中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)专题 II 区论文(已发表) 版本 ZH3 Vol 6 (1) 2021
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2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量观测数据集
An observation dataset of carbon and water fluxes in a mixed coniferous broad-leaved forest at Dinghushan,Southern China (2003 – 2010)
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: 2020 - 05 - 28
: 2021 - 03 - 02
: 2020 - 11 - 23
: 2021 - 03 - 30
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摘要&关键词
摘要:陆地生态系统碳水循环过程是全球生态系统中重要的生态学过程,科学定量森林生态系统的碳水循环过程中的碳水通量是准确定量陆地生态系统碳水过程的关键所在。基于微气象理论的涡度相关通量观测技术实现了对森林生态系统的碳水通量的准确定量,获取的碳水通量监测数据为研究森林生态系统碳“源汇”贡献提供了坚实基础。作为中国生态系统研究网络(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)和国家野外科学观测研究站网络(National Ecosystem Research Network of China,CNERN)成员,鼎湖山森林生态系统定位研究站自2002年底始对我国南亚热带鼎湖山针阔叶混交林森林类型进行碳水通量监测,现已完善为系统规范化的监测。其中针阔叶混交林为鼎湖山主要森林类型,也是我国南亚热带常见森林类型。按照中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)的统一规范,在该森林类型已进行长达17年的生态系统水平碳水通量及关键气象要素标准化监测。本数据集通过整理和统计,列出了2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量的动态实测数据,并包含了相关的数据集构建过程。建立和共享本数据集可以为深入探讨全球水热格局变化情形下的生态系统与大气之间碳、水和能量交换监测研究提供本底资料,为该地区的森林经营管理及生态系统功能评价提供数据支撑。
关键词:鼎湖山国家级自然保护区;涡度相关法;针阔叶混交林;碳水通量;气象因子
Abstract & Keywords
Abstract: The carbon-water cycle process in terrestrial ecosystems is a critical ecological process in the global ecosystems, and the scientific quantitation of carbon water flux in the carbon-water cycle of forest ecosystem is key to accurately quantifying the carbon-water process in terrestrial ecosystems. The eddy covariance is a micro-meteorological method that is currently used to monitor carbon-water flux and to achieve an accurate quantification of these fluxes in forest ecosystems. The technique provides a solid foundation for the study of carbon source/sink contribution of forest ecosystems in carbon sequestration. As a core member of Chinese Ecosystem Research Network (CERN) and National Ecosystem Research Network of China (CNERN), Dinghushan Forest Ecosystem Research Station (the Station) has been monitoring carbon and water fluxes in a mixed broadleaf-conifer forest, a major forest type in low subtropical China since the end of 2002, which is now in line with an improved standardization procedure. Among the major forest types, the mixed broadleaf-conifer forest is a typical forest at Dinghushan, and also a common forest type in lower subtropical China. According to the unified technical specifications of ChinaFLUX, the Station has carried out a 17-year of standardized monitoring of carbon-water flux and key meteorological elements in the mixed coniferous broad-leaved forest ecosystem from 2003 to 2010. The statistically systematized and analyzed dataset presents the dynamic measurement data of carbon water fluxes in the mixed coniferous broad-leaved forest from 2003 to 2010 at Dinghushan. The dataset also includes the information on the process of dataset construction. The setup and data sharing of the carbon-water flux database provide critical data for deep studies on the carbon, water and energy exchange between the forest canopy and atmospheric boundary layers, in the context of water and heat pattern under global change. The dataset is a strong support for forest management and ecosystem service function evaluation in this lower subtropical area.
