2003-2008年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集.pdf
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1、中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|1 ISSN 2096-2223 CN 11-6035/N 文献 CSTR:32001.14.11-6035.csd.2023.0050.zh 文献 DOI:10.11922/11-6035.csd.2023.0050.zh 数据 DOI:10.57760/sciencedb.07253 文献分类:地球科学 收稿日期:2023-02-06 开放同评:2023-04-07 录用日期:2023-09-16 发表日期:2023-09-27 *论文通信作者 周文君: 沙丽清: www.csdata.org 专题专题 中国通量观测研究网络(中国通量观测研究网
2、络(ChinaFLUX)20 周年专刊周年专刊 20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 洪思思洪思思1,2,杨艳波,杨艳波1,2,张蕊张蕊1,3,沙丽清,沙丽清1*,唐建维,唐建维1,张一平,张一平1,4,宋清海宋清海1,4,邓晓保,邓晓保1,5,巩合德,巩合德2,于贵瑞,于贵瑞6,王跃思,王跃思7,郑循华郑循华7,王迎红,王迎红7,周文君周文君1,3,4*1.中国科学院西双版纳热带植物园热带森林生态学重点实验室,云南勐腊 666303 2.西南林业大学,昆明 650224 3.中国科学院大学,北京 100049 4.中国科学院核心植物园植物生态
3、中心,云南勐腊 666303 5.中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站,云南勐腊 666303 6.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101 7.中国科学院大气物理研究所,北京 100039 摘要摘要:大尺度、长期和连续的碳通量数据为研究全球碳、水循环关键过程提供了重要数据支撑。土壤是陆地生态系统最大的碳库,其微小波动将引起陆地生态系统的碳收支变化。热带森林是全球重要的碳库,但近年来发现其碳汇能力趋向减弱或中和现象。连续的土壤碳通量数据,对准确评价热带地区碳收支及其对气候变化的响应具有重要意义。本数据集按照温室气体排放的静态箱法观测方法和数据质控管理办法,收集整理了 2003 年
4、 1 月到 2008 年 8 月利用静态箱气相色谱法得到的西双版纳热带雨林土壤地气界面的 CO2排放通量数据和常规气象数据,如压强、大气温度、土壤温度(5 cm)和土壤含水量(5 cm)等观测指标,形成了日、月和年尺度 3 类文件,以期为热带地区与全球碳平衡估算和碳循环过程提供基础数据。关键词关键词:静态箱气相色谱法;土壤碳通量;碳循环;气象要素;热带雨林 数据集基本信息简介数据集基本信息简介 数据数据集集名称名称 20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 数据通信作者数据通信作者 周文君()、沙丽清()数据作者数据作者 洪思思,杨艳波,张蕊,沙丽清,张一平,宋清海,唐建维,邓晓保
5、,巩合德,于贵瑞,王跃思,郑循华,王迎红,周文君 数据时间范围数据时间范围 20032008 年 地理区域地理区域 2154N、10116E,云南省西双版纳州勐腊县西双版纳生态站 生态系统类型生态系统类型 热带雨林生态系统 数据量数据量 231 KB 数据格式数据格式*.xlsx 20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 www.csdata.org|2 数据服务系统网址数据服务系统网址 https:/doi.org/10.57760/sciencedb.07253 基金项目基金项目 国家自然科学基金(42073080、41671209、40571
6、163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147、42075119),国家 973项目(2002CB412501,2010CB833501),国家重点研发计划(2016YFC0502105),国家基金青年科学基金项目(40801035),国家重点基础研究发展计划(2010CB833501),中国科学院创新工程重大项目(KZCX1-SW-01-01A),中国科学院知识创新工程重要方向项目(KJCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04),云南中青年
