2007-2017年青藏高原東南緣貢嘎山峨眉冷杉林土壤含水量數(shù)據(jù)集

楊陽，李偉＊，王根緒

1.中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 2007-2017年青藏高原東南緣貢嘎山峨眉冷杉林土壤含水量數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)作者 楊陽、李偉、王根緒數(shù)據(jù)通信作者 李偉（liwei@imde.ac.cn）數(shù)據(jù)時間范圍 2007-2017年地理區(qū)域 四川貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（102°00′E，29°33′N）長期觀測樣地。數(shù)據(jù)量 102 KB數(shù)據(jù)格式 *.xlsx數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00218 http://ggf.cern.ac.cn/meta/metaData基金項目 中國生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)野外臺站-貢嘎山站運行服務(wù)費；科技部國家野外科學觀測研究站-貢嘎山國家站運行服務(wù)費。數(shù)據(jù)庫（集）組成數(shù)據(jù)集由1個數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)量1944條，包含了用中子儀法測定的峨眉冷杉成熟林、峨眉冷杉演替中齡林、峨眉冷杉冬瓜楊演替林和3000米氣象觀測場的土壤含水量數(shù)據(jù)。

引 言

森林土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)過程中重要的水文參量，控制著生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)、外部物質(zhì)和能量的分配與傳輸，對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力形成與維持、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的發(fā)揮等起到關(guān)鍵性作用[1-2]。在自然條件下，開展森林土壤水分含量的長期固定監(jiān)測，對揭示區(qū)域植被建設(shè)與氣候變化背景下的生態(tài)系統(tǒng)水文學響應以及生態(tài)服務(wù)功能變化等具有獨特意義[3]。

貢嘎山地區(qū)自然地理和生態(tài)類型在青藏高原東緣具有典型性和代表性，屬典型的垂直地帶性生態(tài)環(huán)境類型。同時，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的自然性保持完好、山地環(huán)境要素多樣、生物多樣性豐富，是開展山地森林生態(tài)系統(tǒng)研究最理想的場地。中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（China Ecosystem Research Network，CERN）是我國生態(tài)系統(tǒng)長期定位研究、生態(tài)系統(tǒng)與全球變化科學研究、以及自然資源利用與保護研究的野外科技平臺，土壤水分是CERN的長期定位觀測的重要指標之一。四川貢嘎山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（簡稱“貢嘎山站”）是立足青藏高原東緣及橫斷山區(qū)，以多層次的山地生態(tài)系統(tǒng)為主要研究對象的綜合觀測試驗研究站，按照CERN水環(huán)境觀測規(guī)范的要求，對貢嘎山高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分進行了長期定位觀測，為土壤水分狀況和動態(tài)的研究積累了大量的基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)。

峨眉冷杉林是青藏高原東緣亞高山暗針葉林的重要組成部分，是研究氣候變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的代表性森林類型[4]。本數(shù)據(jù)集整理了2007-2017年峨眉冷杉成熟林、峨眉冷杉演替中齡林、峨眉冷杉冬瓜楊演替林和3000米氣象觀測場的土壤含水量數(shù)據(jù)，土壤含水量的觀測深度包括10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、100 cm共6個層次。本數(shù)據(jù)集為揭示亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)土壤水分變化規(guī)律提供長期、系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)，為氣候變化背景下亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文過程響應研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對該地區(qū)的森林水土資源管理及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能可持續(xù)發(fā)展具有重要的作用。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 觀測樣地設(shè)置

貢嘎山站水分觀測樣地位于青藏高原的東南緣貢嘎山東坡海螺溝內(nèi)，在行政區(qū)劃上處于四川省甘孜藏族自治州磨西鎮(zhèn)，區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候類型，年平均氣溫4℃，年平均降水量1861 mm，主要集中在5-10月。依據(jù)中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）陸地生態(tài)系統(tǒng)水分觀測規(guī)范，貢嘎山站建立了4個水分長期觀測樣地（表1）?！癎GFZH01”以“X”形布設(shè)方式設(shè)置5個土壤水分觀測點，“GGFZQ01”、“GGFFZ01”和“GGFQX01”以“△”形布設(shè)方式各隨機設(shè)置3個土壤水分觀測點。貢嘎山站4個長期觀測樣地土壤含水量的觀測深度包括10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、60 cm、100 cm共6個層次。

