“地球之肺”如何“智慧守护”？中国科学院清原森林站探索科研新范式

本文转自：中国新闻网

中新网辽宁清原8月5日电 (记者 孙自法)被誉为“地球之肺”的森林，作为陆地生态系统的重要组成部分，是具有全球重要意义和深远影响的“碳库”资源。在全球气候变化和“双碳”(碳达峰、碳中和)目标背景下，如何利用先进科技手段守护好、利用好森林资源，一直以来广受关注。

中国科学院清原森林站。中新社记者 孙自法 摄

记者最近探访依托中国科学院沈阳应用生态研究所(沈阳生态所)建设和运行的辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站/中国科学院清原森林生态系统观测研究站(清原森林站)获悉，这座深藏于东北深山之中的“森林碳库守护者”建站以来“20多年磨一剑”，以信息技术手段致力于形成全覆盖、大融合的林业大数据网络，已打造出多要素、多尺度、多过程一体化的“智慧森林管理平台”，为“智慧守护”“地球之肺”等探索出森林生态系统科研新范式。

为什么要建设清原森林站？

中国科学院沈阳生态所所长、清原森林站站长朱教君研究员作为该站的创立者，见证清原森林站从无到有、从小到大、由弱渐强和从传统管理逐步实现智慧运行的全过程，说起建站缘由及意义，他如数家珍娓娓道来……

中国科学院沈阳生态所所长、清原森林站站长朱教君研究员在站区深林中科普介绍科尔塔群平台建设相关情况。中新社记者 孙自法 摄

东北是中国天然林最集中分布区，东北森林面积占全国林地面积约1/3。由于长期高强度人为干扰，东北森林资源锐减、质量/功能严重下降。如何提高东北次生林生态系统的生产、生态功能(提质)，有效破解森林生态保护、恢复与林区经济发展之间的矛盾(增效)，是实现东北森林特别是次生林生态系统可持续发展面临的巨大挑战。

中国科学院清原森林站的科尔塔群。中新社记者 孙自法 摄

基于此，中国科学院沈阳生态所2002年选址中国温带(东北)次生林生态系统典型分布区和重要水源涵养林区建设清原森林站，旨在建成集观测、研究、试验、示范、教学和科普于一体的综合野外支撑平台，通过开展长期、系统、深入研究与监测，实现森林生态保护与林区经济发展双赢，助力东北全面振兴，助推国家和区域生态文明建设。

朱教君指出，建设清原森林站的目的与意义，概括起来主要包括三个方面：一是完善中国重要地带性森林生态系统国家野外观测站布局，丰富森林生态系统的观测、研究与示范，填补温带次生林生态系统观测、研究空白；二是提升温带次生林生态系统原创性研究(联网研究)能力，回答重大林业科学问题，促进森林生态学等应用生态学学科发展与进步；三是利用沈阳生态所已有国际合作基础，提高温带次生林生态系统观测、研究水平，提升中国森林科学的国际影响力，为国家或地区的宏观决策提供科学依据和决策支撑。

如何打造“智慧”野外台站？

历经20年努力建设，清原森林站2012年成为中国科学院“院级站”，并于2014年列入中国生态系统研究网络(CERN)，2020年跻身国家野外科学观测研究站行列。

中国科学院清原森林站黄凯博士演示介绍该站野外增温试验平台。中新社记者 孙自法 摄

朱教君表示，近年来，清原森林站持续推进信息化建设，积极利用先进科技手段打造“智慧”野外台站。截至目前，围绕次生林生态系统开展相关观测、研究工作，清原森林站已建有科研样地群、塔群监测平台、野外增温试验平台、水文观测平台、多功能数据中心和物联网平台等六大信息化平台设施。

这个过程中，清原森林站已搭建链接103套设备、321个传感器设备物联网系统，实现4G/5G覆盖、无线网络传输、万兆光纤有线传输，并通过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-功能信息自动获取和分析效率，大幅提升野外站观测/研究信息化水平。

在六大信息化平台当中，最重要的森林“智慧守护”者——次生林生态系统塔群监测平台(科尔塔群)包括天然阔叶混交林、天然蒙古栎林、落叶松人工林3座观测塔，它们集多类科研设施于一体，可高质量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。

朱教君透露，“三足鼎立”的塔群监测平台还增设土壤温度传感器、林内光量子矩阵传感器和鱼眼相机，对塔群固定样地群进行补充调查，年均获得监测数据约410GB，既为在清原森林站开展工作的科研机构人员提供数据服务，也为国家重大科技项目提供基础数据支持。

