2017–2018 年河南宝天曼天然栎林碳水通量观测数据集

牛晓栋，孙鹏森，陶思睿，陈志成，牛保亮，刘世荣＊

1.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所，北京 100091

2.河南宝天曼森林生态系统国家野外科学观测研究站, 河南南阳 474350

3.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091

引 言

森林小气候主要指由森林生态系统的乔木、灌木、草本、凋落物和土壤等共同形成的一种内部的、与周边大气候不同的局部小气候[1]。森林小气候是影响森林的水文过程与碳循环的关键因素[2]。一般来说，小气候的观测指标包括林冠内外的空气温湿度、风速风向、土壤温湿度、土壤含水量等[3]。森林冠层结构对太阳辐射具有能量分配的作用，分配结果也会影响森林小气候和植被生产力[4]。太阳辐射能量主要转化为显热通量和潜热通量。此外，森林冠层和大气之间的碳水交换体现了森林生态系统的生产力和水分利用。在野外观测站开展森林小气候、碳水和能量通量的长期固定观测，对认识森林和大气的相互作用以及气候变化对森林生态系统结构和功能的影响具有重要意义[5]。

河南宝天曼森林生态站位于暖温带和亚热带的过渡区，其地理位置具有独特性。区内分布有同纬度结构保存最完整的暖温带落叶阔叶林森林生态系统[6]。中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所早在20 世纪80 年代就来到这里开展科学考察，随后开展了定位观测试验，宝天曼生态站是中国通量观测研究联盟（ChinaFLUX）成员之一，并于2021 年入选国家野外科学观测研究站。

天然栎林是宝天曼生态站的典型森林类型，是研究气候变化对森林生态系统结构和功能影响的代表性森林[7]。本数据集整理了2017–2018 年天然栎林的38 m 高通量观测塔的小气候和碳水通量数据，包含2 层的空气温湿度、2 层土壤温湿度、2 层风速、1 层风向、光合有效辐射、向上/向下的短波辐射、向上/向下的长波辐射、净辐射、显热通量、潜热通量和CO2通量等观测指标，通过规范的数据剔除、插补和分析形成了半小时、日尺度、月尺度和年尺度4 类数据产品。本数据集展示了暖温带天然栎林生态系统空气温湿度、土壤温湿度等小气候数据以及碳水、能量通量的长期变化规律，为研究暖温带森林生态系统功能对气候变化的响应和适应提供基础数据，对该地区的森林碳汇量测算、水资源管理和森林经营具有重要的指导意义[8]。

1 数据采集和处理方法

1.1 观测样地设置

小气候和通量观测样地所处的海拔为1410.7 m，通量塔的坐标为33°29′59″N，111°56′07″E。以通量塔为中心我们建立了一个1 公顷样地，样地内乔木的平均高度为20 m，其他的详细的植被信息可参考Niu 等[9]发表的文章。

1.2 数据采集方法

观测数据采集与传输：小气候观测指标记录的频率为30 分钟1 个值，CO2和水热通量数据的原始采样频率为10 Hz，每个月去现场采集数据1 次，并辅以远程数据传输系统用于日常的数据检查以及非生长季期间的数据传输，保证观测数据的连续性和准确性。

本站点小气候和通量测定要素所用关键设备的传感器和分析仪安装高度及其制造商如表1 所示。

表1 各测定要素所用的关键传感器名称及其安装高度/深度、制造商Table 1 Manufacturers and installation heights of the key sensors for each measurement elements

1.3 数据处理和产品加工方法

本研究先用loggernet 软件将数据格式为TOB3 的10 Hz 的原始数据分割为数据格式为TOB1 的30分钟尺度的数据，然后利用Li-Cor公司开发的Eddypro软件(版本6.0.0)处理分割后的数据。Eddypro软件处理数据的步骤包括：二次坐标旋转修正、除趋势修正、数据同步、统计检验[10]、密度修正[11]、超声虚温修正、谱修正、迎角修正和数据质量控制标记[12]，Eddypro 软件运行出的表头为“CO2_flux”的数据与表头为“CO2_str”的数据相加即得到净生态系统CO2交换(NEE, μmol·m-2·s-1)数据。同样的方式得到潜热通量(LE, W·m-2)和显热通量数据(H,W·m-2)。之后我们对数据进行剔除和插补。

