陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集

生态系统国家野外站历史数据整编专题 II 区论文（已发表） • 版本 ZH2 Vol 9 (1) 2024

A dataset of soil physicochemical characteristics and plant species diversity in abandoned alfalfa fields (1–49 years) in Shenmu, Shaanxi Province

张倩，樊军，贾沐霖

ZHANG Qian, FAN Jun, JIA Mulin

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0134.zh
CSTR: 10.11922/11-6035.csd.2023.0134.zh
: 10.57760/sciencedb.10281

： 2023 - 08 - 16

： 2024 - 02 - 18

： 2023 - 08 - 18

： 2024 - 03 - 20

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4152 30 0

摘要&关键词

摘要：在半干旱地区，弃耕苜蓿地的面积在持续增加。明确长期弃耕苜蓿地的土壤含水量、土壤容重、土壤孔隙度、土壤饱和导水率、土壤pH值、土壤氨态氮、土壤硝态氮、土壤有效磷、土壤有机碳、土壤全氮、Margalef指数、Pielou指数、Simpson指数和Shannon–Wiener指数的变化，对半干旱地区植被恢复具有重要意义。本数据集收集于陕西神木侵蚀与环境国家野外科学观测研究站（简称“神木站”），分别于2003年（1–30年）、2014年（12–41年）和2022年（20–49年）对不同弃耕时间的紫花苜蓿地进行了调查，调查获得土壤理化特性和植物物种多样性数据。本数据集在野外调查、室内测定、数据计算、数据入库、质量控制方面均严格按照国际观测技术标准进行，所获取数据质量高，数据可为半干旱地区苜蓿地演替过程等方面研究提供数据基础。

关键词：神木站；1–49年弃耕苜蓿地；土壤理化特性；植物物种多样性

Abstract & Keywords

Abstract: The abandonment of alfalfa fields is on the rise in semi–arid regions. It is important to clarify the changes of soil water content, soil bulk density, soil porosity, soil saturated water conductivity, soil pH, soil NH4-N, NO3-N, soil available phosphorus, soil organic carbon, soil total nitrogen, Margalef index, Pielou index, Simpson index, and Shannon–Wiener index in abandoned alfalfa fields, which is essential for vegetation restoration efforts in semi-arid areas. This dataset is credited to the National Field Scientific Observation and Research Station of Shenmu Erosion and Environment in Shaanxi Province (also referred to as Shenmu Station). we conducted surveys on alfalfa fields in 2003, 2014, and 2022 with varying abandonment periods (1-30 years, 12-41 years, and 20-49 years, respectively) to obtain data on soil physicochemical characteristics and plant species diversity. This dataset was compiled in strict adherence to international observation technical standards, including field investigations, laboratory measurements, data calculations, data storage, and quality control procedures. The high-quality data can serve as solid foundation for the study of alfalfa succession process in semi-arid areas.

Keywords: Shenmu Station; alfalfa fields of abandoned 1–49 years; soil physical and chemical characteristics; plant species diversity

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集
数据通信作者	樊军（fanjun@ms.iswc.ac.cn）
数据作者	张倩，樊军，贾沐霖
数据时间范围	1–49年
地理区域	北纬：38°46′–38°51′N，东经：110°21′–110°23′E，海拔：1081.0–1273.7 m
数据量	45.7 KB
数据格式	*.xlsx
数据服务系统网址	https://doi.org/10.57760/sciencedb.10281
基金项目	国家科技基础资源调查专项（2021FY100700）；中国科学院战略重点研究项目（XDA23070202）；国家自然科学基金项目（41977016）。
数据库（集）组成	数据集共包括一个Excel文件，为陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和物种多样性，指标包括0–200厘米层的土壤含水量；0–10厘米层的土壤容重、饱和导水率、孔隙度、pH值、氨态氮、硝态氮和有效磷；0–100厘米层的土壤有机碳和全氮；以及植物Margalef指数、Pielou指数、Simpson指数和Shannon–Wiener指数。

