基於文獻整合的中國典型陸地生態系統初級生產力、呼吸和淨生產力數據集

基於文獻整合的中國典型陸地生態系統初級生產力、呼吸和淨生產力數據集
作者：陳智　於貴瑞　朱先進　張雷明　王秋鳳　焦翠翠
2018年12月29日

本作品收錄於《中國科學數據》

陳智, 於貴瑞, 朱先進, 等. 基於文獻整合的中國典型陸地生態系統初級生產力、呼吸和淨生產力數據集[J/OL].中國科學數據, 2019, 4(1). (2018-6-29). DOI:10.11922/csdata.2018.0024.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：陸地生態系統與大氣間的碳交換是重要的生物地球化學循環過程，包含了生態系統的光合生產和呼吸利用，直接決定了生態系統的物質資源生產、生物多樣性維持以及氣候調節等功能。本文收集整理了2000–2015年中國區域公開發表的生態系統碳交換通量的文獻資料，構建了中國區域典型陸地生態系統生產力和呼吸數據集。本數據集涵蓋了森林、草地、農田和濕地等的57個典型陸地生態系統的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力的實測記錄。此外，還包含了氣候區、植被類型、年均氣溫和年總降水量等生物和氣候信息。本數據集的建立與共享，可為區域生態系統固碳效益評估、生態環境承載力評價、全球變化研究以及生物地球化學循環模型的優化提供重要的數據支持。

關鍵詞：陸地生態系統；初級生產力；呼吸；淨生產力；渦度相關；碳通量

Abstract & Keywords

Abstract: Carbon exchange between the atmosphere and terrestrial ecosystems is one of the key processes in biogeochemical cycles. Including plant photosynthesis and biological respiration, the exchange process directly determines the ecosystem functions of material production, diversity maintenance and climate regulation. Based on carbon fluxes data collected from existing literature published during 2000 –2015, we built the dataset of production and respiration in Chinese typical terrestrial ecosystems. The dataset contained multiple site-year records of gross primary production, ecosystem respiration and net ecosystem production from 57 typical terrestrial ecosystems including forest, grassland, cropland and wetland in China. In addition, the biologicaland climatic information, such as biome type, vegetation type, mean annual temperature and precipitation, were compiled. This dataset provides important data resources for evaluation of regional carbon budget, assessment of eco-environment carrying capacity, studies of climate change and optimization of biogeochemical cycle models.

Keywords: terrestrial ecosystem; primary production; respiration; net production; eddy covariance; carbon fluxes

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	基於文獻整合的中國典型陸地生態系統初級生產力、呼吸和淨生產力數據集
數據作者	陳智，於貴瑞，朱先進，張雷明，王秋鳳，焦翠翠
數據通信作者	陳智（chenz@igsnrr.ac.cn），於貴瑞（yugr@igsnrr.ac.cn）
數據時間範圍	2000–2015年
地理區域	中國區域典型陸地生態系統
數據量	31 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40580 ； http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/599
基金項目	國家自然科學基金項目（31600347），國家重點研發計劃（2016YFA0600103），中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19020302），中國科學院科技服務網絡STS計劃（KFJ-SW-STS-169）。
數據集組成	本數據集包含57個典型生態系統2000–2015年期間觀測的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力觀測記錄，以及輔助觀測資料，包括站點地理位置、生態系統類型、觀測年份、年均氣溫、年總降水量等。

Dataset Profile

Title	A dataset of primary production, respiration and net production in Chinese typical terrestrial ecosystems based on literature integration
Data corresponding authors	Chen Zhi (chenz@igsnrr.ac.cn), Yu Guirui (yugr@igsnrr.ac.cn)
Data authors	Chen Zhi,Yu Guirui, Zhu Xianjin, Zhang Leiming, Wang Qiufeng, Jiao Cuicui
Time range	2000 –2015
Geographical scope	Typical Chinese terrestrial ecosystems
Data volume	31 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40580>; <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/599>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (31600347), National Key Research and Development Program of China (2016YFA0600103), Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302), Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences (KFJ-SW-STS-169).
Dataset composition	The dataset includes observations of gross primary production, ecosystem respiration and net ecosystem production from 57 typical ecosystems during the period of 2000–2015. In addition, it includes some basic information such as site location, ecosystem type, observation year, annual mean air temperature and annual total precipitation, and so forth.

