黑龍江土種數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建
——基于第二次土壤普查數(shù)據(jù)

(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

土壤是人類(lèi)及一切動(dòng)植物賴(lài)以生存的自然資源，是人類(lèi)獲取食物等生活資料的生產(chǎn)基地，也是人類(lèi)生息繁衍的場(chǎng)所[1]。土種是大比例尺土壤調(diào)查和制圖的基本單元，也是土壤基本單元的系統(tǒng)資料。根據(jù)國(guó)務(wù)院國(guó)發(fā)1979-111號(hào)文件[2]，1979年開(kāi)始進(jìn)行全國(guó)第二次土壤普查，黑龍江省同步進(jìn)行，由土壤科技工作者按照國(guó)家統(tǒng)一要求的方法完成。

我國(guó)共完成2次土壤普查，第一次1958-1959年開(kāi)始，是在農(nóng)民群眾認(rèn)土、用土和改土經(jīng)驗(yàn)上提出的。第二次土壤普查吸收了國(guó)內(nèi)外當(dāng)時(shí)土壤分類(lèi)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合我國(guó)具體情況，既保留了土壤發(fā)生學(xué)的觀點(diǎn)，又應(yīng)用了診斷層的概念制定了全國(guó)統(tǒng)一的土壤分類(lèi)方案，是土壤分類(lèi)由定性向定量發(fā)展的里程碑[3]。黑龍江省第二次土壤普查經(jīng)歷了十年半的田間調(diào)查、采樣和化驗(yàn)分析后完成，期間共計(jì)挖土壤剖面42.8萬(wàn)個(gè)，其中主剖面12.8萬(wàn)個(gè)，化驗(yàn)分析剖面7751個(gè)[4]。并于1990年10月出版了黑龍江土種，完成土壤志121冊(cè)，專(zhuān)題調(diào)查報(bào)告165份，繪制土壤系列圖件925幅。經(jīng)研究分析，最終確定黑龍江省254個(gè)土種[5]。第二次土壤普查結(jié)束后，其成果被廣泛應(yīng)用于測(cè)土配方施肥、農(nóng)業(yè)區(qū)劃、土地利用規(guī)劃、黑土資源保護(hù)、水土保持及環(huán)境保護(hù)等方面，為國(guó)家糧食安全、生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)以及環(huán)境保護(hù)等方面提供了重要的科學(xué)依據(jù)[6-9]，但是這些寶貴的數(shù)據(jù)在使用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)管理方面還略顯不足。

本數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)第二次土壤普查的土種和典型剖面，完成了數(shù)據(jù)集和元數(shù)據(jù)集的建設(shè)。元數(shù)據(jù)集的建設(shè)參照了土壤科學(xué)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10]和生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[11]。 數(shù)據(jù)庫(kù)共有7個(gè)部分組成，構(gòu)建了一個(gè)以地點(diǎn)和土種為實(shí)體的土壤類(lèi)型分布關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，形成了中國(guó)土壤發(fā)生分類(lèi)黑龍江土種E-R數(shù)據(jù)模型。

土種數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的主要目的是以土壤最基本單元的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐步實(shí)現(xiàn)土壤多源數(shù)據(jù)的集成，形成多時(shí)段空間和屬性數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理和維護(hù)；同時(shí)能夠通過(guò)多種方式為科研人員提供準(zhǔn)確的土壤信息。因此，建立該土種數(shù)據(jù)庫(kù)是土壤學(xué)與現(xiàn)代信息科學(xué)相結(jié)合的具體應(yīng)用，也是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于土壤演變研究、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和規(guī)劃都具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

黑龍江土種數(shù)據(jù)庫(kù)的主要數(shù)據(jù)資源來(lái)自《黑龍江土壤》[2]、《黑龍江土種》[5]、《中國(guó)土壤》[12]、《中國(guó)土種志》[13]等文獻(xiàn)資料。數(shù)據(jù)庫(kù)包括元數(shù)據(jù)集和屬性數(shù)據(jù)集兩部分內(nèi)容。元數(shù)據(jù)集用以描述數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、來(lái)源和獲得方法。屬性數(shù)據(jù)集將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)整理和補(bǔ)充，保持第二次土壤普查期間的原始分類(lèi)和名稱(chēng)，完成屬性表錄入。參照相關(guān)資料建立了土壤發(fā)生分類(lèi)和土壤系統(tǒng)分類(lèi)對(duì)照表[1]。通過(guò)E-R模型的概念設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編程，構(gòu)建了關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

1.1 黑龍江土種的劃分依據(jù)

