物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)碳匯中的應(yīng)用研究

江璟瑜畢名亮

1.黑龍江省森林與環(huán)境工程研究所 2.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)碳匯中的應(yīng)用研究

江璟瑜1畢名亮2

1.黑龍江省森林與環(huán)境工程研究所 2.黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院

本文綜述了我國(guó)林業(yè)碳匯的重要意義及其研究進(jìn)展，將智能林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)碳匯方面，可以實(shí)現(xiàn)碳匯造林、管理、計(jì)量、監(jiān)測(cè)、核查與交易網(wǎng)絡(luò)的在線化，進(jìn)而使我國(guó)的林業(yè)碳匯與國(guó)際接軌。

物聯(lián)網(wǎng)；林業(yè)碳匯；應(yīng)用研究

發(fā)展碳匯林業(yè)是建設(shè)生態(tài)文明的有效載體，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。那么如何使我們國(guó)家營(yíng)造的碳匯林和增加的碳匯量能被國(guó)際社會(huì)認(rèn)同，是我們國(guó)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(shí)現(xiàn)碳匯造林、管理、計(jì)量、監(jiān)測(cè)、核查與交易網(wǎng)絡(luò)在線化將具有舉足輕重的意義。

一.我國(guó)林業(yè)碳匯研究概況

森林碳匯主要是指森林在生長(zhǎng)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(jī)質(zhì)的形式被儲(chǔ)存在森林的樹干、樹枝、樹葉中，對(duì)大氣中的二氧化碳達(dá)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(yīng)的功能?？茖W(xué)研究表明：林木每生長(zhǎng)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(duì)碳的吸收和儲(chǔ)量占全球每年大氣和地表碳流動(dòng)量的90%。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化委員會(huì)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(jì)的吸碳器。森林固碳投資少、代價(jià)低、綜合效益大，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)可行性和現(xiàn)實(shí)操作性。森林的碳匯功能使得實(shí)施林業(yè)碳匯項(xiàng)目隨著《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》以及《京都議定書》的相關(guān)談判進(jìn)展而受到國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。世界各國(guó)已把發(fā)展和保護(hù)森林資源作為應(yīng)對(duì)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(jì)量方法的研究。目前，世界各地的學(xué)者對(duì)森林碳匯的計(jì)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(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有許多專家和學(xué)者根據(jù)中國(guó)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(duì)中國(guó)森林碳匯功能發(fā)展趨勢(shì)做出動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。另一類是利用微氣象原理和技術(shù)測(cè)定森林CO2通量，然后再將CO2的量換算成碳的儲(chǔ)量，這類方法在國(guó)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(gè)觀測(cè)站。

1.2 森林碳匯價(jià)值評(píng)價(jià)的研究。國(guó)內(nèi)有關(guān)碳匯評(píng)價(jià)的研究多限定在對(duì)植物和森林的碳儲(chǔ)量和碳吸收能力的測(cè)定上。有專家對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了測(cè)算，認(rèn)為中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均的植物碳密度估計(jì)值遠(yuǎn)低于世界平均水平，這一方面說明中國(guó)的森林質(zhì)量比較差，另一方面說明如果對(duì)現(xiàn)有森林加以更好的撫育管理，中國(guó)森林還有很大潛力，并通過計(jì)算得出中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有的植物碳儲(chǔ)量只占潛在的44.3%。同時(shí)有專家指出在當(dāng)前的國(guó)際形勢(shì)下，對(duì)森林碳匯價(jià)值評(píng)估比較適用的方法是市場(chǎng)價(jià)值法，即先定量地評(píng)價(jià)森林碳匯功能效果，再根據(jù)這些效果的市場(chǎng)價(jià)格來評(píng)估其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1.3 中國(guó)森林碳匯市場(chǎng)及交易的研究。為了適應(yīng)國(guó)際森林碳匯市場(chǎng)化的發(fā)展并促進(jìn)中國(guó)森林碳匯市場(chǎng)化的建立，中國(guó)的許多學(xué)者也對(duì)森林碳匯的經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行了一些研究。其中包括中國(guó)二氧化碳的減排潛力，市場(chǎng)運(yùn)作以及相關(guān)政策、標(biāo)準(zhǔn)和方法學(xué)的準(zhǔn)備，中國(guó)林業(yè)碳匯的管理現(xiàn)狀，擴(kuò)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(chǎng)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(guó)森林碳匯市場(chǎng)的交易提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，為促進(jìn)中國(guó)森林碳匯市場(chǎng)的形成及機(jī)制的建立做出了一定的貢獻(xiàn)。

