2020–2021 年北京燕山山地丘陵區典型生態系統碳水通量觀測數據集

杜劍卿, 羅文杏, 安兆渤, 張雷明, 黃輝, 郝彥賓,＊,王艷芬

1.北京燕山地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，北京 101408

2.中國科學院大學，資源與環境學院，北京 100049

3.中國科學院大學，生命科學學院，北京 100049

4.中國科學院地理科學與資源研究所，生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101

5.中國林業科學研究院林業研究所，國家林草局林木培育重點實驗室，北京 100091

6.河南黃河小浪底關鍵帶國家野外科學觀測研究站，河南濟源 454650

引 言

長期、連續的碳水通量觀測對陸地生態系統固碳功能及其對氣候變化的響應和反饋研究至關重要[1]。進入二十一世紀以來，基于微氣象學理論的渦度相關技術使長期連續并精確地測定大氣與生態系統間碳水交換通量成為現實[2-4]，為系統評估陸地生態系統固碳能力提供了科學依據。

燕山地區以森林與灌叢生態系統為主，是中國華北地區的主要固碳功能區[5], 是京津唐地區實現碳中和目標能夠依托的最重要的自然生態系統。目前，關于燕山固碳功能的研究多關注森林生態系統，特別是人工針葉林，已有研究指出其具有較強的固碳功能[6]，9 年、13 年、33 年、43 年生人工針葉林的生物碳貯量分別為21.97、34.14、55.62 和141.70 t hm-2[7]，隨林齡的增加呈加速上升趨勢。同時，這一趨勢也體現在土壤碳儲量上[8]，表明燕山地區仍具有較大的碳匯潛力。這些研究多基于對不同林齡森林生態系統碳儲量研究結果估算，或是通過遙感模型的估算[9]，缺乏局地尺度上碳水通量觀測數據的驗證。究其原因，燕山地區的通量觀測站點普遍位于農田生態系統，少有對其它類型生態系統的長期觀測，特別是區域內廣泛分布的山地灌叢生態系統。

另一方面，燕山地區地處溫帶季風氣候與溫帶大陸性氣候的過渡帶，總體上處于半干旱區，年均降雨量約635 mm，植被生長在一定程度上受到水分限制。在近年來實施的退耕還林還草、自然封育、防護林建設等重大生態工程作用下，區域總碳儲量不斷增加[10-11]，主要源自植被面積迅速擴張帶來的植被碳庫變化[12]。然而，植被面積的持續擴張加速了區域的水資源消耗，但目前缺乏對燕山不同生態系統水分耗用特征的科學認識，難以厘清固碳與水源涵養功能間的權衡關系，制約了區域可持續發展政策制定。

本數據集為2020–2021 年北京燕山典型山地丘陵碳水通量和常規氣象要素觀測數據集。觀測站點依托北京燕山地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，地處北京市懷柔區懷北鎮雁棲湖北側山地丘陵區，包含山地灌叢、喬灌混交林和人工針葉林三類生態系統。數據集包含生態系統CO2通量、顯熱通量、潛熱通量、空氣/土壤溫度、土壤濕度、降水、總輻射、凈輻射和光合有效輻射等觀測指標，形成了30 分鐘、日尺度、月尺度和年尺度4 類產品，展示了燕山典型山地丘陵區的碳水通量本底特征，并可為三類生態系統間的比較研究提供支撐。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據采集方法

北京燕山地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站是首批5 個地球關鍵帶國家站之一，于2014 年完成建設。碳水通量觀測系統主要包括3 套開路渦度相關系統和常規氣象要素觀測系統。本數據集包括山頂處山地灌叢生態系統的碳水通量與氣象數據，山腰處喬灌混交林生態系統的碳水通量數據，以及山腳處人工針葉林生態系統的碳水通量數據，觀測點位置、下墊面和土壤基本特征見表1。山地灌叢生態系統的渦度相關系統主要測量離地面30 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個一體式開路氣體分析儀（IRGASON, Campbell Scientific Inc, MS, USA），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數據采集器（CR6, Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。喬灌混交林生態系統的渦度相關系統主要測量離地面15 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個開路式CO2/H2O 氣體分析儀（LI-7500RS, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一個三維超聲風速儀（Gill WindMaster, Gill, UK），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數據采集器（Model 9210 XLITE, Sutron）中。人工針葉林生態系統的渦度相關系統主要測量離地面20 m 高的CO2通量、潛熱和顯熱通量，包括一個開路式CO2/H2O 氣體分析儀（LI-7500A, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一個三維超聲風速儀（CSAT3B,Campbell Scientific Inc, MS, USA），采樣頻率10 Hz，每30 分鐘平均值記錄在數據采集器（CR3000,Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。

