2009–2018年西南典型紫色土丘陵區土壤含水量變化數據集

2009–2018年西南典型紫色土丘陵區土壤含水量變化數據集
作者：章熙鋒　唐家良　高美榮　朱波
2019年12月23日

本作品收錄於《中國科學數據》

章熙鋒，唐家良，高美榮, 朱波. 2009–2018年西南典型丘陵區土壤水分含量變化數據集[J/OL].中國科學數據, 2019. (2019-12-23). DOI: 10.11922/csdata.2019.0068.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：土壤水是農田生態系統中顆粒、膠體和物質運移的主要載體，也是土壤-植物-大氣連續體物質交換和能量傳導的關鍵因子，對作物生理生長特性和生態系統服務功能有着重要影響。鹽亭站是長江上游唯一的國家農田生態系統科學觀測研究站，代表了中亞熱帶四川盆地紫色土丘陵區農田生態系統。該站地處中國地勢第二、三階梯的過渡地帶，位於長江上游生態屏障的最前沿，具有特殊的生態敏感性。本數據集包括鹽亭站2009–2018年2個長期監測樣地（草地、耕地）不同土層深度土壤質量含水量、體積含水量數據，藉助長期監測數據可研究典型丘陵區農田生態系統生態水文過程、水量平衡和物質循環規律，並揭示土壤水分循環對氣候變化的敏感性。

關鍵詞：紫色土；土壤水含量；長期監測；數據集

Abstract & Keywords

Abstract: Soil water is the main carrier of particle, colloid and substance transport in farmland ecosystem. Besides, it is also a key factor for material exchange and energy transfer in soil-plant-atmosphere continuum, and has important influence on physiological growth characteristics and ecosystem service function of crops. Yanting Station, representing the farmland ecosystem in purple soil hilly area of Sichuan Basin in the middle subtropical zone, is the only national scientific observation and research station of farmland ecosystem in the upper reaches of the Yangtze River. Which Located in the transitional zone of the second and third steps of China’s terrain, at the forefront of the ecological barrier in the upper reaches of the Yangtze River. Therefore, it has special ecological sensitivity. This dataset includes the data of different depth soil’s mass moisture content and volume moisture content in two long-term monitoring sample plots (grassland, cultivated land) at Yanting Station from 2009 to 2018. Long-term monitoring data can help to study the eco-hydrological processes of farmland ecosystems, water balance and material cycle regulation, in typical hilly areas. Furtherly, long-term monitoring dataset can help revealing the sensitivity of soil water cycle to global climate change.

Keywords: purple soil; soil water moisture; long-term monitoring; dataset

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2009–2018年西南典型丘陵區土壤水分含量變化數據集
數據作者	章熙鋒、唐家良、高美榮、朱波
數據通信作者	唐家良（jltang@imde.ac.cn）
數據時間範圍	2009–2018年
地理區域	四川鹽亭農田生態系統國家野外科學觀測研究站（以下簡稱鹽亭站）位於四川盆地中北部的四川省綿陽市鹽亭縣林山鄉（105º27′E，31º16′N），是以亞熱帶四川盆地紫色土為主要研究對象的基礎性、公益性的長期試驗與觀測平台。
數據量	0.3 MB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/894
基金項目	中國科學院成都山地所「一三五」方向性項目（SDS-135-1702）；國家科技重大專項（2017ZX07101001-02）。
數據庫（集）組成	數據集由2個數據文件組成，分別為:（1）2009–2018年鹽亭站土壤水質量含水量數據，包含兩個樣地鹽亭站綜合氣象觀測場水分觀測樣地1個採樣點（YGAQX01CTS_01）；鹽亭站綜合觀測場水分採樣地（YGAZH01CTS_01）4個採樣點數據量為156 KB；（2）2009–2018年鹽亭站體積含水量數據，數據量為251 KB。

Dataset Profile

Title	A dataset of soil moisture content change in typical purple soil hilly areas in southwest China from 2009 to 2018
Data authors	Zhang Xifeng, Tang Jialiang, Gao Meirong, Zhu Bo
Data corresponding author	Tang Jialiang (jltang@imde.ac.cn)
Time range	January 2009–January 2018
Geographical scope	Yanting Agro-eclological National Field Scientific Observation and Research Station is located in the north-central part of Sichuan Basin (105°27'E, 31°16'N) in Linshan Township, Yanting County, Mianyang City, Sichuan Province. It is a basic and public welfare for long-term experiment and observation with purple soil, as the main research object is the purple soil in subtropical Sichuan Basin.
Spatial resolution	0.3 MB
Data volume	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/894>
Sources of funding	Thirteen five plan directional project of Chengdu Institute of mountain research, Chinese Academy of Sciences (sds-135-1702); National Science and Technology Major Project (2017zx0710001-02)
Dataset composition	The data set is composed of two data files, which are as follows :(1) data of soil water mass and water content of Yanting Station from 2009 to 2018, including 1 sampling point (YGAQX01CTS_01) of the water observation sample of the comprehensive meteorological observation field of yanting station; The data volume of 4 sampling points in the comprehensive observation field of yanting station (YGAZH01CTS_01) is 156 KB. (2) volume water content data of Yanting Station from 2009 to 2018, with data volume of 251 KB.

