2013-2020年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集.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.2023.0054.zh 文献 DOI：10.11922/11-6035.csd.2023.0054.zh 数据 DOI：10.57760/sciencedb.07252 文献分类：地球科学 收稿日期：2023-02-07 开放同评：2023-02-20 录用日期：2023-04-18 发表日期：2023-07-19 *论文通信作者 朱剑兴： www.csdata.org 专题专题 中国通量观测研究网络（中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）20 周年专刊周年专刊 20132020 年中国典型生态系统大气硅年中国典型生态系统大气硅湿湿沉降数据集沉降数据集 奚悦奚悦1,2，王秋凤，王秋凤1,2，朱剑兴，朱剑兴1,2*1.中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101 2.中国科学院大学，资源与环境学院，北京 100190 摘要：摘要：硅（Si）被认为是植物的“准必需”营养元素，也是一些浮游植物的必需营养素。大气沉降逐渐成为硅营养物质进入生态系统的重要补充方式。目前尚未有关于大气硅沉降的全国性观测数据报道。2013 年，以中国科学院生态系统研究网络（CERN）和全国各台站为依托，建立了中国区域典型陆地生态系统大气湿沉降观测网络（China Wet Deposition Observation Network,ChinaWD）。观测网络从2013 年持续至今，包括全国 43 个站点。这些站点较为均匀地分布在每个生态区，几乎涵盖了中国主要的生态系统类型。本数据集重点汇编和整理了 ChinaWD 网络 20132020 年 43 个站点的大气硅湿沉降通量数据。ChinaWD 观测网络具有严格的质量保证和质量控制规范。测试过程中使用标准的母液和空白样品进行测试和校正，采用重复处理以保证数据的准确性。所有相关参数均表明了测试结果的准确性和可靠性。本数据集弥补了区域硅沉降数据的不足，可以为后续区域、全国和全球硅生物地球化学循环研究提供数据支持；也为全面评价营养元素（氮、磷、硅）的比例特征及其生态效应提供了独特的科学数据。关键词：关键词：湿沉降；硅；生态系统；网络；ChinaWD 数据库（集）基本信息简介数据库（集）基本信息简介 数据库（集）名称数据库（集）名称 20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集 数据作者数据作者 奚悦、王秋凤、朱剑兴 数据通信作者数据通信作者 朱剑兴（）数据时间范围数据时间范围 20132020年 地理区域地理区域 全国43个生态系统观测台站，包括阿克苏、哀牢山、安塞站、东灵山、北京站、西双版纳、长白山、常熟站、长武站、大兴安岭、鼎湖山、多伦站、洞庭湖、当雄站、鄂尔多斯、阜康站、封丘站、贡嘎山1600 m、贡嘎山3000 m、海北站、环江站、海伦站、鹤山站、会同气象、会同苏溪口、呼中站、栾城站、拉萨站、临泽站、茂县站、奈曼旗、草原站、普定、千烟洲、清原站、三江站、神农架、沙坡头、沈阳站、桃源站、禹城站、盐亭站，鹰潭站。数据量数据量 20 KB 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 https:/doi.org/10.57760/sciencedb.07252 20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 www.csdata.org|2 基金项目基金项目 国家自然科学基金项目（32201364，31872690）数据库（集）组成数据库（集）组成 本数据集包括2个部分：（1）台站代码名称索引信息，站点地理坐标；（2）硅湿沉降通量的年数据。引引 言言 硅（Si）被认为是植物的“准必需”营养元素，在促进植物生长和提高组织强度等方面发挥着重要作用1。此外，硅是内陆水域和海洋中浮游植物（尤其是硅藻）的必需营养元素2。大气沉降是硅养分进入生态系统的一种重要补充方式3。大气湿沉降指大气中的物质通过降水（雪）而落到地面的过程。它不仅是污染物质从大气中清除的重要方式，也是营养元素（如氮、磷、硅）从大气圈输入至陆地生态系统的重要途径。自工业革命以来，人为氮磷排放的指数增长可能导致水中硅限制日益突出4。此外，由于大坝建设、河道硬化等，通过地面向水域输入的溶解性硅减少。在此背景下，大气硅沉降途径对水域硅输入的贡献可能变得更加重要。因此，有必要量化硅沉降的通量特征和空间格局，为评估其生态效应提供参考。大尺度，长时期的网络观测方法是揭示区域和全国范围内大气沉降通量，时空格局及其影响因素的有效手段。目前已开展了对氮、磷沉降的全国范围评估5-7。然而关于硅沉降方面，目前我国只有少数研究报道了局部尺度的大气硅沉降通量8-10，尚未报道全国范围的观测。这极大地阻碍了对大气养分沉降（氮、磷、硅）及其生态环境效应的整体认识，和对硅的生物地球化学循环的全面理解。2013 年，以中国科学院生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network,CERN）的全国各台站为依托，建立了中国大气湿沉降观测网络（China Wet Deposition Observation Network,ChinaWD），在国内首次形成了系统性的大气多元素（氮、磷、酸、碱基阳离子、营养离子以及重金属）的湿沉降观测体系，为从单个站点到生态区乃至全国尺度探索中国大气沉降格局提供了一种新方法11。观测网络从 2013 年持续至今，包括全国 43 个站点，涵盖了森林、草地、农田、荒漠、湖泊、喀斯特、湿地以及城市等生态系统类型，具体站点分布参考朱剑兴等人于 2019 年发表的论文11。这 43 个站点覆盖中国 22 个省份，并在 8 个生态区均有分布（生态区依据气候和植被差异划分）。