2004–2014年桃源站紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監測數據集

2004–2014年桃源站紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監測數據集
作者：尹春梅　傅心贛　魏文學　謝小立
2020年2月14日

本作品收錄於《中國科學數據》

尹春梅, 傅心贛, 魏文學, 謝小立. 2004–2014年桃源站紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020, 5(1). (2020-02-12). DOI: 10.11922/csdata.2019.0011.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：土壤水分是土壤的重要組成部分，土壤含水量是了解和研究植物與土壤水分關係最基礎的指標，對植物生長、節水灌溉等有着非常重要的作用。與短期試驗相比，長期觀測是對自然狀況或者長期實驗處理過程的多年連續觀測，反映環境演變過程或人類活動的長期影響，高質量的長期野外監測數據尤為寶貴。建立於1995年的桃源站紅壤坡地不同土地利用方式長期定位試驗，為長期觀測紅壤丘陵區坡地土壤水分動態變化提供了很好的條件，本數據集來源於該試驗5種坡地利用方式（農作、恢復、退化、茶園、柑橘園）不同深度（10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm）土壤含水量動態（中子儀法）的長期觀測數據。為了更好地利用這些數據，本數據集採用中國生態系統研究網絡（CERN）統一規範的數據處理方法和質量控制體系對數據進行質量控制和整理、加工，整理出5種坡地利用方式土壤水分含量的月平均數據，並提供共享下載。

關鍵詞：紅壤坡地；土壤含水量；中子儀；長期監測數據；2004–2014年

Abstract & Keywords

Abstract: As an important part of soil, soil moisture is the most basic index to understand and study the relationship between plant and soil moisture. It plays a very important role in plant growth, water-saving irrigation and so on. Compared with short-term experiment, long-term observation is a multi-year continuous observation of natural conditions or long-term experimental processing process, reflecting the long-term impact of environmental evolution or human activities. High-quality long-term field monitoring data is particularly valuable. Established in 1995, the long-term positioning experiment of different utilization modes of red soil slope land in Taoyuan Agro-ecology Research Station provides a good condition for long-term observation of the dynamic changes of soil moisture on slopes in red soil hilly areas. This dataset was derived from the five management modes of slopes (farming ecosystem, restoration ecosystem, degraded ecosystem, tea garden ecosystem, citrus orchard system) in different depths (10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 70 cm) by neutron probe method. In order to make better use of these data, this dataset adopts CERN unified standard data processing method and quality control system, collates the monthly average data of soil moisture content of five sloping land management modes, and provides sharing service on line.

Keywords: Red Soil Slope Land; Soil water content; Neutron Probe; Long-term monitoring data; 2004–2014

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2004–2014年紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監測數據集
數據作者	尹春梅、傅心贛、魏文學、謝小立
數據通信作者	尹春梅（cmyin@isa.ac.cn）
數據時間範圍	2004–2014年
地理區域	桃源站坡地不同利用方式長期定位試驗區：111°26′24.3″–111°26′28.4″E，28°55′49.4″–55′51.7″N
數據格式	*.xlsx
數據量	3960條，0.25 MB
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/755
基金項目	國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）湖南桃源農田生態系統國家野外科學觀測研究站運行服務費；中國生態系統研究網絡（CERN）桃源農業生態試驗站運行服務費。
數據庫（集）組成	數據集由5個數據表組成，每個數據表含1個觀測場2004–2014年土壤含水量月平均數據，具體觀測樣地有：1. 坡地農作生態系統(TYAZH02.xlsx)，2. 坡地恢復生態系統（TYAFZ04.xlsx），3. 坡地退化生態系統（TYAFZ05.xlsx），4. 坡地茶園生態系統（TYAFZ06.xlsx），5. 坡地柑橘園系統（TYAFZ07.xlsx）。

