2019–2021 年黃土高原典型糧草復合生態系統日通量數據集

馬景永，趙長明，張金貴，馬曉俊，來興發，沈禹穎*

1.蘭州大學，草地農業科技學院/蘭州大學草種創新與草地農業生態系統全國重點實驗室，蘭州 730000

2.甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅慶陽 745000

3.蘭州大學，科學觀測臺站管理中心，蘭州 730000

引 言

全球氣候變暖、降水格局改變造成不同區域暴雨、干旱等極端氣候事件頻發[1-5]，將顯著影響陸地生態系統的結構和功能[6-8]。農田作為陸地生態系統的重要組成部分，其能量交換、碳水循環及其耦合過程將不可避免的受到全球氣候變化的影響[9]。渦度相關技術被認為當前研究陸地生態系統碳水循環及其全球氣候變化的重要方法，該技術可以準確計算不同地理區域（如北方、溫帶、熱帶、不同海拔梯度等）和生態系統（森林、草原、荒漠、農田和海洋等）陸氣間能量分配、二氧化碳交換和水汽傳輸等過程，已廣泛應用于我國各種類型的生態系統研究中[10-15]。先前關于農田生態系統中能量和碳水交換的研究發現，不同作物類型的能量分配特征和碳水循環在時間和空間尺度上表現出相當大的差異，其中在時間尺度上主要表現出明顯的日、季節和年際變異，在空間尺度上主要表現出不同地理單元的碳水循環和能量分配比例。氣候變異、植被生長狀況和土壤含水量等因素是引起農田生態系統碳水循環和能量分配在時間和空間尺度變異的主要調控因子[9]。因此，基于渦度相關技術開展農田生態系統能量和碳水交換的長期連續觀測研究，對于進一步精確計算作物耗水、植物生長模擬及其對氣候變化的反饋具有重要意義。

黃土高原是世界上水土流失最嚴重和生態最脆弱的地區之一，區域地形破碎，生態系統類型多樣，極易受到全球氣候變化的影響[16]。糧草復合生態系統作為黃土高原典型的生態系統類型，相較于單一農田生態系統具有穩定性高、抗災害能力強和產能產值高等特點，對維持區域糧食生產和畜牧業發展起著至關重要的作用。然而，受全球氣候變化的影響，近年來黃土高原降雨分布極度不均，極端干旱事件頻發，極大地影響了區域生態系統碳水循環及其耦合機制。了解黃土高原糧草復合生態系統中能量分配、碳水交換及其耦合機制的特征與調控機制，對于模擬我國黃土高原地區作物生產、水分高效利用以及碳源匯管理具有重要意義。

本數據集包含甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱“慶陽站”）2019–2021年的碳水通量和微氣象觀測數據，選取了生態系統碳循環、水循環和能量分配等關鍵過程的重要參數，包括凈生態系統CO2交換量、凈生態系統生產力、總生態系統生產力、生態系統呼吸、蒸散發、感熱通量、潛熱通量、凈輻射和降雨量等，整理形成了糧草復合生態系統日尺度數據產品，并以數據論文的形式對數據采集和處理方法、數據樣本描述、數據質量控制和評估、數據使用方法和建議進行了詳細描述，以便用戶更好地使用數據，進一步推動慶陽國家站野外觀測數據的開放與共享。

1 數據采集和處理方法

慶陽站是我國在黃土高原較早成立的野外站之一，也是我國最早開展草地農業生態系統觀測、研究和示范推廣的野外站。自1981 年建站以來，慶陽站始終圍繞黃土高原地區傳統農業模式中種養分離、生態保護與農業生產相悖導致的農業生態環境惡化等現實問題，在草地農業理論指導下，開展全球氣候變化背景下農業生態格局變化、資源高效利用和生態保護與社會經濟發展耦合的長期監測、科學研究、人才培養和示范推廣，所獲成果在我國學術界和國際組織產生了重要影響。2018 年慶陽站入選甘肅省首批野外科學觀測研究站，2019 年入選首批教育部野外科學觀測研究站，2021 年獲批國家野外科學觀測研究站建設。慶陽站在蘭州大學科學觀測臺站管理中心的統一部署下，按照陸地生態系統碳水通量觀測規范要求，采用統一的觀測儀器和指標開展了黃土高原典型糧草復合生態系統碳水通量相關指標的長期觀測。

