郭 慧, 王 兵, 牛 香

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

郭 慧, 王 兵, 牛 香*

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所, 國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站可為森林經(jīng)營(yíng)和生態(tài)效益評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以湖北省為例，設(shè)計(jì)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)體系，基于球狀模型進(jìn)行普通克里格插值，與GIS的空間疊置分析相耦合，生成湖北省生態(tài)地理區(qū)劃和生態(tài)功能區(qū)劃；建立森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的有效分區(qū)，進(jìn)行森林生態(tài)站站點(diǎn)布設(shè)，構(gòu)建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)；總結(jié)討論了該網(wǎng)絡(luò)的合理性和保障措施、與其它生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)的比較和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的局限性。結(jié)果表明：該網(wǎng)絡(luò)將湖北省劃分成12 個(gè)分區(qū)，共布設(shè)16 個(gè)森林生態(tài)站，其中計(jì)劃建設(shè)12 個(gè)生態(tài)站，已經(jīng)建設(shè)4 個(gè)生態(tài)站；不僅可以監(jiān)測(cè)湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)面積，而且9 個(gè)森林生態(tài)站分布與湖北省4 個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和3 個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)相匹配。該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)要素的連續(xù)觀測(cè)與清查，為森林生態(tài)服務(wù)功能和生態(tài)效益評(píng)估，以及重大生態(tài)工程提供數(shù)據(jù)支撐和輔助決策分析依據(jù)。

森林生態(tài)站; 空間分析; 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃; 精度評(píng)價(jià)

當(dāng)前生態(tài)環(huán)境惡化(如森林植被嚴(yán)重破壞和生物多樣性銳減等)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成較大的影響，直接威脅著人類的生存與健康。生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作引起了各國(guó)政府的高度重視和公眾的廣泛關(guān)注[1]，我國(guó)啟動(dòng)了系列重大生態(tài)建設(shè)工程[2]。中國(guó)共產(chǎn)黨第十八次全國(guó)代表大會(huì)指出要大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，把資源消耗、環(huán)境損害和生態(tài)效益納入經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展評(píng)價(jià)體系。評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)或重大生態(tài)工程效益的最大制約因素在于基礎(chǔ)生態(tài)參數(shù)[3]的長(zhǎng)期系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化獲取。因此，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)期定位觀測(cè)研究比較成熟，如美國(guó)1939年建立了第一個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站Laguillo實(shí)驗(yàn)站[4]，之后很多國(guó)家相繼開(kāi)展了定位觀測(cè)研究工作，并逐漸由單獨(dú)生態(tài)定位站發(fā)展到生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)；中國(guó)生態(tài)定位研究起步于20世紀(jì)50年代，近年來(lái)也逐步呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)。綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)、資料和成果，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)研究對(duì)象的差異可分為綜合性網(wǎng)絡(luò)和專題性網(wǎng)絡(luò)，其中綜合性網(wǎng)絡(luò)主要針對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境變化開(kāi)展研究，比如美國(guó)長(zhǎng)期生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(United States Long-Term Ecological Research, US-LTER)[5]、英國(guó)環(huán)境變化網(wǎng)絡(luò)(Environment Change Network, ECN)[6]、加拿大生態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估網(wǎng)絡(luò)(Ecological Monitoring and Assessment Network(Canada), EMAN)[7]，中科院系統(tǒng)組建的中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)[8-10]主要針對(duì)中國(guó)各種生態(tài)系統(tǒng)類型開(kāi)展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究，已建設(shè)42個(gè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站；專題性網(wǎng)絡(luò)主要針對(duì)區(qū)域內(nèi)某項(xiàng)專題內(nèi)容開(kāi)展研究，比如歐洲森林生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(European Forest Ecosystem Research Network, EFERN)[11]、亞洲CO2通量監(jiān)測(cè)網(wǎng)(AsiaFlux)[12]，國(guó)家林業(yè)局組建的中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN)[13,14]主要針對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)展長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)與清查，已建設(shè)90 個(gè)森林生態(tài)站。

