2002–2016年鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集
| 2002–2016年鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集 作者：劉佩伶 張倩媚 劉效東 劉世忠 褚國偉 張德強 孟澤 2019年12月25日 |
 劉佩伶, 張倩媚, 劉效東, 等. 2002–2016年鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(4). (2019-12-24). DOI: 10.11922/csdata.2018.0063.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：土壤水分是森林生態系統物質和能量循環的關鍵載體，對森林生態系統水文過程與水量平衡、養分循環、森林生產力形成及生態服務功能的發揮等具有重要作用。土壤水分含量是中國生態系統研究網絡（CERN）陸地生態系統水環境長期定位觀測的重要指標。馬尾松針葉林（Pinus massoniana coniferous forest）、馬尾松針闊葉混交林（mixed Pinus massoniana /broad-leaved forest）和季風常綠闊葉林（monsoon evergreen broad-leaved forest）是鼎湖山國家級保護區內分布的典型森林類型，長期以來受到嚴格的保護。依託鼎湖山森林生態系統定位研究站（鼎湖山站），依據CERN陸地水環境觀測規範、質量保證與質量控制規範，分別於上述林型內設立標準觀測樣地，並開展森林土壤水分含量的長期定位觀測、數據匯交、質控以及科研與示範工作。本數據集整理了鼎湖山站2002–2016年馬尾松針葉林、馬尾松針闊葉混交林和季風常綠闊葉林3種典型森林類型土壤含水量長期觀測數據。以期為深入探究氣候變化與植被覆蓋變化影響下的森林生態系統結構與功能等相關議題提供本底資料，為該地區的森林經營管理及生態系統服務功能評價提供基礎支撐。
關鍵詞：鼎湖山；土壤含水量；中子儀；長期觀測
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: As a critical carrier of the material cycle and energy exchange of forest ecosystem, soil moisture plays an important role in the hydrological processes, water balance, nutrient circulation, forest productivity, and ecological function maintenance of forest ecosystems. It was thus listed by Chinese Ecosystem Research Network (CERN) as a fundamental indicator for the water environment of the terrestrial ecosystems. According to the CERN observation and quality control protocols, Dinghu Mountain (DHS) Forest Ecosystem Research Station set up standard observation plots, and carried out long-term monitoring of soil moisture at different forest types of this region, so as to support research, education, and outreach. Here we present a dataset of soil moisture from 2002 to 2016 in three typical forest types of DHS, that is, Pinus massoniana coniferous forest, mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest and monsoon evergreen broad-leaved forest. This project aims to aid studies in forest ecosystem structure and function under the scenarios of global warming and regional vegetation change, thereby contributing to local forest management and ecosystem service evaluations.
Keywords: Dinghu Mountain; soil moisture; Neutron Probe; long-term observation
