生態系統長期觀測數據產品體系

蘇文^1,2,?張黎^1,2,?郭學兵^1,2,?何洪林^1,2,?唐新齋^1,2,?任小麗^1,2

1?中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101

2?國家生態科學數據中心，北京 100101

?摘要：生態系統水、土、氣、生要素的長期定位觀測和數據積累可為生態系統評價及管理提供科學依據，但目前國內尚未建立生態系統長期觀測數據產品體系，無法為數據產品的生產提供有效指導。首先分析了國際生態環境觀測研究網絡數據產品體系，然后結合我國現有生態系統長期觀測規范與數據資源的實際狀況，基于數據產品分類、數據產品分級兩個維度提出了一套生態系統長期觀測數據產品體系。該體系既能表現長期觀測數據產品的內容，又能表達數據產品生產、加工過程，并被應用于中國生態系統研究網絡（CERN）森林生態系統長期觀測數據產品體系的設計。該數據產品體系具有較好的實際操作價值，對提升長期觀測數據的使用價值具有重要作用。

關鍵詞：生態系統長期觀測 ; 數據產品 ; 生態系統要素 ; 數據產品分類 ; 數據產品分級

論文引用格式：

蘇文, 張黎, 郭學兵, 等. 生態系統長期觀測數據產品體系[J]. 大數據, 2022, 8(1): 84-97.

SU W, ZHANG L, GUO X B, et al. Classification of ecosystem long term observation data product[J]. Big Data Research, 2022, 8(1): 84-97.

0 引言

生態系統水、土、氣、生要素的長期定位觀測和數據積累是開展生態學長期研究的重要手段之一，可以揭示生態系統和環境的長期變化，為生態系統評價及管理提供科學依據。生態環境觀測研究網絡是開展多變量綜合觀測、多學科交叉研究、多臺站和多生境聯網試驗，以及多層次研究項目聯合實施的綜合性野外平臺。隨著全球性生態環境研究的不斷深入，許多國家和地區紛紛建立生態環境觀測研究網絡，以開展生態系統長期觀測與研究。在我國，中國科學院于1988年建立了中國生態系統研究網絡（Chinese ecosystem research network，CERN），目前CERN由44個生態站、5個學科分中心（分別為水分、土壤、大氣、生物和水域生態系統）和1個綜合研究中心組成。從1998年開始， CERN按統一的監測指標和技術規范對我國農田、森林、草地、荒漠、湖泊、海灣、濕地、城市等典型生態系統開展長期定位觀測，獲取了系統的、動態的、連續的水分、土壤、大氣、生物等要素的觀測數據，并提供共享服務。林業部門從20世紀50年代開始逐步建立了中國森林生態系統定位研究網絡（Chinese forest ecosystem research network，CFERN），目前CFERN已發展成橫跨30個緯度、代表不同氣候帶的由73個森林生態站組成的網絡，基本覆蓋了中國主要的典型生態區，可開展陸地生態系統水分要素、土壤要素、氣象要素和生物要素基本觀測。經過多年建設，CFERN在管理、標準、數據共享等方面取得了一定進展。但是，我國生態系統長期觀測獲得的數據主要是按照觀測規范的規定內容記錄的基礎數據，使用時需要進行一定的加工、處理，因此服務對象主要為專業科研人員。將生態系統長期觀測數據轉化為有效的數據產品，拓展數據服務的廣度和深度，更好地服務于科研、管理和公眾，是今后生態系統長期觀測數據的發展方向。

數據產品可以被理解為具有產品屬性的數據，是能夠滿足用戶使用需求、有可靠質量保證的數據集合；數據產品體系通常指一系列具有內部關聯的數據產品的總和。迄今為止，國內尚未建立生態系統長期觀測數據產品體系，無法為數據產品的生產提供有效的指導。本文從討論國際生態環境觀測研究網絡數據產品體系入手，基于數據產品分類、數據產品分級兩個維度提出了一套生態系統長期觀測數據產品體系，期望能為最終建立完善的生態系統長期觀測數據產品體系起到拋磚引玉的作用。

