起德花，費學海，宋清海，張一平＊，沙麗清＊，劉運通，周文君，魯志云,3，范澤鑫,3

1.中國科學院熱帶森林生態(tài)學重點實驗室(中國科學院西雙版納熱帶植物園)，云南勐臘666303

2.貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴陽 550025

3.中國科學院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站，云南景東 676209

★ 起德花、費學海為論文并列第一作者（qidehua@xtbg.ac.cn ；feixuehai@gzu.edu.cn）

引 言

亞熱帶常綠闊葉林主要分布在東亞，特別是在中國有著廣泛分布區(qū)域。位于云南高原西南部、橫斷山區(qū)南段的哀牢山地區(qū)分布著目前世界上保存最完整的亞熱帶常綠闊葉林[1]，同時它也是目前世界上樹齡較長（約130 年以上）和面積較大（約504 km2）的常綠闊葉林，具有亞熱帶高原特色，其區(qū)系成分復雜、植物種類豐富、垂直帶譜完整、群落類型多樣、過渡性特征明顯，主要優(yōu)勢種為騰沖栲（Castan-opsis wattii）、景東石櫟（L.chintungensis）、滇木荷（Schima noronhae）、木果柯（Lithocarpus xylocarpus）、綠葉潤楠（Machilus viridis）、紅花木蓮（Manglietia in-signis）[2]、米飯樹（Vaccinum duclouxii）、箭竹（Sinnnarundinaria nitida）、細梗苔草（Carex teinogyna）、滇西瘤足蕨（Pla-giogyria communis）等，喬、灌、草垂直分層明顯，形成奇特的森林景觀。在亞熱帶常綠闊葉林分布區(qū)域具有“冬暖夏涼”氣候特征。亞熱帶常綠闊葉林作為陸地重要的植被類型，在固碳增匯、調(diào)節(jié)氣候、保持水土、維持生物多樣性等方面具有重要作用[3]。

哀牢山生態(tài)站作為國家野外臺站和中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡的基礎觀測站點，其對監(jiān)測、研究和保護亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，同時，為生物多樣性保護和可持續(xù)發(fā)展等前沿性生態(tài)學問題提供數(shù)據(jù)支撐[4]?；谥袊坑^測研究網(wǎng)絡（ChinaFLUX）數(shù)據(jù)處理體系，整理了2009-2013 年哀牢山亞熱帶常綠闊葉林通量和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集可以為我們評價生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化貢獻、預測全球區(qū)域性氣候變化趨勢、開展亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量交換特征、亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構與功能、物質(zhì)和能量循環(huán)、生物資源可持續(xù)利用、氣候變化區(qū)域碳收支管理政策等方面研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通量塔位于哀牢山北段國家級自然保護區(qū)徐家壩地區(qū)——中國科學院哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站（101°1′44″E，24°32′17″N[5]，海拔高2400-2600 m）。根據(jù)哀牢山站長期監(jiān)測資料，年平均降雨量為1931 mm，受西南季風影響，干、濕季分明，85%的降雨集中在雨季（5-10 月），雨季相對濕度在90% 以上，年平均蒸發(fā)量為1485 mm，年平均溫度為11.3℃，最熱月（7 月）氣溫為16.4 ℃，最冷月（1 月）氣溫為5.4 ℃，無霜期約200 d。土壤為典型的黃棕壤，偏酸性（pH 為4.4-4.9）、土壤肥沃，表土層透水性良好，涵養(yǎng)水的能力很強，土壤表面由厚度為3-7 cm 凋落物層覆蓋，土壤有機碳、全磷和全氮、全鉀含量分別為12.91%、0.06%、0.52%和0.37%，土壤深度為30-50 cm 的碳氮比為15.3[6]，土壤表面的碳氮比為14.4。

