2005-2014 年桃源站气象综合观测场土壤水热动态数据集

尹春梅，傅心赣，陈春兰，魏文学，谢小立

1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室/湖南桃源农田生态系统国家野外科学观测研究站，长沙 410125

引 言

红壤是我国分布面积最广的土类之一，主要分布在25°N-31°N 的中亚热带广大低山丘陵地区，包括湖南省在内的南方红壤丘陵区总土地面积为118×104km2，约占全国土地面积的12.3%[1]，坡地和丘陵地是红壤区典型的地貌特征。红壤丘陵区水热资源丰富，蕴藏着巨大的自然资源开发利用潜力；但同时，水土流失和季节性干旱又是该区面临的最为严重的两大生态问题[2]，严重制约了区域农业的可持续发展[3-4]。

土壤水分作为联系降水、地表水与地下水的纽带，通过植被蒸腾与光合作用影响水、能量以及地球生物化学循环[5]，是土壤系统养分循环和流动的载体，是陆地水循环过程的关键环节[6]。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[7-8]，也是土壤－植被－大气连续体中不同功能作用层水分上行运动的重要联系枢纽和水量平衡研究的关键[9]。土壤中水热交换是同时进行的，二者之间存在着必然的互作效应[10]。因而，土壤水热状况的长期观测对于研究亚热带红壤区域碳循环、土壤热储量、地表能量和水分输送、以及作物生长、调整作物布局、合理安排农事生产等有重要的现实意义。

本数据集汇集了桃源站标准气象观测场2005-2014 年水热动态长期观测数据，包括气温、降水、相对湿度、土壤分层温度、土壤热通量以及土壤含水量观测数据。本文将详细介绍这些数据的采集和处理过程，为用户更好地使用这些数据提供基础信息。

1 数据采集和处理方法

湖南桃源农田生态系统国家野外科学观测研究站（也称中国科学院桃源农业生态试验站，简称桃源站，TYA），成立于1979 年6 月，隶属中国科学院亚热带农业生态研究所，现为中国生态系统研究网络（CERN）野外站、国家生态系统观测研究网络（CNERN）研究站、全球陆地观测系统（GTOS）以及国际长期生态研究网（ILTER）成员。桃源站在CERN 和CNERN 的统一部署下，按照陆地生态系统水环境观测规范及大气环境观测要求[11-12]，设置观测样地、观测层次及观测频度。从2004 年起，采用统一的观测仪器和指标，设置标准化水分和气象观测场地对系列指标进行长期监测。

1.1 观测样地设置

桃源站气象综合观测场（TYAQX01），建立于1996 年，正南北向，正方形，面积25×25 m²。该气象观测场地位于坡顶平地，四周空旷平坦，周围没有高大建筑物、树木的遮挡。观测场四周未种植高秆作物，观测场位于该地区主风向的上风方向。观测场中心点经纬度：111°26′26.4″E；28°55′46.1″N；西南角：111°26′26.0 ″E；28°55′45.7″N；东北角：111°26′ 26.9″E；28°55′46.5″N。气象场内气象、水分观测设施（中子管埋设）分布图及编码见图1。

图1 桃源站气象综合观测场

1.2 数据采集方法

本数据集整编了桃源站气象观测场土壤水热部分观测指标日尺度和月尺度统计数据，主要包括气温、降雨、相对湿度、土壤温度、土壤含水量和土壤热通量。

大气观测仪器采用芬兰VAISALA 生产的MILOS520 自动气象站，数据按月处理，由中国生态系统研究网络气象报表由自动生成的报表（简称为M 报表）、规范气象数据报表（简称为A 报表）和数据质量控制表（简称为B2 表）组成。用“生态气象工作站”软件对观测得到的数据进行处理[13]，数据处理程序将对观测数据进行自动处理、质量审核，按照观测规范[14]最终编制出观测报表文件。

土壤含水量采用北京超能科技公司生产的CNC503（DR）中子仪进行观测，观测样地的设置、维护以及观测规范和原始数据质量控制方法根据《中国生态系统研究网络（CERN）长期观测质量管理规范》丛书《陆地生态系统水环境观测质量保证与质量控制》[15]的相关规定进行，数据处理采用CERN 生态网络前端数据处理-土壤水分含量专用软件进行。观测数据获取后，由台站按照CERN 规范要求统一录入土壤水分含量报表，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，并录入数据库[16]。

