2012–2016年三江源垂穗披碱草人工草地碳水热通量观测数据集

生态系统国家野外站历史数据整编专题 II 区论文（已发表） • 版本 ZH4 Vol 8 (4) 2023

A dataset of carbon, water and heat fluxes over an Elymus nutans artificial grassland in the Sanjiangyuan Area (2012–2016)

贺福全，李奇，陈懂懂，赵亮

HE Fuquan, LI Qi, CHEN Dongdong, ZHAO Liang

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0056.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.csd.2023.0056.zh
: 10.57760/sciencedb.o00119.00025

： 2023 - 02 - 08

： 2023 - 07 - 06

： 2023 - 02 - 23

： 2023 - 09 - 05

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摘要&关键词

摘要：三江源被誉为“中华水塔”，建植多年生人工草地已成为该地区退化草地恢复工程的重要措施。三江源区垂穗披碱草人工草地水热交换的时空格局是探究该区生态服务功能的核心。青海三江源草地生态系统国家野外科学观测研究站（简称三江源站）自2009年利用涡度相关技术开展垂穗披碱草（Elymus nutans）人工草地碳水热交换的科学观测，2012–2016年间积累了5年高质量连续通量观测数据。为了推动三江源乃至青藏高原草地生态系统碳水热格局等相关研究的发展，三江源站公开发表2012–2016年垂穗披碱草人工草地相关常规气象数据及碳水热通量数据。本数据集包含空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光合有效辐射和降水的常规气象数据子集和净生态系统CO₂交换通量、生态系统CO₂呼吸通量、总生态系统CO₂交换通量、潜热通量、显热通量的碳水热通量数据子集。数据集采用ChinaFLUX推荐的通量数据处理方法，形成了30分钟、日、月和年尺度数据产品，可为三江源区人工草地生碳水热时空动态的科学认知、遥感反演、模型验证提供地面观测数据支撑。

关键词：三江源；人工草地；涡度相关法；碳水热通量

Abstract & Keywords

Abstract: In the Sanjiangyuan Area known as the “Chinese Water Tower”, planting perennial artificial grassland has become an important measure for the restoration of degraded grassland in this area. The spatial-temporal pattern of the carbon, water, and heat fluxes of Elymus nutans artificial grasslands are crucial for comprehending the ecological service functions of the Elymus nutans artificial grasslands in the Sanjiangyuan Area. Sanjiangyuan Grassland Ecosystem National Observation and Research Station (referred to as Sanjiangyuan Sation) has used the eddy covariance technique to monitor the carbon, water, and heat fluxes over an Elymus nutans artificial grassland for 5 years since 2009. In order to advance the research on carbon, water, and heat fluxes and other related researches in the Sanjiangyuan Area and the broader Qinghai-Tibetan Plateau alpine ecosystems, we plan to publish the routine meteorological data of carbon, water and heat fluxes over an Elymus nutans artificial grassland observed from 2012 to 2016. This dataset includes routine meteorological data (i.e. air temperature, air relative humidity, water vapor pressure, soil temperature, soil moisture, photosynthetically active radiation, and precipitation) and carbon, water, and heat fluxes data (net ecosystem CO₂exchange, ecosystem CO₂ respiration, gross ecosystem CO₂ exchange, latent heat flux, and sensible heat flux) on half-hourly, daily, monthly, and yearly scales. The dataset used the flux data processing method recommended by ChinaFLUX. It is expected to provide field observational data support for scientific understanding, remote sensing retrieval processes, and model validation efforts in exploring the spatiotemporal patterns of carbon, water, and heat exchanges in artificial Elymus nutans grasslands.

Keywords: Sanjiangyuan Area; artificial grassland; eddy covariance technique; carbon, water and heat fluxes

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	2012–2016年三江源垂穗披碱草人工草地碳水热通量观测数据集
数据通信作者	赵亮（lzhao@nwipb.casc.cn）
数据作者	贺福全，李奇，陈懂懂，赵亮
数据时间范围	2012–2016
地理区域	青藏高原东部（35°15′11″N，100°41′57″E）
生态系统类型	垂穗披碱草人工草地
数据量	39.8 MB
数据格式	*.xlsx
数据服务系统网址	https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00025
基金项目	科技基础资源调查专项（2021FY100705），青海省重大科技专项（2021-SF-A7-2）
数据库（集）组成	包含30分钟、日、月和年尺度的常规气象（空气温度、相对湿度、土壤温度、土壤水分、光合有效辐射和降水等）和碳水热通量（净生态系统 CO₂交换通量、生态系统CO₂呼吸通量、总生态系统CO₂交换通量、潜热通量、显热通量）数据产品表格。

