温带次生林生态系统塔群监测研究平台丨中国科学院野外站重点科技基础设施

编者按

中国科学院野外站网络是分布式的野外科技基础设施,是资源生态环境领域重要的科技基础条件平台。自2017年起,《中国科学院院刊》设立“中国科学院野外台站”专栏,陆续报道了相关野外站取得的成果。“十四五”期间,中国科学院野外站网络将更加重视顶层设计与全面布局,面向世界科技前沿、针对国家重大需求,重点建设野外重点科技基础设施,使之成为野外站的“镇站之宝”。为此,《中国科学院院刊》在原有专栏的基础上,新设立“中国科学院野外站重点科技基础设施”专栏,介绍各野外站建设“标志性设施”取得的成效,以期总结经验,展望未来,为研究生态系统生态过程机理、揭示自然环境演化规律,为国家粮食安全、空间环境安全、脆弱生态恢复和重大工程建设提供重要科技支撑。本专栏由中国生态系统研究网络科学委员会主任陈宜瑜院士指导推进,中国科学院科技促进发展局杨萍研究员担任客座编辑。

本文刊载于《中国科学院院刊》2021年第3期“中国科学院野外站重点科技基础设施”

朱教君1,2,3* 高 添1,2,3 于立忠1,2,3 于丰源1,2,3 杨 凯1,2,3 卢德亮1,2,3 闫巧玲1,2,3 孙一荣1,2,3 刘利芳1,2,3 徐 爽1,2,3 张金鑫1,2,3 郑晓1,2,3 宋立宁1,2,3 周新华3,4

1 中国科学院沈阳应用生态研究所

2 中国科学院清原森林生态系统观测研究站

3 科尔森林痕量气体与同位素通量监测研发联合实验室

4 美国坎贝尔科学仪器公司

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森林生态系统监测现状及观测塔群建设意义

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(REDD)、《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。

我国于 1998 年实施了天然林保护工程,林区逐步完成了由以木材生产为主向提供多种生态服务为主的历史性转变。次生林结构不合理、功能低下,恢复速度缓慢,提升其质量及服务功能成为当前的迫切需要。森林生态系统的结构与功能关系是森林生态学和林学的核心主题,是优化森林结构调控、经营管理及服务功能提升的关键理论基础。

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。

在结构方面,森林高大郁闭冠层使森林群落垂直空间的结构复杂、异质性高,显著影响着生态系统中的生物、非生物环境与生态过程。以往研究较少关注森林三维或多维结构,更未聚焦林木个体叶片、枝条、林冠等组分的精细结构,与森林生态过程相关的关键结构无法准确测量,限制了对森林生态过程的理解及相关学科的发展。

在功能方面,碳循环是地球上最大的生物地球化学循环,而碳汇功能是森林生态系统最重要的功能之一,与多种生态系统服务密切相关。然而,由于复杂山区森林边界层难以满足涡动通量测定理论中的关键假设条件,主流测定方法——涡动协方差(EC)技术在山地森林应用面临前所未有的挑战,为森林碳通量观测和评估带来极大不确定性。此外,水源涵养是山区森林最重要的生态服务功能之一,但受水文站点和数据限制,森林结构与水源涵养服务功能的关系尚不明确。

为深入理解森林生态系统的结构与功能关系,国际上建成了众多观测装置推动相关领域的研究。

在森林冠层结构监测方面,观测塔(塔吊)成为监测森林高大冠层的有力手段之一。例如,塔吊可以进入森林冠层,实现冠层、枝条、叶片形状及环境要素的测量。从监测手段上看,激光雷达(LiDAR)已经得到较多应用,主要依托地基平台与机载平台,二者分别采用“自下而上”和“自上而下”的方式;但对冠层垂直结构或更精细结构的描述则相对较弱。LiDAR 与观测平台结合实现冠层垂直结构或更精细结构的研究较少;虽在温带森林和热带雨林已有少量尝试,但尚缺乏多平台 LiDAR 集成研究。

科尔塔群观测塔

在森林功能监测方面,通量塔是监测森林碳收支的主流方法之一。例如,1993 年研究人员首次报道了美国哈佛森林(温带森林)的净生态系统碳交换(NEE),该通量塔已经持续观测近 30 年,在森林碳循环领域贡献了诸多重要的研究成果。国际上知名的通量网包括:美国通量网(AmeriFlux)、欧洲通量网(Euroflux)和澳洲通量网(OzFlux)。在中国,陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)历经近 20 年的发展,在数据积累、过程机理、模型模拟等方面均取得了重要进展。上述通量塔多为单塔观测,难以准确量化目标区域不同森林类型的贡献,不适于开展山区森林生态系统碳通量的监测理论与方法研究(多点对比和验证困难)。方法的局限制约了山区森林生态系统碳-氮-水耦合循环机制的认识,难以准确评估森林的碳汇能力,增加了区域/全球 CO2 及其他温室气体(如 NOx 等)源/汇强度评估的不确定性。

观测塔通量与微气象仪器布置

在森林水文监测方面,森林对产水量和水质的影响也备受关注。然而,在独立集水区内,基于水文站网开展特定林型水源涵养服务功能的研究较少,与通量塔结合并系统地研究森林碳-水过程的研究平台未见报道,更缺乏集成森林生态系统的结构与功能监测于一体的综合研究平台。

