2020 年南岭山地典型森林生态系统土壤养分数据集

颜萍，周平*，苏雅丽，李泽华，徐卫，谭兆伟，黄明敏，徐宏范，黄俊祥，陈吕佳

1.广东省科学院广州地理研究所，广东南岭森林生态系统国家野外科学观测研究站，广州 510070

2.广东省林业调查规划院，广州 510520

引 言

土壤作为森林生态系统的重要组成部分，为植物生长发育提供必备的营养元素，同时也提供植物生长所需的水分，是森林生态系统中物理、化学、生物等生态过程等重要载体[1-2]，对植物的生长发育、植物群落的演替和陆地生态系统的服务功能有着重要的调控作用[3-4]。土壤养分是土壤提供的植物生长所必需的营养元素[5-6]。土壤养分作为土壤基本属性是判断土壤质量的关键指标，对森林生态系统稳定性维持、树种选择及更新、可持续经营具有重要意义[7-8]。在21 世纪土壤科学发展的导向下，土壤资源的研究重点将会突破资源利用的局限，以土壤质量为核心，研究土壤质量的保护、修复和利用等方面[9]。目前，针对土壤养分研究已开展了大量相关调查[10-12]，中国科学院海伦农业生态实验站对黑土农田生态系统的表层土壤养分进行了长期定位监测[13]，徐丽等（2018）对中国南北样带中的热带雨林、亚热带阔叶林、温带阔叶林和寒温带针叶林等9 个典型森林生态系统开展规范地野外调查和土壤样品采集测试工作[14]，但关于南岭山地土壤养分的研究尚未报道。因此，开展本数据集研究将为南岭山地森林生态系统土壤养分状况评估、土壤环境质量评估、土壤资源评价以及环境土壤学研究工作提供重要的基础数据。

广东南岭国家级自然保护区地处南岭山脉中段南麓，是珠江发源地之一，是广东省生物资源最为丰富的自然保护区[15]。南岭山地有地球同纬度带上保存最完整的亚热带常绿阔叶林，是中国南方重要的生态屏障带[16]，其土壤养分循环是南岭山地森林生态系统环境变化和物质循环的关键过程之一，受到南岭山地森林生态系统水文过程、植被覆盖和人类活动的长期影响，是研究土壤发育和植被演替的重要场所。土壤养分循环是研究区域森林生态系统大气-土壤-植物生物化学循环过程的重要环节，长期定位监测土壤养分能够获取反映森林生态系统状况及其动态变化的基础数据，为认知南岭山地森林生态结构、过程与功能提供重要手段，为“绿美广东”森林生态环境修复治理提供科学决策。

基于此，本数据集在广东南岭森林生态系统国家野外科学观测研究站范围内根据海拔和植被类型的不同，分别设置不同海拔梯度的沟谷常绿阔叶林、山地常绿阔叶林、针阔混交林，山顶草地以及山顶常绿阔叶矮林共计8 个监测样地，参照土壤野外调查规范，开展土壤采样、样品测定与分析、数据质量评估等相关工作，最终形成一套南岭山地典型森林生态系统土壤养分数据集。本数据集旨在进一步加强典型森林生态系统土壤养分要素的定量研究，以期为南岭重要自然保护地的保护和生态系统可持续发展提供科学、系统的数据支撑。

1 数据采集和处理方式

广东南岭森林生态系统国家野外科学观测研究站（简称“南岭国家站”）于2021 年10 月11 日成为科技部正式批准建设的69 个国家野外科学观测研究站之一，是目前南岭山地范围内唯一获科技部批准建设的国家级野外平台，是广东省同期获批的3 个国家级野外平台中唯一的森林生态系统类型的研究站，也是目前唯一由广东省培育并获批国家级野外平台的研究站。南岭国家站在中国生态系统研究网络（CERN）和国家生态系统观测研究网络（CNERN）的统一部署下，按照森林生态系统土壤环境观测规范要求，设置观测样地、观测层次及观测频度。本数据集的构建流程主要包括：野外采样、样品测定与分析、数据质量评估、数据分析与集成。具体构建流程如图1 所示。

图1 数据集构建流程图Figure 1 Flow chart of the dataset construction

1.1 数据来源

本数据集来自南岭国家级自然保护区的8 个典型森林生态系统。广东南岭森林生态系统国家野外科学观测研究站保护区内具有较为完整的森林植被垂直带谱结构，随海拔的增加，植被类型依次为沟谷常绿阔叶林（< 800 m）、山地常绿阔叶林（800–1200 m）、常绿针阔混交林（1200–1500 m）、山顶草地（>1500 m）、山顶常绿阔叶矮林（>1500 m）[17]，对应的土壤垂直带谱结构为山地红壤、山地黄红壤、山地黄壤、山地表潜黄壤和山地灌丛草甸土（图2）。

