2009-2017年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集.pdf

中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|1 ISSN 2096-2223 CN 11-6035/N 文献 CSTR：32001.14.11-6035.csd.2022.0022.zh 文献 DOI：10.11922/11-6035.csd.2022.0022.zh 数据 DOI：10.11922/sciencedb.j00001.00397 文献分类：生物学 收稿日期：2022-03-16 开放同评：2022-07-11 录用日期：2023-03-14 发表日期：2023-09-27 *论文通信作者 罗艳： www.csdata.org 专题专题 中国生态系统研究网络（中国生态系统研究网络（CERN）20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集数据集 罗艳罗艳1,2,3*，李玉武，李玉武1,2,3，秦海浪，秦海浪1,2,3，邓晓保，邓晓保1,2,3，陈辉，陈辉1,2,3，沙丽清沙丽清1，曹敏，曹敏1,2,3，林露湘，林露湘1,2,3 1.中国科学院西双版纳热带植物园，中国科学院热带森林生态学重点实验室，云南勐腊 666303 2.中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站，云南勐腊 666303 3.云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站，云南勐腊 666303 摘要摘要：土壤水分作为物质循环和能量流动的载体，在陆地森林生态系统中发挥着重要作用，对其进行观测有助于揭示森林生态系统水文特征、水源涵养能力和生态系统服务功能等。热带雨林为生物多样性最丰富的生态系统之一，西双版纳分布有大片热带雨林，热带季节雨林则为西双版纳最具代表性的雨林植被类型。进行连续、长期、高质量的生态监测为中国生态系统研究网络（CERN）的主要任务之一，土壤水分含量是 CERN 陆地生态系统水环境长期定位观测的重要指标。本数据收集了中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站西双版纳热带季节雨林综合观测场 2009 年 1 月至 2017 年 12 月的土壤剖面水分含量观测数据，总数据量 2879 条；测定方法为时域反射法（Time Domain Reflectometry，TDR）定点连续观测；观测深度为 010 cm、1020cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm，5070 cm，7090 cm，90110 cm；观测频度为每月 3 次，每月上、中、下旬各观测 1 次；观测数据质量保证与质量控制严格按照 CERN 统一规范进行。本数据集提供共享下载，以期为全球气候变化和不同植被环境背景下的热带森林水文研究提供基础数据支撑。关键词关键词：热带季节雨林；土壤含水量；时域反射法；版纳站 数据数据库（集）库（集）基本基本信息简介信息简介 数据库（集）名称数据库（集）名称 20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 数据作者数据作者 罗艳，李玉武，秦海浪，邓晓保，陈辉，沙丽清，曹敏，林露湘 数据数据通通信信作者作者 罗艳（Email:）数据时间范围数据时间范围 2009年1月2017年12月 地理区域地理区域 215740N，101121E 数据量数据量 236 KB，2879条记录 数据格式数据格式*.xlsx 数据服务系统网址数据服务系统网址 http:/doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00397 http:/ 20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 www.csdata.org|2 基金项目基金项目 中国生态系统研究网络（CERN）西双版纳热带雨林生态系统研究站运行服务费；国家生态系统观测研究网络（CNERN）云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站运行服务费。数据库（集）组成数据库（集）组成 本数据集由1个数据文件组成，包含生态站代码、日期、样地代码、样地名称、测管代码和土壤含水量信息。本数据集为中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站暨云南西双版纳森林生态系统国家野外科学观测研究站的西双版纳热带季节雨林综合观测场2009年1月至2017年12月的土壤水分含量监测数据。