7、学术与技术带头人(后备人才)项目(202205AC160045),中国科学院战略性先导科技专项(XDA19020302、XDA05020302和 XDA05050601)。数据数据集集组成组成 分为日尺度、月尺度和年尺度常规气象数据(大气压强、天气、通量塔土壤 5cm 温度、T1(土壤 5cm 温度)、T2(地表温度)、T3(箱内温度)、T4(箱外气温)、土壤体积含水量和土壤 CO2排放通量(2003 年 3 个采样箱、2004 年 4 月开始 6 个采样箱)数据。引引 言言 自工业革命以来,随着大气温室气体浓度升高,全球变暖、极端天气事件等一系列环境问题发生,危及人类社会的可持续发展1。土壤
8、是陆地生态系统最大的碳库载体2,全球每年土壤呼吸排放的 CO2总量是化石燃料释放的 11 倍,约占每年大气 CO2输入的 10%左右3,因此土壤呼吸的微小变化将影响全球碳收支,并对全球气候变化产生深远影响。IPCC 系列报告也明确指出土壤碳通量是陆地生态系统碳循环的重点研究内容之一,研究陆地生态系统的土壤碳通量,厘清陆地生态系统温室气体的吸收或排放,对预测未来的气候变化趋势和评价生态系统碳循环具有重要意义4。大尺度、长期和连续的生物圈大气之间的 CO2和能量通量观测数据为更好地理解全球碳循环的关键过程提供了支撑5。中国通量研究网络(ChinaFLUX)的 83 个通量观测台站已初步形成了全国统
9、一标准方法的碳、氮、水、能量通量观测网络,通过采用微气象法中的涡度相关法和箱法中的静态箱气相色谱法获得冠气界面和地气界面碳水通量、能量通量和气象观测数据6。相较于涡度相关法而言,静态箱气相色谱法具有适应性强、结构与操作简单、成本低廉和灵敏度高等优点,是中国通量观测研究网络通量观测站获取土壤碳通量的重要观测技术之一7。同时,利用静态箱气相色谱法测定的土壤呼吸,配合地上部分呼吸、根系呼吸以及生物量的测定,可以实现对净生态系统生产力(NEE)的估算,也可以对涡度相关法得出的通量数据进行订正8。作为 ChinaFLUX 基础站点之一,西双版纳生态站自 2003 年建成通量塔利用涡度相关技术开展森林碳水
10、和能量通量观测的同时,也开展了基于静态箱气相色谱法对地表 CO2通量的长期连续观测。依此,本数据集整理了 2003年 1 月到 2008 年 8 月利用静态箱气相色谱法监测的西双版纳热带季节雨林土壤 CO2排放通量数据和常规气象数据,包括土壤 CO2通量、大气压强、大气温度、空气湿度、土壤温度(5cm)和土壤含水量(5cm)等观测指标,形成了日、月和年尺度 3 类文件,以期为全球热带地区的碳平衡估算和碳循环过程提供支撑数据。20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|3 1 数据采集和处理方法数据采集和处
11、理方法 1.1 样地描述样地描述 研究区域位于云南省西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇国家森林保护区的实验区内(2156N、10115E),海拔 756 m。研究区全年受西南季风控制,属热带季风气候9,年均温 21.5,降雨量为1537 mm。雨季为 5 月至 10 月,降雨量为 1335 mm,占年总降水量的 87%,旱季为 11 月至翌年 4月,降雨量为 202 mm,仅占全年降雨量的 13%。样地坡度为 1218,地带性植被为热带季节雨林,土壤为由白垩纪砂岩发育而成的砖红壤10,研究区域植被结构复杂,物种丰富,优势种主要为千果榄仁(Terminaliamy riocarapa)、番龙眼(Po
12、metia tomentosa)、云南玉蕊(Barrinrtonia macrostachya)、大叶白颜树(Girinniera subaequlis)、山蕉(Mitrephora maingayi)、云树(Garcinia cowal)、假广子(Knema erratica)、细罗伞(Ardisia tenera)、蚁花(Mezzettiopsis creaghii)、毒鼠子(Dichmpetalum gelonioides)、染木(Saprosma ternatum)、狭叶巴戟(Morinda angustifolia)、玉叶金花(Mussaenda sp.)、凤尾蕨(Pteris sp
