智慧林業(yè) | 在大山中建立起的碳匯監(jiān)測(cè)平臺(tái)

引言

清原森林野外站位于遼寧東部山區(qū)，地處長(zhǎng)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(zhǎng)沙河流域是沈陽(yáng)、撫順兩市的母親河——渾河的西源頭，大伙房水庫(kù)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)。

清原森林野外站簡(jiǎn)介

清原森林站擁有站區(qū)國(guó)有土地使用權(quán)，建有實(shí)驗(yàn)樓、綜合樓、公寓樓、食堂等可滿足科研、生活的基礎(chǔ)設(shè)施3210 m2；擁有典型次生林生態(tài)系統(tǒng)研究、觀測(cè)、試驗(yàn)林地1350 ha，已設(shè)置固定試驗(yàn)樣地360 ha。建有次生林生態(tài)系統(tǒng)科研樣地群、清原科爾塔群、森林水文站網(wǎng)、森林野外增溫樣地、信息化平臺(tái)等大型重要觀測(cè)/研究設(shè)施。建有中美森林培育與生態(tài)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、科爾森林痕量氣體與同位素通量監(jiān)測(cè)研發(fā)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；是全國(guó)科普教育基地、遼寧省科普基地。

清原森林站聚焦森林生態(tài)屏障功能高效、穩(wěn)定與可持續(xù)的國(guó)家戰(zhàn)略需求，主要開展森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與調(diào)控，干擾對(duì)森林（次生林）生態(tài)系統(tǒng)演替過(guò)程影響，全球變化背景下森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過(guò)程，森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能形成機(jī)制與提升技術(shù)，以及森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量精準(zhǔn)提升與資源高效利用等研究；為保障國(guó)家生態(tài)安全、糧食安全，實(shí)現(xiàn)“兩山論”、“碳中和”等生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)，推動(dòng)林學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科發(fā)展提供科技支撐；致力于打造成“觀測(cè)-研究-試驗(yàn)-示范-教學(xué)-科普”一體的綜合野外平臺(tái)。

多年來(lái)，在“973”計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家基金重大項(xiàng)目、“杰青”/“優(yōu)青”、重點(diǎn)項(xiàng)目，中科院“百人計(jì)劃”、前沿重點(diǎn)、信息化示范項(xiàng)目等資助下，清原森林站構(gòu)建了多維森林結(jié)構(gòu)新參數(shù)體系，創(chuàng)新了“森林生態(tài)保育-林下資源高效利用雙贏模式”，完善了國(guó)家天然林保護(hù)工程制度等，為踐行“兩山論”做出重要貢獻(xiàn)；率先提出適合防護(hù)林建設(shè)目標(biāo)的經(jīng)營(yíng)理論與技術(shù)體系，創(chuàng)建了以塔群為紐帶的“天-空-塔-地”立體+全息大型林業(yè)生態(tài)工程綜合評(píng)估理論與方法，為重大林業(yè)生態(tài)工程構(gòu)建與經(jīng)營(yíng)提供精準(zhǔn)方案與決策依據(jù)。

目前累計(jì)發(fā)表論文500余篇（SCI收錄近300篇），獲授權(quán)專利30余項(xiàng)，國(guó)家采納決策建議10余篇，牽頭完成成果獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、獲中科院科技促進(jìn)發(fā)展獎(jiǎng)1項(xiàng)、遼寧省自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、遼寧省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，以及地方行業(yè)部門等科技獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)，學(xué)術(shù)帶頭人獲國(guó)際林聯(lián)（IUFRO）科學(xué)成就獎(jiǎng)等個(gè)人榮譽(yù)獎(jiǎng)60余項(xiàng)。清原森林站現(xiàn)有學(xué)術(shù)委員會(huì)成員11人；擁有973、重點(diǎn)研發(fā)、重大基金首席、杰青、優(yōu)青、海外客座教授，中科院百人計(jì)劃、青年促進(jìn)會(huì)、關(guān)鍵技術(shù)人才等一批中青年科學(xué)家組成的創(chuàng)新隊(duì)伍。累計(jì)培養(yǎng)研究生、博士后逾百人；目前在站博士后、研究生40余人。

