(中國科學(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)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081)

0 引 言

土壤是人類及一切動植物賴以生存的自然資源，是人類獲取食物等生活資料的生產(chǎn)基地，也是人類生息繁衍的場所[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)國務(wù)院國發(fā)1979-111號文件[2]，1979年開始進行全國第二次土壤普查，黑龍江省同步進行，由土壤科技工作者按照國家統(tǒng)一要求的方法完成。

我國共完成2次土壤普查，第一次1958-1959年開始，是在農(nóng)民群眾認土、用土和改土經(jīng)驗上提出的。第二次土壤普查吸收了國內(nèi)外當(dāng)時土壤分類的優(yōu)點，結(jié)合我國具體情況，既保留了土壤發(fā)生學(xué)的觀點，又應(yīng)用了診斷層的概念制定了全國統(tǒng)一的土壤分類方案，是土壤分類由定性向定量發(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、采樣和化驗分析后完成，期間共計挖土壤剖面42.8萬個，其中主剖面12.8萬個，化驗分析剖面7751個[4]。并于1990年10月出版了黑龍江土種，完成土壤志121冊，專題調(diào)查報告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、水土保持及環(huán)境保護等方面，為國家糧食安全、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)庫進行系統(tǒng)管理方面還略顯不足。

本數(shù)據(jù)庫主要針對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)庫共有7個部分組成，構(gòu)建了一個以地點和土種為實體的土壤類型分布關(guān)系數(shù)據(jù)庫，形成了中國土壤發(fā)生分類黑龍江土種E-R數(shù)據(jù)模型。

土種數(shù)據(jù)庫建設(shè)的主要目的是以土壤最基本單元的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐步實現(xiàn)土壤多源數(shù)據(jù)的集成，形成多時段空間和屬性數(shù)據(jù)融合，進而實現(xiàn)土壤調(diào)查數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和維護；同時能夠通過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，也是時代發(fā)展的必然趨勢。對于土壤演變研究、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)庫的主要數(shù)據(jù)資源來自《黑龍江土壤》[2]、《黑龍江土種》[5]、《中國土壤》[12]、《中國土種志》[13]等文獻資料。數(shù)據(jù)庫包括元數(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)庫中的數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、來源和獲得方法。屬性數(shù)據(jù)集將收集的數(shù)據(jù)進行分類整理和補充，保持第二次土壤普查期間的原始分類和名稱，完成屬性表錄入。參照相關(guān)資料建立了土壤發(fā)生分類和土壤系統(tǒng)分類對照表[1]。通過E-R模型的概念設(shè)計，數(shù)據(jù)庫語言開發(fā)編程，構(gòu)建了關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫系統(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個層次，3個指標(biāo)/層來劃分的(表1)[4]。

1.2 數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范化

1.2.1 土壤分類規(guī)范化處理。目前我國有兩種土壤分類方法，一種分類是土壤地理發(fā)生分類，另一種是中國土壤系統(tǒng)分類。這兩個分類系統(tǒng)依據(jù)不同，從嚴格意義來講很難準(zhǔn)確比較，只能做到近似參比。數(shù)據(jù)庫的建設(shè)考慮到在今后的研究中土壤分類會有更多的機會與國際接軌，為便于歷史數(shù)據(jù)的使用，需要對不同的土壤分類進行參比時，可以參見引文[1,12]中相關(guān)列表和論述。

1.2.2 土種命名。黑龍江土壤分類的原則是以土壤發(fā)生分類的理論和原則為基礎(chǔ)，把自然土壤和農(nóng)業(yè)土壤統(tǒng)一起來進行分類。正確處理土壤分布的地帶性和隱域性，土壤典型性和過渡性的關(guān)系。在進行土壤分類時，以成土條件、成土過程、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、亞類、土屬、土種四級分類。

土種是土壤分類的基本單元，它是處于相同的或相似的景觀部位以及類似的水熱條件下，具有相對一致的土壤剖面形態(tài)特征和理化生物性質(zhì)相似的一群土壤實體。按照土壤的發(fā)育程度，熟化程度和肥力水平來區(qū)分，并采用連續(xù)命名法的原則定義，也就是用一個短句把土種、土屬、亞類及土類分類單元都概括起來，把土壤形成過程，主要特征和屬性反映出來，從而看清它在土壤分類系統(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。在實際生產(chǎn)中相同的土種存在的問題和需要改進的措施表現(xiàn)更加一致。