观测点总计10个；观测深度为010 cm、1020cm、2030 cm、3040 cm、4050 cm，5070 cm，7090 cm，90110 cm；观测频度为每月3次，每月上、中、下旬各观测1次。引引 言言 土壤水分是土壤物理指标的重要的组成部分，它作为物质循环与能量流动的载体，对土壤特性、养分转移、植被生长发育、微生物活动等起着重要作用，为陆地生态系统中一项重要环境要素1-2。土壤水分是森林形成和生产力的限制因子，同时森林也影响着土壤水分3，不同的植被类型对应的土壤水分往往具有不同时间异质性4。对森林土壤水分进行长期和稳定的监测，有助于揭示森林生态系统水文特性、水源涵养能力以及生态系统服务功能5-6。近年来，不少学者对森林土壤水分开展了研究，如熊瑛楠等人研究了晋西黄土区长期人工林恢复对土壤水分影响7，赵思远等人开展了黄土塬区苹果林等不同土地利用方式土壤水分对降雨的响应研究8，Kenji Hata 等人研究了非本土树木死亡后海岛森林生态土壤水分的变化9，Michael Mller探究了喜马拉雅高山林线过渡带的土壤水分格局10等。森林生态系统为重要“碳库”，土壤水分可通过直接或间接的方式对森林生态系统固碳产生影响，如土壤水分可直接影响土壤有机碳化11，土壤水分亦可通过影响植物幼苗生长发育12，进而影响森林固碳。全球气候变化的明显表现为水热条件发生改变。森林生态系统作为地球陆地生态系统的主体，既受气候变化的影响，也对其变化产生了反馈。土壤含水量作为水环境要素之一，也会对气候变化产生响应。因此，土壤水分可在森林生态系统相关热点研究中发挥重要作用。中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站（以下简称版纳站），隶属于中国科学院西双版纳热带植物园，为中国生态系统研究网络（CERN）和国家野外科学观测研究网络（CNERN）的野外台站。开展生态系统监测、研究与示范是 CERN 的 3 大核心任务13，土壤水分则是该网络陆地生态系统水环境观测的重要指标之一。热带雨林拥有最为丰富的生物多样和生态系统功能，西双版纳为中国大陆热带雨林集中分布的重要区域，热带季节雨林则是西双版纳地区最具代表性的雨林植被类型14，本数据集整理了版纳站2009 年 1 月至 2017 年 12 月热带季节雨林土壤剖面水分长期观测数据，以期为热带雨林生态系统研究以及其对全球气候变化响应等研究提供基础数据支撑。1 数据采集和处理方法数据采集和处理方法 1.1 观测样地描述观测样地描述 西双版纳热带季节雨林综合观测场建于 1993 年，中心点坐标：东经 101121，北纬 2120092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|3 5740，观测场面积为 100 m100 m，坡度为 1218，坡向为北坡。该观测场为以番龙眼和千果榄仁为标志种的热带季节雨林，为原始森林自然演替的顶极群落，群落最大高度 3540 m，垂直结构可分为乔木层、灌木层、草本层和层间植物。乔木层物种数近 300 种，优势种 22 种，优势种平均高度 22 m，郁闭度 0.9；灌木层物种数近 70 种，优势种 8 种，优势种平均高度 1.5 m，盖度 50%；草本层物种数 45 种，优势种 5 种，优势种平均高度 0.5 m，盖度 40%。该观测场的土壤类型为砖红壤，母质为白垩黄色砂岩。基本理化性质为：土壤容重 1.39 g/cm3，有机质 14.41 g/kg，全氮 1.14 g/kg，全磷 0.25 g/kg，全钾 11.24 g/kg。1.2 数据采集方法数据采集方法 在西双版纳热带季节雨林综合观测场北坡的坡上部、坡中部、坡下部和沟谷平地各装有 3 根、3 根、3 根、1 根共 10 根薄壁管，其测管代码、位置和海拔信息如表 1 所示。土壤含水量观测频率为每月 3 次，于每月 5 日、15 日、25 日观测，每层测定 3 次；测量深度分别为 010 cm、1020 cm、2030 cm、2040 cm、4050 cm、5070 cm、7090 cm、90110 cm。表表 1 测管位置信息测管位置信息 Table 1 Geographical scope of Monitor pipes 测管代码测管代码 经度经度 纬度纬度 海拔（米）海拔（米）坡位坡位 BNFZH01CTS_01_01 10112 0.473 E 2157 38.582 N 733.529 坡下 BNFZH01CTS_01_02 10112 0.412 E 2157 38.401 N 735.045 坡下 BNFZH01CTS_01_03 10112 0.140 E 2157 38.327 N 733.794 坡下 BNFZH01CTS_01_04 10112 0.473 E 2157 38.176 N 736.852 