2004–2016 年中国生态系统研究网络（CERN）台站水中八大离子数据集

黄丽，朱治林,2，唐新斋，袁国富,2，张心昱,2*，孙晓敏,2，王娇， 常学向，程一松，褚国伟，戴冠华，杜娟，傅伟，郭小伟， 郭永平0，何其华，姜峻2，蒋正德，来剑斌，兰中东， 李猛，李少伟，李伟，林静慧，林永标，刘文杰2， 刘晓利，刘新平2，刘勇刚2，鲁志云2，路永正2，苏宏新2， 唐家良2，汪金舫2，王小亮0，杨风亭，尹春梅2， 张志山，赵常明，赵成义，朱睦楠

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 100049

其他作者单位信息见“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 2004–2016 年中国生态系统研究网络（CERN）台站水中八大离子数据集 联系人 张心昱（zhangxy@igsnrr.ac.cn） CERN台站 分析人员 站长 所属研究所 数据生产者 阿克苏站 盛钰、胡顺军 赵成义 中国科学院新疆生态与地理研究所35 哀牢山站 鲁志云、沙丽清 张一平 中国科学院西双版纳植物园25

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地理区域 中国生态系统研究网络（CERN）的34个台站 数据量 450 KB 数据格式 *.xlsx 数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/862 基金项目 中国科学院战略性先导科技专项（XDA19020301） 数据库（集）组成 本数据集数据存放在1个Excel数据文件中，含2个表单，Sheet1共3798条（其中地下水1719条，静止地表水771条，流动地表水1308条），包含生态站代码，采样年、月，水类型，Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-离子含量；Sheet2共405条，包含生态站代码、分析年份、分析项目名称、分析方法名称和参照标准名称。

引 言

水化学因子是陆地生态系统主要的环境因子，是影响陆地生态系统结构和功能的重要因素[1]。中国生态系统研究网络（CERN）从1988 年成立起就开展了对全国典型农田、森林、草地、湿地等生态系统水环境长期定位监测工作，监测中国典型生态系统水环境的空间分布与长期动态变化。各生态站监测农田、草地、荒漠、湿地生态系统均为代表当地典型农业或牧业的生态系统，能够反映水体自然状况及人类施肥、灌溉农业活动影响及畜牧业影响[2]。水质监测对水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康方面起着至关重要的作用，可以为环境管理、环境科学研究提供数据和资料。

天然水体中Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3-、CO32-、SO42-、Cl-离子总量约占天然水溶质总量的95%–99%[3]，是生态网络水质监测的必测指标，也是水化学特征研究的主要离子。60 年代初，乐嘉祥等[4]首次对我国河流水化学性质的空间变化规律进行了分析，我国广大地区常以重碳酸盐类钙组型为主，在西北内陆地区河水常以硫酸盐类钠组型为主。各主要离子的含量在地区上的分布和矿化度一样，具有同一分布趋势。目前水化学特征的研究大多是对某一流域或地区的地下水、湖泊或河流开展，水体中主要离子成分常用来分析流域水化学控制因素、物质来源、分布特征及演变规律等[5-7]。研究水体化学离子特征对于正确理解河流流域内地表水和地下水的补给关系、河水离子组成和来源具有重要意义[8-10]。

通过在一定空间区域内不同位置开展野外水环境定位观测，对水环境的特征、变化规律和与生态系统的关系进行分析，从而了解生态系统水分状况和水分运动过程，揭示生态过程与水文过程之间的关系和相互作用过程。CERN 34 个生态站的水环境长期监测数据集，不仅反映了我国典型生态系统水体化学的时空变化，也能够为区域环境保护与环境治理提供数据支持。

1 数据采集和处理方法

本数据集的构建过程主要包括：水环境监测野外采样、样品测试和数据处理、数据审核、数据分析及数据集的形成，具体流程如图1。

图1 数据集构建流程图

本研究中34 个生态站2004–2016 年水质监测数据，包括农田生态站15 个，森林生态站10 个，荒漠生态站6 个，草地生态站2 个，沼泽生态站1 个，共记录数据3798 条。其中地下水统计33 个生态站，记录数据1719 条；静止地表水统计22 个生态站，记录数据771 条；流动地表水统计32 个生态站，记录数据1308 条。各生态站的基本信息见表1。

