CN: 11-6035/N
ISSN: 2096-2223
中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）20周年专刊 II 区论文（已发表） • 版本 ZH4 Vol 8 (3) 2023
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海北高寒灌丛草甸（2003–2020年）与高寒矮生嵩草草甸（2002–2020年）生物量监测数据集
A dataset of biomass of the alpine shrub meadow (2003–2020) and the alpine Kobresia humilis (2002–2020) observed at the CO2 flux monitoring station in Haibei, China
李杰霞，张法伟，张雷明，于贵瑞，李英年
LI Jiexia, ZHANG Fawei, ZHANG Leiming, YU Guirui, LI Yingnian
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： 2022 - 12 - 15
： 2023 - 07 - 11
： 2023 - 05 - 12
： 2023 - 08 - 11
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5250 60 0
摘要&关键词
摘要：青藏高原是全球气候变化的热点区域和敏感区域，高寒灌丛和高寒矮生嵩草（Kobresia humilis）草甸是高寒草甸主要类型，对青藏高原乃至全球的高寒草甸生态系统的可持续发展有着重要的作用。生物量作为反映草地生态系统生产功能的直接指标，是研究其生态系统功能及其他因素之间关系的有效途径。高寒灌丛与高寒矮生嵩草草甸生物量的准确测定和评估是科学认知青藏高原高寒草甸生态功能的关键之一。位于青海省海北州的高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（简称海北站），自2003年和2002年分别开展高寒金露梅（Potentilla fruticosa）灌丛与高寒矮生嵩草生态系统生物量的科学监测，已分别连续积累了17年、18年的原始数据。为准确掌握青藏高原乃至全球高寒灌丛和高寒矮生嵩草草甸生态系统的碳汇潜力及准确预测其生态系统对气候变化的长期响应等相关研究，现公开发表海北通量监测站区2003–2020年高寒灌丛、2002–2020年高寒矮生嵩草草甸相关生物量数据。本数据集包含金露梅灌丛草甸、高寒矮生嵩草草甸地上生物量和地下生物量，可为高寒草甸生态系统生物量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，有助于高寒草甸健康可持续发展。
关键词：高寒草甸；生物量；高寒灌丛；矮生嵩草；青藏高原
Abstract & Keywords
Abstract: The Qinghai-Tibet Plateau (QTP) is a hotspot and sensitive region affected by global climate change. The alpine shrub and alpine Kobresia humilis meadow are the primary types of alpine meadow found in this area, which play an important role in the sustainable development of the QTP and even the global alpine meadow ecosystem. Biomass, as a direct index reflecting the production function of grassland ecosystem, can be used to effectively study the relationship between grassland ecosystem function and other influencing factors. The precise measurement and assessment of the biomass of the alpine shrub and alpine Kobresia humilis meadow are crucial elements for gaining a scientific understanding of the ecological functions of the alpine meadow on the QTP. The National Field Scientific Observation and Research Station of Alpine Grassland Ecosystem located in Haibei Prefecture, Qinghai Province (Haibei Station) has been conducting scientific monitoring of the biomass of alpine Potentilla fruticosa shrub and alpine Kobresia humilis meadow respectively since 2002 and 2003. Haibei Station has continuously accumulated the original data of these two ecosystems for 17 and 18 years respectively. In order to precisely evaluate the carbon sink potential of the alpine shrub and alpine Kobresia humilis meadow ecosystems in the QTP and even the global, and accurately predict the long-term response of the ecosystem to climate change, we published the biomass data of the alpine shrub (2003-2020) and alpine Kobresia humilis meadow (2002-2020) in the Haibei Flux Monitoring Station. This dataset includes aboveground biomass and underground biomass of the alpine shrub and alpine Kobresia humilis meadow. It can provide ground observation data support for scientific cognition, remote sensing inversion and model verification of the spatial and temporal dynamics of ecosystem biomass in alpine meadows, and contribute to the healthy and sustainable development of alpine meadows.