坡中 BNFZH01CTS_01_05 10112 0.800 E 2157 37.818 N 740.515 坡中 BNFZH01CTS_01_06 10112 0.909 E 2157 37.734 N 741.153 坡中 BNFZH01CTS_01_07 10112 0.361 E 2157 37.419 N 743.552 坡上 BNFZH01CTS_01_08 10112 0.127 E 2157 37.328 N 745.155 坡上 BNFZH01CTS_01_09 10112 0.032 E 2157 37.331 N 741.949 坡上 BNFZH01CTS_01_10 10112 0.473 E 2157 38.582 N 733.529 沟谷平地 土壤剖面水分观测方法为 TDR（时域反射仪）法。土壤的介电常数是与土壤含水量密切相关的一个参数，该方法通过测定土壤的介电常数来获得土壤含水量。TDR 时域反射仪通过发射一种高频电磁波，电磁波沿着插入土壤中的特制探针传播，并且传输到探针末端后又反射回发射源，在探针中传递的时间与土壤的介电常数之间存在公式（1）所示关系15：=(2)2 （1）式中，Ka为土壤介电常数；c 为光速，单位为 m/s；L 为探针长度，单位为 m；t 为电磁波在探针中往返传播时间，单位为 s。在测得土壤介电常数后，通过介电常数与土壤体积含水量之间的经验关系可以换算得到土壤体积含水量（）。一般采用的经验公式如下：=5.3 102+2.92 102 5.5 1042+4.3 1063 （2）20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 www.csdata.org|4 本数据集观测数据所使用的水分测定仪器为时域土壤水分计，其生产厂家为德国 IMKO 公司（https:/www.imko.de/de/），仪器型号为 TRIMET3。1.3 数据处理方法数据处理方法 观测人与记录人在每个观测点测量完成后现场检查数据完整性，然后将纸质原始记录数据带回室内录入计算机，每层取 3 次平行观测原始数据的平均值为该层测量值。本数据集对异常数据进行了剔除。由于降水等特殊天气和仪器故障等原因，观测时间略有合理调整，略有缺测情况发生。特殊情况的观测时间调整基本保证在固定观测日前后 3 天内。本数据集并未对缺失数据进行插补，仅对实测数据进行了简要分析。2 数据样本描述数据样本描述 2.1 数据集数据指标数据集数据指标 西双版纳热带季节雨林综合观测场水分含量数据所包含的指标见表 2。表表 2 西双版纳热带季节雨林综合观测场土壤水分含量数据集字段含义西双版纳热带季节雨林综合观测场土壤水分含量数据集字段含义 Table 2 Field meaning of the dataset of soil moisture in the integrated observation sites of Xishuangbanna tropical seasonal rainforests 字段名称字段名称 数据类型数据类型 数据样例数据样例 生态站代码 字符型 BNF 日期 日期型 2009-1-5 样地代码 字符型 BNFZH01CTS_01 样地名称 字符型 热带季节雨林综合观测场 测管代码 字符型 BNFZH01CTS_01_01 10cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.222 20cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.218 30cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.253 40cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.296 50cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.317 70cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.345 90cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.350 110cm 土壤含水量（cm3/cm3）数值型 0.325 2.2 数据总体统计结果数据总体统计结果 本数据整理了版纳站的典型森林生态系统长期观测样地西双版纳热带季节雨林综合观测场2009 年 1 月至 2017 年 12 月的土壤剖面含水量（体积比）长期观测数据，数据总量 2879 条。土壤含水量平均值为 0.253 cm3/cm3，标准差为0.059，最大值为 0.534 cm3/cm3，最小值为 0.027 cm3/cm3。