2009–2016 年北亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量数据集

赵常明，申国珍，徐文婷，熊高明，樊大勇，周友兵， 葛结林，谢宗强*

1. 中国科学院植物研究所，植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称 2009–2016 年北亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量数据集 数据作者 赵常明、申国珍、徐文婷、熊高明、樊大勇、周友兵、葛结林、谢宗强 数据通信作者 谢宗强（xie@ibcas.ac.cn）

数据时间范围 2009–2016年 地理区域 31°18′N，110°28′E 数据量 7425条记录 数据格式 *.xlsx 数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/915 http://snf.cern.ac.cn/meta/metaData 基金项目 CERN监测网络，国家生态系统观测研究共享服务平台项目（2005DKA10300） 数据库（集）组成 数据集由1个数据文件组成，数据记录7425条，包含日期、测管代码、测量深度、坡面位置、土壤水分含量等信息。本数据集收集了湖北神农架森林生态系统国家野外科学观测研究站暨中国科学院神农架生物多样性定位研究站（简称神农架站）2009年5月至2016年12月的土壤水分含量数据，测定方法为时域反射法（Time domain reflectrometry，TDR）定点连续观测，观测深度为0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、30–40 cm、40–50 cm，观测频度为每月2次。在20 m×5 m（水平投影）的人工径流场的上部、中部和下部分别埋设了3根测管，共9根测管。

引 言

森林土壤水分是指包含在森林土壤孔隙中的水分。自然降水（雨、雪）经过森林植被的截留和蒸发后进入土壤。全球蓄于土壤中的水分约有16500 km3，是河道蓄水的8 倍。森林土壤占森林水分调节能力的90%以上[1]，在森林水文循环中土壤起着重要的调节和分配水量的作用[2]。土壤水分是森林生态系统物质循环和能量流动的重要载体，不仅是森林生态系统养分转移的载体和溶剂[3]，而且通过土壤温度调节和水分蒸散参与能量流动。土壤水分含量是研究土壤水分状况和动态的基础指标，是中国生态系统研究网络（CERN）陆地生态系统水环境长期定位观测的重要指标之一[4]。

湖北神农架森林生态系统国家野外科学观测研究站暨中国科学院神农架生物多样性定位研究站（简称神农架站，SNF）所在的秦巴山地是全球土壤水分和降水强烈耦合的区域之一[5]。常绿落叶阔叶混交林是我国北亚热带的地带性植被类型，是常绿阔叶林和落叶阔叶林之间的自然过渡类型，对气候波动较为敏感。其林下土壤含水量的动态变化对于区域季节性降水预报以及常绿落叶阔叶混交林对全球气候变化的响应研究具有重要意义。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

本数据来自于神农架站的长期水分监测。监测场地位于神农架站综合观测场，植被类型为常绿落叶阔叶混交林。2008 年建设了20 m×5 m（水平投影）的人工径流场，在该径流场的上部、中部和下部分别埋设了3 根测管，2009 年5 月开始监测。测量深度分别为0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、20–40 cm 和40–50 cm。每层测量3 次（3 个间隔120°的不同方向），取平均值为该层的测量值。测量的频率为每月2 次。

监测的仪器为土壤剖面水分速测仪，型号为德国IMKO 公司的专利产品TRIME-T3 管式TDR（时域反射法，Time Domain Reflectometry）系统，包括FM3 读数表、T3 探头和探管等配置，可实现非扰动定位瞬时观测。TRIME-T3 管式TDR 采用TECANAT 制成的透明塑料管，只需移动圆柱式探头（外包PVC 外壳，4 个反向弹性铝条为TDR 波导体）在塑料管中的位置，就可以从FM 水分表离线式读出探头水分测量值，即不同深度土壤的体积含水量，测量深度可达3 m。该仪器的测量原理为：TDR 发射频率为1 MHz–1 GHz 的电磁脉冲，经过同轴电缆进入波导探针进行传播，遇到障碍物后产生反射并返回到仪器，通过测量电磁脉冲沿波导探针在土壤介质中传播并在其末端反射所需时间就可以计算出被测物质含水量的大小。