不同尺度上開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究的側(cè)重點(diǎn)是不同的[15]。全球、地區(qū)和國(guó)家尺度的長(zhǎng)期觀測(cè)研究主要側(cè)重重大生態(tài)問(wèn)題的長(zhǎng)期定位觀測(cè)與集成研究，旨在為生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護(hù)、政治外交等提供決策依據(jù)。區(qū)域和省域尺度的長(zhǎng)期觀測(cè)研究主要側(cè)重重點(diǎn)林業(yè)生態(tài)工程建設(shè)和生態(tài)環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題，開(kāi)展森林生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵生態(tài)要素作用機(jī)理研究。由于森林生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域分布完整性和多樣性的特點(diǎn)，在市級(jí)或縣級(jí)尺度上全面開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)布局的工作使得生態(tài)站布設(shè)存在重復(fù)的可能性，不僅不能體現(xiàn)典型抽樣的思想，而且投資成本過(guò)大。因此，選擇省域尺度進(jìn)行森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，其主要目的是通過(guò)長(zhǎng)期定位的監(jiān)測(cè)，從格局-過(guò)程-尺度有機(jī)結(jié)合的角度，研究水分、土壤、氣象、生物要素的物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量流動(dòng)規(guī)律，定量分析不同時(shí)空尺度上生態(tài)過(guò)程演變、轉(zhuǎn)換與耦合機(jī)制，建立森林生態(tài)環(huán)境及其效益的評(píng)價(jià)、預(yù)警和調(diào)控體系，揭示該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、演變過(guò)程及其影響機(jī)制。

湖北省植被資源非常豐富，具有典型的南北過(guò)渡特征，也是中國(guó)東西植物區(qū)系的過(guò)渡地帶。省內(nèi)重大生態(tài)工程集中分布，如三峽工程、南水北調(diào)工程、退耕還林工程、天然林資源保護(hù)工程、林業(yè)血防工程等，而森林生態(tài)站站點(diǎn)只有4 個(gè)且只分布于鄂西地區(qū)，無(wú)法對(duì)本省其它區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。隨著現(xiàn)代遙感、地理信息系統(tǒng)和模型等技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，為生態(tài)系統(tǒng)變化時(shí)空尺度數(shù)據(jù)獲取提供了重要的技術(shù)手段和方法[16]。遙感技術(shù)已在區(qū)域生態(tài)效益評(píng)估[17]、森林健康監(jiān)測(cè)[18]和森林生物量監(jiān)測(cè)[19]等方面發(fā)揮了很好的作用，但也存在一定的局限性，如由于空間分辨率和光譜特征的限制，無(wú)法獲取森林樹(shù)高、胸徑等生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)信息；森林生態(tài)功能遙感監(jiān)測(cè)模型還難以有效支撐水源涵養(yǎng)、保育土壤、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累等領(lǐng)域的研究；森林生態(tài)參數(shù)遙感反演的精度問(wèn)題等。為此需要構(gòu)建湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)，把生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和過(guò)程的野外長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)與相對(duì)宏觀尺度的景觀結(jié)構(gòu)和過(guò)程的遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合是下一步的重要工作。

本文綜合考慮區(qū)域地形、植被、氣候和重大生態(tài)工程的典型代表性，以湖北省為例，基于GIS的技術(shù)構(gòu)建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)，并討論了該網(wǎng)絡(luò)的合理性和保障措施、與其它生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)的比較和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的局限性，將GIS的空間分析功能整合應(yīng)用到森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的布局建設(shè)中，以期探索出更加科學(xué)合理的生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的布局構(gòu)建方法。

1 研究區(qū)概況

湖北省地處長(zhǎng)江中游，位于108°21′—116°07′E，29°05′—33°20′N。地勢(shì)西高東低，鄂西多為山地，北部多丘陵，東南部為大面積平原，且湖泊眾多。該區(qū)域是北亞熱帶和中亞熱帶的過(guò)渡區(qū)域，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，年均氣溫15—22 ℃，年降水量800—1600 mm。湖北省生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，主要有森林、濕地、農(nóng)田和城市等。湖北省森林面積713.86萬(wàn)hm2，主要分布在鄂西、鄂北和鄂東南，主要森林類型為針葉林、闊葉林、針闊混交林、灌叢和經(jīng)濟(jì)林。湖北省在鄂西地區(qū)已建設(shè)森林生態(tài)站4 個(gè)，分別是大巴山、神農(nóng)架、秭歸和恩施森林生態(tài)站(圖1)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Location of study area

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

采用的數(shù)據(jù)主要包括：湖北省氣象站溫度日值數(shù)據(jù)(1981—2010年)，來(lái)源于中國(guó)國(guó)家氣象局；地形區(qū)劃數(shù)據(jù)，來(lái)源于湖北省林業(yè)科學(xué)研究院；數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)太空總署和國(guó)防部國(guó)家測(cè)繪局；植被區(qū)劃和植被圖斑矢量數(shù)據(jù)，來(lái)源于張新時(shí)《中國(guó)植被》[20]的植被區(qū)劃和植被圖部分；重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，來(lái)源于國(guó)務(wù)院2010年《全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃》[21]；生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)，來(lái)源于國(guó)家環(huán)境保護(hù)部2010年《中國(guó)生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃》[22]；湖北省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，來(lái)源于湖北省國(guó)土資源廳。

