2005–2015年青藏高原东南部贡嘎山峨眉冷杉林土壤物理性质和元素数据集 中华文库

摘要：贡嘎山位于青藏高原和四川盆地的过渡带。峨眉冷杉林是贡嘎山暗针叶林的重要组成部分。采用规范的调查监测方法获取峨眉冷杉土壤物理性质和元素对直接揭示土壤质量的变化具有重要意义，也为模拟山地生态系统物质循环过程提供参数。中国科学院贡嘎山高山生态系统观测试验站（简称“贡嘎山站”）是中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）和国家生态系统观测研究网络（National Ecosystem Research Network of China，CNERN）共同建立的以亚高山生态、土壤、水文、气候、冰川为一体的综合性试验研究基地与观测平台。按照CERN的统一规范，贡嘎山站开展了土壤长期监测工作。本数据集收集整理了2005–2015年峨眉冷杉林0–10、10–20、20–40、40–60、60–100 cm土层土壤的容重、机械组成、土壤养分全量、土壤矿质全量、微量元素全量、重金属全量等31项指标，其中土壤养分全量采样频率为5年/次，其他采样频率为10年/次。本数据集可为山地大气–土壤–植物生物地球化学循环过程提供基础数据，为山地生态安全和生态修复提供理论参考。

关键词：贡嘎山；峨眉冷杉；土壤物理性质；土壤元素；土壤质量

Abstract: Gongga Mountain is located in the transition zone between the Sichuan Basin and the Qinghai-Tibet Plateau. Abies fabri Craib is an endemic and dominant species in typical subalpine dark coniferous forests, in Gongga Mountain. Scientific and standardized survey on the physical properties and elements of Abies fabri Craib is of great significance for revealing soil quality, and provide valuable parameters for simulating the material circulation in the mountain ecosystem. Co-built by Chinese Ecosystem Research Network (CERN) and National Ecosystem Research Network of China (CNERN), Gongga Station is a comprehensive experimental base and observation platform, integrating subalpine ecology, soil, hydrology, climate and glaciers. Pursuant to the protocols for standard soil observation and measurement of CERN, the station has been carrying out long-term soil survey. This dataset collected and processed 31 soil indices of A. fabri soil from different soil lays (0–10 cm, 10–20 cm, 20–40 cm, 40–60 cm and 60–100 cm) from 2005 to 2015, such as soil bulk density, mechanical composition, total nutrients, total minerals, total microelements and total heavy metals. The regular sampling time interval for soil nutrients is 5 years, and the sampling interval for other indices is 10 years. This dataset is aimed to provide basic data for the biogeochemical cycling process of air-water-soil-plant systems and theoretical reference for mountain ecological safety and ecological restoration.

Keywords: Gongga Mountain; Abies fabri Craib; soil physical properties; elements; soil quality

土壤是森林生态系统最基本的自然资源，是植物营养元素的主要供应源，是植物生长发育的重要载体和机械支撑。土壤物理性质和土壤元素直接反映土壤环境质量变化情况^[1][2][3]，而土壤质量影响着植物的生长发育状况，动物生存发展、土壤环境保护能力^[4][5]。土壤元素是植物生长必须的养分元素，由于自然过程和人类活动的影响以及大气长距离传输会导致土壤元素亏损或富集^[6]。因此，本文对土壤物理性质和元素展开了研究，不仅为森林土壤质量管理提供科学数据，而且为生物地球化学研究和生态环境保护提供理论依据。

贡嘎山是青藏高原东南缘的典型高山生态系统，而峨眉冷杉林是青藏高原东缘亚高山暗针叶林的重要组成部分，其自然更新对全球变化非常敏感，是研究气候变化对陆地生态系统影响的代表性森林类型^[7]。因此，本研究选择峨眉冷杉林中龄林和成熟林作为长期监测样地。本数据集整理了峨眉冷杉中龄林和成熟林0–10、10–20、20–40、40–60、60–100 cm土层土壤的容重、机械组成、土壤养分全量（有机质、全氮、全磷、全钾）、土壤矿质全量（SiO2、Fe2O3、Al2O3、TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、LOI、S）、微量元素全量（硼、钼、锰、锌、铜、铁）、重金属（硒、镉、铅、铬、镍、汞、砷），还整理了土壤剖面特征调查表、采样和样品保存记录和分析方法记录。本数据集为揭示暗针叶林峨眉冷杉土壤质量变化规律提供长期的、系统的观测数据，对大气–水–土壤–植物–微生物系统中的生物地球化学循环过程以及多元素的耦合模型具有重要意义。

