2016–2021年南亚热带近自然化改造马尾松人工林土壤水热动态数据集

其他数据论文 II 区论文（已发表） • 版本 ZH3 Vol 8 (3) 2023

A dataset of soil water and heat dynamics from Pinus massoniana plantations under close-to-nature management in South Subtropics (2016–2021)

刘士玲，郑路，杨保国，杨坤，闵惠琳，陈琳，张培，庞圣江，舒韦维，李华

LIU Shiling, ZHENG Lu, YANG Baoguo, YANG Kun, MIN Huilin, CHEN Lin, ZHANG Pei, PANG Shengjiang, SHU Weiwei, LI Hua

DOI: 10.11922/11-6035.ncdc.2023.0003.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.ncdc.2023.0003.zh
: 10.12072/ncdc.Eco-Hydro.db2413.2022

： 2023 - 03 - 13

： 2023 - 06 - 13

： 2023 - 04 - 03

： 2023 - 07 - 10

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摘要&关键词

摘要：本研究依托崇左凭祥友谊关森林生态系统广西野外科学观测研究站，在中国林业科学研究院热带林业实验中心林区，利用南亚热带近自然化改造马尾松（Pinus massoniana）人工林内的自动气象观测站，开展土壤水热动态监测和研究，样地布设、指标监测和数据质量控制均按照规范进行。本数据集对2016–2021年近自然化改造马尾松人工林的土壤温度、土壤体积含水量、土壤热通量、空气温度和空气相对湿度等观测数据，经过异常值剔除、数据插补等标准数据处理，统计得到马尾松人工林日尺度的土壤水热动态数据，并对数据集的构建进行了说明。建立和共享本数据集对于理解近自然化改造马尾松人工林的土壤水热特征有重要价值，同时可为深入研究针阔叶混交林对全球气候变化的响应提供基础数据，也为南亚热带森林资源的可持续经营和管理提供数据基础支撑。

关键词：南亚热带；马尾松；近自然化改造；土壤水热

Abstract & Keywords

Abstract: This study was conducted at the Tropical Forestry Experimental Center of the Chinese Academy of Forestry in Youyiguan Pingxiang Chongzuo Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi. Based on the automatic meteorological observation station, we monitored and analyzed the soil hydrothermal dynamics in Pinus massoniana plantations under close-to-nature management. The sample plots layout, index monitoring, and data quality control were carried out in accordance with relevant specifications. This dataset contains the data of soil temperature, soil volume water content, soil heat flux, as well as air temperature and air humidity in Pinus massoniana plantations of close-to-nature management in South Subtropics from 2016 to 2021. After standard data processing, including outlier elimination and data interpolation, we statistically derived the daily data of soil water and heat dynamics of Pinus massoniana, and explained the construction of the dataset. The establishment and sharing of this dataset are valuable for facilitating a comprehensive understanding of the characteristics of soil water and heat in Pinus massoniana plantations under close-to-nature management in South Subtropics. Furthermore, the dataset can serve as an important resource for in-depth research on the response of mixed coniferous broad-leaved forest to global climate change. It can provide essential to support the sustainable management and conservation of forest resources in South Subtropics.

Keywords: South Subtropics; Pinus massoniana; close-to-nature management; soil water and heat

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	2016–2021年南亚热带近自然化改造马尾松人工林土壤水热动态数据集
数据作者	刘士玲，郑路，杨保国，杨坤，闵惠琳，陈琳，张培，庞圣江，舒韦维，李华
数据通信作者	郑路（zhengluli@163.com）
数据时间范围	2016年10月–2021年12月
地理区域	广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站(21°57′–22°16′ N, 106°41′–106°59′E)，位于广西凭祥市
数据格式	*.xlsx
数据量	252.4 KB
数据服务系统网址	http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.Eco-Hydro.db2413.2022
基金项目	南亚热带人工林林内小气候观测（桂科202227）；南亚热带人工林生态水文过程及机制观测研究（桂科AD20159094）；崇左凭祥友谊关森林生态系统广西野外科学观测研究站科研能力建设项目（桂科22-035-130-03）。
数据库（集）组成	本数据集由1个数据文件组成，包含日尺度的空气温度、空气相对湿度、土壤温度（5 cm、15 cm和30 cm）、土壤体积含水量（5 cm、15 cm和30 cm）、土壤热通量（5 cm、15 cm和30 cm）。