1 國際生態環境觀測研究網絡 數據產品體系現狀

英國、美國等國的生態環境觀測研究網絡都對長期觀測數據產品體系進行了深入的探索與實踐，為我國生態系統長期觀測數據產品體系的構建提供了借鑒和科學依據。

1.1 英國環境變化監測網數據產品體系

英國環境變化監測網（environmental change network，ECN）成立于1992年，是一個對英國環境和生物群落進行長期綜合觀測的網絡。經過20多年的運行， ECN由最初的8個站點發展到57個站點，其中陸地生態系統觀測站有12個，淡水生態系統觀測站有45個，覆蓋了英國當前的主要環境狀況。

ECN按照嚴格的標準規范對選定的物理、化學和生物指標進行持續的長期觀測，規定了所有站點必須觀測的常規核心觀測要素。陸地生態系統主要包括氣象、大氣化學、降水化學、地表徑流與地表徑流化學、土壤溶液化學、土壤性質、植被、無脊椎動物、脊椎動物等，淡水生態系統主要包括地表水化學、地表徑流、葉綠素a、大型無脊椎動物、水生大型植物、浮游動物、浮游植物、附生植物等。

觀測數據由站點按照規范中規定的頻率，利用自動記錄、實地調查等方式收集，定期發送至ECN數據中心，以標準化的結構集中存儲到由原始數據構成的核心數據庫。相關的綜合統計數據庫由原始數據的月度、季度和年度統計數據組成，可以通過網站上提供的數據可視化界面進行數據展示。數據庫采用Oracle關系數據庫管理系統，并與ArcGIS關聯[8]。為了提升數據的可用性，ECN整編了陸地生態系統站點20多年的連續觀測數據，發布了19個數據集，包含了超過20年（1993—2015年）的生物、氣象和生物地球化學觀測數據。數據集以逗號分隔的文件形式提供，同時每個數據集都被賦予了數字對象標識符（digital object identifier，DOI），以便用戶使用和引用。這一超過20年的數據庫提供了英國各種棲息地環境變化的長期基準，為環境變化評估提供了支撐。

1.2 美國國家生態觀測站網絡數據產品體系

美國國家生態觀測站網絡（national ecological observatory network， NEON）是由美國國家科學基金會資助的大陸尺度長期生態變化研究和教育的網絡設施，于2019年正式運行。NEON由分布于美國大陸、波多黎各和夏威夷的81個站點組成，其中包括47個陸地站點和34個淡水水體站點，每個站點收集有關植物、動物、土壤、養分、淡水和大氣的數據。

NEON致力于為科學界提供標準化、有質量保證的數據，從而為更好地了解站點、區域和大陸尺度的復雜生態過程提供支撐。NEON數據作為“數據產品”發布，包括野外收集的原始數據及綜合性、多學科的數據。每個站點通過自動儀器、觀測采樣和機載遙感3類系統觀測各種生物、物理、化學和生態特征，獲取的數據采用漸進的方式進行處理，形成0~4級共5個級別的數據產品，各級別數據產品的定義見表1。

目前在NEON數據門戶發布了來自81個站點的180多個數據產品，分為大氣，生物地球化學，生態水文，土地覆蓋和過程，生物體、種群和群落5個主題。

1.3 國際通量觀測網絡數據產品體系

國際通量觀測網絡（FLUXNET）是由北美洲、中美洲、南美洲、歐洲、亞洲、非洲等區域網絡自愿合作而形成的一個全球性網絡，目前包括800多個通量觀測站點，分布于世界大部分氣候類型和代表性生物群落，是世界上最大的生態系統觀測網絡和環境實驗網絡之一，為全球陸地生態系統碳水循環、碳收支時空格局以及生態系統水碳過程的研究提供了全球范圍的實測數據。

每個站點采用渦動相關法獲取生物圈與大氣之間的碳、水和能量半小時或小時分辨率的通量數據，包括二氧化碳、水蒸氣、顯熱、潛熱等，同時還獲取氣溫、降水、輻射等輔助觀測數據。這些數據由站點進行質量控制和計算后，傳輸到區域網絡和FLUXNET，通過執行統一的處理流程進行質量檢查、缺失插補、通量拆分與統計，生成增值數據產品，即標準化、高質量的衍生數據產品，以適用于需要多站點可比數據做支撐的研究。