二.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在碳匯中的應(yīng)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(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物體與物體之間，進(jìn)行信息交換和通信。傳統(tǒng)林業(yè)的模式已遠(yuǎn)不能適應(yīng)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(diǎn)是以高新技術(shù)和科學(xué)管理?yè)Q取對(duì)資源的最大節(jié)約。

2.1 森林碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)構(gòu)架。動(dòng)態(tài)多層次森林生態(tài)和碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)將為科學(xué)的評(píng)價(jià)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(yīng)對(duì)環(huán)境和氣候變化提供理論依據(jù)。當(dāng)前，由于森林生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空異質(zhì)性和尺度復(fù)雜性，大范圍、長(zhǎng)期、持續(xù)、同步監(jiān)測(cè)森林生態(tài)關(guān)鍵指標(biāo)存在困難，大范圍布設(shè)測(cè)量、異步與同步共融、連續(xù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)、人類操作難以實(shí)現(xiàn)的地區(qū)等問題，對(duì)碳匯的計(jì)量和監(jiān)測(cè)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(jì)量監(jiān)測(cè)研究具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有助于為碳匯評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供科學(xué)依據(jù)，使得森林生態(tài)和碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)向多站點(diǎn)聯(lián)合、多系統(tǒng)組合、多尺度擬合、多目標(biāo)融合的方向發(fā)展，搶占當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究制高點(diǎn)。

2.2 建立物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的碳匯計(jì)量系統(tǒng)。開發(fā)建立以實(shí)驗(yàn)樣地與森林觀測(cè)塔相結(jié)合的森林碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)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(yàn)證平臺(tái)，可以對(duì)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面驗(yàn)證，支持森林碳匯計(jì)量監(jiān)綜合應(yīng)用示范，將大范圍、多粒度的計(jì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以更豐富的形式動(dòng)態(tài)展現(xiàn)出來。

三.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于林業(yè)碳匯發(fā)展前景

3.1 碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)發(fā)展路徑：建立無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控。在森林生態(tài)系統(tǒng)中搭建無線傳感技術(shù)平臺(tái)，實(shí)時(shí)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(shè)備，檢測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、pH值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、風(fēng)速等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了林內(nèi)環(huán)境因子的自動(dòng)、及時(shí)、長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，達(dá)到信息數(shù)字化，通過各種儀器儀表實(shí)時(shí)顯示到自動(dòng)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)使技術(shù)人員在辦公室就能對(duì)多個(gè)點(diǎn)位的森林環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。采用無線網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)管森林生態(tài)環(huán)境，可以為碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)提供科學(xué)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(kù)，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(jìn)技術(shù)，一方面大大豐富和改進(jìn)了森林CO2及森林環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)手段，有利于提高監(jiān)測(cè)時(shí)效，為精細(xì)感知森林復(fù)雜條件下的各種變化提供了可能，同時(shí)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(jì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)。基于森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)、森林土壤樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和地理信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)及其積累動(dòng)態(tài)的研究。統(tǒng)計(jì)森林植被現(xiàn)有碳儲(chǔ)量、森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和枯落物碳儲(chǔ)量；全面而準(zhǔn)確地摸清森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)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(chǔ)量遙感定量估算與時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、碳計(jì)量監(jiān)測(cè)與增匯減排技術(shù)、森林經(jīng)營(yíng)與土壤碳穩(wěn)定性和溫室氣體排放響應(yīng)關(guān)系?；谖锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用，建立長(zhǎng)期大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，搭建森林碳匯研究平臺(tái)，使碳匯監(jiān)測(cè)從定點(diǎn)推廣的模型估計(jì)發(fā)展成較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能、開展森林碳匯經(jīng)營(yíng)和森林碳匯管理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。