2020 年南嶺山地典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集

顏萍，周平*，蘇雅麗，李澤華，徐衛(wèi)，譚兆偉，黃明敏，徐宏范，黃俊祥，陳呂佳

1.廣東省科學(xué)院廣州地理研究所，廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，廣州 510070

2.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣州 510520

引 言

土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，為植物生長發(fā)育提供必備的營養(yǎng)元素，同時也提供植物生長所需的水分，是森林生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)、生物等生態(tài)過程等重要載體[1-2]，對植物的生長發(fā)育、植物群落的演替和陸地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能有著重要的調(diào)控作用[3-4]。土壤養(yǎng)分是土壤提供的植物生長所必需的營養(yǎng)元素[5-6]。土壤養(yǎng)分作為土壤基本屬性是判斷土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，對森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性維持、樹種選擇及更新、可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義[7-8]。在21 世紀(jì)土壤科學(xué)發(fā)展的導(dǎo)向下，土壤資源的研究重點將會突破資源利用的局限，以土壤質(zhì)量為核心，研究土壤質(zhì)量的保護(hù)、修復(fù)和利用等方面[9]。目前，針對土壤養(yǎng)分研究已開展了大量相關(guān)調(diào)查[10-12]，中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站對黑土農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的表層土壤養(yǎng)分進(jìn)行了長期定位監(jiān)測[13]，徐麗等（2018）對中國南北樣帶中的熱帶雨林、亞熱帶闊葉林、溫帶闊葉林和寒溫帶針葉林等9 個典型森林生態(tài)系統(tǒng)開展規(guī)范地野外調(diào)查和土壤樣品采集測試工作[14]，但關(guān)于南嶺山地土壤養(yǎng)分的研究尚未報道。因此，開展本數(shù)據(jù)集研究將為南嶺山地森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分狀況評估、土壤環(huán)境質(zhì)量評估、土壤資源評價以及環(huán)境土壤學(xué)研究工作提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

廣東南嶺國家級自然保護(hù)區(qū)地處南嶺山脈中段南麓，是珠江發(fā)源地之一，是廣東省生物資源最為豐富的自然保護(hù)區(qū)[15]。南嶺山地有地球同緯度帶上保存最完整的亞熱帶常綠闊葉林，是中國南方重要的生態(tài)屏障帶[16]，其土壤養(yǎng)分循環(huán)是南嶺山地森林生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境變化和物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵過程之一，受到南嶺山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程、植被覆蓋和人類活動的長期影響，是研究土壤發(fā)育和植被演替的重要場所。土壤養(yǎng)分循環(huán)是研究區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)大氣-土壤-植物生物化學(xué)循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，長期定位監(jiān)測土壤養(yǎng)分能夠獲取反映森林生態(tài)系統(tǒng)狀況及其動態(tài)變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為認(rèn)知南嶺山地森林生態(tài)結(jié)構(gòu)、過程與功能提供重要手段，為“綠美廣東”森林生態(tài)環(huán)境修復(fù)治理提供科學(xué)決策。

基于此，本數(shù)據(jù)集在廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站范圍內(nèi)根據(jù)海拔和植被類型的不同，分別設(shè)置不同海拔梯度的溝谷常綠闊葉林、山地常綠闊葉林、針闊混交林，山頂草地以及山頂常綠闊葉矮林共計8 個監(jiān)測樣地，參照土壤野外調(diào)查規(guī)范，開展土壤采樣、樣品測定與分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估等相關(guān)工作，最終形成一套南嶺山地典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)集旨在進(jìn)一步加強(qiáng)典型森林生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分要素的定量研究，以期為南嶺重要自然保護(hù)地的保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方式

廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站（簡稱“南嶺國家站”）于2021 年10 月11 日成為科技部正式批準(zhǔn)建設(shè)的69 個國家野外科學(xué)觀測研究站之一，是目前南嶺山地范圍內(nèi)唯一獲科技部批準(zhǔn)建設(shè)的國家級野外平臺，是廣東省同期獲批的3 個國家級野外平臺中唯一的森林生態(tài)系統(tǒng)類型的研究站，也是目前唯一由廣東省培育并獲批國家級野外平臺的研究站。南嶺國家站在中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（CERN）和國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)（CNERN）的統(tǒng)一部署下，按照森林生態(tài)系統(tǒng)土壤環(huán)境觀測規(guī)范要求，設(shè)置觀測樣地、觀測層次及觀測頻度。本數(shù)據(jù)集的構(gòu)建流程主要包括：野外采樣、樣品測定與分析、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、數(shù)據(jù)分析與集成。具體構(gòu)建流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)集構(gòu)建流程圖Figure 1 Flow chart of the dataset construction

1.1 數(shù)據(jù)來源

本數(shù)據(jù)集來自南嶺國家級自然保護(hù)區(qū)的8 個典型森林生態(tài)系統(tǒng)。廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站保護(hù)區(qū)內(nèi)具有較為完整的森林植被垂直帶譜結(jié)構(gòu)，隨海拔的增加，植被類型依次為溝谷常綠闊葉林（< 800 m）、山地常綠闊葉林（800–1200 m）、常綠針闊混交林（1200–1500 m）、山頂草地（>1500 m）、山頂常綠闊葉矮林（>1500 m）[17]，對應(yīng)的土壤垂直帶譜結(jié)構(gòu)為山地紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤、山地表潛黃壤和山地灌叢草甸土（圖2）。

圖2 南嶺山地森林土壤垂直帶譜結(jié)構(gòu)Figure 2 Spectral structure of vertical zone of forest soil in Nanling Mountains

本研究于2020 年在樣地內(nèi)進(jìn)行土壤野外調(diào)查，在研究區(qū)范圍內(nèi)根據(jù)海拔和植被類型的不同，分別設(shè)置不同海拔梯度的植被類型。溝谷常綠闊葉林的優(yōu)勢種主要有：廣東潤楠Machilus kwangtungensis、石櫟Lithocarpus glaber、鹿角錐Castanopsis lamontii、赤楠Syzygium buxifolium、青岡Quercus glauca、羅浮錐Castanopsis faberi。山地常綠闊葉林的優(yōu)勢種主要有：甜櫧Castanopsis eyrei、水青岡Fagus longipetiolata、錐Castanopsis chinensis、鹿角錐Castanopsis lamontii、青岡Quercus glauca、千年桐Vernicia montana、羅浮錐Castanopsis faberi、甜櫧Castanopsis eyrei。針闊混交林的優(yōu)勢種主要有：廣東松Pinus kwangtungensis、木荷Schima superba、馬尾松Pinus massoniana、甜櫧Castanopsis eyrei、青岡Quercus glauca、長苞鐵杉Nothotsuga longibracteata。山頂草地以及山頂常綠闊葉矮林的優(yōu)勢種主要有：五節(jié)芒Miscanthus floridulus、野茉莉Styrax japonicus、少花桂Cinnamomum pauciflorum、青岡Quercus glauca，共計8 個樣地（表1）。每個樣地水平投影面積為400 m2（20 m × 20 m），在樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置6 個5 m× 6 m 的樣方（圖3），每個樣方內(nèi)按照隨機(jī)布點法采集0–20 cm 土壤樣品，用土鉆采集10 個土壤樣并混合成一個樣品[18]。

表1 廣東南嶺國家級自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)基本概況Table 1 Overview of forest ecosystem in Nanling National Nature Reserve of Guangdong Province

圖3 土壤固定監(jiān)測樣地樣方圖Figure 3 Quadrat chart of soil fixed monitoring plots

1.2 土壤采樣與樣品測試

根據(jù)樣地形狀、土壤變化的實際情況，去除表層的凋落物、腐殖質(zhì)與礫石等，挖掘至20 cm 深度的采樣坑后，每個混樣點采集約1 kg 土壤樣品，采集的土壤樣品帶回實驗室后進(jìn)行過土篩風(fēng)干處理和測試分析，具體測試指標(biāo)、測定方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范如表2 所示[19-22]。

