蘇文，陳春蘭，黨廷輝，樊月玲，郝翔翔，何永濤，況福虹，蘭中東，李國振，李小軍，李小麗，李玉強1，熱甫開提1，蘇永中1，田振榮1，王書偉1，吳瑞俊1，楊風亭1，張玉銘1，宗海宏0

1.中國科學院地理科學與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101

引 言

土壤有機碳是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要和活躍的碳庫,同時又是土壤肥力和基礎(chǔ)地力的最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于受到人類活動的強烈影響，農(nóng)田土壤碳庫的研究一直是碳循環(huán)研究的熱點，也是全球變化、溫室氣體減排和糧食安全等問題研究的核心內(nèi)容之一[1-2]。耕地有機碳是農(nóng)田土壤碳庫的重要組成部分。在自然因素和農(nóng)業(yè)管理措施的作用下，農(nóng)田耕層土壤碳庫在不斷地變化，這種變化不僅改變土壤肥力，而且影響區(qū)域乃至全球碳循環(huán)[3-4]。自然資源部《2016中國國土資源公報》顯示，中國耕地面積為135 Mhm2左右，約占我國國土面積的14%。由于中國耕地土壤分布廣泛，利用方式和種植制度復雜多樣，土壤的區(qū)域異質(zhì)性高[5]，因此，研究耕地有機碳及儲量的變化規(guī)律，摸清耕地土壤的固碳能力，認識耕地固碳與生產(chǎn)力保持的耦合機制，對中國來講尤其重要[1,6]。

20世紀70年代末到80年代初開展的全國第二次土壤普查，獲得了較為詳細的全國范圍內(nèi)的土壤狀況數(shù)據(jù)[7]。農(nóng)業(yè)部與中國農(nóng)業(yè)科學院于1987年在我國東北、甘新、黃土高原、黃淮海、長江中下游、華南和西南等7大農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，建立了由9個監(jiān)測基地組成的全國土壤肥力和肥力效應監(jiān)測網(wǎng)，監(jiān)測我國不同區(qū)域、不同土壤類型、不同施肥處理下肥料效應和肥料利用率、土壤肥力演變規(guī)律和肥料對環(huán)境影響等[8]。2014年，全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務中心編輯出版了《測土配方施肥土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分數(shù)據(jù)集》（2005-2014年），收集了全國 2948個農(nóng)業(yè)縣（農(nóng)場、單位）的土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀和pH等數(shù)據(jù)[9]。國內(nèi)很多學者以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用不同時期的耕地質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)、發(fā)表文獻的數(shù)據(jù)[3,4,7,10]等，開展了國家[5,9,11]、區(qū)域[12]、省域[3,13]等不同尺度上耕地土壤有機碳時空分布、碳儲量及固碳潛力等方面的研究。但是總體上看，我國在土壤研究方面的長期試驗與監(jiān)測數(shù)據(jù)存在覆蓋面小、持續(xù)時間較短、不夠系統(tǒng)與規(guī)范等問題[8,14]。

中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡（Chinese Ecosystem Research Network，CERN）由中國科學院于1988年組建，目前有農(nóng)田、森林、草地、荒漠、湖泊、海灣、沼澤、喀斯特和城市9類生態(tài)系統(tǒng)的44個生態(tài)站[15-16]。其中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)站涵蓋了松嫩平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、下遼河平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、華北太行山前平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、黃淮海平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、太湖平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、南方丘崗區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、洞庭湖平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、川中丘陵農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、黃土高原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和荒漠綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[17]。CERN制定了統(tǒng)一的大氣、水分、土壤和生物要素變化觀測指標體系。1998年以來，每個生態(tài)站根據(jù)指標體系，按規(guī)定的時間頻度進行觀測[16,18]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤觀測通過觀測生態(tài)站所在地區(qū)的代表性農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要類型土壤的組分、結(jié)構(gòu)和重要生態(tài)過程的變化規(guī)律，為區(qū)域農(nóng)田土壤質(zhì)量的變化規(guī)律提供長期、系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)[19]。土壤有機碳密度是表征土壤質(zhì)量及陸地生態(tài)系統(tǒng)對全球變化貢獻大小和衡量土壤中有機碳儲量的重要指標[12]。利用CERN農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)站的土壤觀測數(shù)據(jù)，計算各站多年表層土壤有機碳密度，可以為今后的農(nóng)田土壤碳庫研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

