2003-2010 年长白山阔叶红松林碳水通量观测数据集

吴家兵，关德新，王安志，袁凤辉，刁浩宇，于贵瑞，陈智＊，张雷明＊

1.中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016

2.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101

引 言

二氧化碳浓度增加导致了全球气候变暖已经成为不争的事实，严重威胁着人类的生存和发展。在全球气候变化背景下，陆地生态系统碳循环一直是国内外学者关注的热点问题之一[1-2]。森林生态系统作为陆地生态系统的主体，在陆地生态系统碳循环及缓解气候变化方面起着非常重要的作用[3]，特别是位于北半球中高纬度的森林生态系统具有很强的碳汇能力[4]。近年来的一系列研究证实老龄林生态系统也具有碳汇能力，尤其是在气候变化和氮沉降背景下[5-6]。忽视老龄林生态系统的固碳能力将会严重影响陆地生态系统碳收支的准确评估。因此，分析老龄林生态系统固碳能力的强弱及其源汇功能对于老龄林的保护和全球变化研究都具有极其重要的意义。此外，对老龄林生态系统碳汇功能驱动机制的研究还可以有效降低全球和区域碳平衡估计的不确定性。

在中国科学院知识创新工程重大项目“中国陆地和近海生态系统碳收支研究”的资助下，依托中国生态系统研究网络（CERN），2001 年中国陆地生态系统通量观测研究网络（ChinaFLUX）启动建设，2002 年9 月长白山原始阔叶红松林通量观测站建成运行，弥补了我国温带原始老龄林通量观测研究的空白[7]。长白山阔叶红松林通量观测站采用国际标准的涡度相关通量观测技术，同时开展多要素的气象与环境要素的长期同步观测，迄今已连续积累10 余年阔叶红松林碳水通量观测数据，也产出了一系列研究成果。

本数据集在前期已发布2003-2005 年数据集的基础上[8]，进一步扩展发布数据集至2010 年，形成2003-2010 年长期连续的长白山阔叶红松林通量观测站的碳水通量和常规气象要素观测数据集，包括生态系统CO2通量、潜热通量、显热通量、空气温湿度、土壤温湿度、降水、总辐射、净辐射和光合有效辐射等观测指标项，形成了半小时、日尺度、月累计和年累计4 类数据产品。同时，长白山通量站将在保障数据产权的基础上，积极配合ChinaFLUX 以数据论文的形式进一步开展后续更长时间序列观测数据的发布，以推动数据共享和规范数据使用。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

基于顶层设计和科学论证，结合我国陆地样带的空间分布，依托CERN 的台站网络，经过观测系统设计、观测台站和通量观测塔选址、观测仪器选型等技术方案的反复论证，以及观测系统的安装与调试，长白山阔叶红松林通量观测站建成并实现稳定运行。长白山通量站建于长白山森林生态系统定位研究站一号标准地内阔叶红松林内，站点详细信息见表1。

表1 长白山通量站基本信息

注：叶面积指数为生长季内最大叶面积指数。

1.2 数据采集方法

根据长白山通量站下垫面情况和植被冠层高度，在观测塔上安装不同要素的测定传感器，开展植被-大气界面CO2、H2O 和能量以及林内气象要素在线、连续观测。通量站采用开路式涡度相关系统在40 m 高度开展通量观测，同步开展常规气象要素的梯度观测，数据自动采集并存储到本地计算机。各测定要素采用的主要仪器设备的传感器和分析仪制造商及安装高度见表2。

表2 长白山通量站观测系统

观测数据采集与传输：本数据集中植被-大气界面CO2、H2O 和能量通量系统的原始测定频率为10 Hz，利用数据采集器获取和存储高频测定数据。常规气象要素的测定记录频率为30 分钟，由CR10X 和CR23X 数据采集器获取和存储数据，并自动下载到地面计算机存储器中，然后开展后续的质量控制、标准化和产品加工。

1.3 数据处理和产品加工方法

长白山阔叶红松林碳水通量观测数据集采用通量处理软件EddyPro V5.2.1 结合MatlabV7.6，基于ChinaFLUX 技术体系完成标准化的质量控制和数据处理（图1）。