表1 貢嘎山站土壤水分長期觀測樣地介紹

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

其原始數(shù)據(jù)通過時域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)獲取，出版數(shù)據(jù)頻率1次/1月。2007-2014年，土壤體積含水量觀測頻率為1次/5天（降雨后加測一次），以HH2 Moisture Meter(Delta-T Devices Ltd., 英國)進行人工觀測，入冬地面封凍后暫停觀測，數(shù)據(jù)出現(xiàn)周期性中斷；2015-2017年，土壤體積含水量觀測頻率為1次/1小時，以Campbell-CR1000進行連續(xù)不間斷自動監(jiān)測。

數(shù)據(jù)處理方法：將質(zhì)控后的每個樣地各層次觀測數(shù)據(jù)取平均值后即獲得月平均數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)單位%，保留1位小數(shù)，同時標明重復數(shù)及標準差。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)

本數(shù)據(jù)集包括了樣地代碼、年、月、植被類型、探測深度、含水量、重復數(shù)、標準差等指標，詳見表2。

表2 土壤含水量指標

2.2 數(shù)據(jù)缺失情況

因2007-2014年進行人工觀測，當年10-11月入冬地面封凍后暫停觀測，次年5月恢復觀測，因此期間數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)出現(xiàn)周期性中斷。

“GGFZH01”5個觀測點中第二個觀測點在2015-01-13至2016-11-13期間20 cm傳感器出現(xiàn)故障致使數(shù)據(jù)持續(xù)報錯，故以同期10 cm、30 cm之均值作為近似值予以補充，并用以計算該層觀測數(shù)據(jù)平均值?！癎GFZQ01”3個觀測點中第二個觀測點在2015-12-15至2015-12-20期間10 cm傳感器偶現(xiàn)時間不等故障，故障期間數(shù)據(jù)報錯，以前后相鄰數(shù)據(jù)插值作為近似值予以補充，并用以計算該層觀測數(shù)據(jù)平均值?！癎GFFZ01”3個觀測點中第二個觀測點在2015-08-10至2016-11-13期間60 cm傳感器出現(xiàn)故障后數(shù)據(jù)持續(xù)報錯，以同期40 cm、100 cm之均值作為近似值予以補充，第三個觀測點在2015-01-13至2016-11-13期間20 cm傳感器出現(xiàn)故障后數(shù)據(jù)持續(xù)報錯，以同期10 cm、30 cm之均值作為近似值予以補充，并用以計算該層觀測數(shù)據(jù)平均值。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 質(zhì)量管理體系

為確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，貢嘎山站土壤含水量監(jiān)測參考《陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制》[5]相關(guān)規(guī)定進行。貢嘎山站依照 CERN的統(tǒng)一規(guī)劃和指導意見，開展生態(tài)指標長期觀測工作，其中數(shù)據(jù)管理和質(zhì)量控制則由專業(yè)水分分中心和綜合中心負責。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量進而實現(xiàn)高效共享，CERN制定了科學嚴謹?shù)馁|(zhì)量管理體系，采取前端控制和后端質(zhì)控的管理方式，通過細致計劃、嚴格執(zhí)行和科學評估，對數(shù)據(jù)進行審核、檢驗和評估[6-8]。詳細的質(zhì)量管理體系見圖1。

圖1 CERN三級質(zhì)量管理組織的質(zhì)量管理流程與職責[5]