图2 南岭山地森林土壤垂直带谱结构Figure 2 Spectral structure of vertical zone of forest soil in Nanling Mountains

本研究于2020 年在样地内进行土壤野外调查，在研究区范围内根据海拔和植被类型的不同，分别设置不同海拔梯度的植被类型。沟谷常绿阔叶林的优势种主要有：广东润楠Machilus kwangtungensis、石栎Lithocarpus glaber、鹿角锥Castanopsis lamontii、赤楠Syzygium buxifolium、青冈Quercus glauca、罗浮锥Castanopsis faberi。山地常绿阔叶林的优势种主要有：甜槠Castanopsis eyrei、水青冈Fagus longipetiolata、锥Castanopsis chinensis、鹿角锥Castanopsis lamontii、青冈Quercus glauca、千年桐Vernicia montana、罗浮锥Castanopsis faberi、甜槠Castanopsis eyrei。针阔混交林的优势种主要有：广东松Pinus kwangtungensis、木荷Schima superba、马尾松Pinus massoniana、甜槠Castanopsis eyrei、青冈Quercus glauca、长苞铁杉Nothotsuga longibracteata。山顶草地以及山顶常绿阔叶矮林的优势种主要有：五节芒Miscanthus floridulus、野茉莉Styrax japonicus、少花桂Cinnamomum pauciflorum、青冈Quercus glauca，共计8 个样地（表1）。每个样地水平投影面积为400 m2（20 m × 20 m），在样地内随机设置6 个5 m× 6 m 的样方（图3），每个样方内按照随机布点法采集0–20 cm 土壤样品，用土钻采集10 个土壤样并混合成一个样品[18]。

表1 广东南岭国家级自然保护区森林生态系统基本概况Table 1 Overview of forest ecosystem in Nanling National Nature Reserve of Guangdong Province

图3 土壤固定监测样地样方图Figure 3 Quadrat chart of soil fixed monitoring plots

1.2 土壤采样与样品测试

根据样地形状、土壤变化的实际情况，去除表层的凋落物、腐殖质与砾石等，挖掘至20 cm 深度的采样坑后，每个混样点采集约1 kg 土壤样品，采集的土壤样品带回实验室后进行过土筛风干处理和测试分析，具体测试指标、测定方法、标准和规范如表2 所示[19-22]。

表2 土壤养分指标测试方法和标准/规范Table 2 Test methods and standards/specifications for soil nutrients indexes

1.3 数据规范化

广东南岭森林生态系统国家野外科学观测研究站代码为NLF。根据 CERN 土壤监测规范，统一为3 位，前2 位为台站中文简称的汉语拼音缩写，第3 位代表监测的主要生态系统类型，F 表示森林生态系统。本数据集属于CERN 联网统一观测数据，CERN 规定了各项土壤监测指标的观测频度[23]。土壤养分（有机质、全氮、全磷、全钾）和土壤速效养分（硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾）每季取样一次（项目执行期内按季节采集一次）。

2 数据样本描述

本数据集共有1 个Excel 文件，包含2 类数据表，分别存放表层土壤养分和土壤速效养分原始数据和产品数据信息。土壤养分和速效养分原始数据文件包括生态站代码、年、月、日、样地代码、样地名称、采样分区编号、采样分区描述（微地形）、土壤类型、母质、作物/植被、采样深度、土壤养分和土壤速效养分等数据项，表3 为土壤养分和速效养分原始数据表格式样例。土壤养分和速效养分数据产品集所涉及的具体数据类型、计量单位、说明及实例见表4。后期工作对土壤数据进行入库，入库表格主要内容包括监测位置、监测经度、监测纬度、监测时间、土壤养分和速效养分的字段名、字段名称和字段类型（表5）。

表3 土壤养分和速效养分原始数据表格式Table 3 Original data table format for soil nutrients and available nutrients

表4 土壤养分和速效养分数据产品集格式Table 4 Product dataset format of soil nutrients and available nutrients

表5 土壤养分和速效养分入库数据表Table 5 Storage data of soil nutrients and available nutrients

3 数据质量控制和评估

台站管理人员和野外监测技术人员依据CERN 监测规范质量管理手册，严格管理监测样地设置的选择、野外数据监测和采样、监测数据整理和分析等数据质量操作规范，保证数据的完整性、一致性、准确度和精密度。

