趙常明，申國珍，徐文婷，熊高明，樊大勇，周友兵， 葛結(jié)林，謝宗強*

1. 中國科學(xué)院植物研究所，植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 2009–2016 年北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤水分含量數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)作者 趙常明、申國珍、徐文婷、熊高明、樊大勇、周友兵、葛結(jié)林、謝宗強 數(shù)據(jù)通信作者 謝宗強（xie@ibcas.ac.cn）

數(shù)據(jù)時間范圍 2009–2016年 地理區(qū)域 31°18′N，110°28′E 數(shù)據(jù)量 7425條記錄 數(shù)據(jù)格式 *.xlsx 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/915 http://snf.cern.ac.cn/meta/metaData 基金項目 CERN監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究共享服務(wù)平臺項目（2005DKA10300） 數(shù)據(jù)庫（集）組成 數(shù)據(jù)集由1個數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)記錄7425條，包含日期、測管代碼、測量深度、坡面位置、土壤水分含量等信息。本數(shù)據(jù)集收集了湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站暨中國科學(xué)院神農(nóng)架生物多樣性定位研究站（簡稱神農(nóng)架站）2009年5月至2016年12月的土壤水分含量數(shù)據(jù)，測定方法為時域反射法（Time domain reflectrometry，TDR）定點連續(xù)觀測，觀測深度為0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、30–40 cm、40–50 cm，觀測頻度為每月2次。在20 m×5 m（水平投影）的人工徑流場的上部、中部和下部分別埋設(shè)了3根測管，共9根測管。

引 言

森林土壤水分是指包含在森林土壤孔隙中的水分。自然降水（雨、雪）經(jīng)過森林植被的截留和蒸發(fā)后進入土壤。全球蓄于土壤中的水分約有16500 km3，是河道蓄水的8 倍。森林土壤占森林水分調(diào)節(jié)能力的90%以上[1]，在森林水文循環(huán)中土壤起著重要的調(diào)節(jié)和分配水量的作用[2]。土壤水分是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要載體，不僅是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分轉(zhuǎn)移的載體和溶劑[3]，而且通過土壤溫度調(diào)節(jié)和水分蒸散參與能量流動。土壤水分含量是研究土壤水分狀況和動態(tài)的基礎(chǔ)指標(biāo)，是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境長期定位觀測的重要指標(biāo)之一[4]。

湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站暨中國科學(xué)院神農(nóng)架生物多樣性定位研究站（簡稱神農(nóng)架站，SNF）所在的秦巴山地是全球土壤水分和降水強烈耦合的區(qū)域之一[5]。常綠落葉闊葉混交林是我國北亞熱帶的地帶性植被類型，是常綠闊葉林和落葉闊葉林之間的自然過渡類型，對氣候波動較為敏感。其林下土壤含水量的動態(tài)變化對于區(qū)域季節(jié)性降水預(yù)報以及常綠落葉闊葉混交林對全球氣候變化的響應(yīng)研究具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

本數(shù)據(jù)來自于神農(nóng)架站的長期水分監(jiān)測。監(jiān)測場地位于神農(nóng)架站綜合觀測場，植被類型為常綠落葉闊葉混交林。2008 年建設(shè)了20 m×5 m（水平投影）的人工徑流場，在該徑流場的上部、中部和下部分別埋設(shè)了3 根測管，2009 年5 月開始監(jiān)測。測量深度分別為0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、20–40 cm 和40–50 cm。每層測量3 次（3 個間隔120°的不同方向），取平均值為該層的測量值。測量的頻率為每月2 次。

