川中丘陵区典型小流域旱地地温数据集（1997–2021年）

中国生态系统研究网络（CERN）专题 II 区论文（已发表） • 版本 ZH2 Vol 8 (3) 2023

A dataset of dryland ground temperature in typical small watersheds in the hilly areas of Central Sichuan Basin (1997-2021)

高美荣，王艳强，况福虹，章熙锋

GAO Meirong, WANG Yanqiang, KUANG Fuhong, ZHANG Xifeng

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0073.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.csd.2023.0073.zh
: 10.57760/sciencedb.07517

： 2023 - 02 - 22

： 2023 - 08 - 18

： 2023 - 04 - 23

： 2023 - 08 - 29

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4809 18 0

摘要&关键词

摘要：下垫面温度（地表温度）和不同深度的土壤温度统称地温，它的变化和变化规律是大气与陆地表面能量和物质交换的综合表征，因此地温是土壤热力状况的重要参量。四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称盐亭站，代码YGA）位于亚热带四川盆地农业生态区，是中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network, CERN）和国家科技基础条件平台布局在该生态区域的农田生态系统试验观测与研究平台。本数据集是基于盐亭站综合气象观测场长期的自动站观测数据和人工观测数据整理计算而成，共包括4个数据文件，分别是自动站每日逐时地温数据（1997–2021）、自动站逐日地温统计数据（2004–2021）、自动站地温度月值统计数据（2004–2021）和人工观测地表温度日值与月值数据（2004–2021），数据量约8.85 MB。地温为野外台站联网观测指标，其观测仪器、数据获取过程和数据质控执行统一的相关规范和标准，确保地温数据的可靠性和可比性。长时间序列、多层次地温数据的积累，可为生态系统的能量物质交换、环境变化响应科学研究以及盆地农业主体区域在耕地质量评估和粮食安全方面的应用研究提供科学数据支撑。

关键词：川中；丘陵区；盐亭站；旱地；地温

Abstract & Keywords

Abstract: The underlying surface temperature (i.e. land surface temperature) and soil temperature at different depths are collectively referred to as ground temperature. The variations and variation rules of ground temperature comprehensively depict the exchange of energy and materials between the atmosphere and the land surface. Hence ground temperature is an important parameter for assessing soil thermal conditions. Located in the agro-ecological zone of subtropical Sichuan Basin, Sichuan Yanting Agro-ecosystem Research Station in Chinese National Ecosystem Research Network (also referred to as Yanting Station, code YGA) serves as an experimental observation and research platform of Agro-Ecosystem set by the Chinese Ecosystem Research Network (CERN) and the National Science and Technology Infrastructure Platform in this ecological region. This dataset is based on the long-term automatic station observation data and manual observation data of the comprehensive meteorological observation field of Yanting Station. It consists of four data files, namely, hourly ground temperature data from the automatic observation stations on a daily basis (1997-2021), daily ground temperature statistical data from the automatic observation stations (2004-2021), monthly statistical data of ground temperature from the automatic observation stations (2004-2021) and daily and monthly surface temperature data form the manual observation stations (2004-2021). The data volume is about 8.85 MB. Ground temperature is the networked observation index of field stations. Observation instruments, data acquisition procedures, and data quality control adhere to standardized norms and protocols, ensuring the utmost reliability and comparability of ground temperature data. The accumulation of long time series and multi-level geothermal data can provide scientific data support for the energy and material exchange of ecosystem, the response to environmental change, and the application research of cultivated land quality assessment and food security in the main agricultural areas of the basin.

