2005–2015年中國生態系統研究網絡農田生態系統生態站表層土壤有機碳密度數據集

2005–2015年中國生態系統研究網絡農田生態系統生態站表層土壤有機碳密度數據集
作者：蘇文
2019年9月23日

本作品收錄於《中國科學數據》

蘇文. 2005–2015年中國生態系統研究網絡農田生態系統生態站表層土壤有機碳密度數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2019-09-23). DOI: 10.11922/csdata.2019.0061.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：耕地有機碳是農田土壤碳庫的重要組成部分。中國耕地土壤分布廣泛，土壤的區域異質性高，利用方式和種植制度複雜多樣，因此研究耕地有機碳及儲量的變化規律，摸清耕地土壤的固碳能力，認識耕地固碳與生產力保持的耦合機制，對中國來講尤其重要。國內很多學者利用全國第二次土壤普查數據、文獻報道的數據開展相關研究，但總體上看，系統的、長期的耕地土壤觀測與試驗數據相對缺乏。本數據集利用中國生態系統研究網絡19個涵蓋不同農田生態系統的生態站多年系統的表層土壤理化性質實測數據，結合有機碳估算模型，計算出2005–2015年來中國主要農田生態系統生態站的表層土壤有機碳密度，可以為更準確地估算中國農田耕層土壤有機碳儲量、研究其空間分布特徵提供數據基礎。

關鍵詞：表層土壤有機碳密度；農田生態系統；中國生態系統研究網絡；長期觀測

Abstract & Keywords

Abstract: Cultivated land organic carbon is an important component of farmland soil carbon pool. Because of the wide distribution and the high soil heterogeneity of the cultivated land in China, the land use patterns and planting systems are complex and diverse. It is particularly important for China to study the changes of organic carbon and its storage in cultivated land, to understand the carbon sequestration capacity of cultivated land, and to understand the coupling mechanism between carbon sequestration and productivity maintenance of cultivated land. Many Chinese scholars use the data of the second National Soil Census and the data reported in the literature to carry out relevant research, but generally speaking, systematic and long-term observation data of cultivated land soil are relatively scarce. This dataset calculated the topsoil organic carbon density of ecological stations covering main agricultural ecosystems in China from 2005 to 2015 based on the measured data of physical and chemical properties of topsoil from 19 China Ecosystem Research Network (CERN) ecological stations covering different agricultural ecosystems, and combined with the estimation model of organic carbon. It will be the basis of estimating more accurately the soil organic carbon storage and studying its spatial distribution characteristics of farmland in China.

Keywords: topsoil organic carbon density; agricultural ecosystem; Chinese Ecosystem Research Network; long-term observation

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2005–2015年中國生態系統研究網絡農田生態系統生態站表層土壤有機碳密度數據集
數據作者	蘇文
數據通信作者	蘇文（suw@igsnrr.ac.cn）
數據時間範圍	2005–2015年
地理區域	中國生態系統研究網絡（CERN）19個農田生態站，包括阿克蘇站、安塞站、常熟站、長武站、封丘站、海倫站、欒城站、拉薩站、千煙洲站、瀋陽站、桃源站、禹城站、鹽亭站、鷹潭站、策勒站、阜康站、臨澤站、奈曼站、沙坡頭站。
數據量	748條記錄
數據格式	*.xlsx
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/878
基金項目	國家重點研發計劃（2017YFC0503803）
數據庫（集）組成	數據文件包含2個數據表單，「土壤有機碳密度」表單存放19個農田生態站2005–2015年的表層土壤有機碳密度數據；「樣地信息」表單為數據涉及樣地的描述信息。

Dataset Profile

Title	Topsoil organic carbon density for agricultural ecosystem field stations of Chinese Ecosystem Research Network (2005 – 2015)
Data corresponding author	Su Wen (suw@igsnrr.ac.cn)
Data author	Su Wen
Time range	2005 – 2015
Geographical scope	19 agricultural field stations of the Chinese Ecosystem Research Network (CERN), including stations of Aksu, Ansai, Changshu, Changwu, Fengqiu, Hailun, Luancheng, Lasa, Qianyanzhou, Shenyang, Taoyuan, Yucheng, Yanting, Yingtan, Cele, Fukang, Linze, Naiman, Shapotou.
Data volume	748 entries
Data format	*.xlsx
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/878>
Source of funding	National Key R&D Program of China (2017YFC0503803)
Dataset composition	The dataset which is an Excel file is composed of two sheets. The 「Soil Organic Carbon Density」 sheet stores topsoil organic carbon density data for 19 stations from 2005 to 2015; the 「information of plots」 sheet stores the basic background information of the plots related to the data.