TDR 也是一种通过测量土壤介电常数来获得土含水量的一种方法。TDR 的原理是电磁波沿非磁性介质中的传输导线的传输速度V= c /ε，而对于已知长度为L 的传输线，又有V =2 L / t，于是可得ε = c t /(2 L)，其中c 为光在真空中的传播速度，ε 为非磁性介质的介电常数，t 为电磁波在导线中的传输时间。而电磁波在传输到导线终点时，又有一部分电磁波沿导线反射回来，这样入射与反射形成了一个时间差T。因此通过测量电磁波在埋入土壤中的导线的入射反射时间差T 就可以求出土壤的介电常数，进而求出土壤的含水量。

1.2 数据预处理

野外数据的整理主要包括原始记录信息的检查和完善、数据录入、异常值的剔除和缺失数据插补等。

原始记录信息的检查和完善，包括检查原始记录表格的完整性，并根据情况进行完善。如有缺失，与测试人员核对并根据情况进行补充和说明。

数据录入是将野外原始纸质记录数据录入计算机，形成电子版原始记录的过程。数据录入由测量人和记录人负责，以保证在观测真实数据和记录数据之间出现差异时，真实情况可以再现。数据录入完成时，测量人和记录人对数据进行自查，检查原始记录表和电子版数据表的一致性。

异常值的剔除和缺失数据插补。将原始数据按测管分类统计，求三次测量的平均值。对异常值进行剔除。根据同一测量剖面的数值进行线性或对数插值。

2 数据样本描述

2.1 亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量数据

本数据集为神农架站定点连续观测数据，在20 m×5 m（水平投影）的人工径流场的上部、中部和下部分别埋设了3 根测管，共9 根测管。每个测管的观测深度为0–10 cm、10–20 cm、20–30 cm、30–40 cm、40–50 cm，观测频度为每月2 次，主要包含的指标见表1。

表1 2009–2016 年亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量数据表

2.2 总体统计结果

本数据集时间区间为2009 年5 月至2016 年12 月，总数据量7425 条。土壤水分含量（体积比）平均0.313，标准差±0.165（变异系数52.64%），最大值0.647，最小值0.000。

2.3 时间动态

2.3.1 年动态

2009 年（5–12 月）土壤水分含量最大，为0.342；其次2012 年，为0.340；2010 年最小，为0.293。全年年际最大差值为0.047（表2）。

表2 2009–2016 年亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量年际动态

2.3.2 月动态

2009–2016 年土壤含水量月动态基本呈现“单凹”曲线（图1）。土壤水分含量的低谷出现在夏秋季，每年8 月左右出现土壤水分含量的最低值。2009–2016 年土壤水分含量最低的月份分别为10月、7 月、5 月、8 月、10 月、10 月、8 月和9 月。而冬春季含水量较高，水分含量的峰值分别出现在2009 年6 月、2009 年12 月、2011 年3 月、2012 年5 月、2012 年11 月、2014 年4 月、2014 年12 月、2015 年11 月、2016 年11 月。月均最大含水量出现在2012 年11 月，为0.399。最低含水量出现在2013 年10 月，为0.204。

图1 2009–2016 年土壤含水量月动态

2.3.3 累计月动态

累计月份土壤水分含量呈现夏秋季“凹形”分布。1 月土壤水分含量最高，为0.343；其次为11月，为0.342。最低为8 月，为0.271；其次为7 月，为0.291。月均年较差为0.073（表3）。

表3 2009–2016 年北亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤水分含量累计月动态

2.4 各层平均值

从表层到深层逐渐增大（表4）。10–50 cm 各土层水分含量分别为0.085（±0.071）、0.223（±0.095）、0.359（±0.108）、0.431（±0.078）和0.468（±0.065）。

表4 2009–2016 年北亚热带常绿落叶阔叶混交林不同深度土壤水分含量

2.5 储水量与水量调节能力

2.5.1 储水量

土壤储水量是指一定面积和土层内储存水分的数量。土壤储水量通常有两种方式表示：一种是用水分的容积表示；另一种是用水深表示，即储存水分相当于相同面积水层的厚度。土壤含水量为田间持水量时，土壤储存水分的数量为最大土壤储水量，即为土壤持水能力。

