劉佩伶，張倩媚，劉效東,，劉世忠，褚國偉，張德強(qiáng)，孟澤

1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣州 510642

2. 中國科學(xué)院華南植物園，廣州 510650

數(shù)據(jù)庫(集)基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫（集）組成 數(shù)據(jù)集由 1個(gè)數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)量 8005條，包含用中子儀法測(cè)定的馬尾松針葉林、馬尾松針闊葉混交林、季風(fēng)常綠闊葉林的土壤體積含水量數(shù)據(jù)。

引 言

土壤水分是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的載體，活躍地發(fā)生在地–氣、根–土等界面上，調(diào)節(jié)著森林空間養(yǎng)分和能量的分配格局，進(jìn)而深刻影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能演變[1-2]。土壤層作為森林生態(tài)系統(tǒng)的主要水分庫，其水分含量的監(jiān)測(cè)與研究有助于深入認(rèn)知森林生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵過程與功能機(jī)制[3]，對(duì)流域水循環(huán)、水土保持以及流域生態(tài)系統(tǒng)管理有著重要意義。

中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（China Ecosystem Research Network，CERN）承擔(dān)著國家生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、科研和示范任務(wù)。長(zhǎng)期以來，CERN通過對(duì)不同區(qū)域典型生態(tài)系統(tǒng)水、土、氣、生等關(guān)鍵要素的長(zhǎng)期、定位監(jiān)測(cè)，儼然已形成了標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)觀測(cè)體系，產(chǎn)生了大量的長(zhǎng)期生態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)。完整、一致、可靠的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)共享，將迎來科學(xué)大數(shù)據(jù)新模式，促進(jìn)科研模式的轉(zhuǎn)變，提高大數(shù)據(jù)時(shí)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)的能力。土壤水分含量是CERN陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境長(zhǎng)期定位觀測(cè)的重要指標(biāo)，土壤水分長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)分析有利于揭示土壤水分動(dòng)態(tài)規(guī)律及相關(guān)科學(xué)與實(shí)踐問題[4]。

馬尾松針葉林（Pinus massoniana coniferous forest，簡(jiǎn)稱馬尾松林）、馬尾松針闊葉混交林（mixed Pinus massoniana/broad-leaved forest，簡(jiǎn)稱針闊林）和季風(fēng)常綠闊葉林（monsoon evergreen broad-leaved forest，簡(jiǎn)稱季風(fēng)林）是鼎湖山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)分布的典型森林植被類型。依托鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站（簡(jiǎn)稱鼎湖山站），分別于上述林型內(nèi)設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)樣地，并開展森林土壤水分含量的長(zhǎng)期定位觀測(cè)、數(shù)據(jù)匯交、質(zhì)控以及科研與示范工作。本數(shù)據(jù)整理了鼎湖山站2002–2016年馬尾松林、針闊林和季風(fēng)林3種典型森林類型土壤含水量同步、長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能等相關(guān)議題提供本底資料，為該地區(qū)的森林經(jīng)營(yíng)管理及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集樣地描述

鼎湖山站長(zhǎng)期觀測(cè)場(chǎng)地依據(jù)典型區(qū)域–觀測(cè)場(chǎng)–觀測(cè)樣地的基本原則設(shè)立，數(shù)據(jù)集中涉及土壤含水量觀測(cè)項(xiàng)目的樣地包括輔助觀測(cè)場(chǎng)馬尾松林樣地（塘鵝嶺）、站區(qū)調(diào)查點(diǎn)針闊林I號(hào)樣地（旱坑）、輔助觀測(cè)場(chǎng)針闊林II號(hào)樣地（飛天燕）和綜合觀測(cè)場(chǎng)季風(fēng)林樣地（三寶峰）。其中1978年建立于旱坑的針闊混交林I號(hào)樣地因路途偏遠(yuǎn)，不方便觀測(cè)；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(hào)樣地。各樣地相關(guān)信息介紹在表1–3中。

表1 樣地林型參數(shù)

序號(hào) 樣地名稱 輔助觀測(cè)場(chǎng)馬尾松林樣地站區(qū)調(diào)查點(diǎn)針闊林I號(hào)樣地輔助觀測(cè)場(chǎng)針闊林II號(hào)樣地綜合觀測(cè)場(chǎng)季風(fēng)林樣地4 林齡/a 50–60 70–80 70–80 ＞400 5 郁閉度/% 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(zhì)[5]