利用氣象站溫度日值數(shù)據(jù)處理分析得到年積溫和積溫天數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)普通克里格法對(duì)其進(jìn)行空間插值；利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)地形區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；利用湖北省行政區(qū)劃空間裁切獲取湖北省溫度、地形、植被和生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局以典型抽樣思想為基礎(chǔ)，即選取典型有代表性的地點(diǎn)布設(shè)森林生態(tài)站進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)。生態(tài)區(qū)劃充分體現(xiàn)了一個(gè)區(qū)域的空間分異性規(guī)律，是實(shí)現(xiàn)典型抽樣的有效途徑，為此本規(guī)劃首先綜合考慮溫度、植被、水分和地形因素構(gòu)建湖北省生態(tài)地理區(qū)劃，結(jié)合重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)生成湖北省生態(tài)功能區(qū)劃；其次在生態(tài)地理區(qū)劃的基礎(chǔ)上優(yōu)先考慮生態(tài)功能區(qū)劃獲取森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有效分區(qū)，在有效分區(qū)內(nèi)進(jìn)行森林生態(tài)站站點(diǎn)布設(shè)，完成湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。采用的技術(shù)流程主要包括指標(biāo)體系設(shè)計(jì)、功能區(qū)劃和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建3 個(gè)步驟(圖2)。

圖2 技術(shù)流程圖Fig.2 Flow chart of technical methods

2.2.1 指標(biāo)體系

指標(biāo)體系主要有溫度指標(biāo)、植被指標(biāo)、地形指標(biāo)和生態(tài)功能區(qū)指標(biāo)。因湖北省全部位于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)地區(qū)，故不考慮水分指標(biāo)。

(1) 溫度指標(biāo) 選擇日均溫≥10 ℃的年積溫和積溫天數(shù)為指標(biāo)[23]，原因在于日均溫10 ℃與絕大多數(shù)喬木樹(shù)種葉子的萌發(fā)與枯萎大體相吻合[24]，大于該界限溫度的持續(xù)日數(shù)和積溫對(duì)林業(yè)具有重要的指示作用。

(2) 植被指標(biāo) 選擇中國(guó)植被區(qū)劃第五級(jí)區(qū)劃作為植被指標(biāo)，主要是該級(jí)區(qū)劃側(cè)重局部水熱狀況、中等地貌單元造成的差異，并且根據(jù)占優(yōu)勢(shì)的植被分類單元進(jìn)行區(qū)劃。

(3) 地形指標(biāo) 選擇經(jīng)DEM校正后的地形區(qū)劃為指標(biāo)，該區(qū)劃將湖北省分為6 個(gè)分區(qū)，分別是鄂西北山地及丹江庫(kù)區(qū)、鄂北低丘崗地區(qū)、鄂東北低山丘陵區(qū)、鄂西南山地及三峽庫(kù)區(qū)、鄂東南幕阜山地區(qū)、江漢平原地區(qū)。

(4) 生態(tài)功能區(qū)指標(biāo) 將重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)分別與湖北省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊置分析，篩選出森林生態(tài)系統(tǒng)類型的生態(tài)功能區(qū)作為指標(biāo)。重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)有大別山水土保持生態(tài)功能區(qū)、秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)、三峽庫(kù)區(qū)水土保持生態(tài)功能區(qū)、武陵山區(qū)生物多樣性及水土保持生態(tài)功能區(qū)。生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)有武陵山區(qū)，大巴山區(qū)和大別山區(qū)。

2.2.2 功能區(qū)劃

由于球狀模型用于普通克里格插值精度最高，且優(yōu)于常規(guī)插值方法[25]，因此本文采用球狀模型進(jìn)行變異函數(shù)擬合。球狀模型公式如下：

(1)

式中，C0為塊金效應(yīng)值，表示h很小時(shí)兩點(diǎn)間變量值的變化；C為基臺(tái)值，反映變量在研究范圍內(nèi)的變異程度；a為變程，h為滯后距離。