本文按照相同面积水层的厚度来表征土壤水分储量。

如图2，2009–2016 年0–50 cm 土壤平均储水量为156.99（±18.66）mm，相当于1569.9（±186.6）t/hm2，最大储水量为199.49 mm（2012 年11 月，1994.9 t/hm2），最小储水量为102.12 mm（2013 年10 月，1021.2 t/hm2）。

从表层到深层，储水量逐渐增加。2009–2016 年0–50 cm 各层土壤平均储水量分别为8.57（±3.55）mm、22.40（±4.24）mm、35.95（±4.64）mm、43.22（±4.64）mm 和46.86（±4.04）mm。

图2 2009–2016 年土壤储水量动态

2.5.2 水量调节能力

水资源调节性（Regulating Ability of Water Resources）主要是针对水量而言，是指地表水、地下水在系统结构的作用下，使不连续的集中降水和水量输入转化为相对连续、均匀输出的自然特性。

一般来说，地表水系统的水量调节能力较差，水量、水位的动态变化与降水过程关系密切，滞后、延迟效应均不明显，获得的降水补给量可以快速地排出。但并不是说，地表水系统不具备水量的调节能力。与河流相连接的湖泊或多或少都有吐纳洪水、调节水量的功能；固体地表水体——冰川的积雪和消融起着将集中、间断的降雪储蓄和缓慢释放的作用。地表水系统是“网络”状的，坡面漫流流程一般很短，汇流时间也短，加之河床狭窄，调蓄空间小，水流速度快，缓洪滞洪的能力差，尽管不同支流的来水可以发挥错峰的作用，但总体的调节能力十分有限。与地表水系统相比，地下水系统的调节性较强。由于地下水以渗流场的形式分布，集中的降水补给可积蓄在季节变动带中，然后缓慢释放。与此同时，径流的路程效应可平抑各处来水的波动，发挥削峰填谷的作用，使局部水量的盈亏及时得到削减和补偿。因此，地下水系统水量的调节能力更为突出。土壤水分含量可以是地下水系统重要的组成部分，土壤含水量的动态是水资源调节的重要组成部分。土壤储水量受降水的影响呈现年际波动，同时土壤储水量波动具有明显滞后性。

以年较差来表征土壤水分调节能力（表5），年内土壤水分最大调节能力为92.3 mm，平均为57.08（±22.17）mm。

表5 2009–2016 年亚热带常绿落叶阔叶混交林土壤储水量年际动态

以月间差值来表征土壤水分调节能力，月间土壤水分最大调节能力为58.92 mm（2013 年10 至12 月），最小为0.03 mm（2014 年1 月至2 月），平均为13.53（±12.07）mm。

3 数据质量控制和评估

本数据集来源于长期观测场地的实测调查。从观测场地的布设、观测设施的安装、测量人员培训、现场测量到测量后的数据处理，整个过程对数据质量进行控制。同时，咨询相关专家并查阅相关文献对数据进行审核验证，以确保数据相对准确可靠。

观测场地布设：根据《陆地生态系统水环境观测规范》，选取典型常绿落叶阔叶混交林，在坡度相对一致的坡面设置人工径流场。人工径流场位于湖北省兴山县南阳镇龙门河林场黄连坝山坡中下部。人工径流场水平方向宽5 m，坡面方向长20 m（水平投影）。

观测设施的安装：如图3 所示，在人工径流场坡面的上部、中部和下部各埋设3 根TDR 测管。测管的水平位置分别距径流场左右边界约1 m 各1 根，中间1 根。坡面的上部、中部和下部测管的位置分别为：1）上部：距人工径流场上界约1 m，2）中部：人工径流场中部，3）下部：距人工径流场下界约1 m。TDR 测管为TECANAT 制成的透明塑料管，安装时保持测管外壁与土壤紧密接触，并保持垂直。特别是将测管底部用塞子密闭，顶端盖好盖子，避免测管进水。

