2012–2016 年三江源垂穗披堿草人工草地碳水熱通量觀測數據集

賀福全，李奇，陳懂懂，趙亮*

1.中國科學院西北高原生物研究所，西寧 810008

2.中國科學院三江源國家公園研究院，西寧 810008

引 言

三江源被譽為“中華水塔”，是我國重要的水源地。明晰碳、水、熱交換對氣候變化的響應方式和碳、水循環的機制是三江源區生物多樣性維持和保育的核心，長期定位觀測是探明碳、水循環的重要手段。三江源地處青藏高原東南部，源區生物多樣性極豐富、特有物種多，是高原生物多樣性最集中的地區，也是全球氣候變化敏感區。三江源區草地面積約27.59×104km2，占全區總面積的71.2%[1-2]。在過去的50 年中，由于氣候突變和人為活動增加，青藏高原超過50%草地退化或沙化[3-4]，在極度退化的“黑土型”退化草地上建植人工草地是可行的，也是快速恢復植被的主要途徑[5-6]。為了恢復退化草地和發展畜牧業，近年來三江源區人工草地面積不斷擴大，目前約為67000 hm2[7]。

目前對青藏高原碳水熱通量的研究主要集中在天然草地[8-17]，生態系統的源匯功能被認為主要受生長季的降水量、強度和分配的影響[9,12]。有研究通過比較不同植被類型CO2通量，指出CO2通量是由自下而上的氣候因子（溫度、降水）和自上而下的生物因子（群落結構、葉面積和放牧）兩條途徑控制[18]。三江源站自2009 年開始，在三江源東部農牧交錯區同德牧場開展垂穗披堿草人工草地碳水熱通量的觀測，為評估源區人工草地碳源、匯功能和碳儲量提供數據支撐。

為了推動三江源乃至全青藏高原草地生態系統物質循環和能量交換等相關研究的發展，三江源站公開發表多年連續觀測的碳水熱通量及相關常規氣象數據，以供更多科研工作者使用數據，更大發揮數據價值。本數據集包含2012–2016 年垂穗披堿草人工草地的常規氣象數據（空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤濕度、光合有效輻射和降水）和碳水熱通量數據（凈生態系統CO2交換通量、生態系統CO2呼吸通量、總生態系統CO2交換通量、潛熱通量、顯熱通量），形成了30 分鐘、日、月和年4 種時間尺度的數據產品。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據來源

三江源站（34°21′ 17″ N, 100°28′48″ E；海拔3950 m）位于青海省果洛州瑪沁縣大武鎮。站區為典型的高原大陸性氣候，無明顯四季之分，年均氣溫和降水分別為-2.9 ℃和531.0 mm。垂穗披堿草人工草地渦度相關觀測位于三江源站東北部約200 km 的海南州同德縣同德牧場（35°15′11″N，100°41′57″E，海拔為3305 m）[19]。

垂穗披堿草人工草地渦度相關系統建于2009 年9 月，由30 m×30 m 的圍欄保護，碳水熱通量的觀測高度為2.2 m。該區域屬典型高原大陸性氣候，輻射強烈，無絕對無霜期，年均溫為3.7 ℃，年降水量為427.2 mm，降水主要集中在5–9 月，占全年的87%，氣溫和降水的峰值均出現在8 月前后，雨熱同期，土壤類型為暗棕壤[19]。人工草地于2008 年建成，由翻耕草帶和未翻耕草帶組成，翻耕草帶和未翻耕草帶寬均4 m，相間分布，全年不放牧。翻耕草帶每5 年重新翻耕（5 年為一個種植周期），草帶為單播的垂穗披堿草（Elymus nutans），在6 月初種植，種植當年不收割牧草，其他年份8 月底收割牧草，全年禁牧。未翻耕草帶主要物種為蘭石草（Lancea tibetica）、紫花苜蓿（Medicagoruthenica）、冷蒿（Artemisia frigida）和垂穗披堿草[19-20]。2011 年6 月種植的垂穗披堿草因儀器故障數據缺測。故2012 年為種植第2 年，2013 年為種植第3 年，2014 年為種植第4 年，2015 年為種植第5 年，2016 年6 月重新翻耕種植[19-20]。由于2011、2017 年渦度相關系統紅外氣體分析儀工作異常時段較多，數據可用性較低，三江源站沒有共享2011 年和2017 年的數據，2017 年之后數據經過進一步處理質控后發布共享。根據多年的觀測和文獻總結[12,14,20], 結合種植和收割時間，該人工草地生長季確定為4 月中旬至10 月下旬。

1.2 數據采集方法

本數據集中包含的觀測數據均是儀器自動觀測采集的，測定所用儀器型號、儀器制造商及數據采集器等相關信息詳見表1?？諝鉁囟?、濕度、光合有效輻射、土壤溫度、土壤含水量等氣象數據的采樣頻率1 分鐘，計算并存儲30 分鐘的平均數據；CO2/H2O 快速紅外氣體分析儀及三維超聲風速儀的原始數據采樣頻率為10 Hz，計算并存儲30 分鐘的平均數據。

表1 三江源站垂穗披堿草人工草地觀測儀器信息表Table 1 Table of the information about the observation instruments for the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

