2007–2013年華北平原典型灌溉農田生態系統日通量數據集——以欒城站為例

2007–2013年華北平原典型灌溉農田生態系統日通量數據集——以欒城站為例
作者：張玉翠　姜寒冰　張傳偉　沈彥俊
2020年6月24日

本作品收錄於《中國科學數據》

張玉翠, 姜寒冰, 張傳偉, 沈彥俊. 2007–2013年華北平原典型灌溉農田生態系統日通量數據集——以欒城站為例[J/OL]. 中國科學數據, 2020, 5(2). (2020-06-18). DOI: 10.11922/csdata.2020.0002.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：基於微氣象學原理的渦度相關技術已成為陸地生態系統與大氣間CO2和水熱通量交換的標準觀測手段之一。本數據集為中國科學院欒城農業生態系統試驗站自渦度相關系統架設完成至2013年積累的通量數據，時間跨度從2007年10月至2013年9月，覆蓋6個連續作物年，數據項包含蒸散量（ET）、降雨量（P）、淨輻射（Rn）、感熱通量（H）和二氧化碳淨交換量（NEE）。觀測樣地為冬小麥–夏玉米一年兩熟輪作制農田，屬於華北平原典型的潮褐土高產農業生態類型，具有較強的代表性。本數據集的聯網觀測、質量控制和處理存儲過程均嚴格遵守中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）數據管理技術體系，數據可靠性高，可為華北地區典型農田的水平衡、適水種植制度調整、農田生態系統碳水循環過程以及作物模型模擬等相關研究提供堅實的數據支撐。

關鍵詞：渦度相關系統；灌溉農田生態系統；水–熱–碳日通量；冬小麥–夏玉米；華北平原

Abstract & Keywords

Abstract: The micrometeorology-based Eddy Covariance System (EC) has become one of the standard methods for observing the exchange of CO2 and water heat flux between terrestrial ecosystems and the atmosphere. The dataset includes all the fluxes data accumulated in Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station of the Chinese Academy of Sciences from the EC System, spanning from October, 2007 to September, 2013 and extending 6 consecutive years of crop growth. And the fluxes consist of evapotranspiration (ET), precipitation (P), net radiation (Rn), sensible heat Flux (Hs) and net ecosystem exchange of CO2 (NEE). The sampling observation object is winter wheat-summer maize rotation cropping system, highly typical of the high-yield agro-eco system of meadow cinnamon soil in the North China Plain (NCP). The network observation, quality control and storage process of this dataset strictly abide by ChinaFLUX data management technology system to make sure data reliability. The EC dataset can provide solid data support for the study of the water balance, the adjustment of the water-adjusted cropping system, the agro-ecosystem carbon-water coupling cycles and crop growth model simulation in the typical crop field of the North China Plain.

Keywords: eddy covariance system; irrigated agro-ecosystem; water-heat-carbon daily fluxes; winter wheat-summer maize cropping system; the North China Plain

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2007–2013年華北平原典型灌溉農田生態系統日通量數據集——以欒城站為例
數據作者	張玉翠、姜寒冰、張傳偉、沈彥俊
數據通信作者	沈彥俊（yjshen@sjziam.ac.cn）
數據時間範圍	2007年10月1日至2013年9月30日
地理區域	觀測站點：中國科學院欒城農業生態系統試驗站（37°53′N，114°41′E）；代表區域：太行山山前平原（東經112°30′–119°30′，北緯34°46′–40°25′）。
數據量	295 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/939
基金項目	國家重點研發計劃（2016YFC0401403）；國家生態系統觀測研究共享服務平台專題服務；國家自然科學基金（40871021、31400375、41471027、31870422、41930865）；中國科學院青年創新促進會項目（2017138）。
數據庫（集）組成	本數據集由欒城試驗站通量觀測數據組成，含1個Excel文件，包括5個表單，分別為農田蒸散量、降水量、淨輻射量、感熱通量、二氧化碳淨交換量數據記錄。每個表單分別包括2192條日尺度數據和6條生育季尺度數據。