数据剔除：通量观测过程中，由于仪器故障、降雨、湍流弱等因素会造成观测的数据质量较差，这类数据需要进行剔除，对于本站点而言主要包括：（1）夜间湍流不充分（U*<0.2 m·s-1）[13]；（2）半小时间降雨量大于1 mm 时；（3）异常突出数据（某一个数据与连续5 点平均值之差的绝对值>5个点方差的2.5 倍）；（4）显热/潜热通量大于1000 或小于-200 W·m-2；（5）净生态系统CO2交换量大于45.5 或小于-45.5 μmol·m-2·s-1；（6）CO2浓度大于1000 或小于250 mg CO2·m-3, 水汽浓度大于50 或小于0 g·m-3；（7）数据分为0、1、2 共3 个等级，等级为1 和2 的数据剔除[12]。

缺失数据插补：我们利用一个在线程序(https://bgc.iwww.mpg.de/5622399/REddyProc)进行数据插补工作[14]。在该程序中，主要利用边际分布采样法（MDS）[14]进行插补。在插补之前我们需要按照程序要求的数据格式，将1 年的半小时尺度的NEE (μmol·m-2·s-1)、LE (W·m-2)、H (W·m-2)、短波辐射(Rg,W·m-2)、空气温度(Ta,℃)、土壤温度(Ts,℃)、空气相对湿度 (RH, %)、饱和水汽压差(VPD, hPa)和摩擦风速(u*, m·s-1)数据整理到一起。边际分布采样法的基本技术途径和查表法相似，将平均日变化法和查表法进行了综合。在此算法中，3 个不同情况按照3 种方式进行插补：

(1) 仅通量数据缺失，Rg、Ta和VPD 数据都完整时，利用查表法，用相同气象条件（Rg偏差在50 W·m-2以内，Ta在2.5 ℃以内，VPD 在5 hPa 以内）下的通量值插补，默认时间窗口为以缺失数据为中心的前后14 天内，若前后14 天的时间窗口内没有相似的气象条件，则将时间窗口延长到前后28 天；

(2) 仅Rg数据可用时，使用查表法，相似的气象条件仅用Rg定义；

(3) Rg、Ta和VPD 数据都缺失时，则用平均日变化法插补。

CO2通量数据拆分：利用夜间(Rg<10 W·m-2)的NEE数据和5 cm 深处的Ts(℃)数据按照以下公式进行插补：

公式中，E0为活化能参数，表征温度敏感性，Rref为参考温度下的生态系统呼吸，Ts为5 cm 深处的土壤温度，Tref为参考温度设为10 ℃，T0为-46.02 ℃。计算流程如下：

(1) 将全年夜间数据按15 天窗口分组，时间窗口每次移动5 天；

(2) 拟合方程参数之前，先检查时间窗口内的有效数据量(>6)和温度跨度(>5 ℃)；如果不能满足，则移动到下一个窗口；

(3) 所有有效时间窗口的参数拟合后，选择生态系统呼吸温度敏感性(E0)的相对标准差最小的3个拟合参数计算平均值E0,short；

(4)E0,short确定之后，将全年夜间有效数据按4 天的时间窗口分组，拟合得到每个时段的Rref，没有拟合的时段利用线性内插法插补；

(5)E0,short和Rref确定之后，即可估算生态系统呼吸Re。

然后利用NEE与Re的差值计算出GEP。以上都是利用半小时尺度的数据进行剔除插补，得到完整的半小时尺度的CO2、能量通量数据之后，经过换算即可得到日、月、年时间尺度的数据。

2 数据样本描述

2.1 数据子集命名规则与数据量

本数据集共包括16 个EXCEL 数据文件，总数据量为14.9 MB。根据数据要素不同，数据文件（数据子集）的名称格式为“年份+台站+类型+时间尺度.xls”，如“2017 年宝天曼通量30 分钟数据.xls”和“2017 年宝天曼通量日统计数据.xls”。

