2003–2010年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集
| 2003–2010年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集 作者：起德花 张一平 宋清海 费学海 沙丽清 刘运通 周文君 周立国 邓晓保 罗艳 邓云 2020年7月1日 |
 起德花, 张一平, 宋清海, 等. 2003–2010年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2020-06-03). DOI: 10.11922/csdata.2020.0037.zh. |
摘要&关键词[编辑]
摘要：本研究利用涡度相关技术，预测全球区域性气候变化趋势，评价生态系统对气候变化贡献，开展生态系统与大气之间碳、水和能量交换监测研究，进而发现生态系统变化规律。西双版纳生态站作为中国生态系统观测网（CERN）和中国通量研究网络（ChinaFLUX）的基础观测站点，基于ChinaFLUX数据处理体系，已持续积累了17年标准化的热带季节雨林生态系统碳水通量和关键气象要素数据集。本数据集不仅服务于教学、科研、管理、生活的各个方面，还服务于地方经济发展、生态安全、政府决策等，并在高质量论文、专著和国家及省部级奖项方面取得了丰硕的成果。本数据集是面向国家重大发展战略和服务地方应用的有力支撑。
关键词：涡度相关技术；通量数据；碳水循环；气象要素；热带季节雨林；西双版纳
Abstract & Keywords[编辑]
Abstract: Using eddy covariance technology, the global regional climate change trend is predicted and the contribution of ecosystem to climate change is evaluated. We monitored carbon, water and energy exchange between the ecosystem and the atmosphere, and then discovered the rules of ecosystem change. Xishuangbanna Ecological Station, as a basic observation station of China Ecosystem Observation Network (CERN) and ChinaFLUX Research Network (ChinaFLUX), has continuously accumulated 17 years of standardized dataset of carbon and water fluxes and key meteorological elements in tropical seasonal rain forest ecosystem based on ChinaFlux data processing system. This dataset not only serves all aspects of teaching, scientific research, management and life, but also serves local economic development, ecological security, government decision-making, etc., and has achieved fruitful results in high-quality papers, monographs and national, provincial and ministerial awards. This dataset is a strong support for facing major national development strategies and serving local applications.
Keywords: eddy covariance technique; flux data; carbon-water cycle; meteorological elements; tropical seasonal rain forest; Xishuangbanna
数据库（集）基本信息简介[编辑]
| 数据库名称 | 2003–2010年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集 |