Dataset Profile

Title	A dataset of soil physicochemical characteristics and plant species diversity in abandoned alfalfa fields (1–49 years) in Shenmu, Shaanxi Province
Data corresponding author	FAN Jun (fanjun@ms.iswc.ac.cn)
Data authors	ZHANG Qian, FAN Jun, JIA Mulin
Time range	1–49 years
Geographical scope	38°46′–38°51′N, 110°21′–110°23′E; altitude = 1081.0–1273.7 m
Data volume	45.7 KB
Data format	*.xlsx
Data service system	<https://doi.org/10.57760/sciencedb.10281>
Source of funding	Special Project of National Science and Technology Basic Resources Survey (2021FY100700); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA23070202); National Natural Science Foundation of China (41977016).
Dataset composition	The dataset contains an Excel file of soil physicochemical characteristics and species diversity in abandoned alfalfa fields (1–49 years) in Shenmu, Shaanxi Province. The indicators include soil water content in the 0–200 cm layers; soil bulk density, saturated water conductivity, soil porosity, soil pH, soil NH₄-N, NO₃-N, and soil available phosphorus in the 0–10 cm layers; of soil organic carbon and total nitrogen in the 0–100 cm layers; the plant Margalef index, Pielou index, Simpson index, and Shannon–Wiener index.

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引言

黄土高原地处干旱、半干旱气候区，水资源十分匮乏，水土流失严重，人类活动干扰强烈，生态环境脆弱，是我国陆地生态系统的脆弱区和敏感区，也是我国当前重大生态环境问题最突出的地区之一^[1]。自退耕还林还草工程实施以来，草地面积显著增加，农地显著减少，但不合理的植被种植极大地消耗了土壤水分，产生土壤水分失衡和土壤干燥化等问题，从而导致植被退化或死亡，最终导致整个生态系统物种多样性下降、土壤养分流失等现象发生^[2]。因此，明确黄土高原现阶段草地土壤理化特性和物种多样性的变化情况对该地区植被的合理种植和恢复至关重要。

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）被广泛种植在黄土高原。由于其具有较强的环境适应性、生长快速等特点，全球种植面积约为3000万公顷^[3-4]。在种植1–3年期间，每年在生长高峰期（7–8月）人工刈割1–2次，用于储存干草作为家畜饲料。但随着苜蓿地上生物量的降低，种植后期不再进行人工管理措施，苜蓿进行自然演替^[5]。弃耕苜蓿地的演替过程中，紫花苜蓿被当地优势植物逐渐替代，苜蓿盖度降低，本地禾草物种盖度逐渐增加，改变草地群落物种多样性，而多种物种共存有利于植物群落抵抗干旱的能力^[6]。同时随着苜蓿逐渐死亡，腐烂的苜蓿根系会在土壤中形成优先流，会改变土壤含水量，也能够快速释放氮到土壤，提高土壤氮含量^[7-8]。因此，明确长期弃耕的苜蓿地土壤理化性质和植物多样性的变化，对半干旱地区植被恢复具有重要意义。

本数据集包含陕西神木侵蚀与环境国家野外科学观测研究站（简称“神木站”）弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据，包括0–200厘米层的土壤含水量；0–10厘米层的土壤容重、饱和导水率、孔隙度、pH值、氨态氮、硝态氮和有效磷；0–100厘米层的土壤有机碳和全氮；以及植物Margalef指数、Pielou指数、Simpson指数和Shannon–Wiener指数，以数据论文的形式对数据采集和处理方法、数据样本描述、数据质量控制和评估、数据使用方法和建议进行详细描述，以便用户更好地使用数据，进一步推动神木国家站野外观测数据的开放与共享。

1 数据采集和处理方法

1.1 样地描述

神木站于陕西省神木市西沟乡六道沟小流域（110°21′–110°23′E，38°46′–38°51′N，海拔1094–1274 m）。该地区属于中温带半干旱气候，年均潜在蒸散量1100 mm，年均气温8.4 ℃，多年平均降雨量437.4 mm，年内年际变化较大，其中6–9月份的降雨量占全年的75%以上，平均干燥度为1.8，是典型的半干旱区，雨热同期。土壤类型为风沙土和黄绵土^[9]。

