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                        中國通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）20周年專刊
                        

                        

                            II 區(qū)論文（已發(fā)表）
                        

                        
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        ZH3
    



                            
                        

                        
                            
                                
                                    Vol 8 (2)
                                        
    
                                        2023
                                    
                                

                            
                        

                    
    
                        
    







                        

                        

                        
    
                                下載
                                    
                        
    
                    
    
                    
    
                    
    


                    
    
                        
      
                            
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    2005–2014年錦州春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測數據集
    A dataset of carbon and water flux observations in the agricultural ecosystem of spring maize in Jinzhou (2005–2014)
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    摘要&關鍵詞
    摘要：基于渦度相關方法的長期連續(xù)農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測，對于提高作物產量和水資源利用效率、促進雙碳目標的實現具有積極意義。錦州農田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（錦州站）是中國通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）成員站之一，位于遼寧省錦州市，地處我國春玉米主要產區(qū)。錦州站自2004年5月開始基于渦度相關方法對春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量進行綜合觀測，持續(xù)至今。遵循ChinaFLUX通量數據處理體系，本數據集整理和統(tǒng)計了2005–2014年錦州春雨米農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量和輔助氣象環(huán)境觀測數據，形成了30分鐘、日、月和年4個時間尺度的標準化數據集，可為氣候變化和農田生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)過程及其機理等研究提供數據支持。
    關鍵詞：渦度相關；春玉米；碳通量；水通量；農田碳收支；農田蒸散
    Abstract & Keywords
    Abstract:?The observation of carbon and water fluxes in agricultural ecosystems based on eddy covariance technique (EC) is of great significance for improving crop yield and utilization efficiency of water resources in cropland, and promoting the realization of carbon peaking and carbon neutrality goals. Jinzhou agricultural Ecosystem Field Observation Station (Jinzhou Station) is one of the member stations of Chinese FLUX Observation and Research Network (ChinaFLUX). It is located in the main spring maize-producing area in Jinzhou City, Liaoning Province, China. Jinzhou Station has been carrying out the EC-based observation of carbon and water fluxes of the spring maize agricultural ecosystem since May 2004. In line with the ChinaFLUX data processing protocols, we statistically collected the carbon and water fluxes and auxiliary meteorological environment observations of the spring maize agricultural ecosystem in Jinzhou from 2005 to 2014, so as to obtain a standardized dataset with four-time scales (i.e. half-hourly, daily, monthly, and yearly). This dataset is expected to provide data support for the study of climate change and the process and mechanism of carbon and water cycle in farmland ecosystems.
    Keywords:?eddy covariance;?spring maize;?carbon flux;?water flux;?cropland carbon budget;?cropland evapotranspiration
    數據庫（集）基本信息簡介
    數據庫（集）名稱2005–2014年錦州春玉米農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量觀測數據集
    數據通信作者周廣勝（zhougs@cma.gov.cn）
    數據作者張森、周莉、周廣勝、賈慶宇、李榮平、王宇
    數據時間范圍2005–2014年
    地理區(qū)域121°12′6″ E，41°8′53″ N，海拔23 m
    數據量46.01 MB
    數據格式*.xlsx
    數據服務系統(tǒng)網址https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00062
    基金項目科技部基礎資源調查專項（2019FY101302）；中國氣象局創(chuàng)新發(fā)展專項（CXFZ2023P052）。
    數據庫（集）組成本數據集包括通量數據和氣象數據2個數據子集，每個子集均含30 min、日、月和年4種時間尺度的數據。其中：通量數據包含生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換(NEE)、生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Reco)、生態(tài)系統(tǒng)光合(GEE)、感熱通量(Hs)、潛熱通量(LE)等觀測指標；氣象數據包括空氣溫濕度、風速、風向、太陽輻射、光合有效輻射、土壤溫度、土壤水分、降雨量等觀測指標。
    Dataset Profile
    TitleA dataset of carbon and water flux observations in the agricultural ecosystem of spring maize in Jinzhou (2005–2014)
    Data corresponding authorZHOU Guangsheng (zhougs@cma.gov.cn)
    Data author(s)ZHANG Sen, ZHOU Li, ZHOU Guangsheng, JIA Qingyu, LI Rongping, WANG Yu
    Time range2005–2014
    Geographical scope121°12′6″ E, 41°8′53″ N, 23 m a.s.l.
    Data volume46.01 MB
    Data format*.xlsx
    Data service systemhttps://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00062
    Source(s) of fundingNational Science and Technology Basic Resources Survey Program of China (2019FY101302); China Meteorological Administration Innovation Development Special Project (CXFZ2023P052).
    Dataset compositionThe dataset includes two subsets (i.e. fluxes data and meteorological data), each of which contains data at 4 time scales (half-hourly, daily, monthly, and yearly). Among them, the flux data products cover ecosystem net carbon exchange (NEE), ecosystem respiration (Reco), ecosystem photosynthesis (GEE), sensible heat flux (Hs), latent heat flux (LE), etc.; meteorological data products cover air temperature, humidity, wind speed, wind direction, solar radiation, photosynthetically active radiation, soil temperature, soil moisture, rainfall, etc.
    