Dataset Profile

Title	A dataset of carbon, water and heat fluxes over an Elymus nutans artificial grassland in the Sanjiangyuan Area (2012–2016)
Data corresponding author	ZHAO Liang (lzhao@nwipb.casc.cn)
Data author(s)	HE Fuquan, LI Qi, CHEN Dongdong, ZHAO Liang
Time range	2012–2016
Geographical scope	Eastern Qinghai-Tibetan Plateau (35°15′11″N, 100°41′57″E)
Ecosystem type	Elymus nutans artificial grassland
Data volume	39.8 MB
Data format	*.xlsx
Data service system	https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00025
Source of funding	Special Project on National Science and Technology Basic Resources Investigation of China (2021FY100705); Major science and technology projects of Qinghai Province (2021-SF-A7-2)
Dataset composition	The dataset includes routine meteorological data (air temperature, air relative humidity, water vapor pressure, soil temperature, soil moisture, photosynthetically active radiation, and precipitation) and carbon, water, and heat fluxes data (net ecosystem CO₂ exchange flux, ecosystem CO₂ respiration, gross ecosystem CO₂ exchange flux, latent heat flux, and sensible heat flux) on half-hourly, daily, monthly, and yearly scales, in which the half-hourly flux data are interpolated data.

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引言

三江源被誉为“中华水塔”，是我国重要的水源地。明晰碳、水、热交换对气候变化的响应方式和碳、水循环的机制是三江源区生物多样性维持和保育的核心，长期定位观测是探明碳、水循环的重要手段。三江源地处青藏高原东南部，源区生物多样性极丰富、特有物种多，是高原生物多样性最集中的地区，也是全球气候变化敏感区。三江源区草地面积约27.59×10⁴km²，占全区总面积的71.2%^[1-2]。在过去的50年中，由于气候突变和人为活动增加，青藏高原超过50%草地退化或沙化^[3-4]，在极度退化的“黑土型”退化草地上建植人工草地是可行的，也是快速恢复植被的主要途径^[5-6]。为了恢复退化草地和发展畜牧业，近年来三江源区人工草地面积不断扩大，目前约为67000 hm^{2 [7]}。

目前对青藏高原碳水热通量的研究主要集中在天然草地^[8-17]，生态系统的源汇功能被认为主要受生长季的降水量、强度和分配的影响^{[9, 12]}。有研究通过比较不同植被类型CO₂通量，指出CO₂通量是由自下而上的气候因子（温度、降水）和自上而下的生物因子（群落结构、叶面积和放牧）两条途径控制^[18]。三江源站自2009年开始，在三江源东部农牧交错区同德牧场开展垂穗披碱草人工草地碳水热通量的观测，为评估源区人工草地碳源、汇功能和碳储量提供数据支撑。

为了推动三江源乃至全青藏高原草地生态系统物质循环和能量交换等相关研究的发展，三江源站公开发表多年连续观测的碳水热通量及相关常规气象数据，以供更多科研工作者使用数据，更大发挥数据价值。本数据集包含2012–2016年垂穗披碱草人工草地的常规气象数据（空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光合有效辐射和降水）和碳水热通量数据（净生态系统CO₂交换通量、生态系统CO₂呼吸通量、总生态系统CO₂交换通量、潜热通量、显热通量），形成了30分钟、日、月和年4种时间尺度的数据产品。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

三江源站（34°21′ 17″ N, 100°28′48″ E；海拔3950 m）位于青海省果洛州玛沁县大武镇。站区为典型的高原大陆性气候，无明显四季之分，年均气温和降水分别为-2.9 ℃和531.0 mm。垂穗披碱草人工草地涡度相关观测位于三江源站东北部约200 km的海南州同德县同德牧场（35°15′11″N，100°41′57″E，海拔为3305 m）^[19]。