監(jiān)測的儀器為土壤剖面水分速測儀，型號為德國IMKO 公司的專利產(chǎn)品TRIME-T3 管式TDR（時域反射法，Time Domain Reflectometry）系統(tǒng)，包括FM3 讀數(shù)表、T3 探頭和探管等配置，可實現(xiàn)非擾動定位瞬時觀測。TRIME-T3 管式TDR 采用TECANAT 制成的透明塑料管，只需移動圓柱式探頭（外包PVC 外殼，4 個反向彈性鋁條為TDR 波導(dǎo)體）在塑料管中的位置，就可以從FM 水分表離線式讀出探頭水分測量值，即不同深度土壤的體積含水量，測量深度可達3 m。該儀器的測量原理為：TDR 發(fā)射頻率為1 MHz–1 GHz 的電磁脈沖，經(jīng)過同軸電纜進入波導(dǎo)探針進行傳播，遇到障礙物后產(chǎn)生反射并返回到儀器，通過測量電磁脈沖沿波導(dǎo)探針在土壤介質(zhì)中傳播并在其末端反射所需時間就可以計算出被測物質(zhì)含水量的大小。

TDR 也是一種通過測量土壤介電常數(shù)來獲得土含水量的一種方法。TDR 的原理是電磁波沿非磁性介質(zhì)中的傳輸導(dǎo)線的傳輸速度V= c /ε，而對于已知長度為L 的傳輸線，又有V =2 L / t，于是可得ε = c t /(2 L)，其中c 為光在真空中的傳播速度，ε 為非磁性介質(zhì)的介電常數(shù)，t 為電磁波在導(dǎo)線中的傳輸時間。而電磁波在傳輸?shù)綄?dǎo)線終點時，又有一部分電磁波沿導(dǎo)線反射回來，這樣入射與反射形成了一個時間差T。因此通過測量電磁波在埋入土壤中的導(dǎo)線的入射反射時間差T 就可以求出土壤的介電常數(shù)，進而求出土壤的含水量。

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

野外數(shù)據(jù)的整理主要包括原始記錄信息的檢查和完善、數(shù)據(jù)錄入、異常值的剔除和缺失數(shù)據(jù)插補等。

原始記錄信息的檢查和完善，包括檢查原始記錄表格的完整性，并根據(jù)情況進行完善。如有缺失，與測試人員核對并根據(jù)情況進行補充和說明。

數(shù)據(jù)錄入是將野外原始紙質(zhì)記錄數(shù)據(jù)錄入計算機，形成電子版原始記錄的過程。數(shù)據(jù)錄入由測量人和記錄人負(fù)責(zé)，以保證在觀測真實數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)差異時，真實情況可以再現(xiàn)。數(shù)據(jù)錄入完成時，測量人和記錄人對數(shù)據(jù)進行自查，檢查原始記錄表和電子版數(shù)據(jù)表的一致性。

異常值的剔除和缺失數(shù)據(jù)插補。將原始數(shù)據(jù)按測管分類統(tǒng)計，求三次測量的平均值。對異常值進行剔除。根據(jù)同一測量剖面的數(shù)值進行線性或?qū)?shù)插值。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤水分含量數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集為神農(nóng)架站定點連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，在20 m×5 m（水平投影）的人工徑流場的上部、中部和下部分別埋設(shè)了3 根測管，共9 根測管。每個測管的觀測深度為0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、30–40 cm、40–50 cm，觀測頻度為每月2 次，主要包含的指標(biāo)見表1。

表1 2009–2016 年亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤水分含量數(shù)據(jù)表

2.2 總體統(tǒng)計結(jié)果

本數(shù)據(jù)集時間區(qū)間為2009 年5 月至2016 年12 月，總數(shù)據(jù)量7425 條。土壤水分含量（體積比）平均0.313，標(biāo)準(zhǔn)差±0.165（變異系數(shù)52.64%），最大值0.647，最小值0.000。

2.3 時間動態(tài)

2.3.1 年動態(tài)

2009 年（5–12 月）土壤水分含量最大，為0.342；其次2012 年，為0.340；2010 年最小，為0.293。全年年際最大差值為0.047（表2）。

表2 2009–2016 年亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤水分含量年際動態(tài)

2.3.2 月動態(tài)