本数据集中所涉及的数据采样和记录规范如下：

1.2.1 温度和湿度

自动观测采用HMP155 型温湿度传感器。温湿度值采测频率：10 s/次，将每min 采测的6 个温、湿度值，去除一个最大值和一个最小值后取平均值，作为每分钟的温、湿度值存储。正点整时采测的温、湿度值作为正点数据存储，同时获取前1h 内的温度极值和相对湿度极值及出现时间进行存储。每日20 时从每小时的最高和最低气温和最小相对湿度值及出现时间中挑选出1 d 内的气温极值和相对湿度极值及出现时间存储。数据记录，温度保留1 位小数，相对湿度取整数值。

人工观测气温和湿度的仪器主要有干球温度表、湿球温度表、最高温度表、最低温度表、毛发湿度表，安装在百叶箱中，每日三次（8:00、14:00、20:00）观测。

观测层次：距地面1.5 m。

1.2.2 降雨

采用RG13 型雨量传感器，液态降水，正点（地方平均太阳时）计算、存储前1 小时的累计降雨量。每日20 时计算存储每日降水（20∶00-20∶00）。数据记录保留1 位小数，自动降水数据缺失时日累计降雨量采用人工降雨数据替补。

人工降雨采用SM1-1 型雨雪量器，每天8:00 和12:00 观测前12 h 的降雨量；降雨量大时，视具体情况增加观测次数，更换储水瓶，以免降水溢出造成记录失真。准确度为0.1 mm，无降水或不足0.05 mm 的降雨量计为0.0。

观测层次：距地面70 cm。

1.2.3 地温

下垫面温度和不同深度的土壤温度统称为地温。

本站采用QMT110 型土壤温度传感器。地面和地下各层温度值采测频率为10s/次，正点时存储00 min 的数值作为正点数据存储，并获取每小时地面温度的最高、最低温度值和出现时间。每日20时挑取24 h 内的地面温度最高、最低温度和出现时间，数值保留2 位小数。

观测层次：土壤0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、40 cm、60 cm、100 cm。

1.2.4 土壤热通量

采用HFP01SC 型自校准土壤热通量传感器。每12 h 自动校准传感器一次，计算得出测量参数用于热通量测量。采测频率为10 s/次，将每1 min 采测的6 次（瞬时值）去除一个最大值和一个最小值后取平均值，数值保留3 位小数。正点（地方平均太阳时）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：热通量板埋入土下3-5 cm。

1.2.5 土壤体积含水量

采用北京超能科技公司生产的CNC503（DR）中子水分仪（以下简称中子仪）进行观测，观测频率为每隔5 天1 次（5-10 月）、每隔10 天1 次（11 月至次年4 月），观测场中埋设2 根中子管，在实际观测过程中由于降雨和仪器等原因观测时间有适当调整。原始数据采用小数表示，数值保留4 位小数，数据整理过程中用百分数表示，数值保留2 位小数。

观测层次：10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、70 cm、90 cm、110 cm、130 cm、150 cm、170 cm。

1.3 数据的处理

本数据集是基于CERN 长期联网监测桃源站长期大气和水分监测入库数据的再加工数据集，原始数据处理及质控、评估方法参照《地面气象观测规范》[12,17]，数据集整编过程数据处理和质控措施见表1，数据源可通过网址：http://tya.cern.ac.cn/meta/metaData 查询和获取。

