中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集

中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集
作者：徐麗　何念鵬
2018年12月28日

本作品收錄於《中國科學數據》

徐麗, 何念鵬. 中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(1). (2018-08-02). DOI: 10.11922/csdata.2018.0027.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：土壤作為地球表層系統的基本組成成分，在儲存養分、維持植物生長、涵養水源、穩定和緩衝環境變化等方面發揮着重要作用。採用科學規範的調查監測方法獲取土壤物理、化學和生物等系統的屬性信息對於完善區域土壤屬性數據庫、揭示土壤空間分布規律具有重要意義，也是模型優化或參數本地化的重要基礎。本研究於2013年7–8月對中國南北樣帶中的熱帶雨林、亞熱帶闊葉林、溫帶闊葉林、溫帶針闊混交林和寒溫帶針葉林等9個典型森林生態系統的天然林開展規範的野外調查和土壤樣品採集測試工作，構建了覆蓋北半球主要森林生態系統類型的一套系統的土壤屬性數據集。本數據集包含了樣點位置，氣候環境，植被類型，植被生物量，土壤類型，土壤環境（pH、土壤溫度和土壤含水量），土壤機械組成（粉粒、砂粒和粘粒含量），土壤養分（有機碳含量、全氮和全磷含量），土壤有機碳組分（易氧化有機碳、微生物碳含量和土壤可溶性有機碳含量）和土壤腐殖質碳組分（胡敏酸碳含量、富里酸含量、胡敏素碳含量和土壤可提取腐殖質碳含量）、土壤多元素（鉀、鈣、鈉、鎂、鋁、鋅、鐵、銅、錳等元素）含量等信息。本數據集的建立和公開共享，除了為區域尺度解析不同類型森林土壤的分布特徵和調控機制提供了數據支撐，還將為森林生態系統過程模型的優化和發展提供基礎數據。

關鍵詞：中國南北樣帶；森林生態系統；天然林；土壤屬性

Abstract & Keywords

Abstract: As a basic component of the Earth’s surface system, soil plays an important role in storing nutrients, maintaining plant growth, conserving water resources, stabilizing and buffering environmental changes. Scientific and standardized survey and monitoring can be used to obtain the physical, chemical and biological attribute of soil, which is of great significance for improving regional soil property databases and revealing the spatial distribution of soil. In this study, during July and August 2013, we conducted standardized field investigations and soil sample collection tests on nine typical natural forest ecosystems, including tropical rain forests, subtropical broad-leaved forests, temperate broad-leaved forests, temperate coniferous and broad-leaved mixed forests, and cold temperate coniferous forests in the north-south transect of China. A comprehensive dataset of soil properties was built, which covers the main forest types in the northern hemisphere. The dataset contains a lot of basic information, including sampling location, climate environment, vegetation type, biomass, soil type, soil environment (pH, soil temperature and moisture), soil mechanical composition (sand, clay, silt), soil nutrients (organic matter, total nitrogen, total phosphorus), soil organic carbon components (easy-oxidized organic carbon, microbial carbon, dissolved organic carbon), soil humic carbon components (humic acid carbon, fulvic acid carbon, humin carbon, extractable humus carbon), and soil element content (K, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Cu, Mn). The dataset provides important information for studies of the distribution and control mechanisms of forest soils. It also provides basic data for optimizing and developing the forest ecosystem process model.

Keywords: north-south transect of eastern China; forest ecosystem; natural forest; soil property