13、.)、海芋(Aloxasis macrorrhiza)、盈江南星(Arisaema inkiangense)等11。1.2 数据采集方法数据采集方法 土壤 CO2通量利用静态箱气相色谱法连续观测获得12。在研究区内选择植被密度、郁闭度具有代表性的 6 个自然状态的样方(5 m5 m),去除杂草,保留地表凋落物,安装气体采样箱(2003年 1 月 27 日至 2004 年 1 月 12 日期间仅有 3 个重复样方,自 2004 年 4 月 5 日增加至 6 个重复样方)。在每个样方内设置一组气体采样箱,采样箱为不透明无底不锈钢长方体(长 50 cm宽 50 cm高 50 cm),埋设时将底座插入
14、深度约 5 厘米的土中至密封水槽底部处,若土质较硬,可先按照底座尺寸用刀开槽缝(长 50 cm,宽 1 cm,深度 5 cm)随后放入底座,为避免干扰底座框内土壤,需沿底座外围培土,用胶把锤均匀将外侧土砸实,以免漏气。为减少对土壤和植物的扰动,采气箱周围土壤不宜发生踩踏,埋设底座的同时也在底座周围架设栈桥作为采样操作台,栈桥用钢筋制成。底座与栈桥在观测期内持续保留不动。自 2003 年 1 月开始到 2008 年 12 月,每周采样一次,采样在每天的 9:0011:00 间完成。采样器由 100 ml 医用注射器和三通阀组成。每次采样时,首先检查采样箱底座是否有破损情况,底座外围是否有松土与漏
15、气现象。如有,则需更换底座或在外侧培土。采气时首先将采样箱体扣在底座上,加水在底座水槽实现采样箱密封。盖箱后立刻采集第 1 针样品,之后每隔 10 min 抽取一针气体保存,并准确记录采样时间(hh:mm:ss),共抽取气样 5 次,结束后需搬开采样箱箱盖。采集气样前需将残留在采样箱气路中的气体排出,即将每次针筒采集的第一个 100 ml 气体废弃。为保证采气样品具有代表性,采样时间需控制在上午的 9:00-11:00 间,并尽量避开阴雨天气。采样时,为避免阳光直射导致箱内温度升高,在有阳光时,利用棉质防热材料覆盖箱体。在采集气体时同时观测采样箱箱内、箱外大气温度,地表、土壤 5 厘米温度,以
16、及土壤 06 厘米含水量。采样箱内外,地表和土壤 5 cm的温度使用 JM 624 便携式数字温度计(天津立文电子有限公司生产)进行测定;土壤容积含水量使用快速便携式测墒仪(江苏瑞迪生科技有限公司生产)测定。为保证采样过程中箱体内气样混合均匀,需在顶箱安装一个风扇,并在采样期间持续工作,该风扇所使用的蓄电池为 12 V 10 A。大气压强由气压机监测获得,缺失的气压数据由安装在临近的 Eddy Flux Tower 监测的近地面气压值填补。20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 www.csdata.org|4 1.3 数据处理数据处理的的方法与
17、过程方法与过程 土壤 CO2浓度利用气相色谱仪(Agilent 4890A,Agilent Technologies,Palo Alto,California,USA,配中国科学院大气物理所研制的自动进样器)测定。所有样品需在 24 h 内完成测定。该仪器可同时检测 CO2、CH4和 N2O 三种气体的浓度。检测的色谱条件与信号如表 1 所示13。在此分析条件下,要求 40010-6 v/v 的 CO2标准气体检测 6 次且重复间的变异系数为 0.8。仪器需在分析样品前一天开机预热,保证足够的稳定时间。在进行样品分析前,首先用已知浓度的标准气体连续进样,直至分析结果稳定(CH4、N2O 和 C
18、O2峰面积的变异系数(CV)小于 1%时)后,才可以进行样品分析。样品分析过程中,每 3 个样品就插入 1 个标准气体。在整个分析过程中,标气分析变异系数小于 1%,到达样品分析准确要求14。进气时每个采气箱的 5 个气样按照采样时间先后顺序依次进样。进样时,先将注射器的三通阀与进口连接,并仔细检查以确保连接的气密性。往进样口中缓慢推入气体样品,推入气体的时间都统一控制在 4 秒钟完成。此外,为确保数据准确,需即时校对每个样室的这组样品,注射器中剩余的气体样品需保存至本批样品分析完,且峰面积数据处理完毕并确定没有问题为止。每次注射器排空气体后需用室外空气清洗 3 次,同步检查注射器的气密性,以
19、备下次使用。表表 1 色谱仪配置与分析条件色谱仪配置与分析条件 Table 1 GC Instruments and analysis conditions 目标化合物目标化合物 CH4 N2O CO2 色谱柱 Col1:SS-2m 2 mm13XMS(60/80 目)Col3(前置柱):SS-1 m 2 mm Porapak Q(80/100 目)Col4(分析柱):SS-3 m 2 mm Porapak Q(80/100 目)Col2:SS-2 m 2 mm Porapak Q(60/80 目)载气/流量(cm3 min-1)高纯 N2/30 高纯 N2/25 高纯 N2/25 柱箱温度(
