当前生态环境恶化(如森林植被严重破坏和生物多样性锐减等)对社会和经济的发展造成较大的影响，直接威胁着人类的生存与健康。生态环境保护工作引起了各国政府的高度重视和公众的广泛关注^[1]，我国启动了系列重大生态建设工程^[2]。中国共产党第十八次全国代表大会指出要大力推进生态文明建设，把资源消耗、环境损害和生态效益纳入经济社会发展评价体系。评估生态系统或重大生态工程效益的最大制约因素在于基础生态参数^[3]的长期系统化、标准化获取。因此，构建生态系统定位观测研究网络非常关键。

国外发达国家的长期定位观测研究比较成熟，如美国1939年建立了第一个森林生态系统监测站Laguillo实验站^[4]，之后很多国家相继开展了定位观测研究工作，并逐渐由单独生态定位站发展到生态系统定位观测研究网络；中国生态定位研究起步于20世纪50年代，近年来也逐步呈现出网络化发展趋势。综合分析相关数据、资料和成果，根据生态系统网络研究对象的差异可分为综合性网络和专题性网络，其中综合性网络主要针对区域生态系统和环境变化开展研究，比如美国长期生态系统研究网络(United States Long-Term Ecological Research,US-LTER)^[5]、英国环境变化网络(Environment Change Network,ECN)^[6]、加拿大生态监测和评估网络(Ecological Monitoring and Assessment Network(Canada),EMAN)^[7]，中科院系统组建的中国生态系统定位研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)^[8,9,10]主要针对中国各种生态系统类型开展长期监测研究，已建设42个生态系统试验站；专题性网络主要针对区域内某项专题内容开展研究，比如欧洲森林生态系统研究网络(European Forest Ecosystem Research Network,EFERN)^[11]、亚洲CO₂通量监测网(AsiaFlux)^[12]，国家林业局组建的中国森林生态系统定位观测研究网络(Chinese Forest Ecosystem Research Network,CFERN)^[13,14]主要针对中国森林生态系统开展长期连续观测与清查，已建设90 个森林生态站。

不同尺度上开展森林生态系统定位观测研究的侧重点是不同的^[15]。全球、地区和国家尺度的长期观测研究主要侧重重大生态问题的长期定位观测与集成研究，旨在为生态环境建设与保护、政治外交等提供决策依据。区域和省域尺度的长期观测研究主要侧重重点林业生态工程建设和生态环境热点问题，开展森林生态系统关键生态要素作用机理研究。由于森林生态系统区域分布完整性和多样性的特点，在市级或县级尺度上全面开展网络布局的工作使得生态站布设存在重复的可能性，不仅不能体现典型抽样的思想，而且投资成本过大。因此，选择省域尺度进行森林生态系统定位观测研究网络的建设，其主要目的是通过长期定位的监测，从格局-过程-尺度有机结合的角度，研究水分、土壤、气象、生物要素的物质转换和能量流动规律，定量分析不同时空尺度上生态过程演变、转换与耦合机制，建立森林生态环境及其效益的评价、预警和调控体系，揭示该区域森林生态系统的结构与功能、演变过程及其影响机制。

湖北省植被资源非常丰富，具有典型的南北过渡特征，也是中国东西植物区系的过渡地带。省内重大生态工程集中分布，如三峡工程、南水北调工程、退耕还林工程、天然林资源保护工程、林业血防工程等，而森林生态站站点只有4 个且只分布于鄂西地区，无法对本省其它区域进行有效监测。随着现代遥感、地理信息系统和模型等技术的不断发展与成熟，为生态系统变化时空尺度数据获取提供了重要的技术手段和方法^[16]。遥感技术已在区域生态效益评估^[17]、森林健康监测^[18]和森林生物量监测^[19]等方面发挥了很好的作用，但也存在一定的局限性，如由于空间分辨率和光谱特征的限制，无法获取森林树高、胸径等生态系统结构参数信息；森林生态功能遥感监测模型还难以有效支撑水源涵养、保育土壤、营养物质积累等领域的研究；森林生态参数遥感反演的精度问题等。为此需要构建湖北省森林生态系统定位观测研究网络，把生态系统组成、结构和过程的野外长期定位监测与相对宏观尺度的景观结构和过程的遥感监测相结合是下一步的重要工作。

