2017–2018 年河南寶天曼天然櫟林碳水通量觀測(cè)數(shù)據(jù)集

牛曉棟，孫鵬森，陶思睿，陳志成，牛保亮，劉世榮＊

1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所，北京 100091

2.河南寶天曼森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 河南南陽(yáng) 474350

3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091

引 言

森林小氣候主要指由森林生態(tài)系統(tǒng)的喬木、灌木、草本、凋落物和土壤等共同形成的一種內(nèi)部的、與周邊大氣候不同的局部小氣候[1]。森林小氣候是影響森林的水文過(guò)程與碳循環(huán)的關(guān)鍵因素[2]。一般來(lái)說(shuō)，小氣候的觀測(cè)指標(biāo)包括林冠內(nèi)外的空氣溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、土壤溫濕度、土壤含水量等[3]。森林冠層結(jié)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)輻射具有能量分配的作用，分配結(jié)果也會(huì)影響森林小氣候和植被生產(chǎn)力[4]。太陽(yáng)輻射能量主要轉(zhuǎn)化為顯熱通量和潛熱通量。此外，森林冠層和大氣之間的碳水交換體現(xiàn)了森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和水分利用。在野外觀測(cè)站開展森林小氣候、碳水和能量通量的長(zhǎng)期固定觀測(cè)，對(duì)認(rèn)識(shí)森林和大氣的相互作用以及氣候變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響具有重要意義[5]。

河南寶天曼森林生態(tài)站位于暖溫帶和亞熱帶的過(guò)渡區(qū)，其地理位置具有獨(dú)特性。區(qū)內(nèi)分布有同緯度結(jié)構(gòu)保存最完整的暖溫帶落葉闊葉林森林生態(tài)系統(tǒng)[6]。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所早在20 世紀(jì)80 年代就來(lái)到這里開展科學(xué)考察，隨后開展了定位觀測(cè)試驗(yàn)，寶天曼生態(tài)站是中國(guó)通量觀測(cè)研究聯(lián)盟（ChinaFLUX）成員之一，并于2021 年入選國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。

天然櫟林是寶天曼生態(tài)站的典型森林類型，是研究氣候變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能影響的代表性森林[7]。本數(shù)據(jù)集整理了2017–2018 年天然櫟林的38 m 高通量觀測(cè)塔的小氣候和碳水通量數(shù)據(jù)，包含2 層的空氣溫濕度、2 層土壤溫濕度、2 層風(fēng)速、1 層風(fēng)向、光合有效輻射、向上/向下的短波輻射、向上/向下的長(zhǎng)波輻射、凈輻射、顯熱通量、潛熱通量和CO2通量等觀測(cè)指標(biāo)，通過(guò)規(guī)范的數(shù)據(jù)剔除、插補(bǔ)和分析形成了半小時(shí)、日尺度、月尺度和年尺度4 類數(shù)據(jù)產(chǎn)品。本數(shù)據(jù)集展示了暖溫帶天然櫟林生態(tài)系統(tǒng)空氣溫濕度、土壤溫濕度等小氣候數(shù)據(jù)以及碳水、能量通量的長(zhǎng)期變化規(guī)律，為研究暖溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)功能對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)該地區(qū)的森林碳匯量測(cè)算、水資源管理和森林經(jīng)營(yíng)具有重要的指導(dǎo)意義[8]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 觀測(cè)樣地設(shè)置

小氣候和通量觀測(cè)樣地所處的海拔為1410.7 m，通量塔的坐標(biāo)為33°29′59″N，111°56′07″E。以通量塔為中心我們建立了一個(gè)1 公頃樣地，樣地內(nèi)喬木的平均高度為20 m，其他的詳細(xì)的植被信息可參考Niu 等[9]發(fā)表的文章。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