表3 土壤含水量觀測(cè)樣方簡(jiǎn)介

1.2 觀測(cè)儀器設(shè)施

采用CERN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一購置并配備的中子儀和中子管儀器設(shè)施（CNC503B，北京超能科技公司），人工定期測(cè)定各林型各土層土壤體積含水量（%）。

1.3 數(shù)據(jù)來源

鼎湖山站多年來致力于智慧臺(tái)站的打造，積極推進(jìn)野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、采集和傳輸，大大提高了站內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)字化運(yùn)行的覆蓋范圍，加快數(shù)據(jù)采集的速度[6]。

本數(shù)據(jù)集為從1999年開始，進(jìn)行上述3種不同林型土壤含水量的野外觀測(cè)。但前期數(shù)據(jù)（1999–2001年）由于采樣層次不一致，采樣時(shí)間不完善，缺失數(shù)據(jù)較多，因此本數(shù)據(jù)集從2002年2月開始，到2016年6月為止。采用中子儀法定期人工測(cè)量森林土壤含水量，記錄中子儀讀數(shù)并換算成土壤體積含水量（%）。每月一次測(cè)量輔助觀測(cè)場(chǎng)馬尾松林土壤水分、站區(qū)調(diào)查點(diǎn)針闊林I號(hào)樣地土壤水分和輔助觀測(cè)場(chǎng)針闊林Ⅱ號(hào)土壤水分；每5天一次測(cè)量綜合觀測(cè)場(chǎng)季風(fēng)常綠闊葉林土壤水分；其中每15 cm土壤厚度為一層進(jìn)行測(cè)量，分別測(cè)定15 cm、30 cm、45 cm、60 cm、75 cm和90 cm這6個(gè)土壤厚度的土壤含水量，由于實(shí)際觀測(cè)中深土層土壤條件（如石塊）所限，部分測(cè)點(diǎn)90 cm數(shù)據(jù)缺失。

1.4 數(shù)據(jù)加工、處理方法與過程

用中子儀測(cè)定土壤含水量是利用中子源放進(jìn)土壤中時(shí)，在源周圍的土壤中所形成慢中子數(shù)量和土壤含水量大小有密切的關(guān)系這一特點(diǎn)來實(shí)施觀測(cè)的[2]。具體的方法是把一個(gè)快速中子源和慢中子探測(cè)器置于套管中，埋入土內(nèi)。其中的中子源以很高的速度放射出中子，當(dāng)這些快中子與水中的氫原子碰撞時(shí)，就會(huì)改變運(yùn)動(dòng)的方向，并失去一部分能量而變成慢中子。土壤水越多，氫愈多，產(chǎn)生的慢中子也就越多，慢中子被探測(cè)器量出，經(jīng)過校正可求出土壤水的含量[7]。與烘干法相比，中子儀是一種間接的土壤水分觀測(cè)方法。中子儀觀測(cè)的是土壤體積含水量，便于直接將含水量換算為毫米度量的單位。

中子儀觀測(cè)的一般程序主要包括讀取標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)、中子儀讀數(shù)、數(shù)據(jù)輸出3個(gè)步驟。

式中，VWC為土壤體積含水量（%）；R是土壤中的中子計(jì)數(shù)率；Rw是水體中的中子計(jì)數(shù)率；m和c均為常數(shù)，取值分別為12.272和-1.2683。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

鼎湖山典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量數(shù)據(jù)集主要包含的指標(biāo)見表4。

表4 土壤體積含水量指標(biāo)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

3.1 質(zhì)量管理體系

CERN長(zhǎng)期生態(tài)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)野外臺(tái)站之間的聯(lián)網(wǎng)共同監(jiān)測(cè)計(jì)劃[4]，野外臺(tái)站對(duì)各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，數(shù)據(jù)的管理和質(zhì)量控制則由專業(yè)分中心和綜合中心負(fù)責(zé)。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效共享，CERN形成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量管理體系，通過計(jì)劃、執(zhí)行和評(píng)估三個(gè)步驟，采取前端控制和后端質(zhì)控的管理模式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行審核、檢驗(yàn)和評(píng)估。具體的質(zhì)量管理流程和組織職責(zé)如圖1所示。

圖1 CERN三級(jí)質(zhì)量管理組織的質(zhì)量管理流程與職責(zé)[4]

