“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

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。

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……

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。

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。

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。

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？

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。

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。

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。(完)