我國土壤數據庫的構建研究進展

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的原理、特點，重點闡述了我國土壤數據庫縣市級、區域級和國家級的研究進展及數據庫構建的方式，總結了我國土壤數據庫的發展進程；分析了土壤信息系統的發展趨勢和我國土壤數據庫系統目前存在的問題，并提出了相應建議。

關鍵詞數據庫；土壤信息系統；構建方式

中圖分類號S126文獻標識碼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，是人類生產生活的根基[1-2]。隨著社會發展和人口增長，人類活動對地球土壤的影響不斷加大，導致了土壤侵蝕、水澇及污染等問題，極大地降低了全球土壤資源數量和質量[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。

土壤資源數據具有種類多、數量大且內容復雜等特點，如何高效管理和合理利用土地資源數據已成為難題[4]。不同時間分布、不同空間尺度的地理信息系統（GIS）是人類研究和解決土地、人口、環境、建設和災害等一系列問題所必需的信息資源。土壤信息系統（Soil information system，SIS）是建立在地理信息系統的基礎上發展而來的，運用計算機來快速、精確地管理土壤調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，創造出更多的經濟價值、社會價值和生態價值[5]。

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

1土壤信息系統的原理與特點

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

現有的土壤信息系統有3個特點[7]：

①采用X，Y坐標法的數據結構和格式來記錄、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聯。

2我國土壤信息系統的發展

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據及信息系統奠定了良好的基礎。與發達國家相比，我國土壤數據庫的建立較晚，20世紀80年代我國土壤數據庫才開始構建，土壤信息系統才開始研發。由北京大學遙感中心牽頭的相關單位于1986年率先構造了跨區域的土壤侵蝕信息系統，魏永勝等[6]于1989年建成了三江平原土壤數據庫系統。

2.1大比例尺市縣級土壤數據庫

大比例尺土壤數據庫相較于中小比例尺而言，數據信息更詳細，更有實用性和基礎性，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據庫的基礎數據。

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

郭揆[11]采用VB+ArcEngine的方法構建長治縣土壤數據庫，該數據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據等信息的基礎上建立的，其構建路線如圖1所示。該數據庫不僅具有GIS的各種功能，而且內置了特征數據分析模型，可為相應區域內土壤資源詳查、分析、評價及改良等工作提供數據、圖像資料和分析方法。

吳璽等[12]為了解決當地農業生產缺乏宏觀指導的問題，以西昌市為例，基于GIS和專家系統（ES）建立了1∶50 000大比例尺的土壤數據庫，含多種功能，可以實現市、區、鄉和村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大比例尺的土壤數據庫來服務基層。

2.2區域土壤數據庫

區域土壤數據庫的建立可為區域開發治理、農田基礎建設提供決策依據和信息化服務平臺。一

方面可作為獨立系統進行查詢、評價和決策等，另一方面能

成為國家級土壤數據庫的基礎信息來源。

中國科學院南京土壤研究所于1992年針對海南省建立了1∶50 000比例尺土壤數據庫，并系統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字化數據庫（Soil and Terrain Digital Database，SOTER）示范區，選取若干指標組成評價體系，輸出了土壤質量評價結果[18]。

周斌等[19]在PAMAP GIS支持下闡述了貴州省土壤信息系統空間數據庫的設計、功能和應用，構建的數據庫主要包含基礎地理信息、SIS專題信息和統計數據等內容。

沈德福[20]利用Arc/Info、ArcView和VB等軟件建立了江蘇1∶200 000比例尺土壤數據庫，依照多元數理統計方法且能體現土壤養分狀況的綜合性指標，輸出了江蘇省土壤養分等級圖。姜小三[21]基于GIS技術、數據庫技術和信息系統開發技術，研發了1∶500 000土壤信息系統，該系統具有查詢、制圖、分析等功能，可為江蘇省土壤資源信息系統創建提供數據庫支撐。

邵作宇[22]針對陜西省土壤信息化要求，以組件式GIS原理和方法為技術支撐，整理陜西省土壤相關數據資料，運用ADO.NET技術集成開發了陜西省土壤信息數據庫（圖2），實現了對陜西省土壤資源科學管理、決策分析、動態監測等功能。劉京等[23]利用GIS屬性數據管理功能，構建了陜西省土壤數據庫系統E-R模型，具有功能強大、實用性強、操作簡單的特點。

圖2陜西省土壤信息數據庫

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不同比例尺土壤數據庫，探討了土壤圖數字化修復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據庫，實現了浙江全省土壤圖無縫拼接，奠定了浙江省“數字土壤”的基礎。

2.3國家土壤信息系統

在現有條件下建立國家土壤數據庫系統，對農業的正確決策、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“數字土壤”的潮流不斷推進，國家土壤資源的數字化和信息化也為促進國內外土壤信息交流奠定了良好的基礎。

于東升等[26]在1∶1 000 000比例尺的我國土壤數據庫的基礎上，系統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。

張學雷等[27]在美國NASIS土壤分類數據庫系統建設經驗的基礎上，研究了SOTER數據庫的屬性和結構特點以及我國現有土系數據庫的分類狀況，并闡述了我國土壤系統數據庫建立、更新的主要內容和技術規范。

2014年張維理等[28]收集整理了不同時期土壤調查得到的我國不同年份大比例尺土壤圖件資料、土壤調查采樣點基本信息以及含坐標的調查土壤剖面點，構建了1∶50 000的大比例尺我國數字土壤圖數據庫，該數據庫時間跨度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據庫。

