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                    中國通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)專題 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH3 Vol 6 (1) 2021
                    下載
                    2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測數據集
                    An observation dataset of carbon and water fluxes in a mixed coniferous broad-leaved forest at Dinghushan,Southern China (2003 – 2010)
                    ?>>
                    : 2020 - 05 - 28
                    : 2021 - 03 - 02
                    : 2020 - 11 - 23
                    : 2021 - 03 - 30
                    极速快三
                    1443 18 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:陸地生態系統碳水循環過程是全球生態系統中重要的生態學過程,科學定量森林生態系統的碳水循環過程中的碳水通量是準確定量陸地生態系統碳水過程的關鍵所在?;谖庀罄碚摰臏u度相關通量觀測技術實現了對森林生態系統的碳水通量的準確定量,獲取的碳水通量監測數據為研究森林生態系統碳“源匯”貢獻提供了堅實基礎。作為中國生態系統研究網絡(Chinese Ecosystem Research Network,CERN)和國家野外科學觀測研究站網絡(National Ecosystem Research Network of China,CNERN)成員,鼎湖山森林生態系統定位研究站自2002年底始對我國南亞熱帶鼎湖山針闊葉混交林森林類型進行碳水通量監測,現已完善為系統規范化的監測。其中針闊葉混交林為鼎湖山主要森林類型,也是我國南亞熱帶常見森林類型。按照中國通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)的統一規范,在該森林類型已進行長達17年的生態系統水平碳水通量及關鍵氣象要素標準化監測。本數據集通過整理和統計,列出了2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量的動態實測數據,并包含了相關的數據集構建過程。建立和共享本數據集可以為深入探討全球水熱格局變化情形下的生態系統與大氣之間碳、水和能量交換監測研究提供本底資料,為該地區的森林經營管理及生態系統功能評價提供數據支撐。
                    關鍵詞:鼎湖山國家級自然保護區;渦度相關法;針闊葉混交林;碳水通量;氣象因子
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?The carbon-water cycle process in terrestrial ecosystems is a critical ecological process in the global ecosystems, and the scientific quantitation of carbon water flux in the carbon-water cycle of forest ecosystem is key to accurately quantifying the carbon-water process in terrestrial ecosystems. The eddy covariance is a micro-meteorological method that is currently used to monitor carbon-water flux and to achieve an accurate quantification of these fluxes in forest ecosystems. The technique provides a solid foundation for the study of carbon source/sink contribution of forest ecosystems in carbon sequestration. As a core member of Chinese Ecosystem Research Network (CERN) and National Ecosystem Research Network of China (CNERN), Dinghushan Forest Ecosystem Research Station (the Station) has been monitoring carbon and water fluxes in a mixed broadleaf-conifer forest, a major forest type in low subtropical China since the end of 2002, which is now in line with an improved standardization procedure. Among the major forest types, the mixed broadleaf-conifer forest is a typical forest at Dinghushan, and also a common forest type in lower subtropical China. According to the unified technical specifications of ChinaFLUX, the Station has carried out a 17-year of standardized monitoring of carbon-water flux and key meteorological elements in the mixed coniferous broad-leaved forest ecosystem from 2003 to 2010. The statistically systematized and analyzed dataset presents the dynamic measurement data of carbon water fluxes in the mixed coniferous broad-leaved forest from 2003 to 2010 at Dinghushan. The dataset also includes the information on the process of dataset construction. The setup and data sharing of the carbon-water flux database provide critical data for deep studies on the carbon, water and energy exchange between the forest canopy and atmospheric boundary layers, in the context of water and heat pattern under global change. The dataset is a strong support for forest management and ecosystem service function evaluation in this lower subtropical area.