黑龍江省第二次土壤普查土種劃分是依據(jù)鹽化程度、堿化度、泥炭層厚度、表層有機(jī)質(zhì)含量、堿化層出現(xiàn)深度、土體厚度及腐殖質(zhì)層厚度等7個(gè)層次，3個(gè)指標(biāo)/層來(lái)劃分的(表1)[4]。

1.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范化

1.2.1 土壤分類(lèi)規(guī)范化處理。目前我國(guó)有兩種土壤分類(lèi)方法，一種分類(lèi)是土壤地理發(fā)生分類(lèi)，另一種是中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)。這兩個(gè)分類(lèi)系統(tǒng)依據(jù)不同，從嚴(yán)格意義來(lái)講很難準(zhǔn)確比較，只能做到近似參比。數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)考慮到在今后的研究中土壤分類(lèi)會(huì)有更多的機(jī)會(huì)與國(guó)際接軌，為便于歷史數(shù)據(jù)的使用，需要對(duì)不同的土壤分類(lèi)進(jìn)行參比時(shí)，可以參見(jiàn)引文[1,12]中相關(guān)列表和論述。

1.2.2 土種命名。黑龍江土壤分類(lèi)的原則是以土壤發(fā)生分類(lèi)的理論和原則為基礎(chǔ)，把自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤統(tǒng)一起來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。正確處理土壤分布的地帶性和隱域性，土壤典型性和過(guò)渡性的關(guān)系。在進(jìn)行土壤分類(lèi)時(shí)，以成土條件、成土過(guò)程、剖面形態(tài)、土壤屬性以及肥力特征等綜合因素為依據(jù)，采取土類(lèi)、亞類(lèi)、土屬、土種四級(jí)分類(lèi)。

土種是土壤分類(lèi)的基本單元，它是處于相同的或相似的景觀部位以及類(lèi)似的水熱條件下，具有相對(duì)一致的土壤剖面形態(tài)特征和理化生物性質(zhì)相似的一群土壤實(shí)體。按照土壤的發(fā)育程度，熟化程度和肥力水平來(lái)區(qū)分，并采用連續(xù)命名法的原則定義，也就是用一個(gè)短句把土種、土屬、亞類(lèi)及土類(lèi)分類(lèi)單元都概括起來(lái)，把土壤形成過(guò)程，主要特征和屬性反映出來(lái)，從而看清它在土壤分類(lèi)系統(tǒng)中的位置，在發(fā)生學(xué)上的聯(lián)系和規(guī)律性，便于確定利用方向和改良措施。因此，土種一般具有相似的耕作施肥和栽培措施，土種之間主要表現(xiàn)為量上的差異。

1.2.3 土種的歸屬。土種的歸屬按照同一土類(lèi)的土種不同土屬順序排序。土屬在發(fā)生學(xué)上有相互聯(lián)系，具有承上啟下的作用。它既是土壤亞類(lèi)的續(xù)分單元，也是土種共性歸屬的單位。土種的歸屬體現(xiàn)了土壤的母質(zhì)狀況、地形部位及侵蝕程度。在實(shí)際生產(chǎn)中相同的土種存在的問(wèn)題和需要改進(jìn)的措施表現(xiàn)更加一致。

1.2.4 土體構(gòu)型的土層符號(hào)。土種志中定義的土層符號(hào)詳細(xì)信息表2所示[13，15]。

表1 黑龍江省第二次土壤普查土種劃分依據(jù)和指標(biāo)Table 1 The standards and index of soil species of Heilongjiang Province in the second national soil survey

土種的描述，包括發(fā)生性狀和養(yǎng)分性狀。寫(xiě)明剖面構(gòu)型同時(shí)說(shuō)明1 m土體的質(zhì)地層次構(gòu)型。例如中層黃土質(zhì)黑土土體構(gòu)型為黑土層-淀積層-母質(zhì)層，符號(hào)表示為A-B-C；剖面A 厚度30～50 cm，較疏松，有少量鐵錳結(jié)核；B層緊實(shí)，鐵錳結(jié)核，底層為黃土狀土，有銹斑[5]。

土層后綴符號(hào)，表示土層的附加特征，以小寫(xiě)英文字母附注在主要土層符號(hào)的右下方。詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)表2的引文。

1.2.5 土壤理化性質(zhì)定義。數(shù)據(jù)集土壤理化分析方法采用常規(guī)分析方法獲得[16]。主要測(cè)有：有機(jī)質(zhì)含量，全氮，全磷，全鉀，pH，質(zhì)地及總孔隙度等(表3)。