引 言

植被通過光合作用吸收大氣中的CO2並將其轉化為生物質，開啟了陸地生態系統的物質和能量循環。植被的光合生產力則直接決定了生態系統為人類社會提供的物質資源，如糧食、木材、牧草等的產量^[1]。在植被光合作用過程中伴隨着植被的呼吸代謝，用於其生長和維持的呼吸消耗。凋落的植被生物質則為土壤微生物提供養分，在微生物的呼吸代謝作用下驅動了陸地的生物地球化學循環^[2]。經過植被和微生物的呼吸消耗後所留存的光合生產力形成了生態系統的淨生產力，該淨生產力則直接決定了生態系統的資源環境承載力、固碳水平以及對全球氣候的調節能力^[3]。

渦度相關技術（Eddy Covariance Technique）是有效地連續獲取生態系統尺度的生產力、呼吸和淨生產力的方法^[4][5][6]。該方法可以對生態系統尺度的碳交換過程進行連續的高頻率的自動觀測，用於揭示不同時間尺度上生態系統的生產力、呼吸以及淨生產力的動態變化過程及其影響機制^[7]。近20年來，渦度相關技術觀測站點的建設得到迅猛發展^[8][9]。2002年，中國陸地生態系統通量觀測網絡（ChinaFLUX）正式成立，開啟了對我國區域典型生態系統的通量觀測。隨後，國家林業、農業、氣象等職能部門以及高等院校和科研院所也相繼展開生態系統通量觀測研究。經過15年的發展，越來越多的通量觀測站在中國的不同區域和生態系統類型建立，積累了豐富的生態系統碳交換通量觀測數據^[10][8]。然而，這些寶貴的實測數據仍缺乏系統性地整合，尚未形成一套系統的生態系統生產力、呼吸以及淨生產力的綜合數據集，這在一定程度上制約了這些數據在回答國家的資源環境承載力、環境保護、氣候調控等宏觀生態學問題中的作用。

本研究通過對公開發表的文獻資料的收集整理，構建了我國典型生態系統生產力和呼吸關鍵參數數據集，並實現公開共享，以期為我國生態系統固碳效益評估、生態環境承載力評價、全球變化研究以及生物地球化學循環模型的優化提供重要的數據支持。

1 數據採集和處理方式

1.1 數據來源

本研究收集了在2000–2015年期間，中國區域內開展的陸地生態系統碳通量觀測的研究論文。基於Web of Science數據庫（http://apps.webofknowledge.com）和中国知网数据库（http://www.cnki.net），以“涡度相关（eddy covariance）」「碳通量（carbon flux）」或「碳交換（carbon exchange）」「碳收支（carbon budget）」「生產力（production）」「總初級生產力Gross Primary Production（GPP）」「淨生態系統生產力Net Ecosystem Production（NEP）」和「淨生態系統碳交換Net Ecosystem Exchange（NEE）」等作為關鍵詞檢索文獻。獲取的檢索文獻通過以下標準進行篩選：（1）碳通量統一採用渦度相關技術方法測定；（2）進行了三維坐標旋轉、Webb-Pearman-Leuning(WPL)校正等通量數據質量控制^{[11][12][13][14]}；（3）有效數據必須完整和連續1年以上。通過以上標準篩選，共獲取了涵蓋森林、草地、農田、濕地、灌叢和城市的57個典型陸地生態系統的碳通量觀測數據（圖1）。

圖片

圖1 數據集的觀測站點分布（審圖號：GS（2018）4935號）

1.2 數據整理

對於收集的文獻資料，採用Get Data Graph Digitizer軟件提取每篇文獻的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力數據以及輔助的氣象和植被信息。對於報道多年觀測值的站點，逐一提取每一年的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力；對於未給出年值只有月觀測值的站點，將月觀測值進行加和計算年值；對於分別給出生長季和非生長季觀測值的站點，將生長季和生長季的觀測值進行加和計算年值。對提取的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力數據進行統一單位換算，將g CO2 m-2 yr-1的觀測數據統一轉化為g C m-2 yr-1。最後對提取的多年觀測值進行平均，求算每個站點的多年平均總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力。同時，提取每個觀測站點的地理位置、生態系統和植被類型。地理位置統一提取通量觀測塔的經緯度信息。缺失站點地理位置和生態系統類型信息的站點，再基於觀測站點名稱進一步查閱資料進行補充。此外，提取每個觀測站點觀測期間的年均氣溫和年降水量等氣候因子指標。氣象數據缺失的站點，則進一步採用其觀測期間臨近氣象站點的數據進行插補。插補數據統一來自全球地表氣象數據（ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod/）。具体数据处理流程如图2所示。

圖片

圖2 數據處理流程圖

2 數據樣本描述

本數據集共包含了來自中國區域的57個典型生態系統的總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力的2000–2015年的觀測數據。具體包括18個森林生態系統、20個草地和灌叢生態系統、7個農田生態系統、10個濕地生態系統和2個城市綠地。

數據集共包括兩個sheet表單，分別是生產力和呼吸等觀測數據表和文獻出處表。觀測數據表的列表依次為序號、站點代碼、站點名稱、站點名稱（英文）、生態系統全稱、生態系統全稱（英文）、生態系統類型、生態系統類型（英文）、緯度、經度、海拔、年均溫、年總降水、觀測開始時間、觀測結束時間、淨生產力、總初級生產力、生態系統呼吸和文獻出處（表1）。站點代碼為站點名稱的字母縮寫，例如XSBN表示西雙版納。後綴表示對同一站點不同處理的補充，例如GL-D表示果洛–退化草地，GL-A表示果洛–人工草地。

