我國土壤數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建研究進展

歐陽黃鸝 王棟 王水 陶景忠 王長明

摘要介紹了土壤信息系統(tǒng)的原理、特點，重點闡述了我國土壤數(shù)據(jù)庫縣市級、區(qū)域級和國家級的研究進展及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的方式，總結(jié)了我國土壤數(shù)據(jù)庫的發(fā)展進程；分析了土壤信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和我國土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)目前存在的問題，并提出了相應(yīng)建議。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)庫；土壤信息系統(tǒng)；構(gòu)建方式

中圖分類號S126文獻標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）26-0194-04

Research Progress on the Construction of Chinese Soil Database

OUYANG Huangli， WANG Dong， WANG Shui， WANG Changming* et al

（Jiangsu Provincial Academy of Environmental Science，Jiangsu Provincial Key Lab of Environmental Engineering， Nanjing，Jiangsu 210036）

AbstractThe principle and characteristics of soil information system were introduced. The research progresses on county/municipal， regional and national level of Chinese soil database and databasebuilding methods were expounded. The development process of soil database of China was summarized.The development trend of soil information system and the existing problems in Chinese soil database system were analyzed， and some corresponding suggestions were proposed.

Key wordsDatabase；Soil information system；Construction methods

土壤作為豐富的自然資源，是人類生產(chǎn)生活的根基[1-2]。隨著社會發(fā)展和人口增長，人類活動對地球土壤的影響不斷加大，導(dǎo)致了土壤侵蝕、水澇及污染等問題，極大地降低了全球土壤資源數(shù)量和質(zhì)量[3]。鑒于這些問題，亟需尋找有效利用和管理土壤資源的方式。

土壤資源數(shù)據(jù)具有種類多、數(shù)量大且內(nèi)容復(fù)雜等特點，如何高效管理和合理利用土地資源數(shù)據(jù)已成為難題[4]。不同時間分布、不同空間尺度的地理信息系統(tǒng)（GIS）是人類研究和解決土地、人口、環(huán)境、建設(shè)和災(zāi)害等一系列問題所必需的信息資源。土壤信息系統(tǒng)（Soil information system，SIS）是建立在地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，運用計算機來快速、精確地管理土壤調(diào)查和土壤研究的信息，可使寶貴的土壤信息資源得到最大化利用，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟價值、社會價值和生態(tài)價值[5]。

筆者通過查閱大量文獻資料，總結(jié)了近30年來我國土壤數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建和發(fā)展進程，闡述了我國土壤數(shù)據(jù)庫縣市級、區(qū)域級和國家級的研究進展及數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的方式；同時，分析了土壤信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，總結(jié)了目前我國土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存在的問題，并提出了一些建議。

1土壤信息系統(tǒng)的原理與特點

土壤信息系統(tǒng)是采用GIS平臺構(gòu)建的土壤資源信息圖形和屬性數(shù)據(jù)庫的信息系統(tǒng)，它能實現(xiàn)管理和維護土壤類型圖、土壤理化性質(zhì)等基礎(chǔ)信息，并評價分級土壤的質(zhì)量等級[6]。通過建立土壤信息系統(tǒng)，能夠使人們更好地了解土壤的分布及理化和生物性質(zhì)，為科學(xué)利用和管理土壤提供依據(jù)。

現(xiàn)有的土壤信息系統(tǒng)有3個特點[7]：

①采用X，Y坐標(biāo)法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式來記錄、儲存土壤資源的空間位置；

②記錄和描述這些土壤實體的屬性；

③對包含的土壤實體進行拓撲關(guān)聯(lián)。

2我國土壤信息系統(tǒng)的發(fā)展

第2次全國土壤普查從1979年開始，《中國土種志》隨之問世，它為我國建立土壤數(shù)據(jù)及信息系統(tǒng)奠定了良好的基礎(chǔ)。與發(fā)達國家相比，我國土壤數(shù)據(jù)庫的建立較晚，20世紀80年代我國土壤數(shù)據(jù)庫才開始構(gòu)建，土壤信息系統(tǒng)才開始研發(fā)。由北京大學(xué)遙感中心牽頭的相關(guān)單位于1986年率先構(gòu)造了跨區(qū)域的土壤侵蝕信息系統(tǒng)，魏永勝等[6]于1989年建成了三江平原土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

