2010–2014年哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸数据集

中国通量观测研究网络（ChinaFLUX）20周年专刊 II 区论文（已发表） • 版本 ZH2 Vol 9 (1) 2024

A dataset of soil respiration in a subtropical evergreen broad-leaved forest at Ailao Mountain from 2010 to 2014

易艳芸，周文君，张孝良，武传胜，Zayar Phyo，Mohd Zeeshan，鲁志云，温韩东，沙丽清，宋清海，梁乃申，刘玉洪，张一平

YI Yanyun, ZHOU Wenjun, ZHANG Xiaoliang, WU Chuansheng, Zayar Phyo, Mohd Zeeshan, LU Zhiyun, WEN Hangdong, SHA Liqing, SONG Qinghai, LIANG Naishen, LIU Yuhong, ZHANG Yiping

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0065.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.csd.2023.0065.zh
: 10.57760/sciencedb.o00119.00081

： 2023 - 02 - 14

： 2023 - 09 - 26

： 2023 - 03 - 20

： 2024 - 03 - 29

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摘要&关键词

摘要：亚热带森林是我国分布面积最大的森林类型，在调控全球气候变化和维持大气碳平衡中具有重要作用。土壤通过呼吸作用排放的碳是大气CO₂的主要来源，土壤碳库的细微变化也会显著影响大气CO₂的浓度，因此目前亚热带森林土壤碳储量的大小及动态变化特征受到广泛关注。云南哀牢山是我国重要的亚热带森林分布区。本研究依托云南哀牢山森林生态系统国家野外科学观测研究站，利用全自动多通道观测系统开展了亚热带常绿阔叶林土壤呼吸的连续测定，经过严格的数据质量控制和评估，将2010–2014年的土壤呼吸的监测数据收集与整理，包括土壤5 cm温度（Ts）、土壤10 cm含水量（SWC）和土壤呼吸（Rs），并形成日、月和年尺度三类数据集。本数据集对于揭示气候变化对亚热带常绿阔叶林土壤生态过程的影响、正确评估土壤有机碳排放和森林生态系统管理具有重要意义，也为进一步研究气候变暖等全球变化对土壤呼吸组分尤其是土壤有机碳排放的影响提供经验和理论基础。

关键词：全自动多通道观测系统；土壤呼吸；气候变化；亚热带常绿阔叶林；哀牢山

Abstract & Keywords

Abstract: Subtropical forests, as the largest forest type in China, play an important role in regulating global climate change and maintaining atmospheric carbon balance. The carbon emitted by soil through respiration is the main contributor of atmospheric CO₂levels, so even slight changes in soil carbon pool can significantly affect the concentration of atmospheric CO₂. Therefore, at present, the magnitude and dynamic change characteristics of soil carbon storage in subtropical forests are attached great importance to. Ailao Mountain in Yunan Province stands as a crucial region for the distribution of subtropical forests in China. This study used a multichannel automated chamber system to estimate soil respiration in a subtropical evergreen broad-leaved forest ecosystem of Ailao Mountain. Ailao Mountain Station for Subtropical Forest Ecosystem Studies is a national field station and a basic observation station of the Chinese Ecosystem Research Network. We gathered soil respiration data from the subtropical evergreen broad-leaved forest in Ailao Mountain from 2011 to 2014, including soil temperature 5cm (T_S), soil moisture content 10cm (SWC) and soil respiration data (R_S), organized at daily, monthly and annual scales. This dataset is of great significance in revealing the effects of climate change on soil ecological processes in subtropical evergreen broad-leaved forests. It can facilitate precise evaluation of soil organic carbon emissions and forest ecosystem management, and provide both empirical and theoretical basis for further research on the effects of global changes (e.g. climate warming) on soil respiration components, especially with a focus on soil organic carbon emissions.

