2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集

2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集
作者：李旭　曾靜　侯志勇　謝永宏　陳心勝　李峰
2019年10月16日

本作品收錄於《中國科學數據》

李旭, 曾靜, 侯志勇, 等. 2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-10-16). DOI: 10.11922/csdata.2019.0059.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：濕地土壤元素的空間分布受到多種環境因素的影響，其中水文條件通過水文周期的變化以及地表水和地下水的運動對土壤元素進行調節。洞庭湖濕地生態系統觀測研究站自2009年正式運行以來，按中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）統一的監測規範，對洞庭湖水文情勢變化下，濕地生態系統中土壤主要理化性質、營養元素、重金屬含量等指標進行長期定位監測。通過洞庭湖三種典型濕地植物（苔草，荻和辣蓼）樣地表層土壤元素監測數據進行加工處理，獲得2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集。本數據集包含有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀、全錳、全鐵、鎘、鉛、鉻、鎳、汞、砷14個指標。14個指標測定的相對誤差平均為4.26%，重複測定的相對偏差為3.77%。同時附有完整的背景信息，保證了數據在空間和時間上的一致性。本數據集可以為洞庭湖土壤營養狀況評估、環境質量評估、土壤污染風險評價以及環境土壤學研究等工作提供數據基礎。

關鍵詞：營養元素；重金屬；土壤污染；洲灘濕地；長期定位監測

Abstract & Keywords

Abstract: The spatial distribution of soil elements in wetlands is affected by many environmental factors, among which the hydrological conditions regulate the soil elements through the change of hydrological cycle and the movement of surface water and groundwater. Since the Dongting Lake Wetland Ecosystem Research Station formally operated in 2009, according to the unified monitoring criteria of China Ecosystem Research Network (CERN), the main physical and chemical properties, nutrient elements and heavy metal contents of soil in the wetland ecosystem under the change of the hydrological situation of Dongting Lake have been measured for long-term locating and monitoring. The soil element content dataset of Dongting Lake beach from 2012 to 2016 were obtained by processing the surface soil element monitoring data of three typical wetland plants (Carex. sp, Triarrhena lutarioriparia and Polygonum hydropiper) in Dongting Lake. This data set contains 14 indicators, including organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus, available potassium, total manganese, total iron, cadmium, lead, chromium, nickel, mercury and arsenic. The relative error rate of 14 indicators is 4.26% in average, with relative deviation of 3.77% in average. At the same time, complete background information is attached to ensure the temporal and spatial consistency of data. The dataset is expected to provide data support for soil nutrition assessment, environmental quality assessment, soil contamination risk assessment and environmental soil science research in Dongting Lake.

Keywords: nutrient element; heavy metal; soil pollution; wetland beach; long-term locating and monitoring

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集
數據作者	李旭，曾靜，侯志勇
通訊作者	謝永宏（xyh@isa.ac.cn）
數據時間範圍	2012–2016 年
地理區域	東洞庭湖洲灘
數據量	33.2 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/879
項目基金	國家自然科學基金（31570431，41601106）；中國科學院重點部署項目（KFZD-SW-318）；中國科學院青年創新促進會項目（2014337）；湖南省自然科學基金（2018JJ3580）。
數據庫（集）組成	該數據集由5張表單組成，它們分別為「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表，「樣地信息」表，「樣地管理記錄」表，「分析方法記錄」表，「標準樣品測定記錄」表。其中「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表記錄了洞庭湖三種典型濕地植物（苔草、荻和辣蓼）樣地表層土壤元素監測數據，數據記錄27條。本表格包括生態站代碼、年、月、日、樣地代碼、採樣分區描述（微地形）、土壤類型、母質、植被/ 作物、採樣深度（cm）、有機質（g/kg）、全氮（N g/kg）、全磷（P g/kg）、全鉀（K g/kg）、有效磷（P mg/kg）、速效鉀（K mg/kg）、全錳（Mn mg/kg）、全鐵（Fe %）、鎘（Cd mg/kg）、鉛（Pb mg/kg）、鉻（Cr mg/kg）、鎳（Ni mg/kg）、汞（Hg mg/kg）、砷（As mg/kg）、備註，共計26個字段。

