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.中國科學(xué)院西北高原生物研究所高原生物適應(yīng)與進化重點實驗室，西寧810008

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

3.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)觀測與模擬重點實驗室，北京100101

引 言

青藏高原是全球氣候變化的啟動器和敏感區(qū)[1]，準(zhǔn)確識別其碳、水、熱交換對氣候變化的響應(yīng)方式和適應(yīng)機理是冰凍圈生物地球化學(xué)循環(huán)的核心研究內(nèi)容之一[2]，而長期連續(xù)的觀測積累則是理解其內(nèi)在生態(tài)過程的關(guān)鍵[3-4]。青藏高原氣候嚴(yán)酷，加之交通不便，相關(guān)研究只是零星開展，且缺乏長期有效的觀測數(shù)據(jù)，極大限制了冰凍圈生態(tài)學(xué)理論發(fā)展和其生態(tài)功能現(xiàn)狀及演化的科學(xué)認知。渦度相關(guān)技術(shù)是對大氣與下界面間的通量進行非破壞性測定的一種微氣象觀測技術(shù)，通過計算物理量脈動與垂直風(fēng)速脈動的協(xié)方差來求算湍流通量，是目前唯一能直接測定大氣與群落間碳水熱通量的標(biāo)準(zhǔn)方法，得到國內(nèi)外的廣泛認可，已成為國際通量觀測網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)手段[5-6]。

青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（海北站）是國內(nèi)最早開展通量觀測的野外臺站之一，早在2000 年就和日本國立環(huán)境研究所應(yīng)用渦度相關(guān)技術(shù)聯(lián)合開展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸碳水熱通量的觀測研究[7]。隨后在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目“中國陸地和近海生態(tài)系統(tǒng)碳收支研究”的資助下，海北站于2002 年在高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢生態(tài)系統(tǒng)開展碳水熱通量的連續(xù)觀測[8]。截止2020 年，已經(jīng)積累了連續(xù)17 年的原始觀測數(shù)據(jù)，取得了許多原創(chuàng)性的結(jié)果[9-15]，極大推動了高寒碳水熱循環(huán)的研究，為科學(xué)評估青藏高原生態(tài)功能提供了翔實的數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

為了推動青藏高原乃至全球高寒陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換等相關(guān)研究的發(fā)展，海北站免費公開發(fā)表多年連續(xù)觀測的碳水熱通量及相關(guān)常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，以供更多科研工作者開展研究，充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值和共享的理念。本數(shù)據(jù)集包含2003-2010 年高寒灌叢的常規(guī)氣象指標(biāo)（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、總輻射、光合有效輻射和降水）和碳水熱通量指標(biāo)（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），形成了半小時、日、月和年4 種時間尺度的數(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

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風(fēng)匣口。站區(qū)為典型的高原大陸性氣候，無明顯四季之分，暖季多雨而短暫，冷季干燥而漫長。該站年均氣溫和降水分別為-1.7℃和580 mm[16]。土壤為高寒草甸土，表層有機質(zhì)含量高但速效養(yǎng)分低。高寒灌叢渦度相關(guān)觀測系統(tǒng)（37°40′N，101°20′E，3400 m）位于海北站北部約8 km 的高寒金露梅灌叢生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，是中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）的首批野外觀測系統(tǒng)成員之一。

金露梅灌叢渦度相關(guān)系統(tǒng)建于2002 年8 月，由10 m×10 m 的圍欄保護，碳水熱通量的觀測高度為2.5 m。研究區(qū)的植被群落由灌木和草本鑲嵌組成。上層金露梅灌叢高度和蓋度約為50 cm 和60%。下層草本植物高約10 cm，相對蓋度約為80%，優(yōu)勢種包括異針茅（Stipa aliena）、藏異燕麥（Helictotrichon tibeticum）、垂穗披堿草（Elymus nutans）、柔軟紫菀（Aster flaccidus）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、矮火絨草（Leontopodium nanum）等。土壤為高山灌叢草甸土，歸為暗沃寒凍雛形土（Mollic Gryic Cambisols）。研究區(qū)為冬季牧場，2003-2005 年放牧強度約為每公頃3.7 羊單位，放牧?xí)r間約為10 月上旬至翌年5 月下旬[14-15]。圍欄內(nèi)每年冬季進行短時間放牧，以清除草本植物的凋落物和立枯物。通量貢獻足跡分析表明，通量的最大貢獻區(qū)來自于上風(fēng)向的23.8 m 處，所觀測的通量數(shù)據(jù)能夠代表研究區(qū)的冬季放牧管理方式[14-15]。研究區(qū)2003-2005 年平均最大地上生物量（草本和灌叢當(dāng)年新生枝、葉）和最高群落葉面積指數(shù)分別為8 月下旬的309.7 g?m-2和7 月下旬的2.5 m2?m-2[17]。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

