碳汇监测平台解决方案

“生态兴则文明兴，生态衰则文明衰”，党的十九大报告提出“加快生态文明体制改革、建设美丽中国”，推动生态文明建设是人类社会可持续发展的必然选择。近年来随着全球气候变暖加剧，城市规模快速发展，气候连续多年干旱及水资源形势严峻等因素的影响，生态环境的保护和利用正面临着湿地面积萎缩、水资源匮乏、蒸发量加大、生态环境功能和植被退化等诸多气候生态环境问题。

生态系统碳汇是实现"双碳"目标的重要手段，也是林业和草原实现高质量发展的必然要求。陆地生态系统作为自然界碳循环的重要组成部分，其固碳被认为是减缓大气CO2浓度升高，实现绿色碳汇的重要途径。因此，提高陆地生态系统的固碳能力至关重要。

所谓固碳，也叫碳封存，是指增加除大气之外的碳库碳含量的措施。固碳能够将多余的碳封存起来，不排放到大气中。固碳主要包括物理固碳和生物固碳两种方式。生物固碳是利用植物的光合作用，将CO2转化为碳水化合物，以有机碳的形式固定在植物体内或土壤里。

目前碳储量/碳汇量监测主要分为两种，一种是生物量监测法：测林分在一段时间内材积、生物量的增长量，算碳汇；一种是碳通量监测法：测定森林所有的碳输入（植物光合），然后测定碳输出（叶呼吸、树干呼吸、土壤呼吸），然后输入减输出，计算碳汇。

本项目通过区域内建立一套生物量监测设备及一套碳通量监测设备，生物量设备用于监测树木的胸径、树高，换算不同树种的材积，从而计算出基于生物量的碳储量/碳汇量；碳通量通过监测风、气体、雨量及光照等方面数据，测算林区二氧化碳的输入、输出计算碳汇量；系统通过监测设备实现对该区域碳要素的自动连续观测，为及时掌握气象条件对生态环境的影响、实现地区可持续发展提供科学依据。

系统构架

通过在样地部署基于生物量、碳通量的相关传感器，采集所需因子的实时数据，由部署在样地的监测站点设备汇聚传感器监测数据，进行解析、编译，再通过4G物联网终端远传至碳汇监测平台，由平台依据设定的计算公式，计算相应碳储量/碳汇量。

传感器可采集样地树木5cm以上的胸径，以及树木的高度；碳通量传感器采集空气温湿度、风速、风向、PM2.5、PM10、大气压力、雨量、氧气、二氧化碳、甲烷等，采集土壤温湿度、热通量等。

系统架构如下如：

建设原则

系统建设过程中必须综合考虑项目建设的整体性、开放性、共享性、先进性、实用性和扩展性等各方面因素，始终坚持技术先进、性能可靠、功能完善、节省投资的原则。系统在设计实施过程中，依据以下原则开展系统建设工作。

（1）全局性

系统总体规划，合理布局，指导思想及规范与业务需求相统一，结合生态环境监测自动化的发展趋势，围绕“多规合一”的体系方针，实现多级部门形成“一张网”。

（2）开放性

标准化和开放性是解决信息资源整合、共享的关键要素，是本系统建设的一项重要的内容，其成果将成为未来其他系统建设的基础。

（3）共享性

系统建设要从基础性和共享性的角度加以考虑，兼顾未来其他业务系统建设的共同需要出发，建设生态气象基础数据库和地理信息系统基础框架，为未来的业务应用提供基础性和公用性的地理信息服务和应用支持。

（4）实用性

系统采用先进的理念和技术进行设计建设，并兼顾实用性原则，易于实施、管理和维护。

（5）易维护性

系统能够方便地进行管理与维护，软、硬件的升级不影响正常运作，系统功能和结构可方便地扩展。

（6）稳定性

在系统设计、开发和应用时，应从系统结构、技术措施、软硬件平台、技术服务和维护响应能力等方面综合考虑，确保系统较高的性能和稳定性。

逻辑架构设计

整个系统主要包括采集层、数据层、支撑层、应用层、展现层。

（1）采集层

采集层由感知部分和网络部分组成，其中感知部分由分布在监测区域的传感器节点构成，传感器采集环境数据，采集对象包括气象、植被、土壤、大气环境等。传感器的类型可以根据需要监测的湿地参数进行选择，如二氧化碳、光合有效传感器等；网络部分接收感知层各传感器节点传送来的数据，通过其他外部的网络（LoRa/4G）将数据传送到监测中心，监测中心负责对目标监测区域发出各项环境指标的查询请求命令，并对收集上来的数据进行分析处理。

