陳智，于貴瑞，朱先進，張雷明，王秋鳳

1.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

2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，燕山地球關(guān)鍵帶與地表通量觀測研究站，北京 101408

3.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，沈陽 110161

引 言

生態(tài)系統(tǒng)總初級生產(chǎn)力、總呼吸和凈生產(chǎn)力是生態(tài)系統(tǒng)尺度碳交換通量的三個重要組分，他們直接反映了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)生產(chǎn)能力、固碳效應(yīng)以及氣候調(diào)節(jié)強度的生態(tài)系統(tǒng)功能[1]。研究表明，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的總初級生產(chǎn)力約為110-130 Pg C yr-1[2-4]，是全球人類活動的年碳排放量的10 倍[5]。精確的動態(tài)監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的碳交換通量組分成為碳循環(huán)與全球變化研究的核心任務(wù)和科學(xué)基礎(chǔ)。

渦度協(xié)方差技術(shù)（Eddy Covariance Technique）能夠連續(xù)有效地高頻率測定生態(tài)系統(tǒng)冠層與大氣間的碳交換通量[6-7]。1990 年，Wolfsy 等[8]首次將其應(yīng)用于美國Harvard 森林的生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳通量觀測，從此開啟了渦度協(xié)方差技術(shù)應(yīng)用的新紀(jì)元。隨后，渦度協(xié)方差技術(shù)在美洲和歐洲區(qū)域得到大力發(fā)展，相繼在多種生態(tài)系統(tǒng)類型里開展連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)碳水交換通量觀測。1993 年，在日本Takayama 試驗站建立起亞洲區(qū)域首個通量觀測站點[9]。隨后，在韓國、中國、蒙古、馬來西亞、泰國、印度尼西亞等國家相繼展開生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究。目前，在亞洲區(qū)域已建立110 余個在線注冊的長期通量觀測站點[10]。對于這些寶貴的實測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性整編，將有效促進對亞洲區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳收支狀況、地理格局和對全球變化響應(yīng)的認(rèn)知。

本研究擬通過對亞洲區(qū)域公開發(fā)表的文獻資料的收集整理，構(gòu)建亞洲區(qū)域典型陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量組分觀測數(shù)據(jù)集，并實現(xiàn)公開共享，以期為區(qū)域和全球的生態(tài)系統(tǒng)固碳效益評估、資源環(huán)境承載力評價、氣候變化研究以及生物地球化學(xué)循環(huán)模型的優(yōu)化等提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方式

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集了截至2020 年6 月，在亞洲區(qū)域開展的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測研究的公開發(fā)表論文。首先，基于Web of Science 數(shù)據(jù)庫（http://apps.webofknowledge.com），以“eddy covariance/ eddy correlation & carbon flux/ carbon exchange/ carbon budget/ gross primary production/ GPP/ net ecosystem production/ NEP/ net ecosystem exchange/ NEE & Asia”作為檢索條件檢索文獻。其次，查閱亞洲通量網(wǎng)的觀測站點列表[10]，根據(jù)站點名稱再次檢索，以“eddy covariance/ eddy correlation & carbon flux/ carbon exchange/ carbon budget/ gross primary production/ GPP/ net ecosystem production/ NEP/ net ecosystem exchange/ NEE & 站點名稱”作為檢索條件檢索文獻。最后，根據(jù)站點所屬的國家名稱進行補充檢索，以“eddy covariance/ eddy correlation & carbon flux/ carbon exchange/ carbon budget/gross primary production/ GPP/ net ecosystem production/ NEP/ net ecosystem exchange/ NEE & 國家名（如Japan,Korea,Indonesia,etc.）”作為檢索條件檢索文獻。