Dataset Profile

Title	Soil element content dataset of Dongting Lake beach (2012 – 2016)
Data corresponding author	Xie Yonghong (xyh@isa.ac.cn)
Data author(s)	Li Xu, Zeng Jing, Hou Zhiyong
Time range	2012–2016
Geographical scope	East Dongting Lake beach
Data volume	33.2 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/879>
Source(s) of funding	National Natural Science Foundation of China (31570431, 41601106); Key Deployment Project of Chinese Academy of Sciences (KFZD-SW-318);Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (2014337); Hunan Province Natural Science Foundation (2018J3580).
Dataset/Database composition	The dataset consists of 5 tables, which are "Dongting Lake Beach Soil Element Content" table, "Plot Information" table, "Plot Management Record" table, "Analysis Method Record" table and "Standard Sample Determination Record" table. The table of "soil element content in Dongting Lake beach" recorded the monitoring data of soil elements in surface layer of three typical wetland plants (Carex. sp, Triarrhena lutarioriparia and Polygonum hydropiper) in Dongting Lake, contained 27 entries, which includes station code, year, month, day, plot code, sampling subplot description (micro-topography), soil type, parent material, vegetation/crop, sampling depth (cm), organic matter (g/kg), total nitrogen (N g/kg), total phosphorus (P g/kg), total potassium (K g/kg), available phosphorus (P mg/kg), available. potassium (unit: K mg/kg), total manganese (Mn mg/kg), total iron (Fe%), cadmium (Cd mg/kg), lead (Pb mg/kg), chromium (Cr mg/kg), nickel (Ni mg/kg), mercury (Hg mg/kg), arsenic (As mg/kg), and remarks, with the total being 26 fields.

引 言

洞庭湖位於長江中游荊江段南岸，是我國第二大淡水湖、長江重要的分洪沉沙調蓄湖泊和全球200個重要生態區之一，主要由東洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖和橫嶺湖等主湖泊組成。它接納湘、資、沅、澧四水和長江荊江河段松滋、太平、藕池三口，以及汨羅江、新牆河等湖區周邊中小河流的來水來沙，經湖泊調蓄後由城陵磯出口匯入長江。洞庭湖是重要的國際濕地保護區域，具有調節江河徑流、淨化水質、維護生物多樣性和改善生態環境等多種生態服務功能^[1]。

據史料記載，湖中的洲灘大部分起源於晚清後期至建國前後，它是長江與四水攜帶的泥沙在洞庭湖淤積的產物。洞庭湖區的土壤幾乎全部為沖積湖積母質，湖泊洲灘為潮土、沼澤土和沼澤化草甸土，為壤土或沙壤土，厚達2 m以上。在汛期，大量泥沙、動植物殘體沉積於洲土，為洲灘源源不斷地補給有機質和礦物元素^[2]。同時，洞庭湖四水流域有色金屬礦場及其伴生礦地，大型化工廠的工業廢水，洞庭湖周邊居民的生活垃圾以及流入湖內的農藥、化肥等的入湖共同造成了灘地土壤中重金屬的積累，灘地土壤中的重金屬在一定條件下也可能重新釋放到水中，嚴重影響湖泊水體質量^[3]。

洞庭湖濕地生態系統觀測研究站（簡稱洞庭湖站）地處湖南省岳陽市郊區採桑湖南岸（北緯29°30′，東經112°48′），區內年均氣溫16.15℃，年均降水量1250–1450 mm，無霜期258–275 d，具有陽光充足，日照較長，雨量充沛，春夏冷暖氣流交替頻繁，夏秋晴熱少雨，秋寒偏旱等特點。洞庭湖站自2009年組建以來，按中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）統一的監測規範，針對洞庭湖水文情勢下，洲灘濕地生態系統中土壤主要理化性質、營養元素、重金屬含量等指標進行長期定位監測。2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集來自於加工處理後的洞庭湖3種典型濕地植物（苔草，荻和辣蓼）樣地表層土壤元素監測數據，並包括相應的地理、土壤、植被、人為管理等背景信息，以及分析方法和質量控制信息。本數據集可以為洞庭湖土壤營養狀況評估、環境質量評估、土壤污染風險評價以及環境土壤學研究等工作提供數據基礎。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據來源

