探访清原森林国家野外站“天-空-塔-地”一体化观测研究体系

风落尘归去

中国网/中国发展门户网讯（记者王振红）溪水潺潺、鸟声啾啾，在辽东山区龙岗山脚下，一眼望去，万木葱茏、茂林浩瀚，森林碳库守护者——辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站（以下简称“清原森林野外站”）就深藏于此。

森林碳库守护者——辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站深藏密林。（清原森林野外站供图）
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。
融合物联网、近地面遥感、人工智能和大数据等新一代信息化技术，组建多功能数据中心，推动科研范式变革
记者在走访时了解到，清原森林野外站依托中国科学院沈阳应用生态研究所建设，以典型温带(东北)森林生态系统为对象，主要开展森林生态系统结构、功能与调控，碳汇功能形成机制与提升技术等方向的基础研究。

辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站。（清原森林野外站供图）
“清原森林野外站建有科研样地群、塔群观测平台、森林野外增温平台、水文观测站网、多功能数据中心和物联网平台等科研平台。”中国科学院沈阳应用生态研究所所长、清原森林野外站站长朱教君研究员介绍说，搭建链接海量传感器的物联网系统，实现4G/5G覆盖、无线网络传输、万兆光纤有线传输；通过2台机架式高性能服务器建立起多功能数据中心，提高森林结构-功能信息获取和分析的效率，提升野外站观测和研究信息化水平。

中国科学院沈阳应用生态研究所所长、清原森林野外站站长朱教君（左二）接受记者采访。中国网王振红摄
“作为首个承担中国科学院网信专项科研范式变革示范项目的野外站，近年来，应用大数据、人工智能等新一代信息技术，围绕‘森林碳汇信息化’‘森林三维结构信息化’‘森林生物资源全要素监测’‘台站网络信息安全与数据开放共享’等开展了大量工作。以打造多要素、多尺度、多过程一体化的‘智慧森林管理平台’为己任，致力于形成全覆盖、大融合的林业大数据网络，以信息技术手段推动传统学科野外调查工作的科研范式变革，起到引领示范作用。”朱教君表示。
通量塔是监测森林碳收支的主流方法之一，但在山区森林应用仍面临挑战
森林是陆地生态系统的主体，对维系全球生态平衡和人类社会可持续发展起着无可替代的作用。然而，由于长期的人为和自然干扰，原始林几乎消失殆尽，次生林已成为全球森林资源的主体，占比达 60%。为保护和恢复森林资源，“减少毁林及退化造成的碳排放”计划、《联合国森林战略规划（2017—2030 年）》及各国针对性的森林保护举措相继出台。东亚温带森林是全球三大温带森林之一，主要分布在我国东北地区。与欧美温带森林相比，东亚温带森林结构更复杂、多样性更丰富，并且多分布在山区，结构与功能的监测与研究面临诸多挑战。
当前森林碳汇核算存在估算不确定性大、碳汇驱动机制不清、增汇技术不明等问题。准确地监测森林碳通量是解决上述问题的关键，但森林生态系统碳通量海量数据传输、运算困难；森林结构复杂，信息化监测能力不足，传统科研范式无法满足现实需求，导致该领域知识创新效率低，难以满足重大国家需求。

中国科学院沈阳应用生态研究所、清原森林野外站高添研究员接受记者采访。中国网王振红摄
“在森林碳汇监测方面，基于通量塔的涡度协方差法是主流方法之一。” 中国科学院沈阳应用生态研究所、清原森林野外站高添研究员介绍说，“但该方法在山区森林的应用仍存在很大的不确定性”。
朱教君表示，“以‘科尔塔群’为纽带，在大山中建立起信息化平台，融合物联网、人工智能和大数据等先进的信息化技术，打造数据获取、自动传输、智能分析、管理决策和可视化的全链条信息化平台，实现森林生态系统多尺度、多要素、多过程长期碳通量观测数据的联网获取与存储、计算与分析、质控与共享、展示与应用，全面提升森林碳汇研究的信息化能力，提高山区森林碳通量计量精度，探索碳中和目标下森林生态学、生态系统生态学和森林培育学的科研范式变革与实现途径。”
“科尔塔群”为纽带，创建“天-空-塔-地一体化”观测体系

