探访深山中的碳库守护者，清原森林站用信息化技术厘清森林碳收支
在辽宁省抚顺市清原满族自治县大苏河乡，汽车沿着盘山路行进着，国有大苏河林场的青翠山林间，几栋白墙红顶的小楼“镶嵌”其中，这里正是辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站（清原森林站）的“大本营”。
清原森林站坐落于长白山余脉龙岗山北麓，拥有典型的温带（东北）森林生态系统，是辽东地区重要珍稀濒危物种栖息地和辽宁东部重要生态屏障区。在这里，科研人员运用物联网、人工智能和大数据等新一代信息技术，推动林学、生态学等传统学科的科研范式变革，监测和研究森林生态系统结构、功能，维持其碳汇等功能的高效稳定，为实现“双碳”目标提供科技支撑。
近日，新京报记者走进深藏于青山绿水之中的“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。沈阳生态所供图
“科尔塔群”监测森林碳通量
夏至以来，全国多地迎来高温“烤”验，连东北也不例外。但在抚顺市东部的国有大苏河林场，茫茫林海将城市的热浪隔绝在外，潺潺溪水和啁啾鸟鸣让这片森林更显幽静清凉。
一大早，清原森林站创站站长、首席科学家朱教君与高添研究员从站区出发，前往实验地。林间有一条狭窄的小路，车辆“擦”着繁茂的树枝穿行一段时间后停了下来，剩下的山路需要踏着湿漉漉的石阶徒步前行。鲜有人至的密林深处，一座50米高的次生林观测塔矗立于眼前。
50米高的次生林观测塔耸立林间。新京报记者 张璐 摄
“大家来考察一次，因为我们呼出的二氧化碳比较多，是对森林生态系统正常碳收支的干扰，所以至少两个小时以内，塔上传感器接收的数据就不具有科学代表性了。”朱教君解释说。“碳中和”是指通过植树造林固碳、节能减排等形式，抵消人类自身产生的二氧化碳，实现正负抵消，达到相对“零排放”。观测塔的作用就是要准确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。
跟随高添的脚步，记者也戴上安全帽，爬上高塔。站在塔顶，满目青翠，山林间的风呼啸而过。连绵青山中还耸立着两座高塔——蒙古栎林观测塔和落叶松林观测塔，它们和次生林观测塔“连成”一个三角形，共同构成了碳通量监测平台“科尔塔群”。
碳通量监测平台“科尔塔群”。中国科学院沈阳应用生态研究所供图
植被通过光合作用吸收二氧化碳，是重要的碳汇途径，化石燃料排放的二氧化碳进入大气后，约1/4被森林吸收。但当前森林碳汇核算存在估算不确定性大、碳汇驱动机制不明等问题。碳通量监测正是解决这些问题的关键方法之一。
“我们所在的位置大概距离地面46.5米。”高添说，周围次生林树冠的高度约为20米，观测塔需要达到1.5-2倍以上的树高，才可以满足涡度协方差法的观测要求。观测塔上的两套核心设备，分别监测二氧化碳的两种传输方式，一种是通过湍流的运输，一种是浓度的变化，二者结合可以得到生态系统跟大气的二氧化碳交换量。
观测塔上约有70个传感器，可以采集太阳辐射、风速、降雨量、湿度、土壤温度等数据，涵盖环境和生物要素。塔上布设的多光谱相机可以监测叶片的生命周期，从而了解物候和碳汇功能的关系。
次生林观测塔上安装的大气二氧化碳浓度监测设备。新京报记者 张璐 摄
大数据、物联网助力传统科研范式变革
由于森林多处于山区复杂地形，单塔上仪器的监测范围为200米-400米。如将设备安装在农田或者草地，监测范围可达几公里。“这套监测方法最初源于平原地区，所以我们通过机器学习和数值模拟等手段，开发适用于复杂地形的森林生态系统的碳汇估算程序系统，进行多塔数据验证，计算系统误差，使得到的数据更加准确。”高添说。
塔群平均每年采集的监测数据多达410GB，这些海量数据无需科研人员攀塔收集，而是通过物联网的方式，实时回传到“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难，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，依托信息化项目，清原森林站融合物联网、人工智能和大数据等新一代信息技术，打造数据获取、传输、存储、计算、分析和可视化的全链条信息化平台。
目前塔群已经建成5年，根据科研人员测算，现有森林每年每公顷固碳量接近两吨，这有助于计算未来其在碳交易中的经济价值。
树木在中幼龄阶段生长速度快，碳汇能力强。目前一些研究认为，老龄林碳汇能力下降，“排碳量”多于“固碳量”，从碳汇转变为碳源。高添说，森林碳汇形成机制是当前的研究重点。在未来气候变化或者人类经营的条件下，森林碳汇能力将如何变化？了解碳汇形成机制将有利于提出有针对性的生态系统管理措施。“森林是不断演替的过程，有些老树死去，可以移走做成木材，给新树腾出空间，使森林碳汇能力更强且更稳定。”
朱教君透露，未来，三塔之间还将建起一座135米高的观测塔。届时，塔群之间将架起钢索，开展多要素、多塔联动监测。
在不远处的森林野外增温试验平台，300平方米的样地中架设着近2米高的联排红外辐射灯，在植物生长季进行24小时加热，使表层土壤（0-10厘米）温度比自然状态下土壤温度高出2摄氏度。“全球变暖将会深刻影响森林的碳汇格局，这里是亚洲最大的森林生态系统野外增温平台，我们将进行植被调查，并获取土壤多种气体通量等连续观测数据，为东北温带森林在全球变暖背景下的响应和适应机制提供一手数据。”朱教君说。