1.2.4 土體構(gòu)型的土層符號。土種志中定義的土層符號詳細信息表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。寫明剖面構(gòu)型同時說明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，鐵錳結(jié)核，底層為黃土狀土，有銹斑[5]。

土層后綴符號，表示土層的附加特征，以小寫英文字母附注在主要土層符號的右下方。詳細內(nèi)容可參見表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]。主要測有：有機質(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)量和肥料試驗結(jié)果等，不描述區(qū)域宏觀狀況。

表2 土層符號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)庫的構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫是一種按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理的倉庫，是用戶接觸與使用的最終形式。

數(shù)據(jù)模型(Data model)是用來描述數(shù)據(jù)的一組概念和定義，對某一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、聯(lián)系和約束的描述稱為數(shù)據(jù)模式(Data schema)。諸如一個關(guān)系的屬性表名稱為關(guān)系模式，可以寫成：REL(A1，A2…，Ak) 。式中：REL表示關(guān)系；A1，A2…，Ak表示在一個K度關(guān)系有K個屬性，相應(yīng)于k個域。用以表達數(shù)據(jù)信息的一組關(guān)系模式稱為關(guān)系的數(shù)據(jù)庫模式，相對應(yīng)的這些關(guān)系的值域就稱為一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫[17]。

2.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

參照相關(guān)土壤資源數(shù)據(jù)庫的關(guān)系結(jié)構(gòu)[3]，本數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了一個地點與土種的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫可以通過地點及土壤類型等進行查詢和管理，方便數(shù)據(jù)的保存和使用。

按照土壤發(fā)生分類，土類和亞類、亞類和土種是一對多的關(guān)系，土種和地點是多對多的關(guān)系。建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫首先要明確各個數(shù)據(jù)集中對應(yīng)的多種關(guān)系類型。

本數(shù)據(jù)庫由7個數(shù)據(jù)集組成 。

(1)土種屬性數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土類名稱，亞類名稱，土屬名稱，土種名稱，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，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，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)，如有機質(zhì)，全量和速效養(yǎng)分，質(zhì)地，土壤機械組成等。

(5)地點與土種關(guān)系數(shù)據(jù)集

主要屬性有：土種代碼，土種名稱，市縣代碼，市縣名稱。

(6)地點數(shù)據(jù)集

主要屬性有：地點名稱，地點代碼，經(jīng)度，緯度，行政區(qū)劃變更名稱等。

(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，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)土壤分類和地點查到土種，以及相關(guān)的各項屬性。

表4 地點數(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)庫實現(xiàn)

實體-關(guān)系(Entity Relationship)模型，簡稱為E-R模型，它提供不受任何DBMS約束的面向用戶的表達方法，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中被廣泛用作數(shù)據(jù)建模的工具[18-21]。

3.1 E-R模型設(shè)計

本數(shù)據(jù)庫按照E-R模型進行設(shè)計，建立一個具有空間分布關(guān)系的土種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對地點，土壤類型，土種，或者地點+土種進行查找，瀏覽，統(tǒng)計。土種數(shù)據(jù)庫E-R 關(guān)系概念模型的設(shè)計見圖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E-R模型Fig.1 E-R model of soil species database

3.2 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

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

本數(shù)據(jù)庫選用Access數(shù)據(jù)庫進行管理，根據(jù)需求確定并搜集相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源后進行數(shù)據(jù)庫的建立與實現(xiàn)：

(1)根據(jù)《土壤數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)》進行元數(shù)據(jù)的編寫和編碼；

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

(3)根據(jù)屬性關(guān)鍵字段進行屬性分類；

(4)根據(jù)元數(shù)據(jù)和屬性的關(guān)鍵字段，設(shè)計元數(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，即查詢功能；

(6)進行交互界面——窗體的設(shè)計。

圖2是具體數(shù)據(jù)庫開發(fā)流程。

圖2 黑龍江土種數(shù)據(jù)庫構(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)庫中進行管理?？梢詫崿F(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的修改，增加，刪除，數(shù)據(jù)查詢，檢索，打印和輸出等。

數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)按照地點查詢，按照土類或者土種剖面查詢等功能，如圖3示例。

圖3 數(shù)據(jù)庫查詢結(jié)果Fig.3 