表1 數據觀測點經緯度、植被和土壤的基本特征Table 1 Geographical coordinates, vegetation, and soil property of the observation sites

山地灌叢生態系統氣象要素測定系統安裝在30 m 高塔上，分別在離地面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 處測量溫度、相對濕度（RR10TH, Yugen, Beijing, CHN）和風速（WindSonic,Gill, UK）。同時在離地面20 m 安裝四分量輻射傳感器（CNR4，Kipp & Zonen B.V., Delft, NL）和總輻射表，用于測量輻射四分量、凈輻射以及總輻射。在地面以上20 m 測定壓強（RRBP410, Yugen,Beijing, CHN），地面以上25 m 測定降水量（RR3665R, Yugen, Beijing, CHN），以及地面以上30 m測定風向（WindSonic, Gill, UK）。土壤溫度（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.40 m、0.60 m，RR10T, Yugen, Beijing, CHN）、土壤含水量（地面以下0.05 m、0.10 m、0.20 m，RREC5, Yugen, Beijing,CHN）、土壤熱通量（地面以下0.02 m、0.05 m，RRHFT3, Yugen, Beijing, CHN）等要素也同時監測。每30 分鐘輸出一組平均值記錄在數據采集器（RR-1024, Yugen, Beijing, CHN）中。

1.2 數據預處理

本數據集所有數據預處理過程嚴格按照ChinaFLUX 相關質量控制和數據處理規范實施，包括數據質量控制、缺失數據插補、CO2通量數據拆分等。相關方法詳見張雷明等發表的《2003–2005 年中國通量觀測研究聯盟（ChinaFLUX）碳水通量觀測數據集》[13]，此處不再贅述。對于短時間（小于2 小時）缺失的氣象和通量數據，采用線性內插的方式完成插補；對于長時間缺失的通量數據，采用非線性回歸的方式插補，最小插補時間窗口為7 天，其中，夜間缺失數據利用Arrhenius 方程插補，日間數據利用直角雙曲線方程插補；對于長時間缺失的能量數據，采用平均日變化法完成缺失數據插補。本數據集不存在長期缺失的氣象數據。

2 數據樣本描述

本數據集由32 個Excel 文件組成，總數據量為18.2 MB（表2），包括2020–2021 年兩年30 分鐘、日、月和年尺度4 個時間尺度的碳水通量和氣象2 類數據。數據文件按照不同的時間尺度和數據要素命名為“年份+生態系統類型+數據類型+時間尺度.xlsx”。其中，“生態系統類型”分為人工針葉林、喬灌混交林和灌叢，“數據類型”分為碳水通量和氣象數據，“時間尺度”分為30 分鐘、日、月和年尺度。如“2020 年人工針葉林氣象30 分鐘數據.xlsx”和“2020 年人工針葉林通量30 分鐘數據.xlsx”。數據示例見表2、表3。

在30 分鐘尺度上，質控NEE、質控LE 和質控Hs 分別表示經過質控和異常值剔除后的凈生態系統CO2交換（mg CO2m-2s-1）、潛熱通量（W m-2）和顯熱通量（W m-2）。插補NEE、插補LE 和插補Hs 分別表示經過質控和異常值剔除后插補的凈生態系統CO2交換（mg CO2m-2s-1），潛熱通量（W m-2）和顯熱通量（W m-2）。估算Reco和估算GEE 分別表示估算生態系統呼吸（mg CO2m-2s-1）和估算總生態系統CO2交換（mg CO2m-2s-1）。在日、月和年尺度上，NEE、Reco和GEE 分別表示日、月和年尺度累積的凈生態系統CO2交換量（Net Ecosystem Exchange）、生態系統呼吸（Ecosystem Respiration）和總生態系統CO2交換量（Gross Ecosystem Exchange），單位分別為g C m-2d-1、g C m-2m-1和g C m-2y-1。其中，無法統計的值以-99999 表示。