                    Keywords:?Key words: Dinghushan National Nature Reserve;?eddy covariance methods;?mixed coniferous broad-leaved forest;?carbon-water flux;?meteorological factor
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測數據集
                    數據作者李躍林,閆俊華,孟澤,黃健強,張雷明,陳智,劉世忠,褚國偉,張倩媚,張德強
                    數據通信作者李躍林(yuelin@scib.ac.cn);閆俊華(jhyan@scib.ac.cn)
                    數據時間范圍2003年1月至2010年12月
                    地理區域中國鼎湖山國家級自然保護區(23°09′21"–23°11′30"N,112°30′39"–112°33′41"E)
                    數據格式*.xls
                    數據量35 MB
                    數據服務系統網址http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02
                    http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009
                    基金項目國家自然科學基金項目(31670453、31961143023);中國科學院戰略性先導科技專項(XDA19020302);中國生態系統研究網絡(CERN)鼎湖山森林生態系統定位研究站運行服務項目;國家科技部(CRERN)廣東鼎湖山森林生態系統國家野外科學觀測研究站運行服務項目。
                    數據庫(集)組成分為半小時、日尺度、月尺度和年尺度常規氣象數據(空氣溫度、空氣相對濕度、水汽壓、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、太陽輻射、光合有效輻射和降水等)和碳水通量(生態系統總初級生產力、生態系統呼吸、凈生態系統生產力、潛熱通量、顯熱通量)數據產品表格。
                    Dataset Profile
                    TitleAn observation dataset of carbon and water fluxes in a mixed coniferous broad-leaved forest at Dinghushan (2003 – 2010)
                    Data authorsLI Yuelin, YAN Junhua, MENG Ze, HUANG Jianqiang, ZHANG Leiming, CHEN Zhi, LIU Shizhong, CHU Guowei, ZHANG Qianmei, ZHANG Deqiang
                    Data corresponding authorLi Yuelin (yuelin@scib.ac.cn); Yan Junhua (jhyan@scib.ac.cn)
                    Time rangeFrom January 2003 to December 2010
                    Geographical scopeDinghushan National Nature Reserve of China, 23°09′21"N–23°11′30"N, 112°30′39"E–112°33′41"E.
                    Data format*.xls
                    Data volume35 MB
                    Data service system<http://www.cnern.org.cn/data/initDRsearch?classcode=SYC_A02>
                    < http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009>
                    Sources of fundingNational Science Foundation of China (31670453, 31961143023); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302); Dinghushan Forest Ecosystem Positioning Research Station of the National Science and Technology Infrastructure Platform, Chinese Ecosystem Research Network (CERN); Operation Service Project of National Scientific Observation and Research Field Station of Dinghushan Forest Ecosystem in Guangdong, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China.
                    Dataset compositionThe dataset is composed of routine meteorological data (air temperature, air relative humidity, vapor pressure, wind speed, wind direction, soil temperature, soil moisture, solar radiation, photosynthetic active radiation, and precipitation, etc.) and carbon and water fluxes (gross ecosystem primary productivity, ecosystem respiration, net ecosystem productivity, latent heat flux, sensible heat flux), forming data products of half-hour, daily, monthly, and yearly scales.
