李躍林，閆俊華，孟澤，黃健強(qiáng),2，張雷明，陳智，劉世忠，褚國(guó)偉，張倩媚，張德強(qiáng)

1.中國(guó)科學(xué)院華南植物園，廣州 510650

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3.中國(guó)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(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101

引 言

對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間的碳交換通量的長(zhǎng)期定位測(cè)定及其精確估算，是評(píng)價(jià)區(qū)域及全球生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能[1]、開展大尺度模型研究進(jìn)而預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同時(shí)空尺度全球變化的響應(yīng)特征的基礎(chǔ)和前提，因而成為地球系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域共同關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵性科學(xué)問(wèn)題[2-4]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的觀測(cè)顯得尤為重要。在廣東，從“十年綠化廣東”到“新一輪綠化廣東大行動(dòng)”，廣東森林結(jié)構(gòu)和類型也發(fā)生了相應(yīng)變化。其中，20 世紀(jì)80 年代營(yíng)造的馬尾松林經(jīng)自然演替已逐步被針闊葉混交林所替代，針闊葉混交林作為森林演替過(guò)程中的中間類型，已成為主要森林類型之一[5]。結(jié)合全球變化，研究表明過(guò)去60 年來(lái)，熱帶亞熱帶區(qū)域年均氣溫每年增加0.019℃，年降雨量不變，但小雨天數(shù)減少、無(wú)雨天數(shù)增加、降雨強(qiáng)度增大，導(dǎo)致土壤水分和大氣濕度顯著下降[6-7]。南亞熱帶水熱格局正在悄然發(fā)生深刻的變化，華南濕潤(rùn)區(qū)針闊葉混交林的碳水通量交換過(guò)程和影響機(jī)制研究對(duì)森林資源管理、全球氣候變化等相關(guān)研究工作具有重要的意義。

鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（簡(jiǎn)稱鼎湖山站）是中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）和UNESCO/MAB（聯(lián)合國(guó)教科文組織/人與生物圈計(jì)劃）的站點(diǎn)之一，依照中國(guó)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）碳水通量監(jiān)測(cè)規(guī)程，自2002 年10 月以來(lái)，長(zhǎng)期開展了針闊葉混交林群落水汽通量監(jiān)測(cè)與研究[8-11]。本數(shù)據(jù)整理了鼎湖山站2003-2010 年針闊葉混交林水汽通量數(shù)據(jù)，以期為深入探討全球水熱格局變化情形下的生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間碳、水和能量交換監(jiān)測(cè)研究提供本底資料，為該地區(qū)的森林經(jīng)營(yíng)管理及生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐；在數(shù)據(jù)服務(wù)功能方面，以期服務(wù)政府和科研機(jī)構(gòu)，提高公眾使用度，促進(jìn)全球陸地森林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量研究。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集樣地描述

鼎湖山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)（23°09′21"-23°11′30"N，112°30′39"-112°33′41"E）位于廣東省肇慶市鼎湖區(qū)，占地總面積為1155 hm2，主要地形為丘陵和低山，海拔100-700 m。該地區(qū)屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量為1714 mm，年平均濕度為76%，4 月至9 月為濕季，10 月到翌年3 月為旱季，濕季降水量占全年降水量80%左右。年均氣溫22.5℃，最冷月（1 月）和最熱月（7 月）平均氣溫分別為13.8℃和28.8℃。地質(zhì)基礎(chǔ)主要為泥盆紀(jì)砂巖、砂頁(yè)巖、頁(yè)巖和石英砂巖，地帶性土壤為南亞熱帶赤紅壤[12-15]。鼎湖山植物群落呈現(xiàn)終年常綠，郁閉度約95%。根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)演替系列，鼎湖山的植物群落可分為演替初期的馬尾松針葉林、演替中期的針闊葉混交林和演替后期的季風(fēng)常綠闊葉林。針闊葉混交林喬木層主要物種為木荷（Schima superba）、錐栗（Castanopsis chinensis）、和馬尾松（Pinus massoniana）等[11,16]，優(yōu)勢(shì)喬木樹種的生物量占比在85%以上。草本主要為芒萁（Dicranopteris pedata）、淡竹葉（Lophatherum gracile）等，灌木主要有山血丹（Ardisia lindleyana）、變?nèi)~榕（Ficus variolosa）等。

本研究數(shù)據(jù)采集對(duì)象為針闊葉混交林群落，南亞熱帶森林群落的演替中間階段，具有典型代表性。為研究針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)冠層碳水交換能力及其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能維持機(jī)制等，最早于2002年10 月在海拔300 m 建立針闊葉混交林樣地碳通量塔，進(jìn)行水汽通量監(jiān)測(cè)。樣地位于鼎湖山五棵松，表1 為樣地概況[7,17-18]。

