2012–2016 年三江源垂穗披堿草人工草地碳水熱通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集

賀福全，李奇，陳懂懂，趙亮*

1.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，西寧 810008

2.中國(guó)科學(xué)院三江源國(guó)家公園研究院，西寧 810008

引 言

三江源被譽(yù)為“中華水塔”，是我國(guó)重要的水源地。明晰碳、水、熱交換對(duì)氣候變化的響應(yīng)方式和碳、水循環(huán)的機(jī)制是三江源區(qū)生物多樣性維持和保育的核心，長(zhǎng)期定位觀測(cè)是探明碳、水循環(huán)的重要手段。三江源地處青藏高原東南部，源區(qū)生物多樣性極豐富、特有物種多，是高原生物多樣性最集中的地區(qū)，也是全球氣候變化敏感區(qū)。三江源區(qū)草地面積約27.59×104km2，占全區(qū)總面積的71.2%[1-2]。在過(guò)去的50 年中，由于氣候突變和人為活動(dòng)增加，青藏高原超過(guò)50%草地退化或沙化[3-4]，在極度退化的“黑土型”退化草地上建植人工草地是可行的，也是快速恢復(fù)植被的主要途徑[5-6]。為了恢復(fù)退化草地和發(fā)展畜牧業(yè)，近年來(lái)三江源區(qū)人工草地面積不斷擴(kuò)大，目前約為67000 hm2[7]。

目前對(duì)青藏高原碳水熱通量的研究主要集中在天然草地[8-17]，生態(tài)系統(tǒng)的源匯功能被認(rèn)為主要受生長(zhǎng)季的降水量、強(qiáng)度和分配的影響[9,12]。有研究通過(guò)比較不同植被類型CO2通量，指出CO2通量是由自下而上的氣候因子（溫度、降水）和自上而下的生物因子（群落結(jié)構(gòu)、葉面積和放牧）兩條途徑控制[18]。三江源站自2009 年開始，在三江源東部農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)同德牧場(chǎng)開展垂穗披堿草人工草地碳水熱通量的觀測(cè)，為評(píng)估源區(qū)人工草地碳源、匯功能和碳儲(chǔ)量提供數(shù)據(jù)支撐。

為了推動(dòng)三江源乃至全青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量交換等相關(guān)研究的發(fā)展，三江源站公開發(fā)表多年連續(xù)觀測(cè)的碳水熱通量及相關(guān)常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，以供更多科研工作者使用數(shù)據(jù)，更大發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值。本數(shù)據(jù)集包含2012–2016 年垂穗披堿草人工草地的常規(guī)氣象數(shù)據(jù)（空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤濕度、光合有效輻射和降水）和碳水熱通量數(shù)據(jù)（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），形成了30 分鐘、日、月和年4 種時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

三江源站（34°21′ 17″ N, 100°28′48″ E；海拔3950 m）位于青海省果洛州瑪沁縣大武鎮(zhèn)。站區(qū)為典型的高原大陸性氣候，無(wú)明顯四季之分，年均氣溫和降水分別為-2.9 ℃和531.0 mm。垂穗披堿草人工草地渦度相關(guān)觀測(cè)位于三江源站東北部約200 km 的海南州同德縣同德牧場(chǎng)（35°15′11″N，100°41′57″E，海拔為3305 m）[19]。

