起德花，杨大新，宋清海，刘运通，张一平，费学海，沙丽清，周文君，陈爱国,3，闻国静,3，张树斌,3

1.中国科学院热带森林生态学重点实验室(中国科学院西双版纳热带植物园)，云南勐腊 666303

2.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025

3.中国科学院西双版纳热带植物园元江干热河谷生态站，云南元江 653300

★起德花、杨大新为论文并列第一作者（qidehua@xtbg.ac.cn；yangdaxin@xtbg.ac.cn）

引 言

稀树草原植被是世界上一种比较特殊的群落类型，以草丛为背景构成大片草地植被[1]，其中散生稀疏的乔木和灌木（树冠覆盖率低40%），草本层为优势层，灌木层为次优层，乔木较少，点缀于群落中[2]，其一般分布在干湿季明显的亚热带和热带地区，分部地域广、面积大[3]，主要分布在南美洲、澳洲、非洲、亚洲。有些稀树草原生物多样性与热带雨林相当，是世界生物多样性的宝库[4]，但由于特殊的干、热气候条件使得这些地区的生态系统脆弱，生态环境恶劣，生物类群受气候变化的影响较敏感[5]。

元江干热河谷是云南省面积最集中、分布最连续的干热河谷[6]，也是世界稀树草原植被的重要组成部分，由于特殊的地理环境、气候和植被结构，形成了生物多样性丰富的生态系统。干热河谷坝区低山、常年高温干旱、水热矛盾突出、人类活动干扰强烈、水土流失严重、植被覆盖率低（裸岩率达到61.6%）、生态环境恶化、地形破碎、是我国典型特殊环境生态系统类型[7]，也是我国典型的生态脆弱带之一。近年来，我国稀树草原面积正在增大，生态系统群落正在迅速退化，因此选择元江干热河谷稀树草原群落为对象，利用涡动相关系统连续观测稀树草原生态系统碳水通量和关键气象要素数据，为进一步研究稀树草原生态系统脆弱区的生态恢复及生物多样性维持与适应性机制提供数据支撑，有助于了解其植被生长状况与环境、缓解气候变暖和全球碳水循环、提高资源管理水平与可持续利用、探讨稀树草原生态系统起源与演化历史等。

元江站作为我国第一个干热河谷生态系统研究站，站区拥有保存完好的中国最典型的干热河谷植被类型，即稀树灌木草丛和肉质多刺灌丛，生态系统类型独特而脆弱。由于该观测站位于地表相对平坦的半山坡，受人类活动影响小，对元江干热河谷地区的气候状况具有很好的代表性。于2013年按照中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）的标准配置通量系统，建设了元江干热河谷生态系统碳水通量观测平台，设施达到国际领先水平。基于ChinaFLUX 数据处理体系，整理了2013 年5 月到2015 年12 月元江稀树草原生态系统通量和常规气象数据。本数据集包含半小时、日尺度、月尺度和年尺度的空气温度、空气相对湿度、水汽压、风速、风向、太阳辐射、光合有效辐射、土壤温度、土壤水分和降水、生态系统净碳交换量（NEE）、生态系统呼吸（RE）、生态系统碳交换总量（GEE）、潜热通量（LE）、显热通量（Hs）等观测数据。以期服务于政府和科研机构，提高公众使度，进而推动中国乃至全球稀树草原生态系统碳水通量研究及相关领域的发展。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

观测铁塔位于云南省玉溪市元江国家级自然保护区内，即我国第一个稀树草原生态系统国家级自然保护区——元江干热河谷生态站，地处我国最为典型的稀树草原生态系统区域，102°10′39″E，23°28′26″N，海拔为553 m，土壤为燥红土，土壤pH 为7.3。据长期观测资料统计，年平均气温为23.8℃，年平均日照时数为2350 h[8]，年平均降水量为711.8 mm，降雨集中在5-10 月，雨季土壤体积含水量为10%-30%，干季土壤体积含水量为6%-20%，土壤有机碳、总氮、总磷分别为12.1 g/kg、1.0 g/kg、0.30 g/kg。年平均相对湿度为67%，年平均水汽压为2.17 hPa，平均风速为1.6 m/s。