中国科学院清原森林站孙一荣工程师介绍该站应用人工智能(AI)开展林区生态监测、科学研究等情况。中新社记者 孙自法 摄

此外，多功能数据中心、物联网平台也是清原森林站“智慧”运行管理的核心支撑。多功能数据中心配置有计算储存平台和虚拟化平台，实现对水、土、气、生观测数据的存储、分析与管理，满足科研人员对各类大数据的计算分析需求。清原森林站物联网平台则基于已有网络覆盖的基础，通过建设4G/5G基站实现观测样地的网络覆盖，通过铺设光纤方式把数据有线传输回该站多功能数据中心和CERN数据中心，实现野外复杂环境下数据稳定可靠接入和采集。

科研新范式建设有何成效？

作为“森林碳库守护者”，清原森林站建设“智慧守护”信息化平台、打造出野外台站科研新范式以来，能为科研机构和科研人员提供怎样的高效服务？实际应用效果如何？

中国科学院清原森林站卢德亮副研究员在该站一处林窗样地进行科研仪器检查测试工作。中新社记者 孙自法 摄

朱教君表示，清原森林站持续探索科研新范式，积极布局六大信息化平台建设，目前已收获一系列重要成效：

一是实现多尺度、多要素、多过程碳通量监测数据集成，精准核算森林碳汇。针对当前森林碳汇核算存在估算不确定性大、森林三维结构不清、碳汇驱动机制不明等问题，清原森林站依托信息化平台建设，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，探索碳中和目标下生态学研究的科研范式变革与实现途径。在此基础上，促进生态系统生态学、林学等学科知识创新，为森林结构优化与增汇管理提供决策支撑。

二是创新建成以科尔塔群为纽带的“天-空-塔-地”一体化综合评估技术体系，科学评估重大生态工程建设成效，首次对三北工程建设做出科学、客观的历史性评价，支撑国家出台《天然林保护修复制度方案》；在中国北方生态安全屏障建设成效评估研究方面，针对“北方生态安全屏障”近10年(2012-2022)建设情况进行综合评估，并与前30年(1978-2012)进行全面对比，并提出新的对策和建议。

三是集成森林生态系统结构与功能一体化综合研究平台，为区域生态文明建设提供科技支撑，包括打造跨尺度森林水文过程研究平台，服务区域生态水安全；开发森林生物资源从监测到识别的全链智能化系统，科技支撑森林生物多样性维持与改善。

中国科学院清原森林站高添研究员介绍该站核心平台——科尔塔群监测平台建设及科研成果相关情况。中新社记者 孙自法 摄

怎样规划未来进一步发展？

朱教君指出，目前，全世界正处于一个次生森林植被的时代，次生林占全球森林资源近60%。虽然次生林存在质量降低、功能低下等问题，但次生林生态系统在维系区域生态安全、满足木材生产需求等方面仍发挥举足轻重的作用。清原森林站在探索科研新范式、打造“森林碳库智慧守护者”基础上，已经未雨绸缪，着手谋划未来进一步发展。

他透露，清原森林站将立足东北、面向全国、走向世界，建设成为集观测、研究、试验、示范、教学、科普和开发于一体，以森林生态系统为主体，兼顾“山水林田湖草沙”多系统，具有国际影响力的世界一流野外综合“超级站”；成为温带(东北)次生林生态系统资源、环境、生态功能等要素长期、系统观测基地，建成森林生态学、森林培育学、地球科学等领域创新研究基地，生态学领域高端人才培养和科普教育基地，区域可持续发展技术研发、集成与示范推广基地，中外学术交流与合作研究基地，大数据网络信息示范基地。

同时，清原森林站将牵头东北森林野外站联盟，为保障国家生态安全、实现“绿水青山就是金山银山”、实现碳达峰碳中和、加强黑土地保护等生态文明建设目标提供科技支撑。

中国科学院清原森林站副站长于立忠介绍该站野外增温试验平台。中新社记者 孙自法 摄

至于清原森林站作为“智慧”野外台站的后续发展方向，该站副站长于立忠认为，结合“智慧”野外台站运行管理、科学研究需要，未来进一步结合应用大数据、人工智能等前沿技术，推出类似ChatGPT的服务模式及产品，也是发展方向与目标之一。

朱教君表示，清原森林站未来还将推动观测数据开放共享和加强国际交流合作，面向全球性重大科学问题和重大国家需求，与国际长期生态学研究网络(ILTER)、国际通量网(FLUXNET)等国际知名研究(试验)网络密切开展交流合作，提升国际影响力。