| 数据通信作者 | 张一平（yipingzh@ xtbg.ac.cn）、宋清海（sqh@xtbg.ac.cn） |
| 数据生产者 | 起德花、费学海、沙丽清、刘运通、周文君、周立国、邓晓保、罗艳、邓云 |
| 数据时间范围 | 2003-2010年 |
| 地理区域 | 云南省西双版纳州勐腊县西双版纳生态站 |
| 生态系统类型 | 热带季节雨林生态系统 |
| 数据量 | 36 MB |
| 数据格式 | *.xlsx |
| 数据服务系统网址 | http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1014（暂不开放） |
| 基金项目 | 国家重点基础研究发展计划 |
| 数据库组成 | 分为半小时、日尺度、月尺度和年尺度常规气象数据（空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、土壤温度、土壤水分、太阳辐射、光合有效辐射和降水等）和碳水通量（生态系统总初级生产力、生态系统呼吸、净生态系统生产力、潜热通量、显热通量）数据产品表格。 |
Dataset Profile[编辑]
| Title | Observation Dataset of carbon and water fluxes in Xishuangbanna Tropical Seasonal Rain Forest from 2003 to 2010 |
| Correspondence | Zhang Yiping (yipingzh@ xtbg.ac.cn), Song Qinghai（sqh@xtbg.ac.cn） |
| Data producer | Qi Dehua, Fei Xuehai, Sha Liqing, Liu Yuntong, Zhou Wenjun, Zhou Liguo, Deng Xiaobao, Luo Yan, Deng Yun |
| Time range | 2003-2010 |
| Study site | Xishuangbanna Ecological Station, Mengla County, Xishuangbanna Prefecture, Yunnan Province. |
| Ecosystem type | Tropical seasonal rain forest ecosystem |
| Data amount | 36 MB |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?cid=SYCA02> < http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/1014> (not open yet) |
| Source of funding | National basic research program of China |
| Dataset composition | The dataset includes routine meteorological data (air temperature, air relative humidity, vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, solar radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation, etc.) and carbon and water fluxes (gross ecosystem primary productivity, ecosystem respiration, net ecosystem productivity, latent heat flux, sensible heat flux), forming data products of half hour, day, month, and year scales. |
引 言[编辑]
热带季节雨林碳水循环过程和变化机理是农业、遥感、水文、生态、社会经济、气象、地质灾害等相关领域的前沿性研究。深入了解其变化过程对天气预报、全球气候变化、水资源利用等相关研究工作具有重要意义[1]。从20世纪80年代开始，生态系统碳水通量长期观测已引起世界各国专家学者们的普遍关注[2]。到20世纪90年代，欧洲、日本和美国共同成立了全球通量观测网络（FLUXNET），并已开始获取碳水通量观测数据[3]。涡度相关技术是目前应用较广泛的监测方法[4]，而涡度相关仪器作为最普遍的通量观测系统[5]，在FLUXNET中已分布了500多个观测站点。目前，在中国有100多个通量观测站点，其中，有50余个观测站用于开展陆地生态系统通量观测研究工作，包括土壤热流、辐射、风、温湿梯度以及CO2通量与近地层水热等[6][7]。