本数据集重点汇编和整理了 ChinaWD 网络 20132020 年 43 个站点的大气硅湿沉降通量数据，弥补了区域硅沉降数据的不足，可以为后续区域、全国和全球硅生物地球化学循环研究提供数据支持；也为全面评价营养元素（氮、磷、硅）的比例特征及其生态效应提供了独特的科学数据。1 数据采集和处理方法数据采集和处理方法 1.1 样品采集与室内分析流程样品采集与室内分析流程 目前 ChinaWD 的观测指标涵盖了大气氮、磷、酸、碱基阳离子、营养离子以及重金属等数十个参数。水样中氮、磷、酸、碱基阳离子等的测试流程参考朱剑兴等人发表的论文11。本文重点介绍降水中硅的测试过程和质量控制。ChinaWD 网络的采样由观测站点负责，样品检测由综合中心（中国科学院地理科学与资源研究所）集中测试。取样时，我们对样品不添加任何抑制剂、防腐剂或是酸化处理，尽量保证原水样状态。具体的20132020 年年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|3 收集测试方法如下：将收集装置（3 个雨量桶）置于离地面 1.5 m 以上，每月收集降水（雨或雪）35 次，然后等体积混合得到当月的降水样品。样本只在降水期间收集，降水结束后立即收回。将得到的雨水样品装入聚乙烯塑料瓶，保存在20 以下，以防止微生物活动和降解。每月站点采集的样品分 A、B 两部分邮寄至综合中心。检测时以 A 样品为主，B 样品作为备用样，以防样品丢失或损坏。在室内分析的样品前处理环节，将 A 样品分成两份，一份样品为原水样，另一份样品经过 0.45 m 滤膜过滤，留下溶解态的水样。未过滤的样品用于测定 pH、总氮、总磷等，具体操作流程见朱剑兴等人发表的论文11。过滤后的水样使用电感耦合等离子体光谱仪（ICP-OES,PE Optima 5300 DV,PerkinElmer,USA）测量溶解性硅（DSi）的含量。测试方法按照仪器标准程序进行，并参照之前利用相同系列仪器测试水中溶解性硅浓度的相关文献12-13，确定标准曲线浓度等参数。1.2 计算过程计算过程 首先使用均值3 倍标准差法（mean+3sd）来消除浓度数据中的异常值。再结合月降水量，计算月、年沉降通量。如式（1）所示：=100=1 (1)F 为 DSi 的年沉降通量，单位为 kg hm-2 yr1，Ci 为 DSi 的月浓度(mg L1)，Pi 为月降水量(mm)，i 为不同的站点，100 为单位换算因子。文中的 DSi 浓度和 DSi 通量是以 SiO2为基础计算的。2 数据样本描述数据样本描述 本数据集包括台站代码名称索引信息、以及 DSi 湿沉降的年沉降通量值。具体的内容及各字段涵义如表 1。表表 1 本数据集内容及字段涵义本数据集内容及字段涵义 Table 1 Dataset content and field implication 字段名称字段名称 数据类型数据类型 是否必填是否必填 量纲量纲 说明说明 台站名称 字符型 是 无 台站名称，如阿克苏 台站代码 字符型 是 无 统一由 3 位字母组成；末位字母表示生态类型；A：农田站；F：森林站；G：草地站；D：荒漠站；M：湿地站；如：AKA 表示阿克苏农田站 年份 整数型 是 无 观测年份 经度（东经）整数型 是 无 观测站点的经度 纬度（北纬）整数型 是 无 观测站点的纬度 DSi 浮点型 否 kg SiO2 hm-2 yr1 可溶解性硅（DSi）的年湿沉降通量 3 数据质量控制和评估数据质量控制和评估 ChinaWD 观测网络具有严格的质量保证和质量控制规范。台站采样主要由经验丰富的固定监测20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 www.csdata.org|4 人员完成，采用统一定制的样品编号进行标记，并及时冷冻样品，确保样品质量，防止样品变质。在室内分析过程中，测试过程按照仪器的标准操作规程进行，测试环境在超洁净实验室中进行。在测试时，使用标准的母液和空白样品进行测试和校正，采用重复处理以保证数据的准确性。使用校正曲线的相关系数(R2)，检测限，回收率等相关参数衡量测试结果。采用的标准曲线浓度分别为 0.50、1.00、2.50、10.0、25.0 mg/L，校正曲线的相关系数(R2)0.999。检测限（3样品标准差）为0.008 mg/L。回收率为 95%105%。MilliQ 空白水样采用相同的预处理和测定方法进行分析，空白水样中的浓度均低于检出限，表明污染可以忽略不计。通过重复测定 10%的样品，得到相对标准偏差(RSD)优于 3%。为了保证数据的准确性，在仪器初始校准后，每 30 个样品重复标准样品，每 20个样品重复空白样品，以检查仪器的稳定性。此外，我们还进行了一项实验，以检验冷冻过程对 DSi浓度的影响。结果表明，冷冻处理水样与对照水样的硅浓度没有显著差异（表 2）。表明在储存、运输过程中的冷冻处理对测试结果造成的误差可以忽略不计。所有相关参数结果和冷冻实验结果均表明了测试结果的准确性和可靠性。表表 2 冷冻保存和冷藏保存样品对冷冻保存和冷藏保存样品对 DSi 浓度的影响浓度的影响 Table 2 The influence of frozen preservation and refrigerated preservation samples on DSi concentration(mg L1)respectively 样本类型样本类型 2022 年年 7 月月 26 日中午降水日中午降水 2022 年年 7 月月 26 日下午降水日下午降水 重复重复 1 重复重复 2 重复重复 3 重复重复 1 重复重复 2 重复重复 3 冷冻保存样品 0.174 0.1682 0.1729 0.1392 0.1308 0.146 冷藏保存样品 0.1804 0.1639 0.1745 0.1459 0.1347 0.1364 变异系数(CV)2.55%1.83%0.65%3.32%2.08%4.81%注：降水收集地点在中国科学院地理科学与资源研究所注：降水收集地点在中国科学院地理科学与资源研究所（116.39E,40.01N），选择周围开阔无遮挡的区域。，选择周围开阔无遮挡的区域。此外，数据整理采用拉依达（PauTa）准则，对异常值进行筛选和剔除。具体剔除方法见朱剑兴等人11。