Keywords: alpine shrub meadow; biomass; Potentilla fruticosa; Kobresia humilis; Qinghai-Tibet Plateau
数据库（集）基本信息简介
数据库（集）名称（1）海北CO2通量监测站高寒灌丛草甸生物量监测数据集（2003–2020年）
（2）海北CO2通量监测站高寒矮生嵩草草甸生物量监测数据集（2002–2020年）
数据通信作者李英年（ynli@nwipb.cas.cn）
数据作者（1）李杰霞，张法伟，张雷明，于贵瑞，李英年；
（2）李杰霞，张法伟，张雷明，于贵瑞，李英年；
数据时间范围2003–2020年；2002–2020年
地理区域青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站（37°40′N，101°20′E，海拔3400 m）；青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站碳水通量监测站（37°36.766′N，101°18.768′E，海拔3200 m）
数据量25.99 KB；27 KB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00073
https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00072
基金项目中国陆地生态系统通量观测研究网络项目（ChinaFLUX）；国家重点研发计划（2017YFA0604801）；国家自然科学基金（41877547，32001149）
数据库（集）组成（1）海北站CO2通量监测站高寒灌丛草甸地上生物量（绿草、枯草、碎屑）；地下生物量（0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm）
（2）海北站CO2通量监测站高寒矮生嵩草草甸地上生物量（绿草、枯草、碎屑）；地下生物量（0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm）
Dataset Profile
Title (1) A dataset of biomass of the alpine shrub meadow (2003–2020) observed at the CO2 flux monitoring station in Haibei, China
(2) A dataset of biomass of the alpine Kobresia humilis (2002–2020) observed at the CO2 flux monitoring station in Haibei, China
Data corresponding authorLI Yingnian (ynli@nwipb.cas.cn)
Data author(s)(1) LI Jiexia, ZHANG Fawei, ZHANG Leiming, YU Guirui, LI Yingnian
(2) LI Jiexia, ZHANG Fawei, ZHANG Leiming, YU Guirui, LI Yingnian
Time range2003–2020; 2002–2020
Geographical scopeThe National Field Scientific Observation and Research Station of Alpine Grassland Ecosystem located in Haibei Prefecture, Qinghai Province (37°40′N, 101°20′E, a.s.l. 3400 m);
Carbon and Water Flux Monitoring Station of the National Field Scientific Observation and Research Station of Alpine Grassland Ecosystem located in Haibei Prefecture, Qinghai Province (37°36.766¢N, 101°18.768¢E, a.s.l. 3200 m)
Data volume25.99 KB；27 KB
Data format*.xlsx
Data service systemhttps://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00073
https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00072
Source(s) of fundingChina Terrestrial Ecosystem Flux Observation and Research Network Project (ChinaFLUX); National Key Research and Development Program (2017YFA0604801); National Natural Science Foundation of China (41877547, 320011490)
Dataset composition(1) The aboveground biomass (green grass, dead grass, debris) and the underground biomass (0–10 cm, 10–20 cm, 20–40 cm) of the shrub meadow at the CO2 flux monitoring station of Haibei Station.
(2) The aboveground biomass (green grass, dead grass, debris) and the underground biomass (0–10 cm, 10–20 cm, 20–40 cm) of the Kobresia humilis meadow at the CO2 flux monitoring station of Haibei Station.