3.1 数据质量控制体系

土壤环境要素长期监测是中国生态系统研究网络（China Ecosystem Research Network， CERN）的一项重要任务。为保证监测数据质量的稳定可靠，严格按照CERN 统一制定的土壤观测规范[24]和土壤观测质量控制规范[25]来开展工作。确定野外采集样品的时间，指定专业技术人员对研究样地设施进行长期监测维护，并设置固定专门的采样和分析样品的技术人员。本数据集主要有四级控制：

第一级：数据采集人获取数据；

第二级：专业技术负责人审核数据采集人提交的数据；

第三级：CERN 土壤分中心校验数据后，报告专家进行最终审核；

第四级：质量总控制人审核。

3.2 数据质量控制方法

3.2.1 原始数据质量控制方法

对同一样地相同深度的采样重复数据进行Dixon 和Grubbs 校验；根据相同土壤类型和采样深度的历史数据与相应的专业知识规则进行闽值、均值和变异情况校验。

3.2.2 数据产品处理方法

剔除明显异常的数据后，对每个样地全部采样分区的观测值取平均值作为本数据产品结果数据。

3.3 数据质量控制评估

CERN 统一执行的土壤监测规范和土壤监测质量控制规范，保证了数据的完整性、一致性、准确度和精密度[25]。表6 和表7 显示了2020 年5 月、8 月、11 月八宝山（NLFZQ01）、小黄山（NLFZQ02）、下洞（NLFZQ03）、第一峰针阔林（NLFZQ04）、第一峰草地（NLFZQ05）、第一峰矮林（NLFZQ06）、炉田（NLFZQ07）和大东山（NLFZQ08）8 个样地2020 年表层土壤养分和速效养分的季节变化。可以看出，各个样地土壤养分和速效养分在不同季节的差异不大。

4 数据价值

土壤养分是土壤肥力的重要部分，土壤养分作为衡量土壤质量的重要指标，有机质、氮、磷和钾等含量大小不仅代表土壤肥力状况，也是植物生长发育的重要营养物质成分。本数据集体现了南岭山地森林生态系统本数据集的数据采集与整理、质量控制过程严格，数据来源真实可靠。基于野外土壤定位观测数据，覆盖了南岭山地不同海拔梯度、不同植被类型、不同土壤类型的土壤养分数据，本研究在国家生态科学数据存储库（EcoDB）平台公开发表了2020 年南岭山地典型森林生态系统的土壤养分数据，建立了便捷查询下载的数据集，相关经纬度信息数据由于涉及军事管控区，未在本数据集中展示，如用户需要更多详细数据，可联系通信作者（pzhou@gdas.ac.cn）。本数据集不仅为研究南岭山地土壤养分含量特征和变化规律的科研人员提供基础参考数据，还为研究不同典型区域的森林生态系统结构与土壤功能的变化提供重要资料。

致 谢

感谢本文数据收集、整理、分析者做出的指导和支持，感谢野外监测人员在土壤监测和样地管理工作中的贡献。

数据作者分工职责

颜萍（1989—），女，四川省乐山人，博士，助理研究员，研究方向为土壤理化性质、生态环境治理和土壤水文。主要承担工作：数据分析和论文撰写。

周平（1977—），女，湖北省荆州人，博士，研究员，研究方向为森林生态和森林水文。主要承担工作：总体方案设计、项目组织与管理。

苏雅丽（1990—），女，湖北省鄂州人，硕士，工程师。研究方向为自然保护地管理与发展。主要承担工作：数据预处理和数据质量控制。

李泽华（1985—），男，广东省佛山人，博士，高级工程师，研究方向为水文物理规律模拟及水文预报、森林水文。主要承担工作：数据整理和数据分析。

徐卫（1993—），女，山东省临沂人，博士，助理研究员，研究方向为陆地森林生态系统生物多样性与森林群落构建。主要承担工作：数据整理和质量控制。

谭兆伟（1997—），男，广东省广州人，技术员。主要承担工作：野外采样和数据整理。

黄明敏（1982—），男，湖北省荆州人，技术员。主要承担工作：野外采样和数据整理。

徐宏范（1997—），男，河南省南阳人，技术员。主要承担工作：野外采样和数据整理。

黄俊祥（1998—），男，广东省汕头人，技术员。主要承担工作：资料整理和数据论文修改。

陈吕佳（1997—），男，湖北省荆州人，技术员。主要承担工作：资料整理和质量控制。