通量塔于2008 年底正式投入使用，塔高34.0 m。安裝的儀器主要包括：（1）平均溫度、濕度、風速和PAR 廓線系統(tǒng)；（2）渦度相關系統(tǒng)（安裝高度34.0 m）；（3）土壤熱通量測量系統(tǒng)和土壤溫度；（4）以及其它氣象梯度觀測系統(tǒng)。

渦度相關系統(tǒng)主要由三維超聲風速儀和開路CO2/H2O 紅外氣體分析儀構成?？諝鉁囟群蜐穸扔蓽貪裼嫓y得[7]，共安裝了7 層（1.5，10.0，18.0，24.0，30.0，34.0 m），測風速的儀器安裝層數(shù)和高度與溫濕度相同。在塔頂安裝了風向測量儀和雨量計。此外，塔上安裝了5 層（1.9、4.3、10.8、19.0、28.6 m）光合有效輻射儀。其中 19.0 m 和28.6 m 的高度分別位于鐵塔周圍喬木層上層林冠的頂部和底部，4.3 m 與10.8 m 分別位于亞層林冠的頂部和底部，而1.9 m 位于灌木層的中間位置。土壤濕度和溫度分別由土壤濕度傳感器（CS616_L）和土壤溫度傳感器（105T/107L）測量而得。此外，土壤熱通量數(shù)據(jù)由埋在通量塔南-北兩方位的兩塊土壤熱通量板獲得。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

觀測系統(tǒng)的渦度相關和氣象梯度觀測數(shù)據(jù)采樣頻率均為10 Hz，所采集到的數(shù)據(jù)由CR5000 數(shù)據(jù)采集器記錄并實時傳輸?shù)綄Ｓ秒娔X存儲。為了保證數(shù)據(jù)可比性和準確性，提升研究結(jié)果可靠性，對所有儀器設備進行定期校對和維護。各觀測項目測定所用儀器及型號、儀器制造商，以及數(shù)據(jù)采集傳感器及其廠家等相關信息見表1，氣象數(shù)據(jù)觀測高度見表2。

表1 觀測項目所用分析儀相關信息

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

經(jīng)過渦動相關處理后得到的CO2通量數(shù)據(jù)的時間間隔為 30 min[8]，數(shù)據(jù)處理基本基于ChinaFLUX 流程與標準[9-10]，在獲得湍流通量之前，數(shù)據(jù)進行了嚴格的質(zhì)量控制，詳細介紹可參見費學海等[11]。數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

圖1 渦度相關系統(tǒng)30 min 碳水通量數(shù)據(jù)處理流程數(shù)據(jù)（改自文獻[11]）

數(shù)據(jù)質(zhì)量保證/質(zhì)量控制：

（1）數(shù)據(jù)校正——坐標軸旋轉(zhuǎn)（采用自然風系統(tǒng)三次旋轉(zhuǎn)方法）、WPL 校正；

（2）數(shù)據(jù)的篩選，對摩擦風速u* < 0.2 m/s 的通量數(shù)據(jù)進行剔除；對有降雨發(fā)生的通量和CO2濃度數(shù)據(jù)進行了剔除；對輸出30 min 的通量值為-9999,1.#IND,1.#INF,NAN（-9999,1.#IND,1.#INF,NAN 均表示儀器故障、維護、檢修等原因，某時刻缺測值）數(shù)據(jù)進行剔除，對明顯超過其正常范圍的數(shù)據(jù)進行刪除；對X ＞ |M ±5d|（X 代表要判斷的當前數(shù)值，M、d 分別代表5 天數(shù)據(jù)的平均值M和方差d）的數(shù)據(jù)進行剔除；

