2002-2010年中国典型生态系统辐射及光能利用效率数据集

朱先进 ，于贵瑞 ，何洪林 ，陈智 ，王秋凤 ，郑涵 ，车涛，陈世苹，郭继勋，古松，韩士杰，郝彦宾0，黄辉，贾根锁，李彦3，李英年，林光辉，孟平，欧阳竹，饶良懿，石培礼，孙春健，吴金水，王传宽，王辉民，王艳芬0，王跃思，肖文发，闫俊华0，杨大文，查同刚，张法伟，张劲松，张军辉，张宪洲，张旭东，张一平，赵斌3，赵风华，赵亮，赵新全，赵仲辉，周广胜，周国逸0

1. 沈阳农业大学农学院，沈阳 110161

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CERN综合研究中心，北京 110101

3. 中国科学院大学资源与环境学院，北京 100190

4. 中国科学院地球环境研究所，西安 710061

5. 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000

6. 中国科学院植物研究所，北京 100093

7. 东北师范大学草地科学研究所，长春 130024

8. 中国科学院西北高原生物研究所，西宁 810008

9. 中国科学院沈阳应用生态研究所，沈阳 110016

10. 中国科学院大学生命科学学院，北京 100190

11. 中国林业科学研究院林业研究所，北京 100091

12. 中国科学院大气物理研究所，北京 100029

13. 中国科学院新疆生态与地理研究所，乌鲁木齐 830011

14. 清华大学地球系统科学系，北京 100084

15. 北京林业大学水土保持学院，北京 100083

16. 广东省气候中心, 广州 510080

17. 中国科学院亚热带农业生态研究所，长沙 410125

18. 东北林业大学林学院，哈尔滨 150040

19. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091

20. 中国科学院华南植物园，广州 510650

21. 清华大学水利水电工程系，北京 100084

22. 中国科学院西双版纳植物园，云南勐仑 666303

23. 复旦大学生命科学学院，上海 200433

24. 中南林业科技大学生命科学与技术学院，长沙 410004

25. 中国气象科学研究院，北京 100081

数据集基本信息简介

引 言

辐射是陆地表层能量的主要来源，是地球表层有机物质固定及食物生产的基础。植物对辐射的利用率表达为光能利用效率（Light use efficiency，LUE），反映了生态系统对光能的转化能力[1]，也是计算生态系统生产力、评估区域碳平衡的重要参数[2]。揭示典型生态系统辐射及光能利用效率的强度既可以评估生态系统转化光能的能力，又可以为评估区域生产力及其潜力提供数据支撑[3]。

因光质的不同，到达地表的辐射有总辐射和光合有效辐射之分。其中光合有效辐射是直接可被植被利用的能量，但却罕有直接观测数据的报道；总辐射具有相对较长的观测历史，但部分总辐射的能量不能为植物所吸收，使得生态系统辐射的评估受到局限，进一步限制了对典型生态系统光能利用效率的认识。同时，计算LUE的碳通量（如总初级生产力、净初级生产力等）及光能（总辐射、光合有效辐射、吸收的光合有效辐射等）有多种，使得LUE的定义及计算途径趋于多样化[4]。比如基于光响应曲线可获得表观光量子效率，反映了植物对光能的最大利用能力[5]，也可以基于生物量调查所获得的净初级生产力与实际观测的辐射量（比如光合有效辐射、总辐射）计算生态系统对辐射的利用效率，为光能利用效率的计算提供了最原始依据[4,6]。其中，基于总初级生产力和光合有效辐射及吸收光合有效辐射所计算得到的光能利用效率具有独特的生物学含义，分别反映了植物光合过程对到达地面及植被吸收的光合有效辐射的利用能力，也是计算其他途径光能利用效率的基础，引起了人们的普遍关注。

涡度相关观测可以获得生态系统与大气间的净CO2交换量，并可进一步拆分出生态系统总初级生产力，为基于总初级生产力计算光能利用效率提供了可能[7-9]。基于涡度相关观测碳通量的同时，学者也同步进行了相关生物气候要素，如光合有效辐射等的观测，为评估典型生态系统的辐射及光能利用效率奠定了数据基础[10]。已有研究对特定生态系统辐射及光能利用效率的动态变化规律进行了分析，但尚无研究系统归纳不同生态系统辐射及光能利用效率的差异，限制了对辐射及光能利用利用效率区域差异的理解。因此，以中国通量网及中国区域涡度相关观测数据为基础，本文系统总结2002-2010年中国典型生态系统的辐射及光能利用效率数据，以推进本数据集的进一步共享，并为区域光能分布、生产力及其潜力评估提供验证数据。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