1.2.6 生產(chǎn)性狀定義。能夠反映出具體土種的生產(chǎn)性能，易種性，生產(chǎn)潛力及存在的問(wèn)題。一般為耕性，適種作物，輪作制度，常年的產(chǎn)量，基礎(chǔ)產(chǎn)量和肥料試驗(yàn)結(jié)果等，不描述區(qū)域宏觀狀況。

表2 土層符號(hào)Table 2 Soil layer symbols

表3 土壤理化分析方法表Table 3 Soil physical-chemical analysis

2 數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫(kù)是一種按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理的倉(cāng)庫(kù)，是用戶(hù)接觸與使用的最終形式。

數(shù)據(jù)模型(Data model)是用來(lái)描述數(shù)據(jù)的一組概念和定義，對(duì)某一類(lèi)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、聯(lián)系和約束的描述稱(chēng)為數(shù)據(jù)模式(Data schema)。諸如一個(gè)關(guān)系的屬性表名稱(chēng)為關(guān)系模式，可以寫(xiě)成：REL(A1，A2…，Ak) 。式中：REL表示關(guān)系；A1，A2…，Ak表示在一個(gè)K度關(guān)系有K個(gè)屬性，相應(yīng)于k個(gè)域。用以表達(dá)數(shù)據(jù)信息的一組關(guān)系模式稱(chēng)為關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)模式，相對(duì)應(yīng)的這些關(guān)系的值域就稱(chēng)為一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)[17]。

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

參照相關(guān)土壤資源數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)系結(jié)構(gòu)[3]，本數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了一個(gè)地點(diǎn)與土種的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)可以通過(guò)地點(diǎn)及土壤類(lèi)型等進(jìn)行查詢(xún)和管理，方便數(shù)據(jù)的保存和使用。

按照土壤發(fā)生分類(lèi)，土類(lèi)和亞類(lèi)、亞類(lèi)和土種是一對(duì)多的關(guān)系，土種和地點(diǎn)是多對(duì)多的關(guān)系。建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)首先要明確各個(gè)數(shù)據(jù)集中對(duì)應(yīng)的多種關(guān)系類(lèi)型。

本數(shù)據(jù)庫(kù)由7個(gè)數(shù)據(jù)集組成 。

(1)土種屬性數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土類(lèi)名稱(chēng)，亞類(lèi)名稱(chēng)，土屬名稱(chēng)，土種名稱(chēng)，土種代碼。

(2)土壤基本信息數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土種名稱(chēng)，土種代碼，土種歸屬及分布，耕地面積，主要特征，生產(chǎn)性能，植被，質(zhì)地，理化性質(zhì)平均值。

(3)典型剖面發(fā)生層數(shù)據(jù)集

主要屬性有：具體地點(diǎn)，剖面代碼，經(jīng)緯度，發(fā)生層描述。

(4)典型剖面理化性質(zhì)數(shù)據(jù)集

主要屬性有：分層的理化性質(zhì)指標(biāo)，如有機(jī)質(zhì)，全量和速效養(yǎng)分，質(zhì)地，土壤機(jī)械組成等。

(5)地點(diǎn)與土種關(guān)系數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土種代碼，土種名稱(chēng)，市縣代碼，市縣名稱(chēng)。

(6)地點(diǎn)數(shù)據(jù)集

主要屬性有：地點(diǎn)名稱(chēng)，地點(diǎn)代碼，經(jīng)度，緯度，行政區(qū)劃變更名稱(chēng)等。

(7)典型剖面與土地利用關(guān)系數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土種名稱(chēng)，土種代碼，土地利用，土地利用代碼。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

表4和表5為數(shù)據(jù)集部分列表，說(shuō)明了數(shù)據(jù)集的具體數(shù)據(jù)特征，可以根據(jù)土壤分類(lèi)和地點(diǎn)查到土種，以及相關(guān)的各項(xiàng)屬性。

表4 地點(diǎn)數(shù)據(jù)集Table 4 Location dataset

表5 典型剖面理化性質(zhì)數(shù)據(jù)集 Table 5 Dataset of physical and chemical properties of typical section

3 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

實(shí)體-關(guān)系(Entity Relationship)模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為E-R模型，它提供不受任何DBMS約束的面向用戶(hù)的表達(dá)方法，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中被廣泛用作數(shù)據(jù)建模的工具[18-21]。

