氣候變化是當(dāng)前人類生存和發(fā)展所面臨的共同挑戰(zhàn)，受到世界各國人民和政府的高度關(guān)注。2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和是我國對國際社會的莊嚴(yán)承諾，并已被納入生態(tài)文明建設(shè)的總體布局。生態(tài)系統(tǒng)碳匯是實現(xiàn)"雙碳"目標(biāo)的重要手段，也是林業(yè)和草原實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。陸地生態(tài)系統(tǒng)作為自然界碳循環(huán)的重要組成部分，其固碳被認(rèn)為是減緩大氣CO2濃度升高，實現(xiàn)綠色碳匯的重要途徑。因此，提高陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力至關(guān)重要。

所謂固碳，也叫碳封存，是指增加除大氣之外的碳庫碳含量的措施。固碳能夠?qū)⒍嘤嗟奶挤獯嫫饋恚慌欧诺酱髿庵?。固碳主要包括物理固碳和生物固碳兩種方式。生物固碳是利用植物的光合作用，將CO2轉(zhuǎn)化為碳水化合物，以有機碳的形式固定在植物體內(nèi)或土壤里。

圖1 中國植被（A）、土壤（B）及生態(tài)系統(tǒng)（C）碳匯

圖片來源于(Yang et al.,2022)

目前，我國生態(tài)系統(tǒng)固碳能力巨大，其碳匯能力主要來自于我國重要林區(qū)，尤其是西南林區(qū)的固碳貢獻，同時我國東北林區(qū)在夏季也有非常強的碳匯作用(Wang et al., 2020)。

圖2 中國碳匯分布

圖片來源于（Wang et al., 2020）

近些年，已有大量研究對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯進行估算，為區(qū)域和全球尺度的碳匯與碳源核算做出了巨大貢獻。其中，傅伯杰老師團隊通過將遙感與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式估算了2001年到2018年中國植被碳匯。研究結(jié)果表明，2001-2018年，中國GPP以49.1-53.1Tg C/yr²的速度顯著增長。此外，氣候變化和人類活動均對GPP增長做出貢獻(Chen et al., 2021)。

圖3 氣候變化和人類活動對中國植被碳匯的影響

圖片來源于（Chen et al., 2021）

目前，我們要將生態(tài)系統(tǒng)碳匯作為國家生態(tài)建設(shè)和保護工程的主要目標(biāo)，有效地提高陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的監(jiān)測技術(shù)與能力。那陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯能力到底有多大？固碳速率有多大？我們怎么才能準(zhǔn)確地監(jiān)測陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯？面對這一系列的問題及需求，我們自主研發(fā)了一套系統(tǒng)性的解決方案，即陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯綜合觀測系統(tǒng)（TCOS）。

TCOS系統(tǒng)采用了一系列全方位、立體化的植被監(jiān)測方案，通過LAINet、SpecNet、PhotoNet和EcoLidar等多種監(jiān)測設(shè)備實現(xiàn)對區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)不同生態(tài)參數(shù)的觀測，以“多途徑、多線程”的方式，反演并估算出生態(tài)系統(tǒng)GPP，可精準(zhǔn)地完成對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯的全方位動態(tài)監(jiān)測。

TCOS基本架構(gòu)

圖4 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯綜合觀測系統(tǒng)整體架構(gòu)

底部為觀測系統(tǒng)的搭載平臺，主要支持地基和塔基觀測。上一層為系統(tǒng)的監(jiān)測設(shè)備，主要包括LAINet、SpecNet、PhotoNet和EcoLidar，每個監(jiān)測設(shè)備在監(jiān)測碳匯時均可輸出生態(tài)參數(shù)，后通過碳匯計算模型，反演出生態(tài)系統(tǒng)GPP。

TCOS設(shè)備組成

LAINet：LAINet為全自動植被葉面積指數(shù)監(jiān)測儀，在國內(nèi)實現(xiàn)了葉面積指數(shù)聯(lián)網(wǎng)觀測，突破了國外商業(yè)儀器在該領(lǐng)域的壟斷地位。它以具有無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能的光量子傳感器為基礎(chǔ)，實現(xiàn)植被透射輻射的實時監(jiān)測，并基于自主研發(fā)的高精度算法，計算得到植被冠層結(jié)構(gòu)信息，如葉面積指數(shù)、平均葉傾角、聚集指數(shù)及冠層覆蓋度等。LAINet由部署在野外的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括冠層下、上匯聚節(jié)點，以及太陽能供電系統(tǒng)組成。主要適用于植被生長狀態(tài)長時間監(jiān)測領(lǐng)域，如生態(tài)固定站、農(nóng)業(yè)長期觀測站等。

圖5 LAINet設(shè)備組成示意圖

SpecNet：SpecNet為智能高光譜新型聯(lián)網(wǎng)光譜儀，具有完成反射率計算、光譜曲線預(yù)覽、波譜特征提取、多種植被指數(shù)計算、波譜分析等功能，也具有高光學(xué)分辨率、高靈敏度、低雜散光、以及快速光譜反應(yīng)速度的特點。該設(shè)備主要由智能控制器、高光譜傳感器模塊和光路切換控制器三部分組成。適合野外臺站長時間序列自動觀測地物光譜反射率，研究植被動態(tài)生長變化過程中的反射率特征。

