中国通量观测研究网络(ChinaFLUX)专题 I 区论文(评审中) 版本 ZH2
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2009–2013年哀牢山亚热带常绿阔叶林碳水通量观测数据集
A dataset of carbon and water fluxes observation in subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Shan from 2009 to 2013
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: 2020 - 09 - 16
: 2021 - 01 - 23
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摘要&关键词
摘要:本研究以哀牢山亚热带常绿阔叶林生态系统为研究对象,利用涡度相关技术,开展亚热带常绿阔叶林生态系统碳水通量长期定位观测。哀牢山生态站作为国家野外台站和中国生态系统研究网络的基础观测站点,基于ChinaFLUX数据处理体系,已持续积累了12年标准化亚热带常绿阔叶林碳水通量和关键气象要素数据集。本数据集可以为我们评价生态系统对气候变化贡献、预测全球区域性气候变化趋势、开展亚热带常绿阔叶林生态系统碳水通量交换特征、亚热带常绿阔叶林生态系统结构与功能、物质和能量循环、生物资源可持续利用、气候变化区域碳收支管理政策等方面研究提供数据支撑。
关键词:涡度相关技术;通量数据;碳水循环;气象要素;亚热带常绿阔叶林;哀牢山
Abstract & Keywords
Abstract: In this study, the ecosystem of subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Shan was taken as the research object, and the long-term positioning observation of carbohydrate flux in subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem was carried out by using eddy covariance technology. Ailao shan Ecological Station, as the national field station and the basic observation station of China Ecosystem Research Network, has continuously accumulated 12 years of standardized data sets of carbohydrate flux and key meteorological elements in subtropical evergreen broad-leaved forest based on China FLUX data processing system. This data set can provide data support for us to evaluate the contribution of ecosystem to climate change, predict the global regional climate change trend, develop subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem carbon and water flux exchange characteristics, subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem structure, function, the material and energy cycle, the sustainable utilization of biological resources, and the regional carbon budget management policy of climate change.
Keywords: eddy covariance technique; flux data; carbon-water cycle; meteorological elements; subtropical evergreen broad-leaved forest; Ailao Shan
数据库(集)基本信息简介
数据库名称2009–2013年哀牢山亚热带常绿阔叶林碳水通量观测数据集
数据通信作者张一平(yipingzh@xtbg.ac.cn)、沙丽清(shalq@xtbg.ac.cn)
数据生产者起德花、费学海、宋清海、张一平、沙丽清、刘运通、周文君、鲁志云、范泽鑫
数据时间范围2009–2013年
地理区域云南省景东县哀牢山生态站(101°1′44″E、24°32′17″N,海拔2400–2600 m)
生态系统类型亚热带常绿阔叶林
数据量21.7 MB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.00186
基金项目国家973项目(2002CB412501)、国家自然科学基金(41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147)、国家重点研发计划(2016YFC0502105)、国家基金青年科学基金项目(40801035)、国家重点基础研究发展计划(2010CB833501)、中国科学院创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-01A)、中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04)。
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
TitleA dataset of carbon and water fluxes observation in subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Shan from 2009 to 2013
Data corresponding authorsZhang Yiping (yipingzh@xtbg.ac.cn), Sha Liqing(shalq@xtbg.ac.cn)
Data producersQi Dehua, Fei Xuehai, Song Qinghai, Zhang Yiping, Sha Liqing, Liu Yuntong, Zhou Wenjun, Lu Zhiyun, Fan Zexin
Time range2009–2013
Geographical scopeAilao Shan Ecological Station, Jingdong County, Yunnan Province (101°1′44″E, 24°32′17″N; altitude: 2400–2600 m).
Ecosystem typeSubtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem
Data volume21.7 MB
Data format*.xlsx
Data service systemhttp://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.00186
Sources of fundingNational basic research program of China(2010CB833501), National Natural Science Foundation of China(41671209, 40571163, 31061140359, 31770528, 41961144017, U1602234, U1202234, 41271056, 31290221, 41071071, 41975147), National key Research and development program(2016YFC0502105), National Foundation youth Science Foundation project(40801035), National Key Basic Research and Development Program(2010CB833501), Major Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences(KZCX1-SW-01-01A), Knowledge Innovation Project of The Chinese Academy of Sciences(KJCX2-YW-432-1, KZCX2-YW-Q1-05-04).