                                
    引  言                                                           
    農田作為糧食生產的基礎，承擔了全世界三分之二的糧食供給[1]，是糧食安全的根基；同時，農田是全球碳庫中重要且最活躍的碳庫[2-3]，不僅受氣候條件影響，人為管理措施的復雜多變等因素也導致農田碳收支的估算精度不高[4-5]。第三次全國國土調查數據顯示我國耕地面積為19.179億畝，農田生態(tài)系統(tǒng)面積大。開展農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量研究，提高作物產量和水利用效率，發(fā)展綠色低碳農業(yè)，對確保糧食安全、減緩氣候變化、促進雙碳目標的實現都具有積極意義[6-7]。
    玉米是我國第一大糧食作物，近20年以東北地區(qū)為主的北方春播玉米區(qū)逐漸成為我國第一大玉米主產區(qū)[8-9]，東北地區(qū)玉米種植面積約占全區(qū)糧食作物面積的60%[10]。錦州農田生態(tài)系統(tǒng)野外觀測站（錦州站）位于遼寧省錦州市，自2004年5月開始基于渦度相關法開展農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量綜合觀測。該站是中國通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）成員站之一，也是我國第一批渦度相關碳水通量觀測站之一。本數據集主要包括錦州站2005–2014年長期連續(xù)的玉米農田生態(tài)系統(tǒng)碳水通量和輔助氣象環(huán)境觀測數據，通量觀測指標主要有生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換（NEE）、生態(tài)系統(tǒng)光合（GEE）、生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）、潛熱通量（LE）、感熱通量（Hs），氣象觀測指標主要有空氣溫濕度、風速風向、輻射、降雨量、土壤熱通量、土壤溫濕度等。數據質量控制和處理遵循中國通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）數據處理體系，形成了30分鐘、日、月和年4個時間尺度的標準化數據集。
    1
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                    數據采集和處理方法
    1.1
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                    數據采集
    錦州站位于遼寧省錦州市太和區(qū)英屯村，該地區(qū)屬于暖溫帶季風氣候，四季分明，降水集中，季風氣候顯著，大陸性較強，屬于典型半干旱地區(qū)。年平均氣溫8–9 ℃，最冷月1月平均氣溫-8 ℃，極端最低氣溫可達-20 ℃以下，最熱月7月平均氣溫24 ℃，極端最高氣溫可達42 ℃；年平均降水量540–640 mm，是遼寧省降水量較少的地區(qū)之一，60%~70%的降水集中在夏季；無霜期144–180 d。站區(qū)土壤以棕壤為主，pH值6.3，土壤有機質0.6%–0.9%，0–30 cm土壤為中壤土。
    錦州站的通量觀測場地理坐標為121°12′6″ E，41°8′53″ N，海拔23 m，周圍地勢平坦開闊。通量觀測場及附近主栽作物春玉米，雨養(yǎng)，一年一熟制，冠層高度可達2.8 m，非生長季農田玉米殘茬約為10 cm。通量觀測主要設備包含一套開路式渦度相關觀測系統(tǒng)和一套氣象梯度觀測系統(tǒng)(表1)，由臺站工作人員進行日常維護，由工程師定期對儀器進行標定校準。開路式渦度相關觀測系統(tǒng)主要觀測要素為CO2、H2O和感熱通量，傳感器主要包括：紅外CO2/H2O氣體分析儀、三維超聲風速儀，數據采集頻率為10 Hz，并提供30 min在線通量數據；氣象梯度觀測系統(tǒng)主要觀測要素包括：空氣溫濕度、風速風向、凈輻射、光合有效輻射、降雨量、土壤溫濕度、土壤熱通量等，數據采集頻率為2 s，在線計算每30 min平均值/累積值。
    表1
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                錦州站碳水通量觀測設備信息
    觀測系統(tǒng)測定要素傳感器型號制造商觀測高度/深度
    開路渦度相關通量觀測系統(tǒng)CO2、H2O通量LI-7500LI-COR5 m
    感熱通量LI-7500LI-COR5 m
    三維超聲風速CSAT3CAMPBELL5 m
    氣象梯度觀測系統(tǒng)空氣溫/濕度HMP45CVaisala4 m、6 m