Dataset Profile

Title	Daily fluxes dataset of the typical irrigated agro-ecosystem in the North China Plain: A Case Study of Luancheng Station (2007 – 2013)
Data authors	Zhang Yucui, Jiang Hanbing, Zhang Chuanwei, Shen Yanjun
Data corresponding author	Shen Yanjun (yjshen@sjziam.ac.cn)
Time range	From October 1, 2007 to September 30, 2013
Geographical scope	Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station, CAS (37°53′N，114°41′E); typical geographical scope: The piedmont plain of the Taihang Mountains (112°30′E – 119°30′E, 34°46′N – 40°25′N).
Data volume	295 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/939>
Sources of funding	Special Services of National Ecosystem Observation and Research Sharing Service Platform; National Natural Science Found of China (40871021, 31400375, 41471027, 31870422, 41930865); National Key Research and Development Program (2016YFC0401403); Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (2017138).
Dataset composition	The dataset of the observation fluxes of Luancheng Agro-ecosystem Experimental Station is an Excel file five tables: Evapotranspiration (ET), Precipitation (P), Net Radiation (Rn), Sensible Heat Flux (Hs) and Net ecosystem exchange of CO2 (NEE). Each table consists of 2,192 daily data and 6 seasonal growth data.

引 言

陸地生態系統碳水循環是地球化學循環的核心過程。研究陸地生態系統碳水循環過程對於人類調節生物圈–水圈–大氣圈相互作用，對維持全球生態系統的物質運輸與能量循環具有重要的指導意義，也是人為適應和干預全球變暖，緩解水資源供需矛盾的戰略需求^[1][2]。經過長期的理論發展和技術改革，基於微氣象學原理的渦度相關技術已成為陸地生態系統與大氣間的CO2和水熱通量交換的標準觀測手段之一^[1]。渦度相關系統的觀測原理就是將空氣流動視為無數個渦流，通過物理量的脈動與垂直風速脈動的協方差計算湍流通量^[3]。目前，渦度相關系統已被廣泛應用於陸地生態系統碳水循環過程研究，長期連續的高頻率聯網觀測積累的通量數據可為碳水循環機理、碳源碳匯的時空分布特徵以及生物地球化學循環模型的優化等相關研究提供有力的數據支撐^[4][5]。

2001年，中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）依託中國生態系統研究網絡（CERN）成立，經過十幾年的發展，ChinaFLUX目前已建設完成100餘個通量觀測站，覆蓋森林、草地、農田等多種類型的陸地生態系統，形成了全國尺度的碳水通量觀測研究體系，實現了我國通量觀測事業從起步到國際前沿水平的跨越式發展^[6][7][8]。作為ChinaFLUX重要成員之一的中國科學院欒城農業生態系統試驗站（以下簡稱「欒城試驗站」）始建於1981年，隸屬於中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心（簡稱「中科院農業資源研究中心」）。1989年加入CERN，成為第一批基本站。2005年成為國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）台站，同年成為ChinaFLUX農田生態系統的重要觀測站點之一。

欒城試驗站渦度相關系統長期連續的碳水通量聯網觀測開始於2007年，本數據集包含了欒城試驗站2007–2013年的碳水通量觀測數據，選取了其中較為重要的組成部分，包括農田蒸散量、降雨量、淨輻射量、感熱通量和二氧化碳淨交換量，整理形成了日尺度和生育季節尺度數據產品，並以此數據論文形式對數據集進行系統性描述，以便於讀者溯源定位，理解數據集內涵，推動數據開放共享和規範化使用。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據來源及採集方法