本文综合考虑区域地形、植被、气候和重大生态工程的典型代表性，以湖北省为例，基于GIS的技术构建了湖北省森林生态系统定位观测研究网络，并讨论了该网络的合理性和保障措施、与其它生态站网络的比较和网络规划的局限性，将GIS的空间分析功能整合应用到森林生态系统定位观测研究网络的布局建设中，以期探索出更加科学合理的生态系统定位观测研究网络的布局构建方法。

湖北省地处长江中游，位于108°21′—116°07′E，29°05′—33°20′N。地势西高东低，鄂西多为山地，北部多丘陵，东南部为大面积平原，且湖泊众多。该区域是北亚热带和中亚热带的过渡区域，属于亚热带季风湿润气候，年均气温15—22 ℃，年降水量800—1600 mm。湖北省生态系统类型多样，主要有森林、湿地、农田和城市等。湖北省森林面积713.86万hm²，主要分布在鄂西、鄂北和鄂东南，主要森林类型为针叶林、阔叶林、针阔混交林、灌丛和经济林。湖北省在鄂西地区已建设森林生态站4 个，分别是大巴山、神农架、秭归和恩施森林生态站(图1)。

图 1 研究区概况 Fig.1 Location of study area

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采用的数据主要包括：湖北省气象站温度日值数据(1981—2010年)，来源于中国国家气象局；地形区划数据，来源于湖北省林业科学研究院；数字高程模型(DEM)数据来源于美国太空总署和国防部国家测绘局；植被区划和植被图斑矢量数据，来源于张新时《中国植被》^[20]的植被区划和植被图部分；重点生态功能区，来源于国务院2010年《全国主体功能区规划》^[21]；生物多样性保护优先区，来源于国家环境保护部2010年《中国生物多样性保护战略与行动计划》^[22]；湖北省行政区划数据，来源于湖北省国土资源厅。

利用气象站温度日值数据处理分析得到年积温和积温天数数据，通过普通克里格法对其进行空间插值；利用DEM数据对地形区划数据进行校正；利用湖北省行政区划空间裁切获取湖北省温度、地形、植被和生态功能区划数据。

森林生态站网络规划布局以典型抽样思想为基础，即选取典型有代表性的地点布设森林生态站进行长期定位观测。生态区划充分体现了一个区域的空间分异性规律，是实现典型抽样的有效途径，为此本规划首先综合考虑温度、植被、水分和地形因素构建湖北省生态地理区划，结合重点生态功能区和生物多样性保护优先区生成湖北省生态功能区划；其次在生态地理区划的基础上优先考虑生态功能区划获取森林生态站网络规划有效分区，在有效分区内进行森林生态站站点布设，完成湖北省森林生态系统定位观测研究网络规划。采用的技术流程主要包括指标体系设计、功能区划和网络构建3 个步骤(图2)。

图 2 技术流程图 Fig.2 Flow chart of technical methods

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指标体系主要有温度指标、植被指标、地形指标和生态功能区指标。因湖北省全部位于亚热带季风湿润地区，故不考虑水分指标。

(1) 温度指标 选择日均温≥10 ℃的年积温和积温天数为指标^[23]，原因在于日均温10 ℃与绝大多数乔木树种叶子的萌发与枯萎大体相吻合^[24]，大于该界限温度的持续日数和积温对林业具有重要的指示作用。