（2）数据层

数据层按照规范的程序和数据标准，对数据资源进行处理、交换以及管理。数据库由基础信息数据库、生态要素信息数据库、信息发布数据库等组成。系统对数据处理有多种模式，提供面向消息中间件的适配器接口，通过这个接口，系统可实时地向第三方系统交换数据。数据资源建设按照业务分类、依托应用系统采集、组织数据，并在应用过程中逐步完善和丰富。

（3）支撑层

支撑层通过选择各种成熟的中间件、数据库技术和技术架构，构建系统的应用支撑环境。提供客户端数据和服务接口；客户端应用最终都转换为对这些接口的调用，这些接口在实际应用中也可以得到更新和补充。

（4）应用层

在支撑层的基础上，生态气象观测数据收集处理与应用分析平台系统通过信息查询与发布系统，统一信息查询入口，依据用户权限为不同用户发布不同的数据信息。应用层通过规范化流程、友好界面和方便性操作设计，为行业监管、领导决策提供信息服务，提供监测信息发布、预警信息发布等信息服务。

（5）展现层

展现层包括Web应用软件、手机APP，提供信息发布和查询等功能，并为各功能平台提供统一服务入口，实现生态气象信息的发布和查询。

系统供电

传统的气象监测站供电方式主要有市电供应和太阳能供电两种。本系统观测位置处于野外，多数处于野外自然保护区，考虑到站点距离市电接入点距离较远，且专供线审批、占地、造价、协调、安全和维护的问题较多，因此不予采用。太阳能光伏供电系统技术相对成熟，目前在我国绝大部分地区具备广泛应用条件。本系统建立在生态保护区，项目建设时应充分考虑仪器的绿色节能特性，本方案采用太阳能供电系统实现对试验站内各自动监测站的供电。因此本系统在设计时充分考虑了供电的可靠性、安全性，且各观测设备采用了低功耗设计。

太阳能供电单元主要由太阳能光伏电池板、充放电控制器、储能蓄电池组成。供电容量主要和连续工作阴雨天数、每天工作时间、系统功耗相关，本方案仪器在无阳光的情况下可连续工作15天以上。

监测数据归集

省级设置监测云平台系统，提供统一的门户、认证、权限管理；提供应用管理、通用数据处理功能、用户管理、组织管理、资源管理，提供基础数据应用，提供公共统一的应用工具、数据服务接口、智能分析能力等。

澄城县智能化监测样地数据采集后，自动上传至省级平台，人工监测样地数据，采集后通过本地账户登录，填报相应数据至省平台；每年9月人工样地采集一次样本，并通过试验得出结果，上报省级平台，自动采集样地每季度采集一次数据。

监测方法

1、样地标志

样地标志为西南、西北、东北、东南角点水泥桩和西南角定位物（树）、界外木刮皮并用油漆涂红。样木标志为树干基部0.1米（或1.7米）处的铁钉（树牌号）、树高1.3米处红油漆表明的胸高线。

2、样地定位

采用GPS定位，定位点为样地西南角，统一标记编号。依次采集样地西南、西北、东北、东南角点GPS坐标值,坐标系统一采用CGCS2000坐标系。GPS以市为单位输入转换参数，保证定位误差在10m以内。样地定位后，每个监测周期需按固定标志设置要求，修复和补设有关标志。为满足质量管理要求，各样地均需采集样地西南角GPS采集航迹，并拍摄样地西南角和部分样木的景观照片，拍摄现地工作场景。

3、样地与样方设置

乔木样地为25.82m×25.82m。从西南角点起顺序测设，确定样地的西北角点、东北角点、东南角点和相应的四条边界的正确位置。若西南角点不适宜作为周界测量起点，起点可依次调整为西北角、东北角、东南角。新设设样地周界测量闭合差应小于0.5%，复位样地周界长度误差应小于1%。

灌木层、草本层和枯落物层采用样方调查。灌木层样方规格2m×2m，共设置4个，分别位于样地西南角向西2m处、西北角向北2m处、东北角向东2m处、东南角向南2m处，草本、枯落物层按1m×1m在灌木样方内设置并进行生物量调查。土壤剖面调查设置在样地东南角向东2 m处。