Keywords: multichannel automated chamber system; soil respiration; climate change; subtropical evergreen broad-leaved forest; Ailao Mountain

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	2010–2014年哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸数据集
数据通信作者	周文君（zhouwj@xtbg.ac.cn）、张一平（yipingzh@xtbg.ac.cn）
数据作者	易艳芸、周文君、张孝良、武传胜、Zayar Phyo、Mohd Zeeshan、鲁志云、温韩东、沙丽清、宋清海、梁乃申、刘玉洪、张一平
数据时间范围	2010–2014年
地理区域	云南省景东县哀牢山生态站（101°1′44″E、24°32′17″N，海拔2400–2600 m）
生态系统类型	亚热带常绿阔叶林
数据量	469 KB
数据格式	xlsx
数据服务系统网址	https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00081
基金项目	国家自然科学基金（42073080、31870467、41671209、40571163、31061140359、31770528、41961144017、U1602234、U1202234、41271056、31290221、41071071、41975147、42075119），国家973项目（2002CB412501，2010CB833501），国家重点研发计划（2016YFC0502105），国家基金青年科学基金项目（40801035），国家重点基础研究发展计划（2010CB833501），中国科学院创新工程重大项目（KZCX1-SW-01-01A），中国科学院知识创新工程重要方向项目（KJCX2-YW-432-1、KZCX2-YW-Q1-05-04），CAS-JSPS国际合作研究项目（GJHZ1521），云南省应用基础研究计划重点项目（2011FA025），云南中青年学术与技术带头人（后备人才）项目（202205AC160045），中国科学院战略性先导科技专项（XDA19020302、XDA05020302和XDA05050601），云南省第四批博士后定向培养项目。
数据库（集）组成	分为日尺度、月尺度和年尺度的土壤5 cm温度（T_S ）、10 cm土壤含水量（SWC）和土壤呼吸数据（R_S ）。

Dataset Profile

Title	A dataset of soil respiration in a subtropical evergreen broad-leaved forest at Ailao Mountain from 2010 to 2014
Data corresponding author	ZHOU Wenjun(zhouwj@xtbg.ac.cn); ZHANG Yiping(yipingzh@xtbg.ac.cn)
Data authors	YI Yanyun, ZHOU Wenjun, ZHANG Xiaoliang, WU Chuansheng, Zayar Phyo, Mohd Zeeshan, LU Zhiyun, WEN Handong, SHA Liqing, SONG Qinghai, LIANG Naishen, LIU Yuhong, ZHANG Yiping
Time range	2010–2014
Geographical scope	Ailao Mountain Ecological Station, Jingdong County, Yunnan Province (101°1'44" E, 24°32'17" N, a.s.l. 2400–2600 m)
Ecosystem type	Subtropical evergreen broad-leaved forest
Data volume	469 KB
Data format	xlsx
Data service system	<https://doi.org/10.57760/sciencedb.o00119.00081>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (42073080, 31870467, 41671209, 40571163, 31061140359, 31770528, 41961144017, U1602234, U1202234, 41271056, 31290221, 41071071, 41975147, 42075119), National 973 Project (2002CB412501, 2010CB833501), National Key Research and Development Program of China (2016YFC0502105), National Science Foundation for Young People (40801035), National Key Basic Research and Development Program of China (2010CB833501), Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences (KZCX1-SW-01-01A), Knowledge Innovation Project of the Chinese Academy of Sciences (KJCX2-YW-432-1, KZCX2-YW-Q1-05-04), CAS-JSPS International Cooperative Research Projec9 (GJHZ1521), Key Project of Yunnan Applied Basic Research Program (2011FA025), Yunnan Young and Middle-aged Academic and Technology Leaders (Reserve Talents) Project (202205AC160045), Strategic Leading Science and Technology Project of the Chinese Academy of Sciences (XDA19020302, XDA05020302 and XDA05050601) and the Yunnan Provincial Postdoctoral Orientation Program 2021.
Dataset composition	Soil temperature at 5 cm (T_S ), soil moisture at 10 cm (SWC) and soil respiration (R_S ) at daily, monthly and annual scales.

