馬景永,趙長明,張金貴,馬曉俊,來興發(fā),沈禹穎*
1.蘭州大學(xué),草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院/蘭州大學(xué)草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全國重點實驗室,蘭州 730000
2.甘肅慶陽草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅慶陽 745000
3.蘭州大學(xué),科學(xué)觀測臺站管理中心,蘭州 730000
全球氣候變暖、降水格局改變造成不同區(qū)域暴雨、干旱等極端氣候事件頻發(fā)[1-5],將顯著影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[6-8]。農(nóng)田作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其能量交換、碳水循環(huán)及其耦合過程將不可避免的受到全球氣候變化的影響[9]。渦度相關(guān)技術(shù)被認為當前研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)及其全球氣候變化的重要方法,該技術(shù)可以準確計算不同地理區(qū)域(如北方、溫帶、熱帶、不同海拔梯度等)和生態(tài)系統(tǒng)(森林、草原、荒漠、農(nóng)田和海洋等)陸氣間能量分配、二氧化碳交換和水汽傳輸?shù)冗^程,已廣泛應(yīng)用于我國各種類型的生態(tài)系統(tǒng)研究中[10-15]。先前關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中能量和碳水交換的研究發(fā)現(xiàn),不同作物類型的能量分配特征和碳水循環(huán)在時間和空間尺度上表現(xiàn)出相當大的差異,其中在時間尺度上主要表現(xiàn)出明顯的日、季節(jié)和年際變異,在空間尺度上主要表現(xiàn)出不同地理單元的碳水循環(huán)和能量分配比例。氣候變異、植被生長狀況和土壤含水量等因素是引起農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)和能量分配在時間和空間尺度變異的主要調(diào)控因子[9]。因此,基于渦度相關(guān)技術(shù)開展農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能量和碳水交換的長期連續(xù)觀測研究,對于進一步精確計算作物耗水、植物生長模擬及其對氣候變化的反饋具有重要意義。
黃土高原是世界上水土流失最嚴重和生態(tài)最脆弱的地區(qū)之一,區(qū)域地形破碎,生態(tài)系統(tǒng)類型多樣,極易受到全球氣候變化的影響[16]。糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)作為黃土高原典型的生態(tài)系統(tǒng)類型,相較于單一農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、抗災(zāi)害能力強和產(chǎn)能產(chǎn)值高等特點,對維持區(qū)域糧食生產(chǎn)和畜牧業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。然而,受全球氣候變化的影響,近年來黃土高原降雨分布極度不均,極端干旱事件頻發(fā),極大地影響了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)及其耦合機制。了解黃土高原糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中能量分配、碳水交換及其耦合機制的特征與調(diào)控機制,對于模擬我國黃土高原地區(qū)作物生產(chǎn)、水分高效利用以及碳源匯管理具有重要意義。
本數(shù)據(jù)集包含甘肅慶陽草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(簡稱“慶陽站”)2019–2021年的碳水通量和微氣象觀測數(shù)據(jù),選取了生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、水循環(huán)和能量分配等關(guān)鍵過程的重要參數(shù),包括凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、蒸散發(fā)、感熱通量、潛熱通量、凈輻射和降雨量等,整理形成了糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)日尺度數(shù)據(jù)產(chǎn)品,并以數(shù)據(jù)論文的形式對數(shù)據(jù)采集和處理方法、數(shù)據(jù)樣本描述、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估、數(shù)據(jù)使用方法和建議進行了詳細描述,以便用戶更好地使用數(shù)據(jù),進一步推動慶陽國家站野外觀測數(shù)據(jù)的開放與共享。
慶陽站是我國在黃土高原較早成立的野外站之一,也是我國最早開展草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)觀測、研究和示范推廣的野外站。自1981 年建站以來,慶陽站始終圍繞黃土高原地區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式中種養(yǎng)分離、生態(tài)保護與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相悖導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化等現(xiàn)實問題,在草地農(nóng)業(yè)理論指導(dǎo)下,開展全球氣候變化背景下農(nóng)業(yè)生態(tài)格局變化、資源高效利用和生態(tài)保護與社會經(jīng)濟發(fā)展耦合的長期監(jiān)測、科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和示范推廣,所獲成果在我國學(xué)術(shù)界和國際組織產(chǎn)生了重要影響。2018 年慶陽站入選甘肅省首批野外科學(xué)觀測研究站,2019 年入選首批教育部野外科學(xué)觀測研究站,2021 年獲批國家野外科學(xué)觀測研究站建設(shè)。慶陽站在蘭州大學(xué)科學(xué)觀測臺站管理中心的統(tǒng)一部署下,按照陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測規(guī)范要求,采用統(tǒng)一的觀測儀器和指標開展了黃土高原典型糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量相關(guān)指標的長期觀測。