數據庫(集)基本信息簡介[編輯]
| 數據庫（集）名稱 | 2002–2016年鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集 |
| 數據作者 | 劉佩伶，張倩媚，劉效東，劉世忠，褚國偉，張德強，孟澤 |
| 數據通信作者 | 張倩媚（zqm@scib.ac.cn），劉效東（liuxd@scib.ac.cn） |
| 數據時間範圍 | 2002年1月至2016年6月 |
| 地理區域 | 北緯23°09′21"–23°11′30"，東經112°30′39"–112°33′41"，鼎湖山國家級自然保護區，中國 |
| 數據格式 | *.xlsx |
| 數據量 | 1.07 MB，8005條記錄 |
| 數據服務系統網址 | http://dhf.cern.ac.cn/meta/detail/FC012002 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/667 |
| 基金項目 | 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國家科技基礎條件平台，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 | 數據集由1個數據文件組成，數據量8005條，包含用中子儀法測定的馬尾松針葉林、馬尾松針闊葉混交林、季風常綠闊葉林的土壤體積含水量數據。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | A dataset of soil moisture content in the typical forest ecosystem of Dinghu Mountain (2002–2016) |
| Data authors | Liu Peiling, Zhang Qianmei, Liu Xiaodong, Liu Shizhong, Chu Guowei, Zhang Deqiang, Meng Ze |
| Data corresponding author | Zhang Qianmei (zqm@scib.ac.cn); Liu Xiaodong (liuxd@scib.ac.cn) |
| Time range | January 2002 to June 2016 |
| Geographical scope | Dinghu Mountain National Nature Reserve, China: 23°09′21"N–23°11′30"N, 112°30′39"E–112°33′41"E. |
| Data format | *.xlsx |
| Data volume | 1.07MB (8005 entries) |
| Data service system | <http://dhf.cern.ac.cn/meta/detail/FC012002> <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/667> |
| Sources of funding | Chinese Ecosystem Research Network (CERN)-Dinghu Mountain Forest Ecosystem Positioning Research Station of the National Science and Technology Infrastructure Platform; Operation Service Project of National Scientific Observation and Research Field Station of Dinghu Mountain Forest Ecosystem in Guangdong, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China. |
| Dataset composition | The dataset consists of one data file comprised of 8005 entries. It contains volumetric soil water content data of Pinus massoniana coniferous forest, mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest and monsoon evergreen broad-leaved forest measured by Neutron Probe method. |
引 言[編輯]
土壤水分是森林生態系統物質循環的載體，活躍地發生在地–氣、根–土等界面上，調節着森林空間養分和能量的分配格局，進而深刻影響生態系統結構與功能演變[1][2]。土壤層作為森林生態系統的主要水分庫，其水分含量的監測與研究有助於深入認知森林生態系統關鍵過程與功能機制[3]，對流域水循環、水土保持以及流域生態系統管理有着重要意義。
