2016–2017 年小浪底栓皮栎人工林碳水通量观测数据集

黄辉，周宇，张劲松*，高翔，刘琳奇，孟平

1.中国林业科学研究院林业研究所，国家林草局林木培育重点实验室，北京 100091

2.南京林业大学，南方现代林业协同创新中心，南京 210037

3.河南黄河小浪底关键带国家野外科学观测研究站，河南济源 454650

引 言

二氧化碳（CO2）浓度升高引起气候变暖，通过影响全球水循环改变水热资源时空分配[1]，进而影响陆地生态系统生产力和碳收支[2]。准确估算陆地生态系统与大气之间的碳交换，是评价区域至全球生态系统碳收支[3]及预测陆地生态系统对气候变化响应特征的基础[4-5]。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举足轻重[6]。我国人工林面积居世界首位，在改善区域生态、缓解气候变暖和区域碳水循环中具有重要作用。

栓皮栎（Quercus variabilis）是我国天然分布最广的树种之一。河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站（简称小浪底站）位于暖温带季风区黄河中游地段，属我国林业工程重点区域，区域内春旱频发，夏季高温期如遇降水不足也易发伏旱，对气候变化较敏感。在该区域开展栓皮栎人工林碳水通量观测研究对我国林业生态工程建设、人工林碳汇功能评估有重要意义。自2005 年10月以来，小浪底站采用涡度相关通量观测技术，长期开展栓皮栎人工林碳水通量监测与研究，迄今已积累了连续10 余年通量观测数据。

迄今，已有多个站点公开发表了其通量观测数据集[7-8]，尚无对栓皮栎人工林的通量观测数据集，暖温带季风区的观测结果也不多见。为进一步推动我国陆地生态系统碳水通量研究、促进林业高质量发展，小浪底站公开发表经过加工整理的2016–2017 年碳水通量和常规气象要素数据。本数据集可为人工林对气候变化的响应特征研究、人工林生态系统管理及区域碳收支评估等方面提供数据支撑，进一步推动我国野外台站数据共享和数据规范化管理。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

河南黄河小浪底地球关键带国家野外科学观测研究站位于河南省济源市承留镇栲栳村，中心地理坐标为35°01′N，112°28′E，站区面积5000 hm2。小浪底站位于黄河中游，属暖温带亚湿润季风气候，年平均温度为13.4 ℃，年降水量为641.7 mm，6–9 月降水量占全年68.3%。

通量观测塔（35°01'45''N, 112°28'08''E, 410 m）位于站区中心偏西方向栓皮栎人工林样地，样地内主要树种为栓皮栎、侧柏（Platycladus orientalis）、刺槐（Robinia pseudoacacia），造林时间分别为1972 年、1974 年和1976 年，土壤为棕壤和石灰岩风化母质淋溶性褐土。观测塔建于2005 年10 月，总高度为36 m，塔周围1.8 hm2范围平均坡度约为12 °，林木覆盖率约为96%，栓皮栎、侧柏和刺槐所占比例分别约为80%、8%和12%，平均冠层高度约为11 m[9]。林下灌木由酸枣（Ziziphus jujuba var.spinosa）、扁担杆（Grewia biloba）、荆条（Vitex negundo）组成；草本主要为狼尾草（Pennisetum alopecuroides）、狗尾草（Setaria viridis）和中华苦荬菜（Ixeris chinensis）等。

1.2 数据采集方法

开路涡度相关系统安装在36 m 高度处，CO2、H2O 和能量通量原始数据由美国LI-Cor 公司的数据采集器LI-7550 自动记录和保存，采集频率为10 Hz。气象要素包含冠层上下方两层空气温湿度、风速、水汽压和冠层上方气压、辐射、总降水量，以及多层土壤温湿度等。气象要素由美国Campbell公司的数据采集器CR1000 自动记录和保存，采集频率为30 s，计算并存储为10 min 数据。各观测项目所用仪器及型号、仪器制造商等相关信息见表1。气象数据观测高度见数据样本描述章节表2。

表1 观测项目所用分析仪相关信息Table 1 Information of the analytical instruments used in the observation project

表2 气象数据表说明及指标观测高度Table 2 Description of the meteorological data table heading and the observation height

1.3 数据处理和产品加工方法

数据质量控制：本数据集处理过程参考ChinaFLUX 相关质量控制和处理规范[8]，主要包括原始数据异常值统计筛选和剔除、二维坐标旋转[10]、块平均去趋势[11]、仪器自加热校正[12]、频谱校正[11]、WPL 校正[13]、极端异常值剔除[14-15]、夜间摩擦风速阈值筛选和数据剔除、质量检查标记数据剔除[16]以及能量闭合评价。30 分钟NEE 的取值范围为[-40, 20] μmolCO2·m-2·s-1，同时剔除降雨时期的观测值，并在白天（Ra≥ 20）和夜间（Ra< 20）时段剔除大于3 倍标准差的异常值。2016、2017 年夜间摩擦风速阈值分别为0.15 m·s-1和0.26 m·s-1。