對于檢索獲取的文獻通過以下標(biāo)準(zhǔn)逐一進行篩選：（1）正式發(fā)表的研究性論文；（2）碳通量統(tǒng)一采用渦度相關(guān)技術(shù)方法測定；（3）具有完整有效的年值觀測數(shù)據(jù)，包括GPP、RE 和NEP；（4）進行了三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、Webb-Pearman-Leuning（WPL）校正、摩擦風(fēng)速剔除、儲存項校正等通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[11-14]；（5）具有明確的地理坐標(biāo)、植被類型、觀測起始時間和觀測儀器設(shè)置等信息。通過以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共獲取了亞洲區(qū)域45 個典型陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳通量觀測數(shù)據(jù)。涵蓋了從熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶、北方林和亞極地7 個氣候區(qū)，隸屬于日本、韓國、泰國、馬來西亞、印度、印度尼西亞、越南、菲律賓、以色列、蒙古、俄羅斯，包括29 個森林生態(tài)系統(tǒng)、10 個草地生態(tài)系統(tǒng)、4 個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和2 個濕地生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)整理

對于篩選出的文獻資料，采用Get Data Graph Digitizer 軟件提取每篇文獻的月尺度或年尺度的總初級生產(chǎn)力GPP、生態(tài)系統(tǒng)呼吸RE 和凈生產(chǎn)力NEP 數(shù)據(jù)。對于只給出月觀測值的站點，將月觀測值進行加和計算年值；對于給出生長季和非生長季觀測值的站點，將生長季和生長季的觀測值進行加和計算年值；對于報道多年觀測值的站點，逐一提取每一年的年總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力。其次，對于提取的年總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一單位換算，將g CO2m-2yr-1、kg C m-2yr-1、kg CO2m-2yr-1的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為g C m-2yr-1。最后對提取的多年觀測值進行算術(shù)平均，求算每個站點的多年平均總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力[15]。

同時，提取每個觀測站點的地理位置、氣候類型、生態(tài)系統(tǒng)類型、植被類型和觀測時間等信息。地理位置統(tǒng)一提取通量觀測塔所在的經(jīng)緯度和海拔高度。對于缺失地理位置信息的站點或位置不清（如僅給出經(jīng)緯度區(qū)間）的站點，再基于觀測站點名稱進一步查閱相關(guān)資料進行補充。此外，提取每個觀測站點觀測期間的年均氣溫和年總降水量等氣候因子指標(biāo)。氣象數(shù)據(jù)缺失的站點，首先基于觀測站點名稱進一步查閱相關(guān)文獻資料進行補充。其次采用其觀測期間臨近氣象站點的數(shù)據(jù)進行插補。插補數(shù)據(jù)統(tǒng)一來自全球地表氣象數(shù)據(jù)（ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/）。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集共包含了來自亞洲區(qū)域的45 個典型生態(tài)系統(tǒng)的總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力的1990-2015 年的觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)集的觀測列表依次為序號、站點名稱、所屬國家、氣候類型、緯度、經(jīng)度、海拔、生態(tài)系統(tǒng)類型、植被類型、森林類別、年均氣溫、年均總降水量、觀測年份、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和文獻出處（表1）。

表1 亞洲區(qū)域陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量組分?jǐn)?shù)據(jù)集列表項及單位說明

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評估

本數(shù)據(jù)集來源于公開發(fā)表的文獻。對于收集的文獻數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫選擇、關(guān)鍵詞檢索、文獻篩選、數(shù)據(jù)提取和統(tǒng)計整理各個過程都對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行了控制[15]。

文獻篩選的質(zhì)量控制：基于Web of Science 權(quán)威的文獻數(shù)據(jù)庫進行檢索，保證了文獻來源的質(zhì)量；限定在正式發(fā)表的研究性論文，排除了非正式的會議摘要或會議論文，保證了數(shù)據(jù)結(jié)果的認(rèn)可度；鎖定以“渦度相關(guān)技術(shù)”作為關(guān)鍵詞進行檢索，排除了不同觀測方法的影響，保證了數(shù)據(jù)采集方法的一致性與結(jié)果的可比性；對獲取的檢索文獻又通過以下標(biāo)準(zhǔn)進行篩選：必須進行了三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、WPL 校正、儲存項校正、異常值剔除等通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程，并且要求必須完整的1 年以上連續(xù)有效數(shù)據(jù)，保證了原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)提取和整理的質(zhì)量控制：對提取的數(shù)據(jù)進行單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)化；統(tǒng)一基于算術(shù)平均算法求算各觀測點的多年平均總初級生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和凈生產(chǎn)力；對于缺失的氣象數(shù)據(jù)，則統(tǒng)一采用全球地表氣象數(shù)據(jù)庫里同一觀測期間臨近氣象站點的氣象數(shù)據(jù)進行插補，保證了數(shù)據(jù)處理的一致性。