                    引 言
                    對陸地生態系統與大氣間的碳交換通量的長期定位測定及其精確估算,是評價區域及全球生態系統碳源匯功能[1]、開展大尺度模型研究進而預測生態系統對不同時空尺度全球變化的響應特征的基礎和前提,因而成為地球系統科學、生態和環境科學領域共同關注的一個關鍵性科學問題[2,3,4]。森林生態系統是陸地生態系統的主體,森林生態系統碳水通量的觀測顯得尤為重要。在廣東,從“十年綠化廣東”到“新一輪綠化廣東大行動”,廣東森林結構和類型也發生了相應變化。其中,20世紀80年代營造的馬尾松林經自然演替已逐步被針闊葉混交林所替代,針闊葉混交林作為森林演替過程中的中間類型,已成為主要森林類型之一[5]。結合全球變化,研究表明過去60年來,熱帶亞熱帶區域年均氣溫每年增加0.019℃,年降雨量不變,但小雨天數減少、無雨天數增加、降雨強度增大,導致土壤水分和大氣濕度顯著下降[6-7]。南亞熱帶水熱格局正在悄然發生深刻的變化,華南濕潤區針闊葉混交林的碳水通量交換過程和影響機制研究對森林資源管理、全球氣候變化等相關研究工作具有重要的意義。
                    鼎湖山森林生態系統定位研究站(簡稱鼎湖山站)是中國生態系統研究網絡(CERN)和UNESCO/MAB(聯合國教科文組織/人與生物圈計劃)的站點之一,依照中國通量觀測研究網絡(ChinaFLUX)碳水通量監測規程,自2002年10月以來,長期開展了針闊葉混交林群落水汽通量監測與研究[8,9,10,11]。本數據整理了鼎湖山站2003–2010年針闊葉混交林水汽通量數據,以期為深入探討全球水熱格局變化情形下的生態系統與大氣之間碳、水和能量交換監測研究提供本底資料,為該地區的森林經營管理及生態系統功能評價提供數據支撐;在數據服務功能方面,以期服務政府和科研機構,提高公眾使用度,促進全球陸地森林生態系統碳水通量研究。
                    1 ? 數據采集和處理方法
                    1.1 ? 數據采集樣地描述
                    鼎湖山國家級自然保護區(23°09′21"–23°11′30"N,112°30′39"–112°33′41"E)位于廣東省肇慶市鼎湖區,占地總面積為1155 hm2,主要地形為丘陵和低山,海拔100–700 m。該地區屬于南亞熱帶季風氣候,年降水量為1714 mm,年平均濕度為76%,4月至9月為濕季,10月到翌年3月為旱季,濕季降水量占全年降水量80%左右。年均氣溫22.5℃,最冷月(1月)和最熱月(7月)平均氣溫分別為13.8℃和28.8℃。地質基礎主要為泥盆紀砂巖、砂頁巖、頁巖和石英砂巖,地帶性土壤為南亞熱帶赤紅壤[12,13,14,15 ]。鼎湖山植物群落呈現終年常綠,郁閉度約95%。根據森林生態系統演替系列,鼎湖山的植物群落可分為演替初期的馬尾松針葉林、演替中期的針闊葉混交林和演替后期的季風常綠闊葉林。針闊葉混交林喬木層主要物種為木荷(Schima superba)、錐栗(Castanopsis chinensis)、和馬尾松(Pinus massoniana)等[11,16],優勢喬木樹種的生物量占比在85%以上。草本主要為芒萁(Dicranopteris pedata)、淡竹葉(Lophatherum gracile)等,灌木主要有山血丹(Ardisia lindleyana)、變葉榕(Ficus variolosa)等。
                    本研究數據采集對象為針闊葉混交林群落,南亞熱帶森林群落的演替中間階段,具有典型代表性。為研究針闊葉混交林生態系統冠層碳水交換能力及其生態系統服務功能維持機制等,最早于2002年10月在海拔300 m建立針闊葉混交林樣地碳通量塔,進行水汽通量監測。樣地位于鼎湖山五棵松,表1為樣地概況[7,17-18]。
                    表1 ? 通量下墊面樣地基本信息
                    序號樣地名稱針闊葉混交林永久樣地
                    1演替階段中間過渡
                    2位置23°10′25.4″N,112°32′3.7″E
                    3海拔(m)300
                    4坡向SE
                    5坡度 (°)10
                    6平均樹高(m)17.5
                    7林齡(a)50–100
                    8郁閉度(%)>95
                    9葉面積指數(m2·m-25.2
                    10林分密度(每公頃株數)4167
                    11生物量(t·hm2260.0
                    12土壤類型赤紅壤
                    1.2 ? 數據來源及采集方法
                    數據來源于鼎湖山站碳水通量觀測系統,下墊面為針闊葉混交林永久樣地,通量觀測塔高38 m,裝有2層開路渦度相關通量觀測系統,觀測探頭高度分別為28 m和3 m,分別代表林冠層頂/大氣界面、林冠下層/地表草本界面的通量。通量觀測鐵塔上同時安裝多層微氣象觀測系統。氣象梯度觀測系統包括:7層三杯風速儀和溫、濕度構成風速和溫濕度垂直梯度觀測系統;此外,還設置了2層PAR傳感器以觀測PAR垂直變化;在通量觀測塔頂層設置了太陽輻射傳感器和雨量筒,其中太陽輻射含太陽總輻射四分量動態,地下觀測指標還有地表溫度、土壤熱通量、土壤溫度、土壤體積含水量等[19]。觀測始于2002年10月,本數據集提供2003年1月至2010年12月觀測數據。