以下年动态、月动态、累计月动态和各层平均值的分析均为基于该综合观测场 10 个观测点的所有观20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|5 测数据做出的统计分析。2.2.1 年动态年动态 2009 至 2017 年土壤含水量年动态总体呈波动上升趋势（如表 3），2013 和 2016 年土壤含水量最高，为 0.264 cm3/cm3；2017 年次之，为 0.263 cm3/cm3；2009 年土壤含水率最低，为 0.228 cm3/cm3。表表 3 20092017 年热带季节雨林土壤水分含量年动态年热带季节雨林土壤水分含量年动态 Table 3 Annual dynamics of soil moisture content in tropical seasonal rainforests from 2009 to 2017 年份年份 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 土壤含水量土壤含水量（cm3/cm3）0.228 0.234 0.252 0.257 0.264 0.252 0.256 0.264 0.263 标准差标准差 0.037 0.043 0.03 0.042 0.028 0.076 0.026 0.033 0.032 2.2.2 月动态月动态 20092017 年土壤含水量月动态总体呈波浪型变化（图 1），48 月呈上升趋势，8 月到次年 4 月呈下降趋势。2009 至 2017 年土壤含水量最低月份集中出现在 3 月、4 月，最高集中出现在 8 月；雨季土壤含水量较高，干季含量较低。月均最高土壤含水量出现在 2014 年 8 月，为 0.355 cm3/cm3，月均最低土壤含水量出现在 2009 年 3 月，为 0.158 cm3/cm3。图图 1 20092017 年年热带季节雨林热带季节雨林土壤含水量月动态土壤含水量月动态 Figure 1 Monthly dynamics of soil moisture content in tropical seasonal rainforests from 2009 to 2017 2.2.3 累计月动态累计月动态 2009 至 2017 年土壤含水量累计月动态如图 2 所示，1 月到 4 月呈下降趋势，4 月到 8 月呈上升趋势，8 月到 12 月呈缓慢下降趋势。土壤含水量最低出现在 4 月，为 0.194 cm3/cm3；最高出现在 8月，为 0.296 cm3/cm3。0.000.050.100.150.200.250.300.350.40土壤含水量（cm3/cm3）20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 www.csdata.org|6 图图 2 20092017 年年热带季节雨林热带季节雨林土壤含水量累计月动态土壤含水量累计月动态 Figure 2 Cumulative monthly dynamics of soil moisture content in tropical seasonal rainforests from 2009 to 2017 2.2.4 各层平均值各层平均值 20092017 年土壤含水量各层平均值如图 3 所示，070 cm 层呈上升趋势，7090 cm 层呈下降趋势。土壤含水量最高出现在 70 cm 层，为 0.277 cm3/cm3；最低出现在 10 cm 层，为 0.232 cm3/cm3。图图 3 20092017 年热带季节雨林土壤含水量各层平均值年热带季节雨林土壤含水量各层平均值 Figure 3 Average soil moisture content of different soil layers in tropical seasonal rainforests from 2009 to 2017 3 数据质量控制和评估数据质量控制和评估 数据生产过程质量控制：本数据集为 CERN 长期生态监测的监测指标之一，观测场地的选取具有典型代表性，采样点设置亦具代表性，观测场的维护具有稳定的人力与财力支撑。观测人员定期接受专业的观测技术与规范培训，观测仪器定期进行标定与检修。对 TDR 法和烘干法观测的土壤含水量数据进行对比，发现数据差异较大时，及时对 TRIMET3 管式 TDR 系统进行重新标定。观测20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|7 设备的安装、使用和维护均严格按照规范和仪器说明进行。数据检验与评估：版纳站站内数据检验与评估实行三级责任制，一级质控人员由中初级人员担任，二级、三级质控人员由副高级或正高级人员担任。一级质控人员首先核对录入数据与原始记录的准确性并进行计算与整理，然后二级、三级质控人员依次对数据的真实性、完整性、一致性等方面进行全面、细致的审核并对数据的整体质量进行评价，逐级质控。