引 言

土壤水是指土壤中各種形態水的總稱，是土壤最重要的組成部分之一。其來源主要是大氣降水、灌溉水和通過毛細作用上升的地下水。按照其存在形態一般可分為固態水、液態水和汽態水。通常在水文學中主要研究對象為存在於包氣帶土層中的液態水。根據其運動狀態不同可分為束縛水和自由水^[1]。其中，化合水和結晶水統稱化學束縛水；吸濕水和膜狀水統稱物理束縛水。自由水可分為：通過土壤毛管作用毛管水和重力水兩種。土壤水是研究降雨入滲、徑流形成、植物蒸騰和土壤蒸發等水文過程的關鍵樞紐^[2][3][1]。同時，土壤水也是包氣帶中顆粒、膠體、溶質運移的重要載體^[4][5]，以及土壤–植物–大氣連續體物質交換和能量傳導的關鍵因子^[6][7][4]。作為CERN聯網觀測的重要指標之一，土壤水分狀況和動態變化是陸地生態系統長期定位觀測的基本任務。鹽亭站作為中國生態系統研究網絡（CERN）和國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）野外台站，按照陸地生態系統水環境觀測規範的要求，對土壤水分進行了長期定位監測。為充分發揮長期聯網觀測數據的科學價值，將其進行整編、出版，將有利支撐生態相關學科科學研究和創新發展。

紫色土，是由白堊紀和侏羅紀的紫色砂頁岩發育而成。我國紫色土分布面積32萬km2，耕地面積2210萬公頃，集中連片分布在四川、重慶雲南、重慶、貴州等西南山區。其中，四川盆地紫色土面積16萬km2，耕地面積6500萬畝是長江上游的主要農耕地類型。四川鹽亭農田生態系統國家野外科學觀測研究站（以下簡稱鹽亭站）位於盆地中北部鹽亭縣林山鄉，屬中亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.3℃，多年年均降雨量826 mm。2008年後降雨總量有上升趨勢且年內分布不均。據多年雨量觀測站統計，春季占5.9%，夏季占65.5%，秋季占19.7%，冬季占8.9%。鹽亭站代表區域地處中國地勢第二、三階梯過渡地帶，位於長江上游生態屏障的最前沿，具有特殊的生態敏感性。

1 數據採集和處理方法

1.1 觀測樣地設置

鹽亭站農田綜合觀測場水分觀測樣地（圖1）位於四川省鹽亭縣林山鄉截流村，經度範圍為105°27′22″–25″E，緯度範圍為31°16′16″–19″N，海拔420 m。該樣地2004年建立，設計使用年數100年，綜合觀測場採樣地由三塊坡向西北–東南、坡度相近的台地經過深翻平整改建為坡度5°、面積1600 m2的旱坡地。實行冬小麥–夏玉米輪作，常規施肥，無灌溉水來源。根據中國土壤系統分類，土類為紫色土，亞類為石灰性紫色土，土壤母質為紫色砂頁岩土壤，呈A–C剖面分布，土壤厚度為50–100 cm；輕度風蝕，細溝侵蝕，地下水位在30 m以下。

圖片

圖1 鹽亭站農田生態系統綜合觀測場水分觀測樣地

鹽亭站綜合氣象要素觀測場1997年建立，1997年安裝的是國產自動氣象站（AMRS-1）；2004年按國家標準氣象站擴建為標準氣象場25 m×25m，設備更新為芬蘭Visila公司的自動氣象站（MiLOS 520）；2014年型號更新為MAWS301。鹽亭站綜合氣象觀測場水分採樣地2004年11月建立並試運行，2005年正式開始觀測，利用中子儀測定土壤水分含量，2010年因中子儀設備故障已經管理要求停用，改為安裝Stevens探針傳感器（圖2）。