西双版纳生态站作为中国生态系统观测网（CERN）和ChinaFLUX的基础观测站点[8]。由于该地处于热带北缘，海拔偏高，年平均温度和年降雨量相对较低，并且降雨季节变化明显。特殊的地理环境、气候和植被结构，使其生态系统具有生物多样性丰富、生产力高的特性，在区域的生态环境、缓解气候变暖和全球碳循环方面具有重要作用[9]。
在中国科学院知识创新工程重要方向项目“中国陆地生态系统碳氮通量特征及其环境控制作用研究”，国家重点基础研究发展计划（国家973项目）“中国陆地生态系统碳-氮-水通量的相互关系及其环境影响机制”等支持下，在西双版纳生态站利用涡度相关技术，预测全球区域性气候变化趋势，评价生态系统对气候变化贡献，开展生态系统与大气之间碳、水和能量交换监测研究等。西双版纳生态站积累了17年的碳水通量数据，以期服务于政府和科研机构，提高公众使度，进而推动中国乃至全球陆地生态系统碳水通量研究及相关领域的发展。
1 数据采集和处理方法[编辑]
1.1 数据来源[编辑]
通量塔位于中国科学院西双版纳热带植物园内，101°12′44″E，21°57′32″N，平均海拔为756 m，年平均气温为21.5℃，最冷月（1月）平均温度为16.0℃，最热月（6月）平均温度为25.7℃，年Σ t ≥10℃和Σ t ≥18℃积温分别为7959.2℃和6638.1℃。平均日照时数为1858.7 h。多年平均降水量为1556.8 mm[10]，但各月份分配不均，87 %的降水集中在5–10月，年平均相对湿度为85 %。林下土壤为砖红壤，腐殖质层厚1–3 cm，落叶层厚2–5 cm，土壤偏酸（PH<5）。年平均风速仅为0.4 m/s，是著名的静风区[11]。版纳热带季节雨林不仅雾日较多，而且还存在“碳湖”现象，“碳湖”在4–9月出现频率较高，在10–3月出现频率较低，存在明显的季节变化特征，影响高度可达20 m[12]。
通量塔位于起伏山坡阶梯上的小凹地处，四面有山丘[13]，铁塔底部与周围山丘顶的水平距离为400–686 m，相对高差为80–70 m。通量塔所处植被类型为热带季节雨林，优势种主要为绒毛番龙眼（Pometia tomentosa）、千果榄仁（Terminalia myriocarpa），其群落高35 m左右，生物量大约500 t /ha，该雨林群落胸径≥10 cm的立木密度为386棵/ hm2，平均树高18.6 m[14]。
通量塔于2002年底正式投入使用，通量塔上安装有开路涡度相关通量系统和多层微气象观测系统。气象梯度观测系统包括：7层3杯风速仪和温湿度构成风速和温湿度垂直梯度观测系统；此外，还设置了6层PAR传感器以观测PAR垂直变化；在通量塔顶层设置了太阳辐射传感器和雨量筒；在铁塔41.6 m处设置了太阳辐射传感器以观测太阳总辐射4分量动态；还观测了地表温度、土壤热通量、9层土壤温度梯度、3层土壤体积含水量等相关数据；此外，还在植被冠层安装红外温度传感器，以监测植物冠层表面温度变化。
1.2 数据采集方法[编辑]
观测系统的涡度相关和气象梯度观测数据都是通过数据采集器Datalogger进行自动采集并存储，CO2、H2O和能量通量系统频率为10 Hz，常规气象要素的数据采样频率为0.5 Hz。为了保证数据可比性和准确性，提升研究结果可靠性，对所有仪器设备进行定期校对和维护。各观测项目测定所用仪器及型号、仪器制造商，以及数据采集传感器及其厂家等相关信息见表1，气象数据观测高度见表2。
表1 观测项目所用分析仪相关信息
| 观测系统 | 测定要素 | 分析仪器 | '分析仪'制造商 | 数据采集传感器 | 数据采集传感器制造商 | |
| 常规气象要素 | 空气温度/湿度 | HMP45C | VAISALA | CR10XCR23X | CAMPBELL | |
| 降水量 | 52203 | RM YOUNG | ||||
| 总辐射 | CM11 | KIPP&ZONEN | ||||
| 净辐射 | CNR-1 | KIPP&ZONEN | ||||
| 光合有效辐射 | LQS70-10 | APOGEE | ||||
| 风速 | A100R | VECTOR | ||||
| 风向 | W200P | VECTOR | ||||
| 压力 | CS105 | VAISALA | ||||
| 红外温度传感器 | IRTS-P | POGEE | ||||
| 土壤温度 | 105T/107-L | CAMPBELL | ||||