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集
數據作者	徐麗、何念鵬
數據通信作者	何念鵬（henp@igsnrr.ac.cn）
數據時間範圍	2013年7–8月
地理區域	中國南北森林樣帶，經度範圍108.9°–123.0°E，緯度範圍為18.7°–51.8°N，南北兩端的直線距離超過3700 km（包含尖峰嶺、鼎湖山、九連山、神龍架、太岳山、東靈山、長白山、涼水和呼中）。
數據量	17.5 KB
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40578 ； http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/602
基金項目	中國科學院戰略性先導科技專項（XDA19020302），國家重點研發計劃（2016YFA0600104），中國科學院科技服務網絡STS計劃（KFJ-SW-STS-169）。
數據集組成	數據集由1個數據文件構成，數據量9條，包含樣點名稱，樣點位置，氣候環境，土壤類型，地帶性植被類型，優勢樹種，植被生物量，土壤pH，土壤溫度，土壤含水量，粉粒、砂粒和粘粒含量，土壤有機碳含量，土壤全氮、全磷含量，土壤易氧化有機碳含量，土壤微生物碳含量，土壤可溶性有機碳含量，土壤胡敏酸碳含量，土壤富里酸含量，土壤胡敏素碳含量，土壤可提取腐殖質碳含量等。

Dataset Profile

Title	A dataset of forest soil attribute in north-south transect of eastern China
Data corresponding author	He Nianpeng (henp@igsnrr.ac.cn)
Data authors	Xu Li, He Nianpeng
Time period	July to August 2013
Geographical scope	3700 km from north to south with latitudes ranging from 18.7°N to 51.8°N and longitudes ranging from 108.9°E to 123.0°E; specific areas include: Jianfengling, Dinghu Mountains, Jiulian Mountains, Shennongjia, Taiyue Mountains, Dongling Mountains, Changbai Mountains, Liangshui and Huzhong.
Data volume	17.5 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.cnern.org.cn/data/meta?id=40578>; <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/602>
Sources of funding	Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302); National Key Research and Development Program of China (2016YFA0600104); Science and Technology Service Network Initiative of the Chinese Academy of Sciences (KFJ-SW-STS-169).
Dataset composition	The dataset consists of one data document, including sampling site, sampling location, climate type, soil type, vegetation type, dominant tree species, vegetation biomass, soil pH, soil temperature, soil moisture, soil texture, soil nutrition content, etc.

引 言

土壤作為陸地生態系統的基礎組分，在貯存養分、維持植物生長、保護生物多樣性、涵養水源和淨化環境等方面扮演着重要角色^[1][2][3]。在全球變化背景下，獲取全面系統的土壤屬性信息不僅有助於完善區域和全球土壤數據庫，同時也有助於揭示土壤屬性對氣候環境變化的響應和反饋，為區域生態環境管理提供參考。當前，針對土壤屬性已經開展了大量的實地調查研究工作，為構建區域和全球尺度的土壤屬性數據庫提供了基礎數據資料^[4]，但受人力、物力和財力的影響，早期區域尺度土壤數據庫中的屬性指標多集中為常見指標，並且部分指標的監測數據缺失嚴重^[5]，一定程度限制了區域尺度土壤學的相關研究。

森林土壤作為森林生態系統的重要組成部分，在維持森林生態系統服務功能方面發揮着重要作用^[6]。從區域尺度探討森林土壤的分布特徵及影響因素有助於深入揭示森林生態系統對全球變化的響應和反饋，而獲得一套科學、全面、系統的森林土壤屬性數據是開展區域森林生態系統研究的關鍵，也是發展和優化生態過程模型的重要參數。

本研究根據國際地圈生物圈計劃（IGBP）劃定的15條標準樣帶中的中國東部南北樣帶（North-South Transect of Eastern China，NSTEC），從南部的熱帶雨林到北方的寒溫帶針葉林選擇了9個地帶性森林生態系統（覆蓋了北半球主要森林生態系統類型），制定了詳細的樣帶調查方案，並參照相關野外調查規範開展系統的植被和土壤調查、採樣和室內測試工作，最終構成了一套系統的有關中國典型森林土壤屬性的數據集，包括植物類型、土壤類型、氣候環境、土壤環境、土壤養分、土壤質地、土壤有機碳組分和土壤腐殖質碳組分等。本數據集不僅豐富和完善了區域和全球土壤數據庫，同時也為深入研究不同氣候區下森林土壤的分布特徵和調控機制提供了數據支持，為生態過程模型參數優化提供了重要基礎數據。

