物联网技术在林业碳汇中的应用研究

江璟瑜毕名亮

1.黑龙江省森林与环境工程研究所 2.黑龙江省林业设计研究院

物联网技术在林业碳汇中的应用研究

江璟瑜1毕名亮2

1.黑龙江省森林与环境工程研究所 2.黑龙江省林业设计研究院

本文综述了我国林业碳汇的重要意义及其研究进展，将智能林业物联网技术应用于林业碳汇方面，可以实现碳汇造林、管理、计量、监测、核查与交易网络的在线化，进而使我国的林业碳汇与国际接轨。

物联网；林业碳汇；应用研究

发展碳汇林业是建设生态文明的有效载体，对我国经济社会可持续发展具有重要意义。那么如何使我们国家营造的碳汇林和增加的碳汇量能被国际社会认同，是我们国家必须解决的问题。因而广泛利用智能林业物联网新技术到林业碳汇方面，实现碳汇造林、管理、计量、监测、核查与交易网络在线化将具有举足轻重的意义。

一.我国林业碳汇研究概况

森林碳汇主要是指森林在生长过程中，通过光合作用将叶子吸收的二氧化碳和根部输送上来的水分转化为糖和氧气，最后二氧化碳以有机质的形式被储存在森林的树干、树枝、树叶中，对大气中的二氧化碳达到吸收、固定作用，从而减少大气中二氧化碳的浓度，减缓温室效应的功能。科学研究表明：林木每生长1立方米，平均吸收1.83吨二氧化碳，释放出1.63吨氧气。全球森林对碳的吸收和储量占全球每年大气和地表碳流动量的90%。据联合国政府间气候变化委员会估算：全球陆地生态系统中约贮存2.48万亿吨碳，其中1.15万亿吨贮存在森林生态系统中。目前，全球的38亿公顷森林，构筑了维持地球碳平衡的重要基础。森林是陆地上最大的吸碳器，又是最经济的吸碳器。森林固碳投资少、代价低、综合效益大，具有很强的经济可行性和现实操作性。森林的碳汇功能使得实施林业碳汇项目随着《联合国气候变化框架公约》以及《京都议定书》的相关谈判进展而受到国内外的关注。世界各国已把发展和保护森林资源作为应对气候变化最根本的措施之一。《京都议定书》已将造林、再造林固碳确定为抵减二氧化碳排放量的重要途径

1.1 森林碳汇计量方法的研究。目前，世界各地的学者对森林碳汇的计量方法主要分为两类：一是与生物量紧密相关的反映碳累积量的现存生物量清查的方法，这类方法已在我国得到了广泛的应用，国内有许多专家和学者根据中国几次森林资源清查数据和森林资源系统仿真模型，对中国森林碳汇功能发展趋势做出动态预测。另一类是利用微气象原理和技术测定森林CO2通量，然后再将CO2的量换算成碳的储量，这类方法在国外已经取得了很大的成果，目前为止已经建立了150多个观测站。

1.2 森林碳汇价值评价的研究。国内有关碳汇评价的研究多限定在对植物和森林的碳储量和碳吸收能力的测定上。有专家对中国森林生态系统的碳储量进行了测算，认为中国森林生态系统平均的植物碳密度估计值远低于世界平均水平，这一方面说明中国的森林质量比较差，另一方面说明如果对现有森林加以更好的抚育管理，中国森林还有很大潜力，并通过计算得出中国森林生态系统现有的植物碳储量只占潜在的44.3%。同时有专家指出在当前的国际形势下，对森林碳汇价值评估比较适用的方法是市场价值法，即先定量地评价森林碳汇功能效果，再根据这些效果的市场价格来评估其经济价值。

1.3 中国森林碳汇市场及交易的研究。为了适应国际森林碳汇市场化的发展并促进中国森林碳汇市场化的建立，中国的许多学者也对森林碳汇的经济问题进行了一些研究。其中包括中国二氧化碳的减排潜力，市场运作以及相关政策、标准和方法学的准备，中国林业碳汇的管理现状，扩大森林碳汇需求、保证森林碳汇供给和规范森林碳汇市场交易秩序的具体措施的研究等。这些研究在一定程度上，为中国森林碳汇市场的交易提供了理论基础和技术保障，为促进中国森林碳汇市场的形成及机制的建立做出了一定的贡献。