| 土壤水分 | CS615-L | CAMPBELL | ||||
| 土壤热通量 | HFP01 | HUKSEFLUX | ||||
| CO2和水热通量 | 三维超声风速 | CSAT3 | CAMPBELL | CR5000 | CAMPBELL | |
| CO2、H2O密度 | LI-7500A | LI-COR | ||||
| 显/潜热通量 | LI-7500A | LI-COR | ||||
1.3 数据处理和产品加工方法[编辑]
数据处理基本基于ChinaFLUX流程与标准[15][16]，但基于站点（site-based）地形及气候，故数据处理时我们做出改进/订正：详细方法见姚玉刚等和费学海等的文献[17][18]。数据处理流程见图1。
图1 涡度相关系统30 min碳水通量数据处理流程数据（改自文献[15]）
数据质量保证/质量控制：
（1）数据校正——坐标轴旋转（采用自然风系统三次旋转方法）、WPL校正。
（2）数据的筛选，对摩擦风速u* < 0.1 m/s（由于地处山坳，且该地区常年风速小，故没有采用ChinaFLUX规定的u* < 0.2 m/s标准）的数据进行剔除；对有降雨发生的通量和CO2浓度数据进行了剔除；对输出30 min的通量值为1.#IND,1.#INF,NAN（1.#IND,1.#INF,NAN均为数据缺失值）的数据进行剔除，对明显超过其正常范围的数据进行删除；对X > |M ±5d|（X代表要判断的当前数值，M、d分别代表5天数据的平均值M和方差d）的数据进行剔除；对天亮到11:00这个时段Fc > 0 mg /m2 s的数据进行剔除（由于形成“碳湖效应”和“假碳源效应”，故剔除）。
（3）能量闭合评价。
（4）平面拟合，冠层存储项采用CO2浓度的单点估算方式。
缺失数据插补： 缺失数据的插补主要分以下三种情况：
（1）对于短时间（小于2小时）内缺失的通量和气象观测数据：采用内插的方式完成插补。
（2）对于长时间缺失的气象数据：采用日平均值法[19]，将缺失数据日前后各4天（共8天）每半小时的平均值求出，对缺失的时段进行相应插补[20]，潜热和显热通量的缺失值则通过建立其与净辐射之间经验回归关系式（对白天、夜间和不同季节分别进行拟和）进行插补。
（3）对于由于仪器故障，系统校正，天气状况和剔除野点造成的数据的缺失，使用非线性回归法进行插补。
CO'2'通量数据拆分： 采用边际分布采样法完成数据拆分。首先，基于夜间观测数据，采用和缺失数据插补时相同的回归方程，确定生态系统呼吸方程中的系数，然后估算夜间和白天的生态系统呼吸；其次，利用插补完成的白天CO2通量数据和估算的同时刻生态系统呼吸，求和得到总生态系统生产力。
2 数据样本描述[编辑]
2.1 数据子集与数据量[编辑]
本数据集为版纳热带季节雨林2003–2010年连续8年的碳水通量观测数据，每年有8个EXCEL数据文件，分为两类数据文件，一类常规气象数据文件，一类通量数据文件，每年每类数据文件各有4个，即30 min、日、月和年尺度，总共64个文件，总数据量36 MB。
2.2 数据文件示例[编辑]
以2003年数据文件为例，表2–3分别为2003年版纳热带季节雨林30分钟气象和通量数据表头说明，所有数据均是以数字形式呈现。气象观测系统包括7层三杯风速仪（A100R，VECTOR, UK），近地面观测高度为4.2 m。7层温湿探头（HMP45C, VAISALA, Netherlands）。气压观测设置在距地表4.2 m高度（CS105, VAISALA, Netherlands），顶层设置有雨量筒（52203, RM YOUNG, USA）。上述仪器均与CR10X型数据采集器（CR10X, Campbell, USA）相连，每30 min输出一组平均值。
表2 气象数据表说明及指标观测高度
| 数据项 | 计量单位 | 观测高度 | 数据项说明 | |
| 年 | 年份 | |||
| 月 | 月份 | |||
| 日 | 日期 | |||
| 时 | 小时 | |||
| 分 | 分钟 | |||
| 秒 | 秒 | |||
| 近地面空气温度 | ℃ | 4.2 m | 近地面平均空气温度 | |
| 冠层上方空气温度 | ℃ | 42 m | 冠层上方平均空气温度 | |
| 近地面空气湿度 | % | 4.2 m | 近地面平均相对湿度 | |
| 冠层上方空气湿度 | % | 42 m | 冠层上方平均相对湿度 | |
| 近地面水汽压 | kPa | 4.2 m | 近地面水汽压 | |
| 冠层上方水汽压 | kPa | 42 m | 冠层上方水汽压 | |
| 近地面风速 | m/s | 4.2 m | 近地面风速 | |
