中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊（記者王振紅）溪水潺潺、鳥聲啾啾，在遼東山區(qū)龍崗山腳下，一眼望去，萬木蔥蘢、茂林浩瀚，森林碳庫守護(hù)者——遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（以下簡稱“清原森林野外站”）就深藏于此。

森林碳庫守護(hù)者——遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站深藏密林。（清原森林野外站供圖）

清原森林野外站位于遼寧東部山區(qū)，地處長白山余脈龍崗山北麓，主要森林類型為次生林。站區(qū)內(nèi)的長沙河流域是沈陽、撫順兩市的母親河——渾河的西源頭，大伙房水庫上游水源安全保障的源頭區(qū)；同時(shí)也是遼東地區(qū)重要珍稀瀕危物種棲息地，遼寧東部重要生態(tài)屏障區(qū)。

融合物聯(lián)網(wǎng)、近地面遙感、人工智能和大數(shù)據(jù)等新一代信息化技術(shù)，組建多功能數(shù)據(jù)中心，推動(dòng)科研范式變革

記者在走訪時(shí)了解到，清原森林野外站依托中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所建設(shè)，以典型溫帶(東北)森林生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，主要開展森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控，碳匯功能形成機(jī)制與提升技術(shù)等方向的基礎(chǔ)研究。

遼寧清原森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站。（清原森林野外站供圖）

“清原森林野外站建有科研樣地群、塔群觀測平臺(tái)、森林野外增溫平臺(tái)、水文觀測站網(wǎng)、多功能數(shù)據(jù)中心和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等科研平臺(tái)。”中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所所長、清原森林野外站站長朱教君研究員介紹說，搭建鏈接海量傳感器的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)4G/5G覆蓋、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、萬兆光纖有線傳輸；通過2臺(tái)機(jī)架式高性能服務(wù)器建立起多功能數(shù)據(jù)中心，提高森林結(jié)構(gòu)-功能信息獲取和分析的效率，提升野外站觀測和研究信息化水平。

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所所長、清原森林野外站站長朱教君（左二）接受記者采訪。中國網(wǎng)王振紅攝

“作為首個(gè)承擔(dān)中國科學(xué)院網(wǎng)信專項(xiàng)科研范式變革示范項(xiàng)目的野外站，近年來，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)，圍繞‘森林碳匯信息化’‘森林三維結(jié)構(gòu)信息化’‘森林生物資源全要素監(jiān)測’‘臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)信息安全與數(shù)據(jù)開放共享’等開展了大量工作。以打造多要素、多尺度、多過程一體化的‘智慧森林管理平臺(tái)’為己任，致力于形成全覆蓋、大融合的林業(yè)大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，以信息技術(shù)手段推動(dòng)傳統(tǒng)學(xué)科野外調(diào)查工作的科研范式變革，起到引領(lǐng)示范作用。”朱教君表示。

通量塔是監(jiān)測森林碳收支的主流方法之一，但在山區(qū)森林應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)維系全球生態(tài)平衡和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展起著無可替代的作用。然而，由于長期的人為和自然干擾，原始林幾乎消失殆盡，次生林已成為全球森林資源的主體，占比達(dá)?60%。為保護(hù)和恢復(fù)森林資源，“減少毀林及退化造成的碳排放”計(jì)劃、《聯(lián)合國森林戰(zhàn)略規(guī)劃（2017—2030?年）》及各國針對(duì)性的森林保護(hù)舉措相繼出臺(tái)。東亞溫帶森林是全球三大溫帶森林之一，主要分布在我國東北地區(qū)。與歐美溫帶森林相比，東亞溫帶森林結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、多樣性更豐富，并且多分布在山區(qū)，結(jié)構(gòu)與功能的監(jiān)測與研究面臨諸多挑戰(zhàn)。

當(dāng)前森林碳匯核算存在估算不確定性大、碳匯驅(qū)動(dòng)機(jī)制不清、增匯技術(shù)不明等問題。準(zhǔn)確地監(jiān)測森林碳通量是解決上述問題的關(guān)鍵，但森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量海量數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算困難；森林結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息化監(jiān)測能力不足，傳統(tǒng)科研范式無法滿足現(xiàn)實(shí)需求，導(dǎo)致該領(lǐng)域知識(shí)創(chuàng)新效率低，難以滿足重大國家需求。

中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、清原森林野外站高添研究員接受記者采訪。中國網(wǎng)王振紅攝

“在森林碳匯監(jiān)測方面，基于通量塔的渦度協(xié)方差法是主流方法之一。” 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、清原森林野外站高添研究員介紹說，“但該方法在山區(qū)森林的應(yīng)用仍存在很大的不確定性”。

朱教君表示，“以‘科爾塔群’為紐帶，在大山中建立起信息化平臺(tái)，融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的信息化技術(shù)，打造數(shù)據(jù)獲取、自動(dòng)傳輸、智能分析、管理決策和可視化的全鏈條信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)多尺度、多要素、多過程長期碳通量觀測數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)獲取與存儲(chǔ)、計(jì)算與分析、質(zhì)控與共享、展示與應(yīng)用，全面提升森林碳匯研究的信息化能力，提高山區(qū)森林碳通量計(jì)量精度，探索碳中和目標(biāo)下森林生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)的科研范式變革與實(shí)現(xiàn)途徑。”