幼苗增温控制试验，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观测站网，通过对森林流域的水质、水量、保持水土、涵养水源等的精确监测，探索森林水文过程，以及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、森林生物资源全链监测平台，搭载多要素、多尺度智慧森林管理系统，通过高性能服务器提高森林结构、功能信息获取和分析的效率，为推动野外站科研范式变革提供引领示范，为智慧林业提供科技支撑。
朱教君介绍，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。站里首创遥感、无人机、通量塔、地面监测“天-空-塔-地”一体化监测技术，评估森林碳汇量及其对碳中和的贡献，以期在进行国际合作、达成国际共识时，争取中国在“碳中和”方面的国际话语权。
“有了信息化技术手段，科研人员将大幅减少‘钻林子’的地面调查工作，效率提升了上百倍，准确率更高。”朱教君说。
定标准，为全球温带森林林窗研究提供科学参考
森林中冠层树木倒伏形成的林间空隙，称为林窗。在清原森林站一块人为设置的林窗观测样地中，记者仰视时看到，林窗像是在遮天蔽日的茂林中开了一个口子。林窗改变了冠层结构，进而影响光照等环境因子，为树木更新提供必要条件，是促进森林发展的主要驱动力之一。
早在1947年，林窗已经被国外学者定义。如果一棵小树倒伏，形成的林窗面积只有4平方米，但如果一片林子被风吹倒，面积可达2万平方米，区间范围跨度非常大。林间空隙到底超出或者小于何种程度就不再属于林窗？围绕林窗，朱教君承担了三项国家自然科学基金重点项目，2015年开展的林窗标准研究就是项目主要内容之一。
由于不同类型的森林生态系统环境各异，树高也不尽相同，用绝对面积定义林窗的实际应用价值有限。朱教君团队利用林窗直径与林窗周边树木（边缘木）平均高的比值（即林窗径高比）来表达林窗的相对大小，基于树木在生长季特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。最终结果表明，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。据沈阳生态所副研究员卢德亮介绍，以往科研人员只能通过罗盘、米尺和相机等方式近似获取林窗的二维结构参数。如今，他们通过地基激光雷达扫描的方式获取完整的林窗样地场景，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，还可以提取边缘木的树冠、树枝和树叶等精细信息，甚至能模拟、计算林窗内任意位置的光照环境，为未来建立林窗动态模型提供基础。
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
未来将建成世界一流“超级站”
从2002年始建，到2014年加入中国生态系统研究网络（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。
回想清原森林站的发展历程，朱教君感慨良多。2002年，朱教君从日本留学回国，第一个任务就是建立清原森林生态实验站。彼时，当地连进入森林的路都没有。“我是科学家，既然想建观测站，就不光要突破科学上的难题，也要来解决建设过程中的难题，这是我的责任。”他说，当地有一种叫“四不像”的四轮车，可以沿着河道行驶，人员驾驶它一点点把建筑材料和物资运进了基地。直到2005年，林子里才修了土路。
清原森林站副站长于立忠说，朱教君在地方政府挂职十多年，任清原满族自治县科技副县长，因为在生态理念上志同道合，双方建立了良好的合作关系，地方无偿提供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，那会儿，科研人员进入森林全靠走。“我们带着煎饼、大葱，步行到实验样地得一个半小时，干大半天的活儿，下午3点多钟就得下山。”当时做森林调查，科研人员要分别给树测胸径、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，就能得到更准确的数据，树高误差仅为厘米级。
尽管夏日森林清新凉爽，但科研人员长期在林中工作也面临危险。卢德亮说，他和伙伴们曾经遇到蛇和狍子，站里经常备有抗蛇毒血清。虽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出艰辛。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的仪器在林中徒步十几分钟。“激光雷达等贵重仪器需要防雨，当天观测结束后还得背回来。”
朱教君和科研人员的执着和坚守，使清原森林站取得多项令人瞩目和具有前瞻性的研究成果。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，兼顾大气科学、地球化学、水文学、生态学、林业工程、森林培育学等多学科、跨尺度的观测研究能力。“我们将为保障国家生态安全，实现‘两山论’、‘碳中和’和黑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
编辑 刘梦婕
校对 李立军