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引言

土壤是陆地生态系统最大的有机碳库，总储量近1400 Pg^[1]。近几十年来，随着人类对全球变化认识程度的加深，对土壤在全球碳循环的研究也更加深入^[2]，土壤碳库的微小变化将对大气碳含量产生巨大的影响。土壤呼吸是指土壤排出CO₂到空气中的过程^[3]，是土壤碳分解过程的主要产物，也是陆地生态系统碳循环的一个重要组成部分^[4]。森林虽然只占陆地面积的30%，却包含了陆地生态系统45%的碳^[5]，其中大部分的碳都储存于土壤中^[6]。大气CO₂浓度的升高是气候变暖的主要影响因子之一，而气温升高又促进土壤呼吸增加，正反馈于区域气候变化，促进全球变暖^[7]。近年来，各国为应对全球变暖采取了一系列的措施。我国制定了“碳达峰”与“碳中和”的双碳战略，但是因土壤碳过程复杂且土壤碳库动态估算具复杂性，目前仍不能准确评估土壤碳排放在森林生态系统中的地位。因此，探明森林生态系统土壤呼吸的动态与当量，是评估森林土壤生态在森林生态系统碳收支地位的关键所在。

亚热带森林的土壤碳排放在气候变化情景下对全球碳平衡起着重要的作用。云南哀牢山亚热带常绿阔叶林因地处低纬度且海拔高，其气候兼具暖温带-温带气候特点，成为了植被类型与气候带不匹配的森林类型^[8]。云南省哀牢山亚热带常绿阔叶林因其地理位置特殊、物种成分独特、植物种类丰富、区系成分复杂、垂直带谱完整、保护完好的特点，在世界和我国常绿阔叶林生态学研究中具有不可替代的价值^[9]。哀牢山亚热带常绿阔叶林地处横断山系，为300多年的老龄林，在区域碳汇功能上发挥着巨大的作用^[10]。与温带森林^[11-12]的土壤碳通量数据集相比，本研究区土壤具有腐殖质层厚12.2±1.04 cm、有机碳含量高、含水量和土壤温湿度高的特点^[13-15]，为此，哀牢山亚热带常绿阔叶林的土壤呼吸具有其独特的动态和驱动机制，在该区域开展土壤呼吸的研究，对于揭示气候变化对亚热带常绿阔叶林土壤生态过程的影响、正确评估土壤有机碳排放和森林生态系统管理可提供科学支撑。因此，本数据集整理了2010年至2014年的哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸的数据、土壤5 cm温度（T_S ）、土壤10 cm含水量（SWC）和土壤呼吸数据（R_S ），形成日、月和年尺度三类文件，以期为进一步研究气候变化对土壤呼吸和土壤碳库的影响提供数据支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 样地描述

研究样点位于云南省景东县徐家坝地区所辖的哀牢山国家级自然保护区试验区内，是中国科学院哀牢山亚热带森林生态系统研究站（24°32′N、101°01′E）的长期观测样地，海拔2480 m。哀牢山国家级自然保护区的常绿阔叶林面积为34483 hm²，是目前我国亚热带常绿阔叶林保存面积最大的保护区，动植物种类丰富且区系成分复杂，垂直带谱完整过渡性特征明显^[16-18]。2002–2011年的观测数据显示，该地区年均温度为11.3 ℃，月均最高温度为15.6 ℃（7月），月均最低温度为5.8 ℃（1月）；年降水量1817 mm，干（11月至翌年4月）、湿（5–10月）季分明，85%以上的降水集中在湿季（5–10月）^[16]。土壤为山地黄棕壤，质地为砂壤土，地表基本为植被凋落物所覆盖，厚度一般为3–7 cm；表土层（0–15 cm）透水性良好（总孔隙度为71.7%），涵养水的能力很强（最大持水量为119.1%）；表层土有机质含量较高（175.11 g∙kg^1），含氮量丰富（7.18 g∙kg^1），C/N比适中（14.13），土壤呈酸性（pH<5）^[13]。哀牢山地带性植被为中山湿性常绿阔叶林，优势种主要有硬壳柯（Lithocarpus hancei）、木果柯（Lithocarpus xylocarpus）、变色锥（Castanopsis rufescens）、南洋木荷（Schima noronhae）等，林下主要以箭竹（Fargesia spathacea）为主^[15]。