2.2 数据文件示例

以宝天曼生态站2017 年数据文件为例，表2、表3 分别为文件“2017 年宝天曼通量30 分钟数据.xls”和“2017 年宝天曼气象30 分钟数据.xls”的数据表头。

表2 半小时通量观测数据Table 2 Flux data at a half-hourly scale

表3 半小时气象观测数据Table 3 Microclimate data at a half-hourly scale

2.3 部分数据展示

选取了日尺度的部分小气候因子的观测指标（空气温度、向下的短波辐射、向上的长波辐射、10、20、50 cm 深的土壤含水量）和能量通量（潜热通量和显热通量）（图1）、碳通量（图2）的数据进行展示，可见数据的连续性和质量都很好，可以很好地展现天然栎林的环境因子和显热、潜热通量、碳通量的季节和年际变化规律。

图1 部分环境因子和潜热、显热通量的时间序列Figure 1 Time series of several environmental factors and latent/sensible heat flux

图2 净生态系统碳交换量 (Net ecosystem exchange, NEE)、总生态系统生产力 (Gross ecosystem productivity,GEP)和生态系统呼吸(Ecosystem respiration, Re)的时间序列Figure 2 Time series of net ecosystem carbon exchange, gross ecosystem production and ecosystem respiration

3 数据质量控制和评估

3.1 数据质量控制

本站点有专业的技术人员从事过通量观测和通量数据的处理工作，可以保证观测塔上各种仪器日常的正常运行，从而获取到第一手的可靠的观测数据。后期的数据剔除、插补工作流程，详见Niu等[10]发表的文献。

3.2 数据质量评价

能量闭合分析表明，2017 到2018 年的半小时尺度的能量闭合度分别为0.66 和0.71，处于全球通量观测台站能量闭合度范围之内[15]。

半小时尺度的碳水通量有效数据比例见表4。数据缺失的原因可以分为两类：一类是个性原因，主要为仪器损坏老化、供电问题和恶劣天气（如降雨、降雪等）；第二类是共性原因，主要是涡度相关系统本身的缺陷造成的，比如夜间湍流弱时数据质量较差需要剔除[16]。

表4 宝天曼站半小时尺度通量有效观测数据比例(%)Table 4 Proportions of effective flux data at the half-hourly scale at Baotianman Ecological Research Station (%)

4 数据使用方法和建议

论文发表后，本数据集可在Science Data Bank（https://www.scidb.cn/）进行下载。

目前国际上关于通量观测数据的处理方法有很多种，软件包括Eddypro、Edire 和EasyFlux_DL等，缺少统一的处理标准，使用不同的数据处理方法结果可能会有一定差异。

致 谢

感谢河南宝天曼管理局在仪器维护、数据采集方面的帮助。

数据作者分工职责

牛晓栋（1991—），男，山西省晋城市人，博士，博士后，研究方向为森林生态系统碳氮水耦合循环及其对气候变化的响应和适应。主要承担工作：数据分析、数据插补、数据质量初控。

孙鹏森（1971—），男，山东省莱州市人，博士，研究员，研究方向为遥感生态水文学、水碳耦合过程模拟。主要承担工作：项目组织、通量数据综合处理方法和技术途径、数据最终质量控制和总体部署。

陶思睿（2000—），女，江西省南昌市人，在读硕士生，研究方向为遥感生态水文。主要承担工作：数据整编与处理。

陈志成（1986—），男，山东人，博士，副研究员，研究方向为植物生理生态学。主要承担工作：宝天曼生态站的日常运行管理。

牛保亮（1983—），男，山西人，助理研究员，研究方向为森林水文。主要承担工作：通量塔数据拷取与仪器维护。

刘世荣（1962—），男，辽宁人，博士，研究员，研究方向为森林生态学。主要承担工作：宝天曼生态站的运行管理、发展方向指导。