2020 年南嶺山地典型森林生態系統土壤養分數據集

顏萍，周平*，蘇雅麗，李澤華，徐衛，譚兆偉，黃明敏，徐宏范，黃俊祥，陳呂佳

1.廣東省科學院廣州地理研究所，廣東南嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站，廣州 510070

2.廣東省林業調查規劃院，廣州 510520

引 言

土壤作為森林生態系統的重要組成部分，為植物生長發育提供必備的營養元素，同時也提供植物生長所需的水分，是森林生態系統中物理、化學、生物等生態過程等重要載體[1-2]，對植物的生長發育、植物群落的演替和陸地生態系統的服務功能有著重要的調控作用[3-4]。土壤養分是土壤提供的植物生長所必需的營養元素[5-6]。土壤養分作為土壤基本屬性是判斷土壤質量的關鍵指標，對森林生態系統穩定性維持、樹種選擇及更新、可持續經營具有重要意義[7-8]。在21 世紀土壤科學發展的導向下，土壤資源的研究重點將會突破資源利用的局限，以土壤質量為核心，研究土壤質量的保護、修復和利用等方面[9]。目前，針對土壤養分研究已開展了大量相關調查[10-12]，中國科學院海倫農業生態實驗站對黑土農田生態系統的表層土壤養分進行了長期定位監測[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 個典型森林生態系統開展規范地野外調查和土壤樣品采集測試工作[14]，但關于南嶺山地土壤養分的研究尚未報道。因此，開展本數據集研究將為南嶺山地森林生態系統土壤養分狀況評估、土壤環境質量評估、土壤資源評價以及環境土壤學研究工作提供重要的基礎數據。

廣東南嶺國家級自然保護區地處南嶺山脈中段南麓，是珠江發源地之一，是廣東省生物資源最為豐富的自然保護區[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屏障帶[16]，其土壤養分循環是南嶺山地森林生態系統環境變化和物質循環的關鍵過程之一，受到南嶺山地森林生態系統水文過程、植被覆蓋和人類活動的長期影響，是研究土壤發育和植被演替的重要場所。土壤養分循環是研究區域森林生態系統大氣-土壤-植物生物化學循環過程的重要環節，長期定位監測土壤養分能夠獲取反映森林生態系統狀況及其動態變化的基礎數據，為認知南嶺山地森林生態結構、過程與功能提供重要手段，為“綠美廣東”森林生態環境修復治理提供科學決策。

基于此，本數據集在廣東南嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站范圍內根據海拔和植被類型的不同，分別設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 個監測樣地，參照土壤野外調查規范，開展土壤采樣、樣品測定與分析、數據質量評估等相關工作，最終形成一套南嶺山地典型森林生態系統土壤養分數據集。本數據集旨在進一步加強典型森林生態系統土壤養分要素的定量研究，以期為南嶺重要自然保護地的保護和生態系統可持續發展提供科學、系統的數據支撐。

1 數據采集和處理方式

廣東南嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站（簡稱“南嶺國家站”）于2021 年10 月11 日成為科技部正式批準建設的69 個國家野外科學觀測研究站之一，是目前南嶺山地范圍內唯一獲科技部批準建設的國家級野外平臺，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系統類型的研究站，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系統研究網絡（CERN）和國家生態系統觀測研究網絡（CNERN）的統一部署下，按照森林生態系統土壤環境觀測規范要求，設置觀測樣地、觀測層次及觀測頻度。本數據集的構建流程主要包括：野外采樣、樣品測定與分析、數據質量評估、數據分析與集成。具體構建流程如圖1 所示。

圖1 數據集構建流程圖Figure 1 Flow chart of the dataset construction

1.1 數據來源

本數據集來自南嶺國家級自然保護區的8 個典型森林生態系統。廣東南嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站保護區內具有較為完整的森林植被垂直帶譜結構，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]，對應的土壤垂直帶譜結構為山地紅壤、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構Figure 2 Spectral structure of vertical zone of forest soil in Nanling Mountains

本研究于2020 年在樣地內進行土壤野外調查，在研究區范圍內根據海拔和植被類型的不同，分別設置不同海拔梯度的植被類型。溝谷常綠闊葉林的優勢種主要有：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勢種主要有：五節芒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），在樣地內隨機設置6 個5 m× 6 m 的樣方（圖3），每個樣方內按照隨機布點法采集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區森林生態系統基本概況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

根據樣地形狀、土壤變化的實際情況，去除表層的凋落物、腐殖質與礫石等，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行過土篩風干處理和測試分析，具體測試指標、測定方法、標準和規范如表2 所示[19-22]。

表2 土壤養分指標測試方法和標準/規范Table 2 Test methods and standards/specifications for soil nutrients indexes

1.3 數據規范化

廣東南嶺森林生態系統國家野外科學觀測研究站代碼為NLF。根據 CERN 土壤監測規范，統一為3 位，前2 位為臺站中文簡稱的漢語拼音縮寫，第3 位代表監測的主要生態系統類型，F 表示森林生態系統。本數據集屬于CERN 聯網統一觀測數據，CERN 規定了各項土壤監測指標的觀測頻度[23]。土壤養分（有機質、全氮、全磷、全鉀）和土壤速效養分（硝態氮、銨態氮、有效磷、速效鉀）每季取樣一次（項目執行期內按季節采集一次）。

