林科要闻
从机械化造林到智慧化森林经营
——中国林科院在塞罕坝二次创业中的科技支撑综述
时间:2021-09-03 来源:院办 科技处 文字: 图片: 编辑:宋平 点击:


从一开始采用拖拉机大规模造林,到现如今引进空-天-地一体化信息技术精细化管理森林,塞罕坝机械林场从建场之初就植入了科学求实的创新基因。中国林科院院长刘世荣表示,塞罕坝机械林场为践行“绿水青山就是金山银山”理念提供了先进典范,为京津筑起了牢固的生态安全屏障,为林草科研教学提供了重要基地。

刘世荣说,在贯彻落实国家林草局党组关于加大对塞罕坝机械林场二次创业支持力度的指示要求上,中国林科院走在了前列,在塞罕坝落叶松高效培育技术、遥感技术监测、森林湿地资源价值评估、森林防火关键技术应用,以及林业有害生物技术防治等方面注入了强大科技力量,尤其是一些先进的信息化管理技术的应用,为塞罕坝森林资源的智慧经营管理提供了有力支撑。

为塞罕坝森林经营方案提供基础支撑

中国工程院院士张守攻说,中国林科院对塞罕坝机械林场的技术支撑以及科研合作历史很久,早在塞罕坝建场之初,中国林科院经营室的一名职工张国秀就随其爱人上了塞罕坝,为塞罕坝的技术造林提供技术研究,中间两个单位一直保持着合作关系。现如今,由我主持的“十三五”国家重点研发计划项目——落叶松高效培育技术研究,其中一个重要实验示范基地就选在了塞罕坝。

张守攻强调,华北落叶松是塞罕坝的重要用材和生态树种,占其人工林面积的51%。塞罕坝的落叶松人工林在培育过程中,除充分考虑其木材产品的培育,同时也要兼顾防风固沙、水源涵养等生态效益和森林文化、旅游产品的培育,尤其要成为维护京津冀地区生态安全的重要支撑。其中,全周期大径级目标树单株木作业体系在保持生态系统稳定的基础上,可最大限度地降低森林经营投入,并生产尽可能多的森林产品,符合落叶松多功能、多效益的培育和开发,是解决目前华北地区落叶松人工林经营效果差的主要技术途径。

塞罕坝落叶松实验林    陈东升提供


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半亩小样圆目标树选木作业法示意图   陈东升提供

项目团队在传统目标树定性化辨识指标的基础上,利用机器学习和选择概率模型相结合的方法,构建了目标树定量化选择模型,提出生产中便于操作的半亩小样圆目标树作业法。应用该成果经营后的落叶松林分,在40年后,每公顷蓄积量可达到193立方米,较传统对照经营提高16.2%,大径级目标材种比例达50%以上,为大径材培育提供了技术保障。在项目成果的支撑下,《塞罕坝机械林场森林经营方案(2021-2030年)》编制完成,并得到了国家林草局相关部门的高度评价。

让落叶松落地上图实现三维可视化

“在这个系统软件界面,我们不仅可以看到全国和各省的落叶松森林资源分布,还可以直观地看清塞罕坝机械林场具体到每一棵落叶松的生长状况,这是我们在塞罕坝刚刚测试完成的技术应用成果。”中国林科院资源信息研究所庞勇研究员一边操作一边介绍。

在落叶松高效培育技术研究“十三五”国家重点研发计划项目的部署下,庞勇研究员团队主持的第四课题“多尺度落叶松人工林生长预测技术”将塞罕坝作为重要实验示范基地。课题在塞罕坝建立落叶松林精细研究区2000亩,采集地面和机载高分辨率遥感数据,并基于现代生物学技术、空间信息技术和大数据建模分析技术,突破了系列机载激光雷达和高光谱数据处理技术,实现了落叶松单木及林分的信息提取和快速鉴别。这些遥感与林学技术的集成与应用,可以提供塞罕坝林场经营前后三维可视化的落叶松空间分布图,实现单株、林分、林场尺度的落叶松生长监测,支撑气候变化背景下落叶松人工林生长预测和高效培育技术措施的实施成效评价。

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DOM真彩色渲染的激光雷达三维点云森林场景和单木展示 庞勇提供

谱聚类激光雷达单木分割结果 庞勇提供

庞勇表示,有了这套监测系统,我们就可以获得像在高德、百度等地图软件上查看城市主干道全景地图一样的视觉体验,既有森林资源的动态监测、经营管理与研究价值,还有森林旅游、地图导航等民用商用价值。

自主设计森林火险自动综合监测站

塞罕坝机械林场是以落叶松、樟子松等针叶树种为主栽树种的人工林林场。而人工林往往为同一时期种植的由单一树种构成的纯林、单层林、同龄林。因此,其地表枯死的可燃物分布相对均匀。中国林科院森环森保所赵凤君副研究员很快抓住了塞罕坝林场人工林的这一结构特征,对塞罕坝森林火灾的火险预警系统监测提出了新思路。