垂穗披碱草人工草地涡度相关系统建于2009年9月，由30 m×30 m的围栏保护，碳水热通量的观测高度为2.2 m。该区域属典型高原大陆性气候，辐射强烈，无绝对无霜期，年均温为3.7 ℃，年降水量为427.2 mm，降水主要集中在5–9 月，占全年的87%，气温和降水的峰值均出现在8月前后，雨热同期，土壤类型为暗棕壤^[19]。人工草地于2008年建成，由翻耕草带和未翻耕草带组成，翻耕草带和未翻耕草带宽均4 m，相间分布，全年不放牧。翻耕草带每5年重新翻耕（5年为一个种植周期），草带为单播的垂穗披碱草（Elymus nutans），在6月初种植，种植当年不收割牧草，其他年份8月底收割牧草，全年禁牧。未翻耕草带主要物种为兰石草（Lancea tibetica）、紫花苜蓿（Medicago ruthenica）、冷蒿（Artemisia frigida）和垂穗披碱草^[19-20]。2011年6月种植的垂穗披碱草因仪器故障数据缺测。故2012年为种植第2年，2013年为种植第3年，2014年为种植第4年，2015年为种植第5年，2016年6月重新翻耕种植^[19-20]。由于2011、2017年涡度相关系统红外气体分析仪工作异常时段较多，数据可用性较低，三江源站没有共享2011年和2017年的数据，2017年之后数据经过进一步处理质控后发布共享。根据多年的观测和文献总结^{[12, 14, 20]}, 结合种植和收割时间，该人工草地生长季确定为4月中旬至10月下旬。

1.2 数据采集方法

本数据集中包含的观测数据均是仪器自动观测采集的，测定所用仪器型号、仪器制造商及数据采集器等相关信息详见表1。空气温度、湿度、光合有效辐射、土壤温度、土壤含水量等气象数据的采样频率1分钟，计算并存储30分钟的平均数据；CO₂/H₂O快速红外气体分析仪及三维超声风速仪的原始数据采样频率为10 Hz，计算并存储30分钟的平均数据。

表1 三江源站垂穗披碱草人工草地观测仪器信息表

观测系统	观测要素	仪器型号	仪器制造商	数据采集器	数据采集器制造商
CO₂、H₂O、显热通量	三维风速	CSAT3	CAMPBELL	CR3000	CAMPBELL
CO₂、H₂O、显热通量	CO₂/H₂O快速红外气体分析仪	LI- 7500	LI-COR	CR3000	CAMPBELL
常规气象要素	空气温度	HMP45C	VAISALA	CR1000	CAMPBELL
	空气湿度	HMP45C	VAISALA
	降水量	TE525MM	CAMPBELL
	光合有效辐射	LI - 190SB	LI-COR
	土壤温度	105T	CAMPBELL
	土壤含水量	TDR	CAMPBELL

1.3 数据处理和产品加工方法

为了保障三江源站垂穗披碱草人工草地通量数据可靠，采用了ChinaFLUX推荐的通量数据处理的标准方法^[21]，具体包括原始数据异常值剔除、超声虚温校正、坐标轴二次旋转、WPL密度校正、频率损失校正、湍流稳态测试、夜间摩擦风速阈值筛选和通量异常值剔除，以及能量闭合评价。由于仪器故障和数据质量控制导致数据的缺失，需要对缺失数据进行插补。对缺失2小时以内的气象和通量数据，采用线性内插法进行插补；气象数据缺失数据大于2小时的利用平均日变化进行插补；通量数据缺失大于2小时的采用线性回归方程进行拟合、插补，最小插补时间窗口为7天。对于长时间缺失的CO₂通量数据，首先利用有效通量数据和环境因子的非线性回归关系构建方程，然后利用该方程和缺失通量数据对应的环境因子完成数据插补^[19-20]。对缺失的白天CO₂通量数据采用时间窗口的方程（1）进行插补^[22]：

\[NEE = RE(d)-{{a×P_{max}×PPFD} \over P_{max}+a×PPFD}\]

(1)

RE(d )日间生态系统呼吸，\(a\)是生态系统表观量子效率，P_max 是饱和光合成速率，PPFD是光量子密度通量。

夜间缺失CO₂通量及白天RE通量采用方程（2）插补^[23] ：

\[RE(n) = RE_{ref}×\mathrm{e}^{\ln{[(a-b×T_s+c×S_{wc}+d×S_{wc}^2)(T_s-10)/10]}}\]

(2)

RE (n)为夜间生态系统呼吸，RE_ref 为土壤温度为10 ℃时的参考生态系统呼吸速率，T_s 为5 cm深处的土壤温度，S_wc 为5 cm深处的土壤含水量 (m³/m³)，a、b、c、d是适合全年数据的特定地点参数，其中b > 0，d ≤ 0。

CO₂通量拆分。涡度相关技术测得的CO₂通量是净生态系统CO₂交换量（NEE）。利用夜间的有效观测数据和方程（2）可获得RE与土壤温度(Ts)和土壤含水量(S_wc )之间的关系函数，再利用此函数估算生长季白天的生态系统呼吸RE(d)。日RE为白天呼吸RE(d) 和夜间呼吸RE(n)之和。NEE减去RE，则可得到生态系统总光合固碳量（GEE）方程（3）：

\[GEE = NEE-RE\]

