張法偉，李紅琴，趙亮，張雷明，陳智，祝景彬，徐世曉，楊永勝，趙新全，于貴瑞，李英年＊

1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧810008

2.洛陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，洛陽(yáng) 471934

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

青藏高原是中國(guó)“青藏高原生態(tài)屏障”的空間載體，被譽(yù)為“中華水塔”。高寒濕地是青藏高原的重要植被類型[1]，面積約為13.3×106hm2，在碳素固持、水源涵養(yǎng)及生物多樣性維持方面具有重要意義[2]。長(zhǎng)期的科學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù)是認(rèn)知高寒濕地碳、水、熱交換格局和內(nèi)在生態(tài)過程及關(guān)鍵生態(tài)功能評(píng)估的基礎(chǔ)。渦度相關(guān)法是目前唯一能直接測(cè)定大氣與下界面的碳水熱通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，被國(guó)內(nèi)及國(guó)際通量觀測(cè)組織廣泛采用[3]。青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站（簡(jiǎn)稱海北站）是國(guó)內(nèi)較早利用渦度相關(guān)技術(shù)開展碳水熱通量觀測(cè)的臺(tái)站之一，自2000 年陸續(xù)開展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸、高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢和高寒帕米爾苔草（Carexpamirensis）濕地的碳水熱通量觀測(cè)，積累了大量的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了青藏高原通量觀測(cè)研究的空白，取得了豐碩的研究成果，為理解青藏高原高寒陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水功能及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了翔實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和重要貢獻(xiàn)[4-14]。

為了促進(jìn)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)碳水熱交換過程的科學(xué)認(rèn)知及生態(tài)功能的精準(zhǔn)評(píng)估，體現(xiàn)數(shù)據(jù)共享理念和挖掘數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，海北站擬免費(fèi)公開發(fā)表連續(xù)觀測(cè)的高寒濕地碳水熱通量及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。由于2010 年高寒濕地渦度相關(guān)系統(tǒng)的快速紅外氣體分析儀工作異常時(shí)段較多，導(dǎo)致該年度的通量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例偏低，尤其是凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量和顯熱通量分別僅為8.2%和10.0%，數(shù)據(jù)可利用較低，海北站沒有共享該年度通量數(shù)據(jù)。因此碳水熱通量數(shù)據(jù)子集和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集的年份分別為2004-2009 年和2004-2010 年。本數(shù)據(jù)集包含碳水熱通量數(shù)據(jù)子集（凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量、生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量、總生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量、潛熱通量、顯熱通量）和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集（空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、水汽壓、風(fēng)速、風(fēng)向、土壤溫度、總輻射、光合有效輻射和降水等觀測(cè)指標(biāo)），時(shí)間尺度包括半小時(shí)、日、月和年。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

海北站（37°37′N、101°19′E，3200 m）位于青海省海北州門源縣種馬場(chǎng)風(fēng)匣口，多年平均氣溫和降水分別為?1.7℃和580 mm，站區(qū)為典型的高原大陸性氣候，暖季溫暖多雨而短暫，冷季寒冷干燥而漫長(zhǎng)。高寒濕地渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)位于海北站東部約2 km 的高寒帕米爾苔草濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)（37°36′N、101°19′E，3200 m），始建于2003 年10 月，是中國(guó)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）的首批通量觀測(cè)站點(diǎn)之一。渦度相關(guān)系統(tǒng)的觀測(cè)區(qū)地勢(shì)平坦，可以滿足通量觀測(cè)“風(fēng)浪區(qū)”的要求。研究區(qū)植被生長(zhǎng)茂盛，分布均勻，外貌整齊，平均總蓋度約98%，冠層高度為25-50 cm。植被種類組成較為貧乏，約有25 種植物，多以寒冷濕生、多年生地下芽、具有發(fā)達(dá)通氣組織的草本植物莎草科、毛茛科為主。濕地中央以帕米爾苔草為建群種，邊緣以藏嵩草（K.tibetica）為建群種。濕地群落的主要優(yōu)勢(shì)種為帕米爾苔草、藏嵩草，次優(yōu)勢(shì)種有華扁穗草（Blysmus sinocompressus），黑褐苔草（C.atrofusca）等。在邊緣地帶還有大量的星狀風(fēng)毛菊（Saussurea stilla）、青藏苔草（C.moorcropt）、乳白香青（Anaphalis lectea）、假龍膽（Gentianella limprichtii）、天山報(bào)春（Primula nutans Georgi）和斑唇馬先蒿（Pedicularis longiflora Rudolph var）等[11]。土壤類型為有機(jī)寒凍潛育土（Organic Cryic Gleysols）。研究區(qū)為冬季牧場(chǎng)，放牧強(qiáng)度約為每公頃4.0 羊單位，放牧?xí)r間約為10 月下旬至翌年5月上旬[12]。濕地植被群落2003-2005 年平均最大地上生物量（干物質(zhì)）和最大葉面積指數(shù)分別為8月下旬的331.3 g?m-2和7 月下旬的3.9 m2?m-2[15]。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