2.1大比例尺市縣級土壤數(shù)據(jù)庫

大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫相較于中小比例尺而言，數(shù)據(jù)信息更詳細，更有實用性和基礎(chǔ)性，能滿足基層用戶對田間土壤管理的需求，而且是中小比例尺數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

賀紅士等[8]于1991年采用Fortran和DBASE-Ⅳ建立了東北區(qū)域微機土壤信息系統(tǒng)，將其應(yīng)用到吉林農(nóng)安縣，并取得了較好的效果。潘劍君等[9-10]構(gòu)建了江西余江縣和江蘇大豐市的土壤信息系統(tǒng)，重點介紹了有關(guān)土壤屬性的編碼和圖形線劃的數(shù)字化儀輸入技術(shù)。

郭揆[11]采用VB+ArcEngine的方法構(gòu)建長治縣土壤數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是在收集整理長治縣眾多的大比例尺土壤圖件資料以及屬性數(shù)據(jù)等信息的基礎(chǔ)上建立的，其構(gòu)建路線如圖1所示。該數(shù)據(jù)庫不僅具有GIS的各種功能，而且內(nèi)置了特征數(shù)據(jù)分析模型，可為相應(yīng)區(qū)域內(nèi)土壤資源詳查、分析、評價及改良等工作提供數(shù)據(jù)、圖像資料和分析方法。

吳璽等[12]為了解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺乏宏觀指導(dǎo)的問題，以西昌市為例，基于GIS和專家系統(tǒng)（ES）建立了1∶50 000大比例尺的土壤數(shù)據(jù)庫，含多種功能，可以實現(xiàn)市、區(qū)、鄉(xiāng)和村4級行政單位的定圖斑施肥，具有較強的實用性。同樣地，楊茹瑋等[13]、呂成文等[14]、夏波[15]和羅明云[16]分別對江蘇省無錫市和常州市、安徽省宣城市、重慶市梁平縣及四川省南充市建立了1∶50 000、1∶10 000、1∶50 000和1∶50 000大比例尺的土壤數(shù)據(jù)庫來服務(wù)基層。

2.2區(qū)域土壤數(shù)據(jù)庫

區(qū)域土壤數(shù)據(jù)庫的建立可為區(qū)域開發(fā)治理、農(nóng)田基礎(chǔ)建設(shè)提供決策依據(jù)和信息化服務(wù)平臺。一

方面可作為獨立系統(tǒng)進行查詢、評價和決策等，另一方面能

成為國家級土壤數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)信息來源。

中國科學(xué)院南京土壤研究所于1992年針對海南省建立了1∶50 000比例尺土壤數(shù)據(jù)庫，并系統(tǒng)研究了其土地利用等[17]；1998年又將海南省作為中比例尺土壤和地體數(shù)字化數(shù)據(jù)庫（Soil and Terrain Digital Database，SOTER）示范區(qū)，選取若干指標(biāo)組成評價體系，輸出了土壤質(zhì)量評價結(jié)果[18]。

周斌等[19]在PAMAP GIS支持下闡述了貴州省土壤信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)庫的設(shè)計、功能和應(yīng)用，構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫主要包含基礎(chǔ)地理信息、SIS專題信息和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

沈德福[20]利用Arc/Info、ArcView和VB等軟件建立了江蘇1∶200 000比例尺土壤數(shù)據(jù)庫，依照多元數(shù)理統(tǒng)計方法且能體現(xiàn)土壤養(yǎng)分狀況的綜合性指標(biāo)，輸出了江蘇省土壤養(yǎng)分等級圖。姜小三[21]基于GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)，研發(fā)了1∶500 000土壤信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有查詢、制圖、分析等功能，可為江蘇省土壤資源信息系統(tǒng)創(chuàng)建提供數(shù)據(jù)庫支撐。