耕作土壤剖面一般分作三層：表土層、心土層和底土層。其中最上部的表土層深度大致 0～15（20）cm，是物質(zhì)轉(zhuǎn)化較快、干濕寒溫變化較大的一層[20]。本數(shù)據(jù)集以CERN農(nóng)田生態(tài)站表層土壤理化性質(zhì)實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合有機碳估算模型，計算表層土壤有機碳密度。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

一般認為，土壤有機碳密度是由土壤有機碳含量、礫石（粒徑＞2 mm）含量和容重共同決定。有研究認為，中國農(nóng)業(yè)土壤經(jīng)過長期人為的耕作熟化，耕層中粒徑＞2 mm的礫石體積含量可能不是很大，可以忽略不計[5,21]。因此本數(shù)據(jù)集主要收集了 CERN農(nóng)田生態(tài)站的表層土壤有機質(zhì)與土壤容重實測數(shù)據(jù)以及采樣地點地理位置、主要作物、管理方式等信息。數(shù)據(jù)來自“國家生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心資源共享服務平臺”（http://www.cnern.org.cn）中的生態(tài)系統(tǒng)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)集。

CERN在2002-2005年間系統(tǒng)地建立了土壤長期監(jiān)測規(guī)范[22]。為在國家和區(qū)域尺度上保證農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的可比性，并為區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)，CERN農(nóng)田生態(tài)站在綜合觀測場、輔助觀測場采用相同的觀測項目和觀測方法進行土壤觀測，以同時觀測不同管理方式下農(nóng)田生態(tài)過程的演化；各站還設置了站區(qū)調(diào)查點，以獲取區(qū)域農(nóng)戶管理模式下土壤質(zhì)量的變化。綜合觀測場設置在生態(tài)站所在區(qū)域內(nèi)最具代表性的農(nóng)田類型的典型地段，其土壤類型、種植模式與管理制度等具有典型性和代表性；輔助觀測場是作為綜合觀測場的對照和補充，一般設置空白（不施肥）、化肥、化肥配合秸稈處理3種觀測類型；站區(qū)調(diào)查點主要選擇耕作、輪作及土壤類型與綜合觀測場一致或相近的、有代表性的農(nóng)戶地塊[19,23]。按照《CERN陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤觀測規(guī)范》，表層土壤有機質(zhì)的觀測頻率為2～3年一次，有些生態(tài)站根據(jù)自身觀測能力與條件，提高了觀測頻率；土壤容重的觀測頻率則為5年一次。本數(shù)據(jù)集選取了表層土壤有機質(zhì)觀測時間序列不少于5年的19個生態(tài)站綜合觀測場和輔助觀測場的相關(guān)數(shù)據(jù)，時間范圍為 2005-2015年。19個生態(tài)站包含農(nóng)田生態(tài)站 14個，荒漠農(nóng)田復合生態(tài)站5個（表1）。

表1 生態(tài)站基本信息

各指標測定方法如下：土壤容重全部采用環(huán)刀法測定。土壤有機質(zhì)除海倫站、沈陽站外，均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；沈陽站主要采用元素分析儀測定法，海倫站土壤有機質(zhì)測定方法具體情況見表2。

表2 海倫站歷年土壤有機質(zhì)測定方法匯總

年份海倫站測定方法2013 重鉻酸鉀氧化-外加熱法2015 重鉻酸鉀氧化-外加熱法

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

原始數(shù)據(jù)表中包含了表層和剖面的數(shù)據(jù)，其中表層土壤數(shù)據(jù)記錄了各個樣地不同采樣區(qū)的數(shù)據(jù)；同時數(shù)據(jù)存在采樣深度、觀測頻度等不一致的現(xiàn)象。因此在計算土壤碳密度之前，需要對數(shù)據(jù)進行預處理，計算出各樣地表層土壤的有機質(zhì)平均含量和平均容重。