1.1 样地介绍

贡嘎山位于青藏高原的东南缘，横断山脉中部，主峰海拔7556 m，属于亚热带温暖湿润季风区与青藏高原东部高原温带半湿润区的过渡带上，年平均气温4℃，年平均降水量1861 mm，年均空气相对湿度90%左右，每年5–10月为雨季和生长季。贡嘎山高山生态系统植被垂直分布明显，从低海拔到高海拔分布有阔叶林、针叶阔叶混交林、亚高山针叶林、高山灌丛及草甸等多种植被类型。该地区的土壤较为疏松、粗糙，土中多含石砾、砾质等新生体；粘粒含量低，硅铝和硅铝铁率较高，母质中矿物风化度浅；土壤垂直分带十分明显^[8]。依据中国生态系统研究网络（CERN）陆地生态系统土壤观测规范，贡嘎山站建立了观景台综合观测场长期观测样地（GGFZH01）和干河坝站区长期观测样地（GGFZQ01），详见图1。观景台综合观测场长期观测样地设置面积为110 m×50 m，经纬度为29°34′23″N，101°59′19″E，海拔3160 m，坡度为30–35°，群落特征为峨眉冷杉成熟林，土类为棕色针叶林土，亚类为灰化棕色针叶林土。干河坝站区长期观测样地面积为70 m×30 m，经纬度为29°34′33″N，101°59′42″E，海拔3010 m，坡度为7–10°，群落特征为峨眉冷杉中龄林，土类为粗骨土，亚类为泥石流粗骨土。

图1 样地地理位置

1.2 样品采集

在长期观测样地布设永久性样地和破坏性样地，破坏样地在永久性样地两侧，面对长期观测样地，按从左至右从上到下顺序排列，设置3个二级样方分布在坡上、坡中、坡下，土壤采样设计见图2。观景台综合观测场破坏样地的二级样方规格为30 m×16.67 m，干河坝站区破坏样地的二级样方规格为15 m×10 m。本数据集中样品都采集于破坏样地的3个二级样方（ABC_02-01、ABC_02-02、ABC_02-03）。在每个二级样方随机布设土壤剖面采样点，在剖面用土铲挖取0–10、10–20、20–40、40–60、60–100 cm土层土壤样品，同一个土层随机取3个样品。将同一层的3个土样均匀混合，按照四分法取1 kg土壤带回实验室去除植物根系和大于2 cm的石砾等杂质，经过自然风干，按照各项指标需求进行过筛处理。在采样点剖面，用100 cm3环刀在同一个土层上中下部共取3个重复原状土壤，测定土壤容重。

图2 土壤长期观测样地布置图

1.3 样品测试与处理

野外初步处理后的土壤样品带回实验室进行详细的测试分析，按照国家、林业部或农业部等标准进行分析^[9][10]，分析内容主要包括土壤养分全量（有机质、全氮、全磷、全钾）、土壤矿质全量（SiO2、Fe2O3、Al2O3、TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、LOI、S）、微量元素全量（硼、钼、锰、锌、铜、铁）、重金属全量（硒、镉、铅、铬、镍、汞、砷）、机械组成、容重。分析人员及时、详细地记录每个样品的测试值，并将所有数据录入计算机。数据录入完成后，监测人员对数据进行核实，以保证电子版数据和纸质原始记录数据完全一致。

2.1 数据集结构

本数据集包括了5张数据表，分别是土壤元素、土壤物理性质、土壤剖面特征调查表、采样和样品保存记录和分析方法表。

(1) 土壤元素表：2005–2015年贡嘎山暗针叶林峨眉冷杉中龄林和成熟林长期观测样地的土壤监测数据。表格包括年、月、日、样地代码、样地名称、采样分区编号、土壤类型、母质、植被类型、采样深度（cm）、样品号、有机质、全氮、全磷、全钾、SiO2、Fe2O3、Al2O3、TiO2、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、LOI、S、全硼、全钼、全锰、全锌、全铜、全铁、硒、镉、铅、铬、镍、汞、砷和备注，共计41个字段。其中年月日代表采样的时间。表1以2015年土壤元素中的土壤钙数据为例，展示本数据集的部分字段。