本数据集源于隶属ChinaFLUX的10个生态系统（当雄高寒草甸、海北高寒湿地、海北高寒灌丛、内蒙温带草地、长白山温带针阔混交林、禹城温带农田、千烟洲亚热带常绿针叶林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林、哀牢山亚热带常绿阔叶林、西双版纳热带常绿阔叶林）及中国区域已发表文献数据的其他41个生态系统（图1），站点经纬度信息见表1。本数据集是对涡度相关观测数据及公开发表数据综合集成的产物。

表1 生态系统名称及经纬度信息

生态系统代码 生态系统名称缩写 生态系统全称 纬度（°N） 经度（°E） 观测年份HT 会同 会同亚热带常绿针叶林 26.83 109.75 2008 TY 桃源 桃源亚热带水稻田 28.92 111.45 2003 YY 岳阳 岳阳亚热带落叶阔叶林 29.53 112.86 2006-2007 DX 当雄 当雄高寒草甸 29.67 91.33 2004-2008 AQ 安庆 安庆亚热带落叶阔叶林 30.47 116.99 2006-2007 DTG 东滩-高滩 东滩高滩亚热带滨海湿地 31.52 121.96 2005-2007 DTD 东滩-低滩 东滩低滩亚热带滨海湿地 31.52 121.97 2005-2007 DTZ 东滩-中滩 东滩中滩亚热带滨海湿地 31.58 121.90 2005 XP 西平 西平温带落叶阔叶林 33.35 113.91 2010 SJY 三江源 三江源高寒草地 34.35 100.55 2006 WS 位山 位山温带农田 36.65 116.05 2007-2008 YC 禹城 禹城温带农田 36.83 116.57 2003-2008 HB 海北 海北高寒草地 37.62 101.30 2002-2004 HBGC 海北灌丛 海北高寒灌丛 37.67 101.33 2003-2008 HBSD 海北湿地 海北高寒湿地 37.68 101.31 2004-2008 DXF 大兴 大兴温带落叶阔叶林 39.53 116.25 2006 KBQG 库布齐草地 库布齐温带草原 40.38 108.55 2006 KBQF 库布齐森林 库布齐温带落叶阔叶林 40.54 108.69 2005-2006 PJ 盘锦 盘锦温带滨海湿地 41.13 121.90 2005 DLC 多伦农田 多伦温带农田 42.05 116.67 2005-2006 DLG 多伦草地 多伦温带草原 42.05 116.28 2005-2006,2010 CBS 长白山 长白山温带针阔混交林 42.40 128.10 2003-2008 XLHTF 锡林浩特围封 锡林浩特温带围封草原 43.55 116.67 2006 XLHTD 锡林浩特退化 锡林浩特温带退化草原 43.55 116.67 2006 XLHT 锡林浩特-克氏针茅草原 锡林浩特温带典型草原 44.13 116.33 2004-2006 FK 阜康 阜康温带荒漠 44.28 87.93 2004-2007 NM 内蒙 内蒙温带草原 44.53 116.67 2004-2008 TYC 通榆农田 通榆温带农田 44.57 122.92 2004-2006 CL 长岭 长岭温带草原 44.58 123.50 2007-2008 TYG 通榆草地 通榆温带草原 44.59 122.52 2004-2006 LS 老山 老山温带常绿针叶林 45.33 127.67 2004 MES 帽儿山 帽儿山温带常绿针叶林 45.42 127.67 2005 SJS 三江湿地 三江温带湿地 47.58 133.52 2005 SJD 三江水稻 三江温带农田 47.58 133.52 2005 SJC 三江大豆 三江温带农田 47.58 133.52 2005

生态系统代码 生态系统名称缩写 生态系统全称 纬度（°N） 经度（°E） 观测年份HZ 呼中 呼中温带常绿针叶林 51.78 123.02 2007-2008 REG 若尔盖 若尔盖高寒湿地 33.93 102.87 2008-2009 GQ 湛江高桥 湛江高桥热带红树林 21.57 109.76 2010 YX 云霄 云霄亚热带红树林 23.92 117.42 2009 HN 怀宁 怀宁亚热带落叶阔叶林 33.00 117.00 2005 YK 盈科 盈科温带农田 38.86 100.41 2008 XLD 小浪底 小浪底温带落叶阔叶林 35.020 112.47 2007-2009 DG 东莞 东莞亚热带草原 22.97 113.74 2009-2010 HG 黄土高原 黄土高原温带草原 35.95 104.13 2007-2008 JFL 尖峰岭 尖峰岭热带常绿阔叶林 18.61 108.84 2006-2009 HY 海晏 海晏高寒草地 36.95 100.75 2010 AR 阿柔 阿柔高寒草地 38.04 100.46 2009