在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站(以下简称“清原站”)在核心独立小流域(536.4 ha)内建成了观测塔群,打造以 LiDAR 为森林结构主要监测手段,以 CO2/H2O/痕量气体通量和水文站网为森林功能主要监测手段的“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”)(图 1)。科尔塔群监测研究平台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。

图 1 科尔塔群所在流域的地形图

2017 年 6 月,张佳宝院士(左一)、于贵瑞院士(右二)等专家现场检查清原科尔塔群

2019 年 8 月,陈宜瑜院士在清原站现场验收科尔塔群设施时评价:“清原站超额完成了中国科学院野外站重点科技基础设施项目建设任务,建成的塔群监测研究平台集多类科研设施于一体,可精准、实时、多尺度地获取森林生态系统结构与功能监测数据;其核心特征是整合多学科理论与方法,探索生态系统生态学(森林生态学)的前沿科学问题,聚焦次生林结构调控和功能恢复的国家需求,为提升森林生态系统服务功能和森林可持续经营提供重要理论和技术支撑。”

2019 年 8 月,张亚平院士(左三)、陈宜瑜院士(右二)、傅伯杰院士(右三)、于贵瑞院士(右四)等专家现场验收

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观测塔群建设难点与解决方案

清原站位于辽宁省抚顺市清原满族自治县大苏河乡国营大苏河林场大湖工区(41°49′34″N—51′08″N,124°53′53″E—56′35″E),属长白山余脉的龙岗山脉北麓。山地地形(坡度范围:10º—35º)与复杂森林景观(以次生林为主,人工林镶嵌其中)为工程施工与监测带来诸多困难。

科学选址、合理施工,确保山地建塔的稳定性与承载力

1. 工程实施前,在核心流域组织了多次选址调研、考察与论证。充分考虑主风向与山谷风系统,评估通量贡献源区。

2. 开展岩土工程勘察,查明受力深度范围内地层的结构类别、分布,明确不良地质作用的分布范围与地下水的埋藏条件,评价地基的稳定性、均匀性和承载力。

3. 根据地勘报告设计塔体结构,采用铁塔拉线系统和地基筏板保证其稳定性;为降低塔体对气候的影响,尽量采用柱体钢材。

精准获取多尺度森林结构以确保结构监测准确性

1. 在观测塔两侧设计垂直升降系统,结合云台实现 LiDAR 垂直方向扫描位置的任意调整,获取森林垂直冠层结构。

2. 在观测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。

3. 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。上述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。

保证复杂地形下的碳-水通量等监测的可靠性以准确确定功能

1. 在设计阶段,调研在国内外山区单个塔建设与运行情况,吸取山区建塔经验;经科学设计和多方论证,形成科尔塔群的建设方案。在独立出水口小流域内,建成了集观测塔群—水文站网—样地群协同的观测体系;每个塔对应具独立出水口的子流域。

2. 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。

3. 在水文方面,采用塔群—多级水文站–水源涵养监测样地的多级观测,保证水文状况的准确监测。

4. 在测定仪器方面,设计传感器与程序的系统性构架理念,构建高度集成通量系统,并配合智能大型程序管理控制,完成数据修正运算及质量评级等,从而保证碳-水通量测定的可靠性和智能化。

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观测塔群(科尔塔群)的组成与功能

科尔塔群由观测塔群、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。

观测塔群

观测塔群建设于独立小流域内,由 3 座观测塔组成,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,正方形基座边长 5 m,配 3 层拉线,两侧对称配备垂直升降梯及固定平台。

固定样地群的调查与运维

1. 样地定期调查与检查。每年4 月排查样地,检查凋落物收集器、生长环、号牌等。每年 9 月底开展固定样地的调查,完成数据录入与分析。

2. 每 2 年在非生长季和生长季开展地基激光雷达扫描工作;每 5 年开展 1 次无人机 LiDAR 扫描作业。

合作共享方式

1. 平台基础设施共享。其他单位基于科尔塔群开展试验,须遵循清原站使用或搭载仪器的相关规定。

2. 数据共享。申请人在线提交数据申请,经审核后方可获取数据。

3. 基于科尔塔群或数据发表的成果须标注清原站。

朱教君 中国科学院清原森林生态系统观测研究站/辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站站长,中国科学院沈阳应用生态研究所所长、研究员。长期从事森林生态和林业生态工程研究。中国生态学会副理事长,辽宁省生态学会理事长,SCI 期刊 Ecological Processes 共同主编。国家杰出青年科学基金获得者,“973”计划项目、国家重点研发项目首席科学家。以第一/通讯作者发表 SCI 论文 106 篇,出版专著 5 部,发明专利 6 项;以第一完成人获国家科技进步奖二等奖 2 项、省部级一等奖 3 项,获国际林联科学成就奖等个人奖励 20 余项。

文章源自:

朱教君,高添,于立忠,于丰源,杨凯,卢德亮,闫巧玲,孙一荣,刘利芳,徐爽,张金鑫,郑晓,宋立宁,周新华.温带次生林生态系统塔群监测研究平台(清原科尔塔群).中国科学院院刊,2021,36(3):351-361.

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