2020–2021 年金佛山亞熱帶常綠闊葉林碳水通量觀測數據集

湯旭光，孔德兵，陳亞楠，李元慶，錢鳳，丁智，馬明國

1.西南大學，地理科學學院，重慶金佛山喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站，重慶 400715

引 言

重慶金佛山喀斯特生態系統國家野外科學觀測研究站（以下簡稱金佛山國家站）于2020 年12月被列入國家野外站擇優建設名單，針對西南喀斯特地區生態環境問題，在重慶市南川區金佛山國家級自然保護區周邊區域，以“一站多點”模式，對典型生態系統的水、土、氣、生等關鍵要素和生態水文過程已持續開展了10 余年觀測研究，積累了豐富的數據資源。該區域屬亞熱帶濕潤季風氣候，冬短、春早、夏長，雨熱同季，年均氣溫8.2 ℃，年降水量1434 mm[1]。作為我國西南地區罕見的生物基因庫，金佛山國家級自然保護區也是同緯度喀斯特地區生物多樣性最豐富的地區之一，瀕危、特有、模式及孑遺物種保存較好且成片分布，如銀杉（Cathaya argyrophylla）、珙桐（Davidia involucrata）、金佛山蘭（Tangtsinia nanchuanicaS.C.Chen）、林麝（Moschus berezovskii）、白頰黑葉猴（Presbytisfransoisi）、金佛山擬小鯢（Pseudohynobiusjinfo）等。

金佛山國家站主觀測場位于爛壩箐天然次生林，地處金佛山相對平坦的西坡半山坡，土壤類型主要為石灰土，伴有少量棕黃壤，基巖地層以寒武紀、奧陶紀的石灰巖、白云巖為主。植被群落以常綠闊葉林為主，人類耕作活動大約在60–70 年前退出。觀測場植被類型豐富，喬、灌、草垂直結構明顯，形成獨特的森林景觀，主要優勢樹種有美麗新木姜子（Neolitsea pulchella(Meissn.) Merr.）、雷公鵝耳櫪（Carpinus viminea Lindley）、金山杜鵑（Rhododendron longipesvar.chienianum）、山礬（Symplocos sumuntiaBuch.-Ham.ex D.Don）、柃木（Eurya japonicaThunb.）等。觀測場內林木密度約為1423 株/hm2，平均胸徑約為18.63±5.63 cm，平均樹高約為16.33±3.24 m。亞熱帶常綠闊葉林作為陸地上最為典型的森林生態系統類型之一，在固碳增匯、調節大氣、保持水土、涵養水源及維持生物多樣性等方面發揮著重要作用[2-3]。

本研究基于中國通量觀測研究網絡（Chinese Flux Observation and Research Network, ChinaFLUX）標準化的通量觀測數據處理體系，整理了2020–2021 年金佛山亞熱帶常綠闊葉林碳水通量和關鍵氣象要素數據集。本數據集針對西南喀斯特地區亞熱帶常綠闊葉林開展持續觀測，獲取精細化碳、水通量等微氣象觀測數據，能夠為開展亞熱帶常綠闊葉林生態系統碳、水循環特征及環境控制機制、全球變化與人類活動影響下的生態系統響應、以及區域碳收支貢獻評估等方面研究提供數據支撐。

1 數據采集和處理方法

通量觀測塔位于金佛山國家站爛壩箐天然次生林觀測場（107.1508°E，29.0217°N，海拔1543 m，坡度為9.4°，坡向為正南向），自2019 年底開始觀測，塔高28 m（圖1）。數據采集分為通量數據和氣象數據兩部分，分別安裝有1 套閉路渦度相關系統CPEC310 和1 套自動氣象站。主要觀測指標及傳感器相關信息如表1，其中CPEC310 是成套的閉路渦度相關通量觀測系統，適用于長期定位觀測大氣邊界層中CO2、水和能量的交換。

表1 通量觀測場主要觀測指標及傳感器信息Table 1 Main observation indices typically monitored at the flux site and the associated sensor information

圖1 金佛山國家站通量觀測塔Figure 1 The flux tower of the Chongqing Jinfo Mountain Karst Ecosystem National Observation and Research Station

