2003-2010 年内蒙古锡林浩特典型草原碳水通量观测数据集

郝彦宾，张雷明，孙晓敏，于贵瑞，陈智＊，王艳芬＊

1.中国科学院大学生命科学学院，北京 100049

2.燕山地球关键带与地表通量国家野外科学观测研究站，北京 101408

3.中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球科学卓越创新中心，北京 100101

4.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

草原生态系统作为全球生态系统的重要类型，不仅是世界分布面积最广的自然植被类型，而且也是陆地和大气间物质和能量交换的重要生态系统，其碳收支的动态变化研究在全球变化背景下准确估算碳收支平衡中起着重要的作用[1-2]。与其他生态系统类型相比，由于对诸如降水等环境因子变化非常敏感，总初级生产力（Gross primary productivity）在不同的时空尺度上表现出大的季节和年际变化，因此在确定草原生态系统碳源/汇功能及其驱动机制方面存在着很大的限制和不确定性[3-4]。温带典型草原作为我国欧亚大陆草原中最具有代表性和典型性的草原类型之一，其覆盖面积约有4.1×107hm2，约占国土总面积的10.5%。它不仅是我国重要的畜牧业生产地，而且对全球和局地辐射和能量交换具有重要的影响意义，对我国北方气候有着特殊的影响[5]。放牧和围封管理是该生态系统两种重要的利用方式。尤其是围封禁牧管理，是退化草地恢复与重建的重要措施之一。其生态效应不仅体现为高效的生产力和稳定性，而且也表现为其净固碳功能的大小。因此，长期的、连续有效的碳水通量观测，对评价其在陆地生态系统固碳功能和对气候反馈作用的大小必不可少[6]。

基于微气象学理论的涡度相关技术使精确、长期连续的测定大气与生态系统碳水交换通量得以实现，对精确评价全球陆地生态系统碳汇/碳源的功能以及全球碳循环模型的发展起着举足轻重的作用。它不仅让生态系统尺度与大气之间水热通量和温室气体交换功能和过程的直接测定成为现实[7-9]，而且成为国际通量观测网络（FLUXNET）和中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）生态系统碳水通量观测的主要技术手段[10]。其观测数据成为从局地、区域到全球尺度各种碳循环模型及有关遥感观测的检验和验证的依据[11-12]。

本数据集为2003-2010 年ChinaFLUX 内蒙古锡林浩特站的碳水通量和常规气象要素观测数据集。研究站点位于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站1979 年围封样地。数据集包含生态系统CO2通量、感热通量、潜热通量、空气/土壤温度、土壤湿度、降水、总辐射、净辐射和光合有效辐射等观测指标，形成了半小时、日尺度、月尺度和年尺度4 类产品。虽然2003-2005 年的数据曾经被共享，但是只是半小时和日尺度，长期的、系统的、多时间尺度的数据集并没有被共享。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集

内蒙古锡林浩特通量站隶属于ChianFLUX 2003 年正式建立的碳水通量联合观测研究的8 个观测站点之一，于2003 年4 月底完成建设，是ChinaFLUX 的首批观测台站（表1）。测量系统主要包括一套开路涡度相关系统和一套常规气象要素测量系统。涡度相关系统主要测量离地面2.5 m 高的CO2通量、潜热和感热通量，包括一个开路CO2/H2O远红外CO2气体分析仪（LI-7500,LI-COR,Lincoln,NE,USA）和一个三维超声波测风仪（CSAT3,Campbell Scientific Inc,MS,USA）。采样频率是10 Hz，每半个小时平均值记录在数据采集器中（CR5000,Campbell Scientific Inc,MS,USA）。

表1 内蒙古通量站经纬度、植被和土壤的基本特征

常规气象要素测定系统包括安装在离地面1.5 m的辐射测定仪（CNR-1,Kipp & Zonen,NY,USA）和光量子测定仪（LI190SB，Li-COR，Lincoln，NE，USA），用于测量净辐射和光合有效辐射。同时在离地面1.5 m 和2.5 m 处测量温度、相对湿度（HMP45C，Vaisala，Woburn，MA，USA）和风速。土壤温度（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.5 m、1.0 m）、土壤含水量（地面以下0.05 m、0.2 m、0.5 m，DR，Campbell Scientific，Logan，UT，USA）、土壤热通量（地面以下0.05 m,HFP01,HUKESEFLUX,Delft,Netherlands）、降水量等要素也同时监测。每30min 输出一组平均值记录在数据采集器（CR23X，Campbell Scientific，Logan，UT，USA）中。

1.2 数据处理和产品加工方法

通量站的所有数据处理是严格按照ChinaFLUX 技术体系完成碳水通量原始观测数据的标准化质量控制和数据处理，包括数据质量控制、缺失数据插补、CO2通量数据拆分。因这些方法和步骤在张雷明等发表的《2003-2005 年中国通量观测研究联盟（ChinaFLUX）碳水通量观测数据集》[10]中已有了详细的描述，本数据集不再累述。