本數據集的土壤元素狀況數據來自2012–2016年洞庭湖站典型長期監測樣地（簡稱「樣地」）表層土壤的有機質、氮、磷、鉀、有效磷、速效鉀、鐵、錳、鎘、鉻、鉛、鎳、汞、砷含量監測數據。洞庭湖洲灘土壤監測以樣地為單位開展。為了保證數據的空間代表性，各項指標在每次監測中都設置5個重複採樣，每個重複採樣又是來自10個採樣點的混合土壤樣品。取樣時間為每年洪水前和洪水後，4月和11月中旬（實際根據洪水漲落確定，其中2016年度，3月開始樣地就已經淹沒，無法取樣）。為了使用方便，將重複採樣數據經校驗審核後取平均值。為了保證數據的完整性，提取了相應樣地背景信息、管理信息。為了體現數據的準確度和精密度，提取了各監測項目的分析方法記錄和標準樣品質控數據。將提取的數據按類別共生成5張表，分別命名為洞庭湖洲灘土壤元素含量、樣地信息、樣地管理記錄、分析方法記錄、標準樣品測定記錄。

1.2 數據規範化

1.2.1 樣地的名稱與代碼的規範化

洞庭湖濕地生態系統觀測研究站代碼為DTM。根據CERN土壤監測規範，統一為3位，前2位為台站中文簡稱的漢語拼音縮寫，第3位代表監測的主要生態系統類型，M表示濕地生態系統。樣地代碼按規範要求嚴格採用13位編碼，台站代碼（第1–3位）+監測類型編碼（第4–7位）+監測要素分類碼（第8–10位）+「_」（第11位）+長期監測採樣地序號（第12–13位）^[4]。本數據集提取的典型樣地的監測類型有綜合和輔助兩種。綜合樣地（ZH）代表了所在區域的主要生態系統類型，採樣面積能夠滿足幾十年到上百年的尺度要求，並可在樣地內或者附近開展水分、土壤、大氣、生物的多要素聯合觀測。輔助樣地（FZ）是綜合樣地的對照和補充，是不同植被類型和演替階段的濕地。

1.2.2 土壤分類歸屬的規範化

洞庭湖站在監測過程中參考土壤發生分類系統來對長期監測樣地的土壤類型命名。在CERN土壤分中心開展的野外台站土壤分類規範化研究工作中^[5]，對各台站典型生態系統長期監測樣地土壤的形成因素和剖面主要性狀進行調查研究，分析探討其發生過程，根據中國土壤發生分類（Genetic Soil Classification of China，GSCC）、中國土壤系統分類（Chinese Soil Taxonomy，CST）、美國土壤系統分類（Soil Taxonomy，ST）的分類標準對其進行了土壤類型劃分，以便為數據使用者提供更可靠的土壤背景信息。

1.2.3 深度範圍的規範化

按發生層劃分採樣深度時，經常出現深度劃分不規則的問題，影響了不同監測年份間和不同樣地間數據的可比性。本數據集提取上層採樣深度在0–20 cm的監測數據。

2 數據集描述

2.1 數據集結構

本數據集由6 張數據表組成，它們分別為：

1. 「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表，記錄土壤元素長期定位監測數據。本表格包括生態站代碼、年、月、日、樣地代碼、樣地名稱、採樣分區描述（微地形）、土壤類型、母質、植被（群落）類型、採樣深度（cm）、有機質（g/kg）、全氮（g/kg）、全磷（g/kg）、全鉀（g/kg）、有效磷（mg/kg）、速效鉀（mg/kg）、全鐵（%）、全錳（mg/kg）、鎘（mg/kg）、鉻（mg/kg）、鉛（mg/kg）、鎳（mg/kg）、汞（mg/kg）、砷（mg/kg）、備註，共計26個字段。本表是數據集的核心表格，其餘5個表格均是對本表數據背景信息的記錄。在涉及到的12種土壤元素中，碳、氮、磷、鉀為植物營養大量元素，鐵、錳屬於植物營養微量元素，但含量過高或者在酸性土壤上會造成毒害；鎘、鉻、鉛、鎳屬於對生物有害的重金屬元素；汞屬於對生物有害的類金屬元素；砷屬於對生物有害的非金屬元素^[6]。