基于EddyPro 渦度協方差數據處理軟件（V6.1），對通量數據做后處理（圖2）。通量數據的處理流程主要分為兩部分，首先是對10 Hz 的原始觀測數據進行野點剔除、延遲時間校正、坐標旋轉、頻率響應訂正、超聲虛溫修正和密度（WPL）校正等過程，計算得到30 分鐘的潛熱、顯熱和CO2通量，然后進行數據的插補和拆分[3]。缺失數據插補方法具體為：對于短時間內（小于2 小時）缺失的通量和氣象觀測數據，采用線性內插的方式完成插補；對于長時間（小于2 小時）缺失的氣象數據，采用平均日變化法，將缺失數據日前后各4 天（共8 天）每半小時值的平均值求出，對缺失的相應時段進行插補，而通量觀測數據采用非線性回歸模型進行插補。具體操作上，日間缺失數據利用碳通量與光合有效輻射之間的直角雙曲線關系進行插補，夜間缺失數據則是利用生態系統呼吸與大氣/土壤溫度之間的指數關系進行插補。對于長期缺失的水汽通量數據，采用查表法進行插補。而后，采用非線性擬合法將凈生態系統碳交換量（NEE）拆分為總初級生產力（GPP）和生態系統呼吸（RE）[4]。具體的數據處理方法、質量控制和數據格式參見張雷明等論文[5-6]。

2 數據樣本描述

本數據集為金佛山國家站亞熱帶常綠闊葉林2020–2021 年連續2 年的碳水通量觀測數據，從類型上包括氣象數據和通量數據兩部分，共有4 個EXCEL 數據文件，數據量36.05 MB。數據指標包含生態系統凈碳交換量、總初級生產力、生態系統呼吸、潛熱通量、顯熱通量等，以及空氣溫/濕度、風速/風向、土壤溫/濕度、降水、太陽下行短波輻射、凈輻射和光合有效輻射等。觀測數據經質量控制和評估后，經插補和拆分形成標準化數據產品。氣象數據分為10 min、30 min、日、月和年尺度，通量數據分為30 min、日、月和年尺度。氣象數據表頭參數含義及單位如表2 所示，通量數據表頭參數含義及單位如表3 所示。

表2 主要氣象觀測數據說明Table 2 Description of the main meteorological observation data

表3 主要通量觀測數據說明Table 3 Description of the main flux observation data

3 數據質量控制和評估

本數據集數據采用ChinaFLUX 標準方法進行質量控制，具體參見張雷明等論文[5-6]。2020–2021年共2 年間，金佛山站半小時尺度CO2通量、潛熱通量和顯熱通量的有效觀測數據比例分別為80.93%–86.47%、81.96%–86.51%、81.96%–86.51%。經分析，數據缺失的原因主要包括兩類：（1）數據質量控制引起的缺失，包括剔除夜間通量數據篩選、異常數據等，特別是夜間數據的質控和篩選是引起有效觀測數據降低的主要因素；（2）停電、儀器故障等因素導致的數據缺失。

4 數據使用方法和建議

本數據集可以通過科學數據銀行Science Data Bank(https://www.scidb.cn/)在線服務網址下載。本數據集能夠為典型森林類型的碳匯能力評估、生態系統碳水耦合研究、生態過程模型模擬以及遙感反演等領域提供數據支持，同時也可以直接將本數據應用于全球不同氣候帶或不同森林類型之間碳匯能力的對比研究中。

致 謝

謹以此文紀念已故首任站長馬明國教授，馬老師將自己的一生奉獻給了科研教育事業，他的離去是西南大學的重大損失。金佛山亞熱帶常綠闊葉林碳水通量觀測數據的積累離不開西南大學地理科學學院“地表過程觀測與模擬”團隊的大力支持，承擔了通量和氣象觀測設備的野外維護和原始數據采集工作，為本數據集的生產做出了重要貢獻。

數據作者分工職責

湯旭光（1986—），男，河南省商丘人，博士，教授，研究方向為生態系統碳水循環與全球變化。主要承擔工作：碳水通量數據處理方法與論文撰寫。

孔德兵（1990—），男，甘肅省定西人，碩士，實驗師，研究方向為空氣污染與大氣擴散。主要承擔工作：觀測系統運行管理。

陳亞楠（1998—），女，四川小金人，碩士研究生，研究方向為生態系統碳水循環過程。主要承擔工作：碳水通量數據處理與質量分析。

李元慶（1981—），男，博士，重慶奉節人，實驗師，研究方向為國土資源與區域發展。主要承擔工作：自標定閉路渦度相關系統CPEC310 等觀測儀器和系統維護管理、儀器數據質量分析。

錢鳳（1987—），男，重慶云陽人，博士，實驗師，研究方向為生態系統與生物多樣性。主要承擔工作：數據觀測、整理及分析。

丁智（1989—），男，湖北省孝感人，博士，實驗師，研究方向為生態碳水循環的人為效應研究。主要承擔工作：碳水通量數據管理與服務。

馬明國（1976—2023），男，湖北省宜昌人，博士，教授，研究方向為地表過程觀測模擬。主要承擔工作：觀測系統條件支持與管理。