缺失数据插补：对于缺失小于15 天的通量和气象观测数据，采用边际分布采样法[17]完成插补。对于缺失15 天以上的气象数据，利用邻近气象站观测资料（降水数据除外）进行插补，如同期气象资料也缺失未能完成插补，则利用平均日变化法完成数据插补。对于缺失15 天以上的通量数据，对于缺失15 天以上的通量数据，利用人工神经网络法[18]和平均日变化法进行插补。在同一物候期使用人工神经网络法，跨物候期时使用平均日变化法。

CO2通量数据拆分：采用基于日间通量的数据拆分方法将净生态系统CO2交换通量（NEE）拆分为生态系统呼吸（RE）和生态系统总初级生产力（GPP）[19]。首先基于日间观测数据，采用直角双曲线方程确定日间生态系统光合方程中的系数[19]；其次使用Lloyd & Taylor 呼吸方程替换直角双曲线方程中的恒定呼吸确定日间生态系统呼吸，再根据修正后的呼吸方程确定夜间生态系统呼吸[19]。

2 数据样本描述

2.1 数据子集与数据量

本数据集为小浪底站栓皮栎人工林2016–2017 年碳水通量观测数据，数据文件分为常规气象数据子集和通量数据子集两类，每年每类各有4 个数据文件，包括30 分钟、日、月和年尺度。数据集总共16 个文件，总数据量9.92 MB。

2.2 数据文件示例

表2、表3 分别为小浪底站30 分钟气象和通量数据表头说明，各数据项数据均以数字形式表示。

表3 通量数据表说明Table 3 Description of the flux data table heading

3 数据质量控制和评估

本数据集从数据的观测、采集、质量控制和处理等方面主要参考ChinaFLUX 制定的技术体系[8]，以保证数据质量。ChinaFLUX 通量数据处理和质量控制技术体系采用国际上普遍认可的数据处理方法，包括数据质控、缺失数据插补和CO2通量拆分等，目前已为国内多个通量观测站采用。

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。Wilson 等对FLUXNET多个站点能量平衡闭合状况的分析表明，各站点普遍存在10%–30%的能量不闭合现象[20]。基于半小时尺度数据的能量闭合分析表明，2016、2017 年小浪底站的能量平衡比率分别为0.70、0.79，两年平均值为0.75，处于通量观测台站能量平衡比率变化范围之内。

2016–2017 年半小时尺度的CO2、H2O 和能量通量数据经过质量控制和异常值剔除后，净生态系统CO2交换通量、潜热通量和显热通量的平均有效观测数据比例分别为61.2%、65.8%和71.0%（表4）。数据缺失部分主要在非生长季，生长季也有部分缺失，引起数据缺失的原因有仪器冬季低温供电不足、仪器故障及维修时间过长等，降雨等异常天气、夜间摩擦风速过低也会造成部分数据缺失。

表4 半小时尺度上小浪底站通量有效观测数据比例（%）Table 4 Proportions of effective flux observation data at XLD on half-hourly scale（%）

4 数据使用方法和建议

本数据集在科学数据银行（https://www.scidb.cn/en）国家生态科学数据存储库（National Ecosystem Data Bank, EcoDB; https://ecodb.scidb.cn/en）发布。在数据资源栏搜索“小浪底栓皮栎人工林”，即可下载。本数据集可应用于模型的开发、验证。由于不同异常值剔除标准和插补方法，会使得通量计算结果产生一定差异，因此相关研究人员应用本数据集作机理解析时应尤其慎重。

数据作者分工职责

黄辉（1980—），女，湖南人，副研究员，研究方向为森林生态系统碳氮水循环对气候变化的响应。主要承担工作：数据分析和论文撰写。

周宇（1995—），男，山东人，博士研究生，研究方向为生态系统水碳监测与模拟。主要承担工作：数据处理和论文修改。

张劲松（1968—），男，浙江人，研究员，研究方向为森林生态学与林业气象学。主要承担工作：小浪底站的运行与数据质量控制。

高翔（1989—），山东人，助理研究员，研究方向为森林生态系统水碳循环与模拟。主要承担工作：数据处理。

刘琳奇（1994—），男，浙江人，博士研究生，研究方向为生态系统水碳监测与模拟。主要承担工作：数据处理。

孟平（1961—），男，辽宁人，研究员，研究方向为森林生态系统管理。主要承担工作：小浪底站的科学发展和研究方向指导。