完整的數據處理結果共有200多個變量，包括觀測和派生數據、質量信息標志、不確定性量化變量以及數據處理中間結果等。為了方便用戶使用，FLUXNET創建了兩類數據產品：全集數據（FULLSET）和子集數據（SUBSET）。全集數據包含了數據處理產生的所有變量，便于用戶深入理解每個處理步驟及其對最終數據產品的影響；子集數據為根據大多數用戶預期用途選擇全集數據中的部分變量形成的數據產品，旨在方便缺乏經驗的非專業用戶使用。

2 生態系統長期觀測數據產品體系構建

2.1 構建方法

雖然國際上不同生態環境觀測研究網絡的數據產品體系內容、形式不盡相同，但其核心都是通過設置多維度的分類方式，滿足不同層次服務對象的使用需求，從而促進觀測數據的共享和開發利用。借鑒有關國際長期生態學觀測研究網絡的先進經驗，結合我國現有生態系統長期觀測規范與數據資源的實際狀況，提出構建生態系統長期觀測數據產品體系需要遵循以下原則。

● 科學性原則。構建的數據產品體系應以生態系統長期觀測數據的特征與相互之間客觀存在的邏輯關系為依據，體系結構清晰、合理，并考慮生態系統長期觀測數據的特征與發展。

● 實用性原則。數據產品體系應簡潔明確、可操作性強，易于被各類用戶接受與使用。

● 可擴展性原則。數據產品體系的構建應保證隨著數據產品種類和數量的增加，在本體系基礎上能夠進行延拓和細化，并不會因擴展而影響已有的體系結構。

● 適用性原則。數據產品體系應覆蓋我國農田、森林、草地、荒漠、湖泊、海灣、濕地、城市等典型生態系統的長期觀測數據產品。

按照上述原則，提出基于數據產品分類、數據產品分級兩個維度構建生態系統長期觀測數據產品體系的思路（如圖1所示），既能表現長期觀測數據產品的內容，又能表達數據產品的生產、加工過程。

圖1???生態系統長期觀測數據產品體系構建思路

2.2 基本內容

2.2.1 數據產品分類

生態系統長期觀測數據產品采用“大類-中類-小類”的分類結構。

大類的劃分主要依據數據產品內容屬性，分為生態系統要素觀測數據產品、生態系統功能服務數據產品。生態系統要素觀測數據產品為與水分、土壤、大氣、生物等生態系統要素有關的觀測數據產品，屬于基礎觀測數據產品。這類產品既包含生態系統要素觀測產生的原始數據，也包括對原始數據進行清洗、整理、統計等加工處理后形成的不同質量、不同數量、不同時間頻度（小時、日、月、年等）、不同空間尺度（樣方、樣地、站點等）的數據產品。生態系統功能服務數據產品為基于生態系統要素觀測數據形成的支撐某種或多種生態系統服務功能的站點尺度數據產品，是對基礎數據產品進行演算分析形成的新數據。

大類之下劃分中類。根據生態系統要素的主要類型，生態系統要素觀測數據產品被劃分為4個中類，其分類和說明見表2。生態系統服務功能可以包括有機質的合成與生產、生物多樣性的產生與維持、調節氣候、營養物質貯存與循環、土壤肥力的更新與維持、環境凈化與有害有毒物質的降解、植物花粉的傳播與種子的擴散、有害生物的控制、減輕自然災害等許多方面，因此生態系統功能服務數據產品中類的劃分采用開放模式，主要依據其支撐的生態系統服務功能自行定義，具有一定的靈活性和適應性。例如，生態系統功能服務數據產品可以被劃分為4個數據產品中類，其分類和說明見表3。