(2) 植被指标 选择中国植被区划第五级区划作为植被指标，主要是该级区划侧重局部水热状况、中等地貌单元造成的差异，并且根据占优势的植被分类单元进行区划。

(3) 地形指标 选择经DEM校正后的地形区划为指标，该区划将湖北省分为6 个分区，分别是鄂西北山地及丹江库区、鄂北低丘岗地区、鄂东北低山丘陵区、鄂西南山地及三峡库区、鄂东南幕阜山地区、江汉平原地区。

(4) 生态功能区指标 将重点生态功能区和生物多样性优先保护区分别与湖北省行政区划数据进行空间叠置分析，筛选出森林生态系统类型的生态功能区作为指标。重点生态功能区有大别山水土保持生态功能区、秦巴生物多样性生态功能区、三峡库区水土保持生态功能区、武陵山区生物多样性及水土保持生态功能区。生物多样性保护优先区有武陵山区，大巴山区和大别山区。

由于球状模型用于普通克里格插值精度最高，且优于常规插值方法^[25]，因此本文采用球状模型进行变异函数拟合。球状模型公式如下：

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式中，C₀为块金效应值，表示h很小时两点间变量值的变化；C为基台值，反映变量在研究范围内的变异程度；a为变程，h为滞后距离。

基于球状模型通过普通克里格方法构建湖北省温度区划，通过GIS空间裁剪得到湖北省植被区划。湖北省温度区划和植被区划以及DEM校正后的地形区划进行叠置分析，指标图层完全重合部分即为相对均质区域，破碎部分可采用长边合并原则合并到相邻区域，从而获取湖北省生态地理区划。选取重点生态功能区、生物多样性保护优先区和湖北省行政区划数据进行GIS空间叠置分析，提取森林生态功能类型，空间合并相同属性后获取湖北省生态功能区划。

在湖北省生态地理区划的基础上，提取相对均质区域作为森林生态站网络规划的目标靶区，并对森林生态站的监测范围进行空间分析，确定森林生态站网络规划的有效分区；其次在有效分区的基础上，优先考虑生态功能区，通过ArcGIS中的Feature To Point(Inside)功能提取区划的空间内部中心点布设森林生态站，对森林生态站的站点密度进行空间分析后确定森林生态站站点位置，从而完成湖北省森林生态系统定位观测研究网络构建。

湖北省温度区划、植被区划和地形区划用GIS进行空间叠置分析，所有指标图层重合的区域即为相对均质区域，破碎部分可采用长边合并的原则合并至相邻区域，共生成12个目标靶区。分区编码命名规则为温度区划+水分区划+流水号，其中温度带Ⅰ：日均温≥10 ℃年均积温4500—5100 ℃，积温天数220—240d；温度带Ⅱ：日均温≥10 ℃年均积温5100—6400 ℃，积温天数240—285d；A表示区内干湿指数≤0.99，属于湿润地区。

相对均质区域作为森林生态站布设的目标靶区，若布设森林生态站后，该生态站实际监测范围则能够覆盖整个相对均质区域，未均质区域即破碎部分是森林生态站不能监测的区域。出现森林生态站网络未监测区的原因主要在于该区域处在山地向平原过渡地区，地形起伏较大，植被类型复杂多样且相对破碎、面积较小，不具有典型代表性，如江汉平原周边区域，在进行植被、地形和温度区划空间分析时表现为非均质，出现图斑破碎情况。

基于植被图斑矢量数据和生态功能区划数据，从森林、生态功能区、重点生态功能区和生物多样性保护优先区4个层次分别对森林生态站网络监测范围进行空间分析。利用相对误差方法对监测范围进行精度评价，具体公式为

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式中,P为监测精度；X为森林生态站网络可监测面积；T为生态地理区划中的实有面积。

利用公式2计算该网络的监测精度(表1)。

(1) 森林面积的总监测精度为81.8%。监测精度最高的分区为ⅡA2，精度达到91.9%，该区域森林资源丰富，地形地貌较为单一且均为山地；监测精度最低的分区为ⅡA4，精度为65.4%，该区域是鄂西山地向江汉平原过渡的地带，地形情况较为复杂，监测缺失较大。