氣象數據方面，監測主要分為7 層，高度分別為土壤表面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m（依次定義為第一層至第七層，觀測層越高，距離地表越遠），在數據集中體現為相應的“數據項縮寫_觀測層”。例如，空氣第一層（3 m）和第二層（5 m）溫度分別表示為Ta_1_AVG 和Ta_2_AVG。土壤溫度分5 層監測，測量深度分別為0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.40 m 和0.60 m，數據項命名方法類同于氣象數據，第一層（0.05 m）表示為Ts_1_AVG，依次類推。

3 數據質量控制和評估

本數據集在觀測、采集、質控、處理和存儲等全部環節均嚴格遵循ChinaFLUX 的技術體系，所有數據的質量控制和評估嚴格按照ChinaFLUX 的數據質量控制規范和要求進行[3]。2020 年，各生態系統碳水通量原始數據采集率均在70%以上，但受疫情對儀器維護的影響，2021 年山腰處喬灌混交林生態系統碳水通量觀測數據缺失嚴重，數據采集率僅為20%左右。質控結果表明，三維風速、CO2、H2O 和溫度的功率譜在慣性子區內基本符合-2/3 定律，而CO2、H2O 和溫度與垂直風速的協譜在慣性子區內也基本符合-4/3 定律[13]。缺失和未通過質控的數據主要集中在秋冬兩季。由于監測儀器使用太陽能供電，在長期陰雨或低溫時會由于供電不足導致數據缺失。此外，儀器的定期維護檢修也在一定程度上受到疫情影響，造成部分數據缺失或數據質量不足。

4 數據使用方法和建議

本數據集在國家生態科學數據存儲庫（ National Ecosystem Data Bank, EcoDB,https://ecodb.scidb.cn/en）發布，用戶登錄后可訪問數據集信息。

在數據使用過程中，如需開展整合或比對研究，建議考慮不同數據集在質量控制與數據處理上的差異。具體應注意以下2 個方面：

（1）本數據集是基于ChinaFLUX 相關數據處理和質控規范形成的?；跍u度相關技術測量的碳水通量數據擁有多樣的數據處理方法，基于不同方法獲得的結果會存在一定差異。因此，在數據使用過程中，研究者應綜合考慮由于數據處理方法導致的研究結果間的差異。

（2）本數據集存在一定的數據缺失情況，對于缺失數據的插補必然會產生不確定性。受疫情影響，2021 年喬灌混交林生態系統碳水通量有效性較低，插補值較多，需要謹慎使用。本數據集包括從30 分鐘到年尺度的4 類數據，其中，日、月和年尺度的數據是以30 分鐘數據為基礎的累積求和，它們的數據精確度直接受到30 分鐘數據精確性和完整性的影響。因此，在實際應用中，建議以30分鐘步長的數據集為準。

致 謝

感謝ChinaFLUX 和中國生態系統研究網絡（CERN）的大力支持。

數據作者分工職責

杜劍卿（1990—），男，山西省晉城市人，博士研究生，中級，研究方向為地球關鍵帶碳水耦合過程。主要承擔工作：監測工作統籌，數據質量控制和論文撰寫。

羅文杏（1999—），女，湖南省衡陽市人，博士研究生（在讀），初級，研究方向為地球關鍵帶碳水耦合循環過程。主要承擔工作：數據采集、處理、質量控制和論文修改。

安兆渤（1995—），男，河北省衡水市，碩士研究生，初級，研究方向為地球關鍵帶碳水耦合循環過程。主要承擔工作：儀器運行維護和數據采集。

張雷明（1974—），男，河南省開封市人，博士研究生，副研究員，研究方向為生態系統碳水循環過程與全球變化。主要承擔工作：碳水通量數據綜合處理方法和技術途徑。

黃輝（1980—），女，湖南人，副研究員，研究方向為森林生態系統碳氮水循環對氣候變化的響應。主要承擔工作：參與論文修改。

郝彥賓（1976—），男，河北省衡水市人，博士研究生，教授，研究方向為草原生態系統碳氮水循環和極端氣候。主要承擔工作：燕山站運行，數據質量控制和論文修改。

王艷芬（1969—），女，山東省安丘市人，博士研究生，教授，研究方向為草地、濕地碳周轉過程與生態學機制。主要承擔工作：燕山站運行。