摘要&关键词
摘要：土壤水是农田生态系统中物质运移的载体，对作物生长和生态系统功能有重要影响。研究表明，水分是我国东北黑土区农业生产的主要限制因素。土壤含水量是中国生态系统研究网络（CERN）陆地生态系统水环境观测的重要指标。中国科学院海伦农业生态实验站（简称海伦站）是我国唯一从事黑土农田生态系统长期定位监测、研究与示范的国家级野外台站。1993年，海伦站将典型作物种植制度和施肥制度相结合建立黑土农田土壤水分观测场，按照CERN的要求进行长期水分数据观测及汇交工作。本数据集收集、整理了2004–2015年典型农田管理方式下土壤剖面含水量长期观测数据，为研究东北黑土区水资源变化和农业可持续发展提供基础数据支撑。
关键词：黑土；不同管理方式；土壤含水量；长期监测
Abstract & Keywords
Abstract:?As a critical carrier of the material cycle of agricultural ecosystem, soil water has an important influence on the crop growth and ecosystem function. Studies show that water is one of the major limiting factors which influence agricultural productivity in the black soil region of northeast China. Soil moisture is an important monitoring indicator for the water environment of terrestrial ecosystems of Chinese Ecosystem Research Network (CERN). Hailun Agroecosystem Experimental Station of Chinese Academy of Sciences (Hailun Station) is the only national station among China’s agricultural ecosystems engaged in the long-term monitoring, research, and demonstration of the black soil region in northeast China. In 1993, soil water observation field was set up by combining typical cropping regimes with fertilization regimes in Hailun Station, where long-term soil moisture monitoring and data collection were carried out in accordance with the protocols of CERN. This dataset is an assemblage of long-term observation data of soil moisture content in soil profile under typical farmland management regimes from 2004 to 2015. It provides basic data support for the study of changes in water resources and agricultural sustainable development in the black soil region of northeast China.
Keywords:?black soil;?different management regimes;?soil moisture;?long-term monitoring
数据库（集）基本信息简介
| 数据库（集）名称 | 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 |
| 数据作者 | 张志明、李猛、王守宇、郝翔翔、赵勤、韩晓增、李禄军 |
| 数据通信作者 | 李禄军 (lilujun@iga.ac.cn) |
| 数据时间范围 | 2004–2015年 |
| 地理区域 | 中国科学院海伦农业生态实验站（126o55′E，47o27′N），土壤水分长期观测样地。 |
| 数据量 | 284 KB，4079条数据 |
| 数据格式 | *.xlsx |
| 数据服务系统网址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/831 |
| 基金项目 | 中国生态系统观测研究网络野外台站运行服务费；科技部国家野外科学观测研究站运行服务费。 |
| 数据库（集）组成 | 数据集由4个数据表组成。每个数据表含1个施肥处理2004–2015年土壤含水量月平均数据。具体施肥处理有：（1）不施肥（F1）；（2）低量化肥（F2）；（3）高量化肥（F3）；（3）高量化肥+有机肥（F4）。 |
Dataset Profile
| Title | A long-term monitoring dataset of soil moisture content in black soil farmland during 2004–2015 under different management regimes in Hailun Agroecosystem Experimental Station, Chinese Academy of Sciences |
| Data corresponding author | Li Lujun (lilujun@iga.ac.cn) |
| Data authors | Zhang Zhiming, Li Meng, Wang Shouyu, Hao Xiangxiang, Zhao Qin, Han Xiaozeng, Li Lujun |
| Time range | 2004–2015 |
| Geographical scope | Soil water observation plots, Hailun Agroecosystem Experimental Station, Chinese Academy of Sciences (126o55′E, 47o27′N). |
| Data volume | 284 KB (4079 entries) |
| Data format | *.xlsx |
| Data service system | <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/831> |
