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【xuankumeishu，hanfengyudongfanghuanxiangdewanmeijiehe】shenzhihaikeyijiangchaobiantaichuanqisanrenbanchaogaobaolvyouxizhongsuohuodedeyuanbaojinxingduihuan，zhenzhengzhuanqian。hudongxinxizuiquanmian，lijiejishi，zhakanbutongfuwuxinxiyehuigengkuaixinyuhao：wandajinrongjituanqixiayouzhijinrongchanpinzhaopiandoushigaoqingwushuiyin。探(tan)訪(fang)深(shen)山(shan)中(zhong)的(de)碳(tan)庫(ku)守(shou)護(hu)者(zhe)，清(qing)原(yuan)森(sen)林(lin)站(zhan)用(yong)信(xin)息(xi)化(hua)技(ji)術(shu)厘(li)清森林碳收(shou)支(zhi)

在(zai)遼(liao)寧(ning)省(sheng)撫(fu)順(shun)市(shi)清原滿(man)族(zu)自(zi)治(zhi)縣(xian)大(da)蘇(su)河(he)鄉(xiang)，汽(qi)車(che)沿(yan)著(zhe)盤(pan)山路(lu)行(xing)進(jin)着，國(guo)有(you)大苏河林場(chang)的青(qing)翠(cui)山林間(jian)，幾(ji)棟(dong)白(bai)墻(qiang)紅(hong)頂(ding)的小(xiao)樓(lou)“鑲(xiang)嵌(qian)”其(qi)中，這(zhe)裏(li)正(zheng)是(shi)辽宁清原森林生(sheng)態(tai)系(xi)統(tong)国家(jia)野(ye)外(wai)科(ke)學(xue)觀(guan)測(ce)研(yan)究(jiu)站（清原森林站）的“大本(ben)營(ying)”。

清原森林站坐(zuo)落(luo)於(yu)長(chang)白山余(yu)脈(mai)龍(long)崗(gang)山北(bei)麓(lu)，擁(yong)有典(dian)型(xing)的溫(wen)帶(dai)（東(dong)北）森林生态系统，是辽东地(di)區(qu)重(zhong)要(yao)珍(zhen)稀(xi)瀕(bin)危(wei)物(wu)種(zhong)棲(qi)息地和(he)辽宁东部(bu)重要生态屏(ping)障(zhang)区。在这里，科研人(ren)員(yuan)運(yun)用物聯(lian)網(wang)、人工(gong)智(zhi)能(neng)和大數(shu)據(ju)等(deng)新(xin)壹(yi)代(dai)信息技术，推(tui)動(dong)林学、生态学等傳(chuan)统学科的科研範(fan)式(shi)變(bian)革(ge)，監(jian)测和研究森林生态系统結(jie)構(gou)、功(gong)能，維(wei)持(chi)其碳匯(hui)等功能的高(gao)效(xiao)穩(wen)定(ding)，為(wei)實(shi)現(xian)“雙(shuang)碳”目(mu)標(biao)提(ti)供(gong)科技支撐(cheng)。

近(jin)日(ri)，新京(jing)報(bao)記(ji)者走(zou)进深藏(zang)于青山綠(lv)水(shui)之(zhi)中的“森林碳库守护者”——清原森林站进行探访。

青山绿水间的清原森林国家站。沈(shen)陽(yang)生态所(suo)供圖(tu)

“科爾(er)塔(ta)群(qun)”监测森林碳通(tong)量(liang)

夏(xia)至(zhi)以(yi)來(lai)，全(quan)国多(duo)地迎(ying)来高温“烤(kao)”驗(yan)，連(lian)东北也(ye)不(bu)例(li)外。但(dan)在抚顺市东部的国有大苏河林场，茫(mang)茫林海(hai)將(jiang)城(cheng)市的熱(re)浪(lang)隔(ge)絕(jue)在外，潺(chan)潺溪(xi)水和啁(zhou)啾(jiu)鳥(niao)鳴(ming)讓(rang)这片(pian)森林更(geng)顯(xian)幽(you)靜(jing)清涼(liang)。

