柴曦,何永濤,2,石培禮,2*,張憲洲,2,牛犇,2,張雷明,2,陳智,2
1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高原生態(tài)研究中心,北京 100101
2.中國科學(xué)院大學(xué),資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049
植被與大氣間CO2通量的長期觀測(cè)有利于確定生態(tài)系統(tǒng)“碳源/匯”的時(shí)空變化和分布特征,理解生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程和控制機(jī)理,以及正確評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)碳收支對(duì)預(yù)測(cè)未來氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)。青藏高原特殊的地理環(huán)境為研究高海拔陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。高寒草甸是青藏高原最主要的植被類型,約占青藏高原總面積的35%[1],是我國草地類型中碳儲(chǔ)量最高的生態(tài)系統(tǒng)[2],平均土壤碳儲(chǔ)量比相同土壤深度的熱帶森林、灌叢和草地土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量高1-5 倍[3]。其微小的變化都會(huì)影響區(qū)域和全球氣候變化,對(duì)區(qū)域和全球的碳循環(huán)具有重要的作用。因此,長期持續(xù)觀測(cè)、準(zhǔn)確的量化和理解高寒生態(tài)系統(tǒng)碳通量特征是十分必要的。
中國科學(xué)院當(dāng)雄高寒草甸研究站(簡(jiǎn)稱當(dāng)雄站),自2003 年起,開始進(jìn)行碳水通量觀測(cè),至今已積累了大量的碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文對(duì)2004-2010 年當(dāng)雄站觀測(cè)CO2、H2O 通量以及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的介紹,這將有助于推進(jìn)本數(shù)據(jù)集的共享與使用,為區(qū)域乃至碳水通量和氣候變化研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
通量站位于青藏高原腹地的中國科學(xué)院當(dāng)雄高寒草甸研究站,當(dāng)雄站地處念青唐古拉山南緣,地形屬于高原丘間盆地,地勢(shì)平坦,植被為高寒草原化草甸(以下簡(jiǎn)稱為草甸)。站點(diǎn)的詳細(xì)信息見表1。
表1 當(dāng)雄通量站的生物環(huán)境特征
觀測(cè)設(shè)備組成:當(dāng)雄站的渦度相關(guān)系統(tǒng)始建于2003 年,通量觀測(cè)的主要儀器均為開路式渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)和常規(guī)氣象觀測(cè)系統(tǒng),數(shù)據(jù)的測(cè)定和采集均為自動(dòng)化完成。各測(cè)定要素所采用主要儀器設(shè)備的傳感器和分析儀名稱、型號(hào)及制造商分列于表2。
表2 各測(cè)定要素所用關(guān)鍵設(shè)備的傳感器和分析儀及其制造商
觀測(cè)設(shè)備的安裝:根據(jù)當(dāng)雄站下墊面情況和植被冠層高度,通量塔設(shè)置高度為2.2 m。在觀測(cè)塔上安裝不同要素的測(cè)定傳感器(表2),開展植被-大氣界面CO2、H2O 和能量通量以及氣象要素在線、連續(xù)觀測(cè)。
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)定記錄頻度為30 分鐘,由相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器獲取和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。當(dāng)雄站測(cè)定數(shù)據(jù)采用直接讀取數(shù)據(jù)采集器內(nèi)的存儲(chǔ)卡的方式獲取,然后開展后續(xù)的質(zhì)量控制、標(biāo)準(zhǔn)化處理和產(chǎn)品加工。
1.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
由于各種天氣、電力及儀器故障等原因,渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)丟失或異常的現(xiàn)象,因此對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是必不可少的,這是控制數(shù)據(jù)質(zhì)量、保證數(shù)據(jù)可靠性的重要前提。當(dāng)雄站采用國際上普遍認(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[4]、超聲虛溫校正[5]、二次坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)[6]、WPL(密度校正)校正[7]、頻率損失校正[8]、穩(wěn)態(tài)測(cè)試與湍流積分特性[9]、夜間摩擦風(fēng)速閾值篩選[10]、野點(diǎn)剔除[11],以及能量閉合評(píng)價(jià)[12]。當(dāng)雄站通量數(shù)據(jù)處理和控制技術(shù)體系流程圖見圖1。
