2016–2017 年小浪底栓皮櫟人工林碳水通量觀測數據集

黃輝，周宇，張勁松*，高翔，劉琳奇，孟平

1.中國林業科學研究院林業研究所，國家林草局林木培育重點實驗室，北京 100091

2.南京林業大學，南方現代林業協同創新中心，南京 210037

3.河南黃河小浪底關鍵帶國家野外科學觀測研究站，河南濟源 454650

引 言

二氧化碳（CO2）濃度升高引起氣候變暖，通過影響全球水循環改變水熱資源時空分配[1]，進而影響陸地生態系統生產力和碳收支[2]。準確估算陸地生態系統與大氣之間的碳交換，是評價區域至全球生態系統碳收支[3]及預測陸地生態系統對氣候變化響應特征的基礎[4-5]。森林生態系統作為陸地生態系統的主體，在陸地生態系統碳循環及緩解氣候變化方面舉足輕重[6]。我國人工林面積居世界首位，在改善區域生態、緩解氣候變暖和區域碳水循環中具有重要作用。

栓皮櫟（Quercus variabilis）是我國天然分布最廣的樹種之一。河南黃河小浪底地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站（簡稱小浪底站）位于暖溫帶季風區黃河中游地段，屬我國林業工程重點區域，區域內春旱頻發，夏季高溫期如遇降水不足也易發伏旱，對氣候變化較敏感。在該區域開展栓皮櫟人工林碳水通量觀測研究對我國林業生態工程建設、人工林碳匯功能評估有重要意義。自2005 年10月以來，小浪底站采用渦度相關通量觀測技術，長期開展栓皮櫟人工林碳水通量監測與研究，迄今已積累了連續10 余年通量觀測數據。

迄今，已有多個站點公開發表了其通量觀測數據集[7-8]，尚無對栓皮櫟人工林的通量觀測數據集，暖溫帶季風區的觀測結果也不多見。為進一步推動我國陸地生態系統碳水通量研究、促進林業高質量發展，小浪底站公開發表經過加工整理的2016–2017 年碳水通量和常規氣象要素數據。本數據集可為人工林對氣候變化的響應特征研究、人工林生態系統管理及區域碳收支評估等方面提供數據支撐，進一步推動我國野外臺站數據共享和數據規范化管理。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據來源

河南黃河小浪底地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站位于河南省濟源市承留鎮栲栳村，中心地理坐標為35°01′N，112°28′E，站區面積5000 hm2。小浪底站位于黃河中游，屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，年平均溫度為13.4 ℃，年降水量為641.7 mm，6–9 月降水量占全年68.3%。

通量觀測塔（35°01'45''N, 112°28'08''E, 410 m）位于站區中心偏西方向栓皮櫟人工林樣地，樣地內主要樹種為栓皮櫟、側柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia），造林時間分別為1972 年、1974 年和1976 年，土壤為棕壤和石灰巖風化母質淋溶性褐土。觀測塔建于2005 年10 月，總高度為36 m，塔周圍1.8 hm2范圍平均坡度約為12 °，林木覆蓋率約為96%，栓皮櫟、側柏和刺槐所占比例分別約為80%、8%和12%，平均冠層高度約為11 m[9]。林下灌木由酸棗（Ziziphus jujuba var.spinosa）、扁擔桿（Grewia biloba）、荊條（Vitex negundo）組成；草本主要為狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、狗尾草（Setaria viridis）和中華苦荬菜（Ixeris chinensis）等。

1.2 數據采集方法

開路渦度相關系統安裝在36 m 高度處，CO2、H2O 和能量通量原始數據由美國LI-Cor 公司的數據采集器LI-7550 自動記錄和保存，采集頻率為10 Hz。氣象要素包含冠層上下方兩層空氣溫濕度、風速、水汽壓和冠層上方氣壓、輻射、總降水量，以及多層土壤溫濕度等。氣象要素由美國Campbell公司的數據采集器CR1000 自動記錄和保存，采集頻率為30 s，計算并存儲為10 min 數據。各觀測項目所用儀器及型號、儀器制造商等相關信息見表1。氣象數據觀測高度見數據樣本描述章節表2。

表1 觀測項目所用分析儀相關信息Table 1 Information of the analytical instruments used in the observation project

表2 氣象數據表說明及指標觀測高度Table 2 Description of the meteorological data table heading and the observation height

1.3 數據處理和產品加工方法

數據質量控制：本數據集處理過程參考ChinaFLUX 相關質量控制和處理規范[8]，主要包括原始數據異常值統計篩選和剔除、二維坐標旋轉[10]、塊平均去趨勢[11]、儀器自加熱校正[12]、頻譜校正[11]、WPL 校正[13]、極端異常值剔除[14-15]、夜間摩擦風速閾值篩選和數據剔除、質量檢查標記數據剔除[16]以及能量閉合評價。30 分鐘NEE 的取值范圍為[-40, 20] μmolCO2·m-2·s-1，同時剔除降雨時期的觀測值，并在白天（Ra≥ 20）和夜間（Ra< 20）時段剔除大于3 倍標準差的異常值。2016、2017 年夜間摩擦風速閾值分別為0.15 m·s-1和0.26 m·s-1。