Keywords: Key words: Dinghushan National Nature Reserve; eddy covariance methods; mixed coniferous broad-leaved forest; carbon-water flux; meteorological factor
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量观测数据集
数据作者李跃林,闫俊华,孟泽,黄健强,张雷明,陈智,刘世忠,褚国伟,张倩媚,张德强
数据通信作者李跃林(yuelin@scib.ac.cn);闫俊华(jhyan@scib.ac.cn)
数据时间范围2003年1月至2010年12月
地理区域中国鼎湖山国家级自然保护区(23°09′21"–23°11′30"N,112°30′39"–112°33′41"E)
数据格式*.xls
数据量35 MB
数据服务系统网址http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02
http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009
基金项目国家自然科学基金项目(31670453、31961143023);中国科学院战略性先导科技专项(XDA19020302);中国生态系统研究网络(CERN)鼎湖山森林生态系统定位研究站运行服务项目;国家科技部(CRERN)广东鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目。
数据库(集)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
TitleAn observation dataset of carbon and water fluxes in a mixed coniferous broad-leaved forest at Dinghushan (2003 – 2010)
Data authorsLI Yuelin, YAN Junhua, MENG Ze, HUANG Jianqiang, ZHANG Leiming, CHEN Zhi, LIU Shizhong, CHU Guowei, ZHANG Qianmei, ZHANG Deqiang
Data corresponding authorLi Yuelin (yuelin@scib.ac.cn); Yan Junhua (jhyan@scib.ac.cn)
Time rangeFrom January 2003 to December 2010
Geographical scopeDinghushan National Nature Reserve of China, 23°09′21"N–23°11′30"N, 112°30′39"E–112°33′41"E.
Data format*.xls
Data volume35 MB
Data service system<http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02>
< http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009>
Sources of fundingNational Science Foundation of China (31670453, 31961143023); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302); Dinghushan Forest Ecosystem Positioning Research Station of the National Science and Technology Infrastructure Platform, Chinese Ecosystem Research Network (CERN); Operation Service Project of National Scientific Observation and Research Field Station of Dinghushan Forest Ecosystem in Guangdong, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China.
Dataset compositionThe dataset is composed of 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, daily, monthly, and yearly scales.
引 言