图3 测管安装位置示意图

仪器标定与校准：每年将TRIME-T3 管式TDR 系统带到专业机构进行标定和校正，保证仪器的正常运行和数据准确性。

人员培训：对测量人员进行培训，是保证测量数据的完整性、连续性和准确性的关键。培训内容包括仪器测量原理、使用方法、测量时间与频次等。

现场测量：测量前要检查测管的状况，确保测管不存在漏水、破损等情况。如有漏水，及时排除并塞紧底部的塞子。测量时保证测量深度的准确、测量方向转动的均匀、测量时间准确，并且记录及时准确。测量后，及时盖好盖子，以免进水。

测量后数据质控。首先核对录入数据与原始记录的正确；然后对录入数据进行统计分析，剔除异常数据，根据同一剖面的数值对缺失数据进行线性或对数插值；最后形成的土壤水分数据集由专家进行最终审核和修订，确保数据集的真实、可靠；纸质原始记录数据表妥善保存，并通过复印和扫描电子版进行备份，保存于不同地方，以备将来核查。

数据缺失情况说明：1）2009 年5 月刚开始测定，所以2009 年缺1–4 月数据，5 月只测了一次；2）本监测项目最开始设置时未考虑冬季测量，后来逐渐扩展到全年，所以2010–2013 年有数据缺失：2010 年缺1–3 月数据；2011 年缺1–2 月数据；2012 年缺1–3 月数据；2013 年1 月和2 月只测了1次。

4 数据价值

公开发布的原位、连续、动态的土壤水分观测数据较少，本数据集的发表是这类土壤水分含量数据的重要补充，为森林水文学研究提供了基础数据。

北亚热带典型常绿落叶阔叶混交林是我国南北过渡带一类特殊、重要的植被类型，对全球气候变化敏感，林下土壤水分是该生态学的重要组成部分，本数据的发表为该区常绿落叶阔叶混交林对全球变化的响应提供了重要的数据基础。

遥感数据和模型分析也表明本数据集观测地所在的秦巴山地是全球土壤水分与降水耦合较为强烈的地区之一。本数据的发表为该区季节性尺度的气象预报提供了数据支持。

神农架站所在的区域为我国重要的生物多样性生态功能区和南水北调工程水源涵养区。本区典型的常绿落叶阔叶混交林的水源涵养和水量调节能力，对于该区生态服务功能的发挥具有重要意义。本数据集为研究本区森林水源涵养和水量调节能力，提供了重要的基础数据。

5 数据使用方法和建议

本数据集可通过链接Science Data Bank 在线服务网址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/915）获取数据服务。也可通过湖北神农架森林生态系统国家野外科学观测研究站网络（http://snf.cern.ac.cn/meta/metaData）获取数据服务，登录首页后点“资源服务”下的数据服务，进入相应页面下载数据。下载的数据可以通过测管代码、日期、测量深度等字段进行查询。

致 谢

本数据得到中国科学院神农架生物多样性研究站的支持与帮助，在此表示衷心感谢！

数据作者分工职责

赵常明（1973—），男，四川人，博士，高级工程师，研究方向为植物生态学。主要承担工作：数据质量控制、数据分析与论文撰写。

申国珍（1973—），男，内蒙人，博士，副研究员，研究方向为林学。主要承担工作：场地布设与数据质量控制。

徐文婷（1973—），女，河南人，博士，高级工程师，研究方向为生态遥感。主要承担工作：仪器校准与数据质量控制。

熊高明（1969—），男，江西人，博士，助理研究员，研究方向为保护生态学。主要承担工作：数据测量与质量控制。

樊大勇（1973—），男，湖南人，博士，副研究员，研究方向为生理生态学。主要承担工作：数据测量与质量控制。

周友兵（1980—），男，安徽人，博士，副研究员，研究方向为动植物关系。主要承担工作：数据测量与质量控制。

葛结林（1986—），男，安徽人，博士，助理研究员，研究方向为森林生态学。主要承担工作：数据测量与质量控制。

谢宗强（1965—），男，内蒙人，博士，研究员，研究方向为生态学。主要承担工作：项目组织、数据库建设与管理。