2020–2021 年北京燕山山地丘陵區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集

杜劍卿, 羅文杏, 安兆渤, 張雷明, 黃輝, 郝彥賓,＊,王艷芬

1.北京燕山地球關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，北京 101408

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，生命科學(xué)學(xué)院，北京 100049

4.中國(guó)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(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101

5.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所，國(guó)家林草局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091

6.河南黃河小浪底關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，河南濟(jì)源 454650

引 言

長(zhǎng)期、連續(xù)的碳水通量觀測(cè)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳功能及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)和反饋研究至關(guān)重要[1]。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，基于微氣象學(xué)理論的渦度相關(guān)技術(shù)使長(zhǎng)期連續(xù)并精確地測(cè)定大氣與生態(tài)系統(tǒng)間碳水交換通量成為現(xiàn)實(shí)[2-4]，為系統(tǒng)評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳能力提供了科學(xué)依據(jù)。

燕山地區(qū)以森林與灌叢生態(tài)系統(tǒng)為主，是中國(guó)華北地區(qū)的主要固碳功能區(qū)[5], 是京津唐地區(qū)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)能夠依托的最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)。目前，關(guān)于燕山固碳功能的研究多關(guān)注森林生態(tài)系統(tǒng)，特別是人工針葉林，已有研究指出其具有較強(qiáng)的固碳功能[6]，9 年、13 年、33 年、43 年生人工針葉林的生物碳貯量分別為21.97、34.14、55.62 和141.70 t hm-2[7]，隨林齡的增加呈加速上升趨勢(shì)。同時(shí)，這一趨勢(shì)也體現(xiàn)在土壤碳儲(chǔ)量上[8]，表明燕山地區(qū)仍具有較大的碳匯潛力。這些研究多基于對(duì)不同林齡森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究結(jié)果估算，或是通過(guò)遙感模型的估算[9]，缺乏局地尺度上碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。究其原因，燕山地區(qū)的通量觀測(cè)站點(diǎn)普遍位于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，少有對(duì)其它類(lèi)型生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期觀測(cè)，特別是區(qū)域內(nèi)廣泛分布的山地灌叢生態(tài)系統(tǒng)。

另一方面，燕山地區(qū)地處溫帶季風(fēng)氣候與溫帶大陸性氣候的過(guò)渡帶，總體上處于半干旱區(qū)，年均降雨量約635 mm，植被生長(zhǎng)在一定程度上受到水分限制。在近年來(lái)實(shí)施的退耕還林還草、自然封育、防護(hù)林建設(shè)等重大生態(tài)工程作用下，區(qū)域總碳儲(chǔ)量不斷增加[10-11]，主要源自植被面積迅速擴(kuò)張帶來(lái)的植被碳庫(kù)變化[12]。然而，植被面積的持續(xù)擴(kuò)張加速了區(qū)域的水資源消耗，但目前缺乏對(duì)燕山不同生態(tài)系統(tǒng)水分耗用特征的科學(xué)認(rèn)識(shí)，難以厘清固碳與水源涵養(yǎng)功能間的權(quán)衡關(guān)系，制約了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展政策制定。

本數(shù)據(jù)集為2020–2021 年北京燕山典型山地丘陵碳水通量和常規(guī)氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)集。觀測(cè)站點(diǎn)依托北京燕山地球關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，地處北京市懷柔區(qū)懷北鎮(zhèn)雁棲湖北側(cè)山地丘陵區(qū)，包含山地灌叢、喬灌混交林和人工針葉林三類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集包含生態(tài)系統(tǒng)CO2通量、顯熱通量、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(cè)指標(biāo)，形成了30 分鐘、日尺度、月尺度和年尺度4 類(lèi)產(chǎn)品，展示了燕山典型山地丘陵區(qū)的碳水通量本底特征，并可為三類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)間的比較研究提供支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

北京燕山地球關(guān)鍵帶國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站是首批5 個(gè)地球關(guān)鍵帶國(guó)家站之一，于2014 年完成建設(shè)。碳水通量觀測(cè)系統(tǒng)主要包括3 套開(kāi)路渦度相關(guān)系統(tǒng)和常規(guī)氣象要素觀測(cè)系統(tǒng)。本數(shù)據(jù)集包括山頂處山地灌叢生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量與氣象數(shù)據(jù)，山腰處喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量數(shù)據(jù)，以及山腳處人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)的碳水通量數(shù)據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)位置、下墊面和土壤基本特征見(jiàn)表1。山地灌叢生態(tài)系統(tǒng)的渦度相關(guān)系統(tǒng)主要測(cè)量離地面30 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個(gè)一體式開(kāi)路氣體分析儀（IRGASON, Campbell Scientific Inc, MS, USA），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器（CR6, Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)的渦度相關(guān)系統(tǒng)主要測(cè)量離地面15 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個(gè)開(kāi)路式CO2/H2O 氣體分析儀（LI-7500RS, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一個(gè)三維超聲風(fēng)速儀（Gill WindMaster, Gill, UK），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器（Model 9210 XLITE, Sutron）中。人工針葉林生態(tài)系統(tǒng)的渦度相關(guān)系統(tǒng)主要測(cè)量離地面20 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個(gè)開(kāi)路式CO2/H2O 氣體分析儀（LI-7500A, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一個(gè)三維超聲風(fēng)速儀（CSAT3B,Campbell Scientific Inc, MS, USA），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器（CR3000,Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。