CERN 质量管理采用前端质控与后端质控相结合的模式对数据进行审核、检验和评估16，其数据管理流程如图 4 所示。本数据集的观测数据依据中国生态系统研究网络（CERN）长期观测质量管理规范丛书陆地生态系统水环境观测质量保证与质量控制16的相关规定进行质控。图图 4 CERN 三级质量管理组织的质量管理流程与职责三级质量管理组织的质量管理流程与职责 Figure 4 The quality management process and responsibilities of the three-level quality management organization of CERN 数据缺失情况说明：土壤含水量观测频率为每月上旬、中旬和下旬各观测 1 次，每月总计 3 次。由于仪器故障等原因造成观测数据略有缺失，本数据集数据缺失情况为：2009 年缺 2 月数据，3 月缺 2 次观测数据；2011 年 9 月缺 2 次观测数据；2012 年缺 1 月数据，2 月数据，3 月数据，4 月缺 1次观测数据，6 月缺 1 次观测数据；2014 年缺 1 月数据，2 月缺 1 次观测数据，6 月缺 1 次观测数据，7 月缺 2 次观测数据，11 月数据，12 月数据；2016 年 4 月缺 1 次数据，5 月数据。4 数据价值数据价值 西双版纳分布有大片热带雨林，它为生物多样性最丰富的生态系统之一17。由于西双版纳地处热带北缘，是雨林分布海拔的极限，为热带生物区系向亚热带生物区系的过渡带18，因此热带雨林在科学研究上具有十分重要的意义。森林土壤是热带森林生态系统的重要基础，土壤水分则是土壤的一个重要组成部分，对其进行长期监测有助于了解热带雨林动态变化。本数据集可为热带森林水源涵养、水量调节能力、生态恢复、生态系统功能研究和森林保护等方面提供重要的基础数据，可在全球气候变化环境背景下的热带森林反馈研究中发挥重要作用。20092017 年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集年西双版纳热带季节雨林土壤水分含量数据集 www.csdata.org|8 5 数据使用方法与建议数据使用方法与建议 本数据集可通过连接Science Data Bank在线服务网址（http:/doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00397）获取数据服务，也可通过云南西双版纳森林生态系统研究站网络（http:/ 谢谢 感谢曾经辅助过版纳站土壤水分野外观测工作的何兰才、刘梦楠、沈艳、邓云超等工作人员，感谢中国科学院西双版纳热带雨林生态系统研究站的支持与帮助！数据作者分工职责数据作者分工职责 罗艳（1989），女，云南西双版纳人，硕士，工程师，研究方向为土壤生态。主要承担工作：土壤水分监测、数据整理分析与论文撰写。李玉武（1978），男，山东高密人，博士，副研究员，研究方向为土壤生态。主要承担工作：土壤水分监测与数据整理。秦海浪（1987），男，安徽滁州人，硕士，工程师，研究方向为土壤生态。主要承担工作：土壤水分监测与数据整理。邓晓保（1958），男，云南昆明人，博士，高级工程师，研究方向为动物生态。主要承担工作：数据二级质量控制。陈辉（1983），男，云南勐腊人，博士，高级工程师，研究方向为恢复生态。主要承担工作：数据二级质量控制。沙丽清（1963），男，云南昆明人，博士，研究员，研究方向为土壤生态。主要承担工作：数据三级质量控制。曹敏（1960），男，云南红河人，博士，研究员，研究方向为森林生态。主要承担工作：项目组织与管理。林露湘（1978），男，福建龙岩人，博士，研究员，研究方向为群落构建与物种共存机制。主要承担工作：项目组织与管理。参考文献参考文献 1 陈全胜,李凌浩,韩兴国,等.典型温带草原群落土壤呼吸温度敏感性与土壤水分的关系J.生态学报,2004,24(4):831836.DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2004.04.027.CHEN Q S,LI L H,HAN X G,et al.Temperature sensitivity of soil respiration in relation to soil moisture in 11 communities of typical temperate steppe in Inner MongoliaJ.Acta Ecologica Sinica,2004,24(4):831836.DOI:10.3321/j.issn:1000-0933.2004.04.027.2 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