引 言

土壤有機碳是地球陸地生態系統最重要和活躍的碳庫, 同時又是土壤肥力和基礎地力的最重要的物質基礎。由於受到人類活動的強烈影響，農田土壤碳庫的研究一直是碳循環研究的熱點，也是全球變化、溫室氣體減排和糧食安全等問題研究的核心內容之一^[1][2]。耕地有機碳是農田土壤碳庫的重要組成部分。在自然因素和農業管理措施的作用下，農田耕層土壤碳庫在不斷地變化，這種變化不僅改變土壤肥力，而且影響區域乃至全球碳循環^[3][4]。自然資源部《2016中國國土資源公報》顯示，中國耕地面積為135 Mhm2左右，約占我國國土面積的14%。由於中國耕地土壤分布廣泛，利用方式和種植制度複雜多樣，土壤的區域異質性高^[5]，因此，研究耕地有機碳及儲量的變化規律，摸清耕地土壤的固碳能力, 認識耕地固碳與生產力保持的耦合機制，對中國來講尤其重要^[6][2]。

20世紀70年代末到80年代初開展的全國第二次土壤普查，獲得了較為詳細的全國範圍內的土壤狀況數據^[7]。國內很多學者以這些數據為基礎，利用不同時期的耕地質量監測數據、採樣數據、發表文獻的數據^[4]，研究國家^[5]、區域^[8]、省域^[9][4]等不同尺度上耕地土壤有機碳時空分布、碳儲量及固碳潛力。也有學者利用全國長期農田試驗有機碳含量變化的文獻資料、國內農田土壤有機碳和土壤有機質研究文獻報道的農田耕層有機碳數據進行相關研究^[10][7][3]。但是總體上看，系統的、長期的耕地土壤觀測與試驗數據相對缺乏^[11]。

中國生態系統研究網絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）由中國科學院於1988年組建，目前有農田、森林、草地、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特和城市9類生態系統的44個生態站^[12][13]。其中，農田生態系統生態站涵蓋了松嫩平原農田生態系統、下遼河平原農田生態系統、華北太行山前平原農田生態系統、黃淮海平原農田生態系統、太湖平原農田生態系統、南方丘崗區農田生態系統、洞庭湖平原農田生態系統、川中丘陵農田生態系統、黃土高原農田生態系統和荒漠綠洲農田生態系統^[14]。CERN制定了統一的大氣、水分、土壤和生物要素變化觀測指標體系，1998年以來，每個生態站根據指標體系，按規定的時間頻度進行觀測^[15][12]。農田生態系統土壤觀測通過觀測生態站所在地區的代表性農田生態系統主要類型土壤的組分、結構和重要生態過程的變化規律，為區域農田土壤質量的變化規律提供長期、系統的觀測數據^[16]。土壤有機碳密度是表徵土壤質量及陸地生態系統對全球變化貢獻大小和衡量土壤中有機碳儲量的重要指標^[8]。利用CERN農田生態系統生態站的土壤觀測數據，計算各站多年表層土壤有機碳密度，可以為今後的農田土壤碳庫研究提供數據支持。

1 數據採集和處理方法

耕作土壤剖面一般分作三層：表土層、心土層和底土層。其中最上部的表土層深度大致0～15（20）cm，是物質轉化較快、乾濕寒溫變化較大的一層^[17]。本數據集以CERN農田生態站表層土壤理化性質實測數據為基礎，結合有機碳估算模型，計算表層土壤有機碳密度。