1.1 數據來源和采集方法

采用渦度相關長期連續監測的方法，對黃土高原典型糧草復合生態系統碳水通量、能量分配和環境因子進行監測。本數據集為2019 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的糧草復合生態系統碳水通量數據，具體數據采集方法如下：

（1）樣地布設

經過通量塔選址、設備采購、儀器安裝與調試等技術工作，于2017 年8 月在蘭州大學慶陽站開始糧草復合生態系統碳水通量的長期觀測研究。研究站位于甘肅省慶陽市西峰區什社鄉（35.67°N，107.85°E，海拔1297 m），屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，多年平均降雨為527.6 mm，潛在蒸發量約為1500 mm；年均氣溫9.2 ℃，全年日照約2400 小時，無霜期160 天，熱量資源可滿足兩年種植三季作物。研究區主要種植作物為冬小麥、玉米、紫花苜蓿和飼用大豆等。通量塔下墊面為典型的苜蓿-冬小麥-玉米長期觀測樣地，其中苜蓿占60%，冬小麥占25%，玉米占15%。研究區土壤類型為粉壤土，0–20 cm 土層的平均土壤容重為1.3 g cm-3，pH 值為8.4，土壤有機碳含量為8.9 g kg-1，總氮含量為0.64 g kg-1。

（2）碳水通量和氣象數據采集

慶陽站通量塔總高度為50 m，碳水通量監測采用開路式渦度相關系統，儀器安裝高度為2.75 m，包括開路式二氧化碳紅外氣體分析儀和三維超聲風速儀，觀測指標主要為：CO2和H2O 交換濃度，u、v、w 三個方向風速和超聲虛溫。氣象要素和渦度相關觀測同步進行，觀測指標包括空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風速、風向、光合有效輻射、凈輻射、土壤溫度、土壤體積含水量等。渦度相關觀測采用CR3000 數據采集器實時記錄和存儲10 Hz 高頻原始數據和半小時平均通量數據。氣象數據采樣頻率與渦度相關同步，采用CR6 數據采集器。為保證數據質量，每年定期對儀器設備進行維護和標定。監測站儀器設備安裝高度、儀器型號、制造商詳見表1。

表1 各觀測系統主要測定要素、關鍵傳感器型號、制造商信息及安裝高度Table 1 Main measurement elements as well as the models, manufacturer information and installation height of the key sensors in the observation systems

1.2 數據處理方法

1.2.1 數據預處理

采用EddyPro 4.0 軟件（LI-COR Inc., USA）對原始通量數據進行異常值剔除、坐標旋轉、頻率響應校正、WPL 校正、超聲溫度校正、時間滯后校正、未修正通量數據計算和數據質量控制等預處理[17]。對預處理后的半小時通量數據進行穩態和湍流積分統計特性的數據質量和一致性檢驗[18]。此外，針對夜間通量數據的低估和雙重疊加問題，結合研究生態系統CO2和u*的夜間湍流通量之間的季節性變化關系，確定了u*閾值來消除夜間通量數據的不確定性[19]。其中，2019 年u*閾值為0.19 m s-1，2020 年u*閾值為0.15 m s-1，2021 年u*閾值為0.12 m s-1。

1.2.2 數據插補

受儀器故障、降雨、數據質量控制等常會導致部分通量數據的缺失，因此為了保證數據的完整性，需對缺失數據進行插補。對于碳通量數據缺失時間小于2 小時的通量數據采用線性內插法進行插補，而缺失時間大于2 小時的通量數據采用非線性回歸法進行插補。插補時將凈生態系統CO2交換量（NEE）拆分為白天和夜間通量數據進行分別插補。

白天NEE數據采用Michaelis-Menten 方程進行插補[20]：

式中α為生態系統表觀光量子效率（μmol CO2μmol-1光量子），PAR為光合有效輻射(μmol m-2s-1)，ER為生態系統呼吸(μmol CO2m-2s-1)，Pmax為生態系統最大光合速率(μmol CO2m-2s-1)。夜間NEE數據采用Lloyd-Taylor 方程進行插補[21]：

式中，R0為夜間當溫度為0 ℃時的土壤呼吸速率，Q10為溫度敏感性系數，Ts為10 cm 土壤溫度（℃）。由于夜間沒有植物光合作用，因此所測NEE即為生態系統呼吸（NEEnight=ER），利用公式1、公式2 擬合的夜間NEE與溫度的回歸關系，結合白天土壤溫度計算得到白天生態系統呼吸?；诎滋斓腘EE，最終計算出研究糧草復合生態系統總生態系統生產力（GEP），即，GEP=ER-NEE。