1 數據採集和處理方式

本數據集的構建過程主要包括：野外調查採樣、樣品測試和數據處理、數據質量控制與評估、數據分析以及數據集的形成。具體構建過程如圖1。

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圖1 數據集構建流程圖

1.1 數據來源

NSTEC是IGBP劃定的15條標準樣帶之一，該樣帶面積約占國土面積的1/3，從南至北跨越了多個氣候帶（赤道季風氣候帶、熱帶季風氣候帶、亞熱帶季風氣候帶、暖溫帶季風氣候帶、溫帶季風氣候帶和寒溫帶大陸東岸季風氣候帶），具有明顯的熱量梯度與水熱組合梯度，是世界上獨特完整的以熱量梯度驅動的植被連續帶^[7]。NSTEC植被類型豐富多樣，從南至北依次分布着熱帶山地雨林、亞熱帶闊葉常綠林、溫帶闊葉落葉林、溫帶針闊混交林和寒溫帶針葉林；並且隨着緯度的增加，土壤理化性質也發生了顯著的變化，低緯度地區多為有機質含量較低的紅壤，而高緯度地區多為有機質含量高的棕壤。該樣帶為探討森林生態系統結構和功能提供了理想的天然實驗平台，能從區域尺度揭示不同類型森林生態系統植被和土壤變化規律和影響機制；同時，由於NSTEC涵蓋了北半球主要森林類型，因此其相關研究結論具有很強的全球意義。

中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集主要來自於NSTEC上9個典型的森林生態系統（從南至北依次為尖峰嶺、鼎湖山、九連山、神龍架、太岳山、東靈山、長白山、涼水和呼中；表1；圖2）天然林的野外調查和室內分析測試。其中，尖峰嶺樣點屬低緯度熱帶島嶼季風氣候，地帶性植被類型為熱帶常綠季雨林，優勢物種為大葉蒲葵（Livistona saribus）、三角瓣花（Prismatomeris tetrandra）和海南蕈樹（Altingia obovata）等，土壤類型為磚黃壤^[8]。鼎湖山樣點屬南亞熱帶濕潤季風氣候，地帶性植被為南亞熱帶常綠闊葉林，優勢樹種為荷樹（Schima superba）、錐栗（Castanopsis chinensis）和馬尾松（Pinus massoniana）等，調查區的主要土壤類型為磚紅壤^[9]。九連山樣點屬典型亞熱帶季風氣候，地帶性植被類型為常綠闊葉林，優勢樹種有米櫧栲（Castanopsis carlesii）、絲栗栲（Castanopsis fargesil）、羅浮栲（Castanopsis fabri）、木荷（Schima superba）等，土壤類型為紅壤^[10]。神農架樣點的地帶性植被為常綠落葉闊葉林，優勢種為多脈青岡（Quercus multinervis）、巴東櫟（Quercus engleriana）、銳齒槲櫟（Quercus aliena）等，主要土壤類型為黃棕壤^[11]。太岳山樣點屬溫帶大陸性季風氣候，地帶植被為暖溫帶落葉闊葉林，主要樹種有油松（Pinus tabulaeformis）、遼東櫟（Quercus liaotungensis）等^[12]，調查點的土壤類型為褐土。東靈山樣點屬溫帶半濕潤半乾旱季風氣候，地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林，優勢物種為遼東櫟（Quercus wutaishanica）、胡桃楸（Juglans mandshurica）等，調查點的土壤類型為棕壤^[13]。長白山樣點為典型的大陸性溫帶季風氣候，地帶性植被類型為溫帶紅松闊葉混交林，主要優勢物種包括紅松（Pinus koraiensis）、紫椴（Tilia amurensis）等，採樣點土壤類型為暗棕壤^[14]。涼水樣點屬溫帶大陸性季風氣候，地帶性植被為闊葉紅松林，主要樹種有大青楊（Populus ussuriensis）、紅松（Pinus koraiensis）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等^[15]。呼中樣點屬大陸性季風氣候，地帶性植被類型為寒溫性針葉林，主要樹種有興安落葉松（Larix gmelinii）、白樺（Betula platyphylla）、樟子松（Pinus sylvestris）等，地帶性土壤為灰色針葉林土^[16]。