    風速014ACAMPBELL4 m、6 m
    風向034BCAMPBELL6 m
    光合有效輻射LI-190SBLI-COR4.5 m
    凈輻射CNR1Kipp & Zonen4.5 m
    土壤熱通量HFP01Hukseflux-5 cm
    土壤溫度107LCAMPBELL-5 cm、-10 cm、-15 cm、-20 cm、-40 cm、80 cm
    土壤水分Easy AGCAMPBELL-10 cm、-20 cm、-30 cm、-40 cm
    數據采集器通量采集CR5000CAMPBELL
    氣象要素采集CR23XCAMPBELL
    1.2
                        ?
                    數據處理和產品加工方法
    本數據集從觀測數據采集、質量控制、數據處理和存儲等各方面均遵循ChinaFLUX通量數據質量控制與處理技術體系完成[11-15]，數據處理軟件主要采用EddyPro和Matlab。數據處理流程見圖1。
    數據預處理                                                                                          ：主要包括對原始10 Hz高頻通量觀測數據中由于電子和物理噪聲等產生的異常值進行剔除、二次坐標轉換以消除地形不平坦或傳感器不垂直等影響[16-17]、計算30 min平均通量。
    數據校正                                                                                          ：主要包括對通量數據進行頻率響應校正、超聲虛溫校正、WPL校正、譜特征分析、穩(wěn)態(tài)測試與湍流積分特性分析等[15, 18]。
    數據質量控制/質量保證                                                                                          ：對30 min氣象觀測數據的質量控制包括異常值和閾值剔除；對通量數據的質量控制主要包括異常值剔除、閾值剔除、夜間摩擦風速閾值控制和降雨同期數據剔除等[11-13]。
    氣象缺失數據插補                                                                                          ：小于2 h的氣象數據缺失采用線性內插法進行插補；超過2 h的氣象數據缺失采用重復變量法進行[12]，如光合有效輻射的缺失值可通過建立觀測站點的光合有效輻射與總輻射的關系來插補。
    水熱通量缺失數據插補                                                                                          ：小于2 h的水熱通量數據缺失，依據相鄰數據進行線性插補；數據缺失超過2 h時，采用非線性多元回歸法[16-17]（時間窗口，3 d）。非線性回歸插補水熱通量缺失數據時，主要基于水熱通量與有效能量和水汽壓虧損等變量的多元回歸方程。
    CO2通量缺失數據插補                                                                                          ：小于2 h的CO2通量數據缺失，可用線性內插法插補；數據缺失超過2 h時，插補方法主要采用邊際分布采樣法、非線性多元回歸法（時間窗口，5 d），更長時間的CO2通量缺失采用平均日變化法完成。在基于非線性回歸插補CO2通量缺失數據時，生長季白天缺失數據主要利用植被光合作用與光合有效輻射之間的直角雙曲線 Michaelis-Menten 模型；非生長季及生長季夜間缺失數據的插補，采用生態(tài)系統(tǒng)呼吸與溫度間的指數函數關系進行插補[19-20]。
    CO2通量拆分                                                                                          ：渦度相關系統(tǒng)直接觀測到的碳通量是凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換量（NEE），是光合碳吸收和呼吸碳排放兩個過程平衡后的結果。為了獲得生態(tài)系統(tǒng)光合（GEE）和生態(tài)系統(tǒng)呼吸（Reco）的相應通量數據，需要對NEE進行拆分[19]。本數據集采用夜間觀測途徑，首先利用夜間碳通量和環(huán)境因子建立的呼吸模型估算白天生態(tài)系統(tǒng)呼吸，然后基于NEE = GEE + Reco得到GEE。