表2 土壤養(yǎng)分指標(biāo)測試方法和標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范Table 2 Test methods and standards/specifications for soil nutrients indexes

1.3 數(shù)據(jù)規(guī)范化

廣東南嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站代碼為NLF。根據(jù) CERN 土壤監(jiān)測規(guī)范，統(tǒng)一為3 位，前2 位為臺站中文簡稱的漢語拼音縮寫，第3 位代表監(jiān)測的主要生態(tài)系統(tǒng)類型，F(xiàn) 表示森林生態(tài)系統(tǒng)。本數(shù)據(jù)集屬于CERN 聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一觀測數(shù)據(jù)，CERN 規(guī)定了各項土壤監(jiān)測指標(biāo)的觀測頻度[23]。土壤養(yǎng)分（有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀）和土壤速效養(yǎng)分（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、有效磷、速效鉀）每季取樣一次（項目執(zhí)行期內(nèi)按季節(jié)采集一次）。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集共有1 個Excel 文件，包含2 類數(shù)據(jù)表，分別存放表層土壤養(yǎng)分和土壤速效養(yǎng)分原始數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息。土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分原始數(shù)據(jù)文件包括生態(tài)站代碼、年、月、日、樣地代碼、樣地名稱、采樣分區(qū)編號、采樣分區(qū)描述（微地形）、土壤類型、母質(zhì)、作物/植被、采樣深度、土壤養(yǎng)分和土壤速效養(yǎng)分等數(shù)據(jù)項，表3 為土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分原始數(shù)據(jù)表格式樣例。土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品集所涉及的具體數(shù)據(jù)類型、計量單位、說明及實例見表4。后期工作對土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，入庫表格主要內(nèi)容包括監(jiān)測位置、監(jiān)測經(jīng)度、監(jiān)測緯度、監(jiān)測時間、土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的字段名、字段名稱和字段類型（表5）。

表3 土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分原始數(shù)據(jù)表格式Table 3 Original data table format for soil nutrients and available nutrients

表4 土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品集格式Table 4 Product dataset format of soil nutrients and available nutrients

表5 土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分入庫數(shù)據(jù)表Table 5 Storage data of soil nutrients and available nutrients

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

臺站管理人員和野外監(jiān)測技術(shù)人員依據(jù)CERN 監(jiān)測規(guī)范質(zhì)量管理手冊，嚴(yán)格管理監(jiān)測樣地設(shè)置的選擇、野外數(shù)據(jù)監(jiān)測和采樣、監(jiān)測數(shù)據(jù)整理和分析等數(shù)據(jù)質(zhì)量操作規(guī)范，保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性、準(zhǔn)確度和精密度。

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系

土壤環(huán)境要素長期監(jiān)測是中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)（China Ecosystem Research Network， CERN）的一項重要任務(wù)。為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的穩(wěn)定可靠，嚴(yán)格按照CERN 統(tǒng)一制定的土壤觀測規(guī)范[24]和土壤觀測質(zhì)量控制規(guī)范[25]來開展工作。確定野外采集樣品的時間，指定專業(yè)技術(shù)人員對研究樣地設(shè)施進(jìn)行長期監(jiān)測維護(hù)，并設(shè)置固定專門的采樣和分析樣品的技術(shù)人員。本數(shù)據(jù)集主要有四級控制：

第一級：數(shù)據(jù)采集人獲取數(shù)據(jù)；

第二級：專業(yè)技術(shù)負(fù)責(zé)人審核數(shù)據(jù)采集人提交的數(shù)據(jù)；

第三級：CERN 土壤分中心校驗數(shù)據(jù)后，報告專家進(jìn)行最終審核；

第四級：質(zhì)量總控制人審核。

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

3.2.1 原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法

對同一樣地相同深度的采樣重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行Dixon 和Grubbs 校驗；根據(jù)相同土壤類型和采樣深度的歷史數(shù)據(jù)與相應(yīng)的專業(yè)知識規(guī)則進(jìn)行閩值、均值和變異情況校驗。