3.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程質(zhì)量保證和質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程包括了對源數(shù)據(jù)的檢查整理、單個數(shù)據(jù)點的檢查、數(shù)據(jù)格式（制式）轉(zhuǎn)換和入庫，以及元數(shù)據(jù)的編制、檢查和入庫。為保證觀測數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)可靠，CERN制定了嚴格的管理制度。科學選取采樣地點，固定觀測頻率，不斷改進觀測實驗設(shè)施，安排專職人員對監(jiān)測設(shè)施進行定期與不定期檢查和維護，數(shù)據(jù)整理、檢查上交后由專業(yè)水分分中心進行校核[9]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制內(nèi)容包括：首先是土壤水分涉及的觀測樣地選擇、管理維護、采樣和原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法根據(jù)《陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境觀測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制》[5]的相關(guān)規(guī)定進行。第二，測量設(shè)備須進行標定后使用，人工觀測數(shù)據(jù)需對采集和分析過程進行專業(yè)培訓和定期檢查，并整理上交原始記錄資料以便查驗。第三，所有觀測數(shù)據(jù)整理好后仍需按照方法《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》（GBT4883-2008）[10]進行異常值檢驗。對于存在的異常值，結(jié)合原始記錄檢查并判斷是否應予剔除[9]。第四，控制數(shù)據(jù)質(zhì)量客觀上要求科研與監(jiān)測相結(jié)合，土壤水分數(shù)據(jù)監(jiān)測的3個過程（數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)使用）、3個角色（數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、數(shù)據(jù)管理者、數(shù)據(jù)使用者）相融合。如果數(shù)據(jù)監(jiān)測的3個過程、3個角色相對分散，監(jiān)測工作僅僅停留在數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理層面，容易導致數(shù)據(jù)錯誤不易及時發(fā)現(xiàn)和糾正。為了確保土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在做好數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)管理的同時，還通過推進監(jiān)測數(shù)據(jù)的實際使用盡早驗證監(jiān)測方法與手段的有效性、可靠性并及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)本身可能存在的問題，重新處理數(shù)據(jù)甚至是改進監(jiān)測手段方法并研發(fā)或購置新的觀測設(shè)備設(shè)施。

4 數(shù)據(jù)價值

貢嘎山擁有山地生態(tài)系統(tǒng)完整的植被垂直帯譜結(jié)構(gòu)在橫斷山地區(qū)最具有典型代表性，對長江上游及青藏高原東南緣具有重要生態(tài)屏障功能，是研究山地生態(tài)系統(tǒng)的理想場所。本數(shù)據(jù)集提供了2007-2017年亞高山峨眉冷杉林土壤含水量的長時間序列觀測數(shù)據(jù)，可以作為青藏高原東南緣（橫斷山區(qū)）貢嘎山亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)關(guān)鍵過程及水碳關(guān)系研究的重要參考資料。在氣候變化的背景下，山地生態(tài)水循環(huán)、山地流域水文過程產(chǎn)生較大反饋影響[11]，山區(qū)氣候-植被-土壤-水等要素間的相互關(guān)系將發(fā)生改變[12]。因此，本數(shù)據(jù)集可為氣候變化下山地的水源涵養(yǎng)功能和山地生態(tài)系統(tǒng)功能服務(wù)的研究提供理論數(shù)據(jù)。需要指出的是，本數(shù)據(jù)集原始數(shù)據(jù)系通過TDR法獲取，而TDR在冬季嚴寒條件下測定封凍土壤時可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差。土壤溫度對土壤含水量的影響，還有待進一步深入研究。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集可通過Science Data Bank在線服務(wù)網(wǎng)址（http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j0 0001.00218）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)。如果想獲取日尺度數(shù)據(jù)等也可通過貢嘎山國家野外科學觀測研究站網(wǎng)絡(luò)（http://ggf.cern.ac.cn/meta/metaData）獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，登錄首頁點擊“資源服務(wù)”下的數(shù)據(jù)服務(wù)，進入相應的頁面下載。研究人員如需進一步了解其他相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)可通過貢嘎山站網(wǎng)絡(luò)平臺下“數(shù)據(jù)服務(wù)”申請獲取，或與本文作者聯(lián)系。

致 謝

感謝CERN綜合中心和水分分中心老師對本數(shù)據(jù)集觀測和質(zhì)量控制方面的指導，感謝參與貢嘎山站水分監(jiān)測和樣地管理工作的劉發(fā)明和蘭曉全。