表1 中國東部南北樣帶典型森林生態系統基本概況

鼎湖山	23°10'25	112°32'14	亞熱帶常綠闊葉林	磚紅壤	＞80年無強烈人為干擾
九連山	24°35'05	114°26'28	亞熱帶常綠闊葉林	紅壤	＞80年無強烈人為干擾
神農架	31°19'15	110°29'43	亞熱帶常綠落葉闊葉林	黃棕壤	＞100年無強烈人為干擾
太岳山	36°41'43	112°04'39	暖溫帶落葉闊葉林	褐土	＞100年無強烈人為干擾
東靈山	39°57'27	115°25'24	暖溫帶落葉闊葉林	棕壤	＞60年無強烈人為干擾
長白山	42°24'16	128°05'27	溫帶紅松闊葉混交林	暗棕壤	＞80年無強烈人為干擾
涼水	47°11'06	128°53'51	溫帶紅松闊葉混交林	暗棕壤	＞100年無強烈人為干擾
呼中	51°46'48	123°01'12	寒溫帶針葉林	灰色森林土	＞100年無強烈人為干擾

圖片

圖2 中國東部南北樣帶典型森林生態系統的空間分布（審圖號：GS（2018）4935號）

2013年7–8月，根據地形、地勢和人類活動情況，分別在各個採樣點無或少受人類干擾的區域建立4個30 m×40 m的樣地，調查每個樣地的植物群落結構並採集植物樣品。同時，每個樣地設置30–40個採樣點，去除地表調落物後，採用土鑽法對0–10 cm土壤樣品進行取樣，將多個採樣點的土壤樣品進行混合，去除土壤可見根系和雜質並過2 mm土壤篩。預處理後的土壤樣品分兩部分保存，一部分風乾處理，另一部分4℃冷藏處理。其中，野外採樣過程中利用直角地溫計測定土壤溫度。此外，根據採樣區域的植被類型以及土壤基本特徵，同時查閱相關資料，確定各樣點的土壤類型。

1.2 樣品測試和數據處理

野外初步處理後的土壤樣品帶回實驗室進行詳細的測試分析，具體測試指標如圖3所示。其中，土壤含水量採用烘乾法測定；土壤pH及電導率利用土水比5:1溶解並進行測定。土壤總碳（TC）、總氮（TN）採用元素分析儀測定（Elementar，Vario Max CN，Germany）；TP採用磷酸鉬銻抗比色法進行測定（BranLubbe，AA3，Germany）。土壤有機碳（SOC）採用重鉻酸鉀消煮法測定；易氧化有機碳（EOC）採用Blair等人^[17]提供的方法和程序測定；土壤微生物碳（MBC）採用改良後的氯仿熏蒸法測定^[18]。土壤粒度組成由Coulter LS230激光粒度儀測定。土壤腐殖質碳組分（胡敏酸碳、富里酸碳和胡敏素碳）參照Wang等人^[19]提供的方法測定。土壤多元素含量採用電感耦合等離子體發射光譜儀測定。及時、詳細地記錄每個樣品的測試值，並將所有數據錄入計算機。

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圖3 土壤屬性測試指標

2 數據樣本描述

中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集主要包括：樣點名稱，樣點位置（經度和緯度），氣候環境（年均溫、年均降水、乾旱指數），土壤類型，地帶性植被類型，優勢樹種，植被生物量，土壤pH，土壤溫度（℃），土壤含水量（%），電導率，氧化還原電位，粉粒、砂粒和粘粒含量（%），土壤有機碳含量（soil organic carbon，SOC，g kg–1），土壤全氮（total nitrogen，TN，g kg–1）、全磷含量（total phosphorus，TP，g kg–1），土壤易氧化有機碳含量（easy-oxidized organic carbon，EOC，g kg–1），土壤微生物碳含量（microbial carbon，MBC，g kg–1），土壤可溶性有機碳含量（DOC，dissolved organic carbon，g kg–1），土壤胡敏酸碳含量（humic acid carbon，HAC，g kg–1），土壤富里酸含量（fulvic acid carbon，FAC，g kg–1），土壤胡敏素碳含量（humin carbon，HUC，g kg–1），土壤可提取腐殖質碳含量（extractable humus carbon，HEC，g kg–1）、土壤多元素含量（K、Ca、Na、Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Mn）等。