缺失數據插補：對于缺失小于15 天的通量和氣象觀測數據，采用邊際分布采樣法[17]完成插補。對于缺失15 天以上的氣象數據，利用鄰近氣象站觀測資料（降水數據除外）進行插補，如同期氣象資料也缺失未能完成插補，則利用平均日變化法完成數據插補。對于缺失15 天以上的通量數據，對于缺失15 天以上的通量數據，利用人工神經網絡法[18]和平均日變化法進行插補。在同一物候期使用人工神經網絡法，跨物候期時使用平均日變化法。

CO2通量數據拆分：采用基于日間通量的數據拆分方法將凈生態系統CO2交換通量（NEE）拆分為生態系統呼吸（RE）和生態系統總初級生產力（GPP）[19]。首先基于日間觀測數據，采用直角雙曲線方程確定日間生態系統光合方程中的系數[19]；其次使用Lloyd & Taylor 呼吸方程替換直角雙曲線方程中的恒定呼吸確定日間生態系統呼吸，再根據修正后的呼吸方程確定夜間生態系統呼吸[19]。

2 數據樣本描述

2.1 數據子集與數據量

本數據集為小浪底站栓皮櫟人工林2016–2017 年碳水通量觀測數據，數據文件分為常規氣象數據子集和通量數據子集兩類，每年每類各有4 個數據文件，包括30 分鐘、日、月和年尺度。數據集總共16 個文件，總數據量9.92 MB。

2.2 數據文件示例

表2、表3 分別為小浪底站30 分鐘氣象和通量數據表頭說明，各數據項數據均以數字形式表示。

表3 通量數據表說明Table 3 Description of the flux data table heading

3 數據質量控制和評估

本數據集從數據的觀測、采集、質量控制和處理等方面主要參考ChinaFLUX 制定的技術體系[8]，以保證數據質量。ChinaFLUX 通量數據處理和質量控制技術體系采用國際上普遍認可的數據處理方法，包括數據質控、缺失數據插補和CO2通量拆分等，目前已為國內多個通量觀測站采用。

基于渦度相關法獲得的湍流能量通量通常不能平衡森林實際獲得能量。Wilson 等對FLUXNET多個站點能量平衡閉合狀況的分析表明，各站點普遍存在10%–30%的能量不閉合現象[20]?；诎胄r尺度數據的能量閉合分析表明，2016、2017 年小浪底站的能量平衡比率分別為0.70、0.79，兩年平均值為0.75，處于通量觀測臺站能量平衡比率變化范圍之內。

2016–2017 年半小時尺度的CO2、H2O 和能量通量數據經過質量控制和異常值剔除后，凈生態系統CO2交換通量、潛熱通量和顯熱通量的平均有效觀測數據比例分別為61.2%、65.8%和71.0%（表4）。數據缺失部分主要在非生長季，生長季也有部分缺失，引起數據缺失的原因有儀器冬季低溫供電不足、儀器故障及維修時間過長等，降雨等異常天氣、夜間摩擦風速過低也會造成部分數據缺失。

表4 半小時尺度上小浪底站通量有效觀測數據比例（%）Table 4 Proportions of effective flux observation data at XLD on half-hourly scale（%）

4 數據使用方法和建議

本數據集在科學數據銀行（https://www.scidb.cn/en）國家生態科學數據存儲庫（National Ecosystem Data Bank, EcoDB; https://ecodb.scidb.cn/en）發布。在數據資源欄搜索“小浪底栓皮櫟人工林”，即可下載。本數據集可應用于模型的開發、驗證。由于不同異常值剔除標準和插補方法，會使得通量計算結果產生一定差異，因此相關研究人員應用本數據集作機理解析時應尤其慎重。

數據作者分工職責

黃輝（1980—），女，湖南人，副研究員，研究方向為森林生態系統碳氮水循環對氣候變化的響應。主要承擔工作：數據分析和論文撰寫。

周宇（1995—），男，山東人，博士研究生，研究方向為生態系統水碳監測與模擬。主要承擔工作：數據處理和論文修改。

張勁松（1968—），男，浙江人，研究員，研究方向為森林生態學與林業氣象學。主要承擔工作：小浪底站的運行與數據質量控制。

高翔（1989—），山東人，助理研究員，研究方向為森林生態系統水碳循環與模擬。主要承擔工作：數據處理。

劉琳奇（1994—），男，浙江人，博士研究生，研究方向為生態系統水碳監測與模擬。主要承擔工作：數據處理。

孟平（1961—），男，遼寧人，研究員，研究方向為森林生態系統管理。主要承擔工作：小浪底站的科學發展和研究方向指導。