表1 “土壤化学性质指标”表中贡嘎山站2015年土壤钙数据

(2) 土壤物理性质：表格包括年、月、日、样地代码、样地名称、采样分区编号、土壤类型、母质、植被类型、采样深度（cm）、样品号、土壤容重、0.05−2 mm砂粒百分率、0.05−0.002 mm粉粒百分率、小于0.002 mm粘粒百分率、土壤质地名称和备注，共计17个字段。表2以2015年土壤物理性质中的土壤容重数据为例展示。

表2 “土壤物理性质”表中2015年土壤容重数据

(3) 土壤剖面特征调查表：本表对贡嘎山暗针叶林峨眉冷杉中龄林和成熟林长期观测样地土壤剖面的信息进行了说明，包括年份、样地代码、样地名称、剖面地点、剖面点经度、剖面点纬度、土类、亚类、母质、植被类型、样品号、层次名称、土层深度（cm）、土层间过渡明显程度、土层间过渡形式、形态描述和备注，共计17个字段（部分字段见表3）。本土壤剖面特征调查信息是2004在长期观测采样地确定后测定一次，作为今后采样深度划分的依据。

表3 土壤剖面特征调查信息

(4) 采样和样品保存记录表：本表记录了贡嘎山暗针叶林峨眉冷杉中龄林和成熟林土壤观测样地的样品采集时间、天气状况、采样方式、样品保存、前处理方法以及采样人等信息，共计9个字段。表4以2015年土壤采样和样品保存记录为例展示部分字段。

表4 2015年土壤样品采集信息

(5) 分析方法记录表：各项土壤物理性质和元素的分析方法信息，包括分析年份、分析项目名称、分析方法名称、分析方法引用标准和参考文献，共计5个字段。分析方法引用标准是分析方法的标准文献编号，以GB开头的为国家标准，以LY开头的为林业部标准等，参考文献是分析中所参考的权威书籍，包括书籍名称和页码。表5以2015年土壤全磷的分析方法及引用标准和文献为例展示。

表5 2015年土壤全磷分析方法信息

(6) 采样频率记录表：各项指标的采样频率信息，包括样地代码、样地名称、土壤类型、母质、植被类型、采样指标、采样频率，共计7个字段。表6以土壤有机质的采样频率为例展示部分字段。

表6 土壤有机质采样频率记录信息

2.2 数据缺失情况

2005年土壤容重缺失原因：2005年采集0–20、20–40、40–60、60–100 cm土层土壤样品测定的土壤容重，与其他年份采集的土层不同，所以在本数据集未给出。按照CERN规定，土壤矿质全量、土壤重金属全量、土壤机械组成和土壤容重每10年1次，所以缺少2010年土壤矿质全量和土壤重金属全量、土壤机械组成、土壤容重的数据。

在观测数据的采集、分析测试、录入和质量检查，严格按照CERN统一制定的土壤观测规范^[11]和土壤观测质量控制规范^[12]来开展相关工作。本数据集采用四级控制：第一级要求数据采集人（监测、分析人员）严格按操作规程获取数据；数据采集人提交上来的数据经专业负责人（CERN土壤分中心质量控制）审核，此为第二级控制；CERN土壤分中心采用土壤监测数据质量控制软件校验数据后，反馈报告给专家（台站负责人）最终审核和修订，此为第三级控制；数据入库前由质量总控制人审核，此为第四级控制。

本数据集测定项目重复测定数不少于6个，剖面数据不少于3个，以保证数据的代表性和有效性。数据的缺失率不大于70%^[10]。本数据集中采用了标准样品质控，根据农业土壤成分分析标准物质（GBW07412-GB7417）、土壤有效态成分分析标准物质（GBW07412-GB7417）和环境土壤标准物品（ESS-3）进行土壤质量指标的量值标准和测试的质量控制。

贡嘎山作为横断山地区的典型代表和长江上游的重要生态屏障，生态地位极其重要，该区域是研究土壤发育和植被演替的绝佳场所，元素供给可能是关键因子。因此，本数据集给出了贡嘎山29个土壤元素指标，可为科研人员对该区域元素地球化学循环的研究提供数据支撑，对维持生态系统服务与功能具有一定意义。

感谢CERN综合中心和土壤分中心领导和老师的指导和支持，感谢野外监测人员在土壤监测和样地管理工作中的贡献。

杨阳, 李伟, 王根绪. 2005–2015年青藏高原东南部贡嘎山峨眉冷杉林土壤物理性质和元素数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2020. (2020-02-26). DOI: 10.11922/sciencedb.941.