1.2 数据来源和采集方法

土壤呼吸速率的测定采用土壤呼吸全自动多通道观测系统^[19]。该系统由20个90 cm×90 cm×50 cm（长×宽×高）的自动开闭式透明呼吸箱和控制系统组成，自2020年10月安装完成，开始收集数据。土壤呼吸箱如图1所示。其中5个呼吸箱为自然条件下的对照处理，即为本研究的数据收集对象，其中有1个呼吸箱的数值明显低于其他4个呼吸箱，故选用4个呼吸箱的数值进行统计分析（n = 4，4个呼吸箱标记为CK-1、CK-2、CK-3和CK-4）。每个土壤呼吸箱中各设置一个地温（5 cm深度）和土壤水分（10 cm深度）传感器。全自动多通道观测系统的20个呼吸箱的测定循环为1小时，每个呼吸箱的关闭测定时间为3分钟（即每个呼吸箱每小时关闭3分钟，进行3分钟的气体浓度测定，测定频率为10秒每次，并依据气体浓度获得土壤呼吸的通量），其余时间盖子与箱体平行打开，不影响降雨和凋落物等进入呼吸箱^[20-21]。

图1 土壤呼吸箱打开（A）和关闭（B）


（A）	（B）

全自动多通道土壤呼吸系统采用闭路式测定方法，通过一个气泵使关闭着的呼吸箱中的空气与CO₂分析仪（LI-820；Li-CorInc., Lincoln, NE, USA）之间形成内循环；数据监测频率为每10秒钟LI-820读取一次土壤呼吸箱内的CO₂浓度并由CR1000同步记录。各个呼吸箱内的温度和土壤含水量的数据采集频率为30分钟一次，各个呼吸箱的气温和5 cm深度的地温（T_S ，℃）由热电偶温湿度传感器测定，土壤0–10 cm深度的土壤含水量（SWC，%）由TDR度传感器（TDR；CS-616, Campbell Scientific Inc., Logan, UT, USA）测定，测定数据通过一个62/124频道数据转换器（NS62/124S；NorthStar，上海），传送到数采（CR1000）。

土壤呼吸速率（R_S ，μmol∙m^–2∙s^–1）的计算公式为：

\({R}_{S}=\frac{VP}{RST}.\frac{\mathrm{∂}C}{\mathrm{∂}t}\) （1）

式中：V为土壤呼吸箱体积（m³），S为土壤呼吸箱底面积（m²），R为气体常数（8.314 Pa∙m³∙K^–1∙mol^–1），T为土壤呼吸箱内空气温度（K），P为大气压力（Pa），∂C/∂t是观测期间CO₂浓度随时间变化的斜率（根据线性回归剔除异常值后再次进行线性回归所得）。

1.3 数据加工、处理方法与过程

1.3.1 原始数据时间校对

检查每个箱子在小时、日、月、年尺度的各参数的数据是否齐全，对信息不全的数据进行插补。

1.3.2 异常值剔除

为确保每个呼吸箱每小时的通量数据准确，需按以下方式进行异常数据的剔除：（1）检查土壤呼吸箱关闭期的数据，对不符合呼吸箱内CO₂浓度与盖箱时间呈正相关趋势的数据进行剔除，（2）每个土壤呼吸箱为每个小时监测一次，连续监测期间土壤呼吸不符合日变化规律的数值均需剔除，因此，每个呼吸箱每天可得到≤ 24个有效的土壤呼吸通量值；（3）对T_S （土壤5 cm温度）、SWC（土壤10 cm含水量）进行检查，其中土壤温度高于40度，或土壤含水量高于60%或者连续为0的值为异常值；（4）剔除仪器故障期的异常数据。