采用渦度相關(guān)長期連續(xù)監(jiān)測的方法,對黃土高原典型糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量、能量分配和環(huán)境因子進行監(jiān)測。本數(shù)據(jù)集為2019 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量數(shù)據(jù),具體數(shù)據(jù)采集方法如下:
(1)樣地布設(shè)
經(jīng)過通量塔選址、設(shè)備采購、儀器安裝與調(diào)試等技術(shù)工作,于2017 年8 月在蘭州大學(xué)慶陽站開始糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量的長期觀測研究。研究站位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)什社鄉(xiāng)(35.67°N,107.85°E,海拔1297 m),屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降雨為527.6 mm,潛在蒸發(fā)量約為1500 mm;年均氣溫9.2 ℃,全年日照約2400 小時,無霜期160 天,熱量資源可滿足兩年種植三季作物。研究區(qū)主要種植作物為冬小麥、玉米、紫花苜蓿和飼用大豆等。通量塔下墊面為典型的苜蓿-冬小麥-玉米長期觀測樣地,其中苜蓿占60%,冬小麥占25%,玉米占15%。研究區(qū)土壤類型為粉壤土,0–20 cm 土層的平均土壤容重為1.3 g cm-3,pH 值為8.4,土壤有機碳含量為8.9 g kg-1,總氮含量為0.64 g kg-1。
(2)碳水通量和氣象數(shù)據(jù)采集
慶陽站通量塔總高度為50 m,碳水通量監(jiān)測采用開路式渦度相關(guān)系統(tǒng),儀器安裝高度為2.75 m,包括開路式二氧化碳紅外氣體分析儀和三維超聲風(fēng)速儀,觀測指標主要為:CO2和H2O 交換濃度,u、v、w 三個方向風(fēng)速和超聲虛溫。氣象要素和渦度相關(guān)觀測同步進行,觀測指標包括空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、光合有效輻射、凈輻射、土壤溫度、土壤體積含水量等。渦度相關(guān)觀測采用CR3000 數(shù)據(jù)采集器實時記錄和存儲10 Hz 高頻原始數(shù)據(jù)和半小時平均通量數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)采樣頻率與渦度相關(guān)同步,采用CR6 數(shù)據(jù)采集器。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,每年定期對儀器設(shè)備進行維護和標定。監(jiān)測站儀器設(shè)備安裝高度、儀器型號、制造商詳見表1。
表1 各觀測系統(tǒng)主要測定要素、關(guān)鍵傳感器型號、制造商信息及安裝高度Table 1 Main measurement elements as well as the models, manufacturer information and installation height of the key sensors in the observation systems
1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
采用EddyPro 4.0 軟件(LI-COR Inc., USA)對原始通量數(shù)據(jù)進行異常值剔除、坐標旋轉(zhuǎn)、頻率響應(yīng)校正、WPL 校正、超聲溫度校正、時間滯后校正、未修正通量數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等預(yù)處理[17]。對預(yù)處理后的半小時通量數(shù)據(jù)進行穩(wěn)態(tài)和湍流積分統(tǒng)計特性的數(shù)據(jù)質(zhì)量和一致性檢驗[18]。此外,針對夜間通量數(shù)據(jù)的低估和雙重疊加問題,結(jié)合研究生態(tài)系統(tǒng)CO2和u*的夜間湍流通量之間的季節(jié)性變化關(guān)系,確定了u*閾值來消除夜間通量數(shù)據(jù)的不確定性[19]。其中,2019 年u*閾值為0.19 m s-1,2020 年u*閾值為0.15 m s-1,2021 年u*閾值為0.12 m s-1。
1.2.2 數(shù)據(jù)插補
受儀器故障、降雨、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等常會導(dǎo)致部分通量數(shù)據(jù)的缺失,因此為了保證數(shù)據(jù)的完整性,需對缺失數(shù)據(jù)進行插補。對于碳通量數(shù)據(jù)缺失時間小于2 小時的通量數(shù)據(jù)采用線性內(nèi)插法進行插補,而缺失時間大于2 小時的通量數(shù)據(jù)采用非線性回歸法進行插補。插補時將凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量(NEE)拆分為白天和夜間通量數(shù)據(jù)進行分別插補。
白天NEE數(shù)據(jù)采用Michaelis-Menten 方程進行插補[20]:
式中α為生態(tài)系統(tǒng)表觀光量子效率(μmol CO2μmol-1光量子),PAR為光合有效輻射(μmol m-2s-1),ER為生態(tài)系統(tǒng)呼吸(μmol CO2m-2s-1),Pmax為生態(tài)系統(tǒng)最大光合速率(μmol CO2m-2s-1)。夜間NEE數(shù)據(jù)采用Lloyd-Taylor 方程進行插補[21]:
式中,R0為夜間當溫度為0 ℃時的土壤呼吸速率,Q10為溫度敏感性系數(shù),Ts為10 cm 土壤溫度(℃)。由于夜間沒有植物光合作用,因此所測NEE即為生態(tài)系統(tǒng)呼吸(NEEnight=ER),利用公式1、公式2 擬合的夜間NEE與溫度的回歸關(guān)系,結(jié)合白天土壤溫度計算得到白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸。基于白天的NEE,最終計算出研究糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(GEP),即,GEP=ER-NEE。
對水通量缺失數(shù)據(jù)的插補采用Amiro 等[22]的方法。缺失的降雨數(shù)據(jù)采用附近西峰氣象站測得的日降水量值進行插補。其他氣象因子若缺失值小于2 小時則采用線性內(nèi)插法對缺失數(shù)據(jù)進行插補,而當缺失值較大時則采用非線性回歸法和平均日變化法等方法對缺失數(shù)據(jù)進行插補[20,23]。
1.2.3 數(shù)據(jù)計算
(1)生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā)(ET)計算
