郝彥賓，張雷明，孫曉敏，于貴瑞，陳智＊，王艷芬＊

1.中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100049

2.燕山地球關(guān)鍵帶與地表通量國家野外科學(xué)觀測研究站，北京 101408

3.中國科學(xué)院青藏高原研究所青藏高原地球科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，北京 100101

4.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

引 言

草原生態(tài)系統(tǒng)作為全球生態(tài)系統(tǒng)的重要類型，不僅是世界分布面積最廣的自然植被類型，而且也是陸地和大氣間物質(zhì)和能量交換的重要生態(tài)系統(tǒng)，其碳收支的動態(tài)變化研究在全球變化背景下準(zhǔn)確估算碳收支平衡中起著重要的作用[1-2]。與其他生態(tài)系統(tǒng)類型相比，由于對諸如降水等環(huán)境因子變化非常敏感，總初級生產(chǎn)力（Gross primary productivity）在不同的時空尺度上表現(xiàn)出大的季節(jié)和年際變化，因此在確定草原生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯功能及其驅(qū)動機(jī)制方面存在著很大的限制和不確定性[3-4]。溫帶典型草原作為我國歐亞大陸草原中最具有代表性和典型性的草原類型之一，其覆蓋面積約有4.1×107hm2，約占國土總面積的10.5%。它不僅是我國重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)地，而且對全球和局地輻射和能量交換具有重要的影響意義，對我國北方氣候有著特殊的影響[5]。放牧和圍封管理是該生態(tài)系統(tǒng)兩種重要的利用方式。尤其是圍封禁牧管理，是退化草地恢復(fù)與重建的重要措施之一。其生態(tài)效應(yīng)不僅體現(xiàn)為高效的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，而且也表現(xiàn)為其凈固碳功能的大小。因此，長期的、連續(xù)有效的碳水通量觀測，對評價其在陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳功能和對氣候反饋?zhàn)饔玫拇笮”夭豢缮賉6]。

基于微氣象學(xué)理論的渦度相關(guān)技術(shù)使精確、長期連續(xù)的測定大氣與生態(tài)系統(tǒng)碳水交換通量得以實(shí)現(xiàn)，對精確評價全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯/碳源的功能以及全球碳循環(huán)模型的發(fā)展起著舉足輕重的作用。它不僅讓生態(tài)系統(tǒng)尺度與大氣之間水熱通量和溫室氣體交換功能和過程的直接測定成為現(xiàn)實(shí)[7-9]，而且成為國際通量觀測網(wǎng)絡(luò)（FLUXNET）和中國通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測的主要技術(shù)手段[10]。其觀測數(shù)據(jù)成為從局地、區(qū)域到全球尺度各種碳循環(huán)模型及有關(guān)遙感觀測的檢驗(yàn)和驗(yàn)證的依據(jù)[11-12]。

本數(shù)據(jù)集為2003-2010 年ChinaFLUX 內(nèi)蒙古錫林浩特站的碳水通量和常規(guī)氣象要素觀測數(shù)據(jù)集。研究站點(diǎn)位于中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站1979 年圍封樣地。數(shù)據(jù)集包含生態(tài)系統(tǒng)CO2通量、感熱通量、潛熱通量、空氣/土壤溫度、土壤濕度、降水、總輻射、凈輻射和光合有效輻射等觀測指標(biāo)，形成了半小時、日尺度、月尺度和年尺度4 類產(chǎn)品。雖然2003-2005 年的數(shù)據(jù)曾經(jīng)被共享，但是只是半小時和日尺度，長期的、系統(tǒng)的、多時間尺度的數(shù)據(jù)集并沒有被共享。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