“科爾塔群”為紐帶，創(chuàng)建“天-空-塔-地一體化”觀測體系

科爾塔群觀測塔。中國網(wǎng)王振紅攝

“溫帶次生林生態(tài)系統(tǒng)塔群監(jiān)測研究平臺(tái)”（以下簡稱“科爾塔群”）集多類科研設(shè)施于一體，可高質(zhì)量地獲取森林生態(tài)系統(tǒng)的全息三維結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)、通量監(jiān)測數(shù)據(jù)和生態(tài)水文數(shù)據(jù)，探索復(fù)雜地形下森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水及其他痕量氣體通量的觀測新理論與方法，研究全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水循環(huán)、水文過程及調(diào)控機(jī)制等森林生態(tài)學(xué)的前沿科學(xué)問題。

科爾塔群由通量塔群、激光雷達(dá)掃描儀、通量及微氣象傳感器、水文監(jiān)測設(shè)施、長期固定樣地群和數(shù)據(jù)中心?6?部分組成。高添解釋說，“通量塔群建設(shè)于獨(dú)立小流域內(nèi)，由?3?座通量塔組成，每座觀測塔位于一個(gè)獨(dú)立子流域內(nèi)，分別對(duì)應(yīng)各自主要森林類型：典型次生林（雜木林）、蒙古櫟林和落葉松林（人工林）。觀測塔為鋼結(jié)構(gòu)直立塔，塔高為?50 m，兩側(cè)對(duì)稱配備垂直升降梯及固定平臺(tái)，共計(jì)監(jiān)測面積140 ha。塔群平臺(tái)還設(shè)有土壤溫度傳感器、林內(nèi)光量子矩陣傳感器和物候相機(jī)，監(jiān)測環(huán)境和植被要素。”平均年度獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)約410 GB，為在清原森林站開展工作的科研單位提供數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)為國家重大科技任務(wù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

科爾塔群觀測塔。中國網(wǎng)王振紅攝

塔群精準(zhǔn)獲取多尺度森林結(jié)構(gòu)以確保結(jié)構(gòu)監(jiān)測準(zhǔn)確性，改變復(fù)雜地形下森林碳匯計(jì)量方法，提高森林碳匯計(jì)量精度。高添向記者解釋說，“在碳通量測定方面，采用塔群平臺(tái)（EC法）——激光雷達(dá)（遙感法）——樣地群（測樹學(xué)法和箱法）的跨尺度測定方法，結(jié)果相互驗(yàn)證，以保證碳觀測的可靠性。采用激光雷達(dá)（LiDAR）掃描獲取森林垂直冠層結(jié)構(gòu)。在通量塔和地面觀測點(diǎn)視野范圍內(nèi)，設(shè)置球形靶標(biāo)實(shí)現(xiàn)地基-塔基?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確拼接。在小流域內(nèi)，設(shè)置方形地面靶標(biāo)和無人機(jī)起降場，實(shí)現(xiàn)多期無人機(jī)?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和幾何配準(zhǔn)。這些方案從多個(gè)角度保證了?LiDAR?點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和完整性，為后續(xù)處理和森林結(jié)構(gòu)反演提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。”

“融合衛(wèi)星遙感-無人機(jī)-通量塔-地面監(jiān)測，形成以塔（群）為紐帶的“天-空-塔-地”一體化觀測研究體系，將流域尺度的計(jì)量結(jié)果拓展至東北區(qū)域，評(píng)估東北森林碳匯量及其對(duì)碳中和的貢獻(xiàn)。”朱教君表示。

實(shí)現(xiàn)森林多維結(jié)構(gòu)全息獲取，區(qū)域森林碳匯精準(zhǔn)計(jì)量與碳中和核算

紅松人工林林窗。中國網(wǎng)王振紅攝

清原森林野外站變革了傳統(tǒng)林學(xué)（測樹學(xué)）研究數(shù)據(jù)的獲取方式，實(shí)現(xiàn)森林多維結(jié)構(gòu)全息獲取。以無人機(jī)為平臺(tái)核心，基于流域科爾塔群-激光雷達(dá)監(jiān)測平臺(tái)及其衛(wèi)星樣地，以新一代LiDAR和光學(xué)遙感信息技術(shù)為推動(dòng)力，在空間數(shù)據(jù)庫的支持下，開發(fā)“全息感知+人工智能+決策服務(wù)”的森林三維結(jié)構(gòu)信息化監(jiān)測平臺(tái)。定量描述與森林碳匯功能相關(guān)的林木結(jié)構(gòu)、林木競爭關(guān)系與理化特征，以全息視角探索森林三維結(jié)構(gòu)與碳匯功能的關(guān)系，提出決定/表征森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的新結(jié)構(gòu)/功能性狀參數(shù)（參數(shù)集），構(gòu)建精準(zhǔn)量化方法體系。此外，以“大數(shù)據(jù)+人工智能”為手段，變革碳中和目標(biāo)下森林生態(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的科研范式，模擬森林碳匯對(duì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域森林碳匯精準(zhǔn)計(jì)量與碳中和核算。

未來，清原森林野外站將建成世界一流的“超級(jí)站”，為保障國家生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)兩山論、碳中和等生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)提供科技支撐。