Dataset compositionThe 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
亚热带常绿阔叶林主要分布在东亚,特别是在中国有着广泛分布区域。位于云南高原西南部、横断山区南段的哀牢山地区分布着目前世界上保存最完整的亚热带常绿阔叶林[1],同时它也是目前世界上树龄较长(约130年以上)和面积较大(约504 km 2)的常绿阔叶林,具有亚热带高原特色,其区系成分复杂、植物种类丰富、垂直带谱完整、群落类型多样、过渡性特征明显,主要优势种为腾冲栲(Castan-opsis wattii)、景东石栎(L. chintungensis)、滇木荷(Schima noronhae)、木果柯(Lithocarpus xylocarpus)、绿叶润楠(Machilus viridis)、红花木莲(Manglietia in-signis[2]、米饭树(Vaccinum duclouxii)、箭竹(Sinnnarundinaria nitida)、细梗苔草(Carex teinogyna)、滇西瘤足蕨(Pla-giogyria communis)等,乔、灌、草垂直分层明显,形成奇特的森林景观。在亚热带常绿阔叶林分布区域具有“冬暖夏凉”气候特征。亚热带常绿阔叶林作为陆地重要的植被类型,在固碳增汇、调节气候、保持水土、维持生物多样性等方面具有重要作用[3]
哀牢山生态站作为国家野外台站和中国生态系统研究网络的基础观测站点,其对监测、研究和保护亚热带常绿阔叶林生态系统具有重要意义,同时,为生物多样性保护和可持续发展等前沿性生态学问题提供支撑[4]。基于ChinaFLUX数据处理体系,已持续积累了12年标准化亚热带常绿阔叶林生态系统碳水通量和关键气象要素数据集。本数据集可以为我们评价生态系统对气候变化贡献、预测全球区域性气候变化趋势、开展亚热带常绿阔叶林生态系统碳水通量交换特征、亚热带常绿阔叶林生态系统结构与功能、物质和能量循环、生物资源可持续利用、气候变化区域碳收支管理政策等方面研究提供数据支撑。
1   数据采集和处理方法
1.1   数据来源
通量塔位于哀牢山北段国家级自然保护区徐家坝地区——中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站(101°1′44″E,24°32′17″N[5],海拔高2400–2600 m)。根据哀牢山站长期监测资料,年平均降雨量为1931 mm,受西南季风影响,干、湿季分明,85%的降雨集中在雨季(5–10月),雨季相对湿度在90% 以上,年平均蒸发量为1485 mm,年平均温度为11.3℃,最热月(7月)气温为16.4 ℃,最冷月(1月)气温为5.4 ℃,无霜期约200 d。土壤为典型的黄棕壤,偏酸性(pH为4.4–4.9)、土壤肥沃,表土层透水性良好,涵养水的能力很强,土壤表面由厚度为3–7 cm凋落物层覆盖,土壤有机碳、全磷和全氮、全钾含量分别为12.91%、0.06%、0.52%和0.37%,土壤深度为30–50 cm的C/N比为15.3[6],土壤表面的C/N比为14.4。
通量塔于2008年底正式投入使用,塔高34.0 m。安装的仪器主要包括:(1)平均温度、湿度、风速和PAR廓线系统;(2)涡度相关系统(安装高度34 m);(3)土壤热通量测量系统和土壤温度;(4)以及其它气象梯度观测系统。
涡度相关系统主要由三维超声风速仪和开路CO2/H2O红外气体分析仪构成。空气温度和湿度由温湿计测得[7],共安装了7层(1.5,10.0,18.0,24.0,30.0,34.0 m),测风速的仪器安装层数和高度与温湿度相同。在塔顶安装了风向测量仪和雨量计。此外,塔上安装了5层(1.9、4.3、10.8、19.0、28.6 m)光合有效辐射仪。其中 19.0 m和28.6 m的高度分别位于铁塔周围乔木层上层林冠的顶部和底部,4.3 m与10.8 m分别位于亚层林冠的顶部和底部,而1.9 m位于灌木层的中间位置。土壤湿度和温度分别由CS616_L和105T/107L测量而得。此外,土壤热通量数据由埋在通量塔南-北两方位的两块土壤热通量板获得。
1.2   数据采集方法
观测系统的涡度相关和气象梯度观测数据采样频率均为10 Hz,所采集到的数据由CR5000数据采集器记录并实时传输到专用电脑存储。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HMP45CVAISALACR10X
CR23X
CAMPBELL
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
压力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
1.3   数据处理和产品加工方法
经过涡动相关处理后得到的CO2通量数据的时间间隔为30 min[8],数据处理基本基于ChinaFLUX流程与标准[9-10],在获得湍流通量之前,数据进行了严格的质量控制,详细介绍可参见费学海等[11]。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[11])
