2004-2015年海伦站不同管理方式下黑土农田土壤含水量长期监测数据集

张志明，李猛，王守宇，郝翔翔，赵勤，韩晓增，李禄军

1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081

2.中国科学院海伦农业生态实验站，黑龙江海伦 152300

引 言

东北黑土区是我国最大的商品粮生产基地，属于雨养农业，土壤水分的唯一来源是大气降水[1]。土壤水是植物可利用水分的主要来源。而本地区年内降水分布极为不均匀，季节性干旱时有发生[2]，因此水分也成为该地区农业生产的主要限制因子[3]。在农田生态系统中土壤水是土壤-植物-大气连续体的一个关键因子，是系统内物质运移的载体[4]。所以对土壤水分含量变化的长期监测有助于深入认知黑土农田生态系统的关键过程，对调节土壤肥力、提高作物产量具有重要意义[5]。

中国科学院海伦农业生态实验站（简称海伦站），隶属于中国科学院东北地理与农业生态研究所，现为中国生态系统研究网络（CERN）野外台站，国家野外科学观测研究网络（CNERN）试验站。海伦站位于东北黑土区中部，是中国科学院在我国东北黑土区设置的长期农业、资源环境、生态和作物学多学科的综合研究基地，也是我国唯一从事黑土农业生态系统长期定位监测、研究与示范的国家级野外台站。海伦站按照CERN的要求，对黑土农田生态系统的水分、土壤、气候和生物要素进行长期连续观测，积累了大量的原始观测数据。为研究本地区典型种植制度和施肥制度对土壤水分含量的影响，海伦站于1993年建立土壤水分水肥耦合效应长期定位试验辅助观测场（样地代码：HLAFZ03CTS_01），对黑土农田剖面水分含量进行长期连续观测、数据汇交等工作。

本数据集整理了海伦站2004-2015年大豆-玉米轮作条件4种施肥措施影响下的土壤剖面含水量长期观测数据，以期为深入研究本地区农业管理方式和农业可持续发展提供基础数据支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集样地描述

海伦站所在城市为海伦市，是传统的农业区，位于东北黑土区中部，气候和土壤类型均具有典型的代表性。土壤含水量数据采集时间为每年4-10月，覆盖本地区作物生育期（5-10月）。海伦站土壤水分水肥耦合效应长期定位试验辅助观测场，管理方式为作物种植制度与施肥制度相结合。相关信息介绍在表1中。

表1 海伦站土壤含水量观测样地介绍

玉米 不施肥 N：180.00 kg/ha P2O5：103.50 kg/ha N：180 kg/ha P2O5：103.50 kg/ha N：180 kg/ha P2O5：103.50 kg/ha有机肥：15000.00 kg/ha

1.2 数据获取与处理

海伦站采用北京超能科技公司生产的CNC503（DR）中子水分仪观测土壤剖面含水量。该系统主要包括探头和读数器两大部分，探头中有一个密封的中子源，从中子源发出快中子流与土壤介质中的原子核碰撞减速而变成慢中子，快中子与原子序数大的物质相撞损失的能量小，与原子序数小的物质碰撞损失的能量大。土壤中各种元素对快中子减速作用不足土壤水减速作用的1%[6]，从而使由快中子减速变成慢中子的数目与土壤中水分（实为氢核）数目成比例，慢中子再经计数管采样。来自计数管的电脉冲经过放大整形，在读数器上显示计数R，所得计数再除以标准计数R0得到计数率比Rv，然后通过标定曲线得到土壤容积含水率，其函数关系式：Qv=f (Rv)，Qv为容积含水量。中子仪法具有不破坏土壤结构，观测方便、准确等优点。中子管是半永久性埋置，可以同一位置连续多年观测，得到测量地点的长期土壤水分变化数据。所以在2014年之前CERN大部分台站都采用中子仪法观测土壤含水量。