图1 站点分布图（审图号：GS（2018）4935号）

1.2 数据获取方法

1.2.1 辐射数据获取

鉴于文献收集的生态系统中少有各生态系统辐射数据的报道，为保证各生态系统辐射数据的一致性，本数据集基于各生态系统的经纬度信息，利用中国区域总辐射和光合有效辐射的空间数据提取获得。中国总辐射空间数据是基于相对湿度、温度、降水等因子计算，再利用地统计学软件插值获得[11]。中国光合有效辐射空间数据是基于中国气象局740个站点的气象数据、122个站点的总辐射数据、36个中国生态系统系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）台站观测的总辐射及光合有效辐射数据，利用ArcGIS插补，进而基于每天插补的PAR累加得到每年的总光合有效辐射[12]。

1.2.2 光能利用效率数据获取

本数据集所指的光能利用效率系基于年总初级生产力（Annual Gross Primary Productivity，AGPP）及年总光合有效辐射（Annual Photosynthetic Active Radiation，PAR）等计算得到，包括基于年总光合有效辐射（PAR）计算得到的光能利用效率（Light Use Efficiency，LUE）和基于吸收的光合有效辐射（Annual Absorbed Photosynthetic Active Radiation，APAR）计算得到的吸收光能利用效率（Absorbed Light Use Efficiency，ALUE）[9]，其计算方法分别如下：

其中AGPP为年总初级生产力，PAR为年总光合有效辐射，APAR为年总吸收的光合有效辐射。

AGPP通过涡度相关观测而获得。涡度相关技术是基于微气象学原理观测生态系统与大气间CO2及水汽、能量通量交换量的手段，以高频红外气体分析仪及风速仪为主要观测设备，通过观测冠层上方的 CO2、水汽及能量脉动获得生态系统与大气间的净碳水能量通量，进而基于非线性回归关系将碳通量拆分为总初级生产力和生态系统呼吸[13-14]。对于 ChinaFLUX观测的数据，本数据集选用ChinaFLUX通用数据处理流程进行数据质量控制、插补和拆分[10]。对于文献收集的各生态系统的年总初级生产力，本数据集选用公开文献已发表的该生态系统完整年份的 AGPP，要求公开文献中有该生态系统的AGPP的数值报道。

理论上，特定生态系统特定年份的APAR是该生态系统每天APAR的累加值，但对文献收集的数据库中的各个生态系统，限于无法获取它们每天的PAR及LAI，本数据集无法通过计算每个生态系统每天的APAR累加得到其年总量。同时，为了保障本数据集中所用数据的一致性，本数据集选用近似途径来计算各生态系统的 APAR，即利用每年的年总光合有效辐射量与年均吸收光合有效辐射所占比例（fraction of absorbed photosynthetic active radiation,fPAR）相乘而获得。其中fPAR则采用比尔-兰伯特定律计算：

其中k为消光系数，根据已有文献结果，本数据集选用0.5[15]。LAI为各生态系统的年均叶面积指数，基于各生态系统的经纬度信息及观测年份，在Global Land Surface Satellite（GLASS）数据集中[16]提取而获得。具体流程如图2所示。

1.2.3 辅助数据获取

本数据集还提供了基于CO2摩尔分数、大气压强计算而得到的各生态系统年均CO2摩尔质量浓度（ρc），CO2摩尔分数选用美国夏威夷Mauna Loa站点观测的各年数值，大气压强采用压高公式计算获得[9]。

2 数据样本描述

本数据集共有两个数据表：数据和数据来源，数据量 57 KB。数据显示本数据集中各生态系统的基本信息、观测年份及观测数值，共126条数据记录，涉及森林、草地、农田和湿地4种生态系统类型51个生态系统。其中森林生态系统18个，草地生态系统16个，农田生态系统8个，湿地生态系统9个。数据来源显示本数据集中所获数据的主要出处共有31个。

图2 数据处理流程图

数据表中生态系统代码的含义：数据表中的生态系统代码是各生态系统名称的首字母缩写。在个别生态系统，首字母相同时，补充管理措施或者生态系统类型的首字母予以区分。如 XLHTD，XLHT分别是Xi、Lin、Hao、Te的首字母大写，D表示该生态系统是退化生态系统（Degradation）。数据集中出现的生态站名称与代码的对应关系如表2。