1.1 基礎數據

一般認為，土壤有機碳密度是由土壤有機碳含量、礫石（粒徑＞2 mm）含量和容重共同決定。有研究認為，中國農業土壤經過長期人為的耕作熟化，耕層中粒徑＞2 mm的礫石體積含量可能不是很大，可以忽略不計^[18][5]。因此本數據集主要收集了CERN農田生態站的表層土壤有機質與土壤容重實測數據以及採樣地點地理位置、海拔、主要作物、管理方式等信息。數據全部來自「國家生態系統觀測研究網絡科技資源服務系統」（http://www.cnern.org.cn）中的生态系统长期监测数据集。

CERN在2002–2005年間系統地建立了土壤長期監測規範^[19]。為在國家和區域尺度上保證農田生態系統觀測數據的可比性，並為區域農業的可持續發展提供決策依據，CERN農田生態站在綜合觀測場、輔助觀測場採用相同的觀測項目和觀測方法進行土壤觀測，以同時觀測不同管理方式下農田生態過程的演化；各站還設置了站區調查點，以獲取區域農戶管理模式下土壤質量的變化。綜合觀測場設置在生態站所在區域內最具代表性的農田類型的典型地段，其土壤類型、種植模式與管理制度等具有典型性和代表性；輔助觀測場是作為綜合觀測場的對照和補充，一般設置空白（不施肥）、化肥、化肥配合秸稈處理3種觀測類型；站區調查點主要選擇耕作、輪作及土壤類型與綜合觀測場一致或相近的、有代表性的農戶地塊^[20][16]。按照《CERN陸地生態系統土壤觀測規範》，表層土壤有機質的觀測頻率為2～3年一次，有些生態站根據自身觀測能力與條件，提高了觀測頻率；土壤容重的觀測頻率則為5年一次。本數據集選取了表層土壤有機質觀測時間序列不少於5年的19個生態站綜合觀測場和輔助觀測場的相關數據，時間範圍為2005–2015年。19個生態站包含農田生態站14個，荒漠農田複合生態站5個（表1）。

表1 生態站基本信息

序號	生態站名稱	生態站代碼	生態系統類型	所在地點
1	阿克蘇站	AKA	農田	新疆維吾爾自治區阿克蘇地區農一師八團七連
2	安塞站	ASA	農田	陝西省延安市安塞縣墩灘
3	常熟站	CSA	農田	江蘇省蘇州市常熟市辛莊鎮
4	長武站	CWA	農田	陝西省長武縣洪家鎮王東村
5	封丘站	FQA	農田	河南省新鄉市封丘縣潘店鎮
6	海倫站	HLA	農田	黑龍江省海倫市西門外
7	欒城站	LCA	農田	河北省石家莊市欒城區欒城鎮聶家莊村
8	拉薩站	LSA	農田	西藏自治區拉薩市達孜縣德慶鎮
9	千煙洲站	QYA	農田	江西省泰和縣灌溪鎮
10	瀋陽站	SYA	農田	遼寧省瀋陽市蘇家屯區十里河鎮十里河村
11	桃源站	TYA	農田	湖南省常德市桃源縣寶洞嶼村
12	禹城站	YCA	農田	山東省德州市禹城市市中街道辦事處南北莊村
13	鹽亭站	YGA	農田	四川省鹽亭縣林山鄉截流村
14	鷹潭站	YTA	農田	江西省鷹潭市餘江縣劉家站
15	策勒站	CLD	荒漠農田複合	新疆維吾爾自治區策勒縣策勒鄉托帕艾日克村
16	阜康站	FKD	荒漠農田複合	新疆維吾爾自治區阜康市阜北農場（新疆生產建設兵團222團）
17	臨澤站	LZD	荒漠農田複合	甘肅省張掖市臨澤縣平川鎮五里墩村
18	奈曼站	NMD	荒漠農田複合	內蒙古自治區通遼市奈曼旗大柳樹村
19	沙坡頭站	SPD	荒漠農田複合	寧夏回族自治區中衛市迎水橋鎮沙坡頭

各指標測定方法如下：土壤容重全部採用環刀法測定；土壤有機質除海倫站、瀋陽站外，均採用重鉻酸鉀氧化–外加熱法測定，瀋陽站主要採用元素分析儀測定法，海倫站土壤有機質測定方法具體情況見表2。