1.2.1 土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)的處理

首先需要從原始數(shù)據(jù)表中提取出表層土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的選取分3種情況：（1）單一深度表層土壤有機質(zhì)，多數(shù)生態(tài)站表層土壤深度為20 cm，有些生態(tài)站為15 cm；（2）個別生態(tài)站表層土壤有機質(zhì)分為0～10 cm、10～20 cm，需要選取兩個土層數(shù)據(jù)；（3）有些生態(tài)站個別年份僅有土壤剖面有機質(zhì)，因此采用土壤剖面0～10 cm、10～20 cm土壤有機質(zhì)作為替代值。篩選結(jié)果數(shù)據(jù)進行異常值剔除后，按年、月、作物類型計算各樣地表層土壤有機質(zhì)的算數(shù)平均值，得到多年樣地尺度的表層土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.2.2 土壤容重數(shù)據(jù)的處理

土壤容重數(shù)據(jù)與土壤有機質(zhì)采用同樣的方法處理，得到多年樣地尺度的表層土壤容重數(shù)據(jù)。再根據(jù)樣地、年、月、采樣深度等與有機質(zhì)數(shù)據(jù)進行匹配。由于表層土壤容重的觀測頻度低于有機質(zhì)，因此多數(shù)年份的有機質(zhì)缺少對應的土壤容重數(shù)據(jù)。對于缺失的土壤容重，采取以下方法確定：

（1）以該樣地已有的相應深度的容重替代，原則是：2010年之前缺失容重的以2005年容重值替代，2010年與2015年之間缺失容重的以2010年容重值替代。

（2）對無容重數(shù)據(jù)的土層，根據(jù)該樣地已有容重數(shù)據(jù)，建立其與有機質(zhì)含量的回歸關(guān)系[24-25]，從而估算出缺失的容重值，并在備注中注明為“計算容重”。

1.2.3 輔助數(shù)據(jù)的整理

由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤有機碳含量會受耕作方式、肥料施用、秸稈還田等人為因素的強烈影響[3-4,9]，因此整理了有機質(zhì)數(shù)據(jù)所涉及樣地的描述信息，并提取了各個樣地相應年份的作物產(chǎn)量、施肥（包括秸稈還田）等方面數(shù)據(jù)，篩選、整合、規(guī)范化后形成影響因素數(shù)據(jù)表。

1.3 土壤有機碳密度計算

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中土壤有機碳的質(zhì)量。鑒于數(shù)據(jù)實際情況，本數(shù)據(jù)集采用了不同的計算方式得到表層土壤有機碳密度。

單一土層（15cm或20cm）土壤有機碳密度的計算公式為[25-27]：

式中，SOC為表層土壤有機碳密度（kg/m2）；0.58 為Bemmelen換算系數(shù)，該系數(shù)乘以有機質(zhì)含量求得碳含量；OM為有機質(zhì)含量（g/kg）；BD為土層容重（g/cm3）；H為土層厚度（cm）。

包含2個實測土層的表層土壤有機碳密度計算方法為：按照公式（1）分別計算0～10 cm、10～20 cm土壤有機碳密度，再將2個層次的土壤有機碳密度累加[25,27-28]，即得到0～20 cm的土壤有機碳密度。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)存儲格式為Excel文件。文件包含4個數(shù)據(jù)表單，“土壤有機碳密度”表單主要為19個農(nóng)田生態(tài)站2005-2015年的表層土壤有機碳密度數(shù)據(jù)，共計748條數(shù)據(jù)記錄；“樣地信息”表單記錄數(shù)據(jù)涉及樣地的描述信息，包含63條數(shù)據(jù)記錄；“產(chǎn)量信息”表單記錄相應年份的作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，包含653條數(shù)據(jù)記錄；“施肥信息”表單記錄相應年份的肥料施用量（包括秸稈還田量）數(shù)據(jù)，共有1240條數(shù)據(jù)記錄。表3至表6列出4個數(shù)據(jù)表單所包含的具體字段名稱、類型及示例。

表3 土壤有機碳密度表內(nèi)容

表4 樣地信息表內(nèi)容

序號 字段名稱 數(shù)據(jù)類型 量綱 示例8 0方左右。機械耕地后播種小麥，機械收割，秸稈還田。小麥收獲后人工點種玉米，玉米收獲后秸稈還田。周邊環(huán)境與觀測場基本一致。8 地點 字符型 河南省新鄉(xiāng)市封丘縣潘店鎮(zhèn)9 經(jīng)度 數(shù)字型 °E 1 1 4.5 4 1 6 1 0 緯度 數(shù)字型 °N 3 5.0 1 8 1 1 海拔高度 數(shù)字型 m 6 7.5 1 2 土壤類型 字符型 潮土1 3 地形地貌 字符型 平地1 4 主要作物 字符型 小麥、玉米1 5 輪作方式 字符型 小麥-玉米1 6 管理方式 字符型冬小麥-夏玉米輪作，機械耕種，小麥在播種時撒施尿素、磷酸二銨做底肥，在返青拔節(jié)期灌水，同時撒施尿素；玉米在拔節(jié)期灌水，同時撒施尿素和磷酸二銨。小麥、玉米秸稈全部還田。