高寒濕地碳水熱通量數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)全部為儀器自動(dòng)觀測(cè)并存儲(chǔ)在相應(yīng)數(shù)據(jù)采集器中，具體的觀測(cè)儀器及型號(hào)、儀器制造商及數(shù)據(jù)采集器等相關(guān)信息詳見表1。碳水熱通量原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為10 Hz，計(jì)算并存儲(chǔ)其30 min 的平均通量數(shù)據(jù)于CR5000 中；常規(guī)氣象要素的采樣頻率為1 min，計(jì)算并存儲(chǔ)30 min 的平均數(shù)據(jù)于CR23X 中。

表1 海北高寒濕地的觀測(cè)項(xiàng)目所用分析儀相關(guān)信息

1.3 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工方法

為了保障數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)的可對(duì)比度，本數(shù)據(jù)集從數(shù)據(jù)觀測(cè)、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、處理方法等流程嚴(yán)格遵循ChinaFLUX 制定的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制技術(shù)體系[16-17]。具體內(nèi)容如下：

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：碳水熱通量的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要包括原始數(shù)據(jù)異常值剔除、超聲虛溫校正、坐標(biāo)軸二次旋轉(zhuǎn)、WPL 密度校正、頻率損失校正、冠層儲(chǔ)存項(xiàng)校正、湍流穩(wěn)態(tài)測(cè)試；半小時(shí)通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制包括夜間摩擦風(fēng)速閾值篩選、異常值剔除和降水時(shí)刻數(shù)據(jù)剔除以及能量閉合評(píng)價(jià)。用單點(diǎn)密度估算的方法表明冠層存儲(chǔ)項(xiàng)通量分別約占CO2通量、H2O 通量和顯熱通量的1.1%、0.09%和2.2%，因此本數(shù)據(jù)集的通量數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行儲(chǔ)存項(xiàng)校正。常規(guī)氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要為閾值判別和異常值剔除。

缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)：由于通量觀測(cè)儀器自身的穩(wěn)定性和異常天氣的影響及其他不可控因素，野外觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失十分普遍，缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)十分必要[18]。數(shù)據(jù)插補(bǔ)根據(jù)數(shù)據(jù)子集類別和缺失數(shù)據(jù)長(zhǎng)短分別采用不同的方法進(jìn)行插補(bǔ)。其中，短時(shí)間（小于2 小時(shí)）缺失的通量和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法進(jìn)行插補(bǔ)；長(zhǎng)時(shí)間缺失的氣象數(shù)據(jù)，基于海北站的自動(dòng)氣象站同期的觀測(cè)資料（降水?dāng)?shù)據(jù)除外）進(jìn)行插補(bǔ)；如未能完成插補(bǔ)，則利用平均日變化法完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的插補(bǔ)。

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的水熱通量數(shù)據(jù)，采用水熱通量與凈輻射的線性回歸關(guān)系進(jìn)行擬合、插補(bǔ)。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的碳通量數(shù)據(jù)，采用有效通量數(shù)據(jù)和環(huán)境因子的非線性經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行擬合、插補(bǔ)。其中夜間缺失數(shù)據(jù)利用CO2通量有效數(shù)據(jù)與5 cm 土壤溫度的Arrhenius 方程插補(bǔ)。白天缺失數(shù)據(jù)分兩種情況進(jìn)行插補(bǔ)，在植被生長(zhǎng)季中利用CO2通量數(shù)據(jù)與光合有效輻射的直角雙曲線方程插補(bǔ)。在非生長(zhǎng)季中，首先采用夜間CO2通量數(shù)據(jù)和5 cm 土壤溫度的形成Arrhenius 方程，然后結(jié)合缺失數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的土壤溫度完成白天通量的插補(bǔ)。碳水熱缺失通量數(shù)據(jù)的最小插補(bǔ)時(shí)間窗口為7 天。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：基于邊際分布采樣法的原理將觀測(cè)的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2通量數(shù)據(jù)拆分為生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量和總生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量。首先，依據(jù)夜間CO2通量數(shù)據(jù)與土壤溫度擬合的Arrhenius 方程估算白天的生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量（生態(tài)系統(tǒng)暗呼吸通量）；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)刻白天生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量，求和得到總生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量（生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力）[17]。生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量為生態(tài)系統(tǒng)夜間呼吸通量和白天呼吸通量之和。