對水通量缺失數據的插補采用Amiro 等[22]的方法。缺失的降雨數據采用附近西峰氣象站測得的日降水量值進行插補。其他氣象因子若缺失值小于2 小時則采用線性內插法對缺失數據進行插補，而當缺失值較大時則采用非線性回歸法和平均日變化法等方法對缺失數據進行插補[20,23]。

1.2.3 數據計算

（1）生態系統蒸散發（ET）計算

通過轉化實測潛熱通量得到糧草復合生態系統蒸散發，計算公式如下：

式中，LE為潛熱通量(MJ m-2day-1)，λ 為水的蒸發潛熱(2.45 kJ g-1)，ρw是水的密度(1 g cm-3)。

（2）日尺度各參數計算

為得到糧草復合生態系統日通量數據集，我們對插補后的半小時通量數據進行了進一步的加和與平均值的計算。其中，凈生態系統CO2交換量、總生態系統生產力、生態系統呼吸、蒸散發、降雨量為日尺度半小時值的累計量。感熱通量、潛熱通量、土壤熱通量、凈輻射、空氣溫度和土壤體積含水量等相關氣象參數為日尺度半小時值的平均值。

2 數據樣本描述

本數據集為慶陽試驗站2019 年1 月1 日至2021 年12 月31 日的糧草復合生態系統日尺度通量觀測數據，數據集大小為257 KB。文件命名為“2019–2021 年黃土高原典型糧草復合生態系統日通量數據集”，數據的存儲格式為1 個EXCEL 文件，數據文件包括1 個數據表單，包含19 個數據指標，數據表單包括1096 條日尺度數據。表2 列出了數據表單所包含具體數據項、數據類型、計量單位、數據項目說明和數據示例。

表2 糧草復合生態系統碳水通量數據表頭說明Table 2 Header description of carbon and water flux data of the grain and grass complex ecosystem

3 數據質量控制和評估

為保證數據質量，實現數據的有效共享，本數據集從原始數據采集到生成天時間序列數據表單都對數據進行了嚴格的質量控制。其中，在原始數據入庫過程中，對數據的完整性和準確性進行了系統檢驗評估，對部分不完整數據采用EddyPro 4.0 進行了重新計算；針對半小時通量數據，采用6倍標準誤等方法進行了異常值剔除，對因儀器故障、數據質量控制導致的數據缺失進行了插補。同時，采用線性回歸法和能量平衡閉合法對渦度相關通量數據進行了質量評價。綜上所述，研究糧草復合生態系統渦度相關設備所獲得的數據是可靠的、完整的。

4 數據使用方法和建議

本數據集以黃土高原典型糧草復合生態系統碳水通量實測數據為基礎，計算出了復合生態系統總生態系統生產力、凈生態系統生產力、生態系統呼吸和生態系蒸散發，具有較高的使用價值，可以為黃土高原區域碳源匯管理、水資源高效利用、能量流動過程以及對全球氣候變化的響應等研究方面提供數據基礎。

本數據集可通過Science Data Bank 在線服務網站獲取數據服務（https://www.scidb.cn/），同時對相關原始數據有使用需求的可通過甘肅慶陽草地農業生態系統國家野外科學觀測研究站服務平臺（http://qyga.lzu.edu.cn/index.htm）進行在線申請。

致 謝

衷心感謝蘭州大學科學觀測臺站管理中心和慶陽站觀測人員的支持！感謝蘭州大學草地農業科技學院李峻成老師，褚厚坤博士在設備維護和數據采集方面給予的幫助！

數據作者分工職責

馬景永（1987—），男，甘肅武威人，博士，副教授，研究方向為生態系統碳水循環。主要承擔工作：野外監測、數據質量控制和計算。

趙長明（1978—），男，山東濟寧人，博士，教授，研究方向為森林生態學。主要承擔工作：野外觀測系統的總體運行和數據管理。

張金貴（1994—），女，甘肅武威人，碩士，實驗師，研究方向為科學數據管理。主要承擔工作：數據處理和質量控制。

馬曉?。?993—），男，甘肅蘭州人，碩士，實驗師，研究方向為植物生態學。主要承擔工作：野外設備維護。

來興發（1992—），男，甘肅白銀人，博士，助理研究員，研究方向為草田輪作。主要承擔工作：野外監測。

沈禹穎（1965—），女，甘肅蘭州人，博士，教授，研究方向為草田輪作。主要承擔工作：野外觀測方法與論文把關。