2009–2016 年土壤含水量月動態(tài)基本呈現(xiàn)“單凹”曲線（圖1）。土壤水分含量的低谷出現(xiàn)在夏秋季，每年8 月左右出現(xiàn)土壤水分含量的最低值。2009–2016 年土壤水分含量最低的月份分別為10月、7 月、5 月、8 月、10 月、10 月、8 月和9 月。而冬春季含水量較高，水分含量的峰值分別出現(xiàn)在2009 年6 月、2009 年12 月、2011 年3 月、2012 年5 月、2012 年11 月、2014 年4 月、2014 年12 月、2015 年11 月、2016 年11 月。月均最大含水量出現(xiàn)在2012 年11 月，為0.399。最低含水量出現(xiàn)在2013 年10 月，為0.204。

圖1 2009–2016 年土壤含水量月動態(tài)

2.3.3 累計月動態(tài)

累計月份土壤水分含量呈現(xiàn)夏秋季“凹形”分布。1 月土壤水分含量最高，為0.343；其次為11月，為0.342。最低為8 月，為0.271；其次為7 月，為0.291。月均年較差為0.073（表3）。

表3 2009–2016 年北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤水分含量累計月動態(tài)

2.4 各層平均值

從表層到深層逐漸增大（表4）。10–50 cm 各土層水分含量分別為0.085（±0.071）、0.223（±0.095）、0.359（±0.108）、0.431（±0.078）和0.468（±0.065）。

表4 2009–2016 年北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林不同深度土壤水分含量

2.5 儲水量與水量調(diào)節(jié)能力

2.5.1 儲水量

土壤儲水量是指一定面積和土層內(nèi)儲存水分的數(shù)量。土壤儲水量通常有兩種方式表示：一種是用水分的容積表示；另一種是用水深表示，即儲存水分相當(dāng)于相同面積水層的厚度。土壤含水量為田間持水量時，土壤儲存水分的數(shù)量為最大土壤儲水量，即為土壤持水能力。

本文按照相同面積水層的厚度來表征土壤水分儲量。

如圖2，2009–2016 年0–50 cm 土壤平均儲水量為156.99（±18.66）mm，相當(dāng)于1569.9（±186.6）t/hm2，最大儲水量為199.49 mm（2012 年11 月，1994.9 t/hm2），最小儲水量為102.12 mm（2013 年10 月，1021.2 t/hm2）。

從表層到深層，儲水量逐漸增加。2009–2016 年0–50 cm 各層土壤平均儲水量分別為8.57（±3.55）mm、22.40（±4.24）mm、35.95（±4.64）mm、43.22（±4.64）mm 和46.86（±4.04）mm。

圖2 2009–2016 年土壤儲水量動態(tài)

2.5.2 水量調(diào)節(jié)能力

水資源調(diào)節(jié)性（Regulating Ability of Water Resources）主要是針對水量而言，是指地表水、地下水在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的作用下，使不連續(xù)的集中降水和水量輸入轉(zhuǎn)化為相對連續(xù)、均勻輸出的自然特性。

一般來說，地表水系統(tǒng)的水量調(diào)節(jié)能力較差，水量、水位的動態(tài)變化與降水過程關(guān)系密切，滯后、延遲效應(yīng)均不明顯，獲得的降水補給量可以快速地排出。但并不是說，地表水系統(tǒng)不具備水量的調(diào)節(jié)能力。與河流相連接的湖泊或多或少都有吐納洪水、調(diào)節(jié)水量的功能；固體地表水體——冰川的積雪和消融起著將集中、間斷的降雪儲蓄和緩慢釋放的作用。地表水系統(tǒng)是“網(wǎng)絡(luò)”狀的，坡面漫流流程一般很短，匯流時間也短，加之河床狹窄，調(diào)蓄空間小，水流速度快，緩洪滯洪的能力差，盡管不同支流的來水可以發(fā)揮錯峰的作用，但總體的調(diào)節(jié)能力十分有限。與地表水系統(tǒng)相比，地下水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性較強。由于地下水以滲流場的形式分布，集中的降水補給可積蓄在季節(jié)變動帶中，然后緩慢釋放。與此同時，徑流的路程效應(yīng)可平抑各處來水的波動，發(fā)揮削峰填谷的作用，使局部水量的盈虧及時得到削減和補償。因此，地下水系統(tǒng)水量的調(diào)節(jié)能力更為突出。土壤水分含量可以是地下水系統(tǒng)重要的組成部分，土壤含水量的動態(tài)是水資源調(diào)節(jié)的重要組成部分。土壤儲水量受降水的影響呈現(xiàn)年際波動，同時土壤儲水量波動具有明顯滯后性。

