吳家兵，關(guān)德新，王安志，袁鳳輝，刁浩宇，于貴瑞，陳智＊，張雷明＊

1.中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016

2.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

二氧化碳濃度增加導(dǎo)致了全球氣候變暖已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展。在全球氣候變化背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[1-2]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及緩解氣候變化方面起著非常重要的作用[3]，特別是位于北半球中高緯度的森林生態(tài)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的碳匯能力[4]。近年來的一系列研究證實(shí)老齡林生態(tài)系統(tǒng)也具有碳匯能力，尤其是在氣候變化和氮沉降背景下[5-6]。忽視老齡林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力將會(huì)嚴(yán)重影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的準(zhǔn)確評(píng)估。因此，分析老齡林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的強(qiáng)弱及其源匯功能對(duì)于老齡林的保護(hù)和全球變化研究都具有極其重要的意義。此外，對(duì)老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究還可以有效降低全球和區(qū)域碳平衡估計(jì)的不確定性。

在中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“中國(guó)陸地和近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究”的資助下，依托中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN），2001 年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）啟動(dòng)建設(shè)，2002 年9 月長(zhǎng)白山原始闊葉紅松林通量觀測(cè)站建成運(yùn)行，彌補(bǔ)了我國(guó)溫帶原始老齡林通量觀測(cè)研究的空白[7]。長(zhǎng)白山闊葉紅松林通量觀測(cè)站采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的渦度相關(guān)通量觀測(cè)技術(shù)，同時(shí)開展多要素的氣象與環(huán)境要素的長(zhǎng)期同步觀測(cè)，迄今已連續(xù)積累10 余年闊葉紅松林碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，也產(chǎn)出了一系列研究成果。

本數(shù)據(jù)集在前期已發(fā)布2003-2005 年數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上[8]，進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)布數(shù)據(jù)集至2010 年，形成2003-2010 年長(zhǎng)期連續(xù)的長(zhǎng)白山闊葉紅松林通量觀測(cè)站的碳水通量和常規(guī)氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)集，包括生態(tài)系統(tǒng)CO2通量、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫濕度、土壤溫濕度、降水、總輻射、凈輻射和光合有效輻射等觀測(cè)指標(biāo)項(xiàng)，形成了半小時(shí)、日尺度、月累計(jì)和年累計(jì)4 類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。同時(shí)，長(zhǎng)白山通量站將在保障數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)上，積極配合ChinaFLUX 以數(shù)據(jù)論文的形式進(jìn)一步開展后續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)布，以推動(dòng)數(shù)據(jù)共享和規(guī)范數(shù)據(jù)使用。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于頂層設(shè)計(jì)和科學(xué)論證，結(jié)合我國(guó)陸地樣帶的空間分布，依托CERN 的臺(tái)站網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、觀測(cè)臺(tái)站和通量觀測(cè)塔選址、觀測(cè)儀器選型等技術(shù)方案的反復(fù)論證，以及觀測(cè)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試，長(zhǎng)白山闊葉紅松林通量觀測(cè)站建成并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。長(zhǎng)白山通量站建于長(zhǎng)白山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站一號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)闊葉紅松林內(nèi)，站點(diǎn)詳細(xì)信息見表1。

表1 長(zhǎng)白山通量站基本信息

注：葉面積指數(shù)為生長(zhǎng)季內(nèi)最大葉面積指數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

根據(jù)長(zhǎng)白山通量站下墊面情況和植被冠層高度，在觀測(cè)塔上安裝不同要素的測(cè)定傳感器，開展植被-大氣界面CO2、H2O 和能量以及林內(nèi)氣象要素在線、連續(xù)觀測(cè)。通量站采用開路式渦度相關(guān)系統(tǒng)在40 m 高度開展通量觀測(cè)，同步開展常規(guī)氣象要素的梯度觀測(cè)，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并存儲(chǔ)到本地計(jì)算機(jī)。各測(cè)定要素采用的主要儀器設(shè)備的傳感器和分析儀制造商及安裝高度見表2。

表2 長(zhǎng)白山通量站觀測(cè)系統(tǒng)

觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸：本數(shù)據(jù)集中植被-大氣界面CO2、H2O 和能量通量系統(tǒng)的原始測(cè)定頻率為10 Hz，利用數(shù)據(jù)采集器獲取和存儲(chǔ)高頻測(cè)定數(shù)據(jù)。常規(guī)氣象要素的測(cè)定記錄頻率為30 分鐘，由CR10X 和CR23X 數(shù)據(jù)采集器獲取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)下載到地面計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，然后開展后續(xù)的質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品加工。

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

長(zhǎng)白山闊葉紅松林碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集采用通量處理軟件EddyPro V5.2.1 結(jié)合MatlabV7.6，基于ChinaFLUX 技術(shù)體系完成標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理（圖1）。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：采用國(guó)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、平面擬合法坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL 校正、頻率損失校正、冠層儲(chǔ)存項(xiàng)校正（40 m 單點(diǎn)估算方式）、穩(wěn)態(tài)測(cè)試與湍流積分特性分析、夜間低摩擦風(fēng)速閾值篩選和異常值剔除，以及能量閉合評(píng)價(jià)。

缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)：對(duì)于短時(shí)間（小于2 hr）內(nèi)缺失的通量和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用內(nèi)插的方式完成插補(bǔ)；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的氣象數(shù)據(jù)，利用觀測(cè)站氣象資料（空氣溫度、土壤溫度、輻射等）開展插補(bǔ)；如同期氣象資料也缺失不能完成插補(bǔ)，則利用平均日變化法完成數(shù)據(jù)插補(bǔ)。對(duì)于長(zhǎng)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 方程基于土壤溫度數(shù)據(jù)插補(bǔ)[9]；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。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的能量通量數(shù)據(jù)，采用邊際分布采樣法[10]完成缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)。

圖1 長(zhǎng)白山通量站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與處理技術(shù)體系

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(cè)數(shù)據(jù)，采用和缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)時(shí)段相同的回歸方程，確定生態(tài)系統(tǒng)呼吸方程中的系數(shù)，然后估算夜間和白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸；其次，利用插補(bǔ)完成的白天CO2通量數(shù)據(jù)和估算的同時(shí)刻生態(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

本數(shù)據(jù)集包含長(zhǎng)白山站2003-2010 年連續(xù)8 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照年份分為半小時(shí)、日尺度、月累計(jì)和年累計(jì)4 種數(shù)據(jù)產(chǎn)品表格。共計(jì)64 個(gè)EXCEL 數(shù)據(jù)文件，總數(shù)據(jù)量為82.7 MB。例如，在半小時(shí)尺度上，根據(jù)數(shù)據(jù)要素不同，數(shù)據(jù)文件的名稱格式規(guī)則為“年份+臺(tái)站+類型+時(shí)間尺度.xlsx”，如“2003 年長(zhǎng)白山通量30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”和“2003 年長(zhǎng)白山氣象30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”。表3-5 為部分?jǐn)?shù)據(jù)表頭說明。

表3 半小時(shí)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）“CO2通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的CO2通量(mg m-2s-1)；(2)“潛熱通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的潛熱通量（Wm-2）；(3)“顯熱通量”表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的顯熱通量（Wm-2）。

表4 半小時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）各層空氣溫度表示林內(nèi)距地表2.5、8、22、26、32、50、60 m 處的空氣溫度（℃）；（2）平均天空輻射表示冠層上方接受的太陽總輻射（Wm-2）；（3）光合有效輻射平均值表示冠層上方的光合有效輻射（μmol m-2s-1）；（4）總降水量表示降水量的累計(jì)值（mm）；（5）各層土壤體積含水量表示距地表5、20、50 cm 深的土壤體積含水量（%）。其中剔除后的數(shù)據(jù)以“-99999”表示。

表5 日尺度通量觀測(cè)數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)表頭說明：（1）NEE 表示日尺度的CO2通量累計(jì)值（gC m-2d-1），即觀測(cè)通量的日累計(jì)值；（2）Re 表示日尺度的生態(tài)系統(tǒng)呼吸累計(jì)值（gC m-2d-1），即實(shí)測(cè)的夜間通量加上基于溫度的回歸模型估算的白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸通量值；（3）GEE 表示日尺度的總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力累計(jì)值（gC m-2d-1），通過計(jì)算NEE-RE 獲得；（4）LE 表示日尺度的潛熱量累計(jì)值（MW m-2d-1）；（5）H 表示日尺度的顯熱量累計(jì)值（MW m-2d-1）。其中無法統(tǒng)計(jì)日值的數(shù)據(jù)以“-99999”表示。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)估

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本數(shù)據(jù)集從觀測(cè)、采集、質(zhì)控、處理和存儲(chǔ)方面均嚴(yán)格遵循了ChinaFLUX 制定的技術(shù)體系（圖1）。ChinaFLUX 有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證和質(zhì)量控制規(guī)范，以統(tǒng)一各站長(zhǎng)期、連續(xù)的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)的開展和運(yùn)行。ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)體系是基于全球通量觀測(cè)研究領(lǐng)域普遍采用和認(rèn)可的技術(shù)流程建立起來的，包括數(shù)據(jù)質(zhì)控、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)和通量拆分等方面。雖然渦度相關(guān)法具有高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，但它并不是完全標(biāo)準(zhǔn)的方法。特別是在野外應(yīng)用時(shí)，環(huán)境條件的限制及儀器系統(tǒng)自身的局限性，使得其測(cè)算結(jié)果具有一定的不確定性。針對(duì)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換（超聲風(fēng)速儀傾斜校訂），有研究認(rèn)為平面擬合修訂后通量要較二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法通量在量值上高出5%-10%[11]。因此本數(shù)據(jù)集采用前者：白天，對(duì)CO2通量的平均修訂比例約為3.0%，對(duì)能量通量（感熱和潛熱通量）的修訂比例約為2.0%；夜間，對(duì)CO2通量的平均修訂比例約為9.0%，對(duì)能量通量的修訂比例約為5.5%。在考慮了坐標(biāo)變換影響、頻率響應(yīng)局限和平流損失后，夜間CO2通量可減少低估28%左右，在沒有考慮能量平流損失的情況下，能量閉合程度可提高6%左右，明顯改善了最終結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