    圖1
                    ?
                通量數據處理流程
    Figure 1 Technological processing of flux data
    2
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                    數據樣本描述
    2.1
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                    數據子集與數據量
    本數據集時間跨度為10年（2005–2014年），包括通量數據和氣象數據2個數據子集，總文件大小為61.5 MB。兩個數據子集分別對應碳水通量數據和氣象數據2大類型數據，每類數據各有4個不同的時間尺度（30 min、日、月和年尺度），共計有80個Excel文件。
    2.2
                        ?
                    數據文件示例
    數據文件的命名格式為“年份+站名+數據類型+時間尺度”。如“2014年錦州通量日尺度數據.xlsx”和“2014年錦州氣象30分鐘數據.xlsx”。以2014年數據文件為例，表2為錦州站通量數據文件表頭說明，表3為錦州站氣象數據文件表頭說明。 
    表2
                    ?
                通量觀測數據表頭
    數據項計量單位數據項說明
    半小時尺度日尺度月尺度年尺度
    年////年份
    月////月份
    日////日期
    時////小時
    分////分鐘
    質控NEEmg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1經過質量控制后的生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換
    質控HsW m-2MW m-2MW m-2MW m-2經過質量控制后的感熱通量
    質控LEW m-2MW m-2MW m-2MW m-2經過質量控制后的潛熱通量
    插補NEEmg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1數據插補后的生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換
    插補HsW m-2MW m-2MW m-2MW m-2數據插補后的感熱通量
    插補LEW m-2MW m-2MW m-2MW m-2數據插補后的潛熱通量
    估算Recomg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1由NEE數據拆分得到的生態(tài)系統(tǒng)呼吸
    估算GEEmg CO2 m-2 s-1g C m-2 d-1g C m-2 mon-1g C m-2 y-1由NEE數據拆分得到的生態(tài)系統(tǒng)光合
    *注：日、月和年尺度通量均為每日、每月和每年各通量累積值。其中缺失值以-99999表示。
    表3
                    ?
                半小時氣象觀測數據表頭
    數據項計量單位數據示例數據項說明
    yyyy/2005年份
    mm/6月份
    dd/6日期
    doy/157日序
    HH/12小時
    MM/0分鐘
    Ta_1_AVG℃20.164 m 空氣溫度均值
    Ta_2_AVG℃19.916 m 空氣溫度均值
    RH_1_AVG%714 m 空氣相對濕度均值
    RH_2_AVG%71.16 m 空氣相對濕度均值
    Pvapor_1_AVGkPa1.6754 m水汽壓均值
    Pvapor_2_AVGkPa1.6516 m 水汽壓均值
    WS_1_AVGm s-13.6474 m風速
    WS_2_S_WVTm s-14.0756 m風速
    WD_D1_WVT°211.1風向方位角
    WD_SD1_WVT°16.86風向方位角的標準偏差
    DR_AVGW m-2925向下短波輻射均值（總輻射）
    UR_AVGW m-2109.7反射短波輻射均值
    DLR_AVGW m-2356.3向下長波輻射均值
    ULR_AVGW m-2467.2向上長波輻射均值