对陆地生态系统与大气间的碳交换通量的长期定位测定及其精确估算,是评价区域及全球生态系统碳源汇功能[1]、开展大尺度模型研究进而预测生态系统对不同时空尺度全球变化的响应特征的基础和前提,因而成为地球系统科学、生态和环境科学领域共同关注的一个关键性科学问题[2,3,4]。森林生态系统是陆地生态系统的主体,森林生态系统碳水通量的观测显得尤为重要。在广东,从“十年绿化广东”到“新一轮绿化广东大行动”,广东森林结构和类型也发生了相应变化。其中,20世纪80年代营造的马尾松林经自然演替已逐步被针阔叶混交林所替代,针阔叶混交林作为森林演替过程中的中间类型,已成为主要森林类型之一[5]。结合全球变化,研究表明过去60年来,热带亚热带区域年均气温每年增加0.019℃,年降雨量不变,但小雨天数减少、无雨天数增加、降雨强度增大,导致土壤水分和大气湿度显著下降[6-7]。南亚热带水热格局正在悄然发生深刻的变化,华南湿润区针阔叶混交林的碳水通量交换过程和影响机制研究对森林资源管理、全球气候变化等相关研究工作具有重要的意义。
鼎湖山森林生态系统定位研究站(简称鼎湖山站)是中国生态系统研究网络(CERN)和UNESCO/MAB(联合国教科文组织/人与生物圈计划)的站点之一,依照中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)碳水通量监测规程,自2002年10月以来,长期开展了针阔叶混交林群落水汽通量监测与研究[8,9,10,11]。本数据整理了鼎湖山站2003–2010年针阔叶混交林水汽通量数据,以期为深入探讨全球水热格局变化情形下的生态系统与大气之间碳、水和能量交换监测研究提供本底资料,为该地区的森林经营管理及生态系统功能评价提供数据支撑;在数据服务功能方面,以期服务政府和科研机构,提高公众使用度,促进全球陆地森林生态系统碳水通量研究。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据采集样地描述
鼎湖山国家级自然保护区(23°09′21"–23°11′30"N,112°30′39"–112°33′41"E)位于广东省肇庆市鼎湖区,占地总面积为1155 hm2,主要地形为丘陵和低山,海拔100–700 m。该地区属于南亚热带季风气候,年降水量为1714 mm,年平均湿度为76%,4月至9月为湿季,10月到翌年3月为旱季,湿季降水量占全年降水量80%左右。年均气温22.5℃,最冷月(1月)和最热月(7月)平均气温分别为13.8℃和28.8℃。地质基础主要为泥盆纪砂岩、砂页岩、页岩和石英砂岩,地带性土壤为南亚热带赤红壤[12,13,14,15 ]。鼎湖山植物群落呈现终年常绿,郁闭度约95%。根据森林生态系统演替系列,鼎湖山的植物群落可分为演替初期的马尾松针叶林、演替中期的针阔叶混交林和演替后期的季风常绿阔叶林。针阔叶混交林乔木层主要物种为木荷(Schima superba)、锥栗(Castanopsis chinensis)、和马尾松(Pinus massoniana)等[11,16],优势乔木树种的生物量占比在85%以上。草本主要为芒萁(Dicranopteris pedata)、淡竹叶(Lophatherum gracile)等,灌木主要有山血丹(Ardisia lindleyana)、变叶榕(Ficus variolosa)等。
本研究数据采集对象为针阔叶混交林群落,南亚热带森林群落的演替中间阶段,具有典型代表性。为研究针阔叶混交林生态系统冠层碳水交换能力及其生态系统服务功能维持机制等,最早于2002年10月在海拔300 m建立针阔叶混交林样地碳通量塔,进行水汽通量监测。样地位于鼎湖山五棵松,表1为样地概况[7,17-18]
表1   通量下垫面样地基本信息
序号样地名称针阔叶混交林永久样地
1演替阶段中间过渡
2位置23°10′25.4″N,112°32′3.7″E
3海拔(m)300
4坡向SE
5坡度 (°)10
6平均树高(m)17.5
7林龄(a)50–100
8郁闭度(%)>95
9叶面积指数(m2·m-25.2
10林分密度(每公顷株数)4167
11生物量(t·hm2260.0
12土壤类型赤红壤
1.2   数据来源及采集方法
数据来源于鼎湖山站碳水通量观测系统,下垫面为针阔叶混交林永久样地,通量观测塔高38 m,装有2层开路涡度相关通量观测系统,观测探头高度分别为28 m和3 m,分别代表林冠层顶/大气界面、林冠下层/地表草本界面的通量。通量观测铁塔上同时安装多层微气象观测系统。气象梯度观测系统包括:7层三杯风速仪和温、湿度构成风速和温湿度垂直梯度观测系统;此外,还设置了2层PAR传感器以观测PAR垂直变化;在通量观测塔顶层设置了太阳辐射传感器和雨量筒,其中太阳辐射含太阳总辐射四分量动态,地下观测指标还有地表温度、土壤热通量、土壤温度、土壤体积含水量等[19]。观测始于2002年10月,本数据集提供2003年1月至2010年12月观测数据。
观测系统的涡度相关和气象梯度观测参数获取方法:CO2、H2O和能量通量系统采集频率为10 Hz,常规气象要素的数据采集频率为0.5 Hz。为了保证数据可靠性,所有仪器设备均进行定期校对和维护。各观测项目所用仪器型号、仪器制造商,以及数据采集传感器及其生产厂家等相关信息如表2。
表2   观测参数所用仪器信息
观测系统测定要素仪器型号仪器制造商数据采集器数据采集器制造商