表1 数据处理过程及其质量控制和评估方法

观测指标 数据集整编过程处理及质控措施 （2）土壤含水量日数据（D表）：将样地内2根中子管各层次某日测定数据取平均值代表该样地该测定日的各层体积含水量数据；原数据中2次重复有1次缺失的，采用剩下的1次作为当日值，两次均缺失的，按缺失处理，备注说明；有效数据个数按实际参与平均的数据个数计算。 （3）土壤含水量月数据（M表）：将土壤含水量日数据（D表）和每月各日数据取平均值作为该月的土壤体积含水量数据，当月无测定数据的，按缺失处理，备注说明。 （4）在数据表中标明重复数（参与平均的数据个数）及标准差[16]。 （5）在备注列标明数据缺失原因。 土壤温度（地表、 5 cm、 10 cm、 15 cm、 20 cm、 40 cm、 60 cm、 100 cm） 土壤热通量 （1）地表温度的日值缺失时采用人工观测数据结果插补，方法参照与气温日值缺失的插补。 （2）各层次土壤温度日值缺失时，用缺测日前后的气温数据内插求得（连续缺失最长不超过5日）。 （3）采用插补后的日值计算月均值。 （4）有插补值的当日和当月数据备注列注明“修订”字样。 （5）采用时间序列比对法，通过时间序列比对法，标注未达到本数据集剔除条件的异常数据（2006年10-12月土壤5 cm土壤温度数据），以黄色背景显示，并备注“偏高”。 （1）因土壤热通量有方向，且本数据集中数据缺失量较少，故不作插补。 （2）缺失数据在数据列保留空白，备注中标注“缺失”。 （3）通过时间序列比对法，标注未达到本数据集剔除条件的异常数据（2014年7月21、22日土壤热通量数据），以黄色背景显示，并备注“偏高”。

2 数据样本描述

本数据集由12 个数据表组成，分别为：

（1）气温（D）：本表为气温日尺度数据表，数据列包括年、月、日、日平均值、日最大值、日最大值出现时间、日最小值、日最小值出现时间、备注。

（2）气温（M）：本表为气温月尺度数据表，数据列包括年、月、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月极大值、极大值日期、月极小值、极小值日期、备注。

（3）相对湿度（D）：本表为相对湿度日尺度数据表，数据列包括年、月、日、日平均湿度、日最低湿度、最低湿度出现时间、备注。

（4）相对湿度（M）：本表为相对湿度月尺度数据表，数据列包括年、月、日平均值月平均、日最小值月平均、月极小值、极小值日期、备注。

（5）降雨量（D）：本表为降雨日尺度数据表，数据列包括年、月、日、降雨量、当日最大小时降雨量、备注。

（6）降雨量（M）：本表为降雨月尺度数据表，数据列包括年、月、月降雨量合计、月小时降雨量极大值、极大值日期、备注。

（7）土壤含水量（D）：本表为土壤体积含水量日尺度数据表，数据列包括年、月、日、样地代码、样地名称、作物名称、观测层次、体积含水量、备注。

（8）土壤含水量（M）：本表为土壤体积含水量月尺度数据表，数据列包括年、月、观测层次、体积含水量、标准差、有效数据个数、备注。

（9）土壤温度（D）：本表为土壤温度日尺度数据表，数据列包括年、月、日、观测层次、日平均温度、日最高、日最低、备注。

（10）土壤温度（M）：本表为土壤温度月尺度数据表，数据列包括年、月、观测层次、日平均值月平均、日最大值月平均、日最小值月平均、月极大值、极大值日期、月极小值、极小值日期、备注。

（11）土壤热通量（D）：本表为土壤热通量日尺度数据表，数据列包括年、月、日、土壤热通量日合计、备注。

（12）土壤热通量（M）：本表为土壤热通量月尺度数据表，数据列包括年、月、土壤热通量月合计、有效数据个数、备注。

数据表中：“空白”表示缺测，“0”表示实测结果为零，“-”表示未检出或未发现。

3 数据质量控制和评估

作为CERN 的成员站，桃源站在CERN 的统一规划和指导下，进行相关指标的长期观测，数据的管理和质量控制则由专业分中心和综合中心负责[14-15]。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。

本数据集所涉及的观测样地的设置、维护以及观测规范和原始数据质量控制方法根据《中国生态系统研究网络（CERN）长期观测规范》的相关规定进行[11-12]。观测数据获取后，由台站按照CERN 规范要求统一录入相应报表，每年定期向CERN 大气、水分分中心上报，由分中心负责汇总、质控，并录入数据库。