以年較差來表征土壤水分調(diào)節(jié)能力（表5），年內(nèi)土壤水分最大調(diào)節(jié)能力為92.3 mm，平均為57.08（±22.17）mm。

表5 2009–2016 年亞熱帶常綠落葉闊葉混交林土壤儲水量年際動態(tài)

以月間差值來表征土壤水分調(diào)節(jié)能力，月間土壤水分最大調(diào)節(jié)能力為58.92 mm（2013 年10 至12 月），最小為0.03 mm（2014 年1 月至2 月），平均為13.53（±12.07）mm。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

本數(shù)據(jù)集來源于長期觀測場地的實測調(diào)查。從觀測場地的布設(shè)、觀測設(shè)施的安裝、測量人員培訓(xùn)、現(xiàn)場測量到測量后的數(shù)據(jù)處理，整個過程對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行控制。同時，咨詢相關(guān)專家并查閱相關(guān)文獻對數(shù)據(jù)進行審核驗證，以確保數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確可靠。

觀測場地布設(shè)：根據(jù)《陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測規(guī)范》，選取典型常綠落葉闊葉混交林，在坡度相對一致的坡面設(shè)置人工徑流場。人工徑流場位于湖北省興山縣南陽鎮(zhèn)龍門河林場黃連壩山坡中下部。人工徑流場水平方向?qū)? m，坡面方向長20 m（水平投影）。

觀測設(shè)施的安裝：如圖3 所示，在人工徑流場坡面的上部、中部和下部各埋設(shè)3 根TDR 測管。測管的水平位置分別距徑流場左右邊界約1 m 各1 根，中間1 根。坡面的上部、中部和下部測管的位置分別為：1）上部：距人工徑流場上界約1 m，2）中部：人工徑流場中部，3）下部：距人工徑流場下界約1 m。TDR 測管為TECANAT 制成的透明塑料管，安裝時保持測管外壁與土壤緊密接觸，并保持垂直。特別是將測管底部用塞子密閉，頂端蓋好蓋子，避免測管進水。

圖3 測管安裝位置示意圖

儀器標(biāo)定與校準(zhǔn)：每年將TRIME-T3 管式TDR 系統(tǒng)帶到專業(yè)機構(gòu)進行標(biāo)定和校正，保證儀器的正常運行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

人員培訓(xùn)：對測量人員進行培訓(xùn)，是保證測量數(shù)據(jù)的完整性、連續(xù)性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。培訓(xùn)內(nèi)容包括儀器測量原理、使用方法、測量時間與頻次等。

現(xiàn)場測量：測量前要檢查測管的狀況，確保測管不存在漏水、破損等情況。如有漏水，及時排除并塞緊底部的塞子。測量時保證測量深度的準(zhǔn)確、測量方向轉(zhuǎn)動的均勻、測量時間準(zhǔn)確，并且記錄及時準(zhǔn)確。測量后，及時蓋好蓋子，以免進水。

測量后數(shù)據(jù)質(zhì)控。首先核對錄入數(shù)據(jù)與原始記錄的正確；然后對錄入數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，剔除異常數(shù)據(jù)，根據(jù)同一剖面的數(shù)值對缺失數(shù)據(jù)進行線性或?qū)?shù)插值；最后形成的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)集由專家進行最終審核和修訂，確保數(shù)據(jù)集的真實、可靠；紙質(zhì)原始記錄數(shù)據(jù)表妥善保存，并通過復(fù)印和掃描電子版進行備份，保存于不同地方，以備將來核查。