    Rn_AVGW m-2705凈輻射
    PAR_AVGμmol m-2 s-11717光合有效輻射
    G_1_AVGW m-280.4#1土壤熱通量均值8 cm
    G_2_AVGW m-270#2土壤熱通量均值8 cm
    Ts_TCAV_AVG℃26.45土壤平均溫度均值
    Tsoil_1_AVG℃26.225 cm土壤溫度均值
    Tsoil_2_AVG℃21.9510 cm土壤溫度均值
    Tsoil_3_AVG℃29.215 cm土壤溫度均值
    Tsoil_4_AVG℃18.8620 cm土壤溫度均值
    Tsoil_5_AVG℃17.4640 cm土壤溫度均值
    Tsoil_6_AVG℃14.280 cm土壤溫度均值
    Rain_TOTmm0總降水量
    Smoist_0_1_AVGm3 m-333.6110 cm土壤體積含水量
    Smoist_0_2_AVGm3 m-338.320 cm土壤體積含水量
    Smoist_0_3_AVGm3 m-342.8530 cm土壤體積含水量
    Smoist_0_4_AVGm3 m-336.4140 cm土壤體積含水量
    *注：以2005年6月6日12時數據進行示例。數據集中缺失值以-99999表示。
    3
                        ?
                    數據質量控制和評估
    本數據集的數據質量控制在ChinaFLUX通量數據質量控制規(guī)范的指導下完成，具體步驟詳見本文1.2節(jié)數據處理流程部分內容。經過數據質量控制，錦州站2005–2014年半小時尺度的氣象環(huán)境數據有效比例平均為91.6% ± 15.9%。除2009和2010年外，錦州站的氣象環(huán)境數據有效性在98%以上。2009和2010年，由于儀器故障返廠維修的缺測導致氣象環(huán)境有效數據比例（61.2%）低于其他觀測年份；錦州站2005–2014年半小時尺度的CO2通量、感熱通量和潛熱通量的有效數據分別為34%±5%、68%±14%、63%±10%（表4）。通量數據的缺失原因，一方面主要源于供電不足、儀器故障、儀器維修等情況下的原始數據丟失；另一方面主要是在數據質量控制時對降雨、夜間摩擦風速低湍流弱等情況下的數據進行刪除造成的。根據文獻調研，全球通量網FLUXNET通量站缺失和不合理通量數據在17%–50% [21]，ChinaFLUX各通量站缺失的數據白天在15.8%–37.2%、夜間可達48.9%–98.2%[17]。與其他通量站相比，本數據集有效數據比例居于范圍內。由于插補缺失數據和采樣偏差導致的隨機噪聲等的共同影響，會導致統(tǒng)計年尺度碳收支時的不確定性。以錦州站2019年數據為例，采用Monte Carlo方法[20, 22]評估，2019年尺度NEE為-133.26 ± 75.7 g C m-2 y-1。
    表4
                    ?
                半小時尺度通量數據質量控制后的有效數據比例
    年份CO2通量感熱通量潛熱通量
    200528.2%55.9%53.9%
    200622.8%46.5%44.8%
    200734.6%64.5%61.5%
    200833.1%57.3%56.4%
    200937.8%67.0%64.9%
    201033.9%58.9%59.2%
    201136.3%85.4%78.4%
    201233.2%86.5%76.3%
    201342.7%84.8%69.2%
    201432.8%72.9%66.6%
    能量平衡閉合狀況也是通量數據質量評價的一個途徑。基于半小時尺度有效數據，采用OLS (ordinary least square)法[23]對錦州站通量數據的能量閉合狀況（LE+H=Rn-G）進行評價，線性回歸時強制過原點（圖2）。數據表明，錦州站2005–2014年通量觀測的能量閉合程度在0.61±0.06。錦州站的土壤熱通量板放置在土壤-8 cm處，測得的土壤熱通量G為此深度以下的土壤熱通量，將從熱通量板放置深度至地表的熱通量（GS）考慮進來后[24]，錦州站通量數據的能量閉合率為0.68。參考FLUXNET站點的能量平衡閉合程度為0.53–0.99 [23]、ChinaFLUX站點OLS強制線性回歸截距為0的斜率范圍0.54–0.88[17]，錦州站通量數據的能量閉合程度在其范圍內。


