2020–2021 年北京燕山山地丘陵区典型生态系统碳水通量观测数据集

杜剑卿, 罗文杏, 安兆渤, 张雷明, 黄辉, 郝彦宾,＊,王艳芬

1.北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站，北京 101408

2.中国科学院大学，资源与环境学院，北京 100049

3.中国科学院大学，生命科学学院，北京 100049

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

5.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

6.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

长期、连续的碳水通量观测对陆地生态系统固碳功能及其对气候变化的响应和反馈研究至关重要[1]。进入二十一世纪以来，基于微气象学理论的涡度相关技术使长期连续并精确地测定大气与生态系统间碳水交换通量成为现实[2-4]，为系统评估陆地生态系统固碳能力提供了科学依据。

燕山地区以森林与灌丛生态系统为主，是中国华北地区的主要固碳功能区[5], 是京津唐地区实现碳中和目标能够依托的最重要的自然生态系统。目前，关于燕山固碳功能的研究多关注森林生态系统，特别是人工针叶林，已有研究指出其具有较强的固碳功能[6]，9 年、13 年、33 年、43 年生人工针叶林的生物碳贮量分别为21.97、34.14、55.62 和141.70 t hm-2[7]，随林龄的增加呈加速上升趋势。同时，这一趋势也体现在土壤碳储量上[8]，表明燕山地区仍具有较大的碳汇潜力。这些研究多基于对不同林龄森林生态系统碳储量研究结果估算，或是通过遥感模型的估算[9]，缺乏局地尺度上碳水通量观测数据的验证。究其原因，燕山地区的通量观测站点普遍位于农田生态系统，少有对其它类型生态系统的长期观测，特别是区域内广泛分布的山地灌丛生态系统。

另一方面，燕山地区地处温带季风气候与温带大陆性气候的过渡带，总体上处于半干旱区，年均降雨量约635 mm，植被生长在一定程度上受到水分限制。在近年来实施的退耕还林还草、自然封育、防护林建设等重大生态工程作用下，区域总碳储量不断增加[10-11]，主要源自植被面积迅速扩张带来的植被碳库变化[12]。然而，植被面积的持续扩张加速了区域的水资源消耗，但目前缺乏对燕山不同生态系统水分耗用特征的科学认识，难以厘清固碳与水源涵养功能间的权衡关系，制约了区域可持续发展政策制定。

本数据集为2020–2021 年北京燕山典型山地丘陵碳水通量和常规气象要素观测数据集。观测站点依托北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站，地处北京市怀柔区怀北镇雁栖湖北侧山地丘陵区，包含山地灌丛、乔灌混交林和人工针叶林三类生态系统。数据集包含生态系统CO2通量、显热通量、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30 分钟、日尺度、月尺度和年尺度4 类产品，展示了燕山典型山地丘陵区的碳水通量本底特征，并可为三类生态系统间的比较研究提供支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

北京燕山地球关键带国家野外科学观测研究站是首批5 个地球关键带国家站之一，于2014 年完成建设。碳水通量观测系统主要包括3 套开路涡度相关系统和常规气象要素观测系统。本数据集包括山顶处山地灌丛生态系统的碳水通量与气象数据，山腰处乔灌混交林生态系统的碳水通量数据，以及山脚处人工针叶林生态系统的碳水通量数据，观测点位置、下垫面和土壤基本特征见表1。山地灌丛生态系统的涡度相关系统主要测量离地面30 m 高的CO2通量、潜热和显热通量，包括一个一体式开路气体分析仪（IRGASON, Campbell Scientific Inc, MS, USA），采样频率10 Hz，每30 分钟平均值记录在数据采集器（CR6, Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。乔灌混交林生态系统的涡度相关系统主要测量离地面15 m 高的CO2通量、潜热和显热通量，包括一个开路式CO2/H2O 气体分析仪（LI-7500RS, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一个三维超声风速仪（Gill WindMaster, Gill, UK），采样频率10 Hz，每30 分钟平均值记录在数据采集器（Model 9210 XLITE, Sutron）中。人工针叶林生态系统的涡度相关系统主要测量离地面20 m 高的CO2通量、潜热和显热通量，包括一个开路式CO2/H2O 气体分析仪（LI-7500A, LI-COR, Lincoln, NE, USA）和一个三维超声风速仪（CSAT3B,Campbell Scientific Inc, MS, USA），采样频率10 Hz，每30 分钟平均值记录在数据采集器（CR3000,Campbell Scientific Inc, MS, USA）中。