20、)55 55 55 转化器及温度()镍触媒,375 检测器及温度()FID:200 FID:300 FID:200 空气及高纯 H2流量(cm3 min-1)空气:400 空气:400 出峰保留时间(min)1.75 3.5 1.4 注:Col 表示色谱柱(chromatographic column);SS-2 m2 mm13XMS(60/80 目)表示柱子材料为不锈钢,柱长2 m,内径 2 mm,内填目数为 60/80 的 13X 分子筛,后同;FID 表示火焰离子化检测器(flame ionization detector)。1.3.1 气象数据质量保证气象数据质量保证/质量控制质量控制
21、(1)原始气象数据时间校对:检查采样时段内数据是否齐全,对于信息登记不全的数据需核查原始采样记录表格进行校对。(2)异常值剔除:历史数据和观测期间的气象数据表明,西双版纳热带雨林多年的日最低温度未出现过负值,故对采样箱外大气温度、土壤 5 cm 温度出现大于 40、小于 0的数据进行剔除;(3)气象数据插补:20032008 年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集年西双版纳热带雨林土壤碳通量数据集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|5 申请西双版纳热带季节雨林生态系统研究站长期定位观测站连续观测的气象数据,用来插补缺失或剔除项目观测期间的气象数据。1.3.2 碳通量质量保证碳通量质量保
22、证/质量控制质量控制(1)气体转移:需保障采样时所用针筒气密性良好,尽可能避免存储和运输过程中针筒内气体与外界不同环境气体间的交换,且采集好的气体需在 24 小时内进行测定。(2)气体测定:气相色谱分析系统在运行过程中,可能出现漂移,会影响分析数据的准确性。为保证样品分析的准确性,在样品分析前,用已知浓度的工作标准气体(可溯源至国际标准并定期标定)连续进样,直至标准气体的分析结果稳定(CO2以峰面积定量的精度优于 0.1)。同时,为保证样品校准的准确性,在样品分析过程中,每分析 3 个气体样品需插入 1 个工作标气,依据前后标气的峰面积校准样品,使得样品的分析结果更准确。(3)检查每年的数据是
23、否全,对于监测时段,相关样品信息不全的进行数据检查并插补。(4)土壤温室气体通量计算方法:根据静态箱气相色谱法的测定原理,土壤温室气体通量有线性和非线性两种算法,根据温室气体通量定义,线性和非线性算法的通量(F)估计法分别为:线性算法:=000c (1)非线性算法:=(1 2 0)000 (2)上式中,a 为采样箱密闭期间气室内目标气体浓度的平均变化率,k1k2C0为密闭采样箱之初的气室内目标气体浓度的瞬时变化速率,C0为密闭之初的采样箱气室内气体浓度(ppm),V 和 A 分别为采样箱气室体积(m3)和底面积(m2),M 为目标气体的摩尔质量(g/mol),V0为标准状况下目标气体的摩尔体积
24、(ml/mol),T 和 P 分别是采集气体样品时的气室空气温度()和气压(K),(因采样箱具有绝热和气压平衡管设计,认为可用箱外空气温度和气压的测定值来代替),T0和 P0为标准状况下的气温(273 K)和气压(1013 hPa),c 为量纲转换系数。参数 a、k1和 k2的值由气室内气体浓度测定值随采样时间而变化的最小二乘法拟合结果给出。统计结果准确度判断标准:如果所测定的气体浓度数据与盖箱时间的相关性达不到统计学显著水平,则该数据不能用于通量数据的计算。(1)当密闭罩箱期间的气体浓度观测数据能够同时满足以下条件时,采用非线性算法估算通量:a)当气体样品 5 次浓度观测数据全部有效(n=5
25、);b)非线性相关系数(Rnl)大于 0.87(回归关系统计显著,即 p 0.01;d)非线性拟合给出的采样箱密闭阶段的初始气体浓度变化率(k1-k2C0)大于线性拟合给出的采样箱密闭阶段的平均气体浓度变化率(a)。(2)当密闭罩箱期间的气体浓度观测数据能够同时满足以下条件时,采用线性算法计算通量:a)不符合非线性法的上述条件;b)但是线性回归关系统计显著(即 p 0.87;或只有 4 次观测值有效时,Rl 0.94;或只有 3 次浓度观测值有效时,Rl 0.996 时采用线性算法估算通量。(3)当以上线性和非线性算法的条件都不满足时,测定数据无效,舍弃。20032008 年西双版纳热带雨林土
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