Keywords: central Sichuan basin; hilly areas; Yanting station; dry land; ground temperature

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	川中丘陵区典型小流域旱地地温数据集（1997–2021）
数据通信作者	高美荣（gmr@imde.ac.cn）
数据作者	高美荣
数据时间范围	1997–2021年
地理区域	观测点位于四川省绵阳市盐亭县大兴镇林园村（105.459º E，31.2716º N）；地理区域范围涉及四川盆地中部紫色土丘陵区，其一般指位于长江上游以北，剑阁、苍溪、仪陇等县以南，龙泉山以东，华蓥山以西的腹地。
数据量	8.85 MB
数据格式	.xlsx
数据服务系统网址	https://doi.org/10.57760/sciencedb.07517
基金项目	中国生态系统研究网络（CERN）-盐亭紫色土农业生态系统定位研究站运行项目，国家科技基础条件平台-四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目。
数据库（集）组成	数据集包含有人工和自动站观测地温数据，人工观测仅有地表（0 cm）温度，时间年限为2004–2021年；自动站观测的有8个层次或深度（0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm和100 cm）的地温数据，时间年限为1997–2021年。共包括4个数据文件，(1) 自动站每日逐时地温数据（1997–2021），数据量6575 KB；(2) 自动站逐日地温统计数据（2004–2021），数据量2011 KB；(3) 自动站地温度月值统计数据（2004–2021），数据量119 KB；(4)人工观测地表温度日值与月值数据（2004–2021），数据量363 KB。

Dataset Profile

Title	A dataset of dryland ground temperature in typical small watersheds in the hilly areas of Central Sichuan Basin (1997-2021)
Data corresponding author	GAO Meirong (gmr@imde.ac.cn)
Data author(s)	GAO Meirong
Time range	1997–2021
Geographical scope	Linyuan Village, Daxing Town, Yanting County, Sichuan Province (105.459º E,31.2716º N), including the purple soil hilly area of Sichuan Basin (generally referred to the hinterland located in the north of the upper reaches of the Yangtze River, south of Jiange, Cangxi, Yilong and other counties, east of Longquan Mountain and west of Huaying Mountain)
Data volume	8.85 MB
Data format	.xlsx
Data service system	https://doi.org/10.57760/sciencedb.07517
Source(s) of funding	Yanting Purple Soil Agro-ecological Experimental Station Operation Project , Chinese Ecosystem Research Network; Sichuan Yanting Agro-ecological National Ecosystem Research Station Operation Project, National Platform for Basic Conditions of Science and Technology.
Dataset composition	The dataset contains ground temperature observation data recorded by artificial and automatic stations. The manual observation stations only covers soil surface (0 cm) temperature, and the time period is 2004-2021. The automatic stations covers eight soil depths (0 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 40 cm, 60 cm and 100 cm) of geothermal data observed from 1997 to 2021. The dataset included four data files: hourly ground temperature data from the automatic observation stations on a daily basis (1997-2021), with a data volume of 6,575 KB; daily ground temperature statistical data from the automatic observation stations (2004-2021), with a data volume of 2,011 KB; monthly statistical data of ground temperature from the automatic observation stations (2004-2021) with a data volume of 119 KB; and daily and monthly surface temperature data form the manual observation stations (2004-2021), with a data volume of 363 KB.

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引言

下垫面温度（地表温度）和不同深度的土壤温度统称地温^[1]，其变化及规律是大气与陆地表面能量和物质交换的综合表征，因此地温是土壤热力状况的重要参量。地温变化不仅影响土壤水分、养分吸收、土壤呼吸和土壤微生物的活动，同时也会影响植物生长、群落演替和生态系统的恢复等过程，是影响生态系统过程的关键气候因素^[2]。此外，土壤温度也是区域气候变化和农业生产的敏感气象要素^[3]。

川中丘陵区位于长江上游四川盆地中部的丘陵低山区，该区域具有优越的光、热、水资源，非地带性土壤紫色土广泛分布，其中紫色土丰富的土壤热力状况使该区域农耕活跃，成为四川盆地农业的主体区域的重要因素之一^[4-5]。但亚热带四川盆地农业生态区的长时间序列、多层次地温数据积累较为缺失，使得地温因子对未来环境变化的响应，以及其变化对典型生态系统的综合影响方面的研究缺少重要数据支撑。

四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称盐亭站，代码YGA）位于亚热带四川盆地农业生态区，是中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network, CERN）和国家科技基础条件平台布局在长江上游的基础性、公益性农田生态系统试验观测与研究平台。地温为野外台站联网观测指标，观测仪器、数据获取过程和数据质控执行统一的相关规范和标准，确保地温数据的可靠性和可比性。本数据集是基于盐亭站综合气象观测场的长期自动站观测数据和人工观测数据整理计算而成，可为生态环境科学研究、促进自然资源的可持续利用以及国家关于粮食、资源、环境方面的重大决策提供科学数据^[6]。