常规气象要素空气温度/湿度HMP45CVAISALACR23XCAMPBELL
降水量52203RM YOUNG
总辐射CM11KIPP&ZONEN
净辐射CNR-1KIPP&ZONEN
光合有效辐射LQS70-10APOGEE
风速A100RVECTOR
风向W200PVECTOR
气压CS105VAISALA
红外温度传感器IRTS-PPOGEE
土壤温度105T/107-LCAMPBELL
土壤水分CS615-LCAMPBELL
土壤热通量HFP01HUKSEFLUX
CO2和水热通量三维超声风速CSAT3CAMPBELLCR5000CAMPBELL
CO2、H2O密度LI-7500ALI-COR
显/潜热通量**LI-7500ALI-COR
注:** 由Li7500A及三维超声风速仪(CSAT3)获取的水汽浓度、超声温度计算显热和潜热通量。
1.3   数据加工、处理方法与过程
基于ChinaFLUX流程与标准[20-21],本数据集的构建过程主要包括:数据观测、采集、质控、处理等流程[22-23]。具体的构建过程见图1。首先通过数据采集器自动存储采样频率为10 Hz原始数据,先对原始数据校正,其中含针对超声虚温(Ts)数据的二次坐标变换及超声虚温校正,之后存储30 min的通量数据,在线进行空气密度脉动订正、插补,同时进行地形和仪器倾斜影响订正,并对通量进行如下质量控制,剔除符合如下任意条件的记录数据:(1)有降水;(2)CO2、水汽浓度超过仪器量程范围;(3)湍流不充分(即摩擦风速u* <0.05 m/s);(4)有效样本少于15000;(5)异常突出的数据。一般u*订正阈值取0.15–0.2 m/s,对鼎湖山站数据分析表明:当u*>0.05 m /s时,夜间通量数据随风速变化不明显,而有效样本数大幅度下降,为避免样本数太少带来新的不确定性,故而取u*阈值为0.05 m/s。此外,由于局地地形影响,冠层下方存在明显的类似山谷风的风向日变化,且发现通量数据在南风方向上普遍偏低,为避免地形因素导致对通量数据系统性偏低估算,剔除风向在120–200°之间的数据。通过上述质量控制后,获取30 min有效通量数据[9,11]。对于气温、土壤温度、土壤水分含量等常规气象观测参数,数据采集器对采样频率为10 Hz原始数据在线计算并自动存储30 min统计数据[9,11]


图1   数据构建流程
2   数据样本描述
本数据集为2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量观测数据,数据存储格式为Excel文件,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35 MB。表3、4列出数据表单所包含的具体字段名称、类型及示例。
表3   鼎湖山针阔叶混交林常规气象观测数据表单内容
数据项计量单位观测高度数据项说明
年份
月份
日期
小时
分钟
近地面空气温度3、8、13、18 m近地面平均空气温度
冠层上方空气温度23、28、33 m冠层上方平均空气温度
近地面空气湿度%3、8、13、18 m近地面平均相对湿度
冠层上方空气湿度%23、28、33 m冠层上方平均相对湿度
近地面水汽压kPa3、8、13、18 m近地面水汽压
冠层上方水汽压kPa23、28、33 m冠层上方水汽压
近地面风速m/s3、8、13、18 m近地面风速
冠层上方风速m/s23、28、33 m冠层上方风速
风向degree35 m风向
大气压kPa1.5 m大气压强
太阳辐射W/m235 m太阳辐射
净辐射W/m235 m净辐射
光合有效辐射μmol/m28、33 m光合有效辐射
土壤温度9层(0、5、10、15、20、40、60、80、100 cm)土壤温度
土壤体积含水量m3/m33 层(5、20、40 cm)土壤水分
降水量mm35 m总降雨量
表4   鼎湖山针阔叶混交林通量观测数据表单内容
数据项计量单位数据项说明
年份
月份
日期
小时
分钟
NEEmg CO2 m-2 s-1半小时尺度的净生态系统生产力
REmg CO2 m-2 s-1半小时尺度的生态系统呼吸
GEEmg CO2 m-2 s-1半小时尺度的总生态系统生产力
LEW m-2半小时尺度的潜热通量
HsW m-2半小时尺度的显热通量
3   数据质量保证和质量控制
本数据集来源于野外样地的实时监测及质量控制后分析整理的数据。设备的安装、数据的获取及校正,均在ChinaFLUX技术团队指导下,由鼎湖山站具有长期野外工作经验的技术人员及科研人员完成,确保了数据准确性。具体数据质量的控制方法在数据产生流程中已有简介,在保证数据可靠性的前提下,采用ChinaFLUX数据质量保证和控制方法进行数据入库。
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60.4%–68.9%、65.3%–76.8%、66.2%–80.0%,质控后有效通量数据比例如(表5)。
表5   鼎湖山通量有效观测数据比例(%)
年份净生态系统CO2交换量(NEE)潜热通量(LE)显热通量(H)
200362.666.669.0
200465.570.873.2