3土壤數據庫的構建方式

3.1GIS

GIS軟件的出現和發展大大促進了地理信息和土壤數據資源開發利用，GIS自帶的二次開發宏語言可作為開發平臺建立數據庫系統。

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

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

3.2SOTER

SOTER數據庫是在地理信息系統及其他地理技術基礎上建立起來的，主要是運用各種基礎地形圖、土壤信息圖及巖性結構圖等要素來構成SOTER數據庫單元圖，并利用單元圖構建不同土地、各種土壤屬性賦值的數據庫空間框架。SOTER數據庫可用于評價各種土地生產力、肥力和種植適宜性。

陳志強[44]以GIS為技術支撐，以福建省土壤信息資料為基礎數據，構建了福建全省和漳浦樣區SOTER數據庫，比例尺分別為1∶200 000中比例尺和1∶10 000大比例尺。在數據庫構建過程中，大比例尺和中比例尺數據庫間銜接以AVENUE編輯語言為載體實現轉換。同時，采用景觀生態學分析了漳浦樣區土地利用現狀及土壤分類。

3.3SWAT（Soil and Water Assessment Tool）

SWAT模型是Arnlod JG.博士等為美國農業部下屬的農業研究局開發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]提出了前蘇聯制土壤質地轉化為美國土壤質地的方法，并給出了轉換計算方法，利用SPAW軟件計算SWAT模型部分參數，將美國SWAT模型應用于我國土壤數據庫的構建中，天津的實例驗證得到了理想的結果。

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、土地利用和農作物管理等數據庫，結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世紀構建土壤數據庫管理系統的主流方法，主要運用GIS本身自帶的不同功能區塊在構建數據庫過程中完成不同任務，每一個區塊之間和非GIS功能區塊內容間都可以采用其他計算機開發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應用系統。目前，研究常用的軟件開發語言有VB、VB+MapObjects和.NET2.0（C#）等。

王明聰[47]將組件式GIS軟件MapInfo/MapX與開發平臺VB、數據庫系統（DBMS）SQL Server2000有機結合與集成，并使它們相輔相成，充分發揮各自優點，構建了山東省土壤環境質量信息系統。

劉丹[7]建立的吉林省鎮賚縣土壤資源信息系統是以MapGIS和ArcView為技術平臺，結合VB+MapObjects編程技術而建立起來的，可以對土壤類型圖和土壤理化性質進行管理與維護，也可以對土壤質量等級進行科學評價。

黨玉梅[48]利用組件式GIS整理數據，利用平臺各系統編寫語言C#3.0和開發工具VB組建了新疆兵團數字化農業信息咨詢決策平臺，各接口采用ADO.NET技術進行連接，為兵團農業信息化發展提供了一定的借鑒。史明昌等[49]采用先進的DTGIS流域空間服務平臺，構建基礎土壤侵蝕數據層，以C++為數據庫開發語言，以Silverlight為數據庫界面開發工具，構建了全國土壤侵蝕普查數據庫，可用于檢查和存儲基礎地理、土壤侵蝕因子、侵蝕溝道、土壤侵蝕強度數據等資料。

此外，還有一些運用C#+ASP.NET+ADO.NET[35]、AnnAGNPS[50]模式開發數據庫的報道。

4土壤信息系統的發展趨勢

土壤信息系統自20世紀問世以來，歷經30多年的發展過程，已成為廣大土壤學者和專家關注的土壤學科重要的使用工具之一。現有土壤信息系統的發展潮流，主要表現在以下方面[5，51]：①數據格式的統一和規范；②土壤數據庫系統的全面化；③應用化和實時數據分析；④智能化和主動化。

5結語與展望

總結我國自改革開放后在土壤信息化建設方面的成果，雖然國家土壤空間數據庫尺度和土壤信息量跟部分發達國家已經很接近，但總體上仍然與最發達國家之間存在一定差距，具體表現在以下方面：

①土壤基礎信息數據規范化。以前我國在土壤數據庫方面完全沒有明確標準作為參考，所以存在已經構建的土壤數據庫沒有明確坐標和數據格式不統一等問題，這就導致該數據庫成為無法使用的“數據孤島”。

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

③土壤分類標準化。我國現有土壤分類體系共有土壤發生分類和土壤系統分類兩大類型。系統分類由于采用定量化指標劃分土壤的歸屬，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是發生分類，而系統分類與發生分類之間沒有必然的、簡單的對應關系，所以兩大分類體系的轉換則成為后期土壤數據庫建設亟待解決的問題。

④土壤圖件的更新化。土壤普查圖件質量改進是建設土壤數據信息系統非常重要的環節，自第2次全國土壤普查結束后，近40年來國內生態環境已經發生了很大變化，現有及將來擬建設的數據庫若仍以第2次土壤普查信息為基礎，制約了建成土壤數據庫質量。恢復和更新土壤普查圖件精度以及保持圖件資料現勢性十分必要。

⑤數據庫建設集成化。盡管許多科研工作者就如何將地理信息系統技術、數據庫技術、信息系統軟件開發技術更好地集成用于開發功能完善、實用性強的土壤信息系統，以及如何在土壤信息系統的基礎上利用這些先進的技術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、地理信息系統技術、數據庫技術、信息系統軟件開發技術等方面的完美結合始終是土壤科學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成功開發、最大程度被應用于科研工作的有力保障。

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