表1 数据观测点经纬度、植被和土壤的基本特征Table 1 Geographical coordinates, vegetation, and soil property of the observation sites

山地灌丛生态系统气象要素测定系统安装在30 m 高塔上，分别在离地面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m 处测量温度、相对湿度（RR10TH, Yugen, Beijing, CHN）和风速（WindSonic,Gill, UK）。同时在离地面20 m 安装四分量辐射传感器（CNR4，Kipp & Zonen B.V., Delft, NL）和总辐射表，用于测量辐射四分量、净辐射以及总辐射。在地面以上20 m 测定压强（RRBP410, Yugen,Beijing, CHN），地面以上25 m 测定降水量（RR3665R, Yugen, Beijing, CHN），以及地面以上30 m测定风向（WindSonic, Gill, UK）。土壤温度（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）、土壤热通量（地面以下0.02 m、0.05 m，RRHFT3, Yugen, Beijing, CHN）等要素也同时监测。每30 分钟输出一组平均值记录在数据采集器（RR-1024, Yugen, Beijing, CHN）中。

1.2 数据预处理

本数据集所有数据预处理过程严格按照ChinaFLUX 相关质量控制和数据处理规范实施，包括数据质量控制、缺失数据插补、CO2通量数据拆分等。相关方法详见张雷明等发表的《2003–2005 年中国通量观测研究联盟（ChinaFLUX）碳水通量观测数据集》[13]，此处不再赘述。对于短时间（小于2 小时）缺失的气象和通量数据，采用线性内插的方式完成插补；对于长时间缺失的通量数据，采用非线性回归的方式插补，最小插补时间窗口为7 天，其中，夜间缺失数据利用Arrhenius 方程插补，日间数据利用直角双曲线方程插补；对于长时间缺失的能量数据，采用平均日变化法完成缺失数据插补。本数据集不存在长期缺失的气象数据。

2 数据样本描述

本数据集由32 个Excel 文件组成，总数据量为18.2 MB（表2），包括2020–2021 年两年30 分钟、日、月和年尺度4 个时间尺度的碳水通量和气象2 类数据。数据文件按照不同的时间尺度和数据要素命名为“年份+生态系统类型+数据类型+时间尺度.xlsx”。其中，“生态系统类型”分为人工针叶林、乔灌混交林和灌丛，“数据类型”分为碳水通量和气象数据，“时间尺度”分为30 分钟、日、月和年尺度。如“2020 年人工针叶林气象30 分钟数据.xlsx”和“2020 年人工针叶林通量30 分钟数据.xlsx”。数据示例见表2、表3。

在30 分钟尺度上，质控NEE、质控LE 和质控Hs 分别表示经过质控和异常值剔除后的净生态系统CO2交换（mg CO2m-2s-1）、潜热通量（W m-2）和显热通量（W m-2）。插补NEE、插补LE 和插补Hs 分别表示经过质控和异常值剔除后插补的净生态系统CO2交换（mg CO2m-2s-1），潜热通量（W m-2）和显热通量（W m-2）。估算Reco和估算GEE 分别表示估算生态系统呼吸（mg CO2m-2s-1）和估算总生态系统CO2交换（mg CO2m-2s-1）。在日、月和年尺度上，NEE、Reco和GEE 分别表示日、月和年尺度累积的净生态系统CO2交换量（Net Ecosystem Exchange）、生态系统呼吸（Ecosystem Respiration）和总生态系统CO2交换量（Gross Ecosystem Exchange），单位分别为g C m-2d-1、g C m-2m-1和g C m-2y-1。其中，无法统计的值以-99999 表示。