觀測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸：小氣候觀測(cè)指標(biāo)記錄的頻率為30 分鐘1 個(gè)值，CO2和水熱通量數(shù)據(jù)的原始采樣頻率為10 Hz，每個(gè)月去現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)1 次，并輔以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用于日常的數(shù)據(jù)檢查以及非生長(zhǎng)季期間的數(shù)據(jù)傳輸，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

本站點(diǎn)小氣候和通量測(cè)定要素所用關(guān)鍵設(shè)備的傳感器和分析儀安裝高度及其制造商如表1 所示。

表1 各測(cè)定要素所用的關(guān)鍵傳感器名稱及其安裝高度/深度、制造商Table 1 Manufacturers and installation heights of the key sensors for each measurement elements

1.3 數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品加工方法

本研究先用loggernet 軟件將數(shù)據(jù)格式為TOB3 的10 Hz 的原始數(shù)據(jù)分割為數(shù)據(jù)格式為TOB1 的30分鐘尺度的數(shù)據(jù)，然后利用Li-Cor公司開發(fā)的Eddypro軟件(版本6.0.0)處理分割后的數(shù)據(jù)。Eddypro軟件處理數(shù)據(jù)的步驟包括：二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)修正、除趨勢(shì)修正、數(shù)據(jù)同步、統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[10]、密度修正[11]、超聲虛溫修正、譜修正、迎角修正和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)記[12]，Eddypro 軟件運(yùn)行出的表頭為“CO2_flux”的數(shù)據(jù)與表頭為“CO2_str”的數(shù)據(jù)相加即得到凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換(NEE, μmol·m-2·s-1)數(shù)據(jù)。同樣的方式得到潛熱通量(LE, W·m-2)和顯熱通量數(shù)據(jù)(H,W·m-2)。之后我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除和插補(bǔ)。

數(shù)據(jù)剔除：通量觀測(cè)過(guò)程中，由于儀器故障、降雨、湍流弱等因素會(huì)造成觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，這類數(shù)據(jù)需要進(jìn)行剔除，對(duì)于本站點(diǎn)而言主要包括：（1）夜間湍流不充分（U*<0.2 m·s-1）[13]；（2）半小時(shí)間降雨量大于1 mm 時(shí)；（3）異常突出數(shù)據(jù)（某一個(gè)數(shù)據(jù)與連續(xù)5 點(diǎn)平均值之差的絕對(duì)值>5個(gè)點(diǎn)方差的2.5 倍）；（4）顯熱/潛熱通量大于1000 或小于-200 W·m-2；（5）凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量大于45.5 或小于-45.5 μmol·m-2·s-1；（6）CO2濃度大于1000 或小于250 mg CO2·m-3, 水汽濃度大于50 或小于0 g·m-3；（7）數(shù)據(jù)分為0、1、2 共3 個(gè)等級(jí)，等級(jí)為1 和2 的數(shù)據(jù)剔除[12]。

缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)：我們利用一個(gè)在線程序(https://bgc.iwww.mpg.de/5622399/REddyProc)進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)工作[14]。在該程序中，主要利用邊際分布采樣法（MDS）[14]進(jìn)行插補(bǔ)。在插補(bǔ)之前我們需要按照程序要求的數(shù)據(jù)格式，將1 年的半小時(shí)尺度的NEE (μmol·m-2·s-1)、LE (W·m-2)、H (W·m-2)、短波輻射(Rg,W·m-2)、空氣溫度(Ta,℃)、土壤溫度(Ts,℃)、空氣相對(duì)濕度 (RH, %)、飽和水汽壓差(VPD, hPa)和摩擦風(fēng)速(u*, m·s-1)數(shù)據(jù)整理到一起。邊際分布采樣法的基本技術(shù)途徑和查表法相似，將平均日變化法和查表法進(jìn)行了綜合。在此算法中，3 個(gè)不同情況按照3 種方式進(jìn)行插補(bǔ)：