3.2.2 數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理方法

剔除明顯異常的數(shù)據(jù)后，對每個樣地全部采樣分區(qū)的觀測值取平均值作為本數(shù)據(jù)產(chǎn)品結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制評估

CERN 統(tǒng)一執(zhí)行的土壤監(jiān)測規(guī)范和土壤監(jiān)測質(zhì)量控制規(guī)范，保證了數(shù)據(jù)的完整性、一致性、準(zhǔn)確度和精密度[25]。表6 和表7 顯示了2020 年5 月、8 月、11 月八寶山（NLFZQ01）、小黃山（NLFZQ02）、下洞（NLFZQ03）、第一峰針闊林（NLFZQ04）、第一峰草地（NLFZQ05）、第一峰矮林（NLFZQ06）、爐田（NLFZQ07）和大東山（NLFZQ08）8 個樣地2020 年表層土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的季節(jié)變化?？梢钥闯?，各個樣地土壤養(yǎng)分和速效養(yǎng)分在不同季節(jié)的差異不大。

4 數(shù)據(jù)價值

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要部分，土壤養(yǎng)分作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)、氮、磷和鉀等含量大小不僅代表土壤肥力狀況，也是植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)物質(zhì)成分。本數(shù)據(jù)集體現(xiàn)了南嶺山地森林生態(tài)系統(tǒng)本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)采集與整理、質(zhì)量控制過程嚴(yán)格，數(shù)據(jù)來源真實可靠?；谝巴馔寥蓝ㄎ挥^測數(shù)據(jù)，覆蓋了南嶺山地不同海拔梯度、不同植被類型、不同土壤類型的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，本研究在國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)存儲庫（EcoDB）平臺公開發(fā)表了2020 年南嶺山地典型森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，建立了便捷查詢下載的數(shù)據(jù)集，相關(guān)經(jīng)緯度信息數(shù)據(jù)由于涉及軍事管控區(qū)，未在本數(shù)據(jù)集中展示，如用戶需要更多詳細(xì)數(shù)據(jù)，可聯(lián)系通信作者（pzhou@gdas.ac.cn）。本數(shù)據(jù)集不僅為研究南嶺山地土壤養(yǎng)分含量特征和變化規(guī)律的科研人員提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，還為研究不同典型區(qū)域的森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與土壤功能的變化提供重要資料。

致 謝

感謝本文數(shù)據(jù)收集、整理、分析者做出的指導(dǎo)和支持，感謝野外監(jiān)測人員在土壤監(jiān)測和樣地管理工作中的貢獻(xiàn)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

顏萍（1989—），女，四川省樂山人，博士，助理研究員，研究方向為土壤理化性質(zhì)、生態(tài)環(huán)境治理和土壤水文。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)分析和論文撰寫。

周平（1977—），女，湖北省荊州人，博士，研究員，研究方向為森林生態(tài)和森林水文。主要承擔(dān)工作：總體方案設(shè)計、項目組織與管理。

蘇雅麗（1990—），女，湖北省鄂州人，碩士，工程師。研究方向為自然保護(hù)地管理與發(fā)展。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

李澤華（1985—），男，廣東省佛山人，博士，高級工程師，研究方向為水文物理規(guī)律模擬及水文預(yù)報、森林水文。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)分析。

徐衛(wèi)（1993—），女，山東省臨沂人，博士，助理研究員，研究方向為陸地森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性與森林群落構(gòu)建。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)整理和質(zhì)量控制。

譚兆偉（1997—），男，廣東省廣州人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：野外采樣和數(shù)據(jù)整理。

黃明敏（1982—），男，湖北省荊州人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：野外采樣和數(shù)據(jù)整理。

徐宏范（1997—），男，河南省南陽人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：野外采樣和數(shù)據(jù)整理。

黃俊祥（1998—），男，廣東省汕頭人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：資料整理和數(shù)據(jù)論文修改。

陳呂佳（1997—），男，湖北省荊州人，技術(shù)員。主要承擔(dān)工作：資料整理和質(zhì)量控制。