邵作宇[22]針對陜西省土壤信息化要求，以組件式GIS原理和方法為技術(shù)支撐，整理陜西省土壤相關(guān)數(shù)據(jù)資料，運用ADO.NET技術(shù)集成開發(fā)了陜西省土壤信息數(shù)據(jù)庫（圖2），實現(xiàn)了對陜西省土壤資源科學(xué)管理、決策分析、動態(tài)監(jiān)測等功能。劉京等[23]利用GIS屬性數(shù)據(jù)管理功能，構(gòu)建了陜西省土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)E-R模型，具有功能強大、實用性強、操作簡單的特點。

圖2陜西省土壤信息數(shù)據(jù)庫

Fig.2The soil information database of Shaanxi Province

荊長偉[24]運用浙江省全國第2次土壤普查成果和其他土壤地理資料，構(gòu)造了

涵蓋浙江全省的1∶1 000 000、1∶500 000、1∶250 000和1∶50 000不同比例尺土壤數(shù)據(jù)庫，探討了土壤圖數(shù)字化修復(fù)和不同土壤分類體系的參比，且對土壤分類多樣性及浙江地理景觀分布特性、全省土壤資源動態(tài)演變開展分析和評價。吳嘉平等[25]建立了1∶50 000大比例尺的浙江省土壤數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了浙江全省土壤圖無縫拼接，奠定了浙江省“數(shù)字土壤”的基礎(chǔ)。

2.3國家土壤信息系統(tǒng)

在現(xiàn)有條件下建立國家土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)的正確決策、土地資源的充分合理利用及土壤污染的防治都是十分必要的。國際上“數(shù)字土壤”的潮流不斷推進，國家土壤資源的數(shù)字化和信息化也為促進國內(nèi)外土壤信息交流奠定了良好的基礎(chǔ)。

于東升等[26]在1∶1 000 000比例尺的我國土壤數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析和計算了全國土壤的有機碳密度和儲備量，借鑒土壤有機碳儲量和碳密度空間度的計算方法，結(jié)果表明我國目前共有土壤面積928 hm2，土壤中有機碳儲備量為89.14 Pg，土壤平均碳密度為9.60 kg/m2。

張學(xué)雷等[27]在美國NASIS土壤分類數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究了SOTER數(shù)據(jù)庫的屬性和結(jié)構(gòu)特點以及我國現(xiàn)有土系數(shù)據(jù)庫的分類狀況，并闡述了我國土壤系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立、更新的主要內(nèi)容和技術(shù)規(guī)范。

2014年張維理等[28]收集整理了不同時期土壤調(diào)查得到的我國不同年份大比例尺土壤圖件資料、土壤調(diào)查采樣點基本信息以及含坐標(biāo)的調(diào)查土壤剖面點，構(gòu)建了1∶50 000的大比例尺我國數(shù)字土壤圖數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫時間跨度30多年，空間上則覆蓋我國全境。表1列舉了近年來我國土壤工作者建立的一些數(shù)據(jù)庫。

3土壤數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方式

3.1GIS

GIS軟件的出現(xiàn)和發(fā)展大大促進了地理信息和土壤數(shù)據(jù)資源開發(fā)利用，GIS自帶的二次開發(fā)宏語言可作為開發(fā)平臺建立數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

潘劍君等[9]1999年運用和借鑒荷蘭開發(fā)的土水一體化信息系統(tǒng)（ILMIS），構(gòu)建了江西省余江縣的土壤信息系統(tǒng)。ILMIS是利用數(shù)字化儀跟蹤辦法采集空間點線面數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)拷貝或者掃描進行圖像輸入。

楊鋒[36]運用計算機和GIS技術(shù)，探討了建立1∶200 000中級比例尺空間土壤數(shù)據(jù)庫的方法，并結(jié)合全國第2次土壤普查資料，在前人成果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了河南省中尺度土壤數(shù)據(jù)庫，并對其應(yīng)用進行了初步探討。