1 数据采集和处理方法

本数据集的原始数据产生于盐亭站综合气象观测场（YGAQX01），观测设施设备的布设、安装与维护，观测方法与数据处理，遵照《地面气象观测规范》^[1]、《陆地生态系统大气环境观测指标与规范》^[6]和《气象和大气环境要素观测与分析》^[7]执行。

地温数据生成过程包括有：观测数据采集，数据格式转换，数据统计与分析，数据质量控制，数据上报与审核，数据集规范化并入库。

1.1 区域环境特点

典型小流域位于四川盆地中北部的盐亭县大兴镇林园村，简称截流小流域（105.459º E，31.2716º N），地处嘉陵江二级支流弥江、湍江的分水岭上，海拔365–576.5 m之间。典型小流域面积约0.35 km²，土地利用方式有旱坡地、林地、水田等，其中旱坡地15.64 hm^2[4] 。土壤为石灰性紫色土，质地为中壤。小流域内地形为中深丘，由水平沙泥岩互层形成多级梯地，山顶为园丘、长岗状。沟谷切割较深，冲沟发育，相对高差10–200 m。全区受东南季风控制，年平均温度为17.3 ℃。多年平均降雨量826 mm，降雨季节分布不均，夏秋季降水占全年约80%以上，无霜期294 d，具有四川盆地典型亚热带湿润季风气候特征。该区植被为桤木（Alder cremastogyne）、柏木（Cypresses funebris）人工混交林，目前基本演替成纯柏林，多分布在坡顶、坡中和坡坎上，主要农作物有小麦、玉米、水稻、油菜等^[5]。

1.2 数据来源

1.2.1 气象观测场

1997年，盐亭站按照中国生态系统研究网络（CERN）农田生态系统大气环境观测规范要求^[7]，设立了长期气象观测场（海拔439 m，105.459º E，31.2716º N），开展川中丘陵区农田生态系统大气环境长期观测。气象观测场位置和地温观测设施布设示意图见图1。盐亭站气象观测场建设及自动站设施设备变化见表1^[8]。人工观测自2004年至今使用上海长望气象仪器科技有限公司的地温计。

图1 气象观测场位置与地温观测设施布设示意图

Figure 1 Location of meteorological observation sites and ground temperature observation facilities

表1 气象观测场建设及自动站设备变化表

年限	观测场面积	仪器设备型号	生产商	备注
1997–2004	16 m×16 m	AMRS-1	长春气象仪器研究所，锦州322研究所	1997–2004年9月只有地表温度；2004年10月启用新的观测系统。
2004–2014	25 m×25 m	MiLOS 520	芬兰维萨拉公司	有地表温度和不同土壤深度温度；2014年10月升级为新的观测系统。
2014至今	25 m×25 m	MAWS301	芬兰维萨拉公司	有地表温度和不同土壤深度温度。

1.2.2 地温传感器和地温计

2004年更新的气象自动站采用QMT110 型铂电阻Pt100地温传感器（图2(a)），分别安装在向下竖直土体剖面上，在0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm和100 cm相应的深度处（图2(b)），先用与传感器直径相同的工具按照设计尺寸水平插入后再抽出，接着把传感器探头垂直插入剖面，安装完成后剖面坑填土恢复地面原状态。

(a)

(b)

图2 土壤温度传感器及其埋设方法示意图

Figure 2 Schematic diagram of soil temperature sensors and their embedding method

人工地面温度观测使用玻璃液体地温计，包括地面温度表（又称0 cm温度表）、地面最高和最低温度表。观测地段设在气象观测场内南面的裸地上，布设面积为2 m × 4 m。地表疏松、平整、无草，并与观测场整个地面相平。地面三支温度表须水平的安放在裸地中央偏东的地面，按0 cm、最低、最高的顺序自北向南平行排列，感应部分向东，并使其位于南北向的一条直线上，表间相隔约5 cm；感应部分及表身，一半埋入土中，一半露出地面（见图3）。埋入土中部分的感应部分与土壤必须密贴，不可留有空隙^[1]。地面温度表、地面最高和最低温度表每2年进行校验和检定。

