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

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 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。

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 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 包括：美国通量 （AmeriFlux）、欧洲通量 （Euroflux）和澳洲通量 （OzFlux）。在中国，陆地生态系统通量观测研究 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。

在森林水 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 站 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 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 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 站 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 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 过程及调控机制等森林生态学的前沿科学问题。

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。”

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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 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 站 —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 方面，采用塔群—多级水 站–水源涵养监测样地的多级观测，保证水 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 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。

激光雷达扫描仪

科尔塔群配备?2?台激光雷达扫描仪。

1. Riegl vz-400i?脉冲式激光雷达扫描仪（奥地利?Riegl?公司生产）有效测量速度?5.0×105 pts·s-1，测量分辨率为?5 mm，最大测距?800 m，具有长测距优势。该扫描仪主要搭载到观测塔固定平台和升降平台上，可实现扫描视角范围水平方向?270°?垂直方向?100°?的扫描作业。

2. Faro Focus S 350?相位式激光雷达扫描仪（美国?Faro?公司生产）重量仅为?4.2 kg，最大测量速度为?9.8×105 pts·s-1，最大测距为?350 m。该扫描仪具有更大的垂直扫描视角范围（300°）和更高的测量分辨率，可用于获取生长季林下的结构信息，是塔基?Riegl vz-400i?的重要补充。

CO2/H2O/痕量气体通量观测系统

3?座观测塔均配备了?CPEC310?和?AP200?系统（美国?Campbell公司研发），以监测森林生态系统的涡动通量、廓线及储存通量、NEE?和蒸散。其中，CPEC310?安装在观测塔?46.5 m，AP200?系统进气口分列?8?层。上述系统可自定义标定时间间隔，调整?CO2/H2O?气体分析仪运算中的?Zero/Span?参数，从而提高?CO2/H2O?涡动通量测定的准确性。匹配的?EasyFlux?软件自动完成数据修正计算、质量评估及源区特征量估计。此外，还配有微气象传感器和土壤?CO2?通量观测系统。上述所有测量仪器和传感器都集成到一套完整的通量系统中，可进行实时数据通信，用于计算生态系统尺度的生态学变量。

水 监测站

整个流域出水口处设有集水区水 站，各塔所在子流域出水口设有水 站（子流域面积按顺序分别为：23.1 ha、13.4 ha?和?36.8 ha），并匹配长期监测样地群，形成三级森林水 监测 。水 站安装实时在线监测系统和水质自动监测系统，监测流域内的水量与水质；样地配备水源涵养功能自动连续观测系统，以及树干径流、穿透收集器等，监测林冠层、枯枝落叶层和土壤层的截雨/蓄水等。

长期固定样地群

根据源区贡献，每座观测塔布设?5?个样地（30 m×30 m），共计?15?个，以测定净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力；样地亦用于?LiDAR?长期监测，用于交互验证观测塔测定的生态系统碳通量。样方内每株样木（胸径 > 2 cm）安装号牌和生长环（胸径 > 10 cm），用异速生长法测定木质组织（树干、枝、粗根）NPP；布设凋落物收集器?6?个，收集并分类器官称干质量估算叶片、小枝与繁殖器官等当年损失的?NPP。样地内布设灌木样方?3?个，每个灌木样方内布设草本样方?2?个，分别采用异速生长法和收获法估算灌木和草本的地上?NPP。采用内生长芯法估算细根?NPP；采用动态箱式法和挖壕法测定土壤呼吸和异养呼吸。测量样方内主要树种各器官养分（如氮、磷）含量，连年测量鲜叶和凋落叶的养分含量；每?5?年（8?月份）鉴定枯枝落叶层和0—50 cm?土壤有机碳、全氮密度。

数据中心

采用?5.8 G 802.11AC?的?900 Mbps带宽的无线 桥组 ，在站区实验楼与塔群之间架设无线传输骨干 络。每座观测塔上布置一台无线接入设备完成对周边区域的无线 络覆盖，水 站等试验样地通过无线 桥汇聚到临近观测塔，按照由远及近的顺序——塔?3（T3）→塔?2（T2）→塔?1（T1）完成数据传输。数据中心工作室位于清原站实验楼，屋内布置?2?台数据库服务器、不间断电源（UPS）电池柜、交换机、多台液晶显示屏等设备，实时传输、存储、管理、分析与展示科尔塔群及多种设备的监测数据。

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科学目标与学科支撑作用

科尔塔群以森林系统结构和功能关系为主线，研究森林系统结构和功能的监测理论、技术与方法，探索森林生态系统结构与碳-氮循环（碳-氮源汇状况、生产力、土壤养分维持等）、水 过程（水源涵养）的关系及其与环境的互馈机制，核心科学目标包括以下?4?个方面。