一大早(zao)，清原森林站創(chuang)站站长、首(shou)席(xi)科学家朱(zhu)教(jiao)君(jun)與(yu)高添(tian)研究员從(cong)站区出(chu)發(fa)，前(qian)往(wang)实验地。林间有一條(tiao)狹(xia)窄(zhai)的小路，车輛(liang)“擦(ca)”着繁(fan)茂(mao)的樹(shu)枝(zhi)穿(chuan)行一段(duan)時(shi)间後(hou)停(ting)了(le)下(xia)来，剩(sheng)下的山路需(xu)要踏(ta)着濕(shi)漉(lu)漉的石(shi)階(jie)徒(tu)步(bu)前行。鮮(xian)有人至的密(mi)林深處(chu)，一座(zuo)50米(mi)高的次(ci)生林观测塔矗(chu)立(li)于眼(yan)前。

50米高的次生林观测塔聳(song)立林间。新京报记者 張(zhang)璐(lu) 攝(she)

“大家来考(kao)察(cha)一次，因(yin)为我(wo)們(men)呼(hu)出的二(er)氧(yang)化碳比(bi)較(jiao)多，是對(dui)森林生态系统正常(chang)碳收支的幹(gan)擾(rao)，所以至少(shao)兩(liang)個(ge)小时以內(nei)，塔上(shang)传感(gan)器(qi)接(jie)收的数据就(jiu)不具(ju)有科学代表(biao)性(xing)了。”朱教君解(jie)釋(shi)說(shuo)。“碳中和”是指(zhi)通過(guo)植(zhi)树造(zao)林固(gu)碳、節(jie)能減(jian)排(pai)等形(xing)式，抵(di)消(xiao)人類(lei)自身(shen)產(chan)生的二氧化碳，实现正負(fu)抵消，達(da)到(dao)相(xiang)对“零(ling)排放(fang)”。观测塔的作(zuo)用就是要準(zhun)確(que)监测次生林生态系统的碳通量，为国家实现碳中和目标提供数据支撑。

跟(gen)隨(sui)高添的腳(jiao)步，记者也戴(dai)上安(an)全帽(mao)，爬(pa)上高塔。站在塔顶，满目青翠，山林间的風(feng)呼嘯(xiao)而(er)过。连綿(mian)青山中還(hai)耸立着两座高塔——蒙(meng)古(gu)櫟(li)林观测塔和落葉(ye)松(song)林观测塔，它(ta)们和次生林观测塔“连成(cheng)”一个三(san)角(jiao)形，共(gong)同(tong)构成了碳通量监测平(ping)臺(tai)“科尔塔群”。

碳通量监测平台“科尔塔群”。中国科学院(yuan)沈阳應(ying)用生态研究所供图

植被(bei)通过光(guang)合(he)作用吸(xi)收二氧化碳，是重要的碳汇途(tu)徑(jing)，化石燃(ran)料(liao)排放的二氧化碳进入(ru)大氣(qi)后，約(yue)1/4被森林吸收。但當(dang)前森林碳汇核(he)算(suan)存(cun)在估(gu)算不确定性大、碳汇驅(qu)动機(ji)制(zhi)不明(ming)等問(wen)題(ti)。碳通量监测正是解決(jue)这些(xie)问题的關(guan)鍵(jian)方(fang)法(fa)之一。

“我们所在的位(wei)置(zhi)大概(gai)距(ju)離(li)地面(mian)46.5米。”高添说，周(zhou)圍(wei)次生林树冠(guan)的高度(du)约为20米，观测塔需要达到1.5-2倍(bei)以上的树高，才(cai)可(ke)以满足(zu)渦(wo)度協(xie)方差(cha)法的观测要求(qiu)。观测塔上的两套(tao)核心(xin)設(she)備(bei)，分(fen)別(bie)监测二氧化碳的两种传輸(shu)方式，一种是通过湍(tuan)流(liu)的运输，一种是濃(nong)度的变化，二者结合可以得(de)到生态系统跟大气的二氧化碳交(jiao)換(huan)量。