在遇到某月份降水样品缺失，但该月份有降水事件时（降雨量5 mm），采用该站点的年平均 DSi 浓度进行插补，以保证数据的连续性和可比性。值得说明的是，一些站点（包括大兴安岭，多伦，呼中）不是长期连续观测站点，通常仅有 13 年的数据。此外，还有部分站点是在 2013 年以后陆续加入的观测网络（如普定）。因此，并不是所有站点在 20132020 年期间每年都有可用的湿沉降观测数据，存在某些站点在有些年份数据缺失的情况。此外，对于部分站点，硅湿沉降通量数据在年际间差异较大，主要与硅浓度的年际波动较大有关。这在我们组发表的论文中进行了说明14。4 数据价值数据价值 首先，本数据集在国家尺度上量化了硅湿沉降的通量特征和空间格局，填补了大区域和全国范围硅沉降观测数据的缺失。其次，硅沉降作为硅输入的一个重要途径，也是硅循环的重要环节。硅沉降通量观测数据可以为后续区域、全国乃至全球的硅生物地球化学循环研究提供数据支持。最后，氮、磷、硅作为水生生态系统浮游植物所需的重要营养元素，本数据集为全面评价营养元素（氮、磷、硅）的沉降通量，元素比例及其生态效应提供了独特的科学数据；也为探索硅沉降对水生生态20132020 年年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|5 系统碳封存的潜在影响提供了数据支持。5 数据使用方法和建议数据使用方法和建议 本数据观测的是硅湿沉降通量数据，不涉及干沉降部分。读者可在 Science Data Bank（https:/ 谢谢 我们感谢 CERN 各台站和相关的兄弟台站对 ChinaWD 观测网络建立的支持和帮助，感谢台站监测人员在样品采集和配送时付出的辛勤和努力。数据作者分工职责数据作者分工职责 奚悦（1997），女，四川成都人，博士，研究方向为生态系统生态学、全球变化生态学。主要承担工作：样品分析测试和数据整理工作。王秋凤（1973），女，北京人，博士，研究员，研究方向为生态系统生态学、生态系统碳水循环研究。主要承担工作：ChinaWD 网络的项目协调和组织实施。朱剑兴（1991），男，福建泉州人，博士，助理研究员，研究方向为生态系统生态学、全球变化生态学。主要承担工作：ChinaWD 网络方法流程制定。参考文献参考文献 1 EPSTEIN E.Silicon:its manifold roles in plantsJ.Annals of Applied Biology,2009,155(2):155160.DOI:10.1111/j.1744-7348.2009.00343.x.2 CAPELLACCI S,BATTOCCHI C,CASABIANCA S,et al.Bioavailability of different chemical forms of dissolved silica can affect marine diatom growthJ.Marine Ecology,2013,34(1):103111.DOI:10.1111/j.1439-0485.2012.00529.x.3 BAKER A R,WESTON K,KELLY S D,et al.Dry and wet deposition of nutrients from the tropical Atlantic atmosphere:links to primary productivity and nitrogen fixationJ.Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers,2007,54(10):17041720.DOI:10.1016/j.dsr.2007.07.001.4 LI J,LIU C Q,ZHU Z Z.Historical eutrophication in Lake Taihu:evidence from biogenic silica and total phosphorus accumulation in sediments from northern part of Lake TaihuJ.Environmental Geology,2008,55(7):14931500.DOI:10.1007/s00254-007-1099-6.5 XU W,LUO X S,PAN Y P,et al.Quantifying atmospheric nitrogen deposition through a nationwide monitoring network across ChinaJ.Atmospheric Chemistry and Physics,2015,15(21):1234512360.DOI:10.5194/acp-15-12345-2015.6 ZHU J X,HE N P,WANG Q F,et al.The composition,spatial patterns,and influencing factors of 20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 www.csdata.org|6 atmospheric wet nitrogen deposition in Chinese terrestrial ecosystemsJ.Science of the Total Environment,2015,511:777785.DOI:10.1016/j.scitotenv.2014.12.038.7 ZHU J X,WANG Q F,HE N P,et al.Imbalanced atmospheric nitrogen and phosphorus depositions in China:implications for nutrient limitationJ.Journal of Geophysical Research:Biogeosciences,2016,121(6):16051616.DOI:10.1002/2016jg003393.8 WU Y C,ZHANG J P,LIU S L,et al.Aerosol concentrations and atmospheric dry deposition fluxes of