| 冠层上方风速 | m/s | 42 m | 冠层上方风速 | |
| 风向 | degree | 70 m | 风向 | |
| 大气压 | kPa | 4.2 m | 大气压强 | |
| 太阳辐射 | W/m2 | 70 m | 太阳辐射 | |
| 净辐射 | W/m2 | 41 m | 净辐射 | |
| 光合有效辐射 | μmol/m2 | 70 m | 光合有效辐射 | |
| 一层土壤温度 | ℃ | 0 m | 0 cm土壤温度 | |
| 二层土壤温度 | ℃ | -40 m | 40 cm土壤温度 | |
| 三层土壤温度 | ℃ | -60 m | 60 cm土壤温度 | |
| 四层土壤温度 | ℃ | -80 m | 80 cm土壤温度 | |
| 五层土壤温度 | ℃ | -100 m | 100 cm土壤温度 | |
| 一层土壤体积含水量 | m3/mm | -5 cm | 5 cm土壤水分 | |
| 二层土壤体积含水量 | m3/mm | -20 cm | 20 cm土壤水分 | |
| 三层土壤体积含水量 | m3/mm | -40 cm | 40 cm土壤水分 | |
| 降水量 | mm | 72 m | 总降雨量 | |
表3 通量数据表说明
| 数据项 | 计量单位 | 数据项说明 |
| 年 | 年份 | |
| 月 | 月份 | |
| 日 | 日期 | |
| 时 | 小时 | |
| 分 | 分钟 | |
| 质控NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 进行质量保证/质量控制后半小时尺度的净生态系统生产力 |
| 质控LE | W m-2 | 进行质量保证/质量控制后半小时尺度的潜热通量 |
| 质控Hs | W m-2 | 进行质量保证/质量控制后半小时尺度的显热通量 |
| NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小时尺度的净生态系统生产力 |
| RE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小时尺度的生态系统呼吸 |
| GEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小时尺度的总生态系统生产力 |
| LE | W m-2 | 半小时尺度的潜热通量 |
| Hs | W m-2 | 半小时尺度的显热通量 |
3 数据质量控制和评估[编辑]
半小时尺度上，不同年份之间净生态系统生产力（NEE）、潜热通量（LE）和显热通量（H）有效观测数据比例分别为48.0%–83.0%、57.4%–91.1%、58.1 %–92.2%，其中，除2008年潜热通量和显热通量有效数据在57.4%和58.1%外，其余年份潜热通量和显热通量有效数据量均达到70%以上，且均高于净生态系统生产力质控后有效通量数据比例（图2）。
图2 半小时尺度上不同年份质控的有效通量数据比例（%）
4 数据使用方法和建议[编辑]
本数据已在国家科技资源共享服务平台（http://www.cnern.org.cn）发布，用户登录系统后，点击数据资源栏目，在数据资源搜索中输入“版纳站”，点击查询，即可进入相关数据下载界面。 （编者注：数据暂不开放）
本数据集可应用于模型的开发、验证。为了便于不同站点数据的比较，本数据集采用ChinaFLUX制定的标准技术体系进行数据处理和质量控制。但是由于不同插值方法计算结果存在差异，即使年通量差异相对较小，也可能导致季节动态较大的不同，因此在机理解析中应尤其慎重。
5 展望[编辑]
西双版纳热带季节雨林碳水通量在能量平衡及全球小气候特征中至关重要。在后续研究中需要进一步加强：
（1）由于该地处于热带北缘，海拔偏高，年平均温度和年降雨量相对较低，风速较小，雾日较多，而且还存在“碳湖”现象。有特殊的地理环境、气候和植被结构，在观测系统运行以及数据质量控制时要考虑多种因素。
（2）随着碳水通量观测仪器的推陈出新以及碳水通量数据处理方法的不断改进、完善和创新，碳水通量质控后有效数据比例将越来越高。
致 谢[编辑]
西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据积累离不开中国科学院西双版纳热带植物园和西双版纳生态站的大力支持，西双版纳生态站承担了通量和气象观测设备的野外维护和原始数据采集工作，为本数据集的生产做出了不可缺少的贡献，特此致谢！
参考文献[编辑]
- ↑ 马虹, 陈亚宁, 李卫红. 陆地生态系统 CO2与水热通量的研究进展究[J]. 新疆环境保护 2012, 34(2): 01-08.