4、样地调查

通过样地调查记录乔木样地因子，包括：平均年龄、平均胸径、平均树高、起源、下层主要植被类型及盖度、土壤类型、地理位置、地形、地貌等；样木因子，包括：树种、胸径、树高、生长状况等。获取立地土壤、植被特征、管理属性等因子。对所有胸径大于5cm的活立木进行每木检尺。

A.立地土壤：包括地理位置，地形地貌，海拔，坡向、坡位、坡度，地表形态、沙丘高度、覆沙厚度、侵蚀沟面积比例、基岩裸露、土壤名称，土壤质地，土壤砾石含量，土壤厚度，腐殖质厚度，枯枝落叶厚度等。

B.植被特征：包括植被类型、灌木覆盖度、灌木平均高、草本覆盖度、草本平均高、植被总覆盖度、地类、起源、优势树种、平均年龄、龄组、产期、平均胸径、平均树高、郁闭度、森林群落结构、林层结构、树种结构、自然度、森林灾害类型、灾害等级、四旁树株数、杂竹株数、天然更新等级、地类面积等级。

C.管理属性：土地权属、林木权属、森林类别、林种、公益林事权等级和保护等级、商品林经营等级、抚育措施、可及度、地类变化原因。

D.样木因子：对胸径≥5.0cm乔木树种（包括经济乔木树种）和胸径≥2.0cm毛竹（含非竹林样地内毛竹）进行每木检尺，分别记载立木类型、检尺类型、树种，测量胸径。

在调查过程中，实地拍摄样地照片，包含样地、样木、主要植被等照片类型。

样地调查因子记载表

注：表格中“●”表示必须填写，“◎”表示视情况填写，空格表示不用填写。

对样地内乔木，进行每木检尺，填写样地调查乔木每木检尺记录表。

样地调查每木检尺记录表

5、样方调查

1）.灌木层（林）调查

调查样方内灌木种类（包括未达起测直径D＜5.0cm 的幼树）、地径、盖度、株数、平均高等。选择样方中3 株平均大小的标准木，采用全株收获法分别测定其地上干、枝、叶和地下根系的鲜重，选取干、枝、叶和根样品（300g）带回实验室测定其含水率。如为丛生灌木，则在样方内选取1～2 丛平均冠幅的灌丛，采用完全收获法测定其鲜重和样品重，带样品回实验室测定其含水率。样品统一编号、贴标签，标明样品采集的样地号、样方号、样品种类和采集日期。

2）.草本层（草原、荒漠）调查

调查样方内草本植物种类、丛数量、高度、盖度，收集样方内全部草本测定鲜重，并对每个样方的混合草本进行样品采集（300g），带回实验室测定其含水率。样品统一编号、贴标签，标明样品采集的样地号、样方号、样品种类和采集日期。

3）.枯落物层调查

调查样方内枯落物的厚度，收集全部枯落物称其鲜重，并选取样品（200g）带回实验室测定其含水率。样品统一编号、贴标签，标明样品采集的样地号、样方号、样品种类和采集日期。

4）.土壤调查

调查内容包括：土壤类型、土层厚度、土壤容重和有机质含量。每个土壤剖面采样层次按0cm～10cm、10cm～20cm、20cm～40cm 、40cm～100cm划分土层，每层用环刀取土样，称鲜重后，将土取出装入小信封或取样袋，编号、带回室内烘干，测定土壤含水率。另外，用环刀取各层土样充分混合，四分法取500g的土样直接装入塑封袋，编号、带回室内测定土壤有机质含量。

样方调查取样记录表

样地号：       面积：         优势树种：      调查员：   调查时间：   年   月   日

监测系统

碳汇监测平台

通过在样地部署基于生物量、碳通量的相关传感器，采集所需因子的实时数据，由部署在样地的监测站点设备汇聚传感器监测数据，进行解析、编译，再通过4G物联网终端远传至碳汇监测平台，由平台依据设定的计算公式，计算相应碳储量/碳汇量。

平台可以依据监测数据计算出碳储量/碳汇量，并对监测的数据进行纵向/横向统计、比对、分析，也可以统计出不同类型、不同区域林地碳储量/碳汇量。

传感器可采集样地树木5cm以上的胸径，以及树木的高度；碳通量传感器采集空气温湿度、风速、风向、PM2.5、PM10、大气压力、雨量、氧气、二氧化碳、甲烷等，采集土壤温湿度、热通量等。

针对不同样地，展示当前基本数据。自动监测样地数据系统采集后自动上传至平台，人工监测样地需要采集基本信息，对监测样品化验后，填报相关数据至平台。