林木微观碳汇机理及计量方法研究

Forest carbon sink is the most effective way to slow down the global warming and build a negative carbon emission society. Moreover, carbon sink metering can provide a fair and effective protection for carbon trading. At present, the macro statistical method, a widely used measurement method of carbon sink, exists a problem that is the critical value cannot be traced back to the nation's highest standards of measurement. This project intends to start with mechanism research of the micro carbon sink of forest. Firstly, the stomas of living plants'3D images are reconstructed, the responding mechanism of Plant physiological parameters to environment factors is analyzed, the macro growth model of plants is established by measuring the variation of CO2 in assimilation box and physiological & environmental parameters. Secondly, a validation technique to micro measurement is proposed, the error of micro measurement method of carbon sink is evaluated, and the traceability systems of key parameters of carbon sinks are tentative explored; Finally, the optimal control problem of the growth state of forest are studied, which provides the basis and means for the forestry sector to quantize and filter high carbon trees. Combined with the relationship model of the experimental parameters, the main physiological parameters of plants and the efficiency of plant carbon sink, this project traces the carbon sink to the national standards. It provides a powerful guarantee to improve the enthusiasm of forest department to develop carbon sink forestry and keep the equity of the trade on both sides, furthermore, it can also provide a necessary theoretical foundation to the tracing method and routes to some key parameters about macroscopic carbon sink.

森林碳汇是应对全球气候变暖、建立负碳排放型社会的最有效方式。而碳汇计量则可为碳交易提供公平有效的保障。我国目前采用宏观统计方法估计值作为碳汇量的计量依据，存在着关键量值不能溯源到国家最高计量标准的问题。本项目拟从林木微观碳汇量的机理研究入手，通过测量同化箱内CO2与环境参数、植物主要生理参数的变化量，对活体气孔进行三维图像重建，分析植物主要生理参数对环境的响应机制，建立植物宏观生长量的模型；提出微观计量的验证方法，并对碳汇的微观计量方法进行误差评定，初步探索碳汇关键参数溯源体系；对林木生长状态的优化控制理论进行研究，为林业部门量化、筛选高固碳树种提供依据及手段。结合实验建立的环境各参量、植物主要生理参数与植物碳汇效率之间的关系模型，将碳汇量溯源至国家基准，提高林业部门发展碳汇林业的积极性及保证贸易双方的公平性提供了一个有力的保证，也为宏观碳汇量关键参数的溯源方法与路径提供必要的理论

针对我国现有碳汇计量方法中对单株树木的固碳量进行精确测量以及碳汇量溯源路径缺乏问题，本项目对其中的关键技术进行了研究，为单株植物的碳汇量实时检测和碳汇量的溯源提供了一定理论和技术基础。. （1）树径短周期微观生长量监测研究。研制了可满足当前碳汇计量对树径尺寸精密测量要求的树径仪，进行了充分的测量实验，获得了被研究对象的连续变化数据，为解释树木昼夜周期性微观波动及增量机理提供了实验方法和依据。. （2）植物生长环境微观碳汇计量同化检测技术研究。可模拟植物的生长环境，通过实时监测同化箱内CO2浓度、温度、湿度的微量变化，以及箱内单株植物的生长状况，可满足对箱内单株植株的固碳量进行研究的需求。利用同化箱装置进行了箱内CO2浓度变化、植物生理参数的变化以及植物生长与环境参数的关系等实验，为植物微观固碳机理的研究提供了实验装置。. （3）活体植物叶片气孔成像观测方法研究。在不需要摘下叶片的条件下对室外较高树木的叶片气孔进行活体无损成像、观测和分析。利用自行研制的仪器对桂花、香樟、桦树等叶片气孔进行了成像和观测实验，可用于植株碳汇量与气孔开度及开放时长之间关系模型的建立。. （4）植物宏观生长量3D模型和可视化技术研究。对目标树每隔120°各采集1张图像，采用SVM法抠取出树木的图像并进行配准，最后获取目标树场景点的三维坐标进行树木植株的三维重建，采用Unity3D引擎并结合OpenGL和QT实现了3D树木可视化。. （5）基于Alpha-Shapes分段改进算法的树枝三维体积测量方法研究。对扫描获得的点云数据在Z轴方向分段进行体积计算，进行累加获得树枝的完整体积。利用不同直径的标准塑料管模拟树干树枝的分叉情况并通过对真实树枝进行了体积测量实验，为后续树木体积的精确测量奠定了技术基础。