基於ChinaFLUX的頂層設計，經過觀測塔選址、觀測儀器選型和野外觀測系統安裝與調試等技術工作，中科院欒城農業生態系統試驗站於2007年11月6日正式開始長期連續的碳水通量聯網觀測。本數據集為2007年10月1日至2013年9月30日的農田碳水通量數據，其中2007年10月1日至11月5日的數據由歷年相應通量項平均值並結合欒城試驗站氣象數據、土壤含水量和參考蒸散等插補得到。

欒城試驗站全稱為中國科學院欒城農業生態系統試驗站（台站代碼：LCA），該站地處太行山山前平原中部（37°53′N、114°41′E，海拔50.1 m），暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫12.9℃，多年平均降雨量490 mm（2007–2013年），無霜期200天，全年平均日照時數2608小時，≥0℃的積溫為4710℃，雨熱同期，適宜農業發展。土壤以潮褐土為主，質地為壤土，隨土層由淺到深依次為粉砂壤、壤土和粘壤。農業生產以華北地區種植面積最為廣泛的冬小麥–夏玉米一年兩熟輪作制農田為主。冬小麥10月初播種，次年6月中旬收穫；夏玉米6月中旬播種，9月底收穫。其中冬小麥冠層高度約為1.0 m，夏玉米冠層高度在2.0 m左右。

結合上述植被類型、冠層高度以及通量觀測下墊面要求，欒城站架設了通量觀測塔，並將碳水分析儀安裝高度設置為3.5 m。渦度相關系統主要由開路式CO2/H2O紅外分析儀和三維超聲風速計組成，同時輔有輻射分量和常規氣象要素（降雨和空氣溫濕度等）的同步觀測，觀測設備型號及製造商等信息見表1。數據觀測和存儲除人工觀測降水量外由系統自動完成，通常情況下每0.5–1個月定期維護一次，每兩年校準一次。

表1 各觀測系統主要測定要素、關鍵傳感器型號、製造商信息及安裝高度

觀測系統	觀測要素	傳感器和分析儀	製造商	安裝高度（m）
氣象要素	自動降水量	HMP155	CAMPBELL (美國)	3.5
	人工降水量	20 cm直徑雨量筒+1000 ml 量筒	-
CO2和水熱通量	三維超聲風速	CSAT3	CAMPBELL (美國)
	CO2/H2O密度	LICOR7500	LI-COR (美國)
	淨輻射量	CNR-1	Kipp&Zonen (荷蘭)
數據採集與通訊	常規氣象要素	CR1000	CAMPBELL (美國)
	碳水通量要素	CR5000

通量觀測塔下墊面為充分灌溉管理下的典型冬小麥–夏玉米一年兩熟輪作制農田生態系統，下墊面均勻且地勢平坦，風浪區（＞350 m）足夠大。觀測系統利用CR5000型數據採集器以10 Hz的頻率進行原始數據採樣和存儲，連續自動監測生態系統的碳水通量，每30 min輸出一組平均值。常規氣象要素的觀測記錄輸出頻度同樣為30 min，由相應的數據採集系統自動完成數據獲取和存儲。通過U盤下載原始數據並存儲備份，然後根據ChinaFLUX數據管理要求進行後續的質量控制和標準化處理。

1.2 數據處理方法

通量數據的原始觀測數據統一遵循ChinaFLUX技術體系進行標準化的質量控制和處理，處理流程如圖1。為規範和便於讀者對數據的使用，本數據集將10 Hz的原始數據處理計算形成了日尺度和生育季節尺度數據產品^[9]。