Dataset Profile

Title	A long-term monitoring dataset of soil moisture content under different utilization modes of red soil slope land in Taoyuan Agro-ecology Research Station，2004–2014
Data corresponding author	Yin Chunmei (cmyin@isa.ac.cn)
Data authors	Yin Chunmei, Fu Xingan, Wei Wenxue, Xie Xiaoli
Time range	2004 – 2014
Geographical scope	Long-term positioning test area of slope land in Taoyuan Station under different utilization modes, Taoyuan Agro-ecology Research Station, Changde, China: 111°26′24.3″E–111°26′28.4″E，28°55′49.4″N–28°55′51.7″N.
Data volume	0.25 MB, 3960 entries
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/755>
Sources of funding	Supported by Chinese Ecosystem Research Network of Chinese Academy of Sciences and National Ecosystem Research Network of China, Ministry of Science and Technology.
Dataset composition	The dataset consists of 5 data tables. Each data table contains monthly average soil water content data of one observation field from 2004 to 2014. Specific observation fields are: 1. Slope farming ecosystem (TYAZH02.xlsx); 2. Slope land restoration ecosystem (TYAFZ04.xlsx); 3. Slope land degradation ecosystem (TYAFZ05.xlsx); 4. Slope tea garden ecosystem (TYAFZ06.xlsx); 5. Slope land (citrus orchard) system, TYAFZ07.xlsx.

引 言

土壤水分是土壤最重要的組成部分之一。它在土壤形成過程中起着極其重要的作用，不僅影響着土壤的物理性質，制約着土壤中的養分和溶質的溶解、轉移和微生物的活動，而且是構成土壤肥力和土壤性質的一個重要因素。土壤水分也是植物生長、植被恢復的主要影響因子^[1][2]；同時土壤水分還通過對地表反照率的影響，改變了地氣界面的潛熱和顯熱分配，從而參與了能量循環^[3]。作為研究土壤水分狀況和動態的基礎指標，中國生態系統研究網絡（CERN）從建立開始，就將土壤水分監測列為陸地生態系統水環境長期定位觀測的重要指標之一^[4][5]。桃源農業生態試驗站作為CERN野外站和國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）試驗站成員，按照陸地生態系統水環境觀測規範要求，設置觀測樣地、觀測層次及觀測頻度。

坡地和丘陵地是紅壤區典型的地貌特徵，我國紅壤區總面積約為118萬km2，占全國土地總面積的12.3%^[6]。江南紅壤丘陵區有宜農、宜林坡荒地866.87 hm2，大約相當於該地區耕地面積的1倍多，蘊藏着巨大的自然資源開發利用潛力，是發展糧食和經濟作物及果、林、草的重要基地。但紅壤質地黏重，透水性差，季節性降雨季節性分配嚴重不均，極易發生水土流失，也是該區季節性乾旱形成的原因。坡地不但是農業集雨利用的重要區域，也是易發生水土流失、生態環境惡化的地段。紅壤坡地的土壤水分狀況影響農林生態系統的功能，嚴重製約了該區域農業的可持續發展^[7][8][9]。因此，關於紅壤坡地不同土地利用方式的土壤含水量長期監測數據對於該地區水土資源管理和區域農業可持續發展均有着十分重要的意義。

中國科學院桃源農業生態試驗站（簡稱桃源站），成立於1979年6月，隸屬中國科學院亞熱帶農業生態研究所，現為CERN野外站，CNERN試驗站，全球陸地觀測系統（GTOS）成員，國際長期生態研究網（ILTER）成員。為研究坡地不同生態系統的生物群落演替及其生物生產力、土壤環境變化及其機理、水量平衡及其演變過程等，模擬具有代表性的生態系統類型構建不同生態系統，於1995年建立了紅壤坡地不同利用方式長期觀測試驗場，為紅壤丘崗區的生態建設和坡地的農業開發及其持續利用提供理論指導與管理技術。作為CERN的長期生態監測樣地，從該試驗區中選取了5種在南方紅壤區典型、具有代表性且存在面積較大的坡地利用方式進行長期觀測，即坡地農作系統（TYAZH02）、坡地恢復生態系統（TYAFZ04），坡地退化生態系統（TYAFZ05），坡地茶園生態系統（TYAFZ06），坡地柑橘園系統（TYAFZ07）。由於紅壤坡地利用方式多樣，處理間可互為參照，其中坡地恢復生態系統代表自然保護下的林地，坡地退化生態系統代表人為干擾後棄耕的荒坡地，坡地農作系統為完全作物耕種、代表強度開發利用，坡地茶園生態系統和坡地柑橘園系統代表當地典型的經濟林利用方式（圖1）。