表1 數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度、植被和土壤的基本特征Table 1 Geographical coordinates, vegetation, and soil property of the observation sites

山地灌叢生態(tài)系統(tǒng)氣象要素測(cè)定系統(tǒng)安裝在30 m 高塔上，分別在離地面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 處測(cè)量溫度、相對(duì)濕度（RR10TH, Yugen, Beijing, CHN）和風(fēng)速（WindSonic,Gill, UK）。同時(shí)在離地面20 m 安裝四分量輻射傳感器（CNR4，Kipp & Zonen B.V., Delft, NL）和總輻射表，用于測(cè)量輻射四分量、凈輻射以及總輻射。在地面以上20 m 測(cè)定壓強(qiáng)（RRBP410, Yugen,Beijing, CHN），地面以上25 m 測(cè)定降水量（RR3665R, Yugen, Beijing, CHN），以及地面以上30 m測(cè)定風(fēng)向（WindSonic, Gill, UK）。土壤溫度（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.40 m、0.60 m，RR10T, Yugen, Beijing, CHN）、土壤含水量（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m，RREC5, Yugen, Beijing,CHN）、土壤熱通量（地面以下0.02 m、0.05 m，RRHFT3, Yugen, Beijing, CHN）等要素也同時(shí)監(jiān)測(cè)。每30 分鐘輸出一組平均值記錄在數(shù)據(jù)采集器（RR-1024, Yugen, Beijing, CHN）中。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本數(shù)據(jù)集所有數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程嚴(yán)格按照ChinaFLUX 相關(guān)質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理規(guī)范實(shí)施，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)拆分等。相關(guān)方法詳見(jiàn)張雷明等發(fā)表的《2003–2005 年中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟（ChinaFLUX）碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集》[13]，此處不再贅述。對(duì)于短時(shí)間（小于2 小時(shí)）缺失的氣象和通量數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插的方式完成插補(bǔ)；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的通量數(shù)據(jù)，采用非線性回歸的方式插補(bǔ)，最小插補(bǔ)時(shí)間窗口為7 天，其中，夜間缺失數(shù)據(jù)利用Arrhenius 方程插補(bǔ)，日間數(shù)據(jù)利用直角雙曲線方程插補(bǔ)；對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的能量數(shù)據(jù)，采用平均日變化法完成缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)。本數(shù)據(jù)集不存在長(zhǎng)期缺失的氣象數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集由32 個(gè)Excel 文件組成，總數(shù)據(jù)量為18.2 MB（表2），包括2020–2021 年兩年30 分鐘、日、月和年尺度4 個(gè)時(shí)間尺度的碳水通量和氣象2 類(lèi)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件按照不同的時(shí)間尺度和數(shù)據(jù)要素命名為“年份+生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型+數(shù)據(jù)類(lèi)型+時(shí)間尺度.xlsx”。其中，“生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型”分為人工針葉林、喬灌混交林和灌叢，“數(shù)據(jù)類(lèi)型”分為碳水通量和氣象數(shù)據(jù)，“時(shí)間尺度”分為30 分鐘、日、月和年尺度。如“2020 年人工針葉林氣象30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”和“2020 年人工針葉林通量30 分鐘數(shù)據(jù).xlsx”。數(shù)據(jù)示例見(jiàn)表2、表3。

在30 分鐘尺度上，質(zhì)控NEE、質(zhì)控LE 和質(zhì)控Hs 分別表示經(jīng)過(guò)質(zhì)控和異常值剔除后的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換（mg CO2m-2s-1）、潛熱通量（W m-2）和顯熱通量（W m-2）。插補(bǔ)NEE、插補(bǔ)LE 和插補(bǔ)Hs 分別表示經(jīng)過(guò)質(zhì)控和異常值剔除后插補(bǔ)的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換（mg CO2m-2s-1），潛熱通量（W m-2）和顯熱通量（W m-2）。估算Reco和估算GEE 分別表示估算生態(tài)系統(tǒng)呼吸（mg CO2m-2s-1）和估算總生態(tài)系統(tǒng)CO2交換（mg CO2m-2s-1）。在日、月和年尺度上，NEE、Reco和GEE 分別表示日、月和年尺度累積的凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（Net Ecosystem Exchange）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Ecosystem Respiration）和總生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（Gross Ecosystem Exchange），單位分別為g C m-2d-1、g C m-2m-1和g C m-2y-1。其中，無(wú)法統(tǒng)計(jì)的值以-99999 表示。