观测塔上约有70个传感器，可以采(cai)集(ji)太(tai)阳輻(fu)射(she)、风速(su)、降(jiang)雨(yu)量、湿度、土(tu)壤(rang)温度等数据，涵(han)蓋(gai)環(huan)境(jing)和生物要素(su)。塔上布(bu)设的多光譜(pu)相机可以监测叶片的生命(ming)周期(qi)，从而了解物候(hou)和碳汇功能的关系。

次生林观测塔上安裝(zhuang)的大气二氧化碳浓度监测设备。新京报记者 张璐 摄

大数据、物联网助(zhu)力(li)传统科研范式变革

由(you)于森林多处于山区復(fu)雜(za)地形，單(dan)塔上儀(yi)器的监测范围为200米-400米。如(ru)将设备安装在農(nong)田(tian)或(huo)者草(cao)地，监测范围可达几公(gong)里。“这套监测方法最(zui)初(chu)源(yuan)于平原地区，所以我们通过机器学習(xi)和数值(zhi)模(mo)擬(ni)等手(shou)段，開(kai)发適(shi)用于复杂地形的森林生态系统的碳汇估算程(cheng)序(xu)系统，进行多塔数据验證(zheng)，計(ji)算系统誤(wu)差，使(shi)得到的数据更加(jia)准确。”高添说。

塔群平均(jun)每(mei)年(nian)采集的监测数据多达410GB，这些海量数据無(wu)需科研人员攀(pan)塔收集，而是通过物联网的方式，实时回(hui)传到“大本营”多功能数据中心。

“以往森林生态系统碳通量的海量数据传输和运算困(kun)難(nan)，人工测量和收集数据的传统科研方式无法满足新时代碳汇监测和研究的需求。”朱教君说，如今(jin)，依(yi)托(tuo)信息化項(xiang)目，清原森林站融(rong)合物联网、人工智能和大数据等新一代信息技术，打(da)造数据獲(huo)取(qu)、传输、存儲(chu)、计算、分析(xi)和可視(shi)化的全鏈(lian)条信息化平台。

目前塔群已(yi)經(jing)建(jian)成5年，根(gen)据科研人员测算，现有森林每年每公頃(qing)固碳量接近两噸(dun)，这有助于计算未(wei)来其在碳交易(yi)中的经濟(ji)價(jia)值。

树木(mu)在中幼(you)齡(ling)阶段生长速度快(kuai)，碳汇能力強(qiang)。目前一些研究認(ren)为，老(lao)龄林碳汇能力下降，“排碳量”多于“固碳量”，从碳汇轉(zhuan)变为碳源。高添说，森林碳汇形成机制是当前的研究重點(dian)。在未来气候变化或者人类经营的条件(jian)下，森林碳汇能力将如何(he)变化？了解碳汇形成机制将有利(li)于提出有針(zhen)对性的生态系统管(guan)理(li)措(cuo)施(shi)。“森林是不斷(duan)演(yan)替(ti)的过程，有些老树死(si)去(qu)，可以移(yi)走做(zuo)成木材(cai)，給(gei)新树騰(teng)出空(kong)间，使森林碳汇能力更强且(qie)更稳定。”

朱教君透(tou)露(lu)，未来，三塔之间还将建起(qi)一座135米高的观测塔。屆(jie)时，塔群之间将架(jia)起鋼(gang)索(suo)，开展(zhan)多要素、多塔联动监测。

在不遠(yuan)处的森林野外增(zeng)温試(shi)验平台，300平方米的樣(yang)地中架设着近2米高的联排红外辐射燈(deng)，在植物生长季(ji)进行24小时加热，使表層(ceng)土壤（0-10厘米）温度比自然(ran)狀(zhuang)态下土壤温度高出2摄氏(shi)度。“全球(qiu)变暖(nuan)将會(hui)深刻(ke)影(ying)響(xiang)森林的碳汇格(ge)局(ju)，这里是亞(ya)洲(zhou)最大的森林生态系统野外增温平台，我们将进行植被調(tiao)查(zha)，並(bing)获取土壤多种气體(ti)通量等连續(xu)观测数据，为东北温带森林在全球变暖背(bei)景(jing)下的响应和适应机制提供一手数据。”朱教君说。