表1 生态站基本信息

注：DX 为地下水，JB 为静止地表水，LB 为流动地表水。

各生态站依据《陆地生态系统水环境观测规范》[1]和《陆地生态系统水环境观测质量保证与质量控制》[11]布置采样点，每个生态站对该地区所在的典型生态系统的流动地表水、静止地表水、地下水进行定位监测，每年干湿季节至少采集2 次样品，分析指标包括八大离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO32-、HCO3-）等。各生态站将野外观测和室内分析的数据及元数据完整保留，并将监测的数据按规定的格式进行录入，对数据进行检查和补充说明，然后提交数据给水分分中心进行数据检验。

2 数据样本描述

本数据集的数据存储于1 个Excel 文件的2 个数据表单中，Sheet1 包括生态站代码、采样年月、水类型、八大离子含量值。具体的内容及各字段含义如表2。

表2 本数据集Sheet1 内容及字段含义

字段名称 数据类型 量纲 说明 碳酸根离子（CO32-） 浮点型 mg L-1 水中碳酸根离子的含量 重碳酸根离子（HCO3-） 浮点型 mg L-1 水中重碳酸氢根离子的含量 氯化物（Cl-） 浮点型 mg L-1 水中氯离子的含量 硫酸根离子（SO42-） 浮点型 mg L-1 水中硫酸根离子的含量

数据集Excel 表中空白为未测此项，低于检出限用0 表示。

Sheet2 共405 条，包含生态站代码、分析年份、分析项目名称、分析方法名称和参照标准名称。具体的内容及各字段含义如表3。

表3 本数据集Sheet2 内容及字段含义

3 数据质量控制和评估

CERN 采用统一的监测规范和监测方法，室内分析时，所用仪器均有标准的操作规程，样品测试时使用的方法均为常用的国家标准方法，以钾离子、钠离子为例，分析的方法多为原子吸收分光光度法（GB 11904-89）。执行台站–分中心–综合中心3 级质控措施。为保证水质监测数据的质量及准确性，对数据进行准确性检验。

3.1 阴阳离子平衡检验

由于水中阴阳离子始终处于一种相互联系、相互制约的关系，要保持水溶液中的阴、阳离子电荷平衡，那么阴阳离子摩尔浓度总和应大致相等，理论上可知：

K+/39+Na+/23+Ca2+/40+Mg2+/24+···=HCO3-/61+SO42-/48+Cl-/35.5+CO32-/30+··· （1）

实际上由于分析误差、某些离子未做测定或某些离子在分析过程中组分发生了改变等因素，阴阳离子摩尔浓度很少相等，因此这两个指标在总量间允许有一定的差值（E.N.），其绝对值一般在10的范围内。

3.2 质量法和加和法对比检验

矿化度一般只用于天然水的测定。对于无污染的水样，该水样的矿化度与其总可滤残渣量值相同。矿化度的测定方法可根据目的的不同而选择不同的测定方式，例如质量法、电导法、阴阳离子加和法等。理论上，矿化度应等于溶解性固体重量，但重碳酸盐在烘烤时转化为碳酸盐，其损失量约为HCO3-的一半，即矿化度≈Σ 阴离子量＋Σ 阳离子量−1/2HCO3-。由于水样中组分复杂即存在分析误差，所以溶解性固体和阴阳离子总量之间可以存在一定的误差。若水样中有大量有机物或除八大离子外的某种含量高的离子未分析，可能出现较大的测定差值。