                    觀測系統的渦度相關和氣象梯度觀測參數獲取方法:CO2、H2O和能量通量系統采集頻率為10 Hz,常規氣象要素的數據采集頻率為0.5 Hz。為了保證數據可靠性,所有儀器設備均進行定期校對和維護。各觀測項目所用儀器型號、儀器制造商,以及數據采集傳感器及其生產廠家等相關信息如表2。
                    表2 ? 觀測參數所用儀器信息
                    觀測系統測定要素儀器型號儀器制造商數據采集器數據采集器制造商
                    常規氣象要素空氣溫度/濕度HMP45CVAISALACR23XCAMPBELL
                    降水量52203RM YOUNG
                    總輻射CM11KIPP&ZONEN
                    凈輻射CNR-1KIPP&ZONEN
                    光合有效輻射LQS70-10APOGEE
                    風速A100RVECTOR
                    風向W200PVECTOR
                    氣壓CS105VAISALA
                    紅外溫度傳感器IRTS-PPOGEE
                    土壤溫度105T/107-LCAMPBELL
                    土壤水分CS615-LCAMPBELL
                    土壤熱通量HFP01HUKSEFLUX
                    CO2和水熱通量三維超聲風速CSAT3CAMPBELLCR5000CAMPBELL
                    CO2、H2O密度LI-7500ALI-COR
                    顯/潛熱通量**LI-7500ALI-COR
                    注:** 由Li7500A及三維超聲風速儀(CSAT3)獲取的水汽濃度、超聲溫度計算顯熱和潛熱通量。
                    1.3 ? 數據加工、處理方法與過程
                    基于ChinaFLUX流程與標準[20-21],本數據集的構建過程主要包括:數據觀測、采集、質控、處理等流程[22-23]。具體的構建過程見圖1。首先通過數據采集器自動存儲采樣頻率為10 Hz原始數據,先對原始數據校正,其中含針對超聲虛溫(Ts)數據的二次坐標變換及超聲虛溫校正,之后存儲30 min的通量數據,在線進行空氣密度脈動訂正、插補,同時進行地形和儀器傾斜影響訂正,并對通量進行如下質量控制,剔除符合如下任意條件的記錄數據:(1)有降水;(2)CO2、水汽濃度超過儀器量程范圍;(3)湍流不充分(即摩擦風速u* <0.05 m/s);(4)有效樣本少于15000;(5)異常突出的數據。一般u*訂正閾值取0.15–0.2 m/s,對鼎湖山站數據分析表明:當u*>0.05 m /s時,夜間通量數據隨風速變化不明顯,而有效樣本數大幅度下降,為避免樣本數太少帶來新的不確定性,故而取u*閾值為0.05 m/s。此外,由于局地地形影響,冠層下方存在明顯的類似山谷風的風向日變化,且發現通量數據在南風方向上普遍偏低,為避免地形因素導致對通量數據系統性偏低估算,剔除風向在120–200°之間的數據。通過上述質量控制后,獲取30 min有效通量數據[9,11]。對于氣溫、土壤溫度、土壤水分含量等常規氣象觀測參數,數據采集器對采樣頻率為10 Hz原始數據在線計算并自動存儲30 min統計數據[9,11]。


                    圖1 ? 數據構建流程
                    2 ? 數據樣本描述
                    本數據集為2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測數據,數據存儲格式為Excel文件,每年有8個Excel數據文件,分為兩類數據文件,一類常規氣象數據文件,一類通量數據文件,每年每類數據文件各有4個,即30 min、日、月和年尺度,總共64個文件,總數據量35 MB。表3、4列出數據表單所包含的具體字段名稱、類型及示例。
                    表3 ? 鼎湖山針闊葉混交林常規氣象觀測數據表單內容
                    數據項計量單位觀測高度數據項說明
                    年份
                    月份
                    日期
                    小時
                    分鐘
                    近地面空氣溫度3、8、13、18 m近地面平均空氣溫度
                    冠層上方空氣溫度23、28、33 m冠層上方平均空氣溫度
                    近地面空氣濕度%3、8、13、18 m近地面平均相對濕度
                    冠層上方空氣濕度%23、28、33 m冠層上方平均相對濕度
                    近地面水汽壓kPa3、8、13、18 m近地面水汽壓
