湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測信息系統(tǒng)的建立

劉瓊峰，李明德，吳海勇，吳小丹

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128）

煙草是湖南省的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。1980年至2008年期間，湖南省煙葉的播種面積平均為90 663 hm2[1]，其中1980年至1989年期間基本呈上升趨勢，1980年為26 967 hm2，1989年增加到96 607 hm2；1990至1999年期間播種面積的變化幅度較大，在1993年和1997年分別達(dá)到134 300和138 280 hm2，而 1995 年則只有 62 210 hm2；2000 年至2008年間，湖南省煙葉的播種面積相對較穩(wěn)定，基本維持在80 000至100 000 hm2之間。湖南省植煙土壤不僅在數(shù)量上，而且在質(zhì)量上也是長期動(dòng)態(tài)變化的過程。從湖南省主產(chǎn)煙區(qū)定位監(jiān)測點(diǎn)2000年至2008年間土壤養(yǎng)分變化情況來看，土壤pH值相對較穩(wěn)定；土壤全氮和堿解氮含量、交換性鈣和交換性鎂含量以及土壤有效硫、有效鋅和有效硼含量均有所提高；而土壤有機(jī)質(zhì)和水溶性氯含量則有所下降[2]。為了全面掌握植煙土壤質(zhì)量的長期動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，在湖南省典型植煙區(qū)域開展土壤長期定位監(jiān)測試驗(yàn)、并建立數(shù)據(jù)庫與信息系統(tǒng)，對植煙土壤平衡施肥與煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量的提高均具有重要意義。

1 湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測點(diǎn)概況

1.1 植煙土壤肥力定位監(jiān)測

根據(jù)湖南煙草種植區(qū)劃[3]、植煙土壤成土母質(zhì)、種植制度和肥力水平的特點(diǎn)以及2000年湖南省第一次植煙土壤普查結(jié)果，在湖南省特色優(yōu)質(zhì)煙葉開發(fā)區(qū)域及其他重點(diǎn)產(chǎn)煙縣建立了67個(gè)植煙土壤質(zhì)量長期定位監(jiān)測分布點(diǎn)，監(jiān)測土壤養(yǎng)分狀況、土壤有機(jī)質(zhì)、酸堿度、土壤微生物、土壤耕層厚度、水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)等指標(biāo)的變化及其規(guī)律。定位監(jiān)測點(diǎn)從2008年起每三年進(jìn)行一次取樣檢測。監(jiān)測點(diǎn)的分布情況如圖1所示。

圖1 長期定位監(jiān)測點(diǎn)分布

1.2 代表性典型土壤肥力狀況與煙葉風(fēng)格特征的定位監(jiān)測

選取湖南長沙、衡陽第四紀(jì)紅土和紫色砂頁巖母質(zhì)、郴州和永州石灰?guī)r和板頁巖母質(zhì)發(fā)育的水稻土，江永石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育的紅壤，湘西石灰?guī)r和板頁巖母質(zhì)發(fā)育的黃壤等幾種代表性典型植煙土壤，定位監(jiān)測土壤肥力狀況與煙葉風(fēng)格特征，分高、低肥力水平定點(diǎn)在煙葉和晚稻收獲后分兩次采集土壤樣品，分析土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)性狀；X2F、C3F和B2F煙葉中主要內(nèi)在化學(xué)成分含量；監(jiān)測點(diǎn)農(nóng)用物質(zhì)投入情況、烤煙經(jīng)濟(jì)性狀等。代表性典型土壤肥力狀況與煙葉風(fēng)格特征的定位監(jiān)測點(diǎn)從2008年起每年都進(jìn)行取樣檢測，基本情況見表1。

表1 代表性典型土壤肥力狀況與煙葉風(fēng)格特征的定位監(jiān)測點(diǎn)基本情況

2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)與建立

根據(jù)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)思想，數(shù)據(jù)庫的建立分為屬性數(shù)據(jù)庫與空間數(shù)據(jù)庫，這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫由若干子數(shù)據(jù)庫或者數(shù)據(jù)文件組成，數(shù)據(jù)庫的整體框架見圖2。其中長期定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)67個(gè)植煙土壤質(zhì)量長期定位監(jiān)測分布點(diǎn)的信息管理，包括2000年、2008年、2010年三個(gè)年度監(jiān)測點(diǎn)的土壤肥力表，2008年、2010年兩個(gè)年度監(jiān)測點(diǎn)的作物施肥表和作物產(chǎn)量產(chǎn)值表。代表性典型定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)18個(gè)代表性典型土壤肥力狀況與煙葉風(fēng)格特征的定位監(jiān)測點(diǎn)的信息管理，包括2008年、2009年、2010年三個(gè)年度的土壤肥力表、作物施肥表、作物產(chǎn)量產(chǎn)值表和煙葉質(zhì)量表。各數(shù)據(jù)表通過關(guān)鍵字段“編號”進(jìn)行識別。空間數(shù)據(jù)庫主要實(shí)現(xiàn)湖南省行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖、監(jiān)測點(diǎn)分布圖等圖件的管理。

