2004-2009 年海北高寒濕地碳水熱通量觀測數(shù)據(jù)集

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

2.洛陽師范學院生命科學學院，洛陽 471934

3.中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101

引 言

青藏高原是中國“青藏高原生態(tài)屏障”的空間載體，被譽為“中華水塔”。高寒濕地是青藏高原的重要植被類型[1]，面積約為13.3×106hm2，在碳素固持、水源涵養(yǎng)及生物多樣性維持方面具有重要意義[2]。長期的科學觀測數(shù)據(jù)是認知高寒濕地碳、水、熱交換格局和內(nèi)在生態(tài)過程及關鍵生態(tài)功能評估的基礎。渦度相關法是目前唯一能直接測定大氣與下界面的碳水熱通量的標準方法，被國內(nèi)及國際通量觀測組織廣泛采用[3]。青海海北高寒草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（簡稱海北站）是國內(nèi)較早利用渦度相關技術開展碳水熱通量觀測的臺站之一，自2000 年陸續(xù)開展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸、高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌叢和高寒帕米爾苔草（Carexpamirensis）濕地的碳水熱通量觀測，積累了大量的原始觀測數(shù)據(jù)，填補了青藏高原通量觀測研究的空白，取得了豐碩的研究成果，為理解青藏高原高寒陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水功能及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供了翔實的數(shù)據(jù)支撐和重要貢獻[4-14]。

為了促進青藏高原生態(tài)系統(tǒng)碳水熱交換過程的科學認知及生態(tài)功能的精準評估，體現(xiàn)數(shù)據(jù)共享理念和挖掘數(shù)據(jù)潛在價值，海北站擬免費公開發(fā)表連續(xù)觀測的高寒濕地碳水熱通量及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。由于2010 年高寒濕地渦度相關系統(tǒng)的快速紅外氣體分析儀工作異常時段較多，導致該年度的通量有效觀測數(shù)據(jù)比例偏低，尤其是凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量和顯熱通量分別僅為8.2%和10.0%，數(shù)據(jù)可利用較低，海北站沒有共享該年度通量數(shù)據(jù)。因此碳水熱通量數(shù)據(jù)子集和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集的年份分別為2004-2009 年和2004-2010 年。本數(shù)據(jù)集包含碳水熱通量數(shù)據(jù)子集（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）和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集（空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、總輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標），時間尺度包括半小時、日、月和年。

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匣口，多年平均氣溫和降水分別為?1.7℃和580 mm，站區(qū)為典型的高原大陸性氣候，暖季溫暖多雨而短暫，冷季寒冷干燥而漫長。高寒濕地渦度相關觀測系統(tǒng)位于海北站東部約2 km 的高寒帕米爾苔草濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)（37°36′N、101°19′E，3200 m），始建于2003 年10 月，是中國通量觀測研究網(wǎng)絡（ChinaFLUX）的首批通量觀測站點之一。渦度相關系統(tǒng)的觀測區(qū)地勢平坦，可以滿足通量觀測“風浪區(qū)”的要求。研究區(qū)植被生長茂盛，分布均勻，外貌整齊，平均總蓋度約98%，冠層高度為25-50 cm。植被種類組成較為貧乏，約有25 種植物，多以寒冷濕生、多年生地下芽、具有發(fā)達通氣組織的草本植物莎草科、毛茛科為主。濕地中央以帕米爾苔草為建群種，邊緣以藏嵩草（K.tibetica）為建群種。濕地群落的主要優(yōu)勢種為帕米爾苔草、藏嵩草，次優(yōu)勢種有華扁穗草（Blysmus sinocompressus），黑褐苔草（C.atrofusca）等。在邊緣地帶還有大量的星狀風毛菊（Saussurea stilla）、青藏苔草（C.moorcropt）、乳白香青（Anaphalis lectea）、假龍膽（Gentianella limprichtii）、天山報春（Primula nutans Georgi）和斑唇馬先蒿（Pedicularis longiflora Rudolph var）等[11]。土壤類型為有機寒凍潛育土（Organic Cryic Gleysols）。研究區(qū)為冬季牧場，放牧強度約為每公頃4.0 羊單位，放牧時間約為10 月下旬至翌年5月上旬[12]。濕地植被群落2003-2005 年平均最大地上生物量（干物質(zhì)）和最大葉面積指數(shù)分別為8月下旬的331.3 g?m-2和7 月下旬的3.9 m2?m-2[15]。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

高寒濕地碳水熱通量數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)全部為儀器自動觀測并存儲在相應數(shù)據(jù)采集器中，具體的觀測儀器及型號、儀器制造商及數(shù)據(jù)采集器等相關信息詳見表1。碳水熱通量原始數(shù)據(jù)的采樣頻率為10 Hz，計算并存儲其30 min 的平均通量數(shù)據(jù)于CR5000 中；常規(guī)氣象要素的采樣頻率為1 min，計算并存儲30 min 的平均數(shù)據(jù)于CR23X 中。

表1 海北高寒濕地的觀測項目所用分析儀相關信息

1.3 數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工方法

為了保障數(shù)據(jù)質(zhì)量及數(shù)據(jù)的可對比度，本數(shù)據(jù)集從數(shù)據(jù)觀測、數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、處理方法等流程嚴格遵循ChinaFLUX 制定的標準化數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制技術體系[16-17]。具體內(nèi)容如下：