nutrients over Daya Bay,South China SeaJ.Marine Pollution Bulletin,2018,128:106114.DOI:10.1016/j.marpolbul.2018.01.019.9 XING J W,SONG J M,YUAN H M,et al.Fluxes,seasonal patterns and sources of various nutrient species(nitrogen,phosphorus and silicon)in atmospheric wet deposition and their ecological effects on Jiaozhou Bay,North ChinaJ.Science of the Total Environment,2017,576:617627.DOI:10.1016/j.scitotenv.2016.10.134.10 ZHAI Y Z,WANG J S,ZHANG Y,et al.Hydrochemical and isotopic investigation of atmospheric precipitation in Beijing,ChinaJ.Science of the Total Environment,2013,456/457:202211.DOI:10.1016/j.scitotenv.2013.03.091.11 朱剑兴,王秋凤,于海丽,等.2013 年中国典型生态系统大气氮、磷、酸沉降数据集J.中国科学数据,2019,4(1).(2018-07-30).DOI:10.11922/csdata.2018.0030.zh.ZHU J X,WANG Q F,YU H L,et al.Atmospheric nitrogen,phosphorus,and acid deposition in Chinese terrestrial ecosystems(2013)J.China Scientific Data,2019,4(1).(2018-07-30).DOI:10.11922/csdata.2018.0030.zh.12 TIAN X,YE A L,HE Q S,et al.A three-year investigation of metals in the atmospheric wet deposition of a basin region,North China:pollution characteristics and source apportionmentJ.Atmospheric Pollution Research,2020,11(4):793802.DOI:10.1016/j.apr.2020.01.007.13 SUNDRIYAL S,SHUKLA T,TRIPATHEE L,et al.Natural versus anthropogenic influence on trace elemental concentration in precipitation at Dokriani Glacier,central Himalaya,IndiaJ.Environmental Science and Pollution Research,2020,27(3):34623472.DOI:10.1007/s11356-019-07102-w.14 XI Y,WANG Q F,ZHU J X,et al.Atmospheric silicon wet deposition and its influencing factors in ChinaJ.Environmental Research,2022,214(Pt 3):114084.DOI:10.1016/j.envres.2022.114084.论文引用格式论文引用格式 奚悦,王秋凤,朱剑兴.20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集J/OL.中国科学数据,2023,8(3).(2023-07-19).DOI:10.11922/11-6035.csd.2023.0054.zh.数据引用格式数据引用格式 奚悦,王秋凤,朱剑兴.20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集DS/OL.Science Data Bank,2023.(2023-03-07).DOI:10.57760/sciencedb.07252.20132020 年年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 中国科学数据中国科学数据,2023,8(3)|7 A dataset of atmospheric silicon wet deposition in Chinas terrestrial ecosystems(20132020)XI Yue1,2,WANG Qiufeng1,2,ZHU Jianxing1,2*1.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,P.R.China 2.College of Resources and Environment,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China*E-mail: Abstract:As a quasi essential nutrient element for plants,Silicon(Si)serves as an essential nutrient for some phytoplankton.Atmospheric deposition has gradually become an important supplement way for silicon nutrients to enter the ecosystem.At present,there is no national observation data report on atmospheric silicon