科尔塔群观测塔。中国网王振红摄
“温带次生林生态系统塔群监测研究平台”（以下简称“科尔塔群”）集多类科研设施于一体，可高质量地获取森林生态系统的全息三维结构与动态、通量监测数据和生态水文数据，探索复杂地形下森林生态系统碳-氮-水及其他痕量气体通量的观测新理论与方法，研究全球变化背景下森林生态系统碳-氮-水循环、水文过程及调控机制等森林生态学的前沿科学问题。
科尔塔群由通量塔群、激光雷达扫描仪、通量及微气象传感器、水文监测设施、长期固定样地群和数据中心 6 部分组成。高添解释说，“通量塔群建设于独立小流域内，由 3 座通量塔组成，每座观测塔位于一个独立子流域内，分别对应各自主要森林类型：典型次生林（杂木林）、蒙古栎林和落叶松林（人工林）。观测塔为钢结构直立塔，塔高为 50 m，两侧对称配备垂直升降梯及固定平台，共计监测面积140 ha。塔群平台还设有土壤温度传感器、林内光量子矩阵传感器和物候相机，监测环境和植被要素。”平均年度获得监测数据约410 GB，为在清原森林站开展工作的科研单位提供数据服务，同时为国家重大科技任务提供基础数据支持。

科尔塔群观测塔。中国网王振红摄
塔群精准获取多尺度森林结构以确保结构监测准确性，改变复杂地形下森林碳汇计量方法，提高森林碳汇计量精度。高添向记者解释说，“在碳通量测定方面，采用塔群平台（EC法）——激光雷达（遥感法）——样地群（测树学法和箱法）的跨尺度测定方法，结果相互验证，以保证碳观测的可靠性。采用激光雷达（LiDAR）扫描获取森林垂直冠层结构。在通量塔和地面观测点视野范围内，设置球形靶标实现地基-塔基 LiDAR 点云数据的准确拼接。在小流域内，设置方形地面靶标和无人机起降场，实现多期无人机 LiDAR 点云数据的获取和几何配准。这些方案从多个角度保证了 LiDAR 点云数据获取的准确性和完整性，为后续处理和森林结构反演提供数据基础。”
“融合卫星遥感-无人机-通量塔-地面监测，形成以塔（群）为纽带的“天-空-塔-地”一体化观测研究体系，将流域尺度的计量结果拓展至东北区域，评估东北森林碳汇量及其对碳中和的贡献。”朱教君表示。
实现森林多维结构全息获取，区域森林碳汇精准计量与碳中和核算

红松人工林林窗。中国网王振红摄
清原森林野外站变革了传统林学（测树学）研究数据的获取方式，实现森林多维结构全息获取。以无人机为平台核心，基于流域科尔塔群-激光雷达监测平台及其卫星样地，以新一代LiDAR和光学遥感信息技术为推动力，在空间数据库的支持下，开发“全息感知+人工智能+决策服务”的森林三维结构信息化监测平台。定量描述与森林碳汇功能相关的林木结构、林木竞争关系与理化特征，以全息视角探索森林三维结构与碳汇功能的关系，提出决定/表征森林生态系统碳汇的新结构/功能性状参数（参数集），构建精准量化方法体系。此外，以“大数据+人工智能”为手段，变革碳中和目标下森林生态学和生态系统生态学的科研范式，模拟森林碳汇对结构调控的响应，实现区域森林碳汇精准计量与碳中和核算。
未来，清原森林野外站将建成世界一流的“超级站”，为保障国家生态安全，实现两山论、碳中和等生态文明建设目标提供科技支撑。

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