圖6 SpecNet設(shè)備組成及觀測場景

PhotoNet：PhotoNet物候相機具有精準(zhǔn)的多光譜成像技術(shù)，既能夠獲取真彩色高清觀測圖像，也可以拍攝多光譜圖像。PhotoNet具有多種觀測模式，用戶可以根據(jù)植被生長條件以及觀測目的，調(diào)整設(shè)備工作模式，能夠獲取多種植被參數(shù)。主要適用在對植物物候長時間序列自動觀測中。通過多角度觀測可實現(xiàn)多功能用途，如傾斜觀測大場景物候、垂直向下觀測農(nóng)作物長勢、垂直向上觀測森林郁閉度等。

圖7 PhotoNet設(shè)備示意圖

EcoLidar：EcoLidar為植被生態(tài)多參數(shù)激光雷達測量儀。由于激光雷達采用主動光學(xué)技術(shù)，可以瞬間發(fā)射高能量脈沖信號，具有較大的穿透深度，能夠探測植被冠層表層以下的信息。激光雷達不僅能夠提取植被冠層的生態(tài)參數(shù)，還可以從點云數(shù)據(jù)中重建植被三維場景。它主要適用在森林、草地及農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)長時間序列自動測量中。

圖8 EcoLidar設(shè)備觀測流程及數(shù)據(jù)傳輸過程

TCOS數(shù)據(jù)輸出

LAINet數(shù)據(jù)輸出

SpecNet數(shù)據(jù)輸出

PhotoNet數(shù)據(jù)輸出

EcoLidar數(shù)據(jù)輸出

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯計算模型

總初級生產(chǎn)力GPP是描述陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，提供了全球氣候變化下碳循環(huán)的定量化描述。GPP是指生態(tài)系統(tǒng)中綠色植物單位時間通過光合作用途徑固定有機碳的總量(Chapin Iii et al., 2012)，決定了進入陸地生態(tài)系統(tǒng)的初始能量與物質(zhì)總量。因此，準(zhǔn)確估算GPP對碳循環(huán)過程和預(yù)測未來氣候變化至關(guān)重要。

TCOS碳匯的計算是基于光能利用率模型展開的，該方法將陸地植被的固碳作用描述為植被吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換成生物量的能力和效率的產(chǎn)物。LUE（Light Use Efficiency）模型所需要的參數(shù)包括光能利用率，植被光合有效輻射和光合有效輻射吸收比率。理論上，GPP與植被吸收的光合有效輻射（APAR）間呈線性相關(guān)關(guān)系，而APAR是由光合有效輻射（PAR）和光合有效輻射分量（FPAR）相乘的結(jié)果，因此，整個光能利用率模型就可以轉(zhuǎn)換為下式的表現(xiàn)形式。而SIF的反演也同樣是APAR乘以SIF的光能利用率（LUEs），后推導(dǎo)出基于SIF的GPP反演模型。

1、基于SIF估算GPP的光能利用率模型：

2、基于植被指數(shù)的光能利用率模型：MODIS-GPP模型

式中，FPAR可通過LAI和NDVI兩種植被指數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷玫?/span>

基于LAI的FPAR反演：

基于NDVI的FPAR反演：

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯綜合觀測系統(tǒng)的實際應(yīng)用案例

TCOS整體架構(gòu)參考

圖9 TCOS整體架構(gòu)參考

清原森林生態(tài)站TCOS實際應(yīng)用案例

圖10 TCOS在清原森林生態(tài)站的實際應(yīng)用案例

TCOS觀測場景

圖11 TCOS主要組成設(shè)備在清原森林生態(tài)站的安裝及觀測場景

TCOS多設(shè)備聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)示例

圖12 TCOS主要組成設(shè)備聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)示意圖

因考慮到森林、草地和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)所需觀測的參數(shù)是不同的，所以我們可以根據(jù)用戶的具體需求去布設(shè)TCOS，從而達到更全、更具針對性的參數(shù)監(jiān)測及獲取。同時，我們也會用科學(xué)的思維致力于科研設(shè)備及監(jiān)測方案的研發(fā)與制作，為科學(xué)研究人員提供高精度的儀器設(shè)備及技術(shù)服務(wù)。

主要參考文獻

Chapin Iii FS, Matson P, VitousekP, 2012. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology, pp. 369-397.

Chen Y, Feng X, Tian H, et al. Accelerated increase invegetation carbon sequestration in China after 2010: A turning point resultingfrom climate and human interaction. GlobalChange Biology, 2021, 27.

Wang J, Feng L, Palmer P, et al. Large Chinese land carbon sinkestimated from atmospheric carbon dioxide data. Nature, 2020, 586: 720-723.

Yang Y, Shi Y, Sun W, et al. Terrestrial carbon sinks inChina and around the world and their contribution to carbon neutrality.Science China Life Sciences, 2022.