缺失數(shù)據(jù)插補：缺失數(shù)據(jù)的插補主要分以下3 種情況：

（1）對于短時間（小于2 小時）內(nèi)缺失的通量和氣象觀測數(shù)據(jù)：采用內(nèi)插的方式完成插補；

（2）對于長時間缺失的氣象數(shù)據(jù)：采用日平均值法[12]，將缺失數(shù)據(jù)日前后各4 天（共8 天）每半小時的平均值求出，對缺失的時段進行相應插補，潛熱和顯熱通量的缺失值則通過建立其與凈輻射之間經(jīng)驗回歸關系式（對白天、夜間和不同季節(jié)分別進行擬和）進行插補；

（3）對于由于儀器故障，系統(tǒng)校正，天氣狀況和剔除野點造成的數(shù)據(jù)的缺失，使用非線性回歸法進行插補。

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，基于夜間觀測數(shù)據(jù)，采用和缺失數(shù)據(jù)插補時相同的回歸方程，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，利用插補完成的白天CO2通量數(shù)據(jù)和估算的同時刻生態(tài)系統(tǒng)呼吸，求和得到總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

在獲得完整的30 min 數(shù)據(jù)后，將凈生態(tài)系統(tǒng)碳通量（NEE）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸量（Re）、生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力（GPP）等累加求和，得到日、月、年不同時間尺度上的通量（GEE）數(shù)據(jù)[13]。

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)集為哀牢山亞熱帶常綠闊葉林2009-2013 年連續(xù)5 年的碳水通量觀測數(shù)據(jù)，每年有8 個EXCEL 數(shù)據(jù)文件，分為兩類數(shù)據(jù)文件，一類常規(guī)氣象數(shù)據(jù)文件，一類通量數(shù)據(jù)文件。每年每類數(shù)據(jù)文件各有4 個，即30 min、日、月和年尺度，總共40 個文件，總數(shù)據(jù)量21.7 MB。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以2009 年數(shù)據(jù)文件為例，表2 為2009 年哀牢山亞熱帶常綠闊葉林通量塔30 min 氣象數(shù)據(jù)表頭說明（由于30 min 降雨量不準，因此在30 min 尺度氣象數(shù)據(jù)中未加入降雨數(shù)據(jù)，經(jīng)過校正后的降雨量在其他尺度的氣象數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)）。表3 為2009 年哀牢山亞熱帶常綠闊葉林通量塔不同時間尺度通量數(shù)據(jù)表頭說明，所有數(shù)據(jù)均是以數(shù)字形式呈現(xiàn)。

表2 氣象數(shù)據(jù)表說明及指標觀測高度

表3 通量數(shù)據(jù)表說明

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

半小時尺度上，不同年份之間凈生態(tài)系統(tǒng)碳通量（NEE）、潛熱通量（LE）和顯熱通量（Hs）有效觀測數(shù)據(jù)比例分別為69.7%-72.9%、83.5%-87.9%、73.4%-87.0%，其中，除2010 年凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有效數(shù)據(jù)比例在69.7%外，其余年份凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、潛熱通量和顯熱通量有效數(shù)據(jù)比例均達到70%以上，且在相同年份下，LE 和Hs 有效數(shù)據(jù)比例均高于凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（圖2）。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

碳水通量數(shù)據(jù)集的時間范圍為2009-2013 年，本數(shù)據(jù)集可應用于全球氣候變化情形下的水分循環(huán)分析、不同森林類型的生態(tài)系統(tǒng)服務功能比較、林業(yè)經(jīng)營管理等相關領域，也可為亞熱帶常綠闊葉林生態(tài)系統(tǒng)碳水熱時空動態(tài)的科學認知、遙感反演、模型的開發(fā)、模型驗證提供地面觀測數(shù)據(jù)支撐。本數(shù)據(jù)集可通過鏈接ScienceDataBank在線服務網(wǎng)址（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.00186）下載數(shù)據(jù)；也可通過中國科學院西雙版納熱帶植物園哀牢山亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)研究站申請數(shù)據(jù)。

圖2 半小時尺度上不同年份質(zhì)控的有效通量數(shù)據(jù)比例（%）

為了便于不同站點數(shù)據(jù)的比較，基于ChinaFLUX 數(shù)據(jù)處理體系進行數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。但是本數(shù)據(jù)集在使用中需要注意以下2 個方面：