內(nèi)蒙古錫林浩特通量站隸屬于ChianFLUX 2003 年正式建立的碳水通量聯(lián)合觀測研究的8 個觀測站點(diǎn)之一，于2003 年4 月底完成建設(shè)，是ChinaFLUX 的首批觀測臺站（表1）。測量系統(tǒng)主要包括一套開路渦度相關(guān)系統(tǒng)和一套常規(guī)氣象要素測量系統(tǒng)。渦度相關(guān)系統(tǒng)主要測量離地面2.5 m 高的CO2通量、潛熱和感熱通量，包括一個開路CO2/H2O遠(yuǎn)紅外CO2氣體分析儀（LI-7500,LI-COR,Lincoln,NE,USA）和一個三維超聲波測風(fēng)儀（CSAT3,Campbell Scientific Inc,MS,USA）。采樣頻率是10 Hz，每半個小時平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器中（CR5000,Campbell Scientific Inc,MS,USA）。

表1 內(nèi)蒙古通量站經(jīng)緯度、植被和土壤的基本特征

常規(guī)氣象要素測定系統(tǒng)包括安裝在離地面1.5 m的輻射測定儀（CNR-1,Kipp & Zonen,NY,USA）和光量子測定儀（LI190SB，Li-COR，Lincoln，NE，USA），用于測量凈輻射和光合有效輻射。同時在離地面1.5 m 和2.5 m 處測量溫度、相對濕度（HMP45C，Vaisala，Woburn，MA，USA）和風(fēng)速。土壤溫度（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.5 m、1.0 m）、土壤含水量（地面以下0.05 m、0.2 m、0.5 m，DR，Campbell Scientific，Logan，UT，USA）、土壤熱通量（地面以下0.05 m,HFP01,HUKESEFLUX,Delft,Netherlands）、降水量等要素也同時監(jiān)測。每30min 輸出一組平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器（CR23X，Campbell Scientific，Logan，UT，USA）中。

1.2 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

通量站的所有數(shù)據(jù)處理是嚴(yán)格按照ChinaFLUX 技術(shù)體系完成碳水通量原始觀測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)、CO2通量數(shù)據(jù)拆分。因這些方法和步驟在張雷明等發(fā)表的《2003-2005 年中國通量觀測研究聯(lián)盟（ChinaFLUX）碳水通量觀測數(shù)據(jù)集》[10]中已有了詳細(xì)的描述，本數(shù)據(jù)集不再累述。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集由64 個Excel 文件組成，總數(shù)量為51.5 MB（表2），包括2003-2010 年共8 年半小時、日、月和年尺度4 個時間尺度的碳水通量和氣象2 類數(shù)據(jù)。其中2003 年數(shù)據(jù)開始采集時間為4月。根據(jù)不同的時間尺度和數(shù)據(jù)要素不同，數(shù)據(jù)文件的名稱格式為“年份+臺站+數(shù)據(jù)類型+時間尺度.xlsx”，其中，“數(shù)據(jù)類型”分別為碳水通量和氣象數(shù)據(jù)，“時間類型”分別為半小時、日、月和年尺度。如“2010 年內(nèi)蒙古氣象30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”和“2010 年內(nèi)蒙古通量30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”。數(shù)據(jù)示例見表2、表3。

表2 通量觀測數(shù)據(jù)

表3 半小時氣象觀測數(shù)據(jù)

注：二層空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、水汽壓、輻射表示為儀器探頭安裝在土壤表面以上的高度，第一層低于第二層安裝高度，在數(shù)據(jù)集中表示為相應(yīng)的縮寫+層高度，例如空氣第一層和第二層溫度分別表示為Ta_1_AVG 和Ta_2_AVG。五層土壤溫度采用類似的表示方法，第一層表示為Ts_107_1 AVG，以此類推。第一層和第二層安裝高度分別為1.5 m 和2.5 m 和測量深度分別為0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.50 m 和1.0 m。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本數(shù)據(jù)集的所有數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照ChinaFLUX 的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范和要求進(jìn)行質(zhì)量保證。從觀測、采集、質(zhì)控、處理和存儲方面均嚴(yán)格遵循ChinaFLUX 的技術(shù)體系[2]。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

