物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)碳匯中的應用研究

江璟瑜　畢名亮

[摘要]本文綜述了我國林業(yè)碳匯的重要意義及其研究進展，將智能林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于林業(yè)碳匯方面，可以實現(xiàn)碳匯造林、管理、計量、監(jiān)測、核查與交易網(wǎng)絡的在線化，進而使我國的林業(yè)碳匯與國際接軌。

[關(guān)鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)；林業(yè)碳匯；應用研究

發(fā)展碳匯林業(yè)是建設生態(tài)文明的有效載體，對我國經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。那么如何使我們國家營造的碳匯林和增加的碳匯量能被國際社會認同，是我們國家必須解決的問題。因而廣泛利用智能林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)到林業(yè)碳匯方面，實現(xiàn)碳匯造林、管理、計量、監(jiān)測、核查與交易網(wǎng)絡在線化將具有舉足輕重的意義。

一.我國林業(yè)碳匯研究概況

森林碳匯主要是指森林在生長過程中，通過光合作用將葉子吸收的二氧化碳和根部輸送上來的水分轉(zhuǎn)化為糖和氧氣，最后二氧化碳以有機質(zhì)的形式被儲存在森林的樹干、樹枝、樹葉中，對大氣中的二氧化碳達到吸收、固定作用，從而減少大氣中二氧化碳的濃度，減緩溫室效應的功能?？茖W研究表明：林木每生長1立方米，平均吸收1.83噸二氧化碳，釋放出1.63噸氧氣。全球森林對碳的吸收和儲量占全球每年大氣和地表碳流動量的90%。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化委員會估算：全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中約貯存2.48萬億噸碳，其中1.15萬億噸貯存在森林生態(tài)系統(tǒng)中。目前，全球的38億公頃森林，構(gòu)筑了維持地球碳平衡的重要基礎(chǔ)。森林是陸地上最大的吸碳器，又是最經(jīng)濟的吸碳器。森林固碳投資少、代價低、綜合效益大，具有很強的經(jīng)濟可行性和現(xiàn)實操作性。森林的碳匯功能使得實施林業(yè)碳匯項目隨著《聯(lián)合國氣候變化框架公約》以及《京都議定書》的相關(guān)談判進展而受到國內(nèi)外的關(guān)注。世界各國已把發(fā)展和保護森林資源作為應對氣候變化最根本的措施之一?！毒┒甲h定書》已將造林、再造林固碳確定為抵減二氧化碳排放量的重要途徑

1.1森林碳匯計量方法的研究。目前，世界各地的學者對森林碳匯的計量方法主要分為兩類：一是與生物量緊密相關(guān)的反映碳累積量的現(xiàn)存生物量清查的方法，這類方法已在我國得到了廣泛的應用，國內(nèi)有許多專家和學者根據(jù)中國幾次森林資源清查數(shù)據(jù)和森林資源系統(tǒng)仿真模型，對中國森林碳匯功能發(fā)展趨勢做出動態(tài)預測。另一類是利用微氣象原理和技術(shù)測定森林CO2通量，然后再將CO2的量換算成碳的儲量，這類方法在國外已經(jīng)取得了很大的成果，目前為止已經(jīng)建立了150多個觀測站。

1.2森林碳匯價值評價的研究。國內(nèi)有關(guān)碳匯評價的研究多限定在對植物和森林的碳儲量和碳吸收能力的測定上。有專家對中國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進行了測算，認為中國森林生態(tài)系統(tǒng)平均的植物碳密度估計值遠低于世界平均水平，這一方面說明中國的森林質(zhì)量比較差，另一方面說明如果對現(xiàn)有森林加以更好的撫育管理，中國森林還有很大潛力，并通過計算得出中國森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有的植物碳儲量只占潛在的44.3%。同時有專家指出在當前的國際形勢下，對森林碳匯價值評估比較適用的方法是市場價值法，即先定量地評價森林碳匯功能效果，再根據(jù)這些效果的市場價格來評估其經(jīng)濟價值。

1.3中國森林碳匯市場及交易的研究。為了適應國際森林碳匯市場化的發(fā)展并促進中國森林碳匯市場化的建立，中國的許多學者也對森林碳匯的經(jīng)濟問題進行了一些研究。其中包括中國二氧化碳的減排潛力，市場運作以及相關(guān)政策、標準和方法學的準備，中國林業(yè)碳匯的管理現(xiàn)狀，擴大森林碳匯需求、保證森林碳匯供給和規(guī)范森林碳匯市場交易秩序的具體措施的研究等。這些研究在一定程度上，為中國森林碳匯市場的交易提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，為促進中國森林碳匯市場的形成及機制的建立做出了一定的貢獻。

二.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在碳匯中的應用現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡，其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間，進行信息交換和通信。傳統(tǒng)林業(yè)的模式已遠不能適應林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，資源不足，環(huán)境污染等諸多問題使林業(yè)的發(fā)展陷入惡性循環(huán)，而智能林業(yè)為現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展提供了一條光明之路，智能林業(yè)與傳統(tǒng)林業(yè)相比最大的特點是以高新技術(shù)和科學管理換取對資源的最大節(jié)約。