垂穗披堿草人工草地渦度相關(guān)系統(tǒng)建于2009 年9 月，由30 m×30 m 的圍欄保護(hù)，碳水熱通量的觀測(cè)高度為2.2 m。該區(qū)域?qū)俚湫透咴箨懶詺夂?，輻射?qiáng)烈，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，年均溫為3.7 ℃，年降水量為427.2 mm，降水主要集中在5–9 月，占全年的87%，氣溫和降水的峰值均出現(xiàn)在8 月前后，雨熱同期，土壤類型為暗棕壤[19]。人工草地于2008 年建成，由翻耕草帶和未翻耕草帶組成，翻耕草帶和未翻耕草帶寬均4 m，相間分布，全年不放牧。翻耕草帶每5 年重新翻耕（5 年為一個(gè)種植周期），草帶為單播的垂穗披堿草（Elymus nutans），在6 月初種植，種植當(dāng)年不收割牧草，其他年份8 月底收割牧草，全年禁牧。未翻耕草帶主要物種為蘭石草（Lancea tibetica）、紫花苜蓿（Medicagoruthenica）、冷蒿（Artemisia frigida）和垂穗披堿草[19-20]。2011 年6 月種植的垂穗披堿草因儀器故障數(shù)據(jù)缺測(cè)。故2012 年為種植第2 年，2013 年為種植第3 年，2014 年為種植第4 年，2015 年為種植第5 年，2016 年6 月重新翻耕種植[19-20]。由于2011、2017 年渦度相關(guān)系統(tǒng)紅外氣體分析儀工作異常時(shí)段較多，數(shù)據(jù)可用性較低，三江源站沒(méi)有共享2011 年和2017 年的數(shù)據(jù)，2017 年之后數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理質(zhì)控后發(fā)布共享。根據(jù)多年的觀測(cè)和文獻(xiàn)總結(jié)[12,14,20], 結(jié)合種植和收割時(shí)間，該人工草地生長(zhǎng)季確定為4 月中旬至10 月下旬。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

本數(shù)據(jù)集中包含的觀測(cè)數(shù)據(jù)均是儀器自動(dòng)觀測(cè)采集的，測(cè)定所用儀器型號(hào)、儀器制造商及數(shù)據(jù)采集器等相關(guān)信息詳見表1。空氣溫度、濕度、光合有效輻射、土壤溫度、土壤含水量等氣象數(shù)據(jù)的采樣頻率1 分鐘，計(jì)算并存儲(chǔ)30 分鐘的平均數(shù)據(jù)；CO2/H2O 快速紅外氣體分析儀及三維超聲風(fēng)速儀的原始數(shù)據(jù)采樣頻率為10 Hz，計(jì)算并存儲(chǔ)30 分鐘的平均數(shù)據(jù)。

表1 三江源站垂穗披堿草人工草地觀測(cè)儀器信息表Table 1 Table of the information about the observation instruments for the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

為了保障三江源站垂穗披堿草人工草地通量數(shù)據(jù)可靠，采用了ChinaFLUX 推薦的通量數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)方法[21]，具體包括原始數(shù)據(jù)異常值剔除、超聲虛溫校正、坐標(biāo)軸二次旋轉(zhuǎn)、WPL 密度校正、頻率損失校正、湍流穩(wěn)態(tài)測(cè)試、夜間摩擦風(fēng)速閾值篩選和通量異常值剔除，以及能量閉合評(píng)價(jià)。由于儀器故障和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失，需要對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。對(duì)缺失2 小時(shí)以內(nèi)的氣象和通量數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法進(jìn)行插補(bǔ)；氣象數(shù)據(jù)缺失數(shù)據(jù)大于2 小時(shí)的利用平均日變化進(jìn)行插補(bǔ)；通量數(shù)據(jù)缺失大于2 小時(shí)的采用線性回歸方程進(jìn)行擬合、插補(bǔ)，最小插補(bǔ)時(shí)間窗口為7 天。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間缺失的CO2通量數(shù)據(jù)，首先利用有效通量數(shù)據(jù)和環(huán)境因子的非線性回歸關(guān)系構(gòu)建方程，然后利用該方程和缺失通量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的環(huán)境因子完成數(shù)據(jù)插補(bǔ)[19-20]。對(duì)缺失的白天CO2通量數(shù)據(jù)采用時(shí)間窗口的方程（1）進(jìn)行插補(bǔ)[22]：

RE(d)日間生態(tài)系統(tǒng)呼吸，a是生態(tài)系統(tǒng)表觀量子效率，Pmax是飽和光合成速率，PPFD是光量子密度通量。

夜間缺失CO2通量及白天RE 通量采用方程（2）插補(bǔ)[23]：

RE(n)為夜間生態(tài)系統(tǒng)呼吸，REref為土壤溫度為10 ℃時(shí)的參考生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，Ts為5 cm 深處的土壤溫度，Swc為5 cm 深處的土壤含水量 (m3/m3)，a、b、c、d 是適合全年數(shù)據(jù)的特定地點(diǎn)參數(shù)，其中b > 0，d ≤ 0。

