在辽宁省抚顺市清原满族自治县大苏河乡，汽车沿着盘山路行驶。国有大苏河林场青翠的树林中，“镶嵌”着几栋白墙红顶的小楼，这是辽宁省清原森林生态系统国家野外科学观测研究站的“大本营”。
清源森林站位于长白山余脉龙岗山北麓，具有典型的温带(东北)森林生态系统。是辽东地区珍稀濒危物种的重要栖息地，也是辽东地区重要的生态屏障区。在这里，科研人员利用物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术，推动林业、生态学等传统学科科研范式的变革，监测和研究森林生态系统的结构和功能，维持其碳汇等功能的效率和稳定性，为实现“双碳”目标提供科技支撑。
近日，新京报记者探访了隐藏在青山绿水间的“森林碳库守护者”清远森林站。
青山绿水间的清远森林国家站。沈阳生态研究所供图
“Coltat集团”监测森林碳通量
入夏以来的至日，全国多地迎来高温“烘烤”考验，就连东北也不例外。然而，在抚顺市东部的国有大苏河林场，广袤的森林隔绝了城市的热浪，潺潺的溪水和叽叽喳喳的鸟鸣让这片森林更加静谧凉爽。
一大早，清远森林站站长兼首席科学家朱教军和研究员高天从站区出发，前往实验现场。林中有一条羊肠小道，车辆在茂盛的树枝上“吃草”一会儿就停下了。剩下的山路需要走湿漉漉的石阶。在人迹罕至的密林深处，一座50米高的次生林瞭望塔矗立在我们面前。
50m高的次生林观测塔矗立在林中。新京报记者张璐摄
“我们来看看，因为我们呼出了更多的二氧化碳，干扰了森林生态系统的正常碳收支，所以塔上的传感器接收到的数据至少在两个小时内不会具有科学代表性。”朱教军解释道。“碳中和”是指通过植树造林、固碳、节能减排来抵消人类产生的二氧化碳，从而实现正负抵消，达到相对的“零排放”。观测塔的作用是准确监测次生林生态系统的碳通量，为国家实现碳中和提供数据支持。
跟随高田的脚步，记者也戴上了头盔，登上了高塔。站在塔顶，到处都是绿色，山间的风呼啸而过。连绵的青山中还有两座塔——蒙古栎林观测塔和落叶松林观测塔，与次生林观测塔连成三角形，形成碳通量监测平台“Coltat群”。
碳通量监测平台“Coltat Group”。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。化石燃料排放的二氧化碳进入大气后，约有四分之一被森林吸收。然而，当前森林碳汇核算存在估算不确定性大、碳汇驱动机制不清晰等问题。碳通量监测是解决这些问题的关键方法之一。
"我们的位置离地面大约46.5米."高天说，周围次生林的树冠高度在20米左右，观测塔需要达到树高的1.5-2倍，才能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，一是通过湍流输送，二是浓度的变化。将两者结合起来，就可以得到生态系统与大气之间二氧化碳的交换能力。
观测塔上大约有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。塔上的多光谱相机可以监测叶片的生命周期，从而了解物候与碳汇功能的关系。
安装在次生林观测塔上的大气二氧化碳浓度监测设备。新京报记者张璐摄
大数据和物联网助力传统科研范式变革
由于森林多位于山地复杂地形，单塔上仪器的监测范围为200 -400米。如果设备安装在农田或草地，监测范围可达数公里。“这种监测方法最初起源于平原地区，所以我们通过机器学习和数值模拟开发了适用于复杂地形森林生态系统的碳汇估算程序系统，验证了多塔数据，并计算了系统误差，使数据更加准确。”高天说。
铁塔组平均每年收集的监控数据高达410GB。这些海量数据不需要研究人员爬塔采集，而是通过物联网实时传回“大本营”多功能数据中心。
“过去，森林生态系统碳通量的海量数据难以传输和计算，人工测量和数据采集的传统科研方法已不能满足新时期碳汇监测和研究的需要。”朱教军说，如今，清远森林站依托信息化工程，融合物联网、人工智能、大数据等新一代信息技术，打造数据采集、传输、存储、计算、分析、可视化的全链条信息平台。
目前，塔群已建成五年。据科研人员测算，现有森林每年每公顷的固碳量接近两吨，有助于计算其未来在碳交易中的经济价值。
树木在中幼龄阶段生长速度快，固碳能力强。目前有研究认为，老龄林的碳汇能力在下降，“碳排放”多于“碳封存”，由碳汇变为碳源。高天表示，森林碳汇的形成机制是目前研究的重点。在未来气候变化或人类管理的条件下，森林碳汇能力将如何变化？了解碳汇的形成机制将有助于提出有针对性的生态系统管理措施。“森林是一个连续的演替过程。有些老树死了，可以把它们去掉做成木材，为新树腾出空间空，让森林碳汇能力更强更稳定。”
朱教军透露，未来将在三座塔之间修建一座135米高的瞭望塔。届时，将在塔间架设钢索，进行多因素、多塔联动监测。
在不远处的林田增温试验台上，一排近2米高的红外辐射灯架设在300平方米的样地上，在植物生长季节24小时加热，使表层土壤(0-10厘米)温度比自然状态下高2摄氏度。“全球变暖将深刻影响森林的碳汇模式。这是亚洲森林生态系统最大的户外增温平台。我们将开展植被调查，获取土壤气体通量等连续观测数据，为全球变暖背景下中国东北温带森林的响应和适应机制提供第一手数据。”朱教军说。