表2 中国典型生态系统光能及其利用效率数据集

数据项 数据类型 实例年均叶面积指数（m2 m-2） 数字 3.84最大叶面积指数（m2 m-2） 数字 4.4光能利用效率（g C MJ-1） 数字 744.94吸收光能利用效率（g C MJ -1） 数字 1.97数据来源 字符 ChinaFLUX

3 数据质量控制

为保障本数据集获取的辐射及光能利用效率的质量，本数据集从总初级生产力和光能两个角度进行了质量控制。

（1）年总初级生产力数据来源于 ChinaFLUX的长期观测和文献已发表的数据。其中，ChinaFLUX各生态系统已有多年涡度相关观测经验，并在每年对观测仪器进行标定，保证了观测数据的精度。同时，本研究中各ChinaFLUX生态系统所观测的数据均采用ChinaFLUX的通用数据处理流程进行处理，ChinaFLUX通用数据处理流程已被各方所认可，保障了各生态系统数据的准确性和可比性[17]。此外，文献所报道的年总初级生产力数据均经过同行专家评阅并达到发表标准，保证了文献所收集数据的可信度。

（2）辐射数据来源于中国区域总辐射[11]和光合有效辐射[12]的空间分布数据集，这两个数据集的获取方法已较为完善，得到国内外同行的普遍认可，已被国内外学者普遍引用。同时，本数据集进一步利用 ChinaFLUX各生态系统观测的总辐射及光合有效辐射数据对提取自空间数据集的辐射数据进行了验证（图3）。结果发现，观测数据与提取的插值数据具有较好的一致性，观测的总辐射数据可以解释93%的插值数据空间变异（图3a），观测的光合有效辐射数据可以解释77%的插值数据空间变异（图3b）。尽管光合有效辐射的观测值与提取值间具有一定的差异，但这主要与ChinaFLUX各生态系统光合有效辐射仪器的衰减有关。随着观测年限的增加，ChinaFLUX各生态系统所用的光合有效辐射观测仪器存在衰减现象，表现为观测值的减小[18]。

图3 ChinaFLUX各生态系统观测的（x轴）总辐射（a）和光合有效辐射（b）与提取自空间插值数据（y轴）间的关系

4 数据使用方法和建议

本数据集收录了基于涡度相关观测的中国典型生态系统辐射及光能利用效率数据，可以为典型生态系统生产能力及潜力评估、区域光热资源管理等提供数据参考。但鉴于各关键变量的获取方法均有些许不足，本数据集尚存在一定的不确定性，主要体现在以下几个方面，需在今后的使用过程中引起重视：

（1）辐射数据存在不确定性进而导致光能利用效率呈现不确定性。本数据集的辐射数据源于插值后的空间分布数据，尽管该空间分布数据已获得较为广泛的认可，但生成辐射空间分布的插值方法有多种，使得本数据集所提取的数值可能与其他现有数据源存在偏差，进而引起光能利用效率数值的差异。

（2）年总初级生产力数值的不确定性也会引起光能利用效率的不确定性。本数据集中，ChinaFLUX各生态系统的年总初级生产力源于ChinaFLUX的长期观测及通用数据处理流程，而其他生态系统的年总初级生产力源于已发表的文献，使得不同生态系统的数据处理程序存在偏差。同时，即使是完全相同的数据处理流程，不同学者在数据处理过程中的参数设定等细节也会对年总初级生产力的数值产生影响，进而影响光能利用效率的大小。因而，本数据集中所报道各光能利用效率数值可能与其他学者所报道的结果存在些许偏差。

（3）本数据集中各数值仅反映了当前观测年份该生态系统的辐射及光能利用效率状况。限于不同年份生态系统的辐射及光能利用效率存在差异，基于本数据集中各结果外推其他年份的辐射及光能利用效率时，需对外推结果谨慎对待。

（4）本数据集中所报道的光能利用效率是基于公式（1）-（3）而获得的，反映了各生态系统在固定时间尺度（一年内）对光能的转化能力，可以为其他定义下光能利用效率的大小提供参考。但鉴于光能利用效率的定义在时间及空间尺度上存在差异，未来选用本数据集中各光能利用效率数值时，需根据光能利用效率的定义予以区别对待。

数据使用中如遇其他问题，可详细参考已发表的论文[9]。

本数据集由CERN综合中心数据资源服务网站（http://www.cnern.org.cn）提供数据服务。登录系统后在首页点击“数据论文数据”图标或在数据资源栏目选择“数据论文数据”中的“碳氮水通量观测专题”进入相应页面下载数据。也可登录 Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/616）访问相关信息。