    圖2
                    ?
                錦州站通量數據能量閉合狀況（以2014年為例）
    Figure 2 Energy closure of the eddy covariance flux observation at Jinzhou Station (in 2014)
    4
                        ?
                    數據使用方法和建議
    本數據集在科學數據銀行ScienceDB（https://www.scidb.cn/）提供共享下載。
    在本數據集使用中請注意：（1）渦度相關通量數據的處理方法在不斷發(fā)展，如果在通量數據處理流程中采用不同的方法，取得的結果均會存在一定的差異；（2）本數據集提供了插補前的有效通量數據和插補后的連續(xù)時間序列數據。在利用該數據集時，有必要根據研究目的選擇使用數據，如在進行通量環(huán)境控制機制分析時，盡可能采用有效數據；（3）如果使用插補后的連續(xù)時間序列數據，如在進行長期碳收支評估時，需要進行由于數據插補等帶來的不確定性分析。
    致  謝                                                           
    感謝遼寧省錦州市氣象局史奎橋、劉景利、楊揚、張慧和梁濤等老師為玉米農田生態(tài)系統(tǒng)通量和小氣候觀測的儀器維護、數據采集等方面所做的大量工作。
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                                        稿件與作者信息
                                        
                                            
                                        
                                        
                                            
                                        
                                    
    
                                    
    
                                        
                                            
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    數據質量控制和論文撰寫。 
    zhouli@cma.gov.cn
    （1975—），女，博士，研究員，研究方向為陸-氣通量及其生理生態(tài)機制。 
    周廣勝
    ZHOU Guangsheng
    通量站的運行與科學發(fā)展。
    zhougs@cma.gov.cn
    （1965—），男，博士，研究員，研究方向為生態(tài)氣象和氣候變化。 
    賈慶宇
    JIA Qingyu
    通量站維護、數據采集。 
    （1978—），男，博士，副研究員，研究方向為陸-氣通量綜合觀測。 
    李榮平
    LI Rongping
    數據管理和服務。 
    （1975—），男，博士，研究員，研究方向為陸面生理生態(tài)過程與機制。 
    王宇
    WANG Yu
    數據整理、數據質量分析。 
    （1985—），男，博士，副教授，研究方向為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)。 
    科技部基礎資源調查專項（2019FY101302）；中國氣象局創(chuàng)新發(fā)展專項（CXFZ2023P052）。 
    National Science and Technology Basic Resources Survey Program of China (2019FY101302); China Meteorological Administration Innovation Development Special Project (CXFZ2023P052). 
    

                                        


                                        
    

    
    
    出版歷史
    
    
    

        
           
     I區(qū)發(fā)布時間：2023年1月29日
            （
            版本ZH1）
    
        

        
            
    
            II區(qū)出版時間：2023年4月14日
            （
            版本ZH3）
    
        

        

    
        

        

        


        
        

        

        

        

        

    
    

    



                                        
                                    
    


                                
    


                        
    

                    
                
    

            
    
            
        
    
    
    


    
    
    
    
    
        
    
        
        
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    中國科學數據
    
                    
    csdata
    
                    
                
    
                
    
                    
    
                        


                    
    
                    
      
                        

                        
      
                        
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