Dataset Profile

Title	A dataset of soil water and heat dynamics from Pinus massoniana plantations under close-to-nature management in South Subtropics (2016–2021)
Data authors	LIU Shiling, ZHENG Lu, YANG Baoguo, YANG Kun, MIN Huilin,CHEN Lin，ZHANG Pei, PANG Shengjiang, SHU Weiwei, LI Hua
Data corresponding author	ZHENG Lu（zhengluli@163.com）
Time range	From October 2016 to December 2021
Geographical scope	Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station in Pingxiang City, GuangXi Zhuang Autonomous Region (21°57′–22°16′ N, 106°41′–106°59′E)
Data format	*.xlsx
Data volume	252.4KB
Data service system	<http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.Eco-Hydro.db2413.2022>
Sources of funding	Microclimate Observation in Subtropical Plantation Forests (Guangxi Science and Technology Base and Talent Project 202227); Observational Studies on Ecohydrological Processes and the Mechanisms in Southern subtropical plantation (Guangxi Science and Technology Base and Talent Project AD20159094）; Scientific Research Capacity Building Project for Youyiguan Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi (Grant No. 22-035-130-03).
Dataset composition	The dataset consists of one data file, including the data of air temperature, air relative humidity, soil temperature (5cm, 15cm and 30cm), soil volumetric water content (5cm, 15cm and 30cm) and soil heat flux (5cm, 15cm and 30cm) at daily scales.

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引言

地表土壤的水热动态过程和变化机制是陆面过程的重要研究内容^[1-2]，其动态影响着土壤的生物和非生物的生态学过程，但它们又受气候、地形、地上植被的盖度和数量、土壤自身的物理特性等因素控制^[3]。森林土壤是森林生态系统发挥水源涵养功能的主要载体，水热在土壤中的分布特征和动态变化对植被生态系统具有重要意义。国内外学者对土壤水热开展了诸多研究^[4-8]，对土壤水热变化过程有了一定认识，但对于南亚热带森林的土壤水热变化仍缺乏长期观测资料，尤其缺乏土壤水热与气象要素的同步观测，该区域点尺度上土壤水热变化及其与气候变化内在关联的研究鲜有报道。在过去60年，亚热带水热格局发生了深刻的变化，表现为年均气温每年上升0.019℃，空气湿度和土壤水分下降^[9-10]。开展该区域土壤水热的动态变化长期观测，对森林资源管理、区域性气候变化趋势预测以及评价森林生态系统对气候变化的贡献等相关研究工作具有重要的意义。

我国南亚热带地区，马尾松（Pinus massoniana）是主要的造林树种之一^[11]。20世纪80年代开始，马尾松人工林经过疏伐、补植等近自然化经营措施改造，地力提升，且显著提高了林分生产力、碳储量和物种多样性^[12-14]，但鲜有利用定点连续高频率的观测数据研究近自然化改造后马尾松人工林的土壤水热动态变化，难以在大的时间和空间尺度上对森林的土壤水热动态变化进行全面分析和把握。因此，本数据整理了南亚热带近自然化改造马尾松人工林2016–2021年的土壤水热动态变化数据，以期增加点尺度上的土壤水热变化本底资料，为本区域林业可持续发展提供科学依据，同时为政府部门和相关科研机构提供基础数据，促进全球森林土壤水热动态研究。

1 数据采集和处理方法

1.1 样地描述

数据监测区位于中国林业科学研究院热带林业实验中心林区范围内的友谊关森林生态系统国家定位观测研究站（21°57′–22°16′ N，106°41′–106°59′E），属半湿润–湿润季风气候，年均降雨量1200–1500 mm，主要发生在每年5–9月，占全年降雨量78%；≥10℃活动积温6000–7600℃，年均气温20.5–21.7℃，相对湿度80%–84%（1965–2015年）。研究区土壤为山地红壤，多为花岗岩母质发育而成。

在林分调查的基础上，选择广西凭祥市热带林业实验中心伏波实验场场部附近的马尾松人工林作为数据集采集对象，该林分于1983年种植于杉木采伐迹地，海拔约558 m，初植密度为每公顷2500株，通过多年近自然化经营改造，现存林分密度每公顷275株。依据森林生态系统长期定位观测方法（GB/T33027-2016）^[15]设置观测样地。样地中树种主要包括马尾松、杉木（Cunninghamia lanceolate）、大叶栎（Quercus griffithii）和火力楠（Michelia macclurei），林下灌木主要包括菝葜（Smilelax china）、越南悬钩子（Rubus cochinchinensis）、匙萼柏拉木（Blastus cavaleriei）、玉叶金花（Mussaenda pubescens）等，草本植物主要包括小花露籽草（Ottochloa nodosa）、乌毛蕨（Blechnum orientale）和弓果黍（Cyrtococcum patens）等。