中國生態系統研究網絡（China Ecosystem Research Network，CERN）承擔着國家生態系統監測、科研和示範任務。長期以來，CERN通過對不同區域典型生態系統水、土、氣、生等關鍵要素的長期、定位監測，儼然已形成了標準化的系統觀測體系，產生了大量的長期生態觀測數據。完整、一致、可靠的長期觀測數據共享，將迎來科學大數據新模式，促進科研模式的轉變，提高大數據時代科學發現的能力。土壤水分含量是CERN陸地生態系統水環境長期定位觀測的重要指標，土壤水分長期觀測數據分析有利於揭示土壤水分動態規律及相關科學與實踐問題[4]。
馬尾松針葉林（Pinus massoniana coniferous forest，簡稱馬尾松林）、馬尾松針闊葉混交林（mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest，簡稱針闊林）和季風常綠闊葉林（monsoon evergreen broad-leaved forest，簡稱季風林）是鼎湖山國家級自然保護區內分布的典型森林植被類型。依託鼎湖山森林生態系統定位研究站（簡稱鼎湖山站），分別於上述林型內設立標準觀測樣地，並開展森林土壤水分含量的長期定位觀測、數據匯交、質控以及科研與示範工作。本數據整理了鼎湖山站2002–2016年馬尾松林、針闊林和季風林3種典型森林類型土壤含水量同步、長期觀測數據，以期為深入探究氣候變化與植被覆蓋變化影響下的森林生態系統結構與功能等相關議題提供本底資料，為該地區的森林經營管理及生態系統服務功能評價提供基礎支撐。
1 數據採集和處理方法[編輯]
1.1 數據採集樣地描述[編輯]
鼎湖山站長期觀測場地依據典型區域–觀測場–觀測樣地的基本原則設立，數據集中涉及土壤含水量觀測項目的樣地包括輔助觀測場馬尾松林樣地（塘鵝嶺）、站區調查點針闊林I號樣地（旱坑）、輔助觀測場針闊林II號樣地（飛天燕）和綜合觀測場季風林樣地（三寶峰）。其中1978年建立於旱坑的針闊混交林I號樣地因路途偏遠，不方便觀測；1999年在上山公路邊重新建立代表鼎湖山演替中期階段的針闊混交林II號樣地。各樣地相關信息介紹在表1–3中。
表1 樣地林型參數
| 序號 | 樣地名稱 | '輔助觀測場'馬尾松林樣地 | '站區調查點'針闊林I號樣地 | '輔助觀測場'針闊林II號樣地 | '綜合觀測場'季風林樣地 |
| 1 | 海拔/m | 50–150 | 200–300 | 100–200 | 230–350 |
| 2 | 坡向 | SE | SE | SE | NE |
| 3 | 坡度/(°) | 15–25 | 30–45 | 30–45 | 25–35 |
| 4 | 林齡/a | 50–60 | 70–80 | 70–80 | ＞400 |
| 5 | 鬱閉度/% | 70 | ＞90 | ＞90 | ＞95 |
| 6 | 土壤類型 | 薄中赤紅壤 | 厚薄赤紅壤 | 厚薄赤紅壤 | 水化赤紅壤 |
表2 樣地土壤理化性質[5]
| 林型 | 土層深度/cm | 土壤質地名稱 | '土壤'孔隙度/% | 土壤田間持水量/% | '土壤'完全持水量/% | '土壤'有機質/(g/kg) | 土壤容重/(g·cm'-3') | 粒級2–0.05 mm/% | 粒級 0.05–0.002 mm/% | 粒級<0.002 mm/% |
| 馬尾 松林 | 0–10 | 壤土 | 39.6 | 26.1 | 45.2 | 26.3 | 1.5 | 43.0 | 42.5 | 12.5 |
| 10–20 | 壤土 | 38.5 | 25.8 | 38.5 | 11.8 | 1.7 | 35.3 | 48.3 | 14.3 | |
| 20–40 | 壤土 | 39.3 | 8.9 | 1.6 | 31.6 | 50.3 | 16.0 | |||
| 40–60 | 粉(砂)壤土 | 39.7 | 7.7 | 1.6 | 28.3 | 52.3 | 17.3 | |||
| 60–80 | 粉(砂)壤土 | 39.8 | 6.5 | 1.3 | 27.5 | 53.3 | 17.2 | |||
| 混交林 Ⅱ號 | 0–10 | 粉(砂)壤土 | 42.3 | 25.3 | 53.7 | 45.2 | 1.2 | 12.5 | 65.8 | 19.7 |
| 10–20 | 粉(砂)壤土 | 39.2 | 26.5 | 49.6 | 21.1 | 1.3 | 12.0 | 67.7 | 18.3 | |
| 20–40 | 粉(砂)壤土 | 47.7 | 13.2 | 1.2 | 10.0 | 68.7 | 19.3 | |||
| 40–60 | 粉(砂)壤土 | 44.5 | 10.3 | 1.4 | 10.5 | 67.2 | 20.3 | |||
| 季風林 | 0–10 | 粉(砂)壤土 | 56.3 | 34.6 | 59.5 | 49.3 | 0.9 | 18.8 | 61.3 | 17.8 |
| 10–20 | 粉(砂)壤土 | 53.8 | 32.8 | 50.2 | 21.4 | 1.3 | 15.6 | 63.0 | 19.3 | |
| 20–40 | 粉(砂)壤土 | 49.6 | 14.5 | 1.3 | 21.5 | 58.3 | 18.2 | |||