圖片

圖1 桃源站紅壤坡地不同經營生態系統長期定位試驗

本數據集匯集了桃源站紅壤坡地不同土地利用方式長期定位試驗中5個觀測場地的2004–2014年土壤含水量月平均數據。本文將介紹這些數據的有關情況，為用戶更好地使用這些數據提供基礎信息。

1 數據採集和處理方法

1.1 觀測樣地設置

桃源站不同利用方式坡地長期觀測試驗場建立於1995年，坡度8–11°，投影面積1 hm2。其經度範圍是111°26′24.3″E–111°26′28.4″E，緯度範圍是28°55′49.4″N–55′51.7″N，海拔106–120 m，地下水埋深16–30 m。每種利用方式（小區）投影面積20×50 m2，上方及兩側用地上30 cm、地下50 cm的鋼筋混凝土板（頂部為5 cm高的三角形）圍隔。底線是地下50 cm的鋼筋混凝土板，外方建導流溝，溝深10–20 cm，兩頭向中部傾斜。

試驗區土壤土類：紅壤，亞類：紅壤；中國土壤系統分類名稱：粘化干潤富鐵土；美國土壤系統分類名稱：強發育潮濕老成土；母質或母岩：第四紀紅色粘土。土壤質地：粉（砂）質粘壤土。

試驗場建立時土壤的基本理化性狀為：土壤容重1.36 g/m3，pH（水）4.45，有機質28.9 g∙kg-1，全氮1.93 g∙kg-1，全磷0.66 g·kg-1，有效磷（Olsen-P）6.8 mg∙kg-1，全鉀1.39 g∙kg-1，醋酸銨浸提態鉀53.7 m g∙kg-1。

本數據集觀測場/樣地編碼沿用CERN長期生態聯網監測中的編碼，具體見表1。

表1 坡地土壤含水量觀測樣地處理設置情況

觀測場名稱	觀測場代碼	代表墊面	處理內容
坡地恢復系統	TYAFZ04	自然植被演替	建場時清除地表植被，停止干預，植被自然恢復
坡地退化系統	TYAFZ05	原始利用的自然植被演替	於每年5月和11月將地表植被砍光並移出試驗區
坡地農作系統	TYAZH02	耕地利用，季節作物植被	梯土不撩壕，每年栽種2茬旱作物，常規管理
坡地茶園系統	TYAFZ06	常綠灌叢植被，經濟林（茶）	梯土撩壕，條植茶樹，常規管理灌溉施肥
坡地柑橘園系統	TYAFZ07	常綠灌木植被，經濟林（柑橘）	梯土撩壕，3 m×3 m栽種柑橘，常規管理

1.2 數據獲取與處理

本站長期定位土壤含水量觀測數據採用北京超能科技公司生產的CNC503（DR）中子水分儀（以下簡稱中子儀）進行觀測。在眾多土壤含水量的野外觀測方法中，中子儀法具有不破壞土壤自然結構，可以測量土壤含水率的剖面分布和變化過程，操作簡單，測定速度快等優點，並且中子儀法的導管通常是半永久性埋置，可連續測量許多年，由於不用取樣，沒有擾動土壤，每次測量位置和測量條件一致，可得到被測田地水分長期準確完整的資料。此方法在2014年以前是CERN大部分台站採用的土壤水分觀測方法，此後由於原有中子儀老化以及環保等相關問題，各台站逐步更換了其他類型的土壤含水量觀測儀器。