图3 地温表及其布设方法示意图

Figure 3 Schematic diagram of geothermometers and their layout method

1.3 数据采集与处理

盐亭站气象要素指标监测遵照CERN和国家野外台站的陆地生态系统大气环境观测规范进行。地温是野外台站联网观测指标，盐亭站的地温观测包括自动气象站观测和人工观测。

1.3.1 数据采集

自动气象站观测的核心是数据采集器，其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储及数据传输^[6]。自动气象站的地温数据为每10 s采测一次地面和地下各层温度值，每分钟采测6次各层温度值，每层各去除1个最大值和1个最小值后取平均值，作为每分钟的地面和每层地温值存储；整点时存储00分钟的数值作为整点小时存储，并获取每小时地面温度的最高、最低温度值和出现时间；每日20时挑取每日的地面温度最高、最低温度值和出现时间。数值单位℃，保留1位小数。每小时地温数据和其他气象要素一起被数据采集器放入形成的日数据文件中，可通过下载或传输得到原始监测地温数据^[6]。

人工地面温度于每日8:00、14:00和20:00观测记录，地面最高、最低温度于每日20:00时观测一次，并随即归位调整，地温观测度数均精确到0.1 ℃^[1]。观测时要踏在踏板上，按照0 cm、最低和最高地表温度的顺序俯视读数，绝对不可把温度表拿起来读数，因为地温表一离开地面，测出的温度就不再是地面温度了。最低、最高温度表读数后都要进行调整并归位。（1）调整方法：最低温度表的调整方法是慢慢抬高球部，使球部高于表身，将温度表中的游标落到酒精柱的顶点；最高温度表的调整是把最高温度表从地表拿起来，用手握住表身顶端，球部向下，手臂向外伸出约30度，在前后45度范围内甩动，水银柱便会从表中观测时的最高温度刻度处，下落到当时的气温刻度上。调整时不许用手摸球部，甩动时要握紧，不要碰到其他物体上，甩动角度也不可太大，以免表中的水银柱撞坏管内的玻璃针。（2）调整后将最低和最高温度表放回原处：最高温度表需先放球部，后放顶部，避免水银上滑，造成下次观测时读数不准；最低温度表放回原处时，注意使球部高于表身，先放表身，后放球部，使温度表中的游标不致向下滑落，造成读数不准。最低和最高温度表放回后，仍要一半在土中，一半露出土外，每次观测后均要这样放好^[6]。

1.3.2 数据处理

定时去野外站下载数据采集器生成的日数据文件，并对仪器设备进行巡视和维护，人工观测为每月收集观测记录本和月报表，将数据录入到相应的电子表格内。自动站和人工观测的数据均采用CERN大气分中心指定数据处理软件对日数据文件进行处理和运算，并生成规范的数据报表。

2 数据样本描述

本数据集包括自动观测站每日逐时、日值和月值地温数据，人工观测的地表温度日值和月值数据，以下分别对每个数据子集进行样本描述。

2.1 自动站每日逐时地温数据（1997–2021）

该数据子集中共有8个SHEET表（见图4），分别是0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm的地温小时值数据表。每个表的列字段名均相同，为生态站代码、年、月、日和时地温，记录从上一日的21时至当日20时，时地温的单位均为℃，保留1位小数，null表示缺测。

图4 自动站每日逐时地温数据子集样本描述截图

Figure 4 Sample description screenshot of hourly soil temperature data form the automaticobservation stations

2.2 自动站逐日地温统计数据（2004–2021）

该数据子集中共有8个SHEET表（见图5），分别是0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm的自动站地温日值统计数据表。每个表的列字段名均相同，为生态站代码、年、月、日、日平均、日最高和日最低，日平均、日最高和日最低的单位均为℃，保留1位小数。另外0 cm地表温度的时间是1998年至2021年。null表示因小时数据缺测较多，不足以计算日值数据。