2 數據樣本描述

本數據集共有1 個Excel 文件，包含2 類數據表，分別存放表層土壤養分和土壤速效養分原始數據和產品數據信息。土壤養分和速效養分原始數據文件包括生態站代碼、年、月、日、樣地代碼、樣地名稱、采樣分區編號、采樣分區描述（微地形）、土壤類型、母質、作物/植被、采樣深度、土壤養分和土壤速效養分等數據項，表3 為土壤養分和速效養分原始數據表格式樣例。土壤養分和速效養分數據產品集所涉及的具體數據類型、計量單位、說明及實例見表4。后期工作對土壤數據進行入庫，入庫表格主要內容包括監測位置、監測經度、監測緯度、監測時間、土壤養分和速效養分的字段名、字段名稱和字段類型（表5）。

表3 土壤養分和速效養分原始數據表格式Table 3 Original data table format for soil nutrients and available nutrients

表4 土壤養分和速效養分數據產品集格式Table 4 Product dataset format of soil nutrients and available nutrients

表5 土壤養分和速效養分入庫數據表Table 5 Storage data of soil nutrients and available nutrients

3 數據質量控制和評估

臺站管理人員和野外監測技術人員依據CERN 監測規范質量管理手冊，嚴格管理監測樣地設置的選擇、野外數據監測和采樣、監測數據整理和分析等數據質量操作規范，保證數據的完整性、一致性、準確度和精密度。

3.1 數據質量控制體系

土壤環境要素長期監測是中國生態系統研究網絡（China Ecosystem Research Network， CERN）的一項重要任務。為保證監測數據質量的穩定可靠，嚴格按照CERN 統一制定的土壤觀測規范[24]和土壤觀測質量控制規范[25]來開展工作。確定野外采集樣品的時間，指定專業技術人員對研究樣地設施進行長期監測維護，并設置固定專門的采樣和分析樣品的技術人員。本數據集主要有四級控制：

第一級：數據采集人獲取數據；

第二級：專業技術負責人審核數據采集人提交的數據；

第三級：CERN 土壤分中心校驗數據后，報告專家進行最終審核；

第四級：質量總控制人審核。

3.2 數據質量控制方法

3.2.1 原始數據質量控制方法

對同一樣地相同深度的采樣重復數據進行Dixon 和Grubbs 校驗；根據相同土壤類型和采樣深度的歷史數據與相應的專業知識規則進行閩值、均值和變異情況校驗。

3.2.2 數據產品處理方法

剔除明顯異常的數據后，對每個樣地全部采樣分區的觀測值取平均值作為本數據產品結果數據。

3.3 數據質量控制評估

CERN 統一執行的土壤監測規范和土壤監測質量控制規范，保證了數據的完整性、一致性、準確度和精密度[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 年表層土壤養分和速效養分的季節變化?？梢钥闯?，各個樣地土壤養分和速效養分在不同季節的差異不大。

4 數據價值

土壤養分是土壤肥力的重要部分，土壤養分作為衡量土壤質量的重要指標，有機質、氮、磷和鉀等含量大小不僅代表土壤肥力狀況，也是植物生長發育的重要營養物質成分。本數據集體現了南嶺山地森林生態系統本數據集的數據采集與整理、質量控制過程嚴格，數據來源真實可靠?；谝巴馔寥蓝ㄎ挥^測數據，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分數據，本研究在國家生態科學數據存儲庫（EcoDB）平臺公開發表了2020 年南嶺山地典型森林生態系統的土壤養分數據，建立了便捷查詢下載的數據集，相關經緯度信息數據由于涉及軍事管控區，未在本數據集中展示，如用戶需要更多詳細數據，可聯系通信作者（pzhou@gdas.ac.cn）。本數據集不僅為研究南嶺山地土壤養分含量特征和變化規律的科研人員提供基礎參考數據，還為研究不同典型區域的森林生態系統結構與土壤功能的變化提供重要資料。

致 謝

感謝本文數據收集、整理、分析者做出的指導和支持，感謝野外監測人員在土壤監測和樣地管理工作中的貢獻。

數據作者分工職責

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、生態環境治理和土壤水文。主要承擔工作：數據分析和論文撰寫。

周平（1977—），女，湖北省荊州人，博士，研究員，研究方向為森林生態和森林水文。主要承擔工作：總體方案設計、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地管理與發展。主要承擔工作：數據預處理和數據質量控制。

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律模擬及水文預報、森林水文。主要承擔工作：數據整理和數據分析。

徐衛（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系統生物多樣性與森林群落構建。主要承擔工作：數據整理和質量控制。

譚兆偉（1997—），男，廣東省廣州人，技術員。主要承擔工作：野外采樣和數據整理。

黃明敏（1982—），男，湖北省荊州人，技術員。主要承擔工作：野外采樣和數據整理。

徐宏范（1997—），男，河南省南陽人，技術員。主要承擔工作：野外采樣和數據整理。

黃俊祥（1998—），男，廣東省汕頭人，技術員。主要承擔工作：資料整理和數據論文修改。

陳呂佳（1997—），男，湖北省荊州人，技術員。主要承擔工作：資料整理和質量控制。