基于球狀模型通過(guò)普通克里格方法構(gòu)建湖北省溫度區(qū)劃，通過(guò)GIS空間裁剪得到湖北省植被區(qū)劃。湖北省溫度區(qū)劃和植被區(qū)劃以及DEM校正后的地形區(qū)劃進(jìn)行疊置分析，指標(biāo)圖層完全重合部分即為相對(duì)均質(zhì)區(qū)域，破碎部分可采用長(zhǎng)邊合并原則合并到相鄰區(qū)域，從而獲取湖北省生態(tài)地理區(qū)劃。選取重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)、生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)和湖北省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS空間疊置分析，提取森林生態(tài)功能類型，空間合并相同屬性后獲取湖北省生態(tài)功能區(qū)劃。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在湖北省生態(tài)地理區(qū)劃的基礎(chǔ)上，提取相對(duì)均質(zhì)區(qū)域作為森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的目標(biāo)靶區(qū)，并對(duì)森林生態(tài)站的監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行空間分析，確定森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的有效分區(qū)；其次在有效分區(qū)的基礎(chǔ)上，優(yōu)先考慮生態(tài)功能區(qū)，通過(guò)ArcGIS中的Feature To Point(Inside)功能提取區(qū)劃的空間內(nèi)部中心點(diǎn)布設(shè)森林生態(tài)站，對(duì)森林生態(tài)站的站點(diǎn)密度進(jìn)行空間分析后確定森林生態(tài)站站點(diǎn)位置，從而完成湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

3 結(jié)果與分析

3.1 森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的有效分區(qū)

湖北省溫度區(qū)劃、植被區(qū)劃和地形區(qū)劃用GIS進(jìn)行空間疊置分析，所有指標(biāo)圖層重合的區(qū)域即為相對(duì)均質(zhì)區(qū)域，破碎部分可采用長(zhǎng)邊合并的原則合并至相鄰區(qū)域，共生成12個(gè)目標(biāo)靶區(qū)。分區(qū)編碼命名規(guī)則為溫度區(qū)劃+水分區(qū)劃+流水號(hào)，其中溫度帶Ⅰ：日均溫≥10 ℃年均積溫4500—5100 ℃，積溫天數(shù)220—240d；溫度帶Ⅱ：日均溫≥10 ℃年均積溫5100—6400 ℃，積溫天數(shù)240—285d；A表示區(qū)內(nèi)干濕指數(shù)≤0.99，屬于濕潤(rùn)地區(qū)。

相對(duì)均質(zhì)區(qū)域作為森林生態(tài)站布設(shè)的目標(biāo)靶區(qū)，若布設(shè)森林生態(tài)站后，該生態(tài)站實(shí)際監(jiān)測(cè)范圍則能夠覆蓋整個(gè)相對(duì)均質(zhì)區(qū)域，未均質(zhì)區(qū)域即破碎部分是森林生態(tài)站不能監(jiān)測(cè)的區(qū)域。出現(xiàn)森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)未監(jiān)測(cè)區(qū)的原因主要在于該區(qū)域處在山地向平原過(guò)渡地區(qū)，地形起伏較大，植被類型復(fù)雜多樣且相對(duì)破碎、面積較小，不具有典型代表性，如江漢平原周邊區(qū)域，在進(jìn)行植被、地形和溫度區(qū)劃空間分析時(shí)表現(xiàn)為非均質(zhì)，出現(xiàn)圖斑破碎情況。

基于植被圖斑矢量數(shù)據(jù)和生態(tài)功能區(qū)劃數(shù)據(jù)，從森林、生態(tài)功能區(qū)、重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)4個(gè)層次分別對(duì)森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行空間分析。利用相對(duì)誤差方法對(duì)監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，具體公式為

(2)

式中,P為監(jiān)測(cè)精度；X為森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)測(cè)面積；T為生態(tài)地理區(qū)劃中的實(shí)有面積。

利用公式2計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)精度(表1)。

表1 森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)類型面積精度

-表示該分區(qū)無(wú)此類別

(1) 森林面積的總監(jiān)測(cè)精度為81.8%。監(jiān)測(cè)精度最高的分區(qū)為ⅡA2，精度達(dá)到91.9%，該區(qū)域森林資源豐富，地形地貌較為單一且均為山地；監(jiān)測(cè)精度最低的分區(qū)為ⅡA4，精度為65.4%，該區(qū)域是鄂西山地向江漢平原過(guò)渡的地帶，地形情況較為復(fù)雜，監(jiān)測(cè)缺失較大。

(2) 生態(tài)功能區(qū)面積的總監(jiān)測(cè)精度為88.9%。監(jiān)測(cè)精度最高的分區(qū)是ⅡA1，可監(jiān)測(cè)100%的秦巴山地生物多樣性生態(tài)功能區(qū)；監(jiān)測(cè)精度最低的分區(qū)是ⅡA5，精度為82.3%，原因在于ⅡA5的生態(tài)功能區(qū)均分布在該分區(qū)的邊界線附近，相對(duì)比較破碎。