3.3 电导率校核

对于多数天然水来说，将电导率（µS cm-1，25℃）乘以因数（一般为0.55–0.7），其得数就是矿化度的量（mg L-1）。对于变化不大的水源水，其经验校正因数可用矿化度M（mg L-1）和电导率E（µS cm-1，25℃）的比值（M/E）求得，利用这一审核方法，可以检验分析结果的正确性，发现分析中的较大误差。

通过以上检验，剔除监测异常值，提高数据的可靠性。图2a、2b 分别是阴阳离子检验和矿化度质量法和加和法检验的结果。经检验，提高了用于分析的数据可靠性。由于不同生态站开始进行水质监测的时间不一，数据的起始年份存在差异，经数据的正确性检验，有不少异常的数据剔除，因而一些生态站的数据年份并不连贯。

图2 数据质量检验

4 数据价值

目前对水化学特征的研究主要是在某一流域或地区的地下水、湖泊和河流开展，分析其离子来源、控制过程、影响因素及分布特征等，以全国范围较大尺度开展的研究较少，而且也少有长期的定位监测研究。分析水化学类型的变化状况，评价我国各类生态系统水化学现状，可以为未来水体水化学变化趋势分析提供依据和建议。

5 数据使用方法和建议

本数据集由 CERN 综合研究中心提供数据共享资源，用户可登录 Science Data Bank（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/862）访问数据集信息。读者如需进一步了解数据集的研究方法或研究结论，可参考本论文相关的参考文献[12]，或与本文的通信作者联系。

致 谢

感谢CERN 各个生态站对样品的采集和分析工作，感谢CERN 综合研究中心和水分研究中心提供数据。

作者分工职责

（1）论文作者

黄丽（1986—），女，江西省宜春人，硕士，研究方向为环境化学分析。主要承担工作：数据汇编、整理与论文撰写。

朱治林（1963—），男，湖北荆门人，学士，副研究员，研究方向为生态系统观测。主要承担工作：观测数据整理。

唐新斋（1976—），男，山东威海人，硕士，工程师，研究方向为网络和数据库管理。主要承担工作：协助数据整理。

袁国富（1972—），男，湖北洪湖人，博士，副研究员，研究方向为生态水文。主要承担工作：数据质量控制。

张心昱（1973—），女，辽宁省桓仁人，研究员，研究方向为地球环境化学。主要承担工作：CERN 水环境长期定位观测数据质量控制，技术指导和论文修改。

孙晓敏（1957—），男，河北涉县人，学士，研究员，研究方向为地表通量观测技术和实验方法。主要承担工作：CERN 水环境长期定位观测技术指导。

王娇（1989—），女，山东滨州人，助理研究员，研究方向为土壤物理学。主要承担工作：CERN数据分析与整理。

（2）数据作者：数据生产者，主要承担各站数据的监测和质量控制。

白永飞、包维楷、曹广民、曹敏、常学向、陈欣、陈云明、程一松、褚国伟、崔清国、戴尔阜、戴冠华、窦山德、杜娟、傅伟、傅心赣、官有军、郭小伟、郭永平、韩晓增、何其华、何永涛、胡顺军、黄振英、姬洪飞、姜峻、蒋正德、来剑斌、兰中东、雷加强、李够霞、李猛、李庆康、李少伟、李伟、李小丽、李晓明、李晓欣、李新荣、李玉武、林海飞、林静慧、林丽、林永标、刘文杰、刘文兆、刘晓利、刘新平、刘勇刚、娄金勇、鲁志云、路永正、马健、欧阳竹、秦海浪、桑卫国、沙丽清、申卫军、沈彦俊、盛钰、宋长春、苏宏新、孙波、孙聃、孙维、唐家良、汪金舫、汪思龙、王安志、王根绪、王辉民、王克林、王小亮、魏文学、向传银、谢宗强、徐文婷、颜晓元、杨风亭、杨淇越、杨阳、尹春梅、于小军、曾凡江、张加双、张铜会、张一平、张志山、赵常明、赵成义、赵文智、赵学勇、赵岩、赵洋、郑立臣、郑兴波、周国逸、周伟、朱安宁、朱波、朱睦楠等。