1.2 数据采集方法

1.2.1 样地描述

于2003年、2014年和2022年8月份（苜蓿生长的高峰期）对所有弃耕苜蓿地进行调查。紫花苜蓿的种植时间是在2003年采访当地农民而确定。表1描述了每块苜蓿地的海拔、坡度和坡向。

表1 陕西神木六道沟流域苜蓿地的地理信息

苜蓿地弃耕时间（年）			经度（°）	纬度（°）	海拔（m）	坡度（°）	坡向（°）	面积（m²）
2003	2014	2022	经度（°）	纬度（°）	海拔（m）	坡度（°）	坡向（°）	面积（m²）
1	12	20	110.36450	38.79338	1191	12.5–15.5	NE43	200
4	15	23	110.36473	38.79244	1207	17.5–19.0	NE78	240
6	17	25	110.36522	38.78892	1233	7.0–10.0	NW28	240
10	21	/	110.36462	38.78824	1233	10.0–14.5	NE21	200
15	26	34	110.36293	38.79315	1214	8.0–14.1	NE21	180
30	41	49	110.36814	38.79431	1230	19.0–25.0	NW6	200

“/”表示样地已经不存在。”/” indicates that the alfalfa field disappeared.

1.2.2 土壤样品采集方法

用直径5 cm的土钻采集0–200 cm层的土壤样品（0–100 cm每10 cm分层，100–200 cm每20 cm分层），每个样地3个重复，用于测定土壤含水量、有机碳和全氮；测定0–10 cm层土壤pH值、氨态氮、硝态氮和有效磷含量。同时用环刀（直径5 cm）收集0–10 cm层的土壤样品，每个样地10个重复，用于测定土壤饱和导水率和容重。

用烘干法测定土壤含水量；采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳含量^[10]；采用凯氏法消解法测定土壤全氮含量^[11]；土壤氨态氮和硝态氮采用1 mol L-1 KCl浸提，AA3型连续流动分析仪测定^[10]；土壤有效磷采用0.5 mol L-1 NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤pH使用酸度计测定^[11]；环刀法测量土壤饱和导水率和容重^[9]。

1.2.3 植物调查方法

每块样地随机设置10个1×1 m的样方框，进行植被群落调查。调查项目主要包括植物种名、数量、高度与盖度。对于丛生植物（如紫花苜蓿和长芒草等）均以每丛记为一个个体。植被株高用米尺测量。

1.3 数据处理方法

选取Simpson指数、Margalef指数、Shannon–Wiener指数和Pielou指数来衡量植物物种多样性^[12]。物种多样性指数和土壤孔隙度（Soil porosity）的计算方法如下：

\(Simpson={\sum _{i = 1}^{S}P}_{i}^{2}\) (1)

\(Margalef=\frac{\left(S-1\right)}{\mathit{ln}N}\) (2)

\(Shannon-Wiener=-\sum \left({P}_{i}×\mathit{ln}{P}_{i}\right)\) (3)

\(Pielou=\frac{-\sum \left({P}_{i}×\mathit{ln}{P}_{i}\right)}{\mathit{ln}S}\) (4)

\(Soil porosity=1-\frac{\mathrm{容}\mathrm{重}}{\mathrm{土}\mathrm{壤}\mathrm{密}\mathrm{度}}\) (5)

式中S为每块地的物种数。P_i = N_i /N，N_i 为单个物种的数量，∑N_i = N，土壤密度取2.65 g cm^-3。最后将计算后的植物多样性数据和土壤数据全部输入Excel并进行核查、数据质量控制与评估，数据上报，数据入库。