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引 言
高寒草甸作为青藏高原的一种典型草地类型，其生态系统极其脆弱，对气候变暖和人类活动影响极为敏感，一旦遭受破坏很难在短期内得到恢复，甚至导致草地退化和沙漠化发生[1]。高寒灌丛是由耐寒的中生或旱生灌木为优势种形成的一类植被，是当地的优势植被之一，分布于高山和高原林线之上、向高寒植被过渡的地带[2]。我国海北站CO2通量监测站高寒灌丛草甸生态系统一般有40–50多种植物，隶属14科35属，包括金露梅灌丛在内其群落总盖度可达60%–90%，种的饱和度一般在15–30种/m2，有时可达40种/m2以上[3-4]。高寒矮生嵩草（Kobresia humilis）是构成嵩草草甸的主要建群种，以莎草科（Cyperaceae）嵩草属为主，伴有一系列高山植物种类。高寒矮生嵩草草甸在海北站分布最广。海北站CO2通量监测站矮生嵩草草甸有35–45种植物，隶属14科36属，总盖度可在95%以上，植被层高度在15–25 cm，部分禾草类和杂草类植株高度可达30 cm。矮生嵩草草甸种的饱和度一般在25–35种/m2，有时可接近50种/m2[5]。
固定样地监测是获取高寒草甸动态特征数据的主要方法之一，是草地生态学研究的重要平台[6-7]，而生物量是生态系统获取能量的主要体现，是生态系统最根本的数量特征之一，既能反映生态系统能流、物流和第一性生产力，对生态系统结构和功能具有重要影响[8]。生物量的高低不仅反映了区域植被净初级生产量大小，也衡量着植被/土壤碳密度高低。高寒草甸植被总的生物量包括地上生物量和地下生物量，可直接代表植被碳库的多少。
高寒草地地上生物量包括多种形式，主要包括绿色、枯落物（在地上，以黄褐色为主）、立枯物（在枝上，以青黄色为主）、地表碎屑物），地下生物量是指存在于草地植被地表下草本根系和根茎生物量的总和，地下生物量是草地植被碳蓄积的重要组成部分[8]，草地植被的主要生物量都分配于地下，准确测定草地地下生物量是确定草地植被源汇功能的基础[9-10]。
草地生物量的地上-地下分配关系反映了植物的生存策略[11] ，可影响植物个体生长、植被结构和生态系统土壤碳输入[12-14]。准确测定草地生物量大小，揭示其地上与地下分配关系及其与环境因子关系，对于评估其CO2源汇功能，预测草地生态系统与全球变化动态关系具有重要意义[15]。
高寒矮生嵩草草甸地上、地下生物量的垂直分布特征与高寒草甸区的气候、土壤有密切的关系[16-18]。其地上生物量垂直分布呈典型的金字塔模式，地上部分生物量主要分布在0–10 cm的冠层中，地下生物量也主要分布在0–10 cm的表土层中[19]。地下根系对植物的生长发育、地上生物量的积累有着极其重要的作用。植被地上部分吸收光能，进行光合作用合成有机物，是地下部分生长发育的能量来源[20]。所以，植被净初级生产力在地上地下的分配关系是研究草地生态系统一个不可缺少的参数[21-22]。植物的净初级生产力分配格局不仅在研究植物生长方面非常重要，而且在许多其他的生态系统过程（包括分解，碳、氮吸收以及植物和大气之间的水热交换）中有重要意义。因此，了解生态系统中净初级生产力在地上地下的分配格局及其与CO2的关系是全球碳收支研究不可缺少的一部分[23]。
方精云[24]等曾谈到，虽然中国学者在研究草地碳库及其动态变化方面已开展了很多工作，但目前仍缺乏对中国草地生态系统碳库及其动态变化特征的全面认识，例如：通常采用草地资源清查数据或者已经发表的生物量数据，缺少采用统一监测方法获得的实测数据；我国草地地上生物量受降水影响较为显著，但地下生物量对环境因子的响应特征尚不明确。因此，有必要进一步在同一个地点、相同的草地类型中进行长期个体水平或群落水平调查，从而探究草地生物量的变化趋势及其与环境因子的关系。
海北站是国内最早开展草地生物量野外监测的台站之一，早在2002年就和日本国立环境研究所应用相关技术联合开展了高寒矮嵩草（Kobresia humilis）草甸生物量的监测研究[25]，随后于2003年在高寒金露梅（Potentilla fruticosa） 灌丛生态系统开展生物量的长期监测[26]。截止到2020年，已经积累了长期连续的原始监测数据，并取得了许多原创性的结果[27-28]，为准确评估青藏高原草地生态功能提供了长期的数据支撑和理论依据。
