2003–2010年千煙洲人工針葉林碳水通量觀測數據集
| 2003–2010年千煙洲人工針葉林碳水通量觀測數據集 作者：戴曉琴 王輝民 徐明潔 楊風亭 溫學發 陳智 張雷明 孫曉敏 於貴瑞 2020年7月1日 |
 戴曉琴, 王輝民, 徐明潔, 等. 2003–2010年千煙洲人工針葉林碳水通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020. (2020-06-02). DOI: 10.11922/csdata.2020.0036.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：全球變化背景下陸地生態系統碳水循環過程、控制機理及其對環境變化的響應是生態學與全球變化科學長期致力解決的重大科學問題。渦度相關技術是原位、連續、高頻觀測生態系統碳水交換過程的強有力技術途徑。千煙洲站作為國內首批建立渦度相關觀測系統的野外台站，已經持續積累了17年的人工針葉林生態系統碳水交換通量的科學觀測數據。為了推動中國乃至全球陸地生態系統通量研究及相關領域的發展，千煙洲站公開發表了整理加工的2003–2010年連續觀測的碳水通量及相關氣象要素數據。本數據集包含生態系統總初級生產力、生態系統呼吸、淨生態系統生產力、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、太陽輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標，形成了半小時、日、月和年尺度數據產品。
關鍵詞：渦度相關技術；通量數據；碳水循環；氣象要素；人工針葉林
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: The process, control mechanism and their responses to environmental change of terrestrial ecosystem carbon and water cycling under global changes are important scientific problems having been trying to be solved by ecology and global change science for a long time. Eddy covariance is a powerful method for in-situ, continuous and high-frequency observation of the carbon and water exchange process in ecosystems. Qianyanzhou Ecological Research Station (QYZ), as one of the first field station establishing the system of eddy covariance in China, has been continuously accumulating scientific observation data of carbon and water fluxes of artificial coniferous forests for 17 years. In order to promote the development of carbon and water fluxes of terrestrial ecosystem in China and even the world, QYZ published the carbon and water fluxes and related meteorological data observed and processed from 2003 to 2010. The dataset include gross ecosystem primary productivity, ecosystem respiration, net ecosystem productivity, latent heat flux, sensible heat flux, air temperature, air relative humidity, vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, solar radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation, etc., forming data products of half hour, day, month, and year scales.
Keywords: eddy covariance technique; flux data; carbon and water cycling; meteorological data; artificial coniferous forests
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫名稱 | 2003–2010年千煙洲人工針葉林碳水通量觀測數據集 |
