土壤也有大數(shù)據(jù)我國建成高精度數(shù)字土壤

周懷宗

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字土壤研究團(tuán)隊(duì)整裝待發(fā)，在海南進(jìn)行土壤采樣。圖|新京報(bào)

天覆地載，萬物生于土中，土壤生命生存的基礎(chǔ)要素之一，但如何認(rèn)識(shí)土壤、管理土壤，讓土壤更好地為人類服務(wù)？

4月6日，中國農(nóng)科院發(fā)布消息稱，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所牽頭完成的一項(xiàng)名為“高精度數(shù)字土壤”科研項(xiàng)目完成。該項(xiàng)目耗時(shí)21年，含九大圖層，包含多項(xiàng)土壤數(shù)據(jù)，同時(shí)整合了長達(dá)40年的土壤數(shù)據(jù)，是我國迄今為止最完整、最精細(xì)的土壤資源與質(zhì)量的科學(xué)記載，此外，“土壤大數(shù)據(jù)”還有分析、預(yù)報(bào)土壤變化等功能，對(duì)土壤資源利用與環(huán)境管控中進(jìn)行分區(qū)、分類的精準(zhǔn)施策具有重要意義。

什么是“數(shù)字土壤”？該成果完成第一人、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所張維理研究員介紹，“數(shù)字土壤”是利用“3S”，即地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）等現(xiàn)代信息技術(shù)方法，模擬、重現(xiàn)土壤類型、土壤養(yǎng)分等土壤性狀的空間分布特征?！案呔葦?shù)字土壤”能直觀、精細(xì)展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況。

我國人均耕地資源緊缺，因此，掌握土壤質(zhì)量狀況，更有利于精準(zhǔn)耕作，發(fā)揮耕地的作用。因此，自上世紀(jì)80年代以來，我國進(jìn)行了多次土壤調(diào)查，獲得了大量土壤科學(xué)數(shù)據(jù)。不過，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，這些資料大多比較分散且份數(shù)稀少，張維理介紹，“一個(gè)縣的紙質(zhì)手繪圖件，也就2～3份，且有些已經(jīng)存放了40年。其中的數(shù)據(jù)本身，可能上萬年都還有效，因?yàn)橥寥乐杏行┗A(chǔ)的東西，演變是非常緩慢的。但紙質(zhì)文件不耐儲(chǔ)存，對(duì)它們的搶救性收集刻不容緩”。

該“數(shù)字土壤”項(xiàng)目于1999年啟動(dòng)，隨著科技的進(jìn)步，越來越多的科技手段被運(yùn)用到“數(shù)字土壤”項(xiàng)目中，包括人工智能、人機(jī)交互等技術(shù)。

張維理介紹，“數(shù)字土壤”不只是紙質(zhì)資料的數(shù)字化，更通過科研人員設(shè)計(jì)的數(shù)百個(gè)模型，將全國各地40年來的數(shù)據(jù)加以整合和研究，最終建立了一個(gè)覆蓋全域、高精度的“數(shù)據(jù)庫”。

據(jù)了解，構(gòu)建完成的中國“高精度數(shù)字土壤”還有九大圖層，包含土壤理化性狀、土壤和環(huán)境容量、中微量養(yǎng)分含量等狀況。其精度可以達(dá)到100米×100米，即1公頃。這意味著，每公頃耕地都有數(shù)十項(xiàng)土壤數(shù)據(jù)，可以直接供農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)田管理。

張維理介紹，比如農(nóng)田管理，把全國的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到機(jī)載的智能裝置里，就可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的施肥和農(nóng)田管理，這也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械主要的考核指標(biāo)之一。

“高精度數(shù)字土壤”還可以幫助進(jìn)行“土壤的培肥和障礙農(nóng)田的修復(fù)”，張維理介紹，如酸化的土壤，水土流失的土壤都在什么地方，怎么修復(fù)？都需要用到這個(gè)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)格尺寸100 米的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)可直接供農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)田管理。圖|新京報(bào)

“適種作物評(píng)價(jià)”，即通過對(duì)土壤中多種元素的分析，找到不同區(qū)域中土壤的適種作物，“比如一塊地，是適合種葡萄，還是更適合種板栗，是可以分析出來的?！睆埦S理說?！案呔葦?shù)字土壤”對(duì)農(nóng)田氮磷流失控制、土壤污染防治與污染土壤修復(fù)、水土流失防治與減災(zāi)等，也都有非常重要的意義。