苗木增温控制实验，通过在距地面1.8米处设置红外辐射加热器，对几个树种的苗木进行秋季增温。新京报记者张璐摄
清远森林站还建成了次生林生态系统水文观测站网，通过对森林流域水质、水量、水土保持和水源涵养的精准监测，探索森林水文过程和森林水源涵养功能的形成机制。
通过物联网平台，实验地块内的观测塔、水文站、仪器采集的数据实时传输到清远森林站多功能数据中心。数据中心配备三维森林结构信息平台、森林碳汇信息平台和森林生物资源全链条监测平台。配备多要素、多尺度的智能森林管理系统，通过高性能服务器提高森林结构和功能信息的获取和分析效率，为推动野外站科研范式转变提供领先示范，为智慧林业提供科技支撑。
朱教军介绍，清远森林站拥有科研平台，如科研样地组、Coltat组、野外增温试验平台、水文观测站网、多功能数据中心等。该站首创遥感、无人机、通量塔、地面监测“天空-空-塔-地”一体化监测技术，评估森林碳汇及其对碳中和的贡献，在国际合作、国际共识达成的情况下，争取中国在碳中和方面的国际话语权。
“有了信息技术，科研人员将大大减少‘钻牛角尖’的地面调查工作，效率将提高数百倍，准确度更高。”朱教军说。
为全球温带森林林隙研究制定标准和提供科学参考。
林内树冠树木倒伏形成的空隙空称为gap。在清远森林站一处人工设置的林窗观测样地，记者抬头望去，只见林窗仿佛在成荫的森林上开了一个洞。林隙改变林冠结构，进而影响光照等环境因素，为树木更新提供必要条件，是促进森林发展的主要动力之一。
早在1947年，国外学者就对林隙进行了定义。如果一棵小树倒下，林隙面积只有4平方米，但如果一片森林被风吹倒，面积可达2万平方米，间隔跨度很大。森林的差距空在多大程度上不再属于差距？围绕森林之窗，朱教军承担了三项国家自然科学基金重点项目，2015年开展的森林之窗标准研究是项目的主要内容之一。
由于不同类型的森林生态系统环境不同，树高不同，用绝对面积定义林隙的实际应用价值有限。朱教军团队用林隙直径与林隙周围树木(边缘树木)平均高度的比值来表示林隙的相对大小，并以树木在生长季特定时间段的平均阴影长度为基础，作为确定林隙上下限的主要依据。最终结果显示，林隙面积(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gap研究的开展提供了科学参考。
结合信息技术，团队目前正在开展林隙三维结构和光环境的定量研究。据沈阳生态研究所副研究员吕德良介绍，过去科研人员只能借助圆规、仪表、相机等手段，近似得出林窗的二维结构参数。现在，他们通过地基激光雷达扫描获得了一个完整的林隙样地场景。后来，他们不仅可以精确计算林隙的面积、形状等基本特征，还可以提取边缘树木的树冠、枝叶等精细信息，甚至可以模拟计算林隙内任意位置的光照环境，为以后建立林隙动态模型提供依据。
红松林隙实验小区，研究人员利用地基激光雷达获取林隙的三维结构和光环境特征。新京报记者张璐摄
未来将建成世界级的“超级站”。
从2002年成立，到2014年加入中国生态系统研究网(CERN)，再到2020年进入国家野外科学观测研究站，清远森林站用20年时间实现了从“站级站”到“国家站”的跨越。
回忆起清远森林站的发展历程，朱教军感慨良多。2002年，朱教军从日本留学归来，他的第一项任务就是建立清远森林生态实验站。当时当地没有通往森林的路。“我是科学家。既然要建天文台，不仅要突破科学难题，还要解决建设过程中的问题。这是我的责任。”他说，当地有一种叫“四象”的四轮车，可以沿河行驶，人员开着它一点点往基地里运建材和物资。直到2005年，树林里才修了一条土路。
清原森林站副站长于立忠说，朱教军在当地挂靠了十几年，在清原满族自治县担任科技副县长。因为相同的生态理念，双方建立了良好的合作关系，当地政府免费提供了1350公顷的森林，作为清远站50年的试验林地。
于立忠是2005年来站里工作的。当时，研究人员通过步行进入森林。“我们拿着煎饼和大葱，走到试验田走了一个半小时，干了大半天，下午3点还要下山。”当时，在进行森林调查时，研究人员必须分别测量树木的DBH和高度，并统计树种、数量和密度。树高的测量误差约为半米。现在有了新技术，一个人只要背着地基激光雷达走来走去，就能得到更精确的数据，树高误差只有厘米。
虽然夏天森林清新凉爽，但研究人员长时间在森林里工作也很危险。卢德良说，他和朋友遇到过蛇和狍子，车站经常有抗蛇毒血清。虽然信息技术改变了传统林学和森林生态学的研究范式，但田野科学仍然要付出艰辛。比如设备铺设在森林深处，汽车进不去，科研人员要背着几十公斤的设备在森林里走十几分钟。“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。”
朱教军和科研人员的坚持和执着，使清远森林站取得了许多显著的、前瞻性的研究成果。未来，清远森林站将建设成为世界一流的“超级站”，具备开展森林生态学和生态系统生态学的能力，兼顾大气科学、地球化学、水文、生态、林业工程、森林培育等多学科、跨尺度的观测研究。“为保障国家生态安全、实现‘两山论’、‘碳中和’、黑土地保护等生态文明建设目标提供科技支撑。”朱教军说。
新京报记者张璐
编辑刘梦洁
校对李丽君
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