1.2 数据来源及采集方法

数据来源于近自然化改造经营的马尾松人工林内的自动气象站采集的气象监测数据。自动气象站观测仪器的布设和安装参考森林生态系统长期定位观测方法（GB/T33027-2016）。该自动气象站为3 m高三脚架便携系统，供电系统采用太阳能供电配置，其使用40 w太阳能板进行充电，独立使用24 ah电池。通信部分使用宏电无线通信模块进行远程监控。监测指标包括：空气温度、空气相对湿度、大气压、风速、风向、降雨量、蒸发量、总辐射、反射辐射、光合有效辐射、土壤温度、土壤体积含水量、土壤热通量等。各气象指标的数据采集步长均为1 min。本数据集提供2016年10月至2021年12月的空气温度、空气相对湿度、土壤分层温度动态、土壤分层体积含水量动态和土壤分层热通量数据。各观测指标所用的传感器类型、测量范围、精度、数据采集器及厂家见表1。

表1 传感器的主要特征

观测指标	传感器型号	范围	精度	数据采集器	厂家	采集方法
空气温度	1000ΩPRT	-39.2~ 60℃	±0.2℃	CR1000	CAMPBELL	采测频率为10 s/次。每分钟的温度存储值为去除一个最大值和一个最小值后的平均值。正点时采测00min的温度值作为正点数据存储。观测层次：距地面1.5 m。
空气相对湿度	VAISALA HUMICAP H-chip	0.8~ 100%	±2%	CR1000	CAMPBELL	采测频率为10 s/次。每分钟的空气湿度存储值为去除一个最大值和一个最小值后的平均值。正点时采测00min的湿度值作为正点数据存储。观测层次：距地面1.5 m。
土壤体积含水量	CS616	-	±2.5%	CR1000	CAMPBELL	采测频率为10s/次。每分钟的土壤体积含水量存储值为去除一个最大值和一个最小值后的平均值。正点时存储00min的数值作为正点数据存储。观测层次：地表向下 5 cm、15 cm和30 cm。
土壤温度	109	-50～ 70℃	±0.2℃	CR1000	CAMPBELL	采测频率为10 s/次。每分钟的土壤温度存储值为去除一个最大值和一个最小值后的平均值。正点时存储00min的数值作为正点数据存储。观测层次：地表向下 5 cm、15 cm和30 cm。
土壤热通量	HUKSEFLUX HFP01	-2000~ 2000W/m2	-15%~ +5%	CR1000	CAMPBELL	采测频率为10 s/次。每分钟的土壤热通量存储值为去除一个最大值和一个最小值后的平均值。正点00 min 采集土壤热通量瞬时值，同时计算存储土壤热通量（累积值）。观测层次：地表向下 5 cm、15 cm和30 cm。

1.3 数据处理方法

广西友谊关森林生态系统科学观测研究站工作人员根据《地面气象观测规范》^[16]，对采集得到的当月原始数据，进行异常数据的修正或剔除、数据插补等标准数据处理，并按照CR1000数据采集器的各指标的观测顺序，制成气象数据M报表。对M报表进行质量审核和日统计处理，得到“规范气象数据A报表”，数据处理完成。

2 数据样本描述

2.1 数据集构成

数据集的数据格式为*.xlsx，由日尺度文件组成。文件包含12个字段，分为年月日、空气温度、空气相对湿度、土壤分层温度、土壤分层体积含水量和土壤分层热通量。近自然化改造马尾松人工林土壤水热数据集表单内容见表2。

表2 土壤水热数据集表单内容

序号	数据项	数据类型	量纲	示例
1	年月日	字符型		2018/6/1
2	日平均空气温度	数字型	℃	25.82
3	日平均空气相对湿度	数字型	%	99.90
4	五厘米深日平均土壤温度	数字型	℃	26.26
5	十五厘米深日平均土壤温度	数字型	℃	27.48
6	三十厘米深日平均土壤温度	数字型	℃	27.66
7	五厘米深日平均土壤体积含水量	数字型	m3/m3	0.112
8	十五厘米深日平均土壤体积含水量	数字型	m3/m3	0.242
9	三十厘米深日平均土壤体积含水量	数字型	m3/m3	0.342
10	五厘米深土壤热通量	数字型	W/m2	2.530
11	十五厘米深土壤热通量	数字型	W/m2	3.643
12	三十厘米深土壤热通量	数字型	W/m2	6.346

2.2 数据缺失情况

数据监测区靠近伏波实验场场部，有专门人员对自动气象站进行维护。本站指定专门人员通过无线传输设备实时查看自动气象站的运行情况，检查实时分钟数据和正点观测数据，及时发现问题进行处理，以保证观测数据质量，本次土壤水热数据集无数据缺失。