基于全球通量觀測(cè)研究領(lǐng)域普遍采用的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，對(duì)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量開展系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

數(shù)據(jù)時(shí)間序列完整性：由于降水、電力供應(yīng)失敗、儀器標(biāo)定與維護(hù)等因素干擾，缺測(cè)和異常值的出現(xiàn)不可避免。統(tǒng)計(jì)資料表明，從2003 年1 月截至到2010 年12 月，其中有效數(shù)據(jù)約為56%，這里有效性的概念是針對(duì)文中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)而言的。其中大量不合理的觀測(cè)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)多是因?yàn)榻邓鸵归g弱湍流導(dǎo)致；另外，野外電力供應(yīng)失敗每年約導(dǎo)致3%-5%的缺測(cè)。

能量閉合：基于渦度相關(guān)法獲得的湍流能量通量通常不能平衡森林實(shí)際獲得能量。對(duì)全球通量網(wǎng)（FLUXNET）50 站多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，各觀測(cè)站普遍存在著10%-30%的能量不閉合現(xiàn)象[12]，由渦度相關(guān)法觀測(cè)獲得的能量通量較輻射儀低。在觀測(cè)條件相對(duì)理想的長(zhǎng)白山站也存在能量不閉合現(xiàn)象。以2003 年數(shù)據(jù)為例，基于半小時(shí)尺度的全年能量收支閉合度約為86%，約有14%的能量不知去向。若考慮了冠層儲(chǔ)熱項(xiàng)S（約7%可用能量），結(jié)果會(huì)改善一些，但也不可能實(shí)現(xiàn)完全閉合。另外，冬季的能量閉合程度要好于其他季節(jié)，達(dá)到了94%，主要是冬季由于闊葉樹落葉，湍流交換活躍，相應(yīng)的能量閉合度相對(duì)較高。

通量源區(qū)分布：圖2 給出了長(zhǎng)白山通量站風(fēng)速及風(fēng)向分布圖。從中可以看出，觀測(cè)期間最大風(fēng)速約為12m·s-1，盛行風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，而來自觀測(cè)塔東北方向，也就是來自二道鎮(zhèn)居民區(qū)的通量信息卻相對(duì)較少，這大大減輕了我們對(duì)下墊面異質(zhì)性干擾的擔(dān)心。根據(jù)Schmid 的通量源區(qū)模型（FSAM）進(jìn)一步確認(rèn)[13]，在生長(zhǎng)季不穩(wěn)定的大氣條件下，80%的通量信息來自觀測(cè)塔主風(fēng)方向600 m、側(cè)風(fēng)方向250 m 范圍內(nèi)，即使在穩(wěn)定層結(jié)條件下，側(cè)風(fēng)方向源區(qū)距離也不超過1000 m，這基本上排除了由于居民區(qū)人類活動(dòng)CO2釋放的干擾，表明長(zhǎng)白山通量站渦度相關(guān)系統(tǒng)捕獲的通量信息可以充分代表闊葉紅松林與大氣間的CO2交換過程。

圖2 通量站風(fēng)速與風(fēng)向分布

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集由CERN 綜合研究中心和ChinaFLUX 綜合研究中心提供數(shù)據(jù)共享資源，用戶可登陸數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站（http://www.cern.org.cn），在首頁打開碳氮水通量數(shù)據(jù)集進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)瀏覽、在線申請(qǐng)頁面。也可登陸Science Data Bank（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1000）訪問和下載數(shù)據(jù)集。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

吳家兵（1977—），男，研究員，研究方向?yàn)槿蜃兓鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：碳水通量數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量控制。

關(guān)德新（1962—），男，研究員，研究方向?yàn)闅夂蛏鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：碳水通量數(shù)據(jù)管理與分析。

王安志（1972—），男，研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)水文學(xué)。主要承擔(dān)工作：碳水通量數(shù)據(jù)管理。

袁鳳輝（1989—），男，助理研究員，研究方向?yàn)樗稚韺W(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

刁浩宇（1994—）,男，博士研究生，研究方向?yàn)槿蜃兓鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量控制。

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：整體科學(xué)技術(shù)體系設(shè)計(jì)。

陳智（1981—），女，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(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)量分析與控制。

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)過程及全球變化。主要承擔(dān)工作：碳水通量數(shù)據(jù)綜合處理方法和技術(shù)途徑。