圖片

圖1 通量數據質量控制與處理流程

數據質量控制過程主要包括原始數據分析、超聲虛溫校正、坐標軸旋轉、WPL校正、穩態測試、湍流積分特性、野點剔除、能量閉合度評價以及夜間摩擦風速閾值篩選^{[10][11][12][13][14][15]}。野點剔除指原始數據中的異常值剔除，剔除方法包括絕對值法和相對值法^[16]。絕對值法即依據觀測指標理論上可能出現的數值範圍設置上下限，將明顯超出正常範圍的數值直接剔除；相對值法即計算數據的平均值和方差，以4倍方差作為檢驗標準，剔除偏離過大的數據。坐標軸旋轉也稱為傾斜校正，其目的是保證超聲風速儀與地表平行，減少由於儀器傾斜導致觀測的垂直風速中包含水平風速分量而造成的通量數據誤差。本研究採用中傾斜校正，主要包括三次坐標軸旋轉（Tiple Coordinate Rotation，TR）、WPL（Webb-Pearman-Leuning）校正、頻率響應校正。其中三次坐標軸旋轉可使x軸平行於平均風速方向，側向平均風速與垂直平均風速及兩者的協方差為零；WPL校正針對由於水熱通量輸送引起氣體密度變化而導致的潛熱通量和感熱通量觀測誤差；頻率響應校正針對儀器的系統誤差，即由於儀器對高頻和低頻信號響應存在的缺陷。根據平均值檢驗法（Average Values Test，AVT）對夜間CO2通量數據進行校正^[17]。本數據集前期主要利用編寫的程序代碼（2007–2011年）以及軟件EddyPro（LI-COR公司提供，2011–2013年）對通量數據進行了以上質量控制和處理。2017年後期利用ChinaFLUX統一程序代碼對原始數據又進行了一次處理，由於所選計算方法基本一致，數據一致性達99.5%。針對缺失數據的插補，短時段（小於2 h）的缺失數據採用線性內插法，較長時段（大於2 h）的缺失數據利用平均晝夜變化法（Mean Diurnal Variation，MDV）進行插補^[18]。對於蒸散量（ET）連續多日（7日以上）的數據缺失時段或MDV插值後仍存在的異常值，我們根據蒸散發生的機制對數據處理方法進行了改進，利用土壤含水量與ET/ET0的定量關係進行重新插補，這也是我們對數據插補方法的一點創新。具體方法如下：

①利用聯合國糧農組織（Food and Agricultural Organization，FAO）推薦的Penman-Montieth公式計算參考作物蒸散量ET0^[19] ：

\({ET}_{0}=\frac{0.408∆\left({R}_{n}-G\right)+900U*\gamma *VPD/\left({T}_{a}+273.3\right)}{∆+\gamma \left(1+0.34U\right)}\) （1）

式中：ET0 為潛在蒸散發（mm），Rn 為表層淨輻射（MJ/(m2·day)），G為土壤熱通量（MJ/(m2·day)），Ta 為日平均氣溫（oC），U為2 m高度處風速（m/s），VPD為飽和水汽壓差（kPa），Δ為飽和水汽壓曲線斜率（kPa/oC），γ為乾濕表常數（kPa/oC），ET0 計算用到的所有氣象數據均來自欒城試驗站標準氣象場。

②篩選出連續7日以上的數據缺失時段或異常值時段。

③篩選出存在缺值的日期及其前後2–3天的數據。

④從篩選結果中選擇與缺值處土壤含水量相近的日期（日期相同，年份不同），假設每個生育期的作物係數在同時期不變，將各ET/ET0 取平均值作為缺值日的ET/ET0 。其中土壤含水量數據由IH-II型中子儀（英國Didcot公司生產）和自動傳感器（Stevens公司生產的Hydra Probe II）共同測定，觀測深度為0–2 m。

⑤將平均所得的ET/ET0 乘以當天對應的ET0 ，得到插補後的ET。

2 數據樣本描述

2.1 數據集命名規則及數據量

本數據集為欒城站2007年10月1日至2013年9月30日的農田生態系統日尺度碳水通量觀測數據，共計1個EXCEL數據文件，大小為295 KB。文件命名為「欒城典型灌溉農田生態系統2007–2013年日通量數據集」，其中包括5個表單，分別命名為「蒸散量」「降水量」「淨輻射量」「感熱通量」和「二氧化碳淨交換量」。每個表單分別包括2192條日尺度數據和6條生育季尺度數據，其中降雨量數據包括了同時期的人工觀測和自動觀測數據。