图5 自动站逐日地温统计数据子集样本描述截图

Figure 5 Sample description screenshot of daily soil temperature statistics data from the automatic observation stations

2.3 自动站地温月值统计数据（2004–2021）

该数据子集中共有8个SHEET表（见图6），分别是0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm的自动站地温月值统计数据表。每个表的列字段名均相同，为生态站代码、年、月、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月极大值及出现日期和月极小值及出现日期，地温值单位均为℃，保留1位小数。另外0 cm地表温度月值的时间是1998年至2021年。null表示月值数据缺失。

图6 自动站地温月值统计数据子集样本描述截图

Figure 6 Sample description screenshot of monthly soil temperature statistics data from automatic observation stations

2.4 人工观测地表温度日值与月值数据（2004–2021）

该数据子集中共有2个SHEET表，分别是人工观测地表温度日值观测数据（2004–2021）（见图7）和人工观测地表温度月值统计数据（2005–2021）（见图8）。每个表的列字段名不同。人工观测地表温度日值观测数据表（2004–2021）有生态站代码、年、月、日、8点地表温度、14点地表温度、20点地表温度、最高地表温度和最低地表温度，3次观测数值的平均值即为日平均值；人工观测地表温度月值统计数据表（2005–2021）有生态站代码、年、月、月平均值、日最高月极值及出现日期和日最低月极值及出现日期，地温值单位均为℃，保留1位小数，null表示缺测。

图7 人工观测地表温度日值观测数据样本描述截图

Figure 7 Sample description screenshot of daily statistical data of ground temperature from the manual observation stations

图8 人工观测地表温度月值统计数据样本描述截图

Figure 8 Sample description screenshot of monthly statistical data of ground temperature from the manual observation stations

3 数据质量控制和评估

3.1 传感器维护

自动气象站传感器的日常维护是获取高质量气象观测数据的基础。铂电阻地温传感器的测量范围−50–80 ℃，准确度在0.3 ℃。地温传感器的维护主要是定期检查埋设区域是否保持裸地，埋置布设特别是地表温度是否正确^[6]。

3.2 数据质量控制

数据质量控制（审核）的目的是了解观测情况，发现存在的问题，避免和减少出现缺测现象和出现不正常记录，保证观测记录的完整性和准确性。

3.2.1 数据质控基本过程

（1）自动站观测数据：定期从数据采集器中获取日观测数据文件，利用CERN大气分中心开发的专业数据软件，进行数据处理，生成规范和标准的报表，再进行统计计算和校验检查；

（2）人工观测数据：将纸质记录的观测数据录入规范的报表（与自动站观测数据表是同一个文件不同SHEET表），进行查漏、统计计算和校验。

在制作数据报表时，检查原数据文件中可能出现的乱码、记录错误或个别无记录等情况，分析出现问题的原因，进行插值、修正和剔除等处理，并填写数据观测日志^[6]。将质控后的观测数据文件和生成的规范报表提交至 CERN 大气分中心，大气分中心对观测数据进一步质控和审核，最后提交综合中心并反馈给台站完成数据入库工作。

3.2.2 数据质控方法^{[1, 6]}

基于盐亭站多年观测数据统计计算，确立盐亭站地表温度的经验值及其日变化和年变化规律，分析地温易受太阳高度角、地表的自然覆盖和天气条件等因子影响，采用查验和对比的方法，找出异常值，进行分析研判，或剔除或修正保留处理。

（1）地表温度极值一般高于气温极值，并且因地表面的状态和土壤性质不同有不同特征，根据盐亭站历史观测数据，确定本站各月地表温度极值，将这些经验值录入到数据处理软件中的校验模块，然后进行对比检验操作，找出异常值。

（2）地表温度的日变化具有一个极大值和一个极小值。最高温度出现在13:00左右，最低温度出现在将近日出的时候。影响地表温度日较差大小主要因子有：①太阳高度角。由于太阳高度角随季节和纬度而有变化，决定了地表温度的日较差在夏季或低纬度地区比在冬季或高纬度地区大。②天气条件的影响。③下垫面状况（导热率、热容量、地形和土壤颜色等）的影响。这样就可以进行夏季和冬季、不同天气条件日间进行计算对比，找出不符合基本规律的数据。