中類下進一步細分小類。生態系統要素觀測數據產品各個中類的小類主要根據觀測對象、觀測內容等劃分。

根據生態系統水環境觀測對象，水環境要素觀測數據產品被劃分為3個小類。

● 水文要素觀測數據產品：與生態系統水分循環和水量平衡狀況有關的數據產品，包括土壤水分含量、蒸發量、地表徑流量、地下水位等。

● 水物理要素觀測數據產品：與水的物理性質有關的數據產品，包括水深、水溫、電導率、透明度、水色等。

● 水化學要素觀測數據產品：與水中化學物質含量有關的數據產品，包括鈣離子、鎂離子、鉀離子、鈉離子、碳酸根、pH值、溶解性有機碳、總氮、總磷等。

根據生態系統土壤環境觀測對象，土壤要素觀測數據產品被劃分為3個小類。

● 土壤物理性質觀測數據產品：與土壤物理性質方面有關的觀測數據產品，包括容重、土壤顆粒組成、土壤溫度、土壤熱通量等。

● 土壤化學性質觀測數據產品：與土壤無機物、有機物含量有關的觀測數據產品，包括土壤養分、土壤微量元素、土壤重金屬、土壤礦質全量、土壤陽離子交換量等。

● 土壤剖面描述觀測數據產品：與土壤剖面形態方面有關的觀測數據產品，如土壤發生層形態、土壤發生層深度等。

根據觀測內容，大氣環境要素觀測數據產品被劃分為4個小類。

● 地面氣象要素觀測數據產品：關于氣象狀況及其變化的觀測數據產品，包括空氣溫度、空氣濕度、氣壓、風、降水、地溫等。

● 輻射觀測數據產品：與太陽輻射和地球輻射有關的觀測數據產品，包括總輻射、凈輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射、紫外輻射、光合有效輻射等。

● 小氣候觀測數據產品：記錄小氣候系統中測定的某些物理特征量的數據產品，包括規定高度或層次的溫度、相對濕度、風速、輻射、土壤溫度等。

● 大氣環境化學觀測數據產品：大氣的干、濕沉降量和溫室氣體等大氣氣體組分觀測數據產品及大氣顆粒物質觀測數據產品，包括大氣總懸浮顆粒物濃度、大氣細粒物濃度（可吸入顆粒物（PM10）與細顆粒物（PM2.5））、大氣干沉降量、大氣濕沉降量、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。

生物要素觀測數據產品以服務于生態系統結構、功能與動態研究為目標，被劃分為6個小類。

● 植物群落種類組成與物質生產觀測數據產品：與植物群落結構、特征、生物量、生產力等方面有關的觀測數據產品，包括植物種類組成、植物群落種群數量特征、生物量、凋落物量、葉面積指數、浮游植物初級生產力等。

● 植物群落動態與物候觀測數據產品：與植物及其群落生長發育方面有關的觀測數據產品，包括物候、作物生育動態、樹種更新狀況等。

● 動物群落種類組成與結構觀測數據產品：與重要動物類群物種、數量方面有關的觀測數據產品，包括鳥類、大型野生動物、嚙齒動物、昆蟲、土壤動物、浮游動物等。

● 微生物群落生物量與結構觀測數據產品：與微生物的類別、數據、生物量等方面有關的觀測數據產品，包括土壤微生物群落生物量、土壤微生物群落結構、細菌總數等。

● 耕作制度調查觀測數據產品：與作物種植制度和農田耕作管理制度方面有關的調查數據產品，包括作物種類組成與產值、復種指數與作物輪作體系、主要作物肥料投入、主要作物灌溉制度、病蟲害等。

● 生物觀測背景信息觀測數據產品：與生物生長環境、植被類型、土地利用方式等方面有關的背景數據產品，包括生境要素、人為活動與土地利用方式、植被類型與空間分布等。

生態系統功能服務數據產品小類的劃分同樣采用開放模式，例如生產力和固碳功能數據產品分為生產力和固碳關鍵過程參數數據產品、生產力和固碳數據產品2個小類；生物多樣性功能數據產品分為生物多樣性關鍵過程參數數據產品、生物多樣性數據產品2個小類；水源涵養功能數據產品分為水源涵養功能關鍵過程參數數據產品、水源涵養數據產品2個小類；土壤保持功能數據產品分為土壤保持功能關鍵過程參數數據產品、土壤保持數據產品2個小類。