(3) 重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積的總監(jiān)測(cè)精度為98.2%。分區(qū)ⅠA1、ⅠA2、ⅡA2、ⅡA4、ⅡA7、ⅡA8的監(jiān)測(cè)精度均達(dá)到100%；監(jiān)測(cè)精度最低的分區(qū)是ⅡA5，精度為92.4%，該區(qū)域位于鄂西北山地及丹江庫(kù)區(qū)和鄂北低丘崗地區(qū)的過(guò)渡地帶，地形地貌變化較大。

(4) 生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)面積的總監(jiān)測(cè)精度為87.5%。除ⅠA1、ⅡA9、ⅡA10分區(qū)外，其余分區(qū)對(duì)生物多樣性優(yōu)先保護(hù)區(qū)面積監(jiān)測(cè)精度差異很小，原因在于湖北省3個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)均橫跨2個(gè)分區(qū)。

若在目標(biāo)靶區(qū)內(nèi)布設(shè)森林生態(tài)站，則森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)覆蓋湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)面積，證明該目標(biāo)靶區(qū)劃分科學(xué)合理，可作為森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的有效分區(qū)。

3.2 森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的站點(diǎn)布設(shè)

在湖北省12 個(gè)有效分區(qū)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行森林生態(tài)站站點(diǎn)布設(shè)。森林生態(tài)站站點(diǎn)位置選擇標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)每個(gè)分區(qū)應(yīng)該至少布設(shè)1 個(gè)森林生態(tài)站。若該分區(qū)有已建森林生態(tài)站，則把已建森林生態(tài)站納入網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，不再重新建設(shè)森林生態(tài)站；反之，則需要重新布設(shè)森林生態(tài)站。

(2)若該分區(qū)沒(méi)有已建森林生態(tài)站，優(yōu)先考慮該分區(qū)的生態(tài)功能區(qū)劃，提取生態(tài)功能區(qū)的空間內(nèi)部中心點(diǎn)布設(shè)森林生態(tài)站。若生態(tài)功能區(qū)面積小于分區(qū)面積的50%，則還需要提取除了生態(tài)功能區(qū)外區(qū)域的空間內(nèi)部中心點(diǎn)補(bǔ)充布設(shè)森林生態(tài)站。

(3)若該分區(qū)沒(méi)有已建森林生態(tài)站和生態(tài)功能區(qū)，則直接提取分區(qū)的空間內(nèi)部中心點(diǎn)布設(shè)森林生態(tài)站。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方法步驟和生態(tài)站站點(diǎn)位置選擇標(biāo)準(zhǔn)對(duì)湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃布局，結(jié)果表明湖北省需要布設(shè)16 個(gè)森林生態(tài)站。湖北省森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn)密度進(jìn)行空間分析如下：16 個(gè)森林生態(tài)站分布區(qū)域?yàn)槲鞑康貐^(qū)布設(shè)7 個(gè)，中部地區(qū)布設(shè)4 個(gè)，東部地區(qū)布設(shè)5 個(gè)。從布設(shè)密度上看，西部地區(qū)比中部和東部高。從2 個(gè)方面做系統(tǒng)分析：一是從森林分布上分析。鄂西地區(qū)是湖北省森林資源的主要分布區(qū)，森林分布遠(yuǎn)多于東部和中部地區(qū)，森林覆蓋率可達(dá)46.3%；中部和東部地區(qū)人為活動(dòng)較多，原生植被破壞嚴(yán)重，多為次生林。江漢平原農(nóng)業(yè)發(fā)展較好，現(xiàn)多為栽培植被，以經(jīng)濟(jì)林為主，類型較為單一；二是從生態(tài)功能上分析。湖北省4 個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和3 個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)主要分布在西部和東北部地區(qū)，共布設(shè)森林生態(tài)站9 個(gè)，其中西部布設(shè)6 個(gè)，東北部布設(shè)3 個(gè)，保證了森林生態(tài)站站點(diǎn)分布與重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)相匹配。

綜上所述，基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃結(jié)果如圖3所示，圖中不同顏色代表12 個(gè)有效分區(qū)，共布設(shè)16 個(gè)森林生態(tài)站，其中計(jì)劃建設(shè)12 個(gè)森林生態(tài)站(綠色)，生態(tài)站命名編碼為S01—S12；已經(jīng)建設(shè)4 個(gè)森林生態(tài)站(藍(lán)色)，生態(tài)站站名分別是大巴山、神農(nóng)架、秭歸和恩施；各個(gè)森林生態(tài)站站點(diǎn)的具體情況如表2所示。

圖3 湖北省森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局Fig.3 Hubei forest ecosystem research network plan