表1 通量下墊面樣地基本信息

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及采集方法

數(shù)據(jù)來(lái)源于鼎湖山站碳水通量觀測(cè)系統(tǒng)，下墊面為針闊葉混交林永久樣地，通量觀測(cè)塔高38 m，裝有2 層開路渦度相關(guān)通量觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)探頭高度分別為28 m 和3 m，分別代表林冠層頂/大氣界面、林冠下層/地表草本界面的通量。通量觀測(cè)鐵塔上同時(shí)安裝多層微氣象觀測(cè)系統(tǒng)。氣象梯度觀測(cè)系統(tǒng)包括：7 層三杯風(fēng)速儀和溫、濕度構(gòu)成風(fēng)速和溫濕度垂直梯度觀測(cè)系統(tǒng)；此外，還設(shè)置了2 層PAR 傳感器以觀測(cè)PAR 垂直變化；在通量觀測(cè)塔頂層設(shè)置了太陽(yáng)輻射傳感器和雨量筒，其中太陽(yáng)輻射含太陽(yáng)總輻射四分量動(dòng)態(tài)，地下觀測(cè)指標(biāo)還有地表溫度、土壤熱通量、土壤溫度、土壤體積含水量等[19]。觀測(cè)始于2002 年10 月，本數(shù)據(jù)集提供2003 年1 月至2010 年12 月觀測(cè)數(shù)據(jù)。

觀測(cè)系統(tǒng)的渦度相關(guān)和氣象梯度觀測(cè)參數(shù)獲取方法：CO2、H2O 和能量通量系統(tǒng)采集頻率為10 Hz，常規(guī)氣象要素的數(shù)據(jù)采集頻率為0.5 Hz。為了保證數(shù)據(jù)可靠性，所有儀器設(shè)備均進(jìn)行定期校對(duì)和維護(hù)。各觀測(cè)項(xiàng)目所用儀器型號(hào)、儀器制造商，以及數(shù)據(jù)采集傳感器及其生產(chǎn)廠家等相關(guān)信息如表2。

表2 觀測(cè)參數(shù)所用儀器信息

1.3 數(shù)據(jù)加工、處理方法與過(guò)程

圖1 數(shù)據(jù)構(gòu)建流程

基于ChinaFLUX 流程與標(biāo)準(zhǔn)[20-122]，本數(shù)據(jù)集的構(gòu)建過(guò)程主要包括：數(shù)據(jù)觀測(cè)、采集、質(zhì)控、處理等流程[22-23]。具體的構(gòu)建過(guò)程見圖1。首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集器自動(dòng)存儲(chǔ)采樣頻率為10 Hz 原始數(shù)據(jù)，先對(duì)原始數(shù)據(jù)校正，其中含針對(duì)超聲虛溫(Ts)數(shù)據(jù)的二次坐標(biāo)變換及超聲虛溫校正，之后存儲(chǔ)30 min的通量數(shù)據(jù)，在線進(jìn)行空氣密度脈動(dòng)訂正、插補(bǔ)，同時(shí)進(jìn)行地形和儀器傾斜影響訂正，并對(duì)通量進(jìn)行如下質(zhì)量控制，剔除符合如下任意條件的記錄數(shù)據(jù)：(1)有降水；(2)CO2、水汽濃度超過(guò)儀器量程范圍；(3)湍流不充分（即摩擦風(fēng)速u* <0.05 m/s）；(4)有效樣本少于15000；(5)異常突出的數(shù)據(jù)。一般u*訂正閾值取0.15-0.2 m/s，對(duì)鼎湖山站數(shù)據(jù)分析表明：當(dāng)u*＞0.05 m/s 時(shí)，夜間通量數(shù)據(jù)隨風(fēng)速變化不明顯，而有效樣本數(shù)大幅度下降，為避免樣本數(shù)太少帶來(lái)新的不確定性，故而取u*閾值為0.05 m/s。此外，由于局地地形影響，冠層下方存在明顯的類似山谷風(fēng)的風(fēng)向日變化，且發(fā)現(xiàn)通量數(shù)據(jù)在南風(fēng)方向上普遍偏低，為避免地形因素導(dǎo)致對(duì)通量數(shù)據(jù)系統(tǒng)性偏低估算，剔除風(fēng)向在120-200°之間的數(shù)據(jù)。通過(guò)上述質(zhì)量控制后，獲取30 min 有效通量數(shù)據(jù)[9,11]。對(duì)于氣溫、土壤溫度、土壤水分含量等常規(guī)氣象觀測(cè)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集器對(duì)采樣頻率為10 Hz 原始數(shù)據(jù)在線計(jì)算并自動(dòng)存儲(chǔ)30 min 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[9,11]。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集為2003-2010 年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為Excel 文件，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 min、日、月和年尺度，總共64 個(gè)文件，總數(shù)據(jù)量35 MB。表3、4列出數(shù)據(jù)表單所包含的具體字段名稱、類型及示例。