许多科学研究在使用长期观测数据的时候都会用到观测的日值资料，但由于仪器故障、人力等原因，数据缺测、漏测的现象均不同程度的存在，这给研究工作带来了一定的不确定性。本数据集的基础数据为CERN 长期监测入库数据，数据集加工过程中，再次对原始数据的完整性、准确性和一致性进行了检验评估，并对部分缺失日数据进行了插补，统计结果进行了重新计算，为今后的科研工作者和统计工作者提供了更好的支撑。原始数据和数据集整理过程具体质控方法参见本文第1.3节数据的处理。同时，本文统计了各表基于入库数据的修订率（表2），数据条数按excel 表行数计算，有多个数据项，如逐日数据表，1 条数据表示当日多个数据项，逐月数据表1 条数据则表示当月多个数据项。

表2 本数据集各数据表缺失、修订率

序号 数据表名称 数据总条数 缺失条数 缺失率(%) 修订条数 修订率(%) 6 降雨量（M） 120 0 0.00 11 9.17 7 土壤含水量（D） 6039 69 1.14 0 0.00 8 土壤含水量（M） 1320 22 1.67 0 0.00 9 土壤温度（D） 29216 0 0.00 315 1.08 10 土壤温度（M） 960 0 0.00 129 13.44 11 土壤热通量（D） 3652 8 0.22 0 0.00 12 土壤热通量（M） 120 0 0.00 0 0.00

另外，2006 年10-12 月土壤5 cm 地温数据与同时间段地表温度与土壤10 cm 相比高出较多，且与其他年份同期相比也明显偏高，2014 年7 月21、22 日土壤热通量数据与往年同期相比偏高，但未达到源数据处理及数据集整理过程异常值剔除范围，给予保留，但在数据表中以黄色背景显示，并在备注列标注了“偏高”字样，提请数据使用者注意。

4 数据价值

在CERN 顶层设计规范下实施的各站水、土、气、生各要素长期观测工作，从指标体系的设计、观测过程的实施、数据的整理汇交都有一系列的标准和规范以保障所获取数据的一致性和准确性，如《CERN 长期观测规范丛书》、《CERN 长期观测质量管理规范丛书》等[11-12,14-15,18-19]，实现了网络内各台站建设，为提高生态环境科学的研究水平，为促进我国自然资源的可持续利用以及为国家关于资源、环境方面的重大决策提供科学依据。基于CERN 联网观测产生的数据集是我国长期生态观测基础数据积累的重要组成部分。

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/957）获取数据服务。同时，如果对相关原始数据有使用需求的（如小时尺度数据、原始数据、背景信息等），也可通过湖南桃源农田生态系统国家野外科学观测研究站数据资源服务平台（http://tya.cern.ac.cn/meta）进行在线申请。 数据申请流程为注册成功并登陆系统后， 进入数据申请页面（http://tya.cern.ac.cn/meta/metaData，图2），点击“生态系统要素联网长期监测数据”选择所需要的数据表格，点击蓝色的申请按钮后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。如需要与本数据集相关的其他数据也可通过该平台查询、申请、获取，或直接咨询本文作者；后续，作者会陆续将台站长期观测包括与本文相关的其他数据内容撰写数据论文，以提供更好的数据共享服务。

图2 桃源站数据资源服务平台数据资源申请页面

致 谢

感谢曾经承担过桃源站水分、大气野外观测工作的肖领先、宋佳阳等工作人员！感谢CERN 水分分中心唐新斋老师，大气分中心刘广仁老师对数据处理和质量控制方面的指导和帮助！

数据作者分工职责

尹春梅（1982—），女，湖南省长沙市人，硕士，高级工程师，数据信息管理。主要承担工作：负责监测工作实施，数据处理、数据校正和数据质量控制。

傅心赣（1972—），男，湖南省常德市人，大专，技工，长期野外观测。主要承担工作：野外观测数据的采集，仪器标定、校正。

陈春兰（1982—），女，湖南省长沙市人，硕士，高级工程师，长期野外监测。主要承担工作：辅助野外监测工作实施。

魏文学（1960—），男，湖南省长沙市人，研究员，博导，研究方向为土壤分子生态。主要承担工作：数据质量控制。

谢小立（1958—），男，湖南省长沙市人，研究员，硕导，研究方向为农田生态过程。主要承担工作：野外观测方法与技术指导。