| Sources of funding | Chinese Ecosystem Research Network (CERN) – Hailun Agroecology Research Station, Chinese Academy of Sciences, the National Science and Technology Infrastructure Platform; Operation Service Project of National Scientific Observation and Research Field Station of Hailun Agroecology Research Station in Hunan, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China. |
| Dataset composition | The dataset consists of 4 subsets in total. Each subset contains the average monthly soil moisture from 2004 to 2015. The specific fertilization treatments are as follows: (1) No fertilizer (F1); (2) Low quantity chemical fertilizer (F2); (3) High quantity chemical fertilizer (F3); (4) High quantity chemical fertilizer plus organic fertilizer (F4). |
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
| 年份 | 作物 | 施肥量 | |||
| F1 | F2 | F3 | F4 | ||
| 2004–2006 | 大豆 | 不施肥 | N：21.50 kg/ha P2O5：54.96 kg/ha | N：32.26 kg/ha P2O5：82.44 kg/ha | N：32.26 kg/ha P2O5：82.44 kg/ha 有机肥：30000.00 kg/ha |
| 玉米 | 不施肥 | N：150.00 kg/ha P2O5：75.00 kg/ha | N：150.00 kg/ha P2O5：75.00 kg/ha | N：150.00 kg/ha P2O5：75.00 kg/ha 有机肥：30000.00 kg/ha | |
| 2007–2015 | 大豆 | 不施肥 | N：20.25 kg/ha P2O5：51.75 kg/ha | N：40.30 kg/ha P2O5：103.50 kg/ha | N：40.30 kg/ha P2O5：103.50 kg/ha 有机肥：15000.00 kg/ha |
| 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 |
|---|---|---|
| 生态站代码 | 字符型 | HLA，“HL”海伦站拼音首字母，“A”表示农田站 |
| 年 | 数字型 | 数据产生年度 |
| 月 | 数字型 | 数据产生月份 |
| 样地代码 | 字符型 | 土壤含水量观测样地代码 |
| 作物名称 | 字符型 | 观测样地当年种植作物名称 |
| 施肥处理 | 字符型 | 观测样地施肥处理 |
| 观测层次（cm） | 数字型 | 观测土壤剖面深度范围 |
| 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
[1]
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韩晓增, 王守宇, 宋春雨, 等. 海伦地区黑土农田土壤水分动态平衡特征研究[J]. 农业系统科学与综合研究, 2003, 19(4): 252-255.
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邹文秀, 韩晓增, 江恒, 等. 东北黑土区降水特征及其对土壤水分的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(9): 196-202.
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乔櫵, 沈善敏, 周绍权. 东北北部黑土水分状况之研究Ⅰ.黑土水分状况的基本特征及其与成土过程的关系[J]. 土壤学报, 1963, 11(2): 143-158.
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沈蓉, 张瑜芳, 杨诗秀. 水资源科学试验与研究[M].北京: 中国科学技术出版社, 1992.
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袁国富, 张心昱, 唐新斋, 等. 陆地生态系统水环境观测质量保证与质量控制[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2012.
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数据引用格式
张志明, 李猛, 王守宇, 等. 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[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-12). DOI: 10.11922/sciencedb.831.
稿件与作者信息
论文引用格式
张志明, 李猛, 王守宇, 等. 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[J/OL]. 中国科学数据, 2020, 5(1). (2019-10-17). DOI: 10.11922/csdata.2019.0036.zh.
张志明Zhang Zhiming
主要承担工作：数据处理、质量控制和论文撰写。
（1987—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，研究方向为农田生态过程。
李猛li meng
主要承担工作数据质量控制。
（1984—），男，内蒙古包头人，硕士，工程师，研究方向为农业气象。
王守宇Wang Shouyu
主要承担工作：数据审核。
（1976—），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，高级工程师，研究方向为生态监测数据信息化管理。
郝翔翔Hao Xiangxiang
主要承担工作：试验田和监测样地管理。
（1984—），男，山西临汾人，博士，工程师，研究方向为土壤碳氮循环。
赵勤Zhao Qin
主要承担工作：田间观测，仪器标定和校正。
（1968—），男，黑龙江海伦人，大专，技术员。
韩晓增Han Xiaozeng
主要承担工作：数据质量评估。
（1957—），男，黑龙江哈尔滨人，本科，研究员，研究方向为土壤肥力与植物营养和农业生态。
李禄军Li Lujun
主要承担工作：数据质量评估和总体工作部署。
lilujun@iga.ac.cn
（1982—），男，甘肃定西人，博士，研究员，研究方向为土壤肥力与碳氮循环、农业生态等。