幼苗(miao)增温控(kong)制试验，通过在距地面1.8米高处架设红外辐射加热器，在秋(qiu)季对多个树种的幼苗分别进行增温。新京报记者 张璐 摄

清原森林站还建有次生林生态系统水文(wen)观测站网，通过对森林流域(yu)的水質(zhi)、水量、保(bao)持水土、涵養(yang)水源等的精(jing)确监测，探索森林水文过程，以及(ji)森林水源涵养功能的形成机制等。

通过物联网平台，观测塔群、水文站网和实验样地内的仪器设备采集到的数据实时传输至清原森林站多功能数据中心，数据中心建有森林三维结构信息化平台、森林碳汇信息化平台、森林生物資(zi)源全链监测平台，搭(da)載(zai)多要素、多尺(chi)度智慧(hui)森林管理系统，通过高性能服(fu)務(wu)器提高森林结构、功能信息获取和分析的效率(lv)，为推动野外站科研范式变革提供引(yin)領(ling)示(shi)范，为智慧林業(ye)提供科技支撑。

朱教君介(jie)紹(shao)，清原森林站建有科研样地群、科尔塔群、野外增温试验平台、水文观测站网、多功能数据中心等科研平台。站里首创遙(yao)感、无人机、通量塔、地面监测“天(tian)-空-塔-地”一体化监测技术，評(ping)估森林碳汇量及其对碳中和的貢(gong)獻(xian)，以期在进行国際(ji)合作、达成国际共識(shi)时，爭(zheng)取中国在“碳中和”方面的国际話(hua)語(yu)權(quan)。

“有了信息化技术手段，科研人员将大幅(fu)减少‘鉆(zuan)林子(zi)’的地面调查工作，效率提升(sheng)了上百(bai)倍，准确率更高。”朱教君说。

定标准，为全球温带森林林窗(chuang)研究提供科学參(can)考

森林中冠层树木倒(dao)伏(fu)形成的林间空隙(xi)，稱(cheng)为林窗。在清原森林站一塊(kuai)人为设置的林窗观测样地中，记者仰(yang)视时看(kan)到，林窗像(xiang)是在遮(zhe)天蔽(bi)日的茂林中开了一个口(kou)子。林窗改(gai)变了冠层结构，进而影响光照(zhao)等环境因子，为树木更新提供必(bi)要条件，是促(cu)进森林发展的主(zhu)要驱动力之一。

早在1947年，林窗已经被国外学者定義(yi)。如果(guo)一棵(ke)小树倒伏，形成的林窗面積(ji)只(zhi)有4平方米，但如果一片林子被风吹(chui)倒，面积可达2萬(wan)平方米，区间范围跨(kua)度非(fei)常大。林间空隙到底(di)超(chao)出或者小于何种程度就不再(zai)屬(shu)于林窗？围繞(rao)林窗，朱教君承(cheng)擔(dan)了三项国家自然科学基(ji)金(jin)重点项目，2015年开展的林窗标准研究就是项目主要内容(rong)之一。

由于不同类型的森林生态系统环境各(ge)異(yi)，树高也不盡(jin)相同，用绝对面积定义林窗的实际应用价值有限(xian)。朱教君團(tuan)隊(dui)利用林窗直(zhi)径与林窗周邊(bian)树木（边緣(yuan)木）平均高的比值（即(ji)林窗径高比）来表达林窗的相对大小，基于树木在生长季特(te)定时间段内的平均影长，作为确定林窗上限和下限的主要依据。最終(zhong)结果表明，林窗面积范围（以径高比表示）在 0.23-3.23 之间。这一客(ke)观标准为全球温带森林林窗研究的开展提供了科学参考。