(2) 生态功能区面积的总监测精度为88.9%。监测精度最高的分区是ⅡA1，可监测100%的秦巴山地生物多样性生态功能区；监测精度最低的分区是ⅡA5，精度为82.3%，原因在于ⅡA5的生态功能区均分布在该分区的边界线附近，相对比较破碎。

(3) 重点生态功能区面积的总监测精度为98.2%。分区ⅠA1、ⅠA2、ⅡA2、ⅡA4、ⅡA7、ⅡA8的监测精度均达到100%；监测精度最低的分区是ⅡA5，精度为92.4%，该区域位于鄂西北山地及丹江库区和鄂北低丘岗地区的过渡地带，地形地貌变化较大。

(4) 生物多样性优先保护区面积的总监测精度为87.5%。除ⅠA1、ⅡA9、ⅡA10分区外，其余分区对生物多样性优先保护区面积监测精度差异很小，原因在于湖北省3个生物多样性保护优先区均横跨2个分区。

若在目标靶区内布设森林生态站，则森林生态站网络可以监测覆盖湖北省81.8%的森林面积，88.9%的生态功能区面积，98.2%的重点生态功能区面积和87.5%的生物多样性保护优先区面积，证明该目标靶区划分科学合理，可作为森林生态站网络规划的有效分区。

在湖北省12 个有效分区的基础上，进行森林生态站站点布设。森林生态站站点位置选择标准如下：

(1)每个分区应该至少布设1 个森林生态站。若该分区有已建森林生态站，则把已建森林生态站纳入网络规划，不再重新建设森林生态站；反之，则需要重新布设森林生态站。

(2)若该分区没有已建森林生态站，优先考虑该分区的生态功能区划，提取生态功能区的空间内部中心点布设森林生态站。若生态功能区面积小于分区面积的50%，则还需要提取除了生态功能区外区域的空间内部中心点补充布设森林生态站。

(3)若该分区没有已建森林生态站和生态功能区，则直接提取分区的空间内部中心点布设森林生态站。

根据网络布设方法步骤和生态站站点位置选择标准对湖北省森林生态系统定位观测研究网络进行规划布局，结果表明湖北省需要布设16 个森林生态站。湖北省森林生态站网络的站点密度进行空间分析如下：16 个森林生态站分布区域为西部地区布设7 个，中部地区布设4 个，东部地区布设5 个。从布设密度上看，西部地区比中部和东部高。从2 个方面做系统分析：一是从森林分布上分析。鄂西地区是湖北省森林资源的主要分布区，森林分布远多于东部和中部地区，森林覆盖率可达46.3%；中部和东部地区人为活动较多，原生植被破坏严重，多为次生林。江汉平原农业发展较好，现多为栽培植被，以经济林为主，类型较为单一；二是从生态功能上分析。湖北省4 个重点生态功能区和3 个生物多样性保护优先区主要分布在西部和东北部地区，共布设森林生态站9 个，其中西部布设6 个，东北部布设3 个，保证了森林生态站站点分布与重点生态功能区和生物多样性保护优先区相匹配。

综上所述，基于GIS的湖北省森林生态系统定位观测研究网络规划结果如图3所示，图中不同颜色代表12个有效分区，共布设16 个森林生态站，其中计划建设12 个森林生态站(绿色)，生态站命名编码为S01—S12；已经建设4 个森林生态站(蓝色)，生态站站名分别是大巴山、神农架、秭归和恩施；各个森林生态站站点的具体情况如表2所示。