1.3.3 数据插补

由于停电或异常数据的剔除，存在部分数据缺失的现象。对于缺失的土壤温度和土壤含水量，将根据数据完整期的样地附近铁塔涡度相关通量系统^[9-10]的土壤5厘米温度（T）和0-10cm土壤含水量（SWC）和土壤呼吸箱土壤5厘米温度和0-10cm土壤含水量的相关数据，获得线性相关关系，再基于线性回归法对各呼吸箱缺失的土壤温度（T_S ）和土壤水分（SWC）进行分段插补。对缺失的土壤呼吸数据采用土壤温度和土壤含水量双因子模型（式2）对各个呼吸箱的土壤呼吸速率进行插补^[21-22]。

土壤呼吸速率（R_S ）与土壤温度（T_S ）和土壤含水量（SWC）的连乘模型^[23]，公式如下：

\({R}_{S} =a·{\mathrm{e}}^{b{T}_{S}}·{SWC}^{c}\) （2）

R_S 是每个呼吸箱的土壤呼吸速率，T_S 为实测的平均土壤温度；a、b为温度敏感性系数，c（水分敏感系数）是常数项，依据实际观测数据通过拟合得到。插补的回归模型达显著（p ≤ 0. 05）水平（回归参数R² 见表1）。

表1 双因子回归模型相关参数、R² 以及P值

处理	a		b		c		R²
处理	value	P value	value	P value	value	P value	value	P value
CK-1	0.2194	<0.0001	0.1711	<0.0001	0.1568	<0.0001	0.86	<0.0001
CK-2	0.0891	<0.0001	0.1434	<0.0001	0.5874	<0.0001	0.84	<0.0001
CK-3	0.1316	<0.0001	0.1604	<0.0001	0.3843	<0.0001	0.86	<0.0001
CK-4	0.1582	<0.0001	0.1227	<0.0001	0.4880	<0.0001	0.77	<0.0001

1.3.4 数据计算

依托剔除异常值和插补后的每小时数据，计算每个重复的日均T_S （土壤5 cm温度）、SWC（土壤10 cm含水量）和土壤呼吸速率（R_S ）；土壤呼吸月尺度数据是根据每日的日均值平均所得；土壤呼吸年尺度数据是当年每月的土壤呼吸平均值的所和。

2 数据样本描述

2.1 数据子集与数据量

本数据集为哀牢山亚热带常绿阔叶林2010–2014年连续5年的土壤呼吸观测数据。每年有3个EXCEL数据文件，即日、月和年尺度上的数据，总共15个文件，总数据量469 KB。因本研究是从2010年10月20日开始观测，2010年的数据观测期为2010年10月20日到2010年12月31日，所以2010年的年尺度土壤呼吸、土壤温度、土壤含水量数据是用10月、11月和12月共3个月的平均月呼吸量数值计算得出的。2011–2014年为1–12月的全年数据。

2.2 数据文件示例

以2011年数据文件为例，表2为2011年哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸日尺度数据表头说明，所有数据均以数字形式呈现，包括土壤5 cm温度（T_S ）、土壤10 cm含水量（SWC）和土壤呼吸通量数据（R_S ）。

表2 日尺度土壤呼吸数据表说明

数据项	计量单位	数据说明
年		年份
月		月份
日		日期
Ts -1（土壤5 cm温度）	℃	1号呼吸箱土壤5 cm日平均温度
Ts -2（土壤5 cm温度）	℃	2号呼吸箱土壤5 cm日平均温度
Ts -3（土壤5 cm温度）	℃	3号呼吸箱土壤5 cm日平均温度
Ts -4（土壤5 cm温度）	℃	4号呼吸箱土壤5 cm日平均温度
SWC -1（土壤10 cm体积含水量）	%	1号呼吸箱土壤10 cm日平均体积含水量
SWC -2（土壤10 cm体积含水量）	%	2号呼吸箱土壤10 cm日平均体积含水量
SWC -3（土壤10 cm体积含水量）	%	3号呼吸箱土壤10 cm日平均体积含水量
SWC -4（土壤10 cm体积含水量）	%	4号呼吸箱土壤10 cm日平均体积含水量
1号样箱土壤呼吸通量	mol CO₂ m^-2 d^-1	1号呼吸箱土壤日平均呼吸通量
2号样箱土壤呼吸通量	mol CO₂m^-2 d^-1	2号呼吸箱土壤日平均呼吸通量
3号样箱土壤呼吸通量	mol CO₂m^-2 d^-1	3号呼吸箱土壤日平均呼吸通量
4号样箱土壤呼吸通量	mol CO₂m^-2 d^-1	4号呼吸箱土壤日平均呼吸通量
平均土壤呼吸通量	mol CO₂m^-2 d^-1	土壤日平均呼吸通量