此外，張維理表示，“高精度數(shù)字土壤”還可以幫助科學(xué)家進(jìn)行氣候變化、碳足跡等方面的科學(xué)研究。據(jù)介紹，該數(shù)據(jù)庫包含了全國40年來的數(shù)據(jù)，張維理表示，“我們將40年來多次土壤調(diào)查的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了時(shí)空整合，并用成圖來表達(dá)。通過大數(shù)據(jù)可以看出，我國0～30厘米的農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量在過去的40年中增加了大約9%，而且根據(jù)分析，在未來20年中還要繼續(xù)增加?！?/p>

盡管近年來我國一直在加強(qiáng)耕地輪作的工作，但過去數(shù)十年高強(qiáng)度的耕作，仍然對(duì)一些地方的土壤造成了較大的影響，比如眾所周知的東北黑土地變薄。

然而，大數(shù)據(jù)卻顯示，在全國范圍內(nèi)，土壤有機(jī)質(zhì)并沒有減少，反而在增加？為何會(huì)出現(xiàn)這樣的情況？

張維理解釋說，“土壤有機(jī)質(zhì)的變化是一個(gè)長期過程，可能需要30年才能看出明顯的變化。過去40年的數(shù)據(jù)顯示，在一部分地方，農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量確實(shí)在降低，比如東北三省、內(nèi)蒙古靠近東北的一部分。但在其他地方如黃淮平原等，有機(jī)質(zhì)含量卻在提升，所以總體是提升的。我國農(nóng)田有機(jī)質(zhì)含量平均水平為1.98%，過去40年中，相對(duì)量提高了9%。即相對(duì)于原本的含量來說提升了9%?！?/p>

為何農(nóng)田有機(jī)質(zhì)會(huì)提升？張維理說，“這和農(nóng)作物產(chǎn)量增加有關(guān)，和上世紀(jì)80年代比，我們產(chǎn)量增加了一倍，這意味著，更多的農(nóng)作物根系殘留物留在了土壤中，這是有機(jī)質(zhì)增加的主要原因。此外，我們判斷，在未來20年中，增加的趨勢仍在延續(xù)，也就是說，還會(huì)增加。這是因?yàn)?，產(chǎn)量還在提升，同時(shí)，這些年來我推行的秸稈還田，也會(huì)逐漸發(fā)揮作用?！?/p>

有機(jī)質(zhì)含量提升是否意味著土壤變得更肥沃？張維理表示，“一般來說，衡量土壤肥力的過程中，有機(jī)質(zhì)含量占有很大的比重，所以在某些情況下，確實(shí)可以認(rèn)為土壤變肥沃了。不過，也要注意土壤養(yǎng)分非均衡化的問題，同時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量在淺層較高、深層較低的情況也應(yīng)注意?！?/p>

從項(xiàng)目啟動(dòng)到完成，“高精度數(shù)字土壤”歷經(jīng)21年。同時(shí)，該項(xiàng)目在建設(shè)過程中，已經(jīng)開始提供服務(wù)。據(jù)介紹，項(xiàng)目采取邊建設(shè)邊應(yīng)用的方式進(jìn)行，從2003年起至今，已為我國60余家專業(yè)科研機(jī)構(gòu)提供數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)研究，并為31個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的農(nóng)業(yè)、環(huán)境、自然資源管理部門提供數(shù)據(jù)，用于實(shí)施耕地保護(hù)與地力提升等國家工程。

在未來，“高精度數(shù)字土壤”還將提供更多的產(chǎn)品和服務(wù)。張維理介紹說，“土壤變化也可以進(jìn)行預(yù)報(bào)，就像天氣預(yù)報(bào)一樣。目前我們可以做到宏觀預(yù)報(bào)，事實(shí)上，近幾年來，我們幾乎每年都給農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等相關(guān)部門上報(bào)土壤數(shù)據(jù)?！?/p>

那么，是否能夠?qū)γ恳粔K地的土壤變化進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)，給種植者提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)呢？張維理認(rèn)為，要做到這一點(diǎn)，還需要10年左右?！耙呀?jīng)有一些農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，可以做到精準(zhǔn)預(yù)報(bào)了，比如荷蘭。我國是農(nóng)業(yè)大國，但還不是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，農(nóng)業(yè)科技起步較晚，還有很大的發(fā)展空間。在土壤數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)方面，種植者當(dāng)然希望知道自己的土地上，土壤的情況是怎樣的，種植什么作物合適？該進(jìn)行什么樣的土壤管理？要具體到這個(gè)程度，我們可能還需10年。當(dāng)然，土壤預(yù)報(bào)和天氣預(yù)報(bào)還是有區(qū)別的，比如不需要每天都報(bào)一次，因?yàn)橥寥赖淖兓窍鄬?duì)緩慢的，一般來說，兩三年預(yù)報(bào)一次就夠了。”