智慧林业 | 在大山中建立起的碳汇监测平台

引言

清原森林野外站位于辽宁东部山区，地处长白山余脉龙岗山北麓，主要森林类型为次生林。站区内的长沙河流域是沈阳、抚顺两市的母亲河——浑河的西源头，大伙房水库上游水源安全保障的源头区；同时也是辽东地区重要珍稀濒危物种栖息地，辽宁东部重要生态屏障区。

清原森林野外站简介

清原森林站拥有站区国有土地使用权，建有实验楼、综合楼、公寓楼、食堂等可满足科研、生活的基础设施3210 m2；拥有典型次生林生态系统研究、观测、试验林地1350 ha，已设置固定试验样地360 ha。建有次生林生态系统科研样地群、清原科尔塔群、森林水文站网、森林野外增温样地、信息化平台等大型重要观测/研究设施。建有中美森林培育与生态联合实验室、科尔森林痕量气体与同位素通量监测研发联合实验室；是全国科普教育基地、辽宁省科普基地。

清原森林站聚焦森林生态屏障功能高效、稳定与可持续的国家战略需求，主要开展森林生态系统结构、功能与调控，干扰对森林（次生林）生态系统演替过程影响，全球变化背景下森林生态系统生态过程，森林生态系统碳汇功能形成机制与提升技术，以及森林生态系统质量精准提升与资源高效利用等研究；为保障国家生态安全、粮食安全，实现“两山论”、“碳中和”等生态文明建设目标，推动林学、生态学等学科发展提供科技支撑；致力于打造成“观测-研究-试验-示范-教学-科普”一体的综合野外平台。

多年来，在“973”计划项目，国家重点研发计划项目，国家基金重大项目、“杰青”/“优青”、重点项目，中科院“百人计划”、前沿重点、信息化示范项目等资助下，清原森林站构建了多维森林结构新参数体系，创新了“森林生态保育-林下资源高效利用双赢模式”，完善了国家天然林保护工程制度等，为践行“两山论”做出重要贡献；率先提出适合防护林建设目标的经营理论与技术体系，创建了以塔群为纽带的“天-空-塔-地”立体+全息大型林业生态工程综合评估理论与方法，为重大林业生态工程构建与经营提供精准方案与决策依据。

目前累计发表论文500余篇（SCI收录近300篇），获授权专利30余项，国家采纳决策建议10余篇，牵头完成成果获国家科技进步奖二等奖2项、获中科院科技促进发展奖1项、辽宁省自然科学一等奖1项、辽宁省科技进步一等奖2项，以及地方行业部门等科技奖励20余项，学术带头人获国际林联（IUFRO）科学成就奖等个人荣誉奖60余项。清原森林站现有学术委员会成员11人；拥有973、重点研发、重大基金首席、杰青、优青、海外客座教授，中科院百人计划、青年促进会、关键技术人才等一批中青年科学家组成的创新队伍。累计培养研究生、博士后逾百人；目前在站博士后、研究生40余人。

标志性的科研“利器”清原科尔塔群

俯瞰龙岗山,以次生林生态系统为监测对象的清原科尔塔群矗立于山间,成为清原森林站标志性的科研“利器”。科尔塔群集成了观测塔群-水文站网-长期固定样地群，构成以遥感技术-涡度相关法-测树学法-森林信息学法为主要手段的协同、跨学科观测体系，具有多方法、多尺度、多要素的核心特征，可开展多类相关研究以满足国家需求、探索国际前沿。基于上述优势，科尔塔群可准确获取森林三维结构，以全息新视角探索森林生态学规律，发展复杂地形下森林生态系统碳-氮-水和其他痕量气体通量观测新理论与方法，研究全球变化背景下森林生态系统碳-氮-水等循环过程与响应，阐明森林水文过程及调控机制，为森林结构调控与功能优化、碳中和目标实现等提供理论支持、基础数据和调控技术，使森林为人类社会提供广泛且可持续的生态服务。 

科尔塔群每年采集的监测数据不需要科研人员攀塔收集，而是通过智慧网络，实时回传到“大本营”并进行分析。树木什么时候碳汇量最大？哪些树种碳汇能力强？林木怎样分布碳汇功能高？大到整片山林的长势，小到一片树叶的角度的碳汇效果，正是通过“科尔塔群”系统监测到的森林生态系统碳通量的海量数据来进行模拟计算。这套系统监测设备1秒钟可以捕捉10个数据，融合物联网、人工智能和大数据等新一代信息技术，清原森林站实现了数据获取、传输、存储、计算、分析和可视化的全链条信息化工作。这些也为林业工作者带来了方便，为我国林业碳汇监测工作提供经验。

现状与展望

建站20余年来，清原森林站取得的观测、研究、试验、示范等数据记录达15TB以上，形成了长期定位观测、特色观测、科学研究等多元数据集，并最终汇聚到清原森林站多功能数据中心和中国生态系统研究网络数据中心。2020年，清原森林站升级为国家级野外台站；2023年，该站获得中国科学院网信专项培育项目择优支持，进一步开展“森林生态系统碳汇功能监测信息化与碳中和计量研究应用示范”。

科研人员对这些数据条分缕析、归纳演绎，发现问题、解决问题，进而形成了能够为国家决策服务的科技智库。

例如，基于清原科尔塔群产生的数据，科研人员正努力为国家争取在碳汇计量方面的话语权。

当前，森林碳汇计量方法仍以上世纪70年代美国科学家在平原上测量建立的模型为主，而我国的森林大多分布在地形复杂的山区，用平原模型测算森林碳汇误差较大。与此同时，森林碳汇监测的主流方法之一是基于通量塔的涡度协方差法，而单塔监测的数据准确性不高。科研人员想到利用塔群对森林碳汇进行协同监测，改变现有的碳汇计量模型，借助人工智能，建立中国自己的森林碳汇模型，让中国在国际社会拥有碳汇话语权，服务于国家生态文明建设战略。

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