本站長期定位土壤含水量觀測頻率為5天/次（5–10月）、10天/次（11月–次年4月），除農作系統埋設有6根中子管外（坡上、坡中、坡下各2根），其餘處理均埋設2根中子管（坡上和坡下位置各埋設1根），見圖2各系統土壤含水量觀測點布置，在實際觀測過程中由於降雨和儀器等原因觀測時間有適當調整。採用中子儀觀測土壤含水量時，整個觀測流程分為三個步驟：

圖片

圖2 桃源站紅壤坡地不同利用方式長期定位試驗區土壤含水量觀測點綜合布置

1）觀測前：①檢查儀器，按照儀器操作說明對儀器進行自檢，並檢查儀器充電情況，測定標準計數值；②檢查並準備好所有與觀測有關的資料；③明確需要觀測的樣地和觀測剖面的分布和代碼，填寫樣地和觀測。

2）觀測中：①觀測由經過培訓、了解儀器基本原理和操作規程的專職人員進行；②觀測過程中的操作規程嚴格按照觀測儀器本身的操作要求執行；③測量過程中需要注意測量深度的位置，並在儀器上按照要求標記位置信息。

3）觀測後：①關閉儀器，整理和放置好所有觀測設施和儀器；②檢查觀測樣地破壞情況，儘可能減少破壞，恢復樣地原貌；③按要求整理好野外儀器設施，如蓋好中子管的防雨蓋等；④及時將儀器採集的數據下載，並按要求將觀測數據和元數據記錄等提交台站數據管理員。

台站數據管理員根據規範要求，將觀測數據和元數據通過整理、格式轉換和初步質控後提交CERN水分分中心，分中心進一步質控後返回台站並完成入庫。

本數據集是在入庫數據的基礎上加工而成，在生產過程中，採用質控後的土壤含水量數據，計算樣地尺度土壤體積含水量的月平均值作為本數據產品的結果數據。方法為：首先將同一樣地內各中子管每次測定數據取平均值，再將同一樣地每月各次測定的數據取平均值。同時標明測定數（參與平均的數據個數）及標準差。

例如，TYAFZ04觀測場設兩個土壤含水量觀測點（埋設2根中子管），該觀測場2014年1月的土壤含水量計算過程如圖3。

圖片

圖3 數據集生產過程示例

2 數據樣本描述

桃源站紅壤坡地不同經營生態系統長期定位試驗土壤含水量數據，包括該長期試驗的5個處理2004–2014年的分層次土壤含水量觀測序列，觀測頻度5天/次（5–10月）、10天/次（11月–次年4月）。土壤含水量數據為表格型數據，其具體內容及各字段涵義參見表2。

表2 土壤體積含水量數據字段及含義

字段名稱	數據類型	是否必填	量綱	說明
台站代碼	字符型	是	無	TYA，「TY」桃源拼音首字母，「A」代表農田站
年	整數型	是	無	觀測年度，4位數字
月	整數型	是	無	觀測月份
樣地代碼	字符型	是	無	土壤含水量觀測樣地編碼，7位，如TYAZH02
樣地名稱	字符型	是	無	土壤含水量觀測樣地名稱
土地利用類型	字符型	是	無	觀測剖面所在位置的下墊面狀況，如植被、作物等
觀測層次	整數型	是	cm	觀測層次深度
體積含水量	浮點型	是	無	體積含水量（％），參與計算的該層次所有測定值的當月平均值
重複數	整數型	是	無	參與計算的該層次當月平均值的所有測定數，為每次測定的中子管數量×當月測定次數
標準差	浮點型	是	無	參與計算的該層次當月平均值的所有測定數的標準差
備註	字符型	非	無	必要的說明文字

3 數據質量控制和評估

CERN是中國科學院知識創新工程的重要組成部分，是我國生態系統監測和生態環境研究基地，也是全球生態環境變化監測網絡的重要組成部分。土壤水分監測從CREN建立開始就作為陸地生態系統水環境長期定位觀測的重要指標之一。作為CERN的成員站，桃源站在CERN的統一規劃和指導下，進行相關指標的長期觀測，數據的管理和質量控制則由專業分中心和綜合中心負責。為了保證數據質量進而實現有效共享，CERN形成了嚴謹的質量管理體系，通過計劃、執行和評估三個步驟，採取前端控制和後端質控的管理模式，對數據進行審核、檢驗和評估。具體的質量管理流程和組織職責如圖4所示。