3.1 E-R模型設(shè)計(jì)

本數(shù)據(jù)庫(kù)按照E-R模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立一個(gè)具有空間分布關(guān)系的土種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地點(diǎn)，土壤類(lèi)型，土種，或者地點(diǎn)+土種進(jìn)行查找，瀏覽，統(tǒng)計(jì)。土種數(shù)據(jù)庫(kù)E-R 關(guān)系概念模型的設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，為了解土種的分布和屬性提供便捷的數(shù)據(jù)資源。

圖1 土種數(shù)據(jù)庫(kù)E-R模型Fig.1 E-R model of soil species database

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

Access作為一款桌面數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，是Microsoft Office眾多的軟件之一。Access采用模塊化設(shè)計(jì)，整體數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)無(wú)需復(fù)雜的代碼編寫(xiě)，且其視圖界面非常友好，適用于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)庫(kù)建立開(kāi)發(fā)[22-23]。

本數(shù)據(jù)庫(kù)選用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，根據(jù)需求確定并搜集相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與實(shí)現(xiàn)：

(1)根據(jù)《土壤數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行元數(shù)據(jù)的編寫(xiě)和編碼；

(2)根據(jù)元數(shù)據(jù)，確定元數(shù)據(jù)和屬性設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵字段；

(3)根據(jù)屬性關(guān)鍵字段進(jìn)行屬性分類(lèi)；

(4)根據(jù)元數(shù)據(jù)和屬性的關(guān)鍵字段，設(shè)計(jì)元數(shù)據(jù)和屬性的底層數(shù)據(jù)表；

(5)整理錄入底層數(shù)據(jù)表，并建立相應(yīng)的邏輯關(guān)系，即查詢(xún)功能；

(6)進(jìn)行交互界面——窗體的設(shè)計(jì)。

圖2是具體數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)流程。

圖2 黑龍江土種數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建流程圖Fig.2 Construction of Heilongjiang soil resources database

數(shù)據(jù)存貯可以在Excel表格中錄入數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)入到Access數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行管理?？梢詫?shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的修改，增加，刪除，數(shù)據(jù)查詢(xún)，檢索，打印和輸出等。

數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)按照地點(diǎn)查詢(xún)，按照土類(lèi)或者土種剖面查詢(xún)等功能，如圖3示例。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)結(jié)果Fig.3 Database query results

4 問(wèn)題與討論

全國(guó)第二次土壤普查是我國(guó)至今為止最為全面系統(tǒng)的土壤考察，獲得了大量的土壤調(diào)查數(shù)據(jù)和資料，做出了大量的圖件和規(guī)劃。這些數(shù)據(jù)在土壤分布的自然條件、成因類(lèi)型、理化性狀、肥力分布、改良利用等研究方面，是一批非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)資源，也是國(guó)家農(nóng)業(yè)區(qū)劃，制定土壤培肥政策，保護(hù)土壤資源的重要數(shù)據(jù)。在信息社會(huì)高度發(fā)達(dá)的今天，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理并予以應(yīng)用，是對(duì)研究漫長(zhǎng)的土壤生態(tài)演變過(guò)程的有力支持。也為將來(lái)的土壤發(fā)生分類(lèi)與中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)、美國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)或WRB分類(lèi)進(jìn)行參比提供了可能。

由于年代久遠(yuǎn)，一些重要的資料很難收集。數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)中努力收集了第二次土壤普查采樣的技術(shù)規(guī)程，方法，仔細(xì)核實(shí)了原始資料各數(shù)據(jù)字段、單位和數(shù)值；依據(jù)現(xiàn)行的計(jì)量單位進(jìn)行了校正，并保留了計(jì)算過(guò)單位的原始數(shù)據(jù)和單位；對(duì)縣市新舊名稱(chēng)進(jìn)行了修正和核對(duì)，并建立了對(duì)比數(shù)據(jù)表；對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行了設(shè)定規(guī)范；建立了數(shù)據(jù)庫(kù)元數(shù)據(jù)文檔，從而具備數(shù)據(jù)使用的可行性，保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

由于條件有限，土種數(shù)據(jù)庫(kù)僅建立為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，今后需要在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該數(shù)據(jù)資源的剖面分布，進(jìn)一步構(gòu)建土種空間數(shù)據(jù)庫(kù)，使屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，更新數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，為科學(xué)研究提供更加便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)和支持。

致 謝

感謝著名土壤科學(xué)家張之一先生和藍(lán)宏老師提供的第二次土壤普查的技術(shù)規(guī)程，并對(duì)文稿提出的寶貴修改意見(jiàn)。感謝“國(guó)家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)-國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)-東北黑土科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://northeast.geodata.cn)”提供支撐。