数据质量控制：采用国际上普遍认可的涡度通量数据质量控制方法，主要包括原始数据分析、超声虚温校正、平面拟合法坐标轴旋转、WPL 校正、频率损失校正、冠层储存项校正（40 m 单点估算方式）、稳态测试与湍流积分特性分析、夜间低摩擦风速阈值筛选和异常值剔除，以及能量闭合评价。

缺失数据插补：对于短时间（小于2 hr）内缺失的通量和气象观测数据，采用内插的方式完成插补；对于长时间缺失的气象数据，利用观测站气象资料（空气温度、土壤温度、辐射等）开展插补；如同期气象资料也缺失不能完成插补，则利用平均日变化法完成数据插补。对于长时间缺失的CO2通量数据，采用非线性回归的方式。其中夜间缺失数据利用Arrhenius 方程基于土壤温度数据插补[9]；白天缺失数据利用直角双曲线方程插补，最小插补时间窗口为7 天。对于长时间缺失的能量通量数据，采用边际分布采样法[10]完成缺失数据插补。

图1 长白山通量站数据质量控制与处理技术体系

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段相同的回归方程，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。

2 数据样本描述

本数据集包含长白山站2003-2010 年连续8 年的观测数据，按照年份分为半小时、日尺度、月累计和年累计4 种数据产品表格。共计64 个EXCEL 数据文件，总数据量为82.7 MB。例如，在半小时尺度上，根据数据要素不同，数据文件的名称格式规则为“年份+台站+类型+时间尺度.xlsx”，如“2003 年长白山通量30 分钟数据.xlsx”和“2003 年长白山气象30 分钟数据.xlsx”。表3-5 为部分数据表头说明。

表3 半小时通量观测数据

数据表头说明：（1）“CO2通量”表示经过质控和异常值剔除后的CO2通量(mg m-2s-1)；(2)“潜热通量”表示经过质控和异常值剔除后的潜热通量（Wm-2）；(3)“显热通量”表示经过质控和异常值剔除后的显热通量（Wm-2）。

表4 半小时气象观测数据

数据表头说明：（1）各层空气温度表示林内距地表2.5、8、22、26、32、50、60 m 处的空气温度（℃）；（2）平均天空辐射表示冠层上方接受的太阳总辐射（Wm-2）；（3）光合有效辐射平均值表示冠层上方的光合有效辐射（μmol m-2s-1）；（4）总降水量表示降水量的累计值（mm）；（5）各层土壤体积含水量表示距地表5、20、50 cm 深的土壤体积含水量（%）。其中剔除后的数据以“-99999”表示。

表5 日尺度通量观测数据

数据表头说明：（1）NEE 表示日尺度的CO2通量累计值（gC m-2d-1），即观测通量的日累计值；（2）Re 表示日尺度的生态系统呼吸累计值（gC m-2d-1），即实测的夜间通量加上基于温度的回归模型估算的白天生态系统呼吸通量值；（3）GEE 表示日尺度的总生态系统生产力累计值（gC m-2d-1），通过计算NEE-RE 获得；（4）LE 表示日尺度的潜热量累计值（MW m-2d-1）；（5）H 表示日尺度的显热量累计值（MW m-2d-1）。其中无法统计日值的数据以“-99999”表示。

3 数据质量控制与评估

3.1 数据质量控制

本数据集从观测、采集、质控、处理和存储方面均严格遵循了ChinaFLUX 制定的技术体系（图1）。ChinaFLUX 有严格的数据质量保证和质量控制规范，以统一各站长期、连续的联网观测的开展和运行。ChinaFLUX 通量数据质量控制技术体系是基于全球通量观测研究领域普遍采用和认可的技术流程建立起来的，包括数据质控、缺失数据插补和通量拆分等方面。虽然涡度相关法具有高精度、高分辨率等优点，但它并不是完全标准的方法。特别是在野外应用时，环境条件的限制及仪器系统自身的局限性，使得其测算结果具有一定的不确定性。针对坐标轴转换（超声风速仪倾斜校订），有研究认为平面拟合修订后通量要较二次坐标旋转法通量在量值上高出5%-10%[11]。因此本数据集采用前者：白天，对CO2通量的平均修订比例约为3.0%，对能量通量（感热和潜热通量）的修订比例约为2.0%；夜间，对CO2通量的平均修订比例约为9.0%，对能量通量的修订比例约为5.5%。在考虑了坐标变换影响、频率响应局限和平流损失后，夜间CO2通量可减少低估28%左右，在没有考虑能量平流损失的情况下，能量闭合程度可提高6%左右，明显改善了最终结果。