3 数据质量控制和评估

3.1 数据质量控制

依据观测频率，每天每个呼吸箱可得到≤24个土壤呼吸通量值，以及≤48个土壤温度和土壤水分数据，为获得准确的通量观测数据，数据质量控制流程分为2步：

第一步：异常值剔除。因自动观测系统对每个土壤呼吸箱的观测时间为3分钟，在观测中，气室有可能因破损或箱盖关闭不严等原因导致漏气，致使数据有误，也可因为断电或者仪器故障而导致土壤呼吸通量的缺失。为此我们在数据处理过程中，对每个土壤呼吸箱、每小时数据逐个进行筛查，对于数据值表现为信号异常的值直接剔除，对于有连续3分钟观测正常的数据，依据公式（1）求算∂C/∂t的斜率时，相关系数（R² ）小于0.90的数据进行剔除。

第二步：缺失数据插补。由于停电、仪器故障和第一步剔除导致的通量数据缺失，本研究基于长期实际观测获得的土壤呼吸与温湿度的相关关系（式2）进行插补；对于缺失和异常的土壤温度与土壤含水量数据利用样地附近铁塔通量系统观测获得的土壤温度（T_o ）和土壤水分（SWC-_o ）为自变量，各呼吸箱的土壤温度（T_S ）和土壤水分（SWC）为因变量，进行线性拟合，并依托连续观测的通量塔数据进行每个呼吸箱缺失的土壤温度和土壤水分进行插补，以获得拟合度最优的插补数据。

3.2 数据质量评估

日尺度的2010–2014年土壤碳通量有效观测数据比例分别为70.65%，96.44%，92.23%，88.22%，98.90%。

4 数据价值

土壤呼吸是全球碳循环中的一个关键环节，其动态变化将会直接影响全球碳收支^[24]。哀牢山亚热带森林水热条件较好，群落物种组成丰富，具有较强的物质循环能力，是我国重要的亚热带森林生态系统类型。研究发现哀牢山亚热常绿阔叶林是一个巨大的碳汇，因此在该地区开展土壤呼吸的研究，可以为进一步研究气候变化对土壤有机碳排放的影响提供数据支撑和理论基础。本数据集采用土壤呼吸全自动多通道观测系统来观测土壤呼吸，并且长期监测，得到2010年至2014年的哀牢山常绿阔叶林土壤5 cm温度（T_S ）、土壤10 cm含水量（SWC）和土壤呼吸速率（R_S ），整理成为2010–2014年连续的日、月和年3种时间尺度的土壤呼吸速率，为我国亚热带地区研究该生态系统碳循环过程提供数据支撑和理论基础。

致谢

哀牢山亚热带常绿阔叶林土壤呼吸数据积累离不开中国科学院西双版纳热带植物园和哀牢山生态站的大力支持。哀牢山生态站承担了土壤呼吸设备和气象观测设备的野外维护工作，罗奇、徐明强、罗鑫、杨文争、罗成昌、杞金华、李达文等工作人员，为大型多点全自动开闭箱式土壤呼吸连续观测系统的维护和数据的收集做出贡献，全球变化研究组相关工作人员和公共技术中心为本数据的收集和分析提供了技术支持和相关帮助，特此致谢！

[1]

LAL R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security[J]. Science, 2004, 304(5677): 1623–1627. DOI: 10.1126/science.1097396.