圖片

圖4 CERN三級質量管理組織的質量管理流程與職責[10]

本數據集所涉及的土壤含水量觀測樣地的設置、維護以及觀測規範和原始數據質量控制方法根據《中國生態系統研究網絡（CERN）長期觀測質量管理規範》叢書《陸地生態系統水環境觀測質量保證與質量控制》^[10]的相關規定進行。

首先，在觀測數據獲取過程中，中子儀的安裝、使用和標定維護，均嚴格按照規範和儀器說明書操作。

第二，在觀測數據獲取後，及時對源數據進行校驗，具體的質量控制方法包括：（1）數據的完整性檢驗：檢查數據在時間和空間上是否有缺失。（2）數據的準確性檢驗：包括閾值法，如土壤含水量的理論閾值在0–100%之間；過程趨勢法，如土壤表層含水量隨時間變化大，深層含水量隨時間變化小、含水量隨深度逐漸變化、年度變化趨勢、季節變化趨勢等，另外含水量隨時間的變化在無明顯的降水和灌溉事件時呈逐漸變化。（3）比對法：儀器校準，烘乾法測得的質量含水量經換算後與中子儀法測定的體積含水量相比，二者數據誤差範圍為10％–20%。

第三，數據的整理、轉換和格式統一。本站土壤水分含水量數據採用CERN水分分中心開發的一款專用於CNC系列中子儀的自動數據處理軟件，可以將儀器記錄的數據自動處理為CERN上報要求的格式，最大限度地降低了手工操作失誤；在處理過程中使用極值檢查、內部一致性檢查等方法，以保障數據的質量。質控後的數據每年定期向CERN水分分中心上報，由CERN水分分中心負責匯總、二次質控，達標數據統一錄入數據庫。

第四，本數據集加工過程中，數據源採用已正式入庫數據，並再次對原始數據的完整性、準確性和一致性進行了檢驗評估。數據集中缺失數據用「-」表示，並在備註欄對數據的缺失原因作了說明。

4 數據價值

土壤水分是土壤的重要組成部分，可以直接揭示土壤水分狀況而且最直接影響植被水分消耗及生物量，是了解和研究植物與土壤水分關係最基礎的指標，對植物生長、節水灌溉等有着非常重要的作用^[4]。與短期試驗相比，長期觀測是對自然狀況或者長期實驗處理過程的多年連續觀測，反映環境演變過程或人類活動的長期影響，需要大量的人力物力投入，因此，高質量的長期野外監測數據尤為寶貴。關於紅壤坡地不同土地利用方式維持20年以上的長期定位試驗國內少有，且相關的土壤含水量系統、長期的監測數據目前還未見報道。

為了響應數據共享的理念，更好地利用這些數據，本研究採用規範的數據處理方法和質量控制體系對數據進行整理、加工和質量控制，並提供了共享下載。不僅為研究南方紅壤丘陵區土壤含水量特徵及變化規律的科研人員提供基礎資料，而且為相關的農田生態系統土壤水分專著的撰寫提供素材。

本數據集可用於研究土壤水分運移、水量平衡、坡地管理、土地利用、模型建立及驗證等^{[11][12][13][14]}，為紅壤丘陵區水土資源管理和區域農業可持續發展提供基礎數據支撐；可應用於氣候、生態、農業生產、水資源管理等相關領域，也可以考慮在不同的典型區域、典型陸地生態系統之間開展多台站數據聯網分析，結合數據中心長期定位觀測到的生物、土壤、氣象等相關數據^[15]，全方位分析不同生態因子的長時間變化規律以及相互之間的耦合機制，為研究不同典型區域的農田生態系統結構與功能的演替變化提供重要資料。使用本數據集時需要注意由於台站儀器故障等原因導致的部分數據缺失問題。