本数据集公开发表海北CO2通量监测站区高寒灌丛草甸（2003–2020年）、高寒矮生嵩草草甸（2002–2020年）生物量的长期监测数据对探讨高寒灌丛草甸、高寒矮生嵩草草甸生态系统的地上、地下净初级生产力以及根冠比与CO2通量的关系，准确评估高寒灌丛草甸、高寒矮生嵩草草甸生态系统的碳平衡动态具有重要意义，为有效预测未来气候变化和高寒草甸生态系统不同类型草地分布格局变化背景下的碳收支提供理论依据，对于合理利用草地资源、实现草地生态系统的可持续发展有重要的指导意义。
1   数据采集
1.1   采集样地及时间
1.1.1   采集样地
生物量监测样地与微气象-涡度相关法碳水通量监测站同步建立于2001年8月，位于海北站北部约 8 km（37°40′N，101°20′E，3400 m）。海北站区为典型的高原大陆性气候，无明显四季之分，暖季多雨而短暂，冷季干燥而漫长。最新的研究显示[29]，该站1981–2020年40年年均气温和降水分别为平均为-1.07 ℃和561.13 mm。在微气象-涡度相关法碳水通量监测站区上风向区域，离通量塔基部20–80 m区域，选择60 m×60 m做永久观测样地。永久样地内标记实验观测区，监测区以中央部位为中心以“X”型，即中心点和4个角进行随机采样，即5个重复。在样地内采取冬季短时间中度放牧可以确保监测数据的准确性。
调查显示，监测样地上层金露梅灌丛高度和盖度约为50 cm和60%。下层草本植物高约10 cm，相对盖度约为80%，优势种包括异针茅（Stipa aliena）、藏异燕麦（Helictotrichon tibeticum）、垂穗披碱草（Elymus nutans）、柔软紫菀（Aster flaccidus）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、矮火绒草（Leontopodium nanum）等[30]。研究区2003–2005年平均最大地上生物量（草本和灌丛当年新生枝、叶）为8月下旬的 309.7 g/m2。
1.1.2   采集时间
采集在每年的植物生长期4月–10月进行，因各年气象条件不同监测时间略有差异，大部分从5月15日开始，有的年份自4月30日开始（如2004年4月监测绿草、枯草的地上生物量），大部分年份每月15日和30日前后各监测一次（详见数据集）。
1.2   数据采集工具
本数据集中包含的监测数据均是人工监测采集的，监测用的工具和仪器包括样方框，钢卷尺，剪刀，塑料袋，纸袋，编号标签，小毛刷，天平（感量：0.01 g），鼓风干燥箱，铅笔，记录表，油性记号笔等。
1.3   采集方法
1.3.1   地上生物量
在随机采样点先进行群落植被高度、盖度、密度、植物种类组成等调查。然后分捡出枯落物、立枯物装袋，再刮出地表残留的由家畜粪便和枯落物的碎屑物装袋，最后用剪刀将样方内的植物齐地面剪下装袋，重复5次。上述样品装袋时及时置入已编号的标签。
样品带回海北站站内实验室，及时称其鲜重后，置于鼓风干燥箱内65 ℃烘干至恒重，则可得到各样方中各个种的活物质与立枯物的烘干重（g）并记录。
1.3.2   地下生物量
地下根系生物量是在收集地上生物量的样方内进行。即，在曾做过地上生物量测定的样方内用内径7 cm根钻分0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm共3个层次取样装入尼龙网袋中，每个样方内3个重复。装入尼龙网袋中的分层根系样品，细心分拣出砾石和杂物，用36目的细筛筛去一部分微细土粒土壤，然后进行根系的冲洗。然后放入小纸袋内，在烘箱中进行干燥，烘箱温度保持在65 ℃左右。至恒重后（约48 h后）称重各层地下生物量干重。最后将干重换算成1 m2内含有的根量（g/m2）。
1.3.3   灌丛草甸生物量
灌丛草甸分草本与灌丛两层结构，上层为金露梅灌丛，下层为以矮嵩草建群种、伴生高山其他植物的草本层。为此，其单位面积总的生物量按灌木和草本植物占据地表面积来估算，即在10 m10 m的样方内，测量和计算灌木丛基部占据地表面积，计算出草本与灌木各占有面积百分比，再用所占比例关系加权估算灌丛与草本混交下的植被总生物量。其灌丛与草本生物量的采集方法同1.3.1。
2   数据样本描述
高寒灌丛草甸数据集为2003–2020年海北CO2通量监测站每年5月上旬；6–9月上旬、下旬；10月中旬，共计17期对高寒灌丛草甸生物量的监测数据，为EXCEL文件。包括金露梅灌丛的地上（绿草、枯草、碎屑）及地下（0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm）生物量数据。数据保留小数点后两位，单位为g/m2（如表1）。数据中“-”为缺测，即由于样品丢失等原因造成数据缺测，数据集中相应单元格以留空表示。连续缺测数据建议使用者按自己需求进行插补。