二.物联网技术在碳汇中的应用现状

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。传统林业的模式已远不能适应林业可持续发展的需要，资源不足，环境污染等诸多问题使林业的发展陷入恶性循环，而智能林业为现代林业的发展提供了一条光明之路，智能林业与传统林业相比最大的特点是以高新技术和科学管理换取对资源的最大节约。

2.1 森林碳汇计量监测构架。动态多层次森林生态和碳汇计量监测将为科学的评价森林生态效益提供有力支撑，为有效的采取生态化方式来应对环境和气候变化提供理论依据。当前，由于森林生态系统的时空异质性和尺度复杂性，大范围、长期、持续、同步监测森林生态关键指标存在困难，大范围布设测量、异步与同步共融、连续观测统计、人类操作难以实现的地区等问题，对碳汇的计量和监测都产生了很大的影响；而利用无线传感网技术开展森林生态环境和碳汇计量监测研究具有得天独厚的技术优势，有助于为碳汇评价标准的建立提供科学依据，使得森林生态和碳汇计量监测向多站点联合、多系统组合、多尺度拟合、多目标融合的方向发展，抢占当前物联网应用研究制高点。

2.2 建立物联网应用的碳汇计量系统。开发建立以实验样地与森林观测塔相结合的森林碳汇计量监测系统，以物联网体系架构为基础，以无线传感网为核心，与车载网、移动通信网络和互联网等多种网络异构互联，通过多跳自组织传输方式收集多种传感数据。这种由异构互联网形成的物联网验证平台，可以对物联网基础理论和关键技术进行全面验证，支持森林碳汇计量监综合应用示范，将大范围、多粒度的计量监测数据以更丰富的形式动态展现出来。

三.物联网应用于林业碳汇发展前景

3.1 碳汇计量监测发展路径：建立无线网络监测平台，对森林生态系统环境进行精准监控。在森林生态系统中搭建无线传感技术平台，实时采集和上传森林生态环境因子数据。利用温度传感器、湿度传感器、pH值传感器、光传感器、离子传感器、生物传感器等设备，检测环境中的温度、相对湿度、pH值、光照强度、土壤养分、风速等参数，实现了林内环境因子的自动、及时、长期、连续监测分析，达到信息数字化，通过各种仪器仪表实时显示到自动系统。远程控制的实现使技术人员在办公室就能对多个点位的森林环境进行监测控制。采用无线网络来监管森林生态环境，可以为碳汇计量与监测提供科学的环境参数依据，建立森林生态系统环境数据库，为森林生态系统碳循环与环境之间的相互影响研究奠定基础。

利用通量及无线传感等先进技术，一方面大大丰富和改进了森林CO2及森林环境因子的监测手段，有利于提高监测时效，为精细感知森林复杂条件下的各种变化提供了可能，同时也提供了通过易感可感因子探究森林结构和功能信息的新途径；另一方面，它更加有助于深入了解森林固碳过程与森林微环境、微地形的耦合关系，为深入开展森林生态系统碳循环过程提供更加精确的数据。

3.2 建立基于物联网的森林碳排放与碳汇计量监测平台。基于森林资源连续清查数据、森林土壤样点数据和地理信息技术，实现森林生态系统碳库及其积累动态的研究。统计森林植被现有碳储量、森林土壤有机碳储量和枯落物碳储量；全面而准确地摸清森林生态系统碳储量及其空间分布特征、林分碳积累规律、林木形态组成与稳定性特征、森林植被碳储量遥感定量估算与时空动态监测、碳计量监测与增汇减排技术、森林经营与土壤碳稳定性和温室气体排放响应关系。基于物联网应用，建立长期大规模无线传感器网络系统，搭建森林碳汇研究平台，使碳汇监测从定点推广的模型估计发展成较为准确的数据统计，为评价森林生态系统碳汇功能、开展森林碳汇经营和森林碳汇管理奠定了坚实基础。