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* < 0.2 m/s的通量数据进行剔除;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-9999, 1.#IND, 1.#INF, NAN(-9999, 1.#IND, 1.#INF, NAN均表示仪器故障、维护、检修等原因,某时刻缺测值)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;
(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[12],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,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。
CO2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。
在获得完整的30 min数据后,将净生态系统碳通量(NEE)、生态系统呼吸量(Re)、生态系统总初级生产力(GPP)等累加求和,得到日、月、年不同时间尺度上的通量(GEE)数据[13]
2   数据样本描述
2.1   数据子集与数据量
本数据集为哀牢山亚热带常绿阔叶林2009–2013年连续5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40个文件,总数据量21.7 MB。
2.2   数据文件示例
以2009年数据文件为例,表2为2009年哀牢山亚热带常绿阔叶林通量塔30 min气象数据表头说明(由于30 min降雨量不准,因此在30 min尺度气象数据中未加入降雨数据,经过校正后的降雨量在其他尺度的气象数据中呈现)。表3为2009年哀牢山亚热带常绿阔叶林通量塔不同时间尺度通量数据表头说明,所有数据均是以数字形式呈现。
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
年份
月份
日期
小时
分钟
近地面空气温度1.5 m近地面平均空气温度
冠层上方空气温度34 m冠层上方平均空气温度
近地面空气湿度%1.5 m近地面平均相对湿度
冠层上方空气湿度%34 m冠层上方平均相对湿度
近地面水汽压kPa1.5 m近地面水汽压
冠层上方水汽压kPa34 m冠层上方水汽压
近地面风速m/s1.5 m近地面风速
冠层上方风速m/s34 m冠层上方风速
风向degree34 m风向
大气压hPa34 m大气压强
太阳辐射W/m228.6 m太阳辐射
净辐射W/m228.6 m净辐射
光合有效辐射μmol/m228.6 m光合有效辐射
土壤温度8层(0, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 100 cm)土壤温度
土壤体积含水量%3 层(5, 60, 100 cm)土壤水分
降水量mm降水量(30 min尺度中无此项)
表3   通量数据表说明
时间尺度数据项计量单位数据项说明
半小时年份
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碳通量
REmg CO2 m-2 s-1半小时尺度的生态系统呼吸
GPPmg CO2 m-2 s-1半小时尺度的生态系统总初级生产力
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
ETg m-2s-1半小时尺度的蒸发量
日尺度年份
月份
日期
NEEgC m-2 d-1每日净生态系统碳通量累计值
REgC m-2 d-1每日生态系统呼吸累计值
GPPgC m-2 d-1每日生态系统总初级生产力累计值
LEMW m-2 d-1每日潜热通量累计值
HsMW m-2 d-1每日显热通量累计值
ETkg H2O m-2 d-1每日蒸发量累计值
月尺度年份
月份
NEEgC m-2 m-1每月净生态系统碳通量累计值
REgC m-2 m-1每月生态系统呼吸累计值
GPPgC m-2 m-1每月生态系统总初级生产力累计值
LEMW m-2 m-1每月潜热通量累计值
HsMW m-2 m-1每月显热通量累计值
ETkg H2O m-2 m-1每月蒸发量累计值
年尺度年份
NEEgC m-2 y-1每年净生态系统碳通量累计值
REgC m-2 y-1每年生态系统呼吸累计值
GPPgC m-2 y-1每年生态系统总初级生产力累计值
LEMW m-2 y-1每年潜热通量累计值
HsMW m-2 y-1每年显热通量累计值
ETkg H2O m-2 y-1每年蒸发量累计值
3   数据质量控制和评估