通過轉(zhuǎn)化實測潛熱通量得到糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)蒸散發(fā),計算公式如下:
式中,LE為潛熱通量(MJ m-2day-1),λ 為水的蒸發(fā)潛熱(2.45 kJ g-1),ρw是水的密度(1 g cm-3)。
(2)日尺度各參數(shù)計算
為得到糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)日通量數(shù)據(jù)集,我們對插補后的半小時通量數(shù)據(jù)進行了進一步的加和與平均值的計算。其中,凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量、總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸、蒸散發(fā)、降雨量為日尺度半小時值的累計量。感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射、空氣溫度和土壤體積含水量等相關(guān)氣象參數(shù)為日尺度半小時值的平均值。
本數(shù)據(jù)集為慶陽試驗站2019 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)日尺度通量觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)集大小為257 KB。文件命名為“2019–2021 年黃土高原典型糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)日通量數(shù)據(jù)集”,數(shù)據(jù)的存儲格式為1 個EXCEL 文件,數(shù)據(jù)文件包括1 個數(shù)據(jù)表單,包含19 個數(shù)據(jù)指標,數(shù)據(jù)表單包括1096 條日尺度數(shù)據(jù)。表2 列出了數(shù)據(jù)表單所包含具體數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)類型、計量單位、數(shù)據(jù)項目說明和數(shù)據(jù)示例。
表2 糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量數(shù)據(jù)表頭說明Table 2 Header description of carbon and water flux data of the grain and grass complex ecosystem
為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效共享,本數(shù)據(jù)集從原始數(shù)據(jù)采集到生成天時間序列數(shù)據(jù)表單都對數(shù)據(jù)進行了嚴格的質(zhì)量控制。其中,在原始數(shù)據(jù)入庫過程中,對數(shù)據(jù)的完整性和準確性進行了系統(tǒng)檢驗評估,對部分不完整數(shù)據(jù)采用EddyPro 4.0 進行了重新計算;針對半小時通量數(shù)據(jù),采用6倍標準誤等方法進行了異常值剔除,對因儀器故障、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制導(dǎo)致的數(shù)據(jù)缺失進行了插補。同時,采用線性回歸法和能量平衡閉合法對渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)進行了質(zhì)量評價。綜上所述,研究糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)渦度相關(guān)設(shè)備所獲得的數(shù)據(jù)是可靠的、完整的。
本數(shù)據(jù)集以黃土高原典型糧草復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳水通量實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),計算出了復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)總生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、生態(tài)系統(tǒng)呼吸和生態(tài)系蒸散發(fā),具有較高的使用價值,可以為黃土高原區(qū)域碳源匯管理、水資源高效利用、能量流動過程以及對全球氣候變化的響應(yīng)等研究方面提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
本數(shù)據(jù)集可通過Science Data Bank 在線服務(wù)網(wǎng)站獲取數(shù)據(jù)服務(wù)(https://www.scidb.cn/),同時對相關(guān)原始數(shù)據(jù)有使用需求的可通過甘肅慶陽草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站服務(wù)平臺(http://qyga.lzu.edu.cn/index.htm)進行在線申請。
致 謝
衷心感謝蘭州大學(xué)科學(xué)觀測臺站管理中心和慶陽站觀測人員的支持!感謝蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院李峻成老師,褚厚坤博士在設(shè)備維護和數(shù)據(jù)采集方面給予的幫助!
數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)
馬景永(1987—),男,甘肅武威人,博士,副教授,研究方向為生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)。主要承擔(dān)工作:野外監(jiān)測、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和計算。
趙長明(1978—),男,山東濟寧人,博士,教授,研究方向為森林生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作:野外觀測系統(tǒng)的總體運行和數(shù)據(jù)管理。
張金貴(1994—),女,甘肅武威人,碩士,實驗師,研究方向為科學(xué)數(shù)據(jù)管理。主要承擔(dān)工作:數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量控制。
馬曉?。?993—),男,甘肅蘭州人,碩士,實驗師,研究方向為植物生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作:野外設(shè)備維護。
來興發(fā)(1992—),男,甘肅白銀人,博士,助理研究員,研究方向為草田輪作。主要承擔(dān)工作:野外監(jiān)測。
沈禹穎(1965—),女,甘肅蘭州人,博士,教授,研究方向為草田輪作。主要承擔(dān)工作:野外觀測方法與論文把關(guān)。