數(shù)據(jù)審核：整理完畢的數(shù)據(jù)集，先由數(shù)據(jù)整理者逐一查閱每篇文獻原始出處核對提取的數(shù)據(jù)，再由多名數(shù)據(jù)整理者隨機交叉抽取文獻進行復(fù)查和檢驗，最后交付給評審專家進行最終的審核和修訂，保證數(shù)據(jù)集的正確和可靠[15]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量評估：本研究收集的碳通量組分?jǐn)?shù)據(jù)仍存在一定程度的不確定性，主要來自于以下兩個方面[15]：（1）渦度相關(guān)技術(shù)測定誤差。由于復(fù)雜地形、大氣穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)采集頻率響應(yīng)、夜間泄流等影響，使測定結(jié)果存在一定的系統(tǒng)誤差[16]。（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析誤差。由于地形地貌、植被類型和數(shù)據(jù)缺失程度的不同，每個站點采用不同的數(shù)據(jù)校正和插補方法，給分析結(jié)果引入了一定的系統(tǒng)誤差。目前缺失數(shù)據(jù)的插補主要采用有平均日變化法、查表法和非線性回歸法。研究結(jié)果表明，這3種不同的插補方法獲取的插補結(jié)果無顯著差異，對年總NEE 的影響在± 25 gCm-2yr-1的范圍內(nèi)[17]。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

建立的亞洲區(qū)域典型陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量組分?jǐn)?shù)據(jù)集，是國內(nèi)最新的覆蓋整個亞洲區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)尺度碳通量的文獻整合數(shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)集涵蓋了亞洲區(qū)域45 個典型陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和呼吸速率特征值，這一數(shù)據(jù)集可為亞洲區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)固碳效益評估、碳循環(huán)對全球變化響應(yīng)研究以及區(qū)域碳循環(huán)模型的優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)于本數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制和處理方法的相關(guān)信息可參考文獻[15,18]。

需要使用本數(shù)據(jù)集的讀者，可以登錄國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站（http://www.cnern.org.cn）。登錄系統(tǒng)后，在首頁點擊“數(shù)據(jù)論文數(shù)據(jù)”圖表或在“數(shù)據(jù)資源”欄目選擇“數(shù)據(jù)論文數(shù)據(jù)”，進入相應(yīng)頁面下載數(shù)據(jù)。用戶也可以登錄 Science Data Bank（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00242）查詢相關(guān)信息。

致 謝

感謝本數(shù)據(jù)集中每位數(shù)據(jù)觀測者、管理者和分析者的辛苦工作！感謝亞洲通量網(wǎng)和中國通量網(wǎng)的技術(shù)支持！

作者分工職責(zé)

陳智（1986—），女，博士，副研究員，主要研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與全球變化。主要承擔(dān)工作：文獻數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)整理與質(zhì)量控制、論文撰寫。

于貴瑞（1959—），男，博士，院士，研究方向為生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、全球變化與碳氮水循環(huán)。主要承擔(dān)工作：總體方案設(shè)計、論文修改。

朱先進（1985—），男，博士，副教授，研究方向為全球變化與碳水循環(huán)。主要承擔(dān)工作：文獻數(shù)據(jù)收集、論文修改。

張雷明（1974—），男，博士，副研究員，研究方向為全球變化與碳水循環(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、論文修改。

王秋鳳（1973—），女，博士，研究員，研究方向為全球變化與碳氮水循環(huán)。主要承擔(dān)工作：論文的修改。