观测铁塔处地形相对较平坦，生态系统群落外貌上，为“稀树-灌木-草丛”状，植被类型为肉质多刺灌丛和稀树草原[9]，主要以落叶植物占优势[10]，群落之间生境差异性较大，物种多样性明显[11]，是中国最典型的干热河谷植被类型，平均林冠冠层高度4-6 m，草本优势种为禾本科扭黄茅（Heteropogon contortus），乔木优势种为厚皮树(Lannea coromandelica)，灌丛主要为霸王鞭（Euphorbia royleana）。稀树灌丛穿透雨率较高（83.8%），林冠截留率较低（14.3 %）[12]。生物量大约70 t/ha，凋落物量大约4.31 t/ha。

观测铁塔于2013 年5 月正式投入使用，塔高13.9 m，塔上的仪器分地上、地下两部分。地上部分包括开路涡度相关观测系统和常规气象观测项目[13]。主要观测仪器包括三维超声风速仪、自动雨量计、2 层大气温湿度传感器、四分量辐射传感器以及开路CO2/H2O 分析仪；地下部分观测仪器包括5 层土壤温度传感器、2 层土壤含水量传感器、土壤热通量板。全部观测数据保存到PC 卡并由电脑实时下载。下载的通量数据包括实时数据和半小时平均数据，常规气象数据则包括半小时平均和日平均数据[14]。

1.2 数据采集方法

观测系统的涡度相关和气象梯度观测数据都是通过数据采集器进行自动采集并存储，CO2、H2O和能量通量系统频率为10 Hz，常规气象要素的数据采样频率为0.5 Hz。为了保证数据可比性和准确性，提升研究结果可靠性，对所有仪器设备进行定期校对和维护。涡度相关系统和气象梯度观测系统仪器型号、生产商等相关信息见表1，安装位置具体情况见表2。

表1 观测项目所用分析仪相关信息

1.3 数据处理和产品加工方法

经过涡动相关处理后得到的CO2通量数据的时间间隔为30 min，数据处理基本基于ChinaFLUX流程与标准[15-16]，在获得湍流通量之前，数据进行了严格的质量控制[17]，详细介绍参见费学海等[18]。数据处理流程见图1。

气象数据质量保证/质量控制：

（1）30 min 原始气象数据时间校对：

检查每年的数据是否全（平年数据是365×48=17 520 行/年，加上表头信息是17 524 行/年，对于时间信息没全的时间数据进行检查并插补。

（2）异常值剔除：

对输出30 min 的气象数据值为1.#IND,1.#INF,NAN（1.#IND,1.#INF,NAN 均为数据缺失值）的数据进行剔除。

（3）阈值剔除：

对Tair（空气温度）、Tsoil（土壤温度）大于40℃、小于0℃的数据进行剔除（经过元江多年、多个站点数据，元江温度未出现负值），对空气湿度rh 小于0%的数据进行剔除；对于风向数据大于360 度和小于0 度〔陆地上，风向一般用16 个方位表示，在高空则用角度表示。用角度表示风向，是把圆周分成360 度，北风（N）是0 度（即360 度），东风（E）是90 度，南风（S）是180 度，西风（W）是270 度，因此风向不会大于360 度，也不会小于0 度。〕的数据进行剔除；对于夜间太阳辐射Dr 大于10 W m-2，白天太阳辐射Dr 大于2000 W m-2的数据进行剔除；降水量明显低于最近气象站的降水数据进行剔除（雨量筒出现堵塞）。

（4）气象数据插补：

申请元江干热河谷生态站的气象数据，对已经缺失或者剔除的气象数据用元江站气象数据进行插补，气象站离通量塔0.7 km，是离通量塔最近的另外一个气象站。

碳水通量质量保证/质量控制：

（1）对已经转换出来的30 min 原始通量数据时间校对：

检查每年的数据是否全（平年数据是365×48=17520 行/年，加上表头信息是17 524 行/年，对于时间信息没全的时间数据进行检查并插补。

（2）异常值剔除：

对输出30 min 的通量数据值为1.#IND,1.#INF,NAN（1.#IND,1.#INF,NAN 均为数据缺失值）的数据进行剔除。

（3）阈值剔除：

对水汽浓度H2O > 40 g m-3或者H2O < 0 g m-3）的数据进行剔除；对CO2浓度>1000 mg m-3或者CO2< 200 mg m-3的数据进行剔除；对n_Tot（样本总数）<15000 的数据进行剔除；对夜间摩擦风速u* < 0.2 m s-1的数据进行剔除；对涡度碳通量数值Fc>2 mg m-2s-1或者Fc<−2 mgm-2s-1的数据进行剔除；对LE>1200 W m-2或LE<−300 W m-2的数据进行剔除；对有降雨发生的通量和CO2浓度数据进行了剔除；对HS>900 W m-2或HS<−300 W m-2的数据进行剔除。