2 数据样本描述

本数据集的数据储存格式为Excel，包括指标如表2所示。

表2 神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集表头说明

指标	序号	字段内容	数据类型	计量单位	示例
土壤剖面含水量	1	序号1	数字型	/	1
	2	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	3	土壤含水量	数字型	百分号	6.59
	4	土壤深度	数字型	厘米	0–10
土壤物理特性	5	序号2	数字型	/	1
	6	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	7	土壤容重	数字型	克每立方厘米	1.29
	8	土壤孔隙度	数字型	/	0.51
	9	土壤饱和导水率	数字型	厘米每分钟	0.04
	10	土壤深度	数字型	厘米	0–10
土壤pH值	11	序号3	数字型	/	1
	12	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	13	pH值	数字型	/	8.56
	14	土壤深度	数字型	厘米	0–10
土壤速效养分	15	序号4	数字型	/	1
	16	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	17	土壤氨态氮	数字型	毫克每千克	9.35
	18	土壤硝态氮	数字型	毫克每千克	3.47
	19	土壤有效磷	数字型	毫克每千克	0.92
	20	土壤深度	数字型	厘米	0–10
土壤全量养分	21	序号5	数字型	/	1
	22	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	23	土壤有机碳	数字型	克每千克	2.31
	24	土壤全氮	数字型	克每千克	0.27
	25	土壤深度	数字型	厘米	0–50
植物物种多样性	26	序号6	数字型	/	1
	27	苜蓿地弃耕时间	数字型	年	1
	28	Margalef指数	数字型	/	1.62
	29	Pielou指数	数字型	/	0.66
	30	Simpson指数	数字型	/	0.72
	31	Shannon–Wiener指数	数字型	/	1.46

3 数据质量控制和评估

为保证数据质量，实现数据的有效共享，本数据集从原始数据采集到形成数据表的过程中，均对数据进行了严格的质量控制。其中，在野外调查过程中，每个样地植被调查均有5–10个重复样方，土壤采集和测定有3个重复样品，入库数据列举了相应的重复；在原始数据入库前，本数据集经过相关专家审核，保证所有数据的准确性。所有数据均为人工调查和测定，没有缺失情况。综上所述，陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和物种多样性数据集可靠并完整。

4 数据使用方法和建议

本数据集以神木站弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和物种多样性为基础，采用回归分析等方法，能够清楚地获得弃耕苜蓿地演替的不同阶段，以及苜蓿种植的最长时间，同时能够得到苜蓿地转变为自然草地后，土壤水分和养分是否恢复，以及恢复程度如何。这些结果均具有较高的价值，可为半干旱地区植被演替等方面研究提供数据基础。

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数据引用格式

张倩, 樊军, 贾沐霖. 陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集[DS/OL]. Science Data Bank, 2023. (2024-02-19). DOI: 10.57760/sciencedb.10281.

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稿件与作者信息

论文引用格式

张倩, 樊军, 贾沐霖. 陕西神木弃耕1–49年的苜蓿地土壤理化特性和植物物种多样性数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2024, 9(1). (2024-03-15). DOI: 10.11922/11-6035.csd.2023.0134.zh.

张倩

ZHANG Qian

主要承担的工作：数据调查、数据整理、数据汇编与论文撰写。

（1995—），女，甘肃平凉人，硕士，研究方向为干旱地区草地水文过程。

樊军

FAN Jun

主要承担的工作：数据审核与评估、野外观测方法与论文的把关。

fanjun@ms.iswc.ac.cn

（1974—），男，陕西府谷人，研究员，研究方向为干旱地区水土过程。

贾沐霖

JIA Mulin

主要承担的工作：数据调查和数据整理。

（1989—），男，内蒙古赤峰人，硕士，研究方向为干旱地区水文过程。

国家科技基础资源调查专项（2021FY100700）；中国科学院战略重点研究项目（XDA23070202）；国家自然科学基金项目（41977016）。

Special Project of National Science and Technology Basic Resources Survey (2021FY100700); Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA23070202); National Natural Science Foundation of China (41977016).

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出版历史

I区发布时间：2023年8月18日（版本ZH1）

II区出版时间：2024年3月20日（版本ZH2）