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)集為高寒濕地碳水熱通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別為2004-2009 年通量數(shù)據(jù)子集和2004-2010 年常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集兩類數(shù)據(jù)文件，每類數(shù)據(jù)文件均有半小時(shí)、日、月和年4 個(gè)時(shí)間尺度。因此，高寒濕地碳水熱通量數(shù)據(jù)集內(nèi)含52 個(gè)文件，總數(shù)據(jù)量34 MB。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以2004 年數(shù)據(jù)文件為例，表2、表3 分別為海北站高寒濕地碳水熱通量和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)表頭說明，所有數(shù)據(jù)項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)均以浮點(diǎn)型數(shù)字形式表示。

表2 海北站高寒濕地通量數(shù)據(jù)表說明

注：該表為30 min 通量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表。日尺度數(shù)據(jù)表中無(wú)時(shí)、分等2 列數(shù)據(jù)項(xiàng)，通量數(shù)據(jù)為30 min 通量累計(jì)值，NEE、RE 和GEE 的單位為g C m-2 d-1,LE 和Hs 的單位為MW m-2；月尺度數(shù)據(jù)表中無(wú)日、時(shí)、分等3 列數(shù)據(jù)項(xiàng)，通量數(shù)據(jù)為日通量累計(jì)值，NEE、RE 和GEE 的單位為g C m-2 month-1,LE 和Hs 的單位為MW m-2；年尺度數(shù)據(jù)表中沒有月、日、時(shí)、分等4 列數(shù)據(jù)項(xiàng)，通量數(shù)據(jù)為月通量累計(jì)值，NEE、RE 和GEE 的單位為g C m-2 year-1,LE 和Hs 的單位為MW m-2。

表3 海北高寒濕地常規(guī)氣象數(shù)據(jù)表說明及指標(biāo)觀測(cè)高度

注：日尺度數(shù)據(jù)表中無(wú)時(shí)、分、秒3 列數(shù)據(jù)項(xiàng)，月尺度數(shù)據(jù)表中無(wú)日、時(shí)、分、秒4 列數(shù)據(jù)項(xiàng)，年尺度數(shù)據(jù)表中沒有月、日、時(shí)、分、秒5 列數(shù)據(jù)項(xiàng)。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

2004-2009 年，經(jīng)過30 min 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和異常值剔除后，高寒濕地?cái)?shù)據(jù)集凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量、潛熱通量、顯熱通量的平均有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例分別為42.4%、52.7%和55.0%，其中凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例的最低年份和最高年份分別為2007年的34.1%和2004年的48.3%，兩者之差為14.2%，而潛熱通量和顯熱通量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例的最低年份與最高年份分別為2009 年的44.2%和47.8%與2008 年的63.9%和67.4%，兩者相差約為10%（表4）。

表4 海北高寒濕地半小時(shí)碳水熱通量的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集在國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)的國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02）發(fā)布。用戶注冊(cè)、登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)資源欄搜索“海北站濕地”，即可下載半小時(shí)、日、月和年等時(shí)間尺度的碳水熱通量及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。也可登錄Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010）訪問和下載。本數(shù)據(jù)集可以用于高寒濕地碳水收支評(píng)價(jià)和相關(guān)過程模型開發(fā)、驗(yàn)證及對(duì)比等研究。另外，需要說明的是由于異常值剔除標(biāo)準(zhǔn)和插值方法及計(jì)算平臺(tái)等因素的差異，會(huì)對(duì)碳水熱通量計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響[18]，本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)可能和相關(guān)研究人員的計(jì)算結(jié)果并不完全相同[7,9,12]，因此相關(guān)研究人員在數(shù)據(jù)集使用和結(jié)果認(rèn)知上需要謹(jǐn)慎。

致 謝

感謝瓦金龍長(zhǎng)期以來(lái)在數(shù)據(jù)采集方面的貢獻(xiàn)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張法偉（1981—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦吆莸匚镔|(zhì)循環(huán)和能量交換。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和論文撰寫。

李紅琴（1981—），女，副研究員，研究方向?yàn)楦吆莸靥佳h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析與論文修改。

趙亮（1974—），男，研究員，研究方向?yàn)槿蜃兓网B類生態(tài)學(xué)研究。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理與質(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)處理和質(zhì)量控制。

陳智（1981—），女，助理研究員，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。

祝景彬（1989—），男，博士研究生，研究方向?yàn)楦吆莸靥佳h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理和論文修改。

徐世曉（1973—），男，研究員，研究方向?yàn)椴莸匦竽辽鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理。

楊永勝（1987—），男，副研究員，研究方向?yàn)楦吆莸厮h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理。

趙新全（1959—），男，研究員，研究方向?yàn)椴莸厣鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)籌。

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：數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)籌。

李英年（1962—），男，研究員，研究方向?yàn)槿蜃兓鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。