數(shù)據(jù)缺失情況說明：1）2009 年5 月剛開始測定，所以2009 年缺1–4 月數(shù)據(jù)，5 月只測了一次；2）本監(jiān)測項目最開始設(shè)置時未考慮冬季測量，后來逐漸擴展到全年，所以2010–2013 年有數(shù)據(jù)缺失：2010 年缺1–3 月數(shù)據(jù)；2011 年缺1–2 月數(shù)據(jù)；2012 年缺1–3 月數(shù)據(jù)；2013 年1 月和2 月只測了1次。

4 數(shù)據(jù)價值

公開發(fā)布的原位、連續(xù)、動態(tài)的土壤水分觀測數(shù)據(jù)較少，本數(shù)據(jù)集的發(fā)表是這類土壤水分含量數(shù)據(jù)的重要補充，為森林水文學(xué)研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

北亞熱帶典型常綠落葉闊葉混交林是我國南北過渡帶一類特殊、重要的植被類型，對全球氣候變化敏感，林下土壤水分是該生態(tài)學(xué)的重要組成部分，本數(shù)據(jù)的發(fā)表為該區(qū)常綠落葉闊葉混交林對全球變化的響應(yīng)提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

遙感數(shù)據(jù)和模型分析也表明本數(shù)據(jù)集觀測地所在的秦巴山地是全球土壤水分與降水耦合較為強烈的地區(qū)之一。本數(shù)據(jù)的發(fā)表為該區(qū)季節(jié)性尺度的氣象預(yù)報提供了數(shù)據(jù)支持。

神農(nóng)架站所在的區(qū)域為我國重要的生物多樣性生態(tài)功能區(qū)和南水北調(diào)工程水源涵養(yǎng)區(qū)。本區(qū)典型的常綠落葉闊葉混交林的水源涵養(yǎng)和水量調(diào)節(jié)能力，對于該區(qū)生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮具有重要意義。本數(shù)據(jù)集為研究本區(qū)森林水源涵養(yǎng)和水量調(diào)節(jié)能力，提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過鏈接Science Data Bank 在線服務(wù)網(wǎng)址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/915）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)。也可通過湖北神農(nóng)架森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站網(wǎng)絡(luò)（http://snf.cern.ac.cn/meta/metaData）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，登錄首頁后點“資源服務(wù)”下的數(shù)據(jù)服務(wù)，進入相應(yīng)頁面下載數(shù)據(jù)。下載的數(shù)據(jù)可以通過測管代碼、日期、測量深度等字段進行查詢。

致 謝

本數(shù)據(jù)得到中國科學(xué)院神農(nóng)架生物多樣性研究站的支持與幫助，在此表示衷心感謝！

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

趙常明（1973—），男，四川人，博士，高級工程師，研究方向為植物生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)分析與論文撰寫。

申國珍（1973—），男，內(nèi)蒙人，博士，副研究員，研究方向為林學(xué)。主要承擔(dān)工作：場地布設(shè)與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

徐文婷（1973—），女，河南人，博士，高級工程師，研究方向為生態(tài)遙感。主要承擔(dān)工作：儀器校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

熊高明（1969—），男，江西人，博士，助理研究員，研究方向為保護生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)測量與質(zhì)量控制。

樊大勇（1973—），男，湖南人，博士，副研究員，研究方向為生理生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)測量與質(zhì)量控制。

周友兵（1980—），男，安徽人，博士，副研究員，研究方向為動植物關(guān)系。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)測量與質(zhì)量控制。

葛結(jié)林（1986—），男，安徽人，博士，助理研究員，研究方向為森林生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)測量與質(zhì)量控制。

謝宗強（1965—），男，內(nèi)蒙人，博士，研究員，研究方向為生態(tài)學(xué)。主要承擔(dān)工作：項目組織、數(shù)據(jù)庫建設(shè)與管理。