图 3 湖北省森林生态站网络规划布局 Fig.3 Hubei forest ecosystem research network plan

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基于GIS规划的湖北省森林生态系统定位观测研究网络将湖北省划分成12 个有效分区，共布设16个森林生态站，其中计划建设12 个森林生态站，已经建设4 个森林生态站。该网络可以监测覆盖湖北省81.8%的森林面积，88.9%的生态功能区面积，98.2%的重点生态功能区面积和87.5%的生物多样性保护优先区面积；9 个森林生态站分布与湖北省4 个重点生态功能区和3 个生物多样性保护优先区相匹配。该结果论证了湖北省森林生态系统定位观测研究网络建设的科学合理性。

(1)组织机构和政策保障 组建了湖北省森林生态系统定位观测研究网络管理中心，全面负责生态站建设、运行和日常管理。该网络的建设符合国家的相关政策和精神，项目的建设方案按照国家林业局陆地生态系统定位观测研究网络的相关要求进行，其建设具有有力的法律、法规和政策保障。

(2)经费保障 森林生态站网络建设已经纳入公益性事业，其基础设施建设和基本运行以政府财政投资为主，并采取部门匹配和地方配套等多渠道筹资办法可以保障生态站网长期稳定的投入。同时还要积极筹措多方资金，鼓励和引导企业、社会资本投入生态站网的建设和科研工作。通过建立拨款、自筹经费相结合的经费投入机制，保障森林生态站网络建设、运行和科研费用投入的可持续性。

(3)管理保障 森林生态站的建设、运行、管理和数据收集等工作严格遵循中华人民共和国林业行业标准《森林生态站建设技术要求》^[26]、《森林生态系统定位观测指标体系》^[3]、《森林生态系统长期定位观测方法》^[27]的规定。维护生态站基础设施和观测仪器的正常运行以保证观测数据的质量。围绕生态站建设、仪器设备管理、实验室运行、观测研究等制订相应的管理制度，切实保证森林生态站的高效规范运行。

(4)加强队伍建设 对生态站的专业科技人员和管理人员开展定期培训，提高综合业务能力和素质；重视学术带头人以及技术骨干队伍的培养与提高；形成人员梯队合理、结构稳定的高水平管理与科研队伍，保障生态站的研究水平。综上所述，该森林生态站网络建设能够按照计划顺利开展实施。

目前国内外已有若干不同研究尺度和研究目的生态站网络，基本上都遵循“先建设后纳入”模式，即根据网络特点选择较为成熟的生态站构建网络。而本文所建网络遵循“先布局再建设”模式，首先结合已建森林生态站进行湖北省森林生态系统定位观测研究网络的规划布局，再按照规划布局结果进行森林生态站的建设，该模式更能表现规划网络的综合性和整体性，也体现了典型抽样的思想。这种模式的网络建设只有美国国家生态观测站网络(National Ecological Observatory Network,NEON)^[28]和中国森林生态系统定位观测研究网络(CFERN)，区别在于NEON主要依据多元地理分组算法对全美生态气候变量数据集进行区域聚类获得分区，而湖北省森林生态系统定位观测研究网络主要是对温度区划、植被区划、地形区划和生态功能区划进行空间叠置分析获得分区，在省域尺度细化CFERN并将逐步纳入该体系。

将GIS技术整合应用到森林生态系统定位观测研究网络的建设中，在空间尺度上不仅可以直观展示网络规划结果，而且可以对其进行空间分析和综合分析。然而该网络规划在数据方面也存在一定的局限性，比如无法获取与其它数据同期的湖北省植被分布数据，张新时所著《中国植被》中江汉平原地区部分经济林与农作物存在一定的混分现象，可能会致使网络规划布局结果出现微小的偏差。

湖北省森林生态系统定位观测研究网络可以实现湖北省森林生态系统生态要素的连续观测与清查，不仅在省域尺度补充和完善CFERN体系，而且也为森林健康监测与评价、重大生态工程辅助决策和生态效益评估等提供决策支持。尽管在进行网络规划时存在一定的不足，但本文提出的研究方法具有一定的实际应用推广价值，也为其它省份和地区在进行生态站网络建设时提供一定的参考价值和借鉴意义。