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圖2 鹽亭站綜合氣象觀測場水分採樣地

1.2 數據預處理方法

本數據集包括兩個樣地：鹽亭站農田綜合觀測場水分觀測樣地和鹽亭站綜合氣象觀測場水分觀測樣地。觀測深度依次為：10cm，20cm，30cm，40cm，60cm；測量方法：質量含水量為人工取樣採用烘乾法測量。由於儀器更新換代以及故障的原因，不同時期體積含水量測量方法有所不同：2009年1–7月為中子儀測量；2009年12月至2013年3月採用TDR傳感器測量；2014年7月之後為CR800測量；2017年3月綜合觀測場水分樣地2號點位和氣象觀測場水分樣地升級為Hydra probe傳感器測量。整編數據頻率：質量含水量數據2個月/次，體積含水量1個月/次。根據出版要求，台站將觀測元數據經過初級加工，需提供數據處理方法和程序。質量含水量數據採用格拉布斯判斷法剔除掉異常值，經過檢驗後的數據整理為數據集。體積含水量數據採用各種類型傳感器或探針測量，一個月內探針所測數據的平均值代表月均值，並計算標準偏差。烘乾法測定土壤含水量是目前水分觀測中最為可靠的方法，由於土壤質量含水量和體積含水量之間存在一定關係：土壤質量含水量=體積含水量*土壤容重。因此，烘乾法可作為一種校驗方法對儀器所得體積含水量數據進行校正。故本數據集中，將質量含水量和土壤體積含水量數據分別進行整編，以便於用戶進一步對數據進行深度校正和處理。

2 數據樣本描述

鹽亭站農田生態系統野外觀測研究站土壤含水量數據主要包含的指標見表1。

表1 土壤質量含水量數據對照表

台站代碼

年

月

日

觀測場代碼

觀測場名稱

土地利用類型

土壤質量含水量（g/g）

備註

10cm

20cm

30cm

40cm

60cm

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3 數據質量控制和評估

3.1 質量管理體系

土壤水分監測是CERN長期聯網觀測的重要指標，水分中心負責數據的管理和質控，並出版了《陸地生態系統水環境觀測質量保證與質量控制》專業指導書籍和標準。為保障數據質量的良好，進而實現標準化數據的有效共享，CERN中心採取制定計劃、執行和評估三個步驟來實現前端控制，通過對台站監測數據審核、檢驗和評估來實現後端質控的嚴謹質量管理體系。質量管理流程和組織職責如圖3所示。

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圖3 CERN三級質量管理體系

3.2 數據產生過程質量保證和質控

為保證觀測質量的穩定可靠，CERN中心指定嚴格的管理制度。首先是固定採樣時間，指定專門人員對場地設施進行維護，並固定取樣和分析人員，數據上交後由中心進行校核。

本數據集所涉及的土壤含水量觀測樣地設置、維護以及觀測規範和原始質量控制方法根據《陸地生態系統水環境觀測質量保證與質量控制》的相關規定進行。人工觀測數據除對採樣和分析過程進行專業培訓和定期檢查外，還上交原始記錄資料以便查驗。Stevens探針在使用前，需對儀器進行標定。根據烘乾法所測量的土壤質量含水量為土壤容重與體積含水量之積，進行儀器準確性矯正。所有觀測數據整理好後仍需按照方法《數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理》（GBT4883-2008）進行異常值檢驗，對於存在的異常值檢查原始記錄判斷是否應該剔除。本次數據集加工過程中，對於部分缺少或剔除數據用「-」表示，並在數據欄中說明缺失原因。

4 數據價值

土壤水分是土壤的重要組成部分，也是研究降雨入滲、徑流形成、植物蒸騰和土壤蒸發等水文過程的關鍵樞紐。對於具有長時間序列的野外觀測數據而言，具有揭示地區水量平衡變化趨勢的作用，進而反映人類活動對環境演變的長期影響力。川中丘陵區傳統農業為雨養型農業，且大部分實施輪作制度。本數據集提供長期輪作耕地和草地兩種土地利用類型的土壤含水量數據，可為研究紫色土區水土資源管理和農業可持續發展提供基礎數據支撐。同時，結合CERN聯網多空間尺度和時間跨度觀測數據，將有利於不同區域因子對於氣候變化響應的敏感性差異分析，為不同典型區域農田生態系統結構功能的演替變化研究提供重要基礎依據。

5 數據使用方法和建議

本數據集可通過Science Data Bank在線服務網址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/894）获取数据服务。同时，如果对相关原始数据有使用需求的，也可通过四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站数据资源服务平台（http://yga.cern.ac.cn/）进行在线申请。登录系统后，在资源服务–数据服务–生态系统要素联网长期监测数据–水分要素监测–农田生态系统土壤含水量表中可进行申请下载。

致 謝

感謝曾經參與鹽亭站土壤含水量野外觀測工作的陳德樹、李樹川、陳志等工作人員！

參考文獻

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數據引用格式

章熙鋒，唐家良，高美榮, 朱波. 2009–2018年西南典型丘陵區土壤水分含量變化數據集[DB/OL].Science Data Bank, 2019. (2019-09-24). DOI: 10.11922/sciencedb.894.