本數(shù)據(jù)集中包含的觀測數(shù)據(jù)均是儀器自動觀測采集的，測定所用儀器型號、儀器制造商及數(shù)據(jù)采集器等相關(guān)信息詳見表1?？諝鉁貪?、輻射要素、土壤水熱等常規(guī)氣象要素的采樣頻率1 min，計算并存儲30 min 的平均數(shù)據(jù)；CO2/H2O 快速紅外氣體分析儀及三維超聲風(fēng)速儀的原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，計算并存儲30 min 的平均通量數(shù)據(jù)。

表1 海北站高寒灌叢觀測項目所用儀器的相關(guān)信息表

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

為了保障海北站高寒灌叢通量數(shù)據(jù)與中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)其他站點通量數(shù)據(jù)的可比性，本數(shù)據(jù)集從數(shù)據(jù)觀測、采集、質(zhì)控、處理等流程嚴(yán)格遵循ChinaFLUX 制定的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)體系[18-19]。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、缺失數(shù)據(jù)插補、CO2通量數(shù)據(jù)拆分等流程，具體如下：

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：采用國際上普遍認可的渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方法[20]，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、湍流穩(wěn)態(tài)測試、夜間摩擦風(fēng)速閾值篩選和通量異常值剔除，以及能量閉合評價。由于高寒灌叢冠層高度較低，采用單點密度變化的估算方法發(fā)現(xiàn)冠層存儲項分別約占CO2通量、H2O 通量和顯熱通量的2.2%、0.08%和0.22%，因此本數(shù)據(jù)集的通量數(shù)據(jù)沒有進行儲存項校正。

缺失氣象數(shù)據(jù)插補：短時間（小于2 小時）缺失的觀測數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法進行插補；長時間缺失的數(shù)據(jù)，利用海北站自動氣象站的觀測資料（土壤濕度和降水?dāng)?shù)據(jù)除外）進行插補；如未能完成插補，則利用平均日變化法完成數(shù)據(jù)插補。

缺失通量數(shù)據(jù)插補：對于短時間（小于2 小時）缺失的通量數(shù)據(jù)，也采用線性內(nèi)插法進行插補；對于長時間缺失的潛熱和顯熱通量數(shù)據(jù)，采用水熱通量與凈輻射的線性回歸方程進行擬合、插補，最小插補時間窗口為7 天。對于長時間缺失的CO2通量數(shù)據(jù)，首先利用有效通量數(shù)據(jù)和環(huán)境因子的非線性回歸關(guān)系構(gòu)建方程，然后利用該方程和缺失通量數(shù)據(jù)對應(yīng)的環(huán)境因子完成數(shù)據(jù)插補。其中夜間缺失數(shù)據(jù)利用CO2通量與5 cm 土壤溫度的Arrhenius 方程插補。白天缺失數(shù)據(jù)分兩種時段進行插補，在植被生長季中利用CO2通量與光合有效輻射的直角雙曲線方程，結(jié)合缺失數(shù)據(jù)對應(yīng)的光合有效輻射完成白天缺失數(shù)據(jù)的插補；在非生長季中則采用夜間CO2通量與5 cm 土壤溫度擬合的Arrhenius 方程，結(jié)合缺失數(shù)據(jù)對應(yīng)的5 cm 土壤溫度完成白天缺失數(shù)據(jù)的插補，最小插補時間窗口為7 天。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：利用邊際分布采樣法的原理，將凈生態(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。先利用夜間有效CO2通量數(shù)據(jù)與5 cm 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），再利用白天CO2通量數(shù)據(jù)和估算的同時刻生態(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)初級生產(chǎn)力）[19]。

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2003-2010 年海北站高寒灌叢的連續(xù)碳水熱通量觀測數(shù)據(jù)，分為常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集和通量數(shù)據(jù)子集兩類數(shù)據(jù)文件。每類文件每年均有4 個時間尺度，包括30 分鐘、日、月和年尺度，數(shù)據(jù)集內(nèi)共計64 個文件，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、表3 分別為該年常規(guī)氣象和碳水熱通量（30 分鐘、日、月、年）數(shù)據(jù)表頭說明，所有數(shù)據(jù)項觀測數(shù)據(jù)均以浮點型數(shù)字形式表示。