1.3 數據處理和產品加工方法

為了保障三江源站垂穗披堿草人工草地通量數據可靠，采用了ChinaFLUX 推薦的通量數據處理的標準方法[21]，具體包括原始數據異常值剔除、超聲虛溫校正、坐標軸二次旋轉、WPL 密度校正、頻率損失校正、湍流穩態測試、夜間摩擦風速閾值篩選和通量異常值剔除，以及能量閉合評價。由于儀器故障和數據質量控制導致數據的缺失，需要對缺失數據進行插補。對缺失2 小時以內的氣象和通量數據，采用線性內插法進行插補；氣象數據缺失數據大于2 小時的利用平均日變化進行插補；通量數據缺失大于2 小時的采用線性回歸方程進行擬合、插補，最小插補時間窗口為7 天。對于長時間缺失的CO2通量數據，首先利用有效通量數據和環境因子的非線性回歸關系構建方程，然后利用該方程和缺失通量數據對應的環境因子完成數據插補[19-20]。對缺失的白天CO2通量數據采用時間窗口的方程（1）進行插補[22]：

RE(d)日間生態系統呼吸，a是生態系統表觀量子效率，Pmax是飽和光合成速率，PPFD是光量子密度通量。

夜間缺失CO2通量及白天RE 通量采用方程（2）插補[23]：

RE(n)為夜間生態系統呼吸，REref為土壤溫度為10 ℃時的參考生態系統呼吸速率，Ts為5 cm 深處的土壤溫度，Swc為5 cm 深處的土壤含水量 (m3/m3)，a、b、c、d 是適合全年數據的特定地點參數，其中b > 0，d ≤ 0。

CO2通量拆分。渦度相關技術測得的CO2通量是凈生態系統CO2交換量（NEE）。利用夜間的有效觀測數據和方程（2）可獲得RE 與土壤溫度(Ts)和土壤含水量(Swc)之間的關系函數，再利用此函數估算生長季白天的生態系統呼吸RE(d)。日RE 為白天呼吸RE(d) 和夜間呼吸RE(n)之和。NEE 減去RE，則可得到生態系統總光合固碳量（GEE）方程（3）：

2 數據樣本描述

2.1 數據子集與數據量

本數據集為2012–2016 年三江源站垂穗披堿草人工草地的連續碳水熱通量觀測數據，分為常規氣象數據子集和通量數據子集兩類數據文件。每類文件每年均有4 個時間尺度，包括30 分鐘、日、月和年尺度，數據集內共計40 個文件，總數據量39.8 MB。

2.2 數據文件示例

以2012 年30 分鐘數據文件為例，表2、表3 分別為30 分鐘常規氣象數據和碳水熱通量數據表頭說明，所有數據項觀測數據均以浮點型數字形式表示。

表2 三江源站垂穗披堿草人工草地常規氣象30 分鐘數據表說明及觀測高度Table 2 Description of conventional half-hourly meteorological data and observation height of the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

表3 三江源站垂穗披堿草人工草地通量30 分鐘數據數據表說明Table 3 Description of the half-hourly flux data of the Elymus nutans artificial grassland at Sanjiangyuan Station

3 數據質量控制與評估

能量閉合程度分析是檢驗通量數據質量的有效手段，雖然能量不閉合現象普遍存在，但大部分被人們廣泛接受。能量平衡方程：H + LE = Rn - G。其中，Hs 為顯熱通量，LE 為潛熱通量，Rn 為凈輻射，G 為土壤熱通量，土壤熱通量是兩塊熱通量板平均值。冠層熱儲量忽略不計。能量閉合方程斜率分別為0.76（2012 年），0.76（2013 年），0.73（2014 年），0.72（2015 年）和0.89（2016 年）[19]。生長季能量平衡方程斜率（0.76～0.9）大于非生長季（0.65～0.71），能量閉合程度在可接受的范圍之內 (0.7～0.9)[24-25]。導致能量不閉合的原因非常復雜，可能的原因包括觀測系統的采樣誤差、儀器偏差、湍流通量觀測中的高低頻損失、平流效應等[26]。

4 數據使用方法和建議

本數據集可用于垂穗披堿草人工草地碳水熱生態過程及相關陸面模型開發、驗證及對比等分析研究。本數據集采用了ChinaFLUX 推薦的通量數據處理方法[21-22]，與青藏高原的ChinaFLUX 站點對比使用，開展區域尺度的聯網分析。需要說明的是由于插值方法不同導致碳水熱通量計算結果存在差異，即使年際尺度上通量計算結果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的差異，其中30 分鐘數據為未插補的原始數據，日、月、年尺度的數據是經過插補計算后的數據，數據使用者根據需要進一步判定，也可利用氣象數據進行自行插補使用。

數據作者分工職責

賀福全（1993—），男，青海省大通縣人，研究生，工程師，研究方向為高寒草地碳循環。主要承擔工作：數據整理和論文撰寫。

李奇（1983—），男，甘肅省蘭州市人，研究生，高級工程師，研究方向為草地生態學。主要承擔工作：數據監測與論文修改。

陳懂懂（1982—），女，山東省東營市人，研究生，高級工程師，研究方向為高寒草地碳循環。主要承擔工作：數據分析與論文修改。

趙亮（1974—），男，青海省西寧市人，大學，研究員，研究方向為高寒草地碳循環。主要承擔工作：數據管理和統籌。