5 數據使用方法和建議

本數據集可通過Science Data Bank在線服務網址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/755）获取数据服务。同时，如果对相关原始数据有使用需求的（如需要了解土壤含水量的坡位效应，或天尺度的数据），也可通过湖南桃源农田生态系统国家野外科学观测研究站数据资源服务平台（http://tya.cern.ac.cn/meta）进行在线申请。数据申请流程为注册成功并登陆系统后，进入“农田土壤含水量（中子仪法）”数据申请页面（http://tya.cern.ac.cn/meta/detail/AC01，图5），点击蓝色的申请按钮后填写需要申请的数据内容，包括时间范围、样地范围等信息，提交申请，等待数据管理员审核回复。如需要与本数据集相关的其他数据也可通过该平台查询、申请、获取，或直接咨询本文作者；后续，作者会陆续将台站长期观测包括与本文相关的其他数据内容撰写数据论文，以提供更好的数据共享服务。

圖片

圖5 桃源站數據資源服務平台上的本數據集相關原始數據資源申請頁面

致 謝

感謝曾經承擔過桃源站土壤含水量野外觀測工作的肖領先、宋佳陽等工作人員！感謝高美榮高級工程師對於數據論文撰寫方面給予的指導和幫助！

參考文獻

1. 王軍, 傅伯傑, 蔣小平. 土壤水分異質性的研究綜述[J]. 水土保持研究, 2002 (01): 1-5.
2. 高建華, 胡振華. 土壤水分基礎理論及其應用研究進展[J]. 亞熱帶水土保持, 2011, 23(03): 29-35.
3. 謝小立, 段華平, 王凱榮. 紅壤坡地農業景觀(旱季)地表界面水分傳輸研究——Ⅰ.土壤大氣界面水分傳輸[J]. 中國生態農業學報, 2003 (04): 60-63.
4. ^ ^{4.0 4.1} 袁國富, 唐登銀, 孫曉敏, 等. 陸地生態系統水環境觀測規範[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2007.
5. 邵明安, 王全九, 黃明斌. 土壤物理學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
6. 梁音, 楊軒, 潘賢章, 等. 南方紅壤丘陵區水土流失特點及防治對策[J].中國水土保持, 2008(12): 50-53.
7. 宋婧. 紅壤坡地不同植被類型的乾濕季土壤水分動態規律研究[D]. 武漢: 華中農業大學, 2017.
8. 王冬冬. 紅壤丘陵區坡地農田土壤水分時空格局研究[D]. 南京: 南京農業大學, 2016.
9. 魏文學, 謝小立, 秦紅靈, 等. 促進南方紅壤丘陵區農業可持續發展的複合農業生態系統長期觀測研究[J]. 中國科學院院刊, 2019, 34(02): 231-243.
10. 袁國富, 張心昱, 唐新齋, 等. 陸地生態系統水環境觀測質量保證與質量控制[M]. 北京: 中國環境科學出版社, 2012.
11. 賈秋洪. 低丘紅壤區農田小氣候特徵及土壤水分動態模擬[D]. 南京: 南京信息工程大學, 2016.
12. 鄧建強. 典型紅壤區土壤水分動態變化模擬及預測模型研究[D]. 南京: 南京農業大學, 2009.
13. 李靈. 南方紅壤丘陵區不同土地利用的土壤生態效應研究[D]. 北京: 北京林業大學, 2010.
14. 奚同行, 左長清, 尹忠東, 等. 紅壤坡地土壤水分虧缺特性分析[J]. 水土保持研究, 2012, 19(04): 30-33.
15. 唐新齋, 袁國富, 朱治林, 等. 2005～2014年CERN野外台站氣象觀測場土壤含水量數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2(1). DOI: 10.11922/csdata.170.2016.0101.

數據引用格式

尹春梅, 傅心贛, 魏文學, 謝小立. 2004–2014年桃源站紅壤坡地不同利用方式下土壤含水量長期監測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-06-06). DOI: 10.11922/sciencedb.755.