（4）坐标轴旋转（采用自然风系统三次旋转方法）、WPL 校正：

在Matala 中输入代码进行坐标轴旋转、WPL 校正。

图1 涡度相关系统30 min 碳水通量数据处理流程数据（引自文献[18]）

（5）重复数据筛选步骤，对通量数据进一步筛选（经过坐标轴旋转、WPL 校正出来的数据偶偶会出现明显超范围数值）。

NEE 的计算：

生态系统净碳交换量（NEE）是生态系统中植物光合作用吸收的CO2〔即生态系统总初级生产力（GPP）〕与生态系统生物及非生物呼吸释放的CO2〔即生态系统呼吸（Reco）〕间平衡的结果。对于森林生态系统来说，其由涡度相关系统测得的碳通量（Fc）与同一时间段内存储在地表到测量界面这段空间碳储量（Fs）这两部分组成，Fc，Fs和NEE表达如公式（1）[19]和公式（2）[20]所示：

其中，Fc为生态系统与大气间CO2通量，其由EC 测得，在数据处理时Fc为经过坐标轴旋转（采用自然风系统三次旋转方法）、WPL 校正后的Fc值；Fs表示涡度相关系统观测高度与地面间CO2储存量变化量，其根据单位时间内单位体积CO2浓度变化计算所得，Δc/Δt 表示单位时间内CO2浓度变化速率，Δt 为相邻时间间隔（取30 min），zr为观测界面（涡度相关系统安装）的高度。当NEE和Fc为正值时，表示生态系统释放CO2，为负值时表示生态系统吸收CO2，此时生态系统为碳汇功能。以太阳辐射（Dr）区分白天（Dr≥10 w m-2）和夜间（Dr <10 w m-2），视夜间的NEE（μmol m-2s-1）为生态系统夜间呼吸速率（Reco）。

通量数据插补：通量数据插补在涡流相关数据处理工具网（https://www.bgc-jena.mpg.de/REddyP roc/brew/REddyProc.rhtml）进行在线插补。

CO2通量数据拆分：由于涡度相关法只能直接测量出生态系统的NEE，因此需通过一定方法实现NEE的拆分，从而得到Reco和GPP值。本研究据Lloyd-Taylor 方程（3）[21]来计算生态系统呼吸Reco：

式（3）中T 为土壤5 cm 处温度；Rref为生态系统在参考温度Tref（13℃即283.15 K）下的呼吸值；E0为活化能（本研究取307 K）；Reco,ref表示生态系统的基础呼吸速率；T0是生态系统呼吸为零时5 cm 土壤温度（K），本研究取（-46.02℃，即227.13 K）。单位为μmol m-2s-1。

由于在夜间（Dr < 10 w m-2），夜间净CO2交换量（NEEn）与夜间生态系统呼吸（Rn-eco）间关系为NEEn=−Rn-eco，故用式（3）对夜间筛选后的有效CO2净交换（NEEn）数据与土壤5 cm 温度分时段进行拟合，从而对模型进行校准和参数化，求得生态系统白天的呼吸（Rd-eco）结果。故GPP计算公式为（4）：

式（4）中，GPP、GEE、Reco和NEE单位都为 μmol m-2s-1。

在获得完整的30 min 数据后，将NEE、Reco、GEE等累加求和，得到日、月、年不同时间尺度上的通量数据[22]。

2 数据样本描述

2.1 数据子集与数据量

本数据集为元江干热河谷生态站2013-2015年连续3年的碳水通量观测数据，每年有8个EXCEL数据文件，分为两类数据文件：一类常规气象数据文件，一类通量数据文件。每年每类数据文件各有4 个，即30 min、日、月和年尺度，总共24 个文件，总数据量11 MB。

2.2 数据文件示例

以2014 年数据文件为例，表2 为2014 年元江干热河谷生态站30 分钟气象数据表头说明。表3为2014 年元江干热河谷生态站不同时间尺度通量数据表头说明，所有数据均是以数字形式呈现。

表2 气象数据表说明及指标观测高度

表3 不同时间尺度通量数据表说明

3 数据质量控制和评估

半小时尺度上，不同年份之间生态系统净碳交换量（NEE）、潜热通量（LE）和显热通量（H）有效观测数据比例分别为56.8 %-66.5 %、87.8 %-90.9 %、89.9 %-92.2 %。其中，除2015 年净生态系统生产力是56.8 %外，其余年份的生态系统净碳交换量、潜热通量和显热通量有效数据量均达到65 %以上（图2）。