圖2 定位監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的整體框架

2.1 屬性數(shù)據(jù)庫

屬性數(shù)據(jù)的來源主要有各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)不同時(shí)間段的基本情況調(diào)查表、土壤理化性狀以及煙葉質(zhì)量的化驗(yàn)檢測結(jié)果等，這些數(shù)據(jù)在建立數(shù)據(jù)庫之前要進(jìn)行符合規(guī)范要求的統(tǒng)一編碼與數(shù)據(jù)組織，補(bǔ)充錄入缺失的數(shù)據(jù)。各數(shù)據(jù)表按時(shí)間段分類劃分，依照數(shù)據(jù)的性質(zhì)、特點(diǎn)確定字段名、字段類型及其寬度。建立數(shù)據(jù)庫時(shí)先在Excel軟件下，完成數(shù)據(jù)的輸入與檢查，然后將Excel文件轉(zhuǎn)為Microsoft Access數(shù)據(jù)庫的 *.dbf格式。

兩個(gè)定位監(jiān)測數(shù)據(jù)庫各時(shí)期的數(shù)據(jù)表主要包括以下內(nèi)容。

土壤肥力表：該數(shù)據(jù)表管理監(jiān)測點(diǎn)的地理位置、生態(tài)環(huán)境條件與肥力狀況數(shù)據(jù)。地理位置數(shù)據(jù)主要有監(jiān)測點(diǎn)所在地的市、縣、鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）、村、組、地塊名稱，經(jīng)緯度。生態(tài)環(huán)境條件數(shù)據(jù)主要有海拔高度、成土母質(zhì)、土壤類型、地貌類型、地形部位、水土流失情況、輪作制度、烤葉品種、水利設(shè)施條件等。土壤肥力狀況數(shù)據(jù)包括土壤物理、化學(xué)、生物三個(gè)方面土壤質(zhì)量指標(biāo)。土壤物理指標(biāo)主要有耕層厚度、水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。土壤化學(xué)指標(biāo)主要有土壤有機(jī)質(zhì)，pH值，陽離子交換量，土壤大量營養(yǎng)元素如全氮和速效氮、全磷和速效磷、全鉀和速效鉀，土壤中微量營養(yǎng)元素如交換性鈣和交換性鎂、土壤有機(jī)硫、水溶性氯、有效鋅、有效硼。土壤生物指標(biāo)有土壤微生物總活性、細(xì)菌、真菌、放線菌、脫氫酶、脲酶和磷酸酶等。

作物施肥表：主要反映監(jiān)測點(diǎn)的施肥狀況，如施肥類型、施肥名稱、施肥品種、施肥用量、施肥時(shí)間、施肥方式。

作物產(chǎn)量產(chǎn)值表：包括監(jiān)測點(diǎn)在不同輪作制度下的各種作物的產(chǎn)量和產(chǎn)值數(shù)據(jù)。種植的作物有烤煙、水稻、花生、玉米。

煙葉質(zhì)量表：管理監(jiān)測點(diǎn)煙葉X2F、C3F和B2F三個(gè)等級的煙葉質(zhì)量數(shù)據(jù)，如還原糖、煙堿、總氮、氯、氧化鉀等指標(biāo)。

2.2 空間數(shù)據(jù)庫

空間數(shù)據(jù)庫是在GIS支持下的一種更加直觀、高效的空間信息管理手段，為土壤屬性數(shù)據(jù)提供了空間信息定位，二維甚至三維空間表達(dá)[4]。湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源有湖南省1∶25萬行政區(qū)劃圖、湖南省1∶25萬土壤圖、湖南省1∶10萬土地利用現(xiàn)狀圖、長期定位監(jiān)測點(diǎn)和代表性典型土壤定位監(jiān)測點(diǎn)含經(jīng)緯度的采樣數(shù)據(jù)。在建立空間數(shù)據(jù)庫之前將數(shù)據(jù)要素進(jìn)行合理的分類、分層，定義空間數(shù)據(jù)庫要素集。在ArcGIS 9.0 Desktop軟件中對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和處理，統(tǒng)一各圖層文件的坐標(biāo)系，進(jìn)行拓?fù)錂z查，建立空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)等。主要圖層與數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)見表2。