2.2 數據文件示例

表2為數據表頭示例，詳細介紹了數據項含義、數據類型、計量單位等信息。

表2 通量觀測數據表頭說明

數據項	數據類型	計量單位	數據項說明	示例
Date	日期	-	年/月/日	2007/10/1
Year	日期	-	年–次年（表示生育年）	2007–2008
ET	數字	mm	日尺度蒸散量	1.3
ET-wheat	數字	mm	冬小麥生育季蒸散量	400.2
ET-maize	數字	mm	夏玉米生育季蒸散量	299.3
ET-Year	數字	mm	生育年尺度蒸散量	699.5
P-M	數字	mm	人工觀測日尺度降水量	6.2
P-A	數字	mm	自動觀測日尺度降水量	6.2
P-wheat	數字	mm	冬小麥生育季降水量	240.2
P-maize	數字	mm	夏玉米生育季降水量	357.3
P-Year	數字	mm	生育年尺度降水量	597.5
Rn	數字	MJ/m2/day	日尺度淨輻射量	5.9
Rn-wheat	數字	MJ/m2	冬小麥季淨輻射量	1232.2
Rn-maize	數字	MJ/m2	夏玉米季淨輻射量	1003.0
Rn-Year	數字	MJ/m2/year	生育年尺度淨輻射量	2235.2
Hs	數字	MJ/m2/day	日尺度感熱通量	2.4
Hs-wheat	數字	MJ/m2	冬小麥季感熱通量	270.7
Hs-maize	數字	MJ/m2	夏玉米季感熱通量	202.6
Hs-Year	數字	MJ/m2/year	生育年尺度感熱通量	473.3
NEE	數字	gC/m2/day	日尺度CO2淨交換量	0.9
NEE-wheat	數字	gC/m2	冬小麥季CO2淨交換量	−309.2
NEE-maize	數字	gC/m2	夏玉米季CO2淨交換量	−393.1
NEE-Year	數字	gC/m2/year	生育年尺度CO2淨交換量	−702.3

數據表頭說明：

（1）Year表示生育年，10月1日至次年9月30日，即從小麥播種到玉米收穫的一個輪作周期。

（2）P（Precipitation）表示降水量（mm），表示從天空降落到地面上的液態或固態（經融化後）水，未經蒸發、滲透、流失，而在水平面上積聚的深度。

（3）ET（Evapotranspiration）表示農田蒸散量（mm），指單位時間單位面積農田土壤蒸發量和植物蒸騰量的總和。

（3）Rn（Net Radiation）表示淨輻射量（MJ/m2），是射入到地表的輻射能與地表射出的輻射能的差。

（4）Hs（Sensible Heat Flux）：表示感熱通量（MJ/m2），指由於溫度變化引起的大氣與下墊面之間發生的湍流形式的熱交換。

（5）NEE（Net ecosystem exchange of CO2）表示生態系統CO2淨交換量（gC/m2）。NEE為正值表示農田生態系統向大氣釋放CO2；NEE為負值表示農田生態系統從大氣吸收CO2。