3 数据质量保证和控制

由广西友谊关生态定位观测研究站配备具有长期野外工作经验的技术人员及科研人员，定期维护仪器设备。通过无线传输设备实时查看自动气象站的运行情况，检查实时数据并定时收集数据，保证观测数据的质量和完整性。根据《中国生态系统研究网络（CERN）长期观测规范》^[17-18]的相关规定对本数据集所涉及的原始数据进行质量控制。获取观测数据后，按照CERN规范要求制作报表，并录入数据库。气象数据具体质量控制和评估方法见表3。

表3 数据集主要观测指标数据质量控制和评估方法(引自文献[19-20])

观测指标	数据质量控制和评估方法
空气温度	(1)超出气候学界限值域−80～60℃的数据为错误数据；(2)1 min内允许的最大变化值为3℃，1 h之内变化幅度的最小值为0.1℃；(3)定时气温大于等于日最低气温且小于等于日最高气温；(4)气温大于等于露点温度；(5)24小时气温变化范围小于50℃；(6)利用台站下垫面及周围环境相似的一个或多个临近站观测数据计算本站气温值，比较台站观测值和计算值，如果超出阈值即认为观测数据可疑；(7)某一定时气温缺测时，用前后两定时数据内插求得，按正常数据统计，若连续两个或以上定时数据缺测时，不能内插，仍按缺测处理；(8)一日中若24次测定时观测记录有缺失时，该日按照02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若4次定时记录缺测一次或以上，但该日各定时记录缺测5次或以下时，按实有记录作日统计；缺测6次或以上时，不做日平均。
空气相对湿度	(1)相对湿度介于0–100%之间；(2)定时相对湿度大于等于日最小相对湿度；(3)干球温度大于等于湿球温度；(4)某一定时相对湿度缺测时，用前、后两定时数据内插求得，按正常数据统计，若连续两个或以上定时数据缺测时，不能内插，仍按缺测处理；(5)一日中若24次定时观测记录有缺测时，该日按照02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若4次定时记录缺测一次或以上，但该日各定时记录缺测5次或以下时，按实有记录作日统计；缺测6次或以上时，不做日平均。
土壤温度(5、15、30 cm)	(1)超出气候学界限值域−90～90℃的数据为错误数据；(2)1 min内允许的最大变化值为5℃，1 h内变化幅度的最小值为0.1℃；(3)定时观测土壤不同深度温度大于等于日土壤不同深度温度最高温度；(4)土壤不同深度温度24 h变化范围小于60℃；(5)某一定时土壤不同深度温度缺测时，用前后两定时数据内插求得，按正常数据统计，若连续两个或以上定时数据缺测时，不能内插，仍按缺测处理；(6)一日中若24次定时观测记录有缺测时，该日按照02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若4次定时记录有缺测一次或以上，但该日各定时记录缺测5次或以下时，按实有记录作日统计；缺测6次或以上时，不做日平均。
土壤体积含水量(5、15、30 cm)	(1)定时土壤体积含水量大于等于日最小土壤体积含水量；(2)某一定时土壤体积含水量缺测时，用前、后两定时数据内插求得，按正常数据统计，若连续两个或以上定时数据缺测时，不能内插，仍按缺测处理；(3)一日中若24次定时观测记录有缺测时，该日按照02、08、14、20时4次定时记录做日平均；若4次定时记录缺测一次或以上，但该日各定时记录缺测5次或以下时，按实有记录作日统计；缺测6次或以上时，不做日平均。
土壤热通量(5、15、30 cm)	定时土壤热通量大于等于日最小土壤热通量。

4 数据价值

近自然化改造被视为针叶人工林多目标经营的主要措施之一，其间伐、补植为主的改造过程引起的林分结构及多样性变化，进而影响人工林小气候的变化。本数据集提供2016年10月至2021年12月的日尺度气象和土壤水热数据，数据连续性强，实用性强。本数据集可用于马尾松人工林近自然化改造前后土壤水热特征对比相关研究，为开展近自然化人工林改造研究提供基础数据和理论依据，有利于南亚热带森林资源的可持续经营、管理与利用，同时也可为全球变化背景下森林生态系统结构与功能的动态变化、响应与适应研究提供数据基础支撑。

[1]

SUN G,NOORMETS A,GAVAZZI M J, et al. Energy and water balance of two contrasting loblolly pine plantations on the lower coastal plain of North Carolina, USA[J]. Forest Ecology and Management, 2010, 259(7): 1299-1310. DOI: 10.1016/j.foreco.2009.09.016.