半小时尺度上,不同年份之间净生态系统碳通量(NEE)、潜热通量(LE)和显热通量(Hs)有效观测数据比例分别为69.7%–72.9%、83.5%–87.9%、73.4%–87.0%,其中,除2010年净生态系统生产力有效数据比例在69.7%外,其余年份净生态系统生产力、潜热通量和显热通量有效数据比例均达到70%以上,且在相同年份下,潜热通量和显热通量有效数据比例均高于净生态系统生产力(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
本数据集可应用于模型的开发和验证。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。但是由于夜间空气层结过于稳定,使得涡度相关仪器响应小,从而导致的涡度相关观测中存在无法避免误差,因此在机理解析中应尤其慎重。
致 谢
哀牢山亚热带常绿阔叶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哀牢山生态站的大力支持,哀牢山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。同时感谢国家973项目(2002CB412501、2010CB833501),国家自然科学基金(41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147)、国家重点研发计划(2016YFC0502105)、国家基金青年科学基金项目(40801035),中国科学院项目(KZCX1-SW-01-01A、KZCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04、XDA05050601),中国科学院“一三五”专项(方向一:2017XTBG-F01、突破一:2017XTBG-T01),云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目(202005AC160003),云南省万人计划青年拔尖人才项目(宋清海)等项目的资助,因有这些项目源源不断的支持,哀牢山亚热带常绿阔叶林通量塔各个仪器探头才得以正常运行,并能持续积累12年标准化哀牢山亚热带常绿阔叶林碳水能量通量观测数据集,特此致谢!
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数据引用格式
起德花, 费学海, 宋清海, 等. 2009–2013年哀牢山亚热带常绿阔叶林碳水通量观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2021. (2021-01-23). DOI: 10.11922/sciencedb.00186.
稿件与作者信息
论文引用格式
起德花, 费学海, 宋清海, 等. 2009–2013年哀牢山亚热带常绿阔叶林碳水通量观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2020. (2021-01-15). DOI: 10.11922/csdata.2020.0089.zh.
起德花
Qi Dehua
主要承担工作:数据采集和处理。
(1993—),女,云南省永仁县人,硕士,研究助理,研究方向为全球变化。
费学海
Fei Xuehai
主要承担工作:数据处理与撰写论文。
(1984—),男,贵州省贵阳市人,博士,讲师,研究方向为气候变化与生态响应。
宋清海
Song Qinghai
主要承担工作:碳水通量数据最终质量控制。
(1979—),男,云南省昆明市人,博士,副研究员,研究方向为生态系统碳水分配模式。
张一平
Zhang Yiping
主要承担工作:通量的总体运行与科学发展。
yipingzh@xtbg.ac.cn
(1957—),男,云南省昆明市人,博士,研究员,研究方向为区域气候变化。
沙丽清
Sha Liqing
主要承担工作:碳水通量数据综合处理方法和技术途径。
shalq@xtbg.ac.cn
(1963—),男,云南省昆明市人,博士,研究员,研究方向为生态系统碳水循环过程与全球变化。
刘运通
Liu Yuntong
主要承担工作:数据质量分析。
(1979—),男,云南省昆明市人,博士,副研究员,研究方向为生态系统碳通量时空格局。
周文君
Zhou Wenjun
主要承担工作:数据集格式规范化、数据管理和服务。
(1977—),女,云南省昆明市人,博士,副研究员,研究方向为数据挖掘与运用。
鲁志云
Lu Zhiyun
主要承担工作:数据质量控制。
(1982—),男,云南省云县人,硕士,高级工程师,研究方向为生态系统通量观测与数据分析。
范泽鑫
Fan Zexin
主要承担工作:数据集格式规范化、数据管理和服务。
(1980—),男,云南省昆明市人,博士,研究员,研究方向为数据库运行。
出版历史
I区发布时间:2021年1月23日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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