模拟森林三维结构，以全息新视角探索森林生态学规律

以新一代激光雷达和光学遥感手段为核心推动力，以地面/近地面遥感为主要平台，发展森林三维结构信息的获取与数据融合关键技术，创建森林生态系统结构量化的新方法和新指标；模拟森林全息结构，定量描述森林三维生境、林木结构与理化特征；以全息化（holography）新视角探索林木-枝条-叶片的结构与性状特征、功能与演替机制，阐明森林生态系统种内/种间的竞争与协同关系、更新及生长过程。上述研究都将致力于酝酿新兴交叉学科——森林生态遥感学。

破解?CO2?和其他痕量气体通量监测难题，发展复杂地形下通量监测的新理论、技术与方法

探索森林生态系统碳-氮-水循环耦合过程与调控机制，促进生态系统生态学等领域知识创新

研究森林生态系统碳-氮-水循环耦合过程及其生物调控机制；分析全球变化背景下森林生态系统碳循环过程的响应与适应机制，解释森林生产力形成过程及不同垂直层次的固碳过程、贡献与控制因素；分析森林生态系统氮循环过程，评价其对氮氧化物的吸收效应。促进生态系统生态学、森林生态学、全球变化生态学交叉学科知识创新，为我国碳达峰与碳中和提供理论指导和科技支撑。

打造森林水 研究综合性平台，探索森林水源涵养服务功能的形成机制

为森林水 监测与研究提供长期支撑平台，研究森林生态系统不同层次的水 过程与环境的互馈机制，认识环境变化下森林水循环过程及其与生物因子的关系；从冠层-生态系统-小流域-集水区尺度，跨尺度量化森林水 过程及各组分贡献率；分析森林类型与结构对水量/水质的影响，探索森林水源涵养服务功能的形成机制。努力打造以森林水 学与生态水 学为核心的监测研究平台，为保障区域生态水安全提供科技支撑。

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取得进展及未来观测、研究计划

以地面/近地面遥感为主要平台，以?LiDAR为核心传感器，结合多源光学遥感手段，开展森林结构监测相关研究

截至?2020?年底，已获取无人机、塔基、地基?LiDAR?点云数据超过?8 TB，并在量化林冠截雨能力与林窗边缘木偏冠效应取得进展（图2）。未来监测/研究计划包括：

1. 多尺度量化森林三维结构，建立新参数体系；

2. 采用物候相机监测冠层动态变化，研究多途径遥感森林全息结构的数据融合技术；

3. 原位观测量化叶片-枝条-单木结构特征，分析叶片性状变化、抗逆适应的内在机制；

4. 量化林分（林窗）结构与树木生长特性，模拟三维空间光环境；

5. 基于小流域观测结果参数化遥感生产力模型与尺度外推。

依托科尔塔群的通量监测系统和源区长期样地群，探讨复杂地形下森林生态系统痕量气体通量监测的理论与方法

截至?2020?年底已积累各类通量监测数据超?640 GB。未来研究工作包括：

1. 定量描述复杂地形下的物质与能量传输过程，包括光、风、水、CO2?格局，分析其过程及驱动力（图?3）；

2. 探索复杂地形下关键通量参数及计算方法（如高频气温计算，相关 章投稿中），分析环控加热超声风速仪对涡度相关法通量观测的影响；

3. 评价复杂地形下碳通量测定的不确定性；

4. 评估森林生态系统储存通量的测定方法对?NEE?估测的影响；

5. 复杂地形森林通量功率谱/协谱的订正方法。

基于碳-氮通量的监测结果，探索森林生态系统碳-氮循环过程

目前及计划开展的研究工作包括：

1. 评估森林生态系统氮氧化物的源汇状况与季节动态格局（图?4）；

2. 森林生态系统不同光能利用率的定义方法；

3. 复杂地形下森林生态系统总初级生产力的光响应机制；

4. 3?种林型的光能利用率、养分利用率、水分利用率等及其与林分结构的关系；

5. 碳通量年际变化对环境与生物因子的响应机制。

以水 站 为核心，形成水 监测数据集，研究森林水 过程与水源涵养服务功能

截至?2020?年底，水 监测数据记录超过?10?万条。目前及计划开展的主要研究工作包括：

1. 森林小流域水 情势的年际-季节变化与驱动因素分析（图?5）；

2. 基于森林小流域水 站观测结果参数化分布式水 模型并用于评估分析；

3. 森林小流域水 过程对气候变化的响应；

4. 情景模拟不同管理方式对森林水源涵养功能的影响；

5. 基于多级嵌套流域水 情势分析浑河上游水源涵养形成机制。

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运行与管理办法

平台运行机制

1. 仪器设备管理。制定科尔塔群仪器设备管理规定，对购买、使用、借用进行记录备案。

2.?仪器设备运维。制定整套设备运维规程，由专职人员负责春/秋季维护、定期检查、故障诊断。

3. 数据管理。组建数据中心，实现数据高效的存储、管理与分发；逐月提交数据 告、逐年完成年度数据 告，专职人员负责审查。

4. 技术支持。依托科尔塔群成立了科尔森林痕量气体与同位素通量监测研发联合实验室，负责软、硬件研发，程序更新等技术支持。

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。

3. 基于科尔塔群或数据发表的成果须标注清原站。

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.