3.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程涉及觀測(cè)場(chǎng)地管理、場(chǎng)地維護(hù)、采樣、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、室內(nèi)分析、自動(dòng)檢測(cè)以及數(shù)據(jù)錄入過程，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的目標(biāo)和任務(wù)，CERN制定嚴(yán)格的控制措施，如長(zhǎng)期觀測(cè)場(chǎng)地要根據(jù)生態(tài)類型和長(zhǎng)期觀測(cè)目的保證其典型性；制定專門的場(chǎng)地維護(hù)管理制度和維護(hù)程序；采樣過程中，制定周密的采樣計(jì)劃，明確采樣程序并進(jìn)行樣品的監(jiān)管等等。

數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程中，質(zhì)量管理責(zé)任人顯得非常重要，他們把控著數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程的各個(gè)環(huán)節(jié)。因此鼎湖山站歷來重視科研人員的培養(yǎng)及其業(yè)務(wù)素質(zhì)的提高，自1999年進(jìn)入國家試點(diǎn)站以來，鼎湖山站先后派遣年輕科研人員到國外相關(guān)大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)和進(jìn)修，同時(shí)鼓勵(lì)科研人員積極參加國內(nèi)外的重要學(xué)術(shù)活動(dòng)；派遣技術(shù)支撐人員積極參加CERN及CNERN（國家生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)）各分中心的業(yè)務(wù)培訓(xùn)，重點(diǎn)掌握與常規(guī)監(jiān)測(cè)相關(guān)的設(shè)備操作與維護(hù)、野外監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法等，確保野外臺(tái)站各項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的順利進(jìn)行。

3.3 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與評(píng)估

CERN主要從數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性、一致性等方面檢驗(yàn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)是否滿足監(jiān)測(cè)規(guī)范，通過數(shù)據(jù)評(píng)估判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量控制組織結(jié)構(gòu)、管理措施等各個(gè)環(huán)節(jié)是否合理以及數(shù)據(jù)是否適合共享和使用。鼎湖山站分析數(shù)據(jù)誤差及處理辦法主要是將多年數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，刪除異常值或標(biāo)注說明。數(shù)據(jù)集中缺少的數(shù)據(jù)以空格表示，數(shù)據(jù)缺少的原因是土層較薄導(dǎo)致中子管入土深度不夠或儀器維修。將烘干法和中子儀法測(cè)出的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)差異大、存在不合理時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正測(cè)量方法中存在的問題，如重新標(biāo)定中子儀曲線等，確保數(shù)據(jù)的有效性。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

土壤含水量體現(xiàn)系統(tǒng)的水分狀況，反映森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤理化性狀、植被、林內(nèi)小氣候等一系列森林生態(tài)因子。一個(gè)地區(qū)土壤含水量數(shù)據(jù)是森林生態(tài)水文學(xué)研究者快速了解該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的水文特征的重要參考資料。為了響應(yīng)數(shù)據(jù)共享的理念，促進(jìn)科學(xué)發(fā)展，本研究公開發(fā)表了2002–2016年鼎湖山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量的數(shù)據(jù)，建立了便捷查詢的數(shù)據(jù)集。不僅為研究鼎湖山土壤水分含量特征及變化規(guī)律的科研人員提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且為相關(guān)的森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水專著的撰寫提供素材[8]。

本數(shù)據(jù)集可應(yīng)用于氣候、生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源管理等相關(guān)領(lǐng)域，也可以考慮在不同的典型區(qū)域、典型陸地生態(tài)系統(tǒng)之間開展多臺(tái)站數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)分析，結(jié)合數(shù)據(jù)中心長(zhǎng)期定位觀測(cè)到的生物、土壤等相關(guān)數(shù)據(jù)[9]，全方位分析不同生態(tài)因子的長(zhǎng)時(shí)間變化規(guī)律以及相互之間的耦合機(jī)制，為研究不同典型區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的演替變化提供重要資料。使用本數(shù)據(jù)集時(shí)需要注意由于臺(tái)站儀器故障、土壤采樣的深度不夠等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺失問題。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過鼎湖山站數(shù)據(jù)資源服務(wù)網(wǎng)站（http://dhf.cern.ac.cn/meta/detail/FC012002）查看元數(shù)據(jù)信息，登錄后可直接下載數(shù)據(jù)?；蛲ㄟ^ Science Data Bank在線服務(wù)網(wǎng)址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/667）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)。