| 數據通信作者 | 王輝民（wanghm@igsnrr.ac.cn），張雷明（zhanglm@igsnrr.ac.cn） |
| 數據生產者 | 數據觀測者：戴曉琴，溫學發，黃遠芬 數據負責人：王輝民 |
| 數據時間範圍 | 2003–2010年 |
| 地理區域 | 中亞熱帶江西省泰和縣千煙洲站 |
| 生態系統類型 | 人工針葉林生態系統 |
| 數據量 | 36 MB |
| 數據格式 | *.xlsx |
| 數據服務系統網址 | http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/993（暂不开放） |
| 基金項目 | 國家自然科學基金項目（41830860） |
| 數據庫組成 | 分為半小時、日尺度、月尺度和年尺度常規氣象數據（空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、太陽輻射、光合有效輻射和降水等）和碳水通量（生態系統總初級生產力、生態系統呼吸、淨生態系統生產力、潛熱通量、顯熱通量）數據產品表格。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | An observation dataset of carbon and water fluxes of artificial coniferous forests in Qianyanzhou (2003–2010) |
| Correspondence | Wang Huimin (wanghm@igsnrr.ac.cn); Zhang Leiming(zhanglm@igsnrr.ac.cn) |
| Data producers | Observer: Huang Yuanfen, Wen Xuefa, Dai Xiaoqin Director: Wang Huimin |
| Time range | 2003–2010 |
| Geographical scope | Qianyanzhou experimental station, Taihe county, Jiangxi province, mid-subtropical China |
| Ecosystem type | Artificial coniferous forests |
| Data amount | 36 MB |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02> < http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/993> (not open yet) |
| Source of funding | National Natural Science Foundation of China (41830860) |
| Dataset composition | The dataset include 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), 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[編輯]
全球變化背景下陸地生態系統碳水循環過程、控制機理及其對環境變化的響應是生物地球化學家們一直致力解決的重大科學問題。渦度相關技術是直接觀測生態系統與大氣間CO2和水熱通量的微氣象學技術，該技術實現了沒有任何干擾的條件下對生態系統多過程、多要素的長期連續的協同觀測[1]，為解決這一關鍵科學問題提供了強有力的工具。
在中國科學院知識創新工程重大項目「中國陸地和近海生態系統碳收支研究」的資助下，中國科學院千煙洲亞熱帶森林生態系統觀測研究站（原中國科學院–江西省千煙洲紅壤丘陵綜合開發試驗站，簡稱千煙洲站）作為國內首批建立碳水通量渦度相關觀測系統的野外台站，於2002年開始積累人工林生態系統碳水交換通量的科學觀測數據。到目前為止，已經持續觀測17年，獲得了寶貴的第一手數據資料，該數據已經在多領域、多學科，被廣大科研院校的研究人員大量應用[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11]，極大推動了相關學科的發展。
為了進一步推動中國乃至全球陸地生態系統碳水通量研究及相關領域的發展，千煙洲站通過數據加工整理，擬公開發表2003–2010年連續觀測的碳水通量及相關氣象要素數據，以期服務更多的政府機構、科研人員和公眾使用這些數據開展研究，充分發揮所獲數據的價值，進一步推動相關領域的發展。本數據集包含生態系統總初級生產力、生態系統呼吸、淨生態系統生產力、潛熱通量、顯熱通量、空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、太陽輻射、光合有效輻射和降水等觀測指標，形成了半小時、日、月和年尺度數據產品。
1 數據採集和處理方法[編輯]
1.1 數據來源[編輯]