3.2SOTER

SOTER數(shù)據(jù)庫是在地理信息系統(tǒng)及其他地理技術(shù)基礎(chǔ)上建立起來的，主要是運用各種基礎(chǔ)地形圖、土壤信息圖及巖性結(jié)構(gòu)圖等要素來構(gòu)成SOTER數(shù)據(jù)庫單元圖，并利用單元圖構(gòu)建不同土地、各種土壤屬性賦值的數(shù)據(jù)庫空間框架。SOTER數(shù)據(jù)庫可用于評價各種土地生產(chǎn)力、肥力和種植適宜性。

陳志強[44]以GIS為技術(shù)支撐，以福建省土壤信息資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了福建全省和漳浦樣區(qū)SOTER數(shù)據(jù)庫，比例尺分別為1∶200 000中比例尺和1∶10 000大比例尺。在數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程中，大比例尺和中比例尺數(shù)據(jù)庫間銜接以AVENUE編輯語言為載體實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。同時，采用景觀生態(tài)學(xué)分析了漳浦樣區(qū)土地利用現(xiàn)狀及土壤分類。

3.3SWAT（Soil and Water Assessment Tool）

SWAT模型是Arnlod JG.博士等為美國農(nóng)業(yè)部下屬的農(nóng)業(yè)研究局開發(fā)的大中尺度的長時段流域分布式水文模型，該模型具有很強的水文物理機制，可以預(yù)測在不同的土壤類型、土地利用方式和管理措施下人類活動對水文的影響。

魏懷斌等[45]提出了前蘇聯(lián)制土壤質(zhì)地轉(zhuǎn)化為美國土壤質(zhì)地的方法，并給出了轉(zhuǎn)換計算方法，利用SPAW軟件計算SWAT模型部分參數(shù)，將美國SWAT模型應(yīng)用于我國土壤數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建中，天津的實例驗證得到了理想的結(jié)果。

李澤利等[46]以新安江上游屯溪流域為研究對象，建立了SWAT模型的氣象、土壤、土地利用和農(nóng)作物管理等數(shù)據(jù)庫，結(jié)果表明徑流模擬效果非常好，SWAT模型在屯溪流域的適用性較好。

3.4組件式GIS

組件式GIS是21世紀構(gòu)建土壤數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主流方法，主要運用GIS本身自帶的不同功能區(qū)塊在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫過程中完成不同任務(wù)，每一個區(qū)塊之間和非GIS功能區(qū)塊內(nèi)容間都可以采用其他計算機開發(fā)軟件將它們集中在一起，并通過接口進行相互連接與通訊，從而形成最終的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。目前，研究常用的軟件開發(fā)語言有VB、VB+MapObjects和.NET2.0（C#）等。

王明聰[47]將組件式GIS軟件MapInfo/MapX與開發(fā)平臺VB、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBMS）SQL Server2000有機結(jié)合與集成，并使它們相輔相成，充分發(fā)揮各自優(yōu)點，構(gòu)建了山東省土壤環(huán)境質(zhì)量信息系統(tǒng)。

劉丹[7]建立的吉林省鎮(zhèn)賚縣土壤資源信息系統(tǒng)是以MapGIS和ArcView為技術(shù)平臺，結(jié)合VB+MapObjects編程技術(shù)而建立起來的，可以對土壤類型圖和土壤理化性質(zhì)進行管理與維護，也可以對土壤質(zhì)量等級進行科學(xué)評價。

黨玉梅[48]利用組件式GIS整理數(shù)據(jù)，利用平臺各系統(tǒng)編寫語言C#3.0和開發(fā)工具VB組建了新疆兵團數(shù)字化農(nóng)業(yè)信息咨詢決策平臺，各接口采用ADO.NET技術(shù)進行連接，為兵團農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展提供了一定的借鑒。史明昌等[49]采用先進的DTGIS流域空間服務(wù)平臺，構(gòu)建基礎(chǔ)土壤侵蝕數(shù)據(jù)層，以C++為數(shù)據(jù)庫開發(fā)語言，以Silverlight為數(shù)據(jù)庫界面開發(fā)工具，構(gòu)建了全國土壤侵蝕普查數(shù)據(jù)庫，可用于檢查和存儲基礎(chǔ)地理、土壤侵蝕因子、侵蝕溝道、土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)等資料。