表2 海倫站歷年土壤有機質測定方法匯總

年份	海倫站測定方法
2005	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2006	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2007	元素分析儀測定法
2008	元素分析儀測定法
2009	元素分析儀測定法
2010	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2011	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2012	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2013	重鉻酸鉀氧化–外加熱法
2015	重鉻酸鉀氧化–外加熱法

1.2 數據處理方法

原始數據表中包含了表層和剖面的數據，其中表層土壤數據記錄了各個樣地不同採樣區的數據；同時數據存在採樣深度、觀測頻度等不一致的現象。因此在計算土壤碳密度之前，需要對數據進行預處理，計算出各樣地表層土壤的有機質平均含量和平均容重。

1.2.1 土壤有機質數據的處理

首先需要從原始數據表中提取出表層土壤有機質數據。數據的選取分3種情況：（1）單一深度表層土壤有機質，多數生態站表層土壤深度為0～20 cm，有些生態站為0～15 cm；（2）個別生態站表層土壤有機質分為0～10 cm、10～20 cm，需要選取兩個土層數據；（3）有些生態站個別年份僅有土壤剖面有機質，因此採用土壤剖面0～10 cm、10～20 cm土壤有機質作為替代值。篩選結果數據進行異常值剔除後，按年、月、作物類型計算各樣地表層土壤有機質的算數平均值，得到多年樣地尺度的表層土壤有機質數據。

1.2.2 土壤容重數據的處理

土壤容重數據與土壤有機質採用同樣的方法處理，得到多年樣地尺度的表層土壤容重數據。再根據樣地、年、月、採樣深度等與有機質數據進行匹配。由於表層土壤容重的觀測頻度低於有機質，因此多數年份的有機質缺少對應的土壤容重數據。對於缺失的土壤容重，本數據集採取以下方法確定：

（1）以該樣地已有的相應深度的容重替代，原則是：2010年之前缺失容重的以2005年容重值替代，2010年與2015年之間缺失容重的以2010年容重值替代；

（2）對無容重數據的土層，根據該樣地已有容重數據，建立其與有機質含量的回歸關係^[21][22]，從而估算出缺失的容重值，並在備註中註明為「計算容重」。

1.3 土壤有機碳密度計算

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的質量。鑑於數據實際情況，本數據集採用了不同的計算方式得到表層土壤有機碳密度。

單一土層（20cm或15cm）土壤有機碳密度的計算公式為^[23][21]：

SOC=0.58×OM×BD×H/100 （1）

式中，SOC為表層土壤有機碳密度（kg/m2）；0.58 為Bemmelen換算係數，該係數乘以有機質含量求得碳含量；OM為有機質含量（g/kg）；BD為土層容重（g/cm3）；H為土層厚度（cm）。

包含2個實測土層的表層土壤有機碳密度計算方法為：按照公式（1）分別計算0～10 cm、10～20 cm土壤有機碳密度，再將2個層次的土壤有機碳密度累加^[24][23][21]即得到0～20 cm的土壤有機碳密度。

2 數據樣本描述

本數據集的數據存儲格式為Excel文件。文件包含2個數據表單，「土壤有機碳密度」表單存放19個農田生態站2005–2015年的表層土壤有機碳密度數據，共有748條記錄；「樣地信息」表單為數據涉及樣地的描述信息。表3和表4列出2個數據表單所包含的具體字段名稱、類型及示例。

表3 土壤有機碳密度表內容

序號	字段名稱	數據類型	量綱	示例
1	生態站名稱	字符型		封丘站
2	生態站代碼	字符型		FQA
3	年	數字型		2005
4	月	數字型		10
5	樣地代碼	字符型		FQAZH01
6	樣地名稱	字符型		封丘站綜合觀測場
7	採樣分區描述（微地形）	字符型		平地
8	土壤類型	字符型		潮土
9	土壤母質	字符型		黃河沖積物
10	作物	字符型		玉米
11	採樣深度	數字型	cm	0～20
12	土壤有機碳密度	數字型	kg/m2	1.48
13	備註	字符型		計算容重