(1) 僅通量數(shù)據(jù)缺失，Rg、Ta和VPD 數(shù)據(jù)都完整時(shí)，利用查表法，用相同氣象條件（Rg偏差在50 W·m-2以內(nèi)，Ta在2.5 ℃以內(nèi)，VPD 在5 hPa 以內(nèi)）下的通量值插補(bǔ)，默認(rèn)時(shí)間窗口為以缺失數(shù)據(jù)為中心的前后14 天內(nèi)，若前后14 天的時(shí)間窗口內(nèi)沒(méi)有相似的氣象條件，則將時(shí)間窗口延長(zhǎng)到前后28 天；

(2) 僅Rg數(shù)據(jù)可用時(shí)，使用查表法，相似的氣象條件僅用Rg定義；

(3) Rg、Ta和VPD 數(shù)據(jù)都缺失時(shí)，則用平均日變化法插補(bǔ)。

CO2通量數(shù)據(jù)拆分：利用夜間(Rg<10 W·m-2)的NEE數(shù)據(jù)和5 cm 深處的Ts(℃)數(shù)據(jù)按照以下公式進(jìn)行插補(bǔ)：

公式中，E0為活化能參數(shù)，表征溫度敏感性，Rref為參考溫度下的生態(tài)系統(tǒng)呼吸，Ts為5 cm 深處的土壤溫度，Tref為參考溫度設(shè)為10 ℃，T0為-46.02 ℃。計(jì)算流程如下：

(1) 將全年夜間數(shù)據(jù)按15 天窗口分組，時(shí)間窗口每次移動(dòng)5 天；

(2) 擬合方程參數(shù)之前，先檢查時(shí)間窗口內(nèi)的有效數(shù)據(jù)量(>6)和溫度跨度(>5 ℃)；如果不能滿足，則移動(dòng)到下一個(gè)窗口；

(3) 所有有效時(shí)間窗口的參數(shù)擬合后，選擇生態(tài)系統(tǒng)呼吸溫度敏感性(E0)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差最小的3個(gè)擬合參數(shù)計(jì)算平均值E0,short；

(4)E0,short確定之后，將全年夜間有效數(shù)據(jù)按4 天的時(shí)間窗口分組，擬合得到每個(gè)時(shí)段的Rref，沒(méi)有擬合的時(shí)段利用線性內(nèi)插法插補(bǔ)；

(5)E0,short和Rref確定之后，即可估算生態(tài)系統(tǒng)呼吸Re。

然后利用NEE與Re的差值計(jì)算出GEP。以上都是利用半小時(shí)尺度的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除插補(bǔ)，得到完整的半小時(shí)尺度的CO2、能量通量數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)換算即可得到日、月、年時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)子集命名規(guī)則與數(shù)據(jù)量

本數(shù)據(jù)集共包括16 個(gè)EXCEL 數(shù)據(jù)文件，總數(shù)據(jù)量為14.9 MB。根據(jù)數(shù)據(jù)要素不同，數(shù)據(jù)文件（數(shù)據(jù)子集）的名稱格式為“年份+臺(tái)站+類型+時(shí)間尺度.xls”，如“2017 年寶天曼通量30 分鐘數(shù)據(jù).xls”和“2017 年寶天曼通量日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).xls”。

2.2 數(shù)據(jù)文件示例

以寶天曼生態(tài)站2017 年數(shù)據(jù)文件為例，表2、表3 分別為文件“2017 年寶天曼通量30 分鐘數(shù)據(jù).xls”和“2017 年寶天曼氣象30 分鐘數(shù)據(jù).xls”的數(shù)據(jù)表頭。

表2 半小時(shí)通量觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Flux data at a half-hourly scale

表3 半小時(shí)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 3 Microclimate data at a half-hourly scale