氣象數(shù)據(jù)方面，監(jiān)測(cè)主要分為7 層，高度分別為土壤表面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m（依次定義為第一層至第七層，觀測(cè)層越高，距離地表越遠(yuǎn)），在數(shù)據(jù)集中體現(xiàn)為相應(yīng)的“數(shù)據(jù)項(xiàng)縮寫(xiě)_觀測(cè)層”。例如，空氣第一層（3 m）和第二層（5 m）溫度分別表示為T(mén)a_1_AVG 和Ta_2_AVG。土壤溫度分5 層監(jiān)測(cè)，測(cè)量深度分別為0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.40 m 和0.60 m，數(shù)據(jù)項(xiàng)命名方法類(lèi)同于氣象數(shù)據(jù)，第一層（0.05 m）表示為T(mén)s_1_AVG，依次類(lèi)推。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本數(shù)據(jù)集在觀測(cè)、采集、質(zhì)控、處理和存儲(chǔ)等全部環(huán)節(jié)均嚴(yán)格遵循ChinaFLUX 的技術(shù)體系，所有數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制和評(píng)估嚴(yán)格按照ChinaFLUX 的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范和要求進(jìn)行[3]。2020 年，各生態(tài)系統(tǒng)碳水通量原始數(shù)據(jù)采集率均在70%以上，但受疫情對(duì)儀器維護(hù)的影響，2021 年山腰處喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，數(shù)據(jù)采集率僅為20%左右。質(zhì)控結(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[13]。缺失和未通過(guò)質(zhì)控的數(shù)據(jù)主要集中在秋冬兩季。由于監(jiān)測(cè)儀器使用太陽(yáng)能供電，在長(zhǎng)期陰雨或低溫時(shí)會(huì)由于供電不足導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失。此外，儀器的定期維護(hù)檢修也在一定程度上受到疫情影響，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失或數(shù)據(jù)質(zhì)量不足。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集在國(guó)家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)（ National Ecosystem Data Bank, EcoDB,https://ecodb.scidb.cn/en）發(fā)布，用戶登錄后可訪問(wèn)數(shù)據(jù)集信息。

在數(shù)據(jù)使用過(guò)程中，如需開(kāi)展整合或比對(duì)研究，建議考慮不同數(shù)據(jù)集在質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)處理上的差異。具體應(yīng)注意以下2 個(gè)方面：

（1）本數(shù)據(jù)集是基于ChinaFLUX 相關(guān)數(shù)據(jù)處理和質(zhì)控規(guī)范形成的?；跍u度相關(guān)技術(shù)測(cè)量的碳水通量數(shù)據(jù)擁有多樣的數(shù)據(jù)處理方法，基于不同方法獲得的結(jié)果會(huì)存在一定差異。因此，在數(shù)據(jù)使用過(guò)程中，研究者應(yīng)綜合考慮由于數(shù)據(jù)處理方法導(dǎo)致的研究結(jié)果間的差異。

（2）本數(shù)據(jù)集存在一定的數(shù)據(jù)缺失情況，對(duì)于缺失數(shù)據(jù)的插補(bǔ)必然會(huì)產(chǎn)生不確定性。受疫情影響，2021 年喬灌混交林生態(tài)系統(tǒng)碳水通量有效性較低，插補(bǔ)值較多，需要謹(jǐn)慎使用。本數(shù)據(jù)集包括從30 分鐘到年尺度的4 類(lèi)數(shù)據(jù)，其中，日、月和年尺度的數(shù)據(jù)是以30 分鐘數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的累積求和，它們的數(shù)據(jù)精確度直接受到30 分鐘數(shù)據(jù)精確性和完整性的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，建議以30分鐘步長(zhǎng)的數(shù)據(jù)集為準(zhǔn)。

致 謝

感謝ChinaFLUX 和中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）的大力支持。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

杜劍卿（1990—），男，山西省晉城市人，博士研究生，中級(jí)，研究方向?yàn)榈厍蜿P(guān)鍵帶碳水耦合過(guò)程。主要承擔(dān)工作：監(jiān)測(cè)工作統(tǒng)籌，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和論文撰寫(xiě)。

羅文杏（1999—），女，湖南省衡陽(yáng)市人，博士研究生（在讀），初級(jí)，研究方向?yàn)榈厍蜿P(guān)鍵帶碳水耦合循環(huán)過(guò)程。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)采集、處理、質(zhì)量控制和論文修改。

安兆渤（1995—），男，河北省衡水市，碩士研究生，初級(jí)，研究方向?yàn)榈厍蜿P(guān)鍵帶碳水耦合循環(huán)過(guò)程。主要承擔(dān)工作：儀器運(yùn)行維護(hù)和數(shù)據(jù)采集。

張雷明（1974—），男，河南省開(kāi)封市人，博士研究生，副研究員，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過(guò)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。

黃輝（1980—），女，湖南人，副研究員，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)碳氮水循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。主要承擔(dān)工作：參與論文修改。

郝彥賓（1976—），男，河北省衡水市人，博士研究生，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：燕山站運(yùn)行，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和論文修改。

王艷芬（1969—），女，山東省安丘市人，博士研究生，教授，研究方向?yàn)椴莸亍竦靥贾苻D(zhuǎn)過(guò)程與生態(tài)學(xué)機(jī)制。主要承擔(dān)工作：燕山站運(yùn)行。