（1）由于不同方法處理結(jié)果之間存在一定的差異，共享的數(shù)據(jù)可能與臺站自行計算發(fā)表的文章中的研究結(jié)果存在一定的差異。

（2）缺失數(shù)據(jù)的插補必然引起不確定性。由于本數(shù)據(jù)集包括了從半小時到年尺度4 類數(shù)據(jù)，尤其是通量數(shù)據(jù)日、月和年尺度是以半小時數(shù)據(jù)為基礎進行的數(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)準確性。不管是用于模型驗證還是研究碳水過程的控制機制研究，建議以半小時步長未插補的數(shù)據(jù)集為準。

致 謝

哀牢山亞熱帶常綠闊葉林碳水通量觀測數(shù)據(jù)積累離不開中國科學院西雙版納熱帶植物園和哀牢山生態(tài)站的大力支持，哀牢山生態(tài)站承擔了通量和氣象觀測設備的野外維護和原始數(shù)據(jù)采集工作，為本數(shù)據(jù)集的生產(chǎn)做出了不可缺少的貢獻。同時感謝國家973 項目（2002CB412501、2010CB833501），國家自然科學基金（41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147、42075119）、國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0502105）、國家基金青年科學基金項目（40801035），中國科學院項目（KZCX1-SW-01-01A、KZCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04、XDA05050601），中國科學院“一三五”專項（方向一：2017XTBG-F01、突破一：2017XTBG-T01），云南省中青年學術和技術帶頭人后備人才項目（202005AC160003），云南省萬人計劃青年拔尖人才項目（宋清海），中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA19020302）等項目的資助，因有這些項目源源不斷的支持，哀牢山亞熱帶常綠闊葉林通量塔各個儀器探頭才得以正常運行，并能持續(xù)積累12 年標準化哀牢山亞熱帶常綠闊葉林碳水能量通量觀測數(shù)據(jù)集，特此致謝！

數(shù)據(jù)作者分工職責

起德花（1993—），女，云南省永仁縣人，碩士，研究助理，研究方向為全球變化。主要承擔工作：數(shù)據(jù)采集和處理。

費學海（1984—），男，貴州省貴陽市人，博士，講師，研究方向為氣候變化與生態(tài)響應。主要承擔工作：數(shù)據(jù)處理與撰寫論文。

宋清海（1979—），男，云南省昆明市人，博士，副研究員，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳水分配模式。主要承擔工作：碳水通量數(shù)據(jù)最終質(zhì)量控制。

張一平（1957—），男，云南省昆明市人，博士，研究員，研究方向為區(qū)域氣候變化。主要承擔工作：通量的總體運行與科學發(fā)展。

沙麗清（1963—），男，云南省昆明市人，博士，研究員，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程與全球變化。主要承擔工作：碳水通量數(shù)據(jù)綜合處理方法和技術途徑。

劉運通（1979—），男，云南省昆明市人，博士，副研究員，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳通量時空格局。主要承擔工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

周文君（1977—），女，云南省昆明市人，博士，副研究員，研究方向為數(shù)據(jù)挖掘與運用。主要承擔工作：數(shù)據(jù)集格式規(guī)范化、數(shù)據(jù)管理和服務。

魯志云（1982—），男，云南省云縣人，碩士，高級工程師，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)通量觀測與數(shù)據(jù)分析。主要承擔工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

范澤鑫（1980—），男，云南省昆明市人，博士，研究員，研究方向為數(shù)據(jù)庫運行。主要承擔工作：數(shù)據(jù)集格式規(guī)范化、數(shù)據(jù)管理和服務。

此外，楊東海、依濤香、羅奇等人主要承擔數(shù)據(jù)觀測、整理、初級質(zhì)控及上報。