3 數據質量控制與評估

本數據集來源於規範系統的野外樣地調查和室內分析測試。從樣點選擇、樣地設置、調查前期準備、調查取樣、室內分析，整個過程對數據質量進行控制。同時，採用專家審核驗證法進一步確保數據的準確可靠性。

調查前的數據質量控制：通過認真分析南北樣帶地理位置、氣候和植被特徵等，篩選出9個有代表性的典型森林生態系統。同時，制定系統的調查採樣規範方案，並以此方案為基礎，對所有參與野外調查採樣的人員進行技術培訓，儘可能地降低人為誤差。

調查採樣中的數據質量控制：對於植物調查，採用統一型號的胸徑尺和游標卡尺記錄樹木胸徑和灌木的基徑；植物名參照《中國植物志》記錄，部分當場不能確定物種名稱的植物，採集相關憑證標本帶回實驗室進行鑑定。土壤樣品的採集，參照土壤樣品採集規範進行，注意標清樣品的編號，便於實驗室內的樣品預處理和分析測試工作。調查人員在完成各小樣方調查後，立即核查原始記錄數據，以便及時更正有問題的數據。野外調查完成後，調查人員和記錄人員進一步核查已經完成的樣方數據，並補充相關信息；紙質版數據錄入計算機後再次檢查，並妥善保存紙質資料。

室內分析測試及測試結束後的數據質量控制：植物和土壤樣品帶回實驗室後，迅速完成樣品的預處理工作。然後根據實驗進度安排，參照標準的分析方法，按時按質完成樣品的測試工作。每項指標測試結束後，及時將實驗數據錄入計算機，同時檢查是否有異常值。整理完畢的數據集，先由實驗人員自查一遍，再交付給專家進行最終的審核和修訂，確保數據集的真實、可靠。

4 數據使用方法和建議

雖然國內針對森林生態系統植被和土壤開展了大量實地調查採樣工作，很多研究也給出了土壤基礎屬性數據，但這些數據多是單樣點數據，並且很多只是提供土壤基本理化數據（如SOC、TN和TP等），缺乏詳細、系統的土壤結構數據以及相關的植被信息。本研究公開發表了2013年中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集，從南到北覆蓋了中國主要森林類型。除了基本理化性質外，數據集還包括了土壤活性有機碳組分數據、土壤腐殖質碳組分數據、植物類型和生物量數據等。本數據集對於從區域尺度分析不同類型森林土壤的分布特徵和調控機制提供了重要的基礎數據。然而，本數據集也存在一定的局限性，如樣點的數量相對較少，缺乏相關土壤微生物量信息等，因此未來在開展森林土壤調查工作時，可以以此數據集的基礎信息為參考，制定更為詳細的調查採樣方案，從而不斷豐富和完善我國土壤屬性數據庫。

數據共享可登錄國家生態系統觀測研究網絡數據資源服務網站（http://www.cnern.org.cn）。登录系统后，在首页点击“数据论文数据”图表或在“数据资源”栏目选择“数据论文数据”中的“碳氮水通量观测专题”，进入相应页面下载数据。用户也可以登录Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/602）查询相关信息。读者如需了解中国土壤属性数据的空间格局及其调控因素，可参考我们前期的部分论文^[20][21][22]；如有其他相關疑問或進一步數據需求，請直接與本文通信作者聯繫。

致 謝

感謝中國生態系統研究網絡綜合中心領導的指導和支持，感謝尖峰嶺、鼎湖山、九連山、神農架、太岳山、東靈山、長白山、涼水和呼中所屬台站的支持和幫助！

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數據引用格式

徐麗, 何念鵬. 中國南北樣帶典型森林土壤屬性數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-08-02). DOI: 10.11922/sciencedb.602.