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探访清原森林国家野外站“天-空-塔-地”一体化观测研究体系

2023-07-03 10:42

来源:中国网·中国发展门户网

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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。

【责任编辑:殷晓霞】
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