2. 「樣地信息」表，記錄各台站典型長期監測樣地的基本信息，可以通過樣地代碼字段與「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表關聯。本數據表包括樣地代碼，樣地名稱，觀測類別，生態系統類型，地理位置，代表性描述、周邊環境和選址說明，海拔高度，地貌特徵，土壤母質，土壤類型，氣候條件，水分條件，動物活動情況，人類活動情況，備註，共計15個字段。土壤類型為洞庭湖站在研究和監測中確定的名稱。為了增加數據的科學性，對主要的綜合觀測場樣地增加了國內外主流的土壤分類體系命名。中國土壤發生分類（GSCC）是以土壤地帶性學說為基礎、結合中國實踐擬定的土壤分類體系。中國土壤系統分類（CST）是以診斷層和診斷特徵為基礎，以發生的理論為依據，充分體現中國土壤特點的土壤分類體系。美國土壤系統分類（ST）是美國編制的以診斷層和診斷特徵為基礎的，以拼綴方式命名的譜系式土壤分類體系^[7]。

3. 「樣地管理信息」表，樣地的主要管理數據，可以通過樣地代碼字段與「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表關聯。本數據表包括站代碼、樣地代碼、樣地名稱、樣地類型、觀測年份、起始觀測年份、觀測目的、中國土壤發生分類土類、中國土壤發生分類亞類、母質、自然災害、病蟲害、人為干擾、樣地管理負責人、備註，共計15個字段。

4. 「分析方法記錄」表，記錄各項土壤元素狀況監測指標的分析方法信息，可以通過分析項目名稱字段與「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表關聯。本數據表包括分析項目名稱、分析方法名稱、分析方法引用標準、參考文獻、備註、質控人，共計6個字段。分析方法名稱字段由前處理方法和檢測方法兩部分組成，兩者之間用「-」分隔。引用標準字段記錄的是分析方法的標準文獻編號，國際標準為ISO開頭，國家標準為GB開頭，林業部行業標準為LY開頭，農業部行業標準為NY開頭，環保部行業標準為HJ 開頭。分析方法也可以引用其他權威的專著，記錄在引用參考文獻字段。

5. 「標準樣品測定記錄」表，記錄各項土壤元素狀況監測指標分析的標準樣品質控數據，可以通過測定項目字段與「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表關聯。本數據表包括台站代碼、年、標準樣品編號、測定項目、單位、標樣值、不確定度、標樣定值分析方法、標樣測定均值、標樣測定標準差、標樣測定重複次數、標樣測定的分析方法、所用儀器名稱、測定人、審核人、備註，共計16個字段。標準樣品編號字段記錄的是經過國家質量監督檢驗檢疫總局批准的土壤成分分析標準物質編號。標樣值、不確定度和標樣定值分析方法3個字段來自於對應土壤標樣的標準物質證書。標樣測定均值、標樣測定標準差、標樣測定重複次數、標樣測定的分析方法、所用儀器名稱5個字段記錄的是台站實際分析時對土壤標準樣品測試的情況，其中標樣測定均值落在標樣值加減不確定度的範圍內時，說明台站對該分析項目測定的準確度合格；標樣測定標準差低於不確定度時，說明台站對該分析項目測定的精密度合格。