                    冠層上方水汽壓kPa23、28、33 m冠層上方水汽壓
                    近地面風速m/s3、8、13、18 m近地面風速
                    冠層上方風速m/s23、28、33 m冠層上方風速
                    風向degree35 m風向
                    大氣壓kPa1.5 m大氣壓強
                    太陽輻射W/m235 m太陽輻射
                    凈輻射W/m235 m凈輻射
                    光合有效輻射μmol/m28、33 m光合有效輻射
                    土壤溫度9層(0、5、10、15、20、40、60、80、100 cm)土壤溫度
                    土壤體積含水量m3/m33 層(5、20、40 cm)土壤水分
                    降水量mm35 m總降雨量
                    表4 ? 鼎湖山針闊葉混交林通量觀測數據表單內容
                    數據項計量單位數據項說明
                    年份
                    月份
                    日期
                    小時
                    分鐘
                    NEEmg CO2 m-2 s-1半小時尺度的凈生態系統生產力
                    REmg CO2 m-2 s-1半小時尺度的生態系統呼吸
                    GEEmg CO2 m-2 s-1半小時尺度的總生態系統生產力
                    LEW m-2半小時尺度的潛熱通量
                    HsW m-2半小時尺度的顯熱通量
                    3 ? 數據質量保證和質量控制
                    本數據集來源于野外樣地的實時監測及質量控制后分析整理的數據。設備的安裝、數據的獲取及校正,均在ChinaFLUX技術團隊指導下,由鼎湖山站具有長期野外工作經驗的技術人員及科研人員完成,確保了數據準確性。具體數據質量的控制方法在數據產生流程中已有簡介,在保證數據可靠性的前提下,采用ChinaFLUX數據質量保證和控制方法進行數據入庫。
                    半小時尺度上,不同年份之間凈生態系統生產力(NEE)、潛熱通量(LE)和顯熱通量(H)有效觀測數據比例分別為60.4%–68.9%、65.3%–76.8%、66.2%–80.0%,質控后有效通量數據比例如(表5)。
                    表5 ? 鼎湖山通量有效觀測數據比例(%)
                    年份凈生態系統CO2交換量(NEE)潛熱通量(LE)顯熱通量(H)
                    200362.666.669.0
                    200465.570.873.2
                    200564.471.374.6
                    200669.376.480.0
                    200767.471.873.4
                    200868.976.878.7
                    200960.465.366.2
                    201061.266.169.4
                    4 ? 數據價值
                    在全球水熱格局可能發生變化的情形下,森林生態系統物質循環和能量流動中的碳水通量的生態學意義顯得尤為重要。南亞熱帶針闊葉混交林生態系統是我國生態關鍵帶的重要森林生態系統類型之一,其過程與變化的研究是生態學研究的重點,生態系統過程對全球變化有響應和反饋作用,是闡述全球變化的影響與適應機理的基礎。因此對我國南亞熱帶鼎湖山代表性森林類型針闊葉林混交林的碳水通量等過程進行分析和研究,將有利于森林經營管理和利用,并對全球變暖提出林業上的科學對策有著較為重要的意義。
                    對鼎湖山針闊葉混交林的碳水通量的實測,可為該地區的森林物質循環、能量流動提供準確的基礎信息[2]。鼎湖山針闊葉混交林林分年齡為50–100年,群落有著復雜的垂直結構,系統穩定,是代表本地帶中間過渡性類型的森林植被[3]?;谥袊鴣啛釒纬蓹C理,學術界公認鼎湖山所在區域水熱環境對全球變化極其敏感。隨著青藏高原冰川的逐步消融,預計海陸季風效應將進一步加強,全年降水變率有可能進一步加大,導致干季土壤水分進一步虧缺[8,24]。在這種逐步改變的環境下,鼎湖山的針闊葉混交林群落的響應可為森林生態系統結構、功能和動態研究以及區域退化生態系統恢復研究提供重要參考[2-3]。而關于該森林類型碳水通量公開數據少之又少,因此更具重要數據價值。
                    本數據集可應用于全球氣候變化情形下的碳水循環分析、森林生態系統服務功能比較、林業經營管理等相關研究領域,也可以考慮在不同的典型區域、典型陸地生態系統之間開展多臺站數據聯網分析,結合ChinaFLUX多站點碳水通量數據,將為模型分析提供非常有用的數據。