基于全球通量觀測研究領(lǐng)域普遍使用的質(zhì)量評價方法，對數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量開展系統(tǒng)評價。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)速的協(xié)譜在慣性子區(qū)內(nèi)也基本符合-4/3 定律[10]。能力閉合分析表明，內(nèi)蒙古臺站的能量平衡比率平均為0.68，其值與全球通量觀測臺站能量平衡比率基本相同[7]。

在半小時尺度上，8 年的CO2通量、潛熱通量和顯熱通量的有效數(shù)據(jù)比例分別為53.7% ±16.7%，67.3% ± 19.2%和69.2% ±19.1%（表4）。數(shù)據(jù)缺失的部分主要是在非生長季（10 月至翌年4 月），主要原因是冬天低溫，電量供應(yīng)不足。儀器故障和維修是生長季數(shù)據(jù)缺失的主要原因。特別是2009 年由于人為破壞，儀器維修時間過長導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失明顯。此外，降雨、夜間摩擦風(fēng)速過低，異常數(shù)據(jù)較多也會造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的缺失。

表4 半小時尺度內(nèi)蒙古站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后的有效數(shù)據(jù)比例（%）

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，用戶登錄數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站（http://www.cnern.org.cn）后，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、在線申請頁面。也可登錄Science Data Bank（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.996）訪問數(shù)據(jù)集信息。

通量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制與處理是國際通量觀測研究的基礎(chǔ)性和必要性內(nèi)容，同時也是目前尚未得到妥善解決的重要議題。因此，在本數(shù)據(jù)集使用過程中需要注意以下2 個方面：

（1）本數(shù)據(jù)集是基于目前ChinaFLUX 數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和處理技術(shù)程序進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理，由于對基于渦度相關(guān)技術(shù)測量的碳水通量數(shù)據(jù)處理方法的多樣化，使用不同的數(shù)據(jù)處理方法取得的結(jié)果之間會存在一定的差異，共享的數(shù)據(jù)可能與臺站自行經(jīng)過數(shù)據(jù)處理發(fā)表的文章中的研究結(jié)果存在一定程度的差異。

（2）缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)必然會引起不確定性。由于本數(shù)據(jù)集包括了從半小時到年尺度的四類數(shù)據(jù)，尤其是日、月和年尺度是以半小時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的數(shù)據(jù)累積求和，所以，以半小時為步長測量的數(shù)據(jù)的精確性和完整性影響了更大時間尺度的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。不管是用于模型驗(yàn)證還是研究碳水過程的控制機(jī)制研究，建議以半小時步長未插補(bǔ)的數(shù)據(jù)集為準(zhǔn)。如果估算草地生態(tài)系統(tǒng)的多年平均凈固碳量，建議優(yōu)先選擇2003-2008 年的數(shù)據(jù)。

致 謝

感謝ChinaFLUX 和中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的大力支持。同時也感謝ChinaFLUX 聯(lián)盟其他首批觀測站點(diǎn)的大力協(xié)助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

郝彥賓（1976—），男，教授，研究方向?yàn)椴菰鷳B(tài)系統(tǒng)碳氮水循環(huán)和極端氣候。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)的采集、質(zhì)量控制和論文撰寫。

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)過程與全球變化。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。

孫曉敏（1957—），男，研究員，研究方向?yàn)榈乇硗康膮^(qū)域遙感反演。主要承擔(dān)工作：ChinaFLUX 技術(shù)體系構(gòu)建。

于貴瑞（1959—），男，院士，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：ChinaFLUX 的總體運(yùn)行與科學(xué)發(fā)展。

陳智（1986—），女，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。王艷芬（1969—），女，教授，研究方向?yàn)橥嘶莸嘏c恢復(fù)。主要承擔(dān)工作：內(nèi)蒙通量站的的運(yùn)行。