此外，還有一些運用C#+ASP.NET+ADO.NET[35]、AnnAGNPS[50]模式開發(fā)數(shù)據(jù)庫的報道。

4土壤信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

土壤信息系統(tǒng)自20世紀問世以來，歷經(jīng)30多年的發(fā)展過程，已成為廣大土壤學(xué)者和專家關(guān)注的土壤學(xué)科重要的使用工具之一?，F(xiàn)有土壤信息系統(tǒng)的發(fā)展潮流，主要表現(xiàn)在以下方面[5，51]：①數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一和規(guī)范；②土壤數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全面化；③應(yīng)用化和實時數(shù)據(jù)分析；④智能化和主動化。

5結(jié)語與展望

總結(jié)我國自改革開放后在土壤信息化建設(shè)方面的成果，雖然國家土壤空間數(shù)據(jù)庫尺度和土壤信息量跟部分發(fā)達國家已經(jīng)很接近，但總體上仍然與最發(fā)達國家之間存在一定差距，具體表現(xiàn)在以下方面：

①土壤基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)規(guī)范化。以前我國在土壤數(shù)據(jù)庫方面完全沒有明確標(biāo)準作為參考，所以存在已經(jīng)構(gòu)建的土壤數(shù)據(jù)庫沒有明確坐標(biāo)和數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一等問題，這就導(dǎo)致該數(shù)據(jù)庫成為無法使用的“數(shù)據(jù)孤島”。

②土壤數(shù)據(jù)庫尺度增大化。我國現(xiàn)有的國家級土壤數(shù)據(jù)庫和區(qū)域級土壤數(shù)據(jù)庫大多是1∶500 000以下的小比例尺，市（區(qū)）縣土壤數(shù)據(jù)庫尺度尚有大比例尺，目前區(qū)域級土壤數(shù)據(jù)庫的中比例仍很少，全國尚未有一個省建成覆蓋全省的1∶50 000大比例尺土壤數(shù)據(jù)庫。

③土壤分類標(biāo)準化。我國現(xiàn)有土壤分類體系共有土壤發(fā)生分類和土壤系統(tǒng)分類兩大類型。系統(tǒng)分類由于采用定量化指標(biāo)劃分土壤的歸屬，代表土壤分類的方向，但是由于我國大量的土壤資料的理論基礎(chǔ)是發(fā)生分類，而系統(tǒng)分類與發(fā)生分類之間沒有必然的、簡單的對應(yīng)關(guān)系，所以兩大分類體系的轉(zhuǎn)換則成為后期土壤數(shù)據(jù)庫建設(shè)亟待解決的問題。

④土壤圖件的更新化。土壤普查圖件質(zhì)量改進是建設(shè)土壤數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)非常重要的環(huán)節(jié)，自第2次全國土壤普查結(jié)束后，近40年來國內(nèi)生態(tài)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生了很大變化，現(xiàn)有及將來擬建設(shè)的數(shù)據(jù)庫若仍以第2次土壤普查信息為基礎(chǔ)，制約了建成土壤數(shù)據(jù)庫質(zhì)量。恢復(fù)和更新土壤普查圖件精度以及保持圖件資料現(xiàn)勢性十分必要。

⑤數(shù)據(jù)庫建設(shè)集成化。盡管許多科研工作者就如何將地理信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)更好地集成用于開發(fā)功能完善、實用性強的土壤信息系統(tǒng)，以及如何在土壤信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用這些先進的技術(shù)分析解決實際存在的問題等方面做了大量研究工作。但是，土壤科學(xué)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)等方面的完美結(jié)合始終是土壤科學(xué)工作者面臨的棘手問題，因此，解決好這個問題是土壤信息系統(tǒng)成功開發(fā)、最大程度被應(yīng)用于科研工作的有力保障。

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