图2 半小时尺度上不同年份质控的有效通量数据比例（%）

4 数据使用方法和建议

碳水通量数据集的时间范围为2013-2015 年，本数据集可应用于全球气候变化情形下的水分循环分析、不同森林类型的生态系统服务功能比较、林业经营管理等相关领域，也可为稀树草原生态系统碳水热时空动态的科学认知、遥感反演、模型的开发、模型验证提供地面观测数据支撑。本数据集可通过链接 Science Data Bank 在线服务网址（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00066）下载数据；也可通过中国科学院西双版纳热带植物园元江干热河谷生态站申请数据。

为了便于不同站点数据的比较，基于ChinaFLUX 数据处理体系进行数据处理和质量控制。但是本数据集在使用中需要注意以下3 个方面：

（1）由于不同方法处理结果之间存在一定的差异，共享的数据可能与台站自行计算发表的文章中的研究结果存在一定的差异。

（2）由于夜间空气层结过于稳定，使得涡度相关仪器响应小，从而导致涡度相关观测中的存在无法避免误差，因此在机理解析中应尤其慎重。

（3）缺失数据的插补必然引起不确定性。由于本数据集包括了从半小时到年尺度的4 类数据，尤其通量数据日、月和年尺度是以半小时数据为基础进行的数据累积求和，所以，以半小时为步长测量的数据的精确性和完整性影响了更大时间尺度的数据准确性。不管是用于模型验证还是研究碳水过程的控制机制研究，建议以半小时步长未插补的数据集为准。

致 谢

元江干热河谷生态站碳水通量观测数据集积累离不开中国科学院西双版纳热带植物园和元江站的大力支持，元江站承担了通量和气象观测设备的野外维护和原始数据采集工作，为本数据集的生产做出了不可缺少的贡献，特此致谢！同时也感谢国家973 项目（2002CB412501、2010CB833501），国家自然科学基金（41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147、42075119）、国家重点研发计划（2016YFC0502105）、国家基金青年科学基金项目（40801035），中国科学院项目（KZCX1-SW-01-01A、KZCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04、XDA05050601），中国科学院“一三五”专项（方向一：2017XTBG-F01、突破一：2017XTBG-T01），云南省中青年学术和技术带头人后备人才项目（202005AC160003），云南省万人计划青年拔尖人才项目（宋清海），中国科学院战略性先导科技专项（XDA19020302）等项目的资助，因有这些项目源源不断的支持，元江干热河谷碳水通量塔各个仪器探头才得以正常运行，并能持续积累8 年元江干热河谷碳水通量观测数据集，特此致谢！

数据作者分工职责

起德花（1993—），女，云南省永仁县人，硕士，研究助理，研究方向为全球变化。主要承担工作：数据采集和处理。

杨大新（1991—），男，山东省东营市人，硕士，初级工程师，研究方向为数据库运行。主要承担工作：数据集格式规范化、数据管理和服务。

宋清海（1979—），男，云南省昆明市人，博士，副研究员，研究方向为生态系统碳水分配模式。主要承担工作：碳水通量数据最终质量控制。

刘运通（1979—），男，云南省昆明市人，博士，副研究员，研究方向为生态系统碳通量时空格局。主要承担工作：数据质量分析。

张一平（1957—），男，云南省昆明市人，博士，研究员，研究方向为区域气候变化。主要承担工作：通量的总体运行与科学发展。

费学海（1984—），男，贵州省贵阳市人，博士，讲师，研究方向为气候变化与生态响应。主要承担工作：数据处理与撰写论文。

沙丽清（1963—），男，云南省昆明市人，博士，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。

周文君（1977—），女，云南省昆明市人，博士，副研究员，研究方向为数据挖掘与运用。主要承担工作：数据集格式规范化、数据管理和服务。

陈爱国（1963—），男，云南省昆明市人，硕士，高级工程师，研究方向为生态系统通量观测与数据分析。主要承担工作：数据质量控制。

闻国静（1992—），女，云南省元谋县人，硕士，初级工程师，研究方向为生态信息学。主要承担工作：数据采集与质量控制。

张树斌（1981—），男，云南省鹤庆县人，博士，高级工程师，研究方向为气候变化对生态系统的响应。主要承担工作：数据分析与撰写论文。

此外，杨东海、依涛香、封乾元等人主要承担数据观测、整理、初级质控及上报。