4 結(jié)論與討論

基于GIS規(guī)劃的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)將湖北省劃分成12 個(gè)有效分區(qū)，共布設(shè)16個(gè)森林生態(tài)站，其中計(jì)劃建設(shè)12 個(gè)森林生態(tài)站，已經(jīng)建設(shè)4 個(gè)森林生態(tài)站。該網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)覆蓋湖北省81.8%的森林面積，88.9%的生態(tài)功能區(qū)面積，98.2%的重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)面積和87.5%的生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)面積；9 個(gè)森林生態(tài)站分布與湖北省4 個(gè)重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和3 個(gè)生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)相匹配。該結(jié)果論證了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的科學(xué)合理性。

表2 湖北省規(guī)劃的森林生態(tài)站站點(diǎn)

4.1 保障措施

(1)組織機(jī)構(gòu)和政策保障 組建了湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)管理中心，全面負(fù)責(zé)生態(tài)站建設(shè)、運(yùn)行和日常管理。該網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)符合國(guó)家的相關(guān)政策和精神，項(xiàng)目的建設(shè)方案按照國(guó)家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)要求進(jìn)行，其建設(shè)具有有力的法律、法規(guī)和政策保障。

(2)經(jīng)費(fèi)保障 森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)納入公益性事業(yè)，其基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和基本運(yùn)行以政府財(cái)政投資為主，并采取部門(mén)匹配和地方配套等多渠道籌資辦法可以保障生態(tài)站網(wǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的投入。同時(shí)還要積極籌措多方資金，鼓勵(lì)和引導(dǎo)企業(yè)、社會(huì)資本投入生態(tài)站網(wǎng)的建設(shè)和科研工作。通過(guò)建立撥款、自籌經(jīng)費(fèi)相結(jié)合的經(jīng)費(fèi)投入機(jī)制，保障森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)行和科研費(fèi)用投入的可持續(xù)性。

(3)管理保障 森林生態(tài)站的建設(shè)、運(yùn)行、管理和數(shù)據(jù)收集等工作嚴(yán)格遵循中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)站建設(shè)技術(shù)要求》[26]、《森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)指標(biāo)體系》[3]、《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法》[27]的規(guī)定。維護(hù)生態(tài)站基礎(chǔ)設(shè)施和觀測(cè)儀器的正常運(yùn)行以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。圍繞生態(tài)站建設(shè)、儀器設(shè)備管理、實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行、觀測(cè)研究等制訂相應(yīng)的管理制度，切實(shí)保證森林生態(tài)站的高效規(guī)范運(yùn)行。

(4)加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè) 對(duì)生態(tài)站的專業(yè)科技人員和管理人員開(kāi)展定期培訓(xùn)，提高綜合業(yè)務(wù)能力和素質(zhì)；重視學(xué)術(shù)帶頭人以及技術(shù)骨干隊(duì)伍的培養(yǎng)與提高；形成人員梯隊(duì)合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高水平管理與科研隊(duì)伍，保障生態(tài)站的研究水平。綜上所述，該森林生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)能夠按照計(jì)劃順利開(kāi)展實(shí)施。

4.2 不同生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)的比較

目前國(guó)內(nèi)外已有若干不同研究尺度和研究目的生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)，基本上都遵循“先建設(shè)后納入”模式，即根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)選擇較為成熟的生態(tài)站構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。而本文所建網(wǎng)絡(luò)遵循“先布局再建設(shè)”模式，首先結(jié)合已建森林生態(tài)站進(jìn)行湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃布局，再按照規(guī)劃布局結(jié)果進(jìn)行森林生態(tài)站的建設(shè)，該模式更能表現(xiàn)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的綜合性和整體性，也體現(xiàn)了典型抽樣的思想。這種模式的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)只有美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)(National Ecological Observatory Network, NEON)[28]和中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(CFERN)，區(qū)別在于NEON主要依據(jù)多元地理分組算法對(duì)全美生態(tài)氣候變量數(shù)據(jù)集進(jìn)行區(qū)域聚類獲得分區(qū)，而湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)溫度區(qū)劃、植被區(qū)劃、地形區(qū)劃和生態(tài)功能區(qū)劃進(jìn)行空間疊置分析獲得分區(qū)，在省域尺度細(xì)化CFERN并將逐步納入該體系。

4.3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的局限性

將GIS技術(shù)整合應(yīng)用到森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中，在空間尺度上不僅可以直觀展示網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃結(jié)果，而且可以對(duì)其進(jìn)行空間分析和綜合分析。然而該網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃在數(shù)據(jù)方面也存在一定的局限性，比如無(wú)法獲取與其它數(shù)據(jù)同期的湖北省植被分布數(shù)據(jù)，張新時(shí)所著《中國(guó)植被》中江漢平原地區(qū)部分經(jīng)濟(jì)林與農(nóng)作物存在一定的混分現(xiàn)象，可能會(huì)致使網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局結(jié)果出現(xiàn)微小的偏差。

湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)要素的連續(xù)觀測(cè)與清查，不僅在省域尺度補(bǔ)充和完善CFERN體系，而且也為森林健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、重大生態(tài)工程輔助決策和生態(tài)效益評(píng)估等提供決策支持。盡管在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)存在一定的不足，但本文提出的研究方法具有一定的實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值，也為其它省份和地區(qū)在進(jìn)行生態(tài)站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)提供一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

[1] 曹世雄, 陳軍, 陳莉, 高旺盛. 關(guān)于我國(guó)國(guó)民環(huán)境的態(tài)度調(diào)查. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(2):735-741.

[2] 李世東, 翟洪波. 世界林業(yè)生態(tài)工程對(duì)比研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22(11):1976-1982.

[3] 國(guó)家林業(yè)局. LY-T1606-2003森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)指標(biāo)體系. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

[4] 國(guó)家林業(yè)局. 國(guó)家林業(yè)局陸地生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2008-2020年). 北京. 2008.

[5] Hobbie J E, Carpenter S R, Grimm N B, Gosz J R, Seastedt T R. The US long term ecological research program. Bioscience, 2003, 53(1):21-32.

[6] Miller J D, Adamson J K, Hirst D. Trends in stream water quality in environmental change network upland catchments:the first 5 years. Science of the Total Environment, 2001, 265(1/3):27-38.

[7] Vaughan H, Brydges T, Fenech A, Lumb A. Monitoring long-term ecological changes through the ecological monitoring and assessment network:science-based and policy relevant. Environmental Monitoring and Assessment, 2001, 67(1/2):3-28.

[8] 黃鐵青, 劉健, 陳泮勤, 傅伯杰. 中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域野外觀測(cè)試驗(yàn)站工作進(jìn)展. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2002, 17(3):231-234.

[9] 黃鐵青, 牛棟. 中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN):概況、成就和展望. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2005, 20(8):895-902.

[10] Fu B J, Li S G, Yu X B, Yang P, Yu G R, Feng R G, Zhuang X L. Chinese ecosystem research network:progress and perspectives. Ecological Complexity, 2010, 7(2):225-233.

[11] Andersson F O, Feger K H, Huttl R F, Krauchi N, Mattsson L, Sallnas O, Sjoberg K. Forest ecosystem research priorities for Europe. Forest Ecology and Management, 2000, 132(1):111-119.

[12] 王文杰, 石福臣, 祖元?jiǎng)? 楊逢建, 毛子軍, 小池孝良. 陸地生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 30(4):57-61.

[13] 王兵, 崔向慧, 楊鋒偉. 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(4):84-91.

[14] Niu X, Wang B, Wei W J. Chinese forest ecosystem research network:a platform for observing and studying sustainable forestry. Journal of Food, Agriculture & Environment, 2013, 11(2):1008-1016.

[15] Lindenmayer D B, Likens G E. The science and application of ecological monitoring. Biological Conservation, 2010, 143(6):1317-1328.

[16] 李文華, 張彪, 謝高地. 中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的回顧與展望. 自然資源學(xué)報(bào), 2009, 24(1):1-10.

[17] 王曉慧, 陳永富, 陳爾學(xué), 張?jiān)獞?yīng), 雒艷蘭. 基于遙感和GIS的三北防護(hù)林工程生態(tài)效益評(píng)價(jià)研究——以山西省中陽(yáng)縣為例. 水土保持通報(bào), 2011, 31(5):171-175.

[18] 高廣磊, 信忠保, 丁國(guó)棟, 李叢叢, 張佳音, 梁文俊, 安云, 賀宇, 肖萌, 李文葉. 基于遙感技術(shù)的森林健康研究綜述. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(6):1675-1689.

[19] Lu D S. The potential and challenge of remote sensing-based biomass estimation. International Journal of Remote Sensing, 2006, 27(7):1297-1328.

[20] 中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植被圖編輯委員會(huì). 中國(guó)植被及其地理格局-中華人民共和國(guó)植被圖(1:1000000). 北京:地質(zhì)出版社, 2007.

[21] 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院. 全國(guó)主體功能區(qū)規(guī)劃——構(gòu)建高效、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的國(guó)土空間開(kāi)發(fā)格局. 北京. 2010.

[22] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部. 中國(guó)生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃(2011-2030年). 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2011.