2.2.2 數據產品分級

生態系統長期觀測數據產品根據其加工、處理程度的不同被劃分為L0~L4級5個級別。

● L0級產品為原始數據，包括直接在野外通過儀器設備自動采集并轉化后形成的可讀的數值數據或可識別的圖像、數字化的人工觀測記錄數據與野外調查記錄數據以及實驗室測定的數據。

● L1級產品為質量控制數據產品，指基于L0級產品進行篩選、規范化處理、質量檢查（如異常值、無效數據標注）得到的數據產品。

● L2級產品為基礎加工數據產品，指L1級產品經過插補或計算得到的各種數據產品，其數據采集空間范圍、觀測頻度與L1級產品一致。

● L3級產品為尺度推繹數據產品，指利用L1級產品或L2級產品進行尺度上推所產生的數據產品，包括時間尺度的推繹數據產品（如從小時/日數據到月、年數據）和空間尺度的推繹數據產品（如從樣方數據到樣地、群落數據）。

● L4級產品為融合分析數據產品，指基于L1級產品、L2級產品或L3級產品進行模型計算、融合處理等深度加工所產生的數據產品。

L1~L4級數據產品在L0級數據產品原生固有價值基礎上添附了新價值，屬于增值數據產品。生態系統要素觀測數據產品以數據質量、數量、時空尺度等為依據，被劃分4個級別，即L0~L3級，生態系統功能服務數據產品歸為L4級。

依據加工、處理過程的復雜度，各級別數據產品可根據具體情況進一步劃分子級，以表征更細化的處理層次差別。

3 應用案例——CERN森林生態系統長期觀測數據產品體系設計

CERN目前有11個森林生態站，自1998年以來根據統一的觀測指標體系和操作規范，按規定的時間頻度和觀測范圍，開展水分、土壤、大氣、生物等要素的觀測。按照前文提及的產品體系思路， CERN森林生態系統長期觀測數據產品分為森林生態系統要素觀測數據產品、森林生態系統功能服務數據產品兩大類，森林生態系統要素觀測數據產品的分類分級體系見表4。

基于以上L0~L3級數據產品，生成森林生態系統功能服務數據產品，即L4級數據產品，分類分級體系見表5。

4 結束語

構建生態系統長期觀測數據產品體系，確定生態系統長期觀測數據產品的類型和級別，可以進一步規范數據產品的生產，明確各級產品的用途和服務對象， 對提升長期觀測數據的使用價值具有重要作用。

本文通過研究相關國際長期生態學觀測研究網絡的先進經驗，結合我國現有生態系統長期觀測規范與數據資源的實際狀況，構建了一套生態系統長期觀測數據產品體系。該數據產品體系在分類方面采用“大類-中類-小類”的分類結構，盡量覆蓋生態系統長期觀測數據產品的內容；在分級方面以數據加工、處理程度為依據，劃分為5個級別，包含了數據“量”與“質”的改變，具有較高的實際操作價值。

作者簡介

蘇文（1968-），女，中國科學院地理科學與資源研究所高級工程師，主要研究方向為生態信息學。

張黎（1982-），女，博士，中國科學院地理科學與資源研究所副研究員，主要研究方向為陸地生態系統碳氮水循環過程模擬、模型數據融合和生態系統評估。

郭學兵（1967-），女，中國科學院地理科學與資源研究所高級工程師，主要研究方向為生態信息學、數據庫系統設計與應用開發。

何洪林（1971-），男，博士，中國科學院地理科學與資源研究所研究員，主要研究方向為生態信息學、生態系統模型數據融合、生態遙感研究。

唐新齋（1976-），男，中國科學院地理科學與資源研究所工程師，主要研究方向為生態信息學。

任小麗（1984-），女，博士，中國科學院地理科學與資源研究所副研究員，主要研究方向為碳循環模型數據融合與生態信息學。

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總結

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