结合信息化手段，目前团队正开展林窗三维结构与光环境量化研究。据沈阳生态所副(fu)研究员盧(lu)德(de)亮(liang)介绍，以往科研人员只能通过羅(luo)盘、米尺和相机等方式近似(si)获取林窗的二维结构参数。如今，他(ta)们通过地基激(ji)光雷(lei)达掃(sao)描(miao)的方式获取完(wan)整(zheng)的林窗样地场景，后期在计算机上不但可以精准计算林窗面积、形状等基本特征(zheng)，还可以提取边缘木的树冠、树枝和树叶等精細(xi)信息，甚(shen)至能模拟、计算林窗内任(ren)意(yi)位置的光照环境，为未来建立林窗动态模型提供基礎(chu)。

红松林林窗实验样地，科研人员利用地基激光雷达获取林窗三维结构与光环境特征。新京报记者 张璐 摄

未来将建成世(shi)界(jie)一流“超級(ji)站”

从2002年始(shi)建，到2014年加入中国生态系统研究网絡(luo)（CERN），再到2020年进入国家野外科学观测研究站，清原森林站用20年实现了从“所级站”到“国家站”的跨越(yue)。

回想(xiang)清原森林站的发展歷(li)程，朱教君感慨(kai)良(liang)多。2002年，朱教君从日本留(liu)学回国，第(di)一个任务就是建立清原森林生态实验站。彼(bi)时，当地连进入森林的路都(dou)沒(mei)有。“我是科学家，既(ji)然想建观测站，就不光要突(tu)破(po)科学上的难题，也要来解决建设过程中的难题，这是我的責(ze)任。”他说，当地有一种叫(jiao)“四(si)不像”的四輪(lun)车，可以沿着河道(dao)行駛(shi)，人员駕(jia)驶它一点点把(ba)建築(zhu)材料和物资运进了基地。直到2005年，林子里才修(xiu)了土路。

清原森林站副站长于立忠(zhong)说，朱教君在地方政(zheng)府(fu)掛(gua)職(zhi)十(shi)多年，任清原满族自治县科技副县长，因为在生态理念(nian)上誌(zhi)同道合，双方建立了良好(hao)的合作关系，地方无償(chang)提供1350公顷森林，给清原站作为试验林地使用50年。

于立忠是2005年来站里工作的，那(na)会兒(er)，科研人员进入森林全靠(kao)走。“我们带着煎(jian)餅(bing)、大蔥(cong)，步行到实验样地得一个半(ban)小时，干大半天的活(huo)儿，下午(wu)3点多鐘(zhong)就得下山。”当时做森林调查，科研人员要分别给树测胸(xiong)径、树高，统计种类、数量和密度等，树高的测量误差约半米。如今使用了新技术，只需一个人背着地基激光雷达走一圈(quan)，就能得到更准确的数据，树高误差僅(jin)为厘米级。

尽管夏日森林清新凉爽(shuang)，但科研人员长期在林中工作也面臨(lin)危險(xian)。卢德亮说，他和夥(huo)伴(ban)们曾(zeng)经遇(yu)到蛇(she)和麅(pao)子，站里经常备有抗(kang)蛇毒(du)血(xue)清。雖(sui)然信息化技术变革了传统林学、森林生态学的科研范式，但是野外科学依然要付(fu)出艱(jian)辛(xin)。例如，在森林深处布设设备，车子开不进去，科研人员要背着几十斤(jin)的仪器在林中徒步十几分钟。“激光雷达等貴(gui)重仪器需要防(fang)雨，当天观测结束(shu)后还得背回来。”

朱教君和科研人员的執(zhi)着和堅(jian)守，使清原森林站取得多项令(ling)人矚(zhu)目和具有前瞻(zhan)性的研究成果。未来，清原森林站将建成世界一流的“超级站”，具备开展森林生态学和生态系统生态学，兼(jian)顧(gu)大气科学、地球化学、水文学、生态学、林业工程、森林培(pei)育(yu)学等多学科、跨尺度的观测研究能力。“我们将为保障国家生态安全，实现‘两山論(lun)’、‘碳中和’和黑(hei)土地保护等生态文明建设目标提供科技支撑。”朱教君说。

新京报记者 张璐

編(bian)輯(ji) 劉(liu)夢(meng)婕(jie)

校(xiao)对 李(li)立軍(jun)返(fan)回搜(sou)狐(hu)，查看更多

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