deposition.In 2013,China Wet Deposition Observation Network(ChinaWD)was established based on the Chinese Ecosystem Research Network(CERN)and stations across the country.Since 2013,the observation network has covered 43 stations nationwide.These stations are evenly distributed in various ecological regions,and almost cover the main types of ecosystems in China.This paper focuses on the compilation and collation of atmospheric silicon wet deposition flux data of 43 stations in ChinaWD network from 2013 to 2020.ChinaWD network boasts rigorous quality assurance and high quality control standards.We adopted standard solutions and blank samples for testing and calibration,and carried out repeated processing to ensure the accuracy of data.All the parameters indicate the high accuracy and reliability of test results.The dataset is expected to make up for the deficiency of regional silicon deposition data,provide data support for the follow-up regional,national and global silicon biogeochemical cycle research.Moreover,it can be used for reference to comprehensively evaluate the proportions and ecological effect of nutrient elements(nitrogen,phosphorus,silicon).Keywords:wet deposition;silicon;terrestrial ecosystems;network;ChinaWD Dataset Profile Title A dataset of atmospheric silicon wet deposition in Chinas terrestrial ecosystems(20132020)Data authors XI Yue,WANG Qiufeng,ZHU Jianxing Data corresponding authors ZHU Jianxing()Time period 20132020 Geographical scope 43 observation stations:Aksu(AKA),Ailao Mountains(ALF),Ansai(ASA),Dongling Mountain(BJF),Beijing(BJU),Xishuanbanna(BNF),Changbai Mountains(CBF),Changshu(CSA),Changwu(CWA),Greater Khingan(DAF),Dinghu Mountain(DHF),Duolun(DLG),Dongting Lake(DTM),Dangxiong(DXA),Erdos(ERF),Fukang(FKD),20132020 年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据年中国典型生态系统大气硅湿沉降数据集集 www.csdata.org|8 Fengqiu(FQA),Gongga Mountain 1600 m(GGF1),Gongga Mountain 3000 m(GGF2),Haibei(HBG),Huanjiang(HJK),Hailun(HLA),Heshan(HSF),Huitong 1(HTF1),Huitong 2(HTF2),Huzhong(HZF),Luancheng(LCA),Lhasa(LSA),Linze(LZA),Miaoxian(MXF),Naiman County(NMD),Inner Mongolia Grassland(NMG),Puding(PDF),Qianyanzhou(QYA),Qingyuan(QYF),Sanjiang(SJM),Shennongjia(SNF),Shapotou(SPD),Shenyang(SYA),Taoyuan(TYA),Yucheng(YCA),Yanting(YGA),and Yingtan(YTA).Data volume 20 KB Data format*.xlsx Data service system https:/doi.org/10.57760/sciencedb.07252 Sources of funding National Natural Science Foundation of China(32201364,31872690)Dataset composition This dataset is composed of two parts:(1)station information,such as name,abbreviation,and geographical coordinates;(2)the annual data of silicon wet deposition flux from 2013 to 2020.