2.3 部分?jǐn)?shù)據(jù)展示

選取了日尺度的部分小氣候因子的觀測(cè)指標(biāo)（空氣溫度、向下的短波輻射、向上的長(zhǎng)波輻射、10、20、50 cm 深的土壤含水量）和能量通量（潛熱通量和顯熱通量）（圖1）、碳通量（圖2）的數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，可見數(shù)據(jù)的連續(xù)性和質(zhì)量都很好，可以很好地展現(xiàn)天然櫟林的環(huán)境因子和顯熱、潛熱通量、碳通量的季節(jié)和年際變化規(guī)律。

圖1 部分環(huán)境因子和潛熱、顯熱通量的時(shí)間序列Figure 1 Time series of several environmental factors and latent/sensible heat flux

圖2 凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量 (Net ecosystem exchange, NEE)、總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力 (Gross ecosystem productivity,GEP)和生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Ecosystem respiration, Re)的時(shí)間序列Figure 2 Time series of net ecosystem carbon exchange, gross ecosystem production and ecosystem respiration

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

本站點(diǎn)有專業(yè)的技術(shù)人員從事過(guò)通量觀測(cè)和通量數(shù)據(jù)的處理工作，可以保證觀測(cè)塔上各種儀器日常的正常運(yùn)行，從而獲取到第一手的可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。后期的數(shù)據(jù)剔除、插補(bǔ)工作流程，詳見Niu等[10]發(fā)表的文獻(xiàn)。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

能量閉合分析表明，2017 到2018 年的半小時(shí)尺度的能量閉合度分別為0.66 和0.71，處于全球通量觀測(cè)臺(tái)站能量閉合度范圍之內(nèi)[15]。

半小時(shí)尺度的碳水通量有效數(shù)據(jù)比例見表4。數(shù)據(jù)缺失的原因可以分為兩類：一類是個(gè)性原因，主要為儀器損壞老化、供電問(wèn)題和惡劣天氣（如降雨、降雪等）；第二類是共性原因，主要是渦度相關(guān)系統(tǒng)本身的缺陷造成的，比如夜間湍流弱時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差需要剔除[16]。

表4 寶天曼站半小時(shí)尺度通量有效觀測(cè)數(shù)據(jù)比例(%)Table 4 Proportions of effective flux data at the half-hourly scale at Baotianman Ecological Research Station (%)

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

論文發(fā)表后，本數(shù)據(jù)集可在Science Data Bank（https://www.scidb.cn/）進(jìn)行下載。

目前國(guó)際上關(guān)于通量觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方法有很多種，軟件包括Eddypro、Edire 和EasyFlux_DL等，缺少統(tǒng)一的處理標(biāo)準(zhǔn)，使用不同的數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果可能會(huì)有一定差異。

致 謝

感謝河南寶天曼管理局在儀器維護(hù)、數(shù)據(jù)采集方面的幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

牛曉棟（1991—），男，山西省晉城市人，博士，博士后，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)碳氮水耦合循環(huán)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)質(zhì)量初控。

孫鵬森（1971—），男，山東省萊州市人，博士，研究員，研究方向?yàn)檫b感生態(tài)水文學(xué)、水碳耦合過(guò)程模擬。主要承擔(dān)工作：項(xiàng)目組織、通量數(shù)據(jù)綜合處理方法和技術(shù)途徑、數(shù)據(jù)最終質(zhì)量控制和總體部署。

陶思睿（2000—），女，江西省南昌市人，在讀碩士生，研究方向?yàn)檫b感生態(tài)水文。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整編與處理。

陳志成（1986—），男，山東人，博士，副研究員，研究方向?yàn)橹参锷砩鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：寶天曼生態(tài)站的日常運(yùn)行管理。

牛保亮（1983—），男，山西人，助理研究員，研究方向?yàn)樯炙摹Ｖ饕袚?dān)工作：通量塔數(shù)據(jù)拷取與儀器維護(hù)。

劉世榮（1962—），男，遼寧人，博士，研究員，研究方向?yàn)樯稚鷳B(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：寶天曼生態(tài)站的運(yùn)行管理、發(fā)展方向指導(dǎo)。