- ↑ WOlFGANG B, JOHANNES L, JORG H, et al. Long-Term Carbon and Water Vapour Fluxes[J]. Ecological Studies, 2017, 73-96.
- ↑ 牛晓栋. 天目山老龄森林生态系统碳水通量及水汽稳定同位素观测[D]. 杭州, 浙江农林大学研究生院. 2015.
- ↑ YU G R, CHEN Z, PIAO S L, et al. High carbon dioxide uptake by subtropical forest ecosystems in the East Asian monsoon region[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111: 4910-4915.
- ↑ BALDOCCHI D, CHU H S, REICHSTEIN M. Inter-annual variability of net and gross ecosystem carbon fluxes: A reviews[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2018, 249: 520-533.
- ↑ 马虹. 塔里木河下游柽柳灌丛的CO2与水热通量研究[D]. 北京, 新疆农业大学, 乌鲁木齐, 2013.
- ↑ 张智慧, 王维真, 马明国, 等. 黑河综合遥感联合试验涡动相关通量数据处理及产品分 析[J]. 遥感技术与应用, 2010, 25(6): 788-796.
- ↑ CHEN B, GE Q, FU D, et al. A data-model fusion approach for upscaling gross ecosystem productivity to the landscape scale based on remote sensing and flux footprint modeling[J]. Biogeosciences, 2010, 7: 2943-2958.
- ↑ 窦军霞, 张一平, 于贵瑞, 等. 西双版纳热带季节雨林水热通量[J]. 生态学报, 2007, 27 (8): 3099-3109.
- ↑ 姚玉刚, 张一平, 于贵瑞, 等. 热带季节雨林近地层CO2堆积的气象条件分析[J]. 应用基础与工程科学学报, 2012, 20(1). doi:10.3969/j.issn. 1005-0930. 2012. 01. 005.
- ↑ 张一平, 沙丽清, 于贵瑞, 等. 热带季节雨林碳通量年变化特征及影响因子初探[J]. 地球科学, 2006, 36: 139-152.
- ↑ YAO Y G, ZHANG Y P, LIANG N S, et al. Pooling of CO2 within a small valley in a tropical seasonal rain forest[J]. Journal of Forest Research, 2012, 17(3): 241-252.
- ↑ 姚玉刚, 张一平, 于贵瑞. 等. 热带森林植被冠层CO2储存项的估算方法研究[J]. 北京 林业大学学报, 2011, 33(1): 23-29.
- ↑ 谭正洪. 西双版纳热带季节雨林生态系统碳平衡研究[D]. 北京, 中国科学院研究生院, 2011.
- ↑ 于贵瑞, 孙晓敏.《陆地生态系统通量观测的原理与方法》（第二版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2018.
- ↑ 张雷明, 罗艺伟, 刘敏, 等. 2003–2005年中国通量观测研究联盟（ChinaFLUX）碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2019, 4(1). (2018-12-29). DOI: 10.11922/csdata. 2018. 0028.zh.
- ↑ 费学海. 云南典型森林生态系统碳交换及其对气候变化响应研究[D]. 北京: 中国科学院研究生院, 2018.
- ↑ 姚玉刚. 西双版纳热带雨林“碳湖”形成机理及其对净生态系统CO2交换量的影响[D]. 北京, 中国科学院研究生院, 2010.
- ↑ FALGE E, BALlDOCCHI D, OLSON R, et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2001, 107(1): 43-69.
- ↑ 孔丹. 塔克拉玛干沙漠腹地2007年春夏季辐射及沙尘气溶胶特征分[D]. 乌鲁木齐: 新疆师范大学研究生院, 2008.
数据引用格式[编辑]
张一平, 宋清海, 起德花, 等. 2003–2010年西双版纳热带季节雨林碳水通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-10). DOI: 10.11922/sciencedb.1014.