| 40–60 | 粉(砂)壤土 | 44.7 | 9.9 | 1.6 | 22.5 | 57.5 | 18.0 | |||
| 60–80 | 粉(砂)壤土 | 40.2 | 8.3 | 1.3 | 29.1 | 53.3 | 15.5[5] |
表3 土壤含水量觀測樣方簡介
| 序號 | 樣地林型 | 水分觀測設施布置圖及其編碼說明 |
| 1 | 馬尾松林 | 樣地總面積約8000 m2，單位樣方為10×10 m，5 m為緩衝帶；中子管分布於松林樣地內，從下到上依此是1、2、3號管，編號如下：DHFFZ01CTS_01_01、02、03圖片 |
| 2 | 針闊
混交林 （I號） |
樣地面積為1200 m2，II級樣方10×10 m，中子管分布在樣方外的左下方，從下坡到上坡編號如下：DHFZQ01CTS_01_01、02、03圖片 |
| 3 | 針闊
混交林 （II號） |
樣地面積10000 m2，II級樣方20×20 m，由於地形原因，將樣地西北角的II級樣方移至樣地東北角邊。中子管分布於針闊混交林II號樣地內，從下到上依此是1、2、3號管，編號如下：DHFFZ02CTS_01_01、
02、03圖片 |
| 4 | 季風林 | 樣地面積為2500 m2，II級樣方10×10 m，7根中子管分別在山坡的上中下部分布，在樣地內及邊緣，編號如下：
DHFZH01CTS_01_01、02、03、04、05、06、07圖片 |
1.2 觀測儀器設施[編輯]
採用CERN網絡統一購置並配備的中子儀和中子管儀器設施（CNC503B，北京超能科技公司），人工定期測定各林型各土層土壤體積含水量（%）。
1.3 數據來源[編輯]
鼎湖山站多年來致力於智慧台站的打造，積極推進野外監測數據的自動監測、採集和傳輸，大大提高了站內監測數字化運行的覆蓋範圍，加快數據採集的速度[5]。
本數據集為從1999年開始，進行上述3種不同林型土壤含水量的野外觀測。但前期數據（1999–2001年）由於採樣層次不一致，採樣時間不完善，缺失數據較多，因此本數據集從2002年2月開始，到2016年6月為止。採用中子儀法定期人工測量森林土壤含水量，記錄中子儀讀數並換算成土壤體積含水量（%）。每月一次測量輔助觀測場馬尾松林土壤水分、站區調查點針闊林I號樣地土壤水分和輔助觀測場針闊林Ⅱ號土壤水分；每5天一次測量綜合觀測場季風常綠闊葉林土壤水分；其中每15 cm土壤厚度為一層進行測量，分別測定15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm和90 cm這6個土壤厚度的土壤含水量，由於實際觀測中深土層土壤條件（如石塊）所限，部分測點90 cm數據缺失。
1.4 數據加工、處理方法與過程[編輯]
用中子儀測定土壤含水量是利用中子源放進土壤中時，在源周圍的土壤中所形成慢中子數量和土壤含水量大小有密切的關係這一特點來實施觀測的[1]。具體的方法是把一個快速中子源和慢中子探測器置於套管中，埋入土內。其中的中子源以很高的速度放射出中子，當這些快中子與水中的氫原子碰撞時，就會改變運動的方向，並失去一部分能量而變成慢中子。土壤水越多，氫愈多，產生的慢中子也就越多，慢中子被探測器量出，經過校正可求出土壤水的含量[6]。與烘乾法相比，中子儀是一種間接的土壤水分觀測方法。中子儀觀測的是土壤體積含水量，便於直接將含水量換算為毫米度量的單位。
中子儀觀測的一般程序主要包括讀取標準讀數、中子儀讀數、數據輸出3個步驟。
VWC =m (R/Rw )＋c （1）
式中，VWC為土壤體積含水量（%）；R是土壤中的中子計數率；Rw 是水體中的中子計數率；m和c均為常數，取值分別為12.272和-1.2683。
2 數據樣本描述[編輯]
鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集主要包含的指標見表4。
表4 土壤體積含水量指標
| 生態站代碼 | 年 | 月 | 日 | 樣地代碼 | 樣地名稱 | 測管代碼 | 15 cm含水量/% | 30 cm含水量/% | 45 cm含水量/% | 60 cm含水量/% | 75 cm含水量/% | 90 cm含水量/% | 備註 |
| 字符型 | 數值型 | 數值型 | 數值型 | 字符型 | 字符型 | 字符型 | 數值型 | 數值型 | 數值型 | 數值型 | 數值型 | 數值型 | 字符型 |
3 數據質量控制和評估[編輯]
3.1 質量管理體系[編輯]
CERN長期生態監測是一項野外台站之間的聯網共同監測計劃[4]，野外台站對各項生態指標進行長期觀測，數據的管理和質量控制則由專業分中心和綜合中心負責。為了保證數據質量進而實現有效共享，CERN形成了嚴謹的質量管理體系，通過計劃、執行和評估三個步驟，採取前端控制和後端質控的管理模式，對數據進行審核、檢驗和評估。具體的質量管理流程和組織職責如圖1所示。
圖1 CERN三級質量管理組織的質量管理流程與職責[4]
3.2 數據產生過程質量保證和質量控制[編輯]
數據產生過程涉及觀測場地管理、場地維護、採樣、現場觀測、室內分析、自動檢測以及數據錄入過程，為了實現數據質量管理的目標和任務，CERN制定嚴格的控制措施，如長期觀測場地要根據生態類型和長期觀測目的保證其典型性；制定專門的場地維護管理制度和維護程序；採樣過程中，制定周密的採樣計劃，明確採樣程序並進行樣品的監管等等。