表5 產(chǎn)量信息表內(nèi)容

表6 施肥信息表內(nèi)容

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

3.1 異常值檢查

異常數(shù)據(jù)的判定統(tǒng)計學上有不同的方法，對于排除小樣本容量的異常數(shù)據(jù)，格拉布斯（Grubbs）檢驗法目前被認為較其他方法更為有效[29-30]，有學者應用該方法進行土壤數(shù)據(jù)異常值的剔除[31-33]。本數(shù)據(jù)集采用格拉布斯檢驗法對土壤有機質(zhì)、土壤容重實測數(shù)據(jù)進行異常值的判斷與剔除，具體方法如下：

對于每個樣地的數(shù)據(jù)，按從小到大的順序排列后計算平均值以及標準差，然后計算格拉布斯檢驗統(tǒng)計量；顯著性水平取 0.05，與格拉布斯表中的相應臨界值進行比較，若計算的格拉布斯統(tǒng)計量大于格拉布斯臨界值，則認為該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)；將其剔除后重新計算余下的數(shù)據(jù)，直至確認無異常數(shù)據(jù)為止。

3.2 數(shù)據(jù)規(guī)范化

（1）樣地名稱與代碼的規(guī)范化

樣地名稱以生態(tài)站簡稱加觀測場分類表示，輔助觀測場還需包含觀測類型，如：常熟站綜合觀測場、常熟站土壤生物輔助觀測場（空白）。樣地代碼采用7位編碼，從左至右，第1-3位為站代碼，4-5位為觀測場分類碼，第6-7位為觀測場在本類觀測場中的序號。站代碼的編碼規(guī)則為：前2位為生態(tài)站中文名稱的漢語拼音縮寫；第3位代表監(jiān)測的主要生態(tài)系統(tǒng)類型，其中“A”表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，“D”表示荒漠生態(tài)系統(tǒng)。觀測場分類碼中，“ZH”表示綜合觀測場，“FZ”表示輔助觀測場。例如，常熟站綜合觀測場的代碼為“CSAZH01”、常熟站土壤生物輔助觀測場（空白）的代碼為“CSAFZ01”。

（2）要素項內(nèi)容的規(guī)范整理

同一樣地的采樣分區(qū)描述、土壤類型、土壤母質(zhì)、作物名稱等要素項的內(nèi)容，由于觀測人員不同，造成不同年份的表述方式有所差異。因此分樣地對這些要素項的描述進行規(guī)范化，使多年的記錄內(nèi)容保持一致，如：同一樣地的土壤母質(zhì)，有的年份記為“第四紀紅黏土”，有的年份記為“第四紀紅色黏土”，統(tǒng)一為“第四紀紅黏土”。其中，根據(jù)《中國土壤分類與代碼》（GB/T 17296-2009）對“土壤類型”要素項內(nèi)容進行了重新劃分，原則上填寫土類，有些生態(tài)站填寫的是亞類，但也予以保留，只是檢查其名稱是否符合標準。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集以CERN多年系統(tǒng)的表層土壤理化性質(zhì)實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合有機碳估算模型，計算出近10年來中國主要農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)生態(tài)站的表層土壤有機碳密度，具有較高的實際使用價值，可以為更準確地估算中國農(nóng)田耕層土壤有機碳儲量、研究其空間分布特征提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

致 謝

感謝阿克蘇站、安塞站、常熟站、長武站、封丘站、海倫站、欒城站、拉薩站、千煙洲站、沈陽站、桃源站、禹城站、鹽亭站、鷹潭站、策勒站、阜康站、臨澤站、奈曼站與沙坡頭站在數(shù)據(jù)采集方面的辛勤付出，感謝CERN土壤分中心和綜合中心在原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制與數(shù)據(jù)發(fā)布服務等方面所做的工作。