表1 中國區域陸地生態系統碳通量數據集列表項及單位說明

數據項	數據單位	數據類型	示例
序號	-	整數型	3
站點代碼	-	字符型	XSBN
站點名稱	-	字符型	西雙版納
站點名稱（英文）	-	字符型	Xishuangbanna
生態系統全稱	-	字符型	西雙版納熱帶常綠闊葉林
生態系統全稱（英文）		字符型	Xishuangbanna tropical evergreen broadleaf forest
生態系統類型		字符型	森林
生態系統類型（英文）		字符型	Forest
緯度	°N	浮點型	21.95
經度	°E	浮點型	101.20
海拔	m	浮點型	750
年均氣溫	℃	浮點型	19.25
年總降水量	mm	浮點型	1416.75
觀測開始時間	-	整數型	2003
觀測結束時間	-	整數型	2008
年淨生產力NEP	g C m-2 yr-1	浮點型	168.83
年總初級生產力GPP	g C m-2 yr-1	浮點型	2342.67
年生態系統呼吸RE	g C m-2 yr-1	浮點型	2173.83
文獻出處	-	字符型	[3]

3 數據質量控制與評估

本數據集來源於公開發表的文獻。對於收集的文獻數據，從數據庫選擇、檢索關鍵詞、文獻篩選標準、數據提取和整理整個過程都對數據質量進行了控制。

文獻篩選的質量控制：基於Web of Science和中國知網兩個權威的文獻數據庫進行檢索，保證了文獻來源的質量。鎖定以「渦度相關」作為關鍵詞進行檢索，排除了其他研究方法的干擾，保證了數據採集方法的一致性和結果的可比性。對獲取的檢索文獻又通過以下標準進行篩選：必須進行了三維坐標旋轉、WPL校正、儲存項校正、異常值剔除以及夜間CO2校正等通量數據質量控制，並且要求有效數據必須完整和連續1年以上，保證了原始數據的可靠性。

數據提取和整理的質量控制：對提取的數據統一採用算術平均算法，計算各觀測點的多年平均總初級生產力、生態系統呼吸和淨生產力。其次，對提取數據進行統一單位轉化。對於缺失的氣象數據，統一基於全球地表氣象數據庫里的觀測期間臨近氣象站點的數據進行插補，保證數據的一致性。

數據審核：整理完畢的數據集，先由數據整理者逐一對應每篇文獻出處複查原始數據進行核對，再由多名數據整理者隨機交叉抽取文獻進行檢驗，最後交付給專家進行最終的審核和修訂，確保數據集的正確、可靠。

數據質量評估：本研究收集的碳通量數據仍存在一定的不確定性，主要來自於以下幾個方面：（1）渦度相關技術測定誤差。渦度相關技術測定過程中，由於複雜地形、大氣穩定性、數據採集頻率響應、夜間泄流等影響使結果存在一定的系統誤差^[15]。（2）數據統計分析誤差。由於地形狀況和植被類型的不同，每個站點採用不同的數據剔除、校正和插補方法，分析結果引入了一定的系統誤差。本研究中，收集的觀測站點在分析方法上的差異主要體現在摩擦風速u*閾值設定和插補方法的不同。由於當地不同的地形、植被和氣象因素，本研究中觀測站點的摩擦風速u*閾值有差異，但均介於0.1–0.4 m/s的合理範圍^[12]。缺失的碳通量數據的插補主要採用了平均日變化法、查表法和非線性回歸法。研究結果表明，這3種不同的插補方法獲取的插補結果無顯著差異，對年總NEE的影響在± 25 g C m-2 yr-1範圍內^[16]。

4 數據使用方法和建議

建立的中國典型陸地生態系統生產力和呼吸數據集，是國內首個基於文獻整合的生態系統尺度的碳交換通量的數據集。本數據集涵蓋了我國57個典型陸地生態系統的碳收支特徵值，這一數據集可為我國區域生態系統固碳效益評估、生態環境承載力評價、全球變化研究以及生物地球化學循環模型的優化提供重要的數據支持。

本數據集在使用中需要注意以下兩個方面：

1. 對於渦度相關通量觀測數據的處理技術與方法目前還沒有全球統一的技術規範，各觀測台站採用了最適合當地站點條件的技術方法進行分析處理，因此，每個站點的通量分析標準、閾值的設定等方面存在着差異。

2. 本研究綜合了同一觀測點的多篇文獻資料，反映的是各台站多年的碳收支平均狀況，因此有別於單篇文獻的報道結果。

^[17][18]

需要使用本數據集的讀者，可以登錄國家生態系統觀測研究網絡數據資源服務網站（http://www.cnern.org.cn）。登录系统后，在首页点击“数据论文数据”图表或在“数据资源”栏目选择“数据论文数据”中的“碳氮水通量观测专题”，进入相应页面下载数据。用户也可以登录Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/599）查询相关信息。

致 謝

感謝本文每位數據生產者、管理者、分析者的辛苦工作！感謝何念鵬研究員為本論文寫作給予的指導！

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數據引用格式

陳智, 於貴瑞, 朱先進, 等. 基於文獻整合的中國典型陸地生態系統初級生產力、呼吸和淨生產力數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-06-25). DOI: 10.11922/sciencedb.599.