數據產生過程中，質量管理責任人顯得非常重要，他們把控着數據產生過程的各個環節。因此鼎湖山站歷來重視科研人員的培養及其業務素質的提高，自1999年進入國家試點站以來，鼎湖山站先後派遣年輕科研人員到國外相關大學或研究機構學習和進修，同時鼓勵科研人員積極參加國內外的重要學術活動；派遣技術支撐人員積極參加CERN及CNERN（國家生態系統觀測研究網絡）各分中心的業務培訓，重點掌握與常規監測相關的設備操作與維護、野外監測技術與方法等，確保野外台站各項監測任務的順利進行。
3.3 數據檢驗與評估[編輯]
CERN主要從數據的完整性、準確性、一致性等方面檢驗原始觀測數據是否滿足監測規範，通過數據評估判斷數據質量控制組織結構、管理措施等各個環節是否合理以及數據是否適合共享和使用。鼎湖山站分析數據誤差及處理辦法主要是將多年數據進行比對，刪除異常值或標註說明。數據集中缺少的數據以空格表示，數據缺少的原因是土層較薄導致中子管入土深度不夠或儀器維修。將烘乾法和中子儀法測出的土壤含水量數據進行對比，發現數據差異大、存在不合理時，及時發現並糾正測量方法中存在的問題，如重新標定中子儀曲線等，確保數據的有效性。
4 數據價值[編輯]
土壤含水量體現系統的水分狀況，反映森林生態系統的土壤理化性狀、植被、林內小氣候等一系列森林生態因子。一個地區土壤含水量數據是森林生態水文學研究者快速了解該區域森林生態系統的水文特徵的重要參考資料。為了響應數據共享的理念，促進科學發展，本研究公開發表了2002–2016年鼎湖山森林生態系統土壤含水量的數據，建立了便捷查詢的數據集。不僅為研究鼎湖山土壤水分含量特徵及變化規律的科研人員提供基礎數據，而且為相關的森林生態系統土壤水專著的撰寫提供素材[7]。
本數據集可應用於氣候、生態、農業生產、水資源管理等相關領域，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台站數據聯網分析，結合數據中心長期定位觀測到的生物、土壤等相關數據[8]，全方位分析不同生態因子的長時間變化規律以及相互之間的耦合機制，為研究不同典型區域的森林生態系統結構與功能的演替變化提供重要資料。使用本數據集時需要注意由於台站儀器故障、土壤採樣的深度不夠等原因導致的數據缺失問題。
5 數據使用方法和建議[編輯]
本數據集可通過鼎湖山站數據資源服務網站（http://dhf.cern.ac.cn/meta/detail/FC012002）查看元数据信息，登录后可直接下载数据。或通过Science Data Bank在線服務網址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/667）获取数据服务。
參考文獻[編輯]
- ^ 1.0 1.1 袁國富, 唐登銀, 孫曉敏, 等. 陸地生態系統水環境觀測規範[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2007.
- ↑ 劉效東, 喬玉娜, 周國逸. 土壤有機質對土壤水分保持及其有效性的控制作用[J]. 植物生態學報, 2011, 35(12): 1209-1218.
- ↑ Zhou G, Wei X, Wu Y, et al. Quantifying the hydrological responses to climate change in an intact forested small watershed in Southern China[J]. Global Change Biology, 2011, 17(12): 3736-3746.
- ^ 4.0 4.1 袁國富, 張心昱, 唐新齋, 等. 陸地生態系統水環境觀測質量保證與質量控制[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2012.
- ↑ 張倩媚, 張德強, 李躍林, 等. 鼎湖山森林生態系統智慧型野外台站建設[J]. 生態科學, 2015, 34(03): 139-145.
- ↑ 呂貽忠, 李保國. 土壤學[M]. 北京: 中國農業出版社, 2006.
- ↑ 徐文婷, 葛結林, 熊高明, 等. 2001年亞熱帶典型常綠落葉闊葉混交林物種組成數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(1). DOI: 10.11922/csdata.180.2016.0108.
- ↑ 唐新齋, 袁國富, 朱治林, 等. 2005～2014年CERN野外台站氣象觀測場土壤含水量數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(1). DOI: 10.11922/csdata.170.2016.0101.
數據引用格式[編輯]
劉佩伶, 張倩媚, 劉效東, 等. 2002–2016年鼎湖山典型森林生態系統土壤含水量數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-10-26). DOI: 10.11922/sciencedb.667.