海伦站水分观测样地每个试验小区中心位置设置一根中子管用于人工测定土壤剖面含水量。每个小区4次重复，其中有2个重复小区内设有中子管。每5天观测一次（4-10月）。在实际观测中，由于仪器故障和降水等原因，观测时间会适当调整。海伦站水分观测由经过培训的专职技术人员进行观测。每次观测前，首先检查中子仪充电情况。观测过程中要严格按照操作规程进行观测，尤其重要的是确保观测层次的准确。观测后及时下载元数据，提交给台站数据管理员。数据管理员及时整理元数据并进行初步的质量检查（极值和缺失数据说明）。每月定期使用铝盒烘干法与中子仪观测数据进行比较，如数据差异较大，技术人员将重新标定中子仪重新观测。

本数据集为土壤含水量月平均值。本数据集的基础数据为海伦站每年土壤含水量观测入库数据。计算方法为：将相同施肥处理在同一月份的所有观测数据取平均值，标明标准差和测定数。

2 数据样本描述

本数据集包含4个施肥处理土壤剖面含水量观测数据，观测频率为5天一次（4-10月）。数据集具体内容及各字段含义见表2。

表2 土壤含水量数据集字段含义

字段名称 数据类型 说明体积含水量（%） 数字型 所有当月观测值的平均值标准差 数字型 所有当月观测值的标准差测定数 数字型 当月观测的次数备注 字符型 必要的说明文字

3 数据质量控制和评估

3.1 数据质量控制体系

环境要素长期监测是CERN一项重要任务。海伦站作为CERN成员之一，在综合中心和水分分中心的指导下，对相关指标进行长期连续的观测。所生成的数据管理和质量控制由水分分中心和综合中心负责。为了保证数据质量进而实现有效共享，CERN形成了严谨的质量管理体系，通过计划、执行和评估三个步骤，采取前端控制和后端质控的管理模式，对数据进行审核、检验和评估[6]。

3.2 数据产生过程与质量控制

海伦站土壤水分水肥耦合效应长期定位试验辅助观测场的维护按照《陆地生态系统水环境观测质量保证与质量控制》[7]的相关规定进行。根据本地区气候和农业活动规律，海伦站每年土壤水分观测时间为4-10月。在每年观测开始前和过程中，观测员都会对中子仪进行标定，同时也会定期使用铝盒烘干法对测量数据进行校正，确保观测阶段数据的准确性。在获得观测数据后，对原始数据进行整理，检查异常值，并进行标注说明。每年定期向CERN水分分中心上报，由CERN水分分中心负责汇总、质控，达标数据统一录入数据库。在本数据集整理过程中，再次对数据的完整性、准确性进行检查，并对缺失值进行说明。

4 数据价值

土壤水分含量变化是土壤关键过程之一，是研究农田系统中植物-土壤相互作用最基础的指标。对土壤剖面水分变化规律的长期监测可以避免短期观测中偶发事件的影响，更真实地反映出本地区土壤水分变化的规律。我国东北黑土区对我国粮食安全有重要影响，而海伦站又是本地区唯一进行长期连续土壤水分观测的野外台站。同时长期监测样地包括作物轮作和施肥梯度，更增加了可比性，所以本数据集对于研究黑土区水资源变化和农业可持续发展尤为重要。使用本数据集时需注意由于仪器故障和降水等原因导致的部分数据缺失问题。

5 数据使用方法和建议

本数据集可通过Science Data Bank在线服务网址（http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/831）获取数据服务。对原始数据有使用需求的，也可通过黑龙江海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站（http://hla.cern.ac.cn/）进行在线申请。数据申请流程为注册成功并登陆系统后，进入“资源服务”后进入“数据服务”，选择“生态系统要素联网长期监测数据”，找到所需数据后点击元数据（图1），进入界面后点击蓝色的申请按钮，再填写需要申请的数据内容，包括时间范围、样地范围等信息，提交申请，等待数据管理员审核回复。

图1 海伦站资源服务平台中原始数据申请页面