陸地生態系統碳匯綜合觀測系統（TCOS）

氣候變化是當前人類生存和發展所面臨的共同挑戰，受到世界各國人民和政府的高度關注。2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和是我國對國際社會的莊嚴承諾，并已被納入生態文明建設的總體布局。生態系統碳匯是實現"雙碳"目標的重要手段，也是林業和草原實現高質量發展的必然要求。陸地生態系統作為自然界碳循環的重要組成部分，其固碳被認為是減緩大氣CO2濃度升高，實現綠色碳匯的重要途徑。因此，提高陸地生態系統的固碳能力至關重要。

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。固碳能夠將多余的碳封存起來，不排放到大氣中。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轉化為碳水化合物，以有機碳的形式固定在植物體內或土壤里。

圖1 中國植被（A）、土壤（B）及生態系統（C）碳匯

圖片來源于(Yang et al.,2022)

目前，我國生態系統固碳能力巨大，其碳匯能力主要來自于我國重要林區，尤其是西南林區的固碳貢獻，同時我國東北林區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系統碳匯進行估算，為區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習相結合的方式估算了2001年到2018年中國植被碳匯。研究結果表明，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，我們要將生態系統碳匯作為國家生態建設和保護工程的主要目標，有效地提高陸地生態系統碳匯的監測技術與能力。那陸地生態系統的碳匯能力到底有多大？固碳速率有多大？我們怎么才能準確地監測陸地生態系統碳匯？面對這一系列的問題及需求，我們自主研發了一套系統性的解決方案，即陸地生態系統碳匯綜合觀測系統（TCOS）。

TCOS系統采用了一系列全方位、立體化的植被監測方案，通過LAINet、SpecNet、PhotoNet和EcoLidar等多種監測設備實現對區域陸地生態系統不同生態參數的觀測，以“多途徑、多線程”的方式，反演并估算出生態系統GPP，可精準地完成對陸地生態系統碳匯的全方位動態監測。

TCOS基本架構

圖4 陸地生態系統碳匯綜合觀測系統整體架構

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

TCOS設備組成

LAINet：LAINet為全自動植被葉面積指數監測儀，在國內實現了葉面積指數聯網觀測，突破了國外商業儀器在該領域的壟斷地位。它以具有無線數據收發功能的光量子傳感器為基礎，實現植被透射輻射的實時監測，并基于自主研發的高精度算法，計算得到植被冠層結構信息，如葉面積指數、平均葉傾角、聚集指數及冠層覆蓋度等。LAINet由部署在野外的無線傳感器網絡節點，包括冠層下、上匯聚節點，以及太陽能供電系統組成。主要適用于植被生長狀態長時間監測領域，如生態固定站、農業長期觀測站等。

圖5 LAINet設備組成示意圖

SpecNet：SpecNet為智能高光譜新型聯網光譜儀，具有完成反射率計算、光譜曲線預覽、波譜特征提取、多種植被指數計算、波譜分析等功能，也具有高光學分辨率、高靈敏度、低雜散光、以及快速光譜反應速度的特點。該設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，研究植被動態生長變化過程中的反射率特征。

圖6 SpecNet設備組成及觀測場景

PhotoNet：PhotoNet物候相機具有精準的多光譜成像技術，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，用戶可以根據植被生長條件以及觀測目的，調整設備工作模式，能夠獲取多種植被參數。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多功能用途，如傾斜觀測大場景物候、垂直向下觀測農作物長勢、垂直向上觀測森林郁閉度等。

圖7 PhotoNet設備示意圖

EcoLidar：EcoLidar為植被生態多參數激光雷達測量儀。由于激光雷達采用主動光學技術，可以瞬間發射高能量脈沖信號，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參數，還可以從點云數據中重建植被三維場景。它主要適用在森林、草地及農田等生態系統長時間序列自動測量中。

圖8 EcoLidar設備觀測流程及數據傳輸過程

TCOS數據輸出

LAINet數據輸出

SpecNet數據輸出

PhotoNet數據輸出

EcoLidar數據輸出

陸地生態系統碳匯計算模型

總初級生產力GPP是描述陸地生態系統的重要參數，提供了全球氣候變化下碳循環的定量化描述。GPP是指生態系統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系統的初始能量與物質總量。因此，準確估算GPP對碳循環過程和預測未來氣候變化至關重要。

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換成生物量的能力和效率的產物。LUE（Light Use Efficiency）模型所需要的參數包括光能利用率，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）間呈線性相關關系，而APAR是由光合有效輻射（PAR）和光合有效輻射分量（FPAR）相乘的結果，因此，整個光能利用率模型就可以轉換為下式的表現形式。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兩種植被指數的經驗模型得到

基于LAI的FPAR反演：

基于NDVI的FPAR反演：

陸地生態系統碳匯綜合觀測系統的實際應用案例

TCOS整體架構參考

圖9 TCOS整體架構參考

清原森林生態站TCOS實際應用案例

圖10 TCOS在清原森林生態站的實際應用案例

TCOS觀測場景

圖11 TCOS主要組成設備在清原森林生態站的安裝及觀測場景

TCOS多設備聯合觀測數據示例

圖12 TCOS主要組成設備聯合觀測數據示意圖

因考慮到森林、草地和農田等生態系統所需觀測的參數是不同的，所以我們可以根據用戶的具體需求去布設TCOS，從而達到更全、更具針對性的參數監測及獲取。同時，我們也會用科學的思維致力于科研設備及監測方案的研發與制作，為科學研究人員提供高精度的儀器設備及技術服務。

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.