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：碳水熱通量的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要包括原始數(shù)據(jù)異常值剔除、超聲虛溫校正、坐標軸二次旋轉、WPL 密度校正、頻率損失校正、冠層儲存項校正、湍流穩(wěn)態(tài)測試；半小時通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制包括夜間摩擦風速閾值篩選、異常值剔除和降水時刻數(shù)據(jù)剔除以及能量閉合評價。用單點密度估算的方法表明冠層存儲項通量分別約占CO2通量、H2O 通量和顯熱通量的1.1%、0.09%和2.2%，因此本數(shù)據(jù)集的通量數(shù)據(jù)沒有進行儲存項校正。常規(guī)氣象數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要為閾值判別和異常值剔除。

缺失數(shù)據(jù)插補：由于通量觀測儀器自身的穩(wěn)定性和異常天氣的影響及其他不可控因素，野外觀測數(shù)據(jù)的缺失十分普遍，缺失數(shù)據(jù)的插補十分必要[18]。數(shù)據(jù)插補根據(jù)數(shù)據(jù)子集類別和缺失數(shù)據(jù)長短分別采用不同的方法進行插補。其中，短時間（小于2 小時）缺失的通量和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法進行插補；長時間缺失的氣象數(shù)據(jù)，基于海北站的自動氣象站同期的觀測資料（降水數(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相應數(shù)據(jù)的插補。

對于長時間缺失的水熱通量數(shù)據(jù)，采用水熱通量與凈輻射的線性回歸關系進行擬合、插補。對于長時間缺失的碳通量數(shù)據(jù)，采用有效通量數(shù)據(jù)和環(huán)境因子的非線性經(jīng)驗方程進行擬合、插補。其中夜間缺失數(shù)據(jù)利用CO2通量有效數(shù)據(jù)與5 cm 土壤溫度的Arrhenius 方程插補。白天缺失數(shù)據(jù)分兩種情況進行插補，在植被生長季中利用CO2通量數(shù)據(jù)與光合有效輻射的直角雙曲線方程插補。在非生長季中，首先采用夜間CO2通量數(shù)據(jù)和5 cm 土壤溫度的形成Arrhenius 方程，然后結合缺失數(shù)據(jù)對應的土壤溫度完成白天通量的插補。碳水熱缺失通量數(shù)據(jù)的最小插補時間窗口為7 天。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：基于邊際分布采樣法的原理將觀測的凈生態(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。首先，依據(jù)夜間CO2通量數(shù)據(jù)與土壤溫度擬合的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）；其次，利用插補完成的白天CO2通量數(shù)據(jù)和估算的同時刻白天生態(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）[17]。生態(tài)系統(tǒng)CO2呼吸通量為生態(tài)系統(tǒng)夜間呼吸通量和白天呼吸通量之和。

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)集為高寒濕地碳水熱通量觀測數(shù)據(jù)，分別為2004-2009 年通量數(shù)據(jù)子集和2004-2010 年常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集兩類數(shù)據(jù)文件，每類數(shù)據(jù)文件均有半小時、日、月和年4 個時間尺度。因此，高寒濕地碳水熱通量數(shù)據(jù)集內(nèi)含52 個文件，總數(shù)據(jù)量34 MB。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以2004 年數(shù)據(jù)文件為例，表2、表3 分別為海北站高寒濕地碳水熱通量和常規(guī)氣象數(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 海北站高寒濕地通量數(shù)據(jù)表說明

注：該表為30 min 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 min 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。

表3 海北高寒濕地常規(guī)氣象數(shù)據(jù)表說明及指標觀測高度

注：日尺度數(shù)據(jù)表中無時、分、秒3 列數(shù)據(jù)項，月尺度數(shù)據(jù)表中無日、時、分、秒4 列數(shù)據(jù)項，年尺度數(shù)據(jù)表中沒有月、日、時、分、秒5 列數(shù)據(jù)項。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

2004-2009 年，經(jīng)過30 min 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和異常值剔除后，高寒濕地數(shù)據(jù)集凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量、潛熱通量、顯熱通量的平均有效觀測數(shù)據(jù)比例分別為42.4%、52.7%和55.0%，其中凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換通量有效觀測數(shù)據(jù)比例的最低年份和最高年份分別為2007年的34.1%和2004年的48.3%，兩者之差為14.2%，而潛熱通量和顯熱通量有效觀測數(shù)據(jù)比例的最低年份與最高年份分別為2009 年的44.2%和47.8%與2008 年的63.9%和67.4%，兩者相差約為10%（表4）。

表4 海北高寒濕地半小時碳水熱通量的有效觀測數(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平臺的國家生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心（http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYC_A02）發(fā)布。用戶注冊、登錄系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)資源欄搜索“海北站濕地”，即可下載半小時、日、月和年等時間尺度的碳水熱通量及常規(guī)氣象數(shù)據(jù)。也可登錄Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1010）訪問和下載。本數(shù)據(jù)集可以用于高寒濕地碳水收支評價和相關過程模型開發(fā)、驗證及對比等研究。另外，需要說明的是由于異常值剔除標準和插值方法及計算平臺等因素的差異，會對碳水熱通量計算結果產(chǎn)生較大影響[18]，本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)可能和相關研究人員的計算結果并不完全相同[7,9,12]，因此相關研究人員在數(shù)據(jù)集使用和結果認知上需要謹慎。

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

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)學研究。主要承擔工作：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。主要承擔工作：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。主要承擔工作：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。主要承擔工作：數(shù)據(jù)分析和質(zhì)量控制。