                    5 ? 數據使用方法和建議
                    本數據集可通過鏈接Science Data Bank在線服務網址(http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.1009)下載數據;相關通量的下墊面的植被等數據信息可通過廣東鼎湖山森林生態系統國家野外科學觀測研究站(http://dhf.cern.ac.cn/)數據資源服務網申請。
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                    數據引用格式
                    李躍林, 閆俊華, 孟澤, 等. 2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-11-23). DOI: 10.11922/sciencedb.1009.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    李躍林, 閆俊華, 孟澤, 等. 2003–2010年鼎湖山針闊葉混交林碳水通量觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2021, 6(1). (2021-03-02). DOI: 10.11922/csdata.2020.0046.zh.
                    李躍林
                    Li Yuelin
                    主要承擔工作:數據分析和論文撰寫。
                    yuelin@scib.ac.cn
                    (1970—),男,湖南人,研究員,研究方向為森林生態學。
                    閆俊華
                    Yan Junhua
                    主要承擔工作:項目組織與協調,數據質量控制。
                    jhyan@scib.ac.cn
                    (1973—),男,河南人,研究方向,生物地球化學。
                    孟澤
                    Meng Ze
                    主要承擔工作:數據采集與質量控制。
                    (1970—),男,湖南人,技術員。
                    黃健強
                    Huang Jianqiang
                    主要承擔工作:數據整理和論文撰寫。
                    (1994—),男,廣東人,碩士研究生,研究方向為森林水分生理。
                    張雷明
                    Zhang Leiming
                    主要承擔工作:數據處理和質量控制。
                    (1974—),男,副研究員,研究方向,生態系統碳水循環與全球變化。
                    陳智
                    Chen Zhi
                    主要承擔工作:數據質量分析。
                    (1981—),女,助理研究員,研究方向,生態系統碳通量時空格局。
                    劉世忠
                    Liu Shizhong
                    主要承擔工作:樣地植被調查。
                    (1970—),男,廣東人,高級工程師,研究方向為森林生態學。
                    褚國偉
                    Chu Guowei
                    主要承擔工作:儀器維護與質量控制。
                    (1976—),男,廣東人,高級工程師,研究方向為環境生態學。
                    張倩媚
                    Zhang Qianmei
                    主要承擔工作:數據質量控制與整理入庫、數據共享。
                    (1970—),女,廣東人,正高級工程師,研究方向為森林生態學。
                    張德強
                    Zhang Deqiang
                    主要承擔工作:項目組織與協調。
                    (1963—),男,廣東人,研究員,研究方向為森林生態學。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年11月23日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2021年3月30日 ( 版本ZH3
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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