[23] 鄭度. 中國(guó)生態(tài)地理區(qū)域系統(tǒng)研究. 北京:商務(wù)印書(shū)館, 2008.

[24] 陳咸吉. 中國(guó)氣候區(qū)劃新探. 氣象學(xué)報(bào), 1982, 40(1):35-47.

[25] 何亞群, 左蔚然, 張書(shū)敏, 勞國(guó)洪, 段晨龍. 基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)的煤田煤質(zhì)插值方法比較. 煤炭學(xué)報(bào), 2008, 33(5):514-517.

[26] 國(guó)家林業(yè)局. LY-T1626-2005森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站建設(shè)技術(shù)要求. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2005.

[27] 國(guó)家林業(yè)局. LY-T1952-2011森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[28] NEON (The National Ecological Observatory Network). The NEON Strategy-Enabling Continental Scale Ecological Forecasting. United States, Washington, D. C.:NEON. 2009.

A plan for a forest ecosystem observation research network, based on GIS, in Hubei province

GUO Hui, WANG Bing, NIU Xiang*

KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,StateForestryAdministration;ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentalandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Forest ecosystem observation research stations provide valuable data for forest management and ecological benefit assessments. Currently, the lack of long-term, standardized ecological data is one of the most important factors limiting effective ecological benefit assessments and the implementation of ecological engineering projects. As a result, there is a need to plan forest ecosystem observation research networks. This study focuses on the development of a forest ecosystem observation research network for Hubei province, China. First, the main indicators used as a basis for network planning were defined. These included temperature, vegetation type, terrain, and functional ecological zone. Annual accumulated temperatures (average daily temperature ≥10 ℃) and accumulated temperature days (average daily temperature ≥10 ℃) were selected as the temperature indicators. Vegetation groups in level 5 of the China vegetation regionalization program were chosen as the vegetation indicator. Terrain data, corrected by the digital elevation model (DEM), were chosen as the terrain indicator. Zones with different ecological functions within forest types were selected as ecological function indicators. These were also defined by overlying important ecological function zones and priority biodiversity conservation zones. Interpolation was carried out using ordinary kriging with a spherical model in ArcGIS software. This GIS analysis enabled the creation of a zoning plan for Hubei province that included eco-geographic and ecological function aspects. Second, relatively homogeneous areas were identified as target areas for the forest ecosystem monitoring network on the basis of the eco-geographic zones of Hubei Province. A spatial analysis of the monitoring scope was implemented to determine the potential coverage of the network plan. Functionally important zones were identified as a priority and the areas at the centers of these zones were located with ArcGIS software. The final stage in the development of the forest ecosystem observation research network plan was a spatial analysis of the density of forest ecological stations to determine optimal station locations. The results of our analysis indicated that an optimal forest ecological monitoring network is achieved when Hubei province is divided into 12 partitions and 16 forest ecological stations are constructed; 12 forest ecological stations are planned and 4 forest ecological stations are established. In this network, the area of forest monitored and the accuracy of the ecological function zone area were as high as 81.8% and 88.9%, respectively. In addition, coverage of important ecological function areas and biodiversity conservation priority areas was also high, with accuracies reaching 98.2% and 87.5%, respectively. The plan to include nine forest ecological stations was consistent with the existence of four important ecological function zones and three biodiversity conservation priority zones. The results provide strong scientific evidence for the adoption of a forest ecosystem observation research network planning approach in Hubei province. Finally, the safeguards for this network were analyzed, including organization and policy, funding, management, and team building. The construction, operation, and management of ecological monitoring stations and data collection work followed the People′s Republic of China forestry industry standards. The development of this network followed a “plan first and then build” approach and differed in a number of ways from other networks. There were some limitations to the data collection capacity of this network. For example, the presence of forests and crops on the Jianghan Plain resulted in classification errors that slightly influenced the results. To conclude, this monitoring network enables the effective implementation of forest ecosystem monitoring and provides data for assessment of forest ecosystem services and ecological benefits, along with providing important information that aids decision-making for major ecological projects.

forest ecological monitoring station; spatial analysis; observation network planning; accuracy assessment

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204101, 201404303); 國(guó)家林業(yè)局林業(yè)軟科學(xué)研究項(xiàng)目(2013-R03)

2014-04-02; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:

日期:2014-12-18

10.5846/stxb201404020627

*通訊作者Corresponding author.E-mail: niuxiang@caf.ac.cn

郭慧, 王兵, 牛香.基于GIS的湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(20):6829-6837.

Guo H, Wang B, Niu X.A plan for a forest ecosystem observation research network, based on GIS, in Hubei province.Acta Ecologica Sinica,2015,35(20):6829-6837.