(3)

2 数据样本描述

2.1 数据子集与数据量

本数据集为2012–2016年三江源站垂穗披碱草人工草地的连续碳水热通量观测数据，分为常规气象数据子集和通量数据子集两类数据文件。每类文件每年均有4个时间尺度，包括30分钟、日、月和年尺度，数据集内共计40个文件，总数据量39.8 MB。

2.2 数据文件示例

以2012年30分钟数据文件为例，表2、表3分别为30分钟常规气象数据和碳水热通量数据表头说明，所有数据项观测数据均以浮点型数字形式表示。

表2 三江源站垂穗披碱草人工草地常规气象30分钟数据表说明及观测高度

数据项	数据单位	观测高度	数据项说明
年	-	-	年份
月	-	-	月份
日	-	-	日期
时	-	-	小时
分	-	-	分钟
近地面空气温度	℃	1.0 m	一层空气温度
冠层上方空气温度	℃	2.2 m	二层空气温度
近地面空气湿度	%	1.0 m	一层空气湿度
冠层上方空气湿度	%	2.2 m	二层空气湿度
近地面水汽压	kPa	1.0 m	一层平均水汽压
冠层上方水汽压	kPa	2.2 m	一层平均水汽压
大气压	kPa	1.0 m	大气压强
一层土壤温度	℃	-5 cm	5 cm土壤温度
二层土壤温度	℃	-15 cm	15 cm土壤温度
三层土壤温度	℃	-35 cm	35 cm土壤温度
四层土壤温度	℃	-55 cm	55 cm土壤温度
一层土壤体积含水量	m³m^-3	-5 cm	5 cm土壤湿度
二层土壤体积含水量	m³ m^-3	-15 cm	15 cm土壤湿度
三层土壤体积含水量	m³ m^-3	-35 cm	35 cm土壤湿度
光合有效辐射	μmol m^-2s^-1	1.5 m	一层光合有效辐射
降水量	mm	50 cm	总降水量

表3 三江源站垂穗披碱草人工草地通量30分钟数据数据表说明

数据项	数据单位	观测高度	数据项说明
年	-	-	年份
月	-	-	月份
日	-	-	日期
时	-	-	小时
分	-	-	分钟
NEE	mg CO₂m^-2 s^-1	2.2 m	净生态系统CO₂交换量
RE	mg CO₂m^-2 s^-1	2.2 m	生态系统CO₂呼吸量
GEE	mg CO₂m^-2 s^-1	2.2 m	总生态系统CO₂交换量
LE	W m^-2	2.2 m	潜热通量
Hs	W m^-2	2.2 m	显热通量

3 数据质量控制与评估

能量闭合程度分析是检验通量数据质量的有效手段，虽然能量不闭合现象普遍存在，但大部分被人们广泛接受。能量平衡方程：H + LE = Rn - G。其中，Hs为显热通量，LE为潜热通量，Rn为净辐射，G为土壤热通量，土壤热通量是两块热通量板平均值。冠层热储量忽略不计。能量闭合方程斜率分别为0.76（2012年），0.76（2013年），0.73（2014年），0.72（2015年）和0.89（2016年）^[19]。生长季能量平衡方程斜率（0.76~0.9）大于非生长季（0.65~0.71），能量闭合程度在可接受的范围之内 (0.7~0.9)^[24-25]。导致能量不闭合的原因非常复杂，可能的原因包括观测系统的采样误差、仪器偏差、湍流通量观测中的高低频损失、平流效应等^[26]。

4 数据使用方法和建议

本数据集可用于垂穗披碱草人工草地碳水热生态过程及相关陆面模型开发、验证及对比等分析研究。本数据集采用了ChinaFLUX推荐的通量数据处理方法^[21-22]，与青藏高原的ChinaFLUX站点对比使用，开展区域尺度的联网分析。需要说明的是由于插值方法不同导致碳水热通量计算结果存在差异，即使年际尺度上通量计算结果相似，也可能在日、月尺度上存在一定的差异，其中30分钟数据为未插补的原始数据，日、月、年尺度的数据是经过插补计算后的数据，数据使用者根据需要进一步判定，也可利用气象数据进行自行插补使用。

[1]

赵新全. 三江源区退化草地生态系统恢复与可持续管理[M]. 北京: 科学出版社, 2011. [ZHAO X Q. Restoration and sustainable management of degraded grassland ecosystem in the headwaters of the Three Rivers[M]. Beijing: Science Press, 2011.]