CO2通量拆分。渦度相關(guān)技術(shù)測(cè)得的CO2通量是凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（NEE）。利用夜間的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)和方程（2）可獲得RE 與土壤溫度(Ts)和土壤含水量(Swc)之間的關(guān)系函數(shù)，再利用此函數(shù)估算生長(zhǎng)季白天的生態(tài)系統(tǒng)呼吸RE(d)。日RE 為白天呼吸RE(d) 和夜間呼吸RE(n)之和。NEE 減去RE，則可得到生態(tài)系統(tǒng)總光合固碳量（GEE）方程（3）：

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2012–2016 年三江源站垂穗披堿草人工草地的連續(xù)碳水熱通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，分為常規(guī)氣象數(shù)據(jù)子集和通量數(shù)據(jù)子集兩類數(shù)據(jù)文件。每類文件每年均有4 個(gè)時(shí)間尺度，包括30 分鐘、日、月和年尺度，數(shù)據(jù)集內(nèi)共計(jì)40 個(gè)文件，總數(shù)據(jù)量39.8 MB。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以2012 年30 分鐘數(shù)據(jù)文件為例，表2、表3 分別為30 分鐘常規(guī)氣象數(shù)據(jù)和碳水熱通量數(shù)據(jù)表頭說(shuō)明，所有數(shù)據(jù)項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)均以浮點(diǎn)型數(shù)字形式表示。

表2 三江源站垂穗披堿草人工草地常規(guī)氣象30 分鐘數(shù)據(jù)表說(shuō)明及觀測(cè)高度Table 2 Description of conventional half-hourly meteorological data and observation height of the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

表3 三江源站垂穗披堿草人工草地通量30 分鐘數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)表說(shuō)明Table 3 Description of the half-hourly flux data of the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與評(píng)估

能量閉合程度分析是檢驗(yàn)通量數(shù)據(jù)質(zhì)量的有效手段，雖然能量不閉合現(xiàn)象普遍存在，但大部分被人們廣泛接受。能量平衡方程：H + LE = Rn - G。其中，Hs 為顯熱通量，LE 為潛熱通量，Rn 為凈輻射，G 為土壤熱通量，土壤熱通量是兩塊熱通量板平均值。冠層熱儲(chǔ)量忽略不計(jì)。能量閉合方程斜率分別為0.76（2012 年），0.76（2013 年），0.73（2014 年），0.72（2015 年）和0.89（2016 年）[19]。生長(zhǎng)季能量平衡方程斜率（0.76～0.9）大于非生長(zhǎng)季（0.65～0.71），能量閉合程度在可接受的范圍之內(nèi) (0.7～0.9)[24-25]。導(dǎo)致能量不閉合的原因非常復(fù)雜，可能的原因包括觀測(cè)系統(tǒng)的采樣誤差、儀器偏差、湍流通量觀測(cè)中的高低頻損失、平流效應(yīng)等[26]。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可用于垂穗披堿草人工草地碳水熱生態(tài)過(guò)程及相關(guān)陸面模型開發(fā)、驗(yàn)證及對(duì)比等分析研究。本數(shù)據(jù)集采用了ChinaFLUX 推薦的通量數(shù)據(jù)處理方法[21-22]，與青藏高原的ChinaFLUX 站點(diǎn)對(duì)比使用，開展區(qū)域尺度的聯(lián)網(wǎng)分析。需要說(shuō)明的是由于插值方法不同導(dǎo)致碳水熱通量計(jì)算結(jié)果存在差異，即使年際尺度上通量計(jì)算結(jié)果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的差異，其中30 分鐘數(shù)據(jù)為未插補(bǔ)的原始數(shù)據(jù)，日、月、年尺度的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)插補(bǔ)計(jì)算后的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)使用者根據(jù)需要進(jìn)一步判定，也可利用氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行自行插補(bǔ)使用。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

賀福全（1993—），男，青海省大通縣人，研究生，工程師，研究方向?yàn)楦吆莸靥佳h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理和論文撰寫。

李奇（1983—），男，甘肅省蘭州市人，研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)椴莸厣鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與論文修改。

陳懂懂（1982—），女，山東省東營(yíng)市人，研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦吆莸靥佳h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析與論文修改。

趙亮（1974—），男，青海省西寧市人，大學(xué)，研究員，研究方向?yàn)楦吆莸靥佳h(huán)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)籌。