表1   2003年海北CO2通量监测站高寒灌丛草甸地下生物量监测数据集
年份深度（cm）生物量（g/m2）
4月30日5月15日5月31日6月15日6月30日7月15日7月31日8月5日8月31日9月15日9月30日10月15日
20030-10-448.141634.51794.09696.681112.921177.381259.22922.541051.901108.10811.24
10-20-142.22251.04175.92211.57185.74241.16277.02170.5489.00196.30163.84
20-40-87.48249.90165.67135.44140.15188.20182.13154.5879.6291.56137.16
合计-677.882135.451135.661043.691438.821606.741718.371247.651321.811395.961112.24
注：数据中“-”为缺测，即由于样品丢失等原因造成数据缺测，数据集中相应单元格以“-”表示。
高寒矮生嵩草草甸数据集为2002–2020年海北站CO2通量监测站每年5月上旬；6–9月上旬、下旬；10月中旬，共计18期对高寒矮生嵩草草甸生物量的监测数据，为EXCEL文件。包括高寒矮生嵩草的地上（绿草、枯草、碎屑）及地下（0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm）生物量监测数据。数据保留小数点后两位，单位为g/m2，（如表2）。数据中“-”为缺测，即由于样品丢失等原因造成数据缺测，数据集中相应单元格以留空表示。连续缺测数据建议使用者按自己需求进行插补。
表2   2003年海北站CO2通量监测站高寒矮生嵩草草甸地下生物量监测数据集
年份深度（cm）生物量（g/m2）
4月30日5月15日5月31日6月15日6月30日7月15日7月31日8月5日8月31日9月15日9月30日10月15日
20030-10-1075.711239.18898.46802.62987.581469.16961.09936.451178.06878.971031.97
10-20-203.93103.78144.55114.73112.82151.94217.46126.24123.04185.32126.63
20-40-72.4688.55140.8166.7991.1980.4097.5189.2653.5858.5590.53
合计-1352.101431.501183.82984.151191.581701.491276.061151.961354.691122.841249.13
注：数据中“-”为缺测，即由于样品丢失等原因造成数据缺测，数据集中相应单元格以“-”表示。
3   数据质量控制和评估
本数据集来源于野外样地的实测调查，是“国家生态系统观测研究网络（CERN）”海北站综合实验观测站的通量站点的高寒灌丛草甸、高寒矮生嵩草草甸数据，其数据采集、质量控制遵循 CERN 长期监测规范，并贯穿于整个长期监测的各个环节。同时，采用相关专家审核验证的方法，以确保数据相对准确性、有效性和完整性。
3.1   监测场取样设计
海北站CO2通量监测站的生物量监测每年规划并制定好第二年监测取样计划与监测指标，总结去年监测操作过程的经验和不足，同时定期对监测场地周边进行场地维护以保证监测场长期监测。
3.2   野外监测与取样
采样时由熟练掌握监测项目操作规程的监测人员进行现场指导和监督，选择样地区内长势均匀、具有代表性植株，避开已破坏植株进行取样和测定。
3.3   数据记录与整理
按照生物监测规范要求，规范详细填写监测数据，并对采样天气、采样时间、采样人、采样过程、监测场地情况、样地序号、生物整体长势等做好详细监测描述记录，并将原始数据记录本装订成册存档。同时取样当天及时将原始数据转换成电子文档，运用统计方法对监测数据进行初步分析，以便发现监测工作中存在的问题，对缺失和可疑数据，及时进行必要的补测和重测，以保证数据的连续性、完整性和可靠性。
3.4   数据质量审核
数据要经过监测人员、生态站负责人和生态站数据管理员等多个环节审核。数据监测人员按要求填报后，进行初步审核，将所获取的数据与各项辅助信息数据与历史数据信息进行纵向比较，然后站负责人对数据进行抽查和检查，同时并聘请专业研究人员对数据进行检验与评估，最后数据管理员从数据的正确性、一致性、完整性等各方面对本站的数据进行全面的审核，发现可疑、缺漏数据，及时补救，保证数据的可用性与可靠性，并对监测数据整体质量进行评价，填写数据质量审核和评价报告，最后上报。