通量塔位於江西省泰和縣灌溪鎮千煙洲站，115°04′E，26°44′N，平均海拔為110.8 m，相對高差20–50 m。站區屬亞熱帶季風氣候，年平均溫度為17.9℃，1月平均溫度為6.4℃，7月平均溫度為28.8℃；年平均降水量為1489 mm，主要集中在3–6月。土壤類型主要為紅壤，成土母質多為紅色砂岩和砂礫岩[12]。站區屬於中亞熱帶常綠闊葉林區，但原生植被在20世紀80年代初被破壞，現有森林主要為1985年左右營造的人工林，主要樹種為馬尾松（Pinus massoniana）、濕地松（P. elliottii）和杉木（Cunninghamia lanceolata）。
千煙洲站通量塔建於2002年8月，是中國首批通量觀測站點之一，通量塔總高度43米。以通量塔為中心1 hm2的樣地內建群種為馬尾松、濕地松和杉木，以49:48:3的面積呈塊狀混生，並伴有少量以木荷（Schima superba）為主的闊葉樹；林下灌木以白櫟（Quercus fabri Hance）、檵木（Loropetalum chinense）、美麗胡枝子（Lespedeza formosa）組成；草本植物以刺芒野古草（Arundinella setosa）為主[13]。建塔初期冠層高度平均為12 m，葉面積指數為3.5 m2/m[14]。
1.2 數據採集方法[編輯]
本數據集包含的觀測數據均通過自動化採集。各觀測項目測定所用儀器及型號、儀器製造商、以及數據採集傳感器及其廠家等相關信息見表1。CO2、H2O和能量通量安裝在39.6 m，原始數據為10 Hz，與30 min的平均通量數據利用數據採集器記錄並儲存；氣象數據觀測高度見表2，採集頻率1 min，計算為30 min數據存儲在數據採集器中。
表1 觀測項目所用分析儀相關信息
| 觀測系統 | 測定要素 | 分析儀器 | 分析儀製造商 | 數據採集傳感器 | 數據採集傳感器製造商 |
| 常規氣象要素 | 空氣溫度/濕度 | HMP45C | VAISALA | CR10XCR23X | CAMPBELL |
| 降水量 | 52203 | RM YOUNG | |||
| 總輻射 | CM11 | KIPP&ZONEN | |||
| 淨輻射 | CNR-1 | KIPP&ZONEN | |||
| 光合有效輻射 | LI190SB | LI-COR | |||
| 風速 | A100R | VECTOR | |||
| 風向 | W200P | VECTOR | |||
| 壓力 | CS105 | VAISALA | |||
| 紅外溫度傳感器 | IRTS-P | POGEE | |||
| 土壤溫度 | 105T，107-L | CAMPBELL | |||
| 土壤水分 | CS615-L | CAMPBELL | |||
| 土壤熱通量 | HFP01 | HUKSEFLUX | |||
| CO2和水熱通量 | 三維超聲風速 | CSAT3 | CAMPBELL | CR5000 | CAMPBELL |
| CO2、H2O密度 | LI-7500 | LI-COR | |||
| 顯/潛熱通量 | LI-7500 | LI-COR |
1.3 數據處理和產品加工方法[編輯]
本數據集發布的數據從觀測、採集、質控、處理和存儲方面均嚴格遵循ChinaFLUX制定的標準化的數據處理和質量控制技術體系[14]，詳細方法見於貴瑞等[15]、Wen等[16]和Yu等[17]。
數據質量控制： 採用國際上普遍認可的渦度通量數據質量控制方法，主要包括原始數據分析、超聲虛溫校正、坐標軸旋轉、WPL校正、頻率損失校正、冠層儲存項校正、穩態測試與湍流積分特性、夜間摩擦風速閾值篩選和異常值剔除，以及能量閉合評價。坐標軸旋轉採用平面擬合，冠層CO2存儲項估算採用單點CO2濃度變化的方式。
缺失數據插補： 對於短時間（小於2小時）內缺失的通量和氣象觀測數據，採用線性內插的方式完成插補；對於長時間缺失的氣象數據，利用氣象站觀測資料（土壤濕度和降水數據除外）開展插補；如未能完成插補，則利用平均日變化法完成數據插補。
對於長時間缺失的CO2通量數據，採用非線性回歸的方式。其中夜間缺失數據利用Arrhenius方程插補，方程中Q10表達為土壤溫度和土壤水分的線性方程。白天缺失數據利用直角雙曲線方程插補，最小插補時間窗口為7天。
CO'2'通量數據拆分： 採用邊際分布採樣法完成數據拆分。首先，基於夜間觀測數據，採用和缺失數據插補時相同的回歸方程，確定生態系統呼吸方程中的係數；然後，利用該方程計算夜間和白天的生態系統呼吸；最後，利用插補完成的白天CO2通量數據和計算得到的生態系統呼吸，求和得到總生態系統生產力。
2 數據樣本描述[編輯]
2.1 數據子集與數據量[編輯]
本數據集為千煙洲站人工林2003–2010年連續8年的碳水通量觀測數據，每年有8個EXCEL數據文件，分為兩類數據文件，一類常規氣象數據文件，一類通量數據文件，每年每類數據文件各有4個，即30分鐘、日、月和年尺度，總共64個文件，總數據量36 MB。
2.2 數據文件示例[編輯]
以2003年數據文件為例，表2–3分別為2003年千煙洲30分鐘氣象和通量數據表頭說明，所有數據項數據均是以數字形式呈現。
表2 氣象數據表說明及指標觀測高度
| 數據項 | 計量單位 | 觀測高度 | 數據項說明 |
| 年 | - | - | 年份 |
| 月 | - | - | 月份 |