3.2 数据质量评价

基于全球通量观测研究领域普遍采用的质量评价方法，对数据集的数据质量开展系统评价。

数据时间序列完整性：由于降水、电力供应失败、仪器标定与维护等因素干扰，缺测和异常值的出现不可避免。统计资料表明，从2003 年1 月截至到2010 年12 月，其中有效数据约为56%，这里有效性的概念是针对文中的数据质量控制标准而言的。其中大量不合理的观测数据的出现多是因为降水和夜间弱湍流导致；另外，野外电力供应失败每年约导致3%-5%的缺测。

能量闭合：基于涡度相关法获得的湍流能量通量通常不能平衡森林实际获得能量。对全球通量网（FLUXNET）50 站多年的观测数据分析表明，各观测站普遍存在着10%-30%的能量不闭合现象[12]，由涡度相关法观测获得的能量通量较辐射仪低。在观测条件相对理想的长白山站也存在能量不闭合现象。以2003 年数据为例，基于半小时尺度的全年能量收支闭合度约为86%，约有14%的能量不知去向。若考虑了冠层储热项S（约7%可用能量），结果会改善一些，但也不可能实现完全闭合。另外，冬季的能量闭合程度要好于其他季节，达到了94%，主要是冬季由于阔叶树落叶，湍流交换活跃，相应的能量闭合度相对较高。

通量源区分布：图2 给出了长白山通量站风速及风向分布图。从中可以看出，观测期间最大风速约为12m·s-1，盛行风向为西南风，而来自观测塔东北方向，也就是来自二道镇居民区的通量信息却相对较少，这大大减轻了我们对下垫面异质性干扰的担心。根据Schmid 的通量源区模型（FSAM）进一步确认[13]，在生长季不稳定的大气条件下，80%的通量信息来自观测塔主风方向600 m、侧风方向250 m 范围内，即使在稳定层结条件下，侧风方向源区距离也不超过1000 m，这基本上排除了由于居民区人类活动CO2释放的干扰，表明长白山通量站涡度相关系统捕获的通量信息可以充分代表阔叶红松林与大气间的CO2交换过程。

图2 通量站风速与风向分布

4 数据使用方法和建议

本数据集由CERN 综合研究中心和ChinaFLUX 综合研究中心提供数据共享资源，用户可登陆数据资源服务网站（http://www.cern.org.cn），在首页打开碳氮水通量数据集进入相应的数据浏览、在线申请页面。也可登陆Science Data Bank（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1000）访问和下载数据集。

数据作者分工职责

吴家兵（1977—），男，研究员，研究方向为全球变化生态学。主要承担工作：碳水通量数据分析与质量控制。

关德新（1962—），男，研究员，研究方向为气候生态学。主要承担工作：碳水通量数据管理与分析。

王安志（1972—），男，研究员，研究方向为生态水文学。主要承担工作：碳水通量数据管理。

袁凤辉（1989—），男，助理研究员，研究方向为水分生理学。主要承担工作：数据质量控制。

刁浩宇（1994—）,男，博士研究生，研究方向为全球变化生态学。主要承担工作：数据采集与质量控制。

于贵瑞（1959—），男，研究员，研究方向为生态系统与全球变化。主要承担工作：整体科学技术体系设计。

陈智（1981—），女，副研究员，研究方向为生态系统碳通量时空格局。主要承担工作：数据质量分析与控制。

张雷明（1974—），男，副研究员，研究方向为生态系统碳水循环过程及全球变化。主要承担工作：碳水通量数据综合处理方法和技术途径。