圖1 當(dāng)雄站數(shù)據(jù)處理和控制技術(shù)體系[14]
1.3.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ)
數(shù)據(jù)處理過程中將會(huì)去除掉下雨時(shí)的數(shù)據(jù),以及太陽有效輻射(PAR)<1μmol·m-2·s-1、摩擦風(fēng)速(u*)<0.15m·s-1的數(shù)據(jù)。缺失數(shù)據(jù)通過CO2通量值與環(huán)境因子之間的非線性經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行插補(bǔ)。非生長季節(jié)全天和生長季節(jié)夜間數(shù)據(jù)根據(jù)與5cm 土壤溫度(Ts)的指數(shù)方程進(jìn)行擬合得到擬合系數(shù),然后根據(jù)擬合系數(shù)和Ts對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。生長季節(jié)白天CO2通量采用Michaelis-Menten 模型對(duì)CO2凈交換量(NEE)與PAR 進(jìn)行擬合[13],然后根據(jù)擬合系數(shù)和PAR 值對(duì)缺失的通量值進(jìn)行插補(bǔ)。
1.3.3 CO2 通量數(shù)據(jù)的拆分和統(tǒng)計(jì)
渦度相關(guān)系統(tǒng)無法直接測(cè)定生態(tài)系統(tǒng)CO2總交換量(GEE)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率(RE),需利用公式進(jìn)行外推得到。本系統(tǒng)基于30 min 氣象和通量數(shù)據(jù),利用呼吸模型計(jì)算GEE 和RE。其中,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的生長季,假設(shè)Re 即為夜間的NEE,利用其與溫度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,得到呼吸模型中的參數(shù),并將此參數(shù)推廣到白天,算得白天的呼吸值,最后利用白天的NEE和Re推算出白天的GEE;而對(duì)于非生長季,則認(rèn)為該生態(tài)系統(tǒng)只有呼吸過程的碳排放而無光合碳吸收,即RE=NEE。
在獲得完整的30 min 數(shù)據(jù)后,將NEE、Re 和GEE 等累加求和,得到生態(tài)系統(tǒng)在日、月、年等不同時(shí)間尺度上的碳交換總量(gCm2)[14]。
當(dāng)雄站數(shù)據(jù)文件表頭示例見表3-4。
表3 當(dāng)雄站不同時(shí)間尺度氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)表頭
氣象數(shù)據(jù)表頭說明:(1)近地面空氣溫度表示地面上方1.2 m 空氣溫度,單位:℃;(2)冠層上方空氣溫度表示地面上方2.2 m 空氣溫度,單位:℃;(3)近地面空氣濕度表示地表上方1.2 m 空氣濕度,單位:%;(4)冠層上方2.2 m 空氣濕度,單位:%;(5)近地面水氣壓表示地面上方1.2 m水氣壓,單位:Kpa;(6)冠層上方水氣壓是地面上方2.2 m 水氣壓,單位:Kpa;(7)近地面風(fēng)速表示地表1.2 m 風(fēng)速,單位:m/s;(8)冠層上方風(fēng)速表示地表上方2.2m 風(fēng)速,單位:m/s;(9)風(fēng)向表示地表上方2.2 m 風(fēng)向;(10)大氣壓表示地表上方2.2m 大氣壓平均值,單位:Kpa;(11)太陽輻射表示地表上方2.2 m 處太陽輻射平均值;(12)凈輻射表示地表上方2.2 m 凈輻射平均值,單位Wm-2;(13)光合有效輻射表示地表上方2.2 m 光合有效輻射平均值,單位:μmolm-2s-1;(14)一至五層土壤溫度分別是地表下5、10、20、30、50 cm 層次的土壤溫度平均值,單位:℃;(15)一至五層土壤體積含水量分別是地表下5、10、20、30、50 cm 層次的土壤體積含水量,單位:m3m-3;(16)降水量表示不同時(shí)間尺度(半小時(shí)、日、月、年)降水量累計(jì)值,單位:mm。其中剔除后的數(shù)據(jù)以“-99999”表示。
表4 當(dāng)雄站不同時(shí)間尺度通量觀測(cè)數(shù)據(jù)表頭
半小時(shí)尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明:(1)半小時(shí)尺度NEE、GEE、Re 表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的CO2通量,單位:mgCO2m-2s-1;(2)半小時(shí)尺度LE 和Hs 表示經(jīng)過質(zhì)控和異常值剔除后的潛熱通量和顯熱通量,單位:W m-2。
日尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明:(1)日尺度NEE、GEE、Re分別表示每日NEE、GEE、Re累計(jì)值,單位:gCm-2d-1;(2)日尺度LE和Hs表示每日潛熱通量和顯熱通量累計(jì)值,單位:MW m-2。
月尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明:(1)月尺度NEE、GEE、Re分別是每月NEE、GEE、Re累計(jì)值,單位:gCm-2mon-1;(2)月尺度LE和Hs表示每月潛熱通量和顯熱通量累計(jì)值,單位:MW m-2。
年尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明:(1)年尺度NEE、GEE、Re分別是每年NEE、GEE、Re累計(jì)值,單位:gCO2m-2a-1;(2)月尺度LE和Hs表示每年潛熱通量和顯熱通量累計(jì)值,單位:MW m-2。
當(dāng)雄站CO2通量2004-2009 年日數(shù)據(jù)能力閉合分析表明,6 個(gè)年份的能量平衡比率為0.64-0.89,平均為0.80。能量閉合方程的理想狀況為斜率為1,截距為0,但能量不閉合現(xiàn)象已經(jīng)是草地和森林等通量觀測(cè)中普遍存在的問題,其不閉合程度通常在10%-30%,所以當(dāng)雄站也處于通量觀測(cè)臺(tái)站能量平衡比率變化范圍之內(nèi)。造成能量不完全閉合的原因可能有:(1)空間取樣誤差;(2)忽略了相關(guān)能量項(xiàng)的誤差;(3)儀器系統(tǒng)誤差;(4)平流效應(yīng)的誤差等。
在半小時(shí)尺度上,當(dāng)雄不同臺(tái)站年份CO2通量、潛熱通量和顯熱通量的有效觀數(shù)據(jù)比例分別為86.5%±6.8%、86.0%±6.8%和86.6%±6.8%(表5)。數(shù)據(jù)缺失的原因可以分為兩類,一類是個(gè)性原因,主要為供電故障、儀器故障和干擾(如設(shè)備維護(hù)、雷擊等);另一類是共性原因,主要是數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)缺失,包括異常數(shù)據(jù)剔除、夜間通量數(shù)據(jù)篩選等,特別是夜間數(shù)據(jù)的質(zhì)控和篩選是引起有效觀測(cè)數(shù)據(jù)降低的主要因素。
表5 當(dāng)雄站半小時(shí)尺度上通量數(shù)據(jù)有效數(shù)據(jù)比例(%)
本數(shù)據(jù)集收錄了當(dāng)雄站高寒草原化草甸生態(tài)系統(tǒng)碳水通量數(shù)據(jù)和常規(guī)氣象數(shù)據(jù),適用于氣候變化和高寒生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)研究。
本數(shù)據(jù)集由中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)綜合研究中心和中國通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFL UX)綜合研究中心提供數(shù)據(jù)共享資源,用戶可登錄數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站(http://www.cnern.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。也可登錄http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02 或者h(yuǎn)ttp://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00248 訪問數(shù)據(jù)集信息。
致 謝
感謝當(dāng)雄野外臺(tái)站老師們對(duì)儀器和數(shù)據(jù)的維護(hù),感謝現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員、數(shù)據(jù)管理人員以及臺(tái)站負(fù)責(zé)人對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的辛苦付出。
數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)
柴曦,女,博士,研究方向?yàn)楦吆鷳B(tài)系統(tǒng)碳通量機(jī)理機(jī)制研究。主要承擔(dān)工作數(shù)據(jù)整理和文章撰寫。
何永濤,男,副研究員,研究方向?yàn)榍嗖馗咴吆鷳B(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測(cè)與研究。主要承擔(dān)工作:臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)維護(hù),協(xié)助數(shù)據(jù)整理。
石培禮,男,研究員,研究方向?yàn)橹参锷砩鷳B(tài)學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作:負(fù)責(zé)當(dāng)雄通量站研究計(jì)劃的設(shè)計(jì)和觀測(cè)實(shí)施。
張憲洲,男,研究員,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變化的響應(yīng)與適應(yīng)。主要承擔(dān)工作:當(dāng)雄站通量研究方向指導(dǎo)。
牛犇,男,博士,研究方向?yàn)樘佳h(huán)與氣候變化。主要承擔(dān)工作:協(xié)助數(shù)據(jù)整理。
張雷明,男,副研究員,研究方向?yàn)殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳水交換和全球氣候變化。主要承擔(dān)工作:通量數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。
陳智,女,博士,研究方向?yàn)殛懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)碳水交換。主要承擔(dān)工作:協(xié)助數(shù)據(jù)整理。