陆地生态系统碳汇综合观测系统TCOS

　　气候变化是当前人类生存和发展所面临的共同挑战，受到世界各国人民和政府的高度关注。2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和是我国对国际社会的庄严承诺，并已被纳入生态文明建设的总体布局。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，我国生态系统固碳能力巨大，其碳汇能力主要来自于我国重要林区，尤其是西南林区的固碳贡献，同时我国东北林区在夏季也有非常强的碳汇作用

　　近些年，已有大量研究对陆地生态系统碳汇进行估算，为区域和全球尺度的碳汇与碳源核算做出了巨大贡献。其中，傅伯杰老师团队通过将遥感与机器学习相结合的方式估算了2001年到2018年中国植被碳汇。研究结果表明，2001-2018年，中国GPP以49.1-53.1Tg C/yr2的速度显著增长。此外，气候变化和人类活动均对GPP增长做出贡献

　　目前，我们要将生态系统碳汇作为国家生态建设和保护工程的主要目标，有效地提高陆地生态系统碳汇的监测技术与能力。那陆地生态系统的碳汇能力到底有多大?固碳速率有多大?我们怎么才能准确地监测陆地生态系统碳汇?面对这一系列的问题及需求，我们自主研发了一套系统性的解决方案，即陆地生态系统碳汇综合观测系统(TCOS)。

　　TCOS系统采用了一系列全方位、立体化的植被监测方案，通过LAINet、SpecNet、PhotoNet和EcoLidar等多种监测设备实现对区域陆地生态系统不同生态参数的观测，以“多途径、多线程”的方式，反演并估算出生态系统GPP，可精准地完成对陆地生态系统碳汇的全方位动态监测。

　　TCOS基本架构

　　底部为观测系统的搭载平台，主要支持地基和塔基观测。上一层为系统的监测设备，主要包括LAINet、SpecNet、PhotoNet和EcoLidar，每个监测设备在监测碳汇时均可输出生态参数，后通过碳汇计算模型，反演出生态系统GPP。

　　TCOS设备组成

　　LAINet：LAINet为全自动植被叶面积指数监测仪，在国内实现了叶面积指数联网观测，突破了国外商业仪器在该领域的垄断地位。它以具有无线数据收发功能的光量子传感器为基础，实现植被透射辐射的实时监测，并基于自主研发的高精度算法，计算得到植被冠层结构信息，如叶面积指数、平均叶倾角、聚集指数及冠层覆盖度等。LAINet由部署在野外的无线传感器网络节点，包括冠层下、上汇聚节点，以及太阳能供电系统组成。主要适用于植被生长状态长时间监测领域，如生态固定站、农业长期观测站等。

　　SpecNet：SpecNet为智能高光谱新型联网光谱仪，具有完成反射率计算、光谱曲线预览、波谱特征提取、多种植被指数计算、波谱分析等功能，也具有高光学分辨率、高灵敏度、低杂散光、以及快速光谱反应速度的特点。该设备主要由智能控制器、高光谱传感器模块和光路切换控制器三部分组成。适合野外台站长时间序列自动观测地物光谱反射率，研究植被动态生长变化过程中的反射率特征。