2 数据样本描述

本数据集由64 个Excel 文件组成，总数量为51.5 MB（表2），包括2003-2010 年共8 年半小时、日、月和年尺度4 个时间尺度的碳水通量和气象2 类数据。其中2003 年数据开始采集时间为4月。根据不同的时间尺度和数据要素不同，数据文件的名称格式为“年份+台站+数据类型+时间尺度.xlsx”，其中，“数据类型”分别为碳水通量和气象数据，“时间类型”分别为半小时、日、月和年尺度。如“2010 年内蒙古气象30 分钟数据.xlsx”和“2010 年内蒙古通量30 分钟数据.xlsx”。数据示例见表2、表3。

表2 通量观测数据

表3 半小时气象观测数据

注：二层空气温度、相对湿度、风速、风向、水汽压、辐射表示为仪器探头安装在土壤表面以上的高度，第一层低于第二层安装高度，在数据集中表示为相应的缩写+层高度，例如空气第一层和第二层温度分别表示为Ta_1_AVG 和Ta_2_AVG。五层土壤温度采用类似的表示方法，第一层表示为Ts_107_1 AVG，以此类推。第一层和第二层安装高度分别为1.5 m 和2.5 m 和测量深度分别为0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.50 m 和1.0 m。

3 数据质量控制和评估

3.1 数据质量控制

本数据集的所有数据严格按照ChinaFLUX 的数据质量控制规范和要求进行质量保证。从观测、采集、质控、处理和存储方面均严格遵循ChinaFLUX 的技术体系[2]。

3.2 数据质量评价

基于全球通量观测研究领域普遍使用的质量评价方法，对数据集的数据质量开展系统评价。谱分析结果表明，三维风速、CO2、H2O 和温度的功率谱在惯性子区内基本符合-2/3 定律，而CO2、H2O 和温度与垂直风速的协谱在惯性子区内也基本符合-4/3 定律[10]。能力闭合分析表明，内蒙古台站的能量平衡比率平均为0.68，其值与全球通量观测台站能量平衡比率基本相同[7]。

在半小时尺度上，8 年的CO2通量、潜热通量和显热通量的有效数据比例分别为53.7% ±16.7%，67.3% ± 19.2%和69.2% ±19.1%（表4）。数据缺失的部分主要是在非生长季（10 月至翌年4 月），主要原因是冬天低温，电量供应不足。仪器故障和维修是生长季数据缺失的主要原因。特别是2009 年由于人为破坏，仪器维修时间过长导致数据缺失明显。此外，降雨、夜间摩擦风速过低，异常数据较多也会造成部分数据的缺失。

表4 半小时尺度内蒙古站数据质量控制后的有效数据比例（%）

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，用户登录数据资源服务网站（http://www.cnern.org.cn）后，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。也可登录Science Data Bank（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.996）访问数据集信息。

通量观测数据的质量控制与处理是国际通量观测研究的基础性和必要性内容，同时也是目前尚未得到妥善解决的重要议题。因此，在本数据集使用过程中需要注意以下2 个方面：

（1）本数据集是基于目前ChinaFLUX 数据的质量控制和处理技术程序进行的数据处理，由于对基于涡度相关技术测量的碳水通量数据处理方法的多样化，使用不同的数据处理方法取得的结果之间会存在一定的差异，共享的数据可能与台站自行经过数据处理发表的文章中的研究结果存在一定程度的差异。

（2）缺失数据的插补必然会引起不确定性。由于本数据集包括了从半小时到年尺度的四类数据，尤其是日、月和年尺度是以半小时数据为基础进行的数据累积求和，所以，以半小时为步长测量的数据的精确性和完整性影响了更大时间尺度的数据准确性。不管是用于模型验证还是研究碳水过程的控制机制研究，建议以半小时步长未插补的数据集为准。如果估算草地生态系统的多年平均净固碳量，建议优先选择2003-2008 年的数据。

致 谢

感谢ChinaFLUX 和中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的大力支持。同时也感谢ChinaFLUX 联盟其他首批观测站点的大力协助。

数据作者分工职责

郝彦宾（1976—），男，教授，研究方向为草原生态系统碳氮水循环和极端气候。主要承担工作：数据的采集、质量控制和论文撰写。

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

孙晓敏（1957—），男，研究员，研究方向为地表通量的区域遥感反演。主要承担工作：ChinaFLUX 技术体系构建。

于贵瑞（1959—），男，院士，研究员，研究方向为生态系统与全球变化。主要承担工作：ChinaFLUX 的总体运行与科学发展。

陈智（1986—），女，副研究员，研究方向为生态系统碳循环与全球变化。主要承担工作：数据质量分析。王艳芬（1969—），女，教授，研究方向为退化草地与恢复。主要承担工作：内蒙通量站的的运行。