为缓解硬化地表对城市树木生长发育的不利影响,应选择适应高温和干旱的植物,并采取降温和灌溉措施来降低硬化地表的影响。

区域城市扩张对森林景观破碎化的影响——以粤港澳大湾区为例

森林生境丧失与景观破碎化是引起生物多样性下降,生态系统功能降低的重要原因。量化森林景观破碎化的时空特征及其与城市扩张格局的关系是开展区域生态修复与功能提升的重要基础。本文以快速城市化的典型区域——粤港澳大湾区为研究对象,基于遥感解译的1980年、1990年、2000年、2010年和2018年土地覆盖/利用专题图,通过多尺度的景观格局分析和统计分析,定量解析森林景观破碎化的时空演变特征及其与城市扩张格局间的关系。研究结果显示:1)1980—2018年,大湾区林地覆盖面积缩减1,274 km^(2),林地转变为建设用地的面积占林地丧失总面积的比例从1980—1990年的11%增长至2010—2018年的42%,表明城市扩张已成为林地丧失的主导因素;2)森林景观破碎化程度加剧,表现为林地斑块密度提高,平均斑块面积减小,但破碎类型与程度具有地域差异;3)城市扩张幅度与空间格局显著影响林地破碎化,其中,城市扩张幅度对林地破碎化的影响更为重要。基于森林景观破碎化与城市扩张的现状,落实城市增长边界划定、关键斑块-廊道识别与生态网络构建等措施,有助于保护与连通重要生态空间,保障和提升生态功能。