| 日 | - | - | 日期 |
| 時 | - | - | 小時 |
| 分 | - | - | 分鐘 |
| 秒 | - | - | 秒 |
| 近地面空氣溫度 | ℃ | 1.6 m | 近地面平均空氣溫度 |
| 冠層上方空氣溫度 | ℃ | 39.6 m | 冠層上方平均空氣溫度 |
| 近地面空氣濕度 | % | 1.6 m | 近地面平均相對濕度 |
| 冠層上方空氣濕度 | % | 39.6 m | 冠層上方平均相對濕度 |
| 近地面水汽壓 | kPa | 1.6 m | 近地面水汽壓 |
| 冠層上方水汽壓 | kPa | 39.6 m | 冠層上方水汽壓 |
| 近地面風速 | m/s | 1.6 m | 近地面風速 |
| 冠層上方風速 | m/s | 39.6 m | 冠層上方風速 |
| 風向 | degree | 41.6 m | 風向 |
| 大氣壓 | kPa | 2 m | 大氣壓強 |
| 太陽輻射 | W/m2 | 41.6 m | 太陽輻射 |
| 淨輻射 | W/m2 | 41.6 m | 淨輻射 |
| 光合有效輻射 | μmol/(m2 s-1) | 39.6 m | 光合有效輻射 |
| 一層土壤溫度 | ℃ | -5 cm | 5 cm土壤溫度 |
| 二層土壤溫度 | ℃ | -10 cm | 10 cm土壤溫度 |
| 三層土壤溫度 | ℃ | -20 cm | 20 cm土壤溫度 |
| 四層土壤溫度 | ℃ | -50 cm | 50 cm土壤溫度 |
| 五層土壤溫度 | ℃ | -100 cm | 100 cm土壤溫度 |
| 一層土壤體積含水量 | m3/m3 | -5 cm | 5 cm土壤水分 |
| 一層土壤體積含水量 | m3/m3 | -20 cm | 20 cm土壤水分 |
| 一層土壤體積含水量 | m3/m3 | -50 cm | 50 cm土壤水分 |
| 降水量 | mm | 41.6 m | 總降雨量 |
表3 通量數據表說明
| 數據項 | 計量單位 | 數據項說明 |
| 年 | - | 年份 |
| 月 | - | 月份 |
| 日 | - | 日期 |
| 時 | - | 小時 |
| 分 | - | 分鐘 |
| NEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的淨生態系統生產力/ CO2通量 |
| RE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的生態系統呼吸 |
| GEE | mg CO2 m-2 s-1 | 半小時尺度的總生態系統生產力 |
| LE | W m-2 | 半小時尺度的潛熱通量 |
| Hs | W m-2 | 半小時尺度的顯熱通量 |
3 數據質量控制和評估[編輯]
半小時尺度上，不同年份之間淨生態系統生產力（CO2通量）、潛熱通量和顯熱通量的有效觀測數據比例分別為48.3%–76.7%、49.8%–84.2%、51.7%–87.4%，其中2003年和2010年有效數據量最低，一般為50%左右。另外，除2007年淨生態系統生產力有效數據在65.7%外，其餘年份淨生態系統生產力（CO2通量）、潛熱通量和顯熱通量有效數據量均達到70%以上（表4）。
表4 半小時尺度上不同年份質控後有效的通量數據比例（%）
| 年份 | 淨生態系統生產力 | 潛熱通量 | 顯熱通量 |
| 2003 | 48.3 | 49.8 | 51.7 |
| 2004 | 76.7 | 84.2 | 87.4 |
| 2005 | 73.3 | 81.8 | 83.8 |
| 2006 | 75.6 | 83.0 | 84.8 |
| 2007 | 65.7 | 72.7 | 75.7 |
| 2008 | 70.5 | 79.3 | 81.5 |
| 2009 | 74.4 | 82.1 | 84.8 |
| 2010 | 48.5 | 52.0 | 54.2 |
4 數據使用方法和建議[編輯]
本數據已在國家科技資源共享服務平台（http://www.cnern.org.cn）发布，用户登录系统后，点击“数据资源”栏目，选择“碳氮水通量观测数据集”，在右侧数据资源搜索框中输入“千烟洲站”字样，点击查询，即可进入相关数据下载界面。（编者注：暂不开放）
本數據集可應用於模型的開發、驗證。為了便於不同站點數據的比較，本數據集採用ChinaFLUX制定的標準技術體系進行數據處理和質量控制。但是由於不同插值方法計算結果存在差異，即使年通量差異相對較小，也可能導致季節動態較大的不同，因此在機理解析中應尤其慎重。
致 謝[編輯]
感謝黃遠芬長期以來在數據採集方面的貢獻，感謝劉允芬研究員在數據質量控制、系統運行與維護方面的貢獻。
參考文獻[編輯]
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數據引用格式[編輯]
戴曉琴, 王輝民, 徐明潔, 等. 2003–2010年千煙洲人工針葉林碳水通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-05-09). DOI:10.11922/sciencedb.993.