4   数据价值
草甸群落生物量数据是草地生态学研究者快速了解青藏高原地区草地生产力的主要方式，可为该地区的草地保护和生物多样性的关联提供基础信息。公开发表海北CO2通量监测站高寒灌丛（2003–2020年）及高寒矮生嵩草（2002–2020年）的地上、地下生物量数据集，有利于研究青藏高原高寒灌丛草甸生态系统应对全球气候变化的动态机制，并可将不同类型草地生产力进行比较研究等提供素材，也是青藏高原开展草地研究的数据基础。本数据集可应用于不同草地生态系统响应全球气候变化，草地生态系统多样性保护及碳汇潜力等相关领域，还可以结合相关土壤、气候等相关数据，分析全球变化下不同草地类型的长期生产力变化及其影响因素。
5   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发布（https://www.scidb.cn/）。用户打开网站后，在数据资源搜索“海北CO2通量监测站高寒灌丛草甸及高寒矮生嵩草生物量监测数据集”，即可找到相应的数据文件进行数据下载。本数据集为EXCEL 格式，可直接导入相关统计软件使用。
致 谢
感谢瓦金龙长期以来在数据采集方面的贡献，感谢海北站碳水通量监测站所在学科组已毕业的硕博士生在读期间的野外数据采集。
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(2) 李杰霞, 张法伟, 张雷明, 等. 海北CO2通量监测站高寒矮生嵩草草甸生物量监测数据集（2002–2020年）[DS/OL]. Science Data Bank, 2023. (2023-08-11). DOI: 10.57760/sciencedb.o00119.00072.
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稿件与作者信息
论文引用格式
李杰霞, 张法伟, 张雷明, 等. 海北高寒灌丛草甸（2003–2020年）与高寒矮生嵩草草甸（2002–2020年）生物量监测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2023, 8(3). (2023-08-11). DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0061.zh.
李杰霞
LI Jiexia
数据监测和论文撰写。
（1985—），女，青海省海东市人，博士研究生，特别研究助理，研究方向为高寒草甸碳水循环。
张法伟
ZHANG Fawei
数据监测和论文修改。
（1981—），男，河南省洛阳人，博士研究生，高级工程师，研究方向为高寒草地物质循环和能量交换。
张雷明
ZHANG Leiming
数据处理和质量控制。
（1974—），男，副研究员，研究方向为生态系统碳水循环与全球变化。
于贵瑞
YU Guirui
数据管理和统筹。
（1959—），男，研究员，研究方向为生态系统与全球变化。
李英年
LI Yingnian
数据分析和质量控制。
ynli@nwipb.cas.cn
（1962—），男，青海省海东市人，本科生，研究员，研究方向为全球变化生态学。
中国陆地生态系统通量观测研究网络项目（ChinaFLUX）；国家重点研发计划（2017YFA0604801）；国家自然科学基金（41877547，32001149）
China Terrestrial Ecosystem Flux Observation and Research Network Project (ChinaFLUX); National Key Research and Development Program (2017YFA0604801); National Natural Science Foundation of China (41877547, 320011490)
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出版历史
I区发布时间：2023年5月12日 （ 版本ZH1）
II区出版时间：2023年8月11日 （ 版本ZH4）
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