表2 主要圖層與數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建立

3.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用組件式二次開發(fā)方式，以Access技術(shù)作為數(shù)據(jù)庫支持，在Visual Basic開發(fā)環(huán)境下集成MapObjects控件，實(shí)現(xiàn)界面友好、面向?qū)ο蟆⒖蓴U(kuò)展的湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測信息系統(tǒng)的建立。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)層、邏輯層和表現(xiàn)層的3層B/S結(jié)構(gòu)（圖3）。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)植煙土壤定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲、管理與維護(hù)和數(shù)據(jù)的提取，空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫通過關(guān)鍵字段進(jìn)行鏈接。邏輯層是數(shù)據(jù)層和表現(xiàn)層之間的橋梁，在Visual Basic開發(fā)環(huán)境下通過程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種功能模塊的編碼、調(diào)試和運(yùn)行。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)用戶交互界面的操作與響應(yīng)，提供各種功能模塊供用戶使用。

圖3 湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)主要功能介紹

3.2.1 地圖操作 系統(tǒng)通過“打開地圖”、“編輯地圖”、“瀏覽顯示”功能模塊可以實(shí)現(xiàn)增加和刪除圖層文件，放大、縮小、漫游顯示地圖和編輯圖形等功能，方便用戶對空間數(shù)據(jù)庫中的圖層文件進(jìn)行操作。

3.2.2 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢 系統(tǒng)可通過兩種方式對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。一種是在監(jiān)測點(diǎn)分布圖上通過“查看屬性”按鈕點(diǎn)擊監(jiān)測點(diǎn)，可以查看到每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)（圖4）。如圖4點(diǎn)擊“2000年長期定位監(jiān)測點(diǎn)”圖層中湘西永順縣扶志鄉(xiāng)扶志村的定位監(jiān)測點(diǎn)可以查看到該點(diǎn)的土壤養(yǎng)分信息；另外一種方式是通過“數(shù)據(jù)庫查詢”模塊對兩個(gè)屬性數(shù)據(jù)庫“長期定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)庫”和“代表性典型定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)庫”的數(shù)據(jù)表文件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。

圖4 定位監(jiān)測點(diǎn)屬性查詢

3.2.3 專題圖顯示 專題圖顯示功能提供了按簡單符號、獨(dú)立值、等級等多種方式顯示定位監(jiān)測點(diǎn)專題圖的功能。通過該功能可以在地圖上直觀的顯示各監(jiān)測點(diǎn)在土壤理化性狀上的差異情況。如圖5按照定位監(jiān)測點(diǎn)pH值的5個(gè)等級顯示專題圖，可方便用戶查看各監(jiān)測點(diǎn)的土壤酸堿程度差異情況。

圖5 按等級顯示監(jiān)測點(diǎn)土壤pH值專題圖

4 討論

（1）湖南省植煙土壤長期定位監(jiān)測數(shù)據(jù)庫與信息系統(tǒng)的建立對于監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的管理與分析具有重要作用，是了解植煙土壤質(zhì)量長期動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)平臺，可以隨時(shí)對定位監(jiān)測點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和更新。但是，由于監(jiān)測的時(shí)間較短，僅憑已有幾年的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)還不能分析土壤質(zhì)量變化的明顯規(guī)律。如果持續(xù)進(jìn)行長期監(jiān)測，便可對土壤質(zhì)量變化進(jìn)行預(yù)警監(jiān)控，為煙區(qū)土壤環(huán)境的管理提供有力的技術(shù)支撐。

（2）目前的定位監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)較有限，這對于全面反映湖南省煙區(qū)的土壤質(zhì)量狀況還有一定的局限性。如果能夠在湖南省各煙區(qū)的主要煙站建立定位監(jiān)測點(diǎn)，建立全省植煙土壤資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，將是湖南省植煙土壤管理的有力保障。

（3）從技術(shù)手段上來看，如果能夠利用時(shí)態(tài)GIS模型管理各個(gè)時(shí)間段的長期定位監(jiān)測數(shù)據(jù)，則可以對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維或四維表達(dá)，對于提供數(shù)據(jù)管理效率、實(shí)現(xiàn)更多系統(tǒng)功能均具有重要意義。

[1] 湖南省統(tǒng)計(jì)局.湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒 [M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社，1980-2008.

[2] 李明德，劉瓊峰，吳小丹，等.湖南省主產(chǎn)煙區(qū)土壤養(yǎng)分變化研究[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，（11）：69-72.

[3] 趙松義，肖漢乾.湖南煙草種植區(qū)劃[M].長沙：湖南地圖出版社，2010.

[4] 申 健，常慶瑞，俞方圓，等.秦巴山區(qū)土壤信息系統(tǒng)的建設(shè)研究[J].水土保持通報(bào)，2011，31（1）：155-159.