200564.471.374.6
200669.376.480.0
200767.471.873.4
200868.976.878.7
200960.465.366.2
201061.266.169.4
4   数据价值
在全球水热格局可能发生变化的情形下,森林生态系统物质循环和能量流动中的碳水通量的生态学意义显得尤为重要。南亚热带针阔叶混交林生态系统是我国生态关键带的重要森林生态系统类型之一,其过程与变化的研究是生态学研究的重点,生态系统过程对全球变化有响应和反馈作用,是阐述全球变化的影响与适应机理的基础。因此对我国南亚热带鼎湖山代表性森林类型针阔叶林混交林的碳水通量等过程进行分析和研究,将有利于森林经营管理和利用,并对全球变暖提出林业上的科学对策有着较为重要的意义。
对鼎湖山针阔叶混交林的碳水通量的实测,可为该地区的森林物质循环、能量流动提供准确的基础信息[2]。鼎湖山针阔叶混交林林分年龄为50–100年,群落有着复杂的垂直结构,系统稳定,是代表本地带中间过渡性类型的森林植被[3]。基于中国亚热带形成机理,学术界公认鼎湖山所在区域水热环境对全球变化极其敏感。随着青藏高原冰川的逐步消融,预计海陆季风效应将进一步加强,全年降水变率有可能进一步加大,导致干季土壤水分进一步亏缺[8,24]。在这种逐步改变的环境下,鼎湖山的针阔叶混交林群落的响应可为森林生态系统结构、功能和动态研究以及区域退化生态系统恢复研究提供重要参考[2-3]。而关于该森林类型碳水通量公开数据少之又少,因此更具重要数据价值。
本数据集可应用于全球气候变化情形下的碳水循环分析、森林生态系统服务功能比较、林业经营管理等相关研究领域,也可以考虑在不同的典型区域、典型陆地生态系统之间开展多台站数据联网分析,结合ChinaFLUX多站点碳水通量数据,将为模型分析提供非常有用的数据。
5   数据使用方法和建议
本数据集可通过链接Science Data Bank在线服务网址(http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009)下载数据;相关通量的下垫面的植被等数据信息可通过广东鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站(http://dhf.cern.ac.cn/)数据资源服务网申请。
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数据引用格式
李跃林, 闫俊华, 孟泽, 等. 2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-11-23). DOI: 10.11922/sciencedb.1009.
稿件与作者信息
论文引用格式
李跃林, 闫俊华, 孟泽, 等. 2003–2010年鼎湖山针阔叶混交林碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2021, 6(1). (2021-03-02). DOI: 10.11922/csdata.2020.0046.zh.
李跃林
Li Yuelin
主要承担工作:数据分析和论文撰写。
yuelin@scib.ac.cn
(1970—),男,湖南人,研究员,研究方向为森林生态学。
闫俊华
Yan Junhua
主要承担工作:项目组织与协调,数据质量控制。
jhyan@scib.ac.cn
(1973—),男,河南人,研究方向,生物地球化学。
孟泽
Meng Ze
主要承担工作:数据采集与质量控制。
(1970—),男,湖南人,技术员。
黄健强
Huang Jianqiang
主要承担工作:数据整理和论文撰写。
(1994—),男,广东人,硕士研究生,研究方向为森林水分生理。
张雷明
Zhang Leiming
主要承担工作:数据处理和质量控制。
(1974—),男,副研究员,研究方向,生态系统碳水循环与全球变化。
陈智
Chen Zhi
主要承担工作:数据质量分析。
(1981—),女,助理研究员,研究方向,生态系统碳通量时空格局。
刘世忠
Liu Shizhong
主要承担工作:样地植被调查。
(1970—),男,广东人,高级工程师,研究方向为森林生态学。
褚国伟
Chu Guowei
主要承担工作:仪器维护与质量控制。
(1976—),男,广东人,高级工程师,研究方向为环境生态学。
张倩媚
Zhang Qianmei
主要承担工作:数据质量控制与整理入库、数据共享。
(1970—),女,广东人,正高级工程师,研究方向为森林生态学。
张德强
Zhang Deqiang
主要承担工作:项目组织与协调。
(1963—),男,广东人,研究员,研究方向为森林生态学。
出版历史
I区发布时间:2020年11月23日 ( 版本ZH2
II区出版时间:2021年3月30日 ( 版本ZH3
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中国科学数据
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