地表枯死可燃物是影响火灾引燃率、蔓延速率、火强度的重要因子,但传统测定方法需布设样地,样品采集工作量大,烘干计量等程序费时费力,不能瞬时获得可燃物载量的准确数值。赵凤君利用人工林地表枯死可燃物分布相对均匀这一特征,采用厚度转换测量法,实现了地表枯死可燃物载量的快速测定。这一方法现已申请国家发明专利,进入审查阶段。在此基础上,研究团队还自主设计并建立了森林火险自动综合监测站,布设在塞罕坝的落叶松成熟林、樟子松成熟林、白桦林、樟子松幼龄林等林分内,对不同森林内的气象因子(风速、风向、空气温度、空气湿度)以及不同层次可燃物含水率数据进行了监测,实现了针对不同森林小气候的观测、数据传输,以及火灾发生危险性的评估分析。

自主设计的森林火险自动综合监测站(左:落叶松林内,右:樟子松林内)

赵凤君提供

赵凤君表示,尽管塞罕坝林场在物理隔离、应急通讯、装备改良、人员集训等森林防灭火体系建设方面已有一定的工作积累,但在火险预警能力建设和可燃物管理方面还很薄弱,希望森林火险自动综合监测站的应用能在保护塞罕坝森林资源上贡献一份力量。

构建落叶松尺蠖绿色防控技术体系

虽然人工林结构相对简单,易于森林火险的灾害预测,但由于其生态系统的单一性,其更容易受到森林病虫害的威胁。

在中国林科院院所长基金重点项目“塞罕坝重大林业灾害防控技术研究”的资助下,森环森保所曲良建副研究员组建青年专家团队赶赴塞罕坝林场进行实地调查,首次鉴定出落叶松尺蠖性信息素组分,并建立关键组分的合成技术;分离得到2株落叶松尺蠖核型多角体病毒,研发出量化生产技术,建立了基于性信息素监测和昆虫病毒等生防措施为主的落叶松尺蠖绿色防控技术体系。并采集了塞罕坝林区疫霉病害样品434份,鉴定出疫霉病菌10种,其中发现疫霉新种2个,制定完成了《塞罕坝疫霉类病害监测预警和防控技术规程(草案)》。受塞罕坝机械林场委托,森环森保所还为河北省森防系统基层领导和业务骨干举办了林业有害生物防控技术培训班。

在塞罕坝进行灯诱实验 曹亮明提供

塞罕坝地区的部分害虫种类。A:蛀干害虫落叶松吉丁;B:蛀干害虫泰加大树蜂;C:食叶害虫落叶松毛虫茧;D:食叶害虫云杉阿扁叶峰;E:蛀干害虫白毛树皮象;F:食叶害虫落叶松尺蛾幼虫;G:草原害虫赤条蝽;H:地下害虫大云鳃金龟    曹亮明提供

目前,项目团队持续在塞罕坝开展森林草原害虫及天敌调查工作,采集、拍摄塞罕坝林木草原害虫300余种,天敌种类50余种。调查了包括人工落叶松林生态系统、天然林生态系统、草原生态系统等不同环境的害虫组成及天敌资源情况,目前采集昆虫标本5000余号,拍摄昆虫生态照片1400余幅,为塞罕坝生物多样性保护、保障生态系统安全提供了基础数据支撑。

科学评价森林湿地资源价值

经过近60年的艰苦奋斗,塞罕坝机械林场在“黄沙遮天日,飞鸟无栖树”的茫茫荒原上建成了百万亩人工林海,发挥了巨大的生态效益、经济效益和社会效益,成为践行“绿水青山就是金山银山”的生动写照。为科学评价塞罕坝机械林场建设成就,大力弘扬塞罕坝精神,中国林科院定期为塞罕坝机械林场开展森林湿地资源价值评估,到目前为止已经连续开展了3次。

项目负责人中国林科院科信所所长王登举介绍,塞罕坝机械林场的森林湿地资源价值评估,是以国际国内主流的资源环境经济核算方法为基础,结合塞罕坝机械林场的具体实际,建立了系统完善的评估指标体系,对塞罕坝机械林场森林湿地资源的资产价值(存量)和生态系统服务价值(流量)进行了定量评估,同时对产生的社会效益进行了定性评估。

评估结果显示,截至2020年底,塞罕坝机械林场有林地面积为115.1万亩,湿地面积为10.3万亩,活立木蓄积量为1036.8万立方米,单位面积立木蓄积量是全国乔木林平均水平的1.5倍。森林湿地资产总价值为231.20亿元,单位面积资产价值达到每亩1.84万元。

中国林科院专家在塞罕坝开展生态指标野外实测    王登举提供

2020年,塞罕坝的森林湿地生态系统服务价值为每年155.95亿元。其中,物质产品价值为每年3.84亿元,生态产品价值为每年152.11亿元,生态产品价值是物质产品价值的39.6倍。森林和湿地每年的涵养水源量为2.84亿立方米,相当于4.7个十三陵水库的蓄水量;与对照裸地相比,每年可减少土壤流失299.11万吨,不仅减少了下游河道淤积,同时减少了相当于每年36.14万吨标准化肥的土壤肥力损失;森林和湿地每年的二氧化碳固定量达到86.03万吨,相当于抵消了86万辆家用燃油小轿车一年的二氧化碳排放量,为实现碳中和目标发挥着重要作用;年均生态旅游收入5.6亿元,拉动综合旅游消费10.61亿元。

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