2.1森林碳匯計量監(jiān)測構(gòu)架。動態(tài)多層次森林生態(tài)和碳匯計量監(jiān)測將為科學的評價森林生態(tài)效益提供有力支撐，為有效的采取生態(tài)化方式來應對環(huán)境和氣候變化提供理論依據(jù)。當前，由于森林生態(tài)系統(tǒng)的時空異質(zhì)性和尺度復雜性，大范圍、長期、持續(xù)、同步監(jiān)測森林生態(tài)關(guān)鍵指標存在困難，大范圍布設測量、異步與同步共融、連續(xù)觀測統(tǒng)計、人類操作難以實現(xiàn)的地區(qū)等問題，對碳匯的計量和監(jiān)測都產(chǎn)生了很大的影響；而利用無線傳感網(wǎng)技術(shù)開展森林生態(tài)環(huán)境和碳匯計量監(jiān)測研究具有得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，有助于為碳匯評價標準的建立提供科學依據(jù)，使得森林生態(tài)和碳匯計量監(jiān)測向多站點聯(lián)合、多系統(tǒng)組合、多尺度擬合、多目標融合的方向發(fā)展，搶占當前物聯(lián)網(wǎng)應用研究制高點。

2.2建立物聯(lián)網(wǎng)應用的碳匯計量系統(tǒng)。開發(fā)建立以實驗樣地與森林觀測塔相結(jié)合的森林碳匯計量監(jiān)測系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，以無線傳感網(wǎng)為核心，與車載網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡異構(gòu)互聯(lián)，通過多跳自組織傳輸方式收集多種傳感數(shù)據(jù)。這種由異構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)形成的物聯(lián)網(wǎng)驗證平臺，可以對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進行全面驗證，支持森林碳匯計量監(jiān)綜合應用示范，將大范圍、多粒度的計量監(jiān)測數(shù)據(jù)以更豐富的形式動態(tài)展現(xiàn)出來。

三.物聯(lián)網(wǎng)應用于林業(yè)碳匯發(fā)展前景

3.1碳匯計量監(jiān)測發(fā)展路徑：建立無線網(wǎng)絡監(jiān)測平臺，對森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境進行精準監(jiān)控。在森林生態(tài)系統(tǒng)中搭建無線傳感技術(shù)平臺，實時采集和上傳森林生態(tài)環(huán)境因子數(shù)據(jù)。利用溫度傳感器、濕度傳感器、pH值傳感器、光傳感器、離子傳感器、生物傳感器等設備，檢測環(huán)境中的溫度、相對濕度、pH值、光照強度、土壤養(yǎng)分、風速等參數(shù)，實現(xiàn)了林內(nèi)環(huán)境因子的自動、及時、長期、連續(xù)監(jiān)測分析，達到信息數(shù)字化，通過各種儀器儀表實時顯示到自動系統(tǒng)。遠程控制的實現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對多個點位的森林環(huán)境進行監(jiān)測控制。采用無線網(wǎng)絡來監(jiān)管森林生態(tài)環(huán)境，可以為碳匯計量與監(jiān)測提供科學的環(huán)境參數(shù)依據(jù)，建立森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫，為森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與環(huán)境之間的相互影響研究奠定基礎(chǔ)。

利用通量及無線傳感等先進技術(shù)，一方面大大豐富和改進了森林CO2及森林環(huán)境因子的監(jiān)測手段，有利于提高監(jiān)測時效，為精細感知森林復雜條件下的各種變化提供了可能，同時也提供了通過易感可感因子探究森林結(jié)構(gòu)和功能信息的新途徑；另一方面，它更加有助于深入了解森林固碳過程與森林微環(huán)境、微地形的耦合關(guān)系，為深入開展森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程提供更加精確的數(shù)據(jù)。

3.2建立基于物聯(lián)網(wǎng)的森林碳排放與碳匯計量監(jiān)測平臺?；谏仲Y源連續(xù)清查數(shù)據(jù)、森林土壤樣點數(shù)據(jù)和地理信息技術(shù)，實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其積累動態(tài)的研究。統(tǒng)計森林植被現(xiàn)有碳儲量、森林土壤有機碳儲量和枯落物碳儲量；全面而準確地摸清森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其空間分布特征、林分碳積累規(guī)律、林木形態(tài)組成與穩(wěn)定性特征、森林植被碳儲量遙感定量估算與時空動態(tài)監(jiān)測、碳計量監(jiān)測與增匯減排技術(shù)、森林經(jīng)營與土壤碳穩(wěn)定性和溫室氣體排放響應關(guān)系?；谖锫?lián)網(wǎng)應用，建立長期大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，搭建森林碳匯研究平臺，使碳匯監(jiān)測從定點推廣的模型估計發(fā)展成較為準確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為評價森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能、開展森林碳匯經(jīng)營和森林碳匯管理奠定了堅實基礎(chǔ)。