戴曉琴，王輝民*，徐明潔，楊風(fēng)亭，溫學(xué)發(fā)，陳智，張雷明*，孫曉敏，于貴瑞

1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室千煙洲試驗(yàn)站，北京 100101

2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190

3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110866

引 言

全球變化背景下陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程、控制機(jī)理及其對環(huán)境變化的響應(yīng)是生物地球化學(xué)家們一直致力解決的重大科學(xué)問題。渦度相關(guān)技術(shù)是直接觀測生態(tài)系統(tǒng)與大氣間CO2和水熱通量的微氣象學(xué)技術(shù)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了沒有任何干擾的條件下對生態(tài)系統(tǒng)多過程、多要素的長期連續(xù)的協(xié)同觀測[1]，為解決這一關(guān)鍵科學(xué)問題提供了強(qiáng)有力的工具。

在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“中國陸地和近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究”的資助下，中國科學(xué)院千煙洲亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站（原中國科學(xué)院-江西省千煙洲紅壤丘陵綜合開發(fā)試驗(yàn)站，簡稱千煙洲站）作為國內(nèi)首批建立碳水通量渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)的野外臺站，于2002 年開始積累人工林生態(tài)系統(tǒng)碳水交換通量的科學(xué)觀測數(shù)據(jù)。到目前為止，已經(jīng)持續(xù)觀測17 年，獲得了寶貴的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，該數(shù)據(jù)已經(jīng)在多領(lǐng)域、多學(xué)科，被廣大科研院校的研究人員大量應(yīng)用[2-11]，極大推動了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

為了進(jìn)一步推動中國乃至全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量研究及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，千煙洲站通過數(shù)據(jù)加工整理，公開發(fā)表2003-2010 年連續(xù)觀測的碳水通量及相關(guān)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，以期服務(wù)更多的政府機(jī)構(gòu)、科研人員和公眾使用這些數(shù)據(jù)開展研究，充分發(fā)揮所獲數(shù)據(jù)的價(jià)值，進(jìn)一步推動相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。本數(shù)據(jù)集包含生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫度、土壤水分、太陽輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標(biāo)，形成了半小時(shí)、日、月和年尺度數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通量塔位于江西省泰和縣灌溪鎮(zhèn)千煙洲站，115°04′E，26°44′N，平均海拔為110.8 m，相對高差20-50 m。站區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度為17.9℃，1 月平均溫度為6.4℃，7 月平均溫度為28.8℃；年平均降水量為1489 mm，主要集中在3-6 月。土壤類型主要為紅壤，成土母質(zhì)多為紅色砂巖和砂礫巖[12]。站區(qū)屬于中亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，但原生植被在20 世紀(jì)80 年代初被破壞，現(xiàn)有森林主要為1985 年左右營造的人工林，主要樹種為馬尾松（Pinus massoniana）、濕地松（P.elliottii）和杉木（Cunninghamia lanceolata）。

千煙洲站通量塔建于2002 年8 月，是中國首批通量觀測站點(diǎn)之一，通量塔總高度43 m。以通量塔為中心1 hm2的樣地內(nèi)建群種為馬尾松、濕地松和杉木，以49∶48∶3 的面積呈塊狀混生，并伴有少量以木荷（Schima superba）為主的闊葉樹；林下灌木由白櫟（Quercus fabri）、檵木（Loropetalum chinense）、美麗胡枝子（Lespedeza formosa）組成；草本植物以刺芒野古草（Arundinella setosa）為主[13]。建塔初期冠層高度平均為12 m，葉面積指數(shù)為3.5 m2/m2[14]。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

本數(shù)據(jù)集包含的觀測數(shù)據(jù)均通過自動化采集。各觀測項(xiàng)目測定所用儀器及型號、儀器制造商、以及數(shù)據(jù)采集傳感器及其廠家等相關(guān)信息見表1。CO2、H2O 和能量通量安裝在39.6 m，原始數(shù)據(jù)為10 Hz，與30 min 的平均通量數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)采集器記錄并儲存；氣象數(shù)據(jù)觀測高度見表2，采集頻率1 min，計(jì)算為30 min 數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)采集器中。

表1 觀測項(xiàng)目所用分析儀相關(guān)信息

表2 氣象數(shù)據(jù)表說明及指標(biāo)觀測高度

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

本數(shù)據(jù)集發(fā)布的數(shù)據(jù)從觀測、采集、質(zhì)控、處理和存儲方面均嚴(yán)格遵循中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）制定的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制技術(shù)體系[14]，詳細(xì)方法見于貴瑞等[15]、Wen 等[16]和Yu 等[17]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：采用國際上普遍認(rèn)可的渦度通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，主要包括原始數(shù)據(jù)分析、超聲虛溫校正、坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL 校正、頻率損失校正、冠層儲存項(xiàng)校正、穩(wěn)態(tài)測試與湍流積分特性、夜間摩擦風(fēng)速閾值篩選和異常值剔除，以及能量閉合評價(jià)。坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)采用平面擬合，冠層CO2存儲項(xiàng)估算采用單點(diǎn)CO2濃度變化的方式。

缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)：對于短時(shí)間（小于2 小時(shí)）內(nèi)缺失的通量和氣象觀測數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插的方式完成插補(bǔ)；對于長時(shí)間缺失的氣象數(shù)據(jù)，利用氣象站觀測資料（土壤濕度和降水?dāng)?shù)據(jù)除外）開展插補(bǔ)；如未能完成插補(bǔ)，則利用平均日變化法完成數(shù)據(jù)插補(bǔ)。

對于長時(shí)間缺失的CO2通量數(shù)據(jù)，采用非線性回歸的方式。其中夜間缺失數(shù)據(jù)利用Arrhenius 方程插補(bǔ)，方程中Q10表達(dá)為土壤溫度和土壤水分的線性方程。白天缺失數(shù)據(jù)利用直角雙曲線方程插補(bǔ)，最小插補(bǔ)時(shí)間窗口為7 天。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：采用邊際分布采樣法完成數(shù)據(jù)拆分。首先，基于夜間觀測數(shù)據(jù)，采用和缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)時(shí)相同的回歸方程，確定生態(tài)系統(tǒng)呼吸方程中的系數(shù)；然后，利用該方程計(jì)算夜間和白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸；最后，利用插補(bǔ)完成的白天CO2通量數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的生態(tài)系統(tǒng)呼吸，求和得到總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)子集與數(shù)據(jù)量

本數(shù)據(jù)集為千煙洲站人工林2003-2010 年連續(xù)8 年的碳水通量觀測數(shù)據(jù)，每年有8 個(gè)EXCEL數(shù)據(jù)文件，分為兩類數(shù)據(jù)文件，一類常規(guī)氣象數(shù)據(jù)文件，一類通量數(shù)據(jù)文件。每年每類數(shù)據(jù)文件各有4 個(gè)，即30 分鐘、日、月和年尺度，總共64 個(gè)文件，總數(shù)據(jù)量36 MB。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以2003 年數(shù)據(jù)文件為例，表2-3 分別為2003 年千煙洲30 分鐘氣象和通量數(shù)據(jù)表頭說明，所有數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)據(jù)均是以數(shù)字形式呈現(xiàn)。

表3 通量數(shù)據(jù)表說明

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

半小時(shí)尺度上，不同年份之間凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（CO2通量）、潛熱通量和顯熱通量的有效觀測數(shù)據(jù)比例分別為48.3%-76.7%、49.8%-84.2%、51.7%-87.4%，其中2003 年和2010 年有效數(shù)據(jù)量最低，一般為50%左右。另外，除2007 年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有效數(shù)據(jù)在65.7%外，其余年份凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（CO2通量）、潛熱通量和顯熱通量有效數(shù)據(jù)量均達(dá)到70%以上（表4）。

表4 半小時(shí)尺度上不同年份質(zhì)控后有效的通量數(shù)據(jù)比例（%）

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)已在國家科技資源共享服務(wù)平臺（http://www.cnern.org.cn）發(fā)布，用戶登錄系統(tǒng)后，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)資源”欄目，選擇“碳氮水通量觀測數(shù)據(jù)集”，在右側(cè)數(shù)據(jù)資源搜索框中輸入“千煙洲站”字樣，點(diǎn)擊查詢，即可進(jìn)入相關(guān)數(shù)據(jù)下載界面。

本數(shù)據(jù)集可應(yīng)用于模型的開發(fā)、驗(yàn)證。為了便于不同站點(diǎn)數(shù)據(jù)的比較，本數(shù)據(jù)集采用ChinaFLUX制定的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。但是由于不同插值方法計(jì)算結(jié)果存在差異，即使年通量差異相對較小，也可能導(dǎo)致季節(jié)動態(tài)較大的不同，因此在機(jī)理解析中應(yīng)尤其慎重。

致 謝

感謝黃遠(yuǎn)芬長期以來在數(shù)據(jù)采集方面的貢獻(xiàn)，感謝劉允芬研究員在數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)方面的貢獻(xiàn)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

戴曉琴（1978—），女，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測和論文撰寫。

王輝民（1967—），男，研究員，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。主要承擔(dān)工作：總體把握與論文修改。

徐明潔（1984—），女，講師，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)控和論文撰寫。

楊風(fēng)亭（1973—），女，高級工程師，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)管理。

溫學(xué)發(fā)（1975—），男，研究員，研究方向?yàn)橥凰厣鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

陳智（1986—），女，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制。

張雷明（1974—），男，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)與全球變化。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理。

孫曉敏（1957—），男，研究員，研究方向?yàn)榈乇硗康膮^(qū)域遙感反演。主要承擔(dān)工作：ChinaFLUX技術(shù)體系構(gòu)建。

于貴瑞（1959—），男，研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)與全球變化。主要承擔(dān)工作：ChinaFLUX 總體運(yùn)行與科學(xué)發(fā)展。