標(biāo)志性的科研“利器”清原科爾塔群

俯瞰龍崗山,以次生林生態(tài)系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)對(duì)象的清原科爾塔群矗立于山間,成為清原森林站標(biāo)志性的科研“利器”?？茽査杭闪擞^測(cè)塔群-水文站網(wǎng)-長(zhǎng)期固定樣地群，構(gòu)成以遙感技術(shù)-渦度相關(guān)法-測(cè)樹學(xué)法-森林信息學(xué)法為主要手段的協(xié)同、跨學(xué)科觀測(cè)體系，具有多方法、多尺度、多要素的核心特征，可開展多類相關(guān)研究以滿足國(guó)家需求、探索國(guó)際前沿。基于上述優(yōu)勢(shì)，科爾塔群可準(zhǔn)確獲取森林三維結(jié)構(gòu)，以全息新視角探索森林生態(tài)學(xué)規(guī)律，發(fā)展復(fù)雜地形下森林生態(tài)系統(tǒng)碳-氮-水和其他痕量氣體通量觀測(cè)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-水等循環(huán)過(guò)程與響應(yīng)，闡明森林水文過(guò)程及調(diào)控機(jī)制，為森林結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能優(yōu)化、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等提供理論支持、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)控技術(shù)，使森林為人類社會(huì)提供廣泛且可持續(xù)的生態(tài)服務(wù)。?

科爾塔群每年采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不需要科研人員攀塔收集，而是通過(guò)智慧網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)回傳到“大本營(yíng)”并進(jìn)行分析。樹木什么時(shí)候碳匯量最大？哪些樹種碳匯能力強(qiáng)？林木怎樣分布碳匯功能高？大到整片山林的長(zhǎng)勢(shì)，小到一片樹葉的角度的碳匯效果，正是通過(guò)“科爾塔群”系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的森林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的海量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。這套系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備1秒鐘可以捕捉10個(gè)數(shù)據(jù)，融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，清原森林站實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和可視化的全鏈條信息化工作。這些也為林業(yè)工作者帶來(lái)了方便，為我國(guó)林業(yè)碳匯監(jiān)測(cè)工作提供經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)狀與展望

建站20余年來(lái)，清原森林站取得的觀測(cè)、研究、試驗(yàn)、示范等數(shù)據(jù)記錄達(dá)15TB以上，形成了長(zhǎng)期定位觀測(cè)、特色觀測(cè)、科學(xué)研究等多元數(shù)據(jù)集，并最終匯聚到清原森林站多功能數(shù)據(jù)中心和中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心。2020年，清原森林站升級(jí)為國(guó)家級(jí)野外臺(tái)站；2023年，該站獲得中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)信專項(xiàng)培育項(xiàng)目擇優(yōu)支持，進(jìn)一步開展“森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能監(jiān)測(cè)信息化與碳中和計(jì)量研究應(yīng)用示范”。

科研人員對(duì)這些數(shù)據(jù)條分縷析、歸納演繹，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，進(jìn)而形成了能夠?yàn)閲?guó)家決策服務(wù)的科技智庫(kù)。

例如，基于清原科爾塔群產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，科研人員正努力為國(guó)家爭(zhēng)取在碳匯計(jì)量方面的話語(yǔ)權(quán)。

當(dāng)前，森林碳匯計(jì)量方法仍以上世紀(jì)70年代美國(guó)科學(xué)家在平原上測(cè)量建立的模型為主，而我國(guó)的森林大多分布在地形復(fù)雜的山區(qū)，用平原模型測(cè)算森林碳匯誤差較大。與此同時(shí)，森林碳匯監(jiān)測(cè)的主流方法之一是基于通量塔的渦度協(xié)方差法，而單塔監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高。科研人員想到利用塔群對(duì)森林碳匯進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測(cè)，改變現(xiàn)有的碳匯計(jì)量模型，借助人工智能，建立中國(guó)自己的森林碳匯模型，讓中國(guó)在國(guó)際社會(huì)擁有碳匯話語(yǔ)權(quán)，服務(wù)于國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略。

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