气象数据方面，监测主要分为7 层，高度分别为土壤表面3 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m（依次定义为第一层至第七层，观测层越高，距离地表越远），在数据集中体现为相应的“数据项缩写_观测层”。例如，空气第一层（3 m）和第二层（5 m）温度分别表示为Ta_1_AVG 和Ta_2_AVG。土壤温度分5 层监测，测量深度分别为0.05 m、0.10 m、0.20 m、0.40 m 和0.60 m，数据项命名方法类同于气象数据，第一层（0.05 m）表示为Ts_1_AVG，依次类推。

3 数据质量控制和评估

本数据集在观测、采集、质控、处理和存储等全部环节均严格遵循ChinaFLUX 的技术体系，所有数据的质量控制和评估严格按照ChinaFLUX 的数据质量控制规范和要求进行[3]。2020 年，各生态系统碳水通量原始数据采集率均在70%以上，但受疫情对仪器维护的影响，2021 年山腰处乔灌混交林生态系统碳水通量观测数据缺失严重，数据采集率仅为20%左右。质控结果表明，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[13]。缺失和未通过质控的数据主要集中在秋冬两季。由于监测仪器使用太阳能供电，在长期阴雨或低温时会由于供电不足导致数据缺失。此外，仪器的定期维护检修也在一定程度上受到疫情影响，造成部分数据缺失或数据质量不足。

4 数据使用方法和建议

本数据集在国家生态科学数据存储库（ National Ecosystem Data Bank, EcoDB,https://ecodb.scidb.cn/en）发布，用户登录后可访问数据集信息。

在数据使用过程中，如需开展整合或比对研究，建议考虑不同数据集在质量控制与数据处理上的差异。具体应注意以下2 个方面：

（1）本数据集是基于ChinaFLUX 相关数据处理和质控规范形成的。基于涡度相关技术测量的碳水通量数据拥有多样的数据处理方法，基于不同方法获得的结果会存在一定差异。因此，在数据使用过程中，研究者应综合考虑由于数据处理方法导致的研究结果间的差异。

（2）本数据集存在一定的数据缺失情况，对于缺失数据的插补必然会产生不确定性。受疫情影响，2021 年乔灌混交林生态系统碳水通量有效性较低，插补值较多，需要谨慎使用。本数据集包括从30 分钟到年尺度的4 类数据，其中，日、月和年尺度的数据是以30 分钟数据为基础的累积求和，它们的数据精确度直接受到30 分钟数据精确性和完整性的影响。因此，在实际应用中，建议以30分钟步长的数据集为准。

致 谢

感谢ChinaFLUX 和中国生态系统研究网络（CERN）的大力支持。

数据作者分工职责

杜剑卿（1990—），男，山西省晋城市人，博士研究生，中级，研究方向为地球关键带碳水耦合过程。主要承担工作：监测工作统筹，数据质量控制和论文撰写。

罗文杏（1999—），女，湖南省衡阳市人，博士研究生（在读），初级，研究方向为地球关键带碳水耦合循环过程。主要承担工作：数据采集、处理、质量控制和论文修改。

安兆渤（1995—），男，河北省衡水市，硕士研究生，初级，研究方向为地球关键带碳水耦合循环过程。主要承担工作：仪器运行维护和数据采集。

张雷明（1974—），男，河南省开封市人，博士研究生，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。

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：参与论文修改。

郝彦宾（1976—），男，河北省衡水市人，博士研究生，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：燕山站运行，数据质量控制和论文修改。

王艳芬（1969—），女，山东省安丘市人，博士研究生，教授，研究方向为草地、湿地碳周转过程与生态学机制。主要承担工作：燕山站运行。