表2 海北站高寒灌叢的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)表說明及觀測高度

表3 海北站高寒灌叢的通量數(shù)據(jù)表說明

注：該表為30 分鐘通量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表。日尺度數(shù)據(jù)表中無時、分等2 列數(shù)據(jù)項，通量數(shù)據(jù)為30 分鐘通量累計值，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)表中無日、時、分等3 列數(shù)據(jù)項，通量數(shù)據(jù)為日通量累計值，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、分等4 列數(shù)據(jù)項，通量數(shù)據(jù)為月通量累計值，NEE、RE 和GEE 的單位為g C m-2 year-1,LE 和Hs 的單位為MW m-2。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評估

海北站高寒灌叢通量數(shù)據(jù)的譜分析結(jié)果表明，三維風(fēng)速、CO2、H2O 和溫度的功率譜在慣性子區(qū)內(nèi)基本符合-2/3 定律，而CO2、H2O 和溫度與垂直風(fēng)速的諧譜在慣性子區(qū)內(nèi)也基本符合-4/3 定律，能量閉合分析表明能量平衡比率平均為0.76[15]。經(jīng)過質(zhì)量控制和異常值剔除后，在半小時尺度上，高寒灌叢2003-2010 年碳水熱通量數(shù)據(jù)集中的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量、潛熱通量和顯熱通量的平均有效觀測數(shù)據(jù)比例分別為42.1%、58.1%和59.6%，其中凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量有效觀測數(shù)據(jù)比例最低和最高的年份分別為2010 年的38.1%和2004 年的48.3%，兩者之差為10.2%，而潛熱通量和顯熱通量有效觀測數(shù)據(jù)比例最低與最高的年份分別為2006 年的52.2%和53.7%與2004 年的68.1%和70.3%，兩者相差約為15%（表4）。本數(shù)據(jù)集CO2交換通量的有效數(shù)據(jù)主要集中在白天，其比例約為67.7%，而夜間有效數(shù)據(jù)比例約為23.1%。其中植被生長季（6-9 月）的白天和夜間的有效比例分別為77.9%和25.4%，而非生長季（10 月至翌年5 月）則為61.6%和22.1%。顯熱通量和潛熱通量的白天有效數(shù)據(jù)比例分別為83.5%和81.8%，夜間有效數(shù)據(jù)比例分別為61.8%和42.3%，表現(xiàn)出生長季略低（57.4%）而非生長季較高（71.7%）的特征。

表4 高寒灌叢半小時碳水熱通量有效觀測數(shù)據(jù)比例

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集在國家科技資源共享服務(wù)平臺的國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02）發(fā)布。用戶登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)資源搜索“海北灌叢”，即可找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進行數(shù)據(jù)下載。也可登錄 Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1007）訪問和下載。本數(shù)據(jù)集可用以高寒灌叢碳水熱生態(tài)過程及相關(guān)陸面模型開發(fā)、驗證及對比等分析研究。同時，需要說明的是由于插值方法不同導(dǎo)致碳水熱通量計算結(jié)果存在差異，本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)和相關(guān)研究人員的計算結(jié)果并不完全相同[12,14]，即使年際尺度上通量計算結(jié)果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的不同，數(shù)據(jù)使用者需要在研究結(jié)果的認知中慎重。另外，數(shù)據(jù)集在使用中應(yīng)注意，目前渦度相關(guān)通量觀測數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與方法還沒有全球普遍公認的技術(shù)體系，為了降低數(shù)據(jù)插補引起的不確定性，建議優(yōu)選使用未插補數(shù)據(jù)。

致 謝

感謝瓦金龍長期以來在數(shù)據(jù)采集方面的貢獻。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張法偉（1981—），男，高級工程師，研究方向為高寒草地物質(zhì)循環(huán)和能量交換。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測和論文撰寫。

李紅琴（1981—），女，副研究員，研究方向為高寒草地碳循環(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，研究方向為全球變化和鳥類生態(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，研究方向為生態(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，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳通量時空格局。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，研究方向為高寒草地碳循環(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，研究方向為草地畜牧生態(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，研究方向為高寒草地水循環(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理。

趙新全（1959—），男，研究員，研究方向為草地生態(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，研究方向為生態(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，研究方向為全球變化生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。