表3 鼎湖山針闊葉混交林常規(guī)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)表單內(nèi)容

表4 鼎湖山針闊葉混交林通量觀測(cè)數(shù)據(jù)表單內(nèi)容

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

本數(shù)據(jù)集來(lái)源于野外樣地的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及質(zhì)量控制后分析整理的數(shù)據(jù)。設(shè)備的安裝、數(shù)據(jù)的獲取及校正，均在ChinaFLUX 技術(shù)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)下，由鼎湖山站具有長(zhǎng)期野外工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員及科研人員完成，確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。具體數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制方法在數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程中已有簡(jiǎn)介，在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下，采用ChinaFLUX 數(shù)據(jù)質(zhì)量保證和控制方法進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)。

半小時(shí)尺度上，不同年份之間凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（NEE）、潛熱通量（LE）和顯熱通量（H）有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例分別為60.4%-68.9%、65.3%-76.8%、66.2%-80.0%，質(zhì)控后有效通量數(shù)據(jù)比例如（表5）。

表5 鼎湖山通量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例（%）

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

在全球水熱格局可能發(fā)生變化的情形下，森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中的碳水通量的生態(tài)學(xué)意義顯得尤為重要。南亞熱帶針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)生態(tài)關(guān)鍵帶的重要森林生態(tài)系統(tǒng)類型之一，其過(guò)程與變化的研究是生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程對(duì)全球變化有響應(yīng)和反饋?zhàn)饔茫顷U述全球變化的影響與適應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)。因此對(duì)我國(guó)南亞熱帶鼎湖山代表性森林類型針闊葉林混交林的碳水通量等過(guò)程進(jìn)行分析和研究，將有利于森林經(jīng)營(yíng)管理和利用，并對(duì)全球變暖提出林業(yè)上的科學(xué)對(duì)策有著較為重要的意義。

對(duì)鼎湖山針闊葉混交林的碳水通量的實(shí)測(cè)，可為該地區(qū)的森林物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息[2]。鼎湖山針闊葉混交林林分年齡為50-100 年，群落有著復(fù)雜的垂直結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定，是代表本地帶中間過(guò)渡性類型的森林植被[3]?；谥袊?guó)亞熱帶形成機(jī)理，學(xué)術(shù)界公認(rèn)鼎湖山所在區(qū)域水熱環(huán)境對(duì)全球變化極其敏感。隨著青藏高原冰川的逐步消融，預(yù)計(jì)海陸季風(fēng)效應(yīng)將進(jìn)一步加強(qiáng)，全年降水變率有可能進(jìn)一步加大，導(dǎo)致干季土壤水分進(jìn)一步虧缺[8,24]。在這種逐步改變的環(huán)境下，鼎湖山的針闊葉混交林群落的響應(yīng)可為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)研究以及區(qū)域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究提供重要參考[2-3]。而關(guān)于該森林類型碳水通量公開數(shù)據(jù)少之又少，因此更具重要數(shù)據(jù)價(jià)值。

本數(shù)據(jù)集可應(yīng)用于全球氣候變化情形下的碳水循環(huán)分析、森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能比較、林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理等相關(guān)研究領(lǐng)域，也可以考慮在不同的典型區(qū)域、典型陸地生態(tài)系統(tǒng)之間開展多臺(tái)站數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析，結(jié)合ChinaFLUX 多站點(diǎn)碳水通量數(shù)據(jù)，將為模型分析提供非常有用的數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過(guò)鏈接Science Data Bank 在線服務(wù)網(wǎng)址（http://www.dx.doi.org/10.11922/scienced b.1009）下載數(shù)據(jù)；相關(guān)通量的下墊面的植被等數(shù)據(jù)信息可通過(guò)廣東鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（http://dhf.cern.ac.cn/）數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)申請(qǐng)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

李躍林（1970—），男，湖南人，研究員，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析和論文撰寫。

閆俊華（1973—），男，河南人，研究方向，生物地球化學(xué)。主要承擔(dān)工作：項(xiàng)目組織與協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

孟澤（1970—），男，湖南人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制。

黃健強(qiáng)（1994—），男，廣東人，碩士研究生，研究方向?yàn)樯炙稚?。主要承?dān)工作：數(shù)據(jù)整理和論文撰寫。

張雷明（1974—），男，副研究員，研究方向，生態(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)處理和質(zhì)量控制。

陳智（1981—），女，助理研究員，研究方向，生態(tài)系統(tǒng)碳通量時(shí)空格局。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

劉世忠（1970—），男，廣東人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：樣地植被調(diào)查。

褚國(guó)偉（1976—），男，廣東人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：儀器維護(hù)與質(zhì)量控制。

張倩媚（1970—），女，廣東人，正高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與整理入庫(kù)、數(shù)據(jù)共享。

張德強(qiáng)（1963—），男，廣東人，研究員，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：項(xiàng)目組織與協(xié)調(diào)。