表4 樣地信息表內容

序號	字段名稱	數據類型	量綱	示例
1	生態站名稱	字符型		封丘站
2	樣地代碼	字符型		FQAZH01
3	樣地名稱	字符型		封丘站綜合觀測場
4	建立時間	數字型		2004
5	面積	數字型	m2	1750
6	形狀	字符型		長方形
7	代表性描述	字符型		該觀測場的土壤為潮土，代表了當地的主要土壤類型，施肥水平一般每畝每年使用純氮30公斤，純磷12公斤，根據天氣和作物情況，小麥一般灌溉2–4次，玉米灌溉1–2次，地下水漫灌，每次每畝80方左右。機械耕地後播種小麥，機械收割，秸稈還田。小麥收穫後人工點種玉米，玉米收穫後秸稈還田。周邊環境與觀測場基本一致。
8	地點	字符型		河南省新鄉市封丘縣潘店鎮
9	經度	數字型	°	114.5416
10	緯度	數字型	°	35.018
11	海拔高度	數字型	m	67.5
12	土壤類型	字符型		潮土
13	地形地貌	字符型		平地
14	主要作物	字符型		冬小麥、夏玉米
15	輪作方式	字符型		冬小麥–夏玉米
16	管理方式	字符型		冬小麥–夏玉米輪作，機械耕種，小麥在播種時撒施尿素、磷酸二銨做底肥，在返青拔節期灌水，同時撒施尿素；玉米在拔節期灌水，同時撒施尿素和磷酸二銨。小麥、玉米秸稈全部還田。

3 數據質量控制

3.1 異常值檢查

異常數據的判定統計學上有不同的方法，對於排除小樣本容量的異常數據，Grubbs檢驗法目前被認為較其他方法更為有效^[25][26]，有學者應用該方法進行土壤數據異常值的剔除^[27][28]。本數據集採用Grubbs檢驗法對基礎數據進行異常值的判斷與剔除，具體方法如下：

對於每個樣地的數據，按從小到大的順序排列後計算平均值以及標準差，然後計算格拉布斯檢驗統計量；顯著性水平取0.05，與格拉布斯表中的相應臨界值進行比較，若計算的格拉布斯統計量大于格拉布斯臨界值，則認為該數據為異常數據；將其剔除後重新計算餘下的數據，直至確認無異常數據為止。

3.2 數據規範化

（1）樣地名稱與代碼的規範化

樣地名稱以生態站簡稱加觀測場分類表示，輔助觀測場還需包含觀測類型，如：常熟站綜合觀測場、常熟站土壤生物輔助觀測場（空白）。樣地代碼採用7位編碼，從左至右，第1–3位為站代碼，4–5位為觀測場分類碼，第6–7位為觀測場在本類觀測場中的序號。站代碼的編碼規則為：前2位為生態站中文名稱的漢語拼音縮寫；第3位代表監測的主要生態系統類型，其中A表示農田生態系統，D表示荒漠生態系統。觀測場分類碼中，「ZH」表示綜合觀測場，「FZ」表示輔助觀測場。例如，常熟站綜合觀測場的代碼為「CSAZH01」、常熟站土壤生物輔助觀測場（空白）的代碼為「CSAFZ01」。

（2）要素項內容的規範整理

同一樣地的採樣分區描述、土壤類型、土壤母質、作物等要素項的內容，由於觀測人員不同，造成不同年份的表述方式有所差異。因此分樣地對這些要素項的描述進行規範化，使多年的記錄內容保持一致，如：同一樣地的土壤母質，有的年份記為「第四紀紅黏土」，有的年份記為「第四紀紅色黏土」，統一為「第四紀紅黏土」。其中，根據《中國土壤分類與代碼》（GB/T 17296-2009）對「土壤類型」要素項內容進行了重新劃分，原則上填寫土類，有些生態站填寫的是亞類，但也予以保留，只是檢查其名稱是否符合標準。

4 數據價值

本數據集以CERN多年系統的表層土壤理化性質實測數據為基礎，結合有機碳估算模型，計算出近10年來中國主要農田生態系統系統生態站的表層土壤有機碳密度，具有較強的實際使用價值，可以為更準確地估算中國農田耕層土壤有機碳儲量、研究其空間分布特徵提供數據基礎。

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數據引用格式

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