2.2 數據分布

本數據集的數據來自洞庭湖濕地生態系統小西湖綜合觀測場土壤生物採樣地和洞庭湖濕地生態系統麻塘輔助觀測場土壤生物採樣地，其位置的坐標分別為：112.7857°–112.7985°E、29.4563°–29.4683°N，113.0607°–113.0707°E、29.2394°–29.2501°N。洞庭湖濕地生態系統小西湖綜合觀測場土壤生物採樣地主要監測的植被類型為苔草和荻，洞庭湖濕地生態系統麻塘輔助觀測場土壤生物採樣地主要監測的植被類型為辣蓼。在時間範圍上，本數據集的數據產生於2012–2016年，每年洪水前後進行一次監測。

2.3 數據缺失情況

本數據集存在部分數據缺失。其中，各表的「備註」字段多為空，僅在需要額外說明時才有記錄；「分析方法記錄」表的「引用標準」和「引用參考文獻」字段二選一記錄即可；2016年3月，洞庭湖春季漲水一直未退，洲灘採樣地被淹沒，無法進行採樣，因此，2016年洪水前土壤數據缺失。

2.4 數據樣例

本數據集的核心數據表為「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表，該表格記錄了土壤元素長期定位監測數據。數據使用者從「洞庭湖洲灘土壤元素含量」表開始，需要了解監測樣地的基本信息時，可以在「樣地信息」表的「樣地名稱」字段進行搜索或者「樣地管理信息」表的「樣地名稱」字段，獲得該樣地的歷史信息。需要了解土壤指標的分析方法時，可以在「分析方法記錄」表的 「分析項目名稱」字段進行搜索，獲得該土壤指標使用的具體方法及出處；需要了解該土壤指標的分析質控信息時，可以在「標準樣品測定記錄」表的「測定項目」字段進行搜索，獲得該土壤指標分析中使用的標準樣品信息和標準樣品測定的信息。

3 數據質量控制和評估

3.1 數據質量控制

在原始監測數據按採樣重複進行平均前，首先對採樣重複的數據進行Dixon和Grubbs 校驗確定變化異常的可疑數據^[8]，然後依據全部監測數據和相應的專業知識規則進行閾值、均值和變異情況校驗^[9]，最後核查數據是否超出對應的土壤元素背景值^[10]和土壤環境質量二級標準^[11]，剔除明顯異常的數據後再進行採樣平均處理。土壤重金屬測定過程中，使用標準土壤和測定土樣一起消煮作為標線，因此無土壤重金屬質量控制數據。

3.2 數據質量評估

CERN 統一執行的土壤監測規範和土壤監測質量控制規範，保證了數據的完整性、一致性、準確度和精密度。在完整性方面，本數據集中的數據都具備完整的背景信息、人為活動記錄、分析方法記錄和分析質控記錄。在一致性方面，台站、樣地等空間位置信息和代碼始終保持一致。準確度和精密度方面主要考慮數據實驗室測定過程，將「標準樣品測定記錄」表中標樣測定的相對誤差（測定值與標樣值的差值占標樣值的百分比）作為準確度的度量標準，將對相同標準樣品重複測定的相對偏差（重複測定的標準差占測定均值的百分比）作為精密度的度量標準，相對誤差和相對偏差越低說明分析結果越準確和精密。對「標準樣品測定記錄」表中質控數據進行分析發現，數據集中14種土壤指標測定的相對誤差平均為4.26%；這些項目重複測試的相對偏差平均為3.77%。

4 數據價值

洞庭湖洲灘土壤元素含量變化是濕地環境變化和元素循環的關鍵過程之一，受到洞庭湖濕地水文過程、植被覆蓋和人類因素的長期影響。土壤元素含量是研究濕地植物-土壤-水相互作用最基礎的指標。對土壤元素含量變化規律的長期監測可以避免短期觀測中偶發事件的影響，更真實地反映出洞庭湖洲灘土壤元素含量變化的規律，而洞庭湖站又是本地區唯一進行長期連續土壤元素含量變化監測的野外台站。因此，本數據集對於洞庭湖土壤營養狀況評估、環境質量評估、土壤污染風險評價以及環境土壤學研究等工作提供了重要的基礎數據。

參考文獻

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數據引用格式

李旭, 曾靜, 侯志勇. 2012–2016年洞庭湖洲灘土壤元素含量數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-31). DOI: 10.11922/sciencedb.879.