（3）地表温度的年变化主要与太阳辐射的年变化有关，在北半球的中、高纬度地区，地表月平均最高温度出现在7–8月；月平均最低温度出现在1–2月。利用这一规律可以检查地表最高和最低温度年变化统计数据是否出现异常。

3.2.3 数据缺失情况

由于野外站供电不稳、数据采集底层程序问题等原因，出现部分观测数据日期时间记录错误或乱码的情况，也会导致地温多小时或部分数据存储缺失。缺失数据的处理方法为：（1）如果某一定时地温缺测时，用前、后两定时数据内插求得。但若连续两个或以上定时数据缺测时，不能内插，按缺测处理。（2）一日中若24次定时观测记录有缺测时，该日按照 02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若4次定时记录缺测一次或以上，但该日各定时记录缺测 5 次或以下时，按实有记录做日统计；缺测6次或以上时不做日平均^[6]。

4 数据价值

川中丘陵区具有优越的光、热、水资源，非地带性土壤紫色土广泛分布，形成亚热带湿润季风气候与非地带性紫色土的最佳农业组合，农耕活跃，是四川盆地农业的主体区域^[4-5]。本数据集是基于盐亭站综合气象观测场的长期联网自动站观测数据和人工观测数据整理计算而成。在自然资源的可持续利用、国家粮食安全和区域生态安全等方面的研究与决策上，可提供科学数据重要支撑。

观测数据的质控是严格遵循 CERN 生态系统大气环境观测规范执行，试验站开展数据的初级质量控制，然后汇交到大气分中心进行二次质量审核，保证了观测数据的真实性和可靠性，且与其他联网野外台站的气象数据具有良好的可比性。

本数据集由科学数据银行（https://www.scidb.cn/）提供数据服务。未集成的地温数据可在盐亭站信息平台服务网站（http://yga.cern.ac.cn）获取，注册登录后，在资源服务栏目下可查询相关数据并下载。

致谢

感谢大气分中心的刘广仁高级工程师、胡波研究员在数据质量控制方面的指导和帮助；感谢中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站全体工作人员在气象观测场和仪器设备的运行保障的辛苦付出。

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数据引用格式

高美荣. 川中丘陵区典型小流域旱地地温数据集（1997-2021）[DS/OL]. Science Data Bank, 2023. (2023-03-09). DOI: 10.57760/sciencedb.07517.

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稿件与作者信息

论文引用格式

高美荣, 王艳强, 况福虹, 等. 川中丘陵区典型小流域旱地地温数据集（1997–2021年）[J/OL]. 中国科学数据, 2023, 8(3). (2023-08-29). DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0073.zh.

高美荣

GAO Meirong

数据集成与质量控制，论文撰写。

gmr@imde.ac.cn

（1969—），女，陕西佳县人，硕士，高级工程师，研究方向为土壤学，数据管理。

王艳强

WANG Yanqiang

数据校验。

（1980—），男，重庆酉阳人，硕士，工程师，研究方向为生态系统生物过程。

况福虹

KUANG Fuhong

数据矫正与质量控制。

（1981—），女，四川攀枝花人，博士，工程师，研究方向为土壤肥力。

章熙锋

ZHANG Xifeng

数据采集和数据校验。

（1990—），男，安徽安庆人，博士，工程师，研究方向水文水环境。

中国生态系统研究网络（CERN）-盐亭紫色土农业生态系统定位研究站运行项目，国家科技基础条件平台-四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站运行服务项目。

Yanting Purple Soil Agro-ecological Experimental Station Operation Project , Chinese Ecosystem Research Network; Sichuan Yanting Agro-ecological National Ecosystem Research Station Operation Project, National Platform for Basic Conditions of Science and Technology.

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出版历史

I区发布时间：2023年4月23日（版本ZH1）

II区出版时间：2023年8月29日（版本ZH2）