3 數據質量控制和評估

目前全球通量觀測研究領域普遍使用的數據質量評價體系主要包括一貫性檢驗和完全湍流假設的檢驗。本數據集基於此對數據質量進行了系統評價。功率譜和協方差譜檢驗結果表明，三維風速、CO2濃度和H2O濃度的功率譜變化模態符合慣性副區−2/3斜率理論值，表明渦度相關系統設備響應正常，不存在系統性的相移或失真^[20]。結合湍流穩定性檢驗和積分統計特性檢驗對數據進行總體質量評價和等級劃分，結果顯示觀測樣本符合湍流的方差相似性規律，數據質量較高^[21]。能量閉合度是通量數據質量評價的重要參考標準之一，Wilson等通過統計分析了全球通量觀測網絡（FLUXNET）22個站點50年通量數據，發現所有植被類型和氣候條件下的觀測均存在不同程度的能量不閉合現象，平均不閉合度達20%^[22]。為反映生態系統通量實際變化情況，本數據集中通量觀測數據未進行強制能量閉合處理。但是藉助於改進的ET（LE）插補方法，能量閉合度可達91%。其中小麥季觀測結果的能量閉合度可達95%，玉米季可達88%，遠高於全球通量觀測網絡台站匯交數據能量閉合程度的平均水平，數據質量較好。此外，為保證降水數據質量，本數據集不僅包含了人工觀測降水數據，也收錄了同時期的自動觀測降水數據。

本數據集中，日尺度蒸散量和二氧化碳淨交換量有效觀測數據為90%和93%；人工降水量有效觀測數據為100%，自動觀測為96%；淨輻射量和感熱通量有效觀測數據約為95%。數據缺失的原因主要分為兩類：一是觀測儀器運行故障導致的數據缺失，包括供電故障、設備維護等；二是數據處理過程導致的數據缺失，比如夜間和降水天氣數據的篩選等。

4 數據使用方法和建議

本數據集為欒城試驗站自通量觀測系統布設完成至2013年積累的通量數據，其觀測、處理和質量控制與評估均採用國際通用方法，並根據自身條件和觀測情況進行了改進，可靠性高。數據跨度從2007年10月至2013年9月，覆蓋6個連續作物年，觀測樣地屬於華北地區典型的潮褐土高產農業生態類型，具有較強的代表性。本數據集可為農業節水理論與水文水資源研究等相關領域的發展提供堅實的數據支撐，包括農田耗水特徵與蒸散結構分離^[23][24]，土壤水利用層次與地下水補給途徑解析^[25][26][24]，農田生態系統碳氮水循環過程^[27][28]，農田水平衡和適水種植制度調整^{[29][30][17][16]}，農業生產力與水資源可持續利用程度評價^[31]，作物模型的驗證與改進^[32][29][30]等。此外，本數據集可與其他觀測台站的數據進行綜合集成，服務於陸地生態系統對全球變化的響應、區域尺度陸地生態系統物質循環與能量流動過程以及生態系統管理政策制定等相關領域。

目前通量觀測數據仍普遍存在不同程度的能量不閉合現象，數據處理和質量控制也存在一定的不確定性。因此，本數據集在使用過程中需注意以下幾個方面：

（1）隨着ChinaFLUX數據管理技術體系的更新和完善，不同年份匯交的通量數據處理方法不完全相同，因此本數據集可能與早期發表的數據存在一定差異（誤差允許範圍內）。

（2）本數據集的數據管理和質量控制方法詳細信息可參考Zhang等^[25][16]、Shen等^[17]、於貴瑞等^[33]、Wen等^[20]和Yu等^[8]已發表的文獻。

（3）本數據集各項觀測數據受儀器運行狀態或數據處理過程影響，存在不同程度的數據缺失。數據文件中對插補數據進行了標註，建議優先採用未插補數據，以減少不確定性。

（4）針對降水數據，人工觀測可能會在降水量較大的連續降水日無法及時觀測導致數據偏小，而自動觀測可能對小雨0.2 mm的降水難以捕捉，有時也會由於儀器問題出現缺測，這是目前降水觀測普遍存在的問題，所以建議根據研究實際情況選擇所需降雨數據。

致 謝

衷心感謝CERN綜合中心和ChinaFLUX數據資源管理人員以及欒城站觀測人員的支持！感謝中國科學院地理所張雷明、陳智老師在數據質量控制和處理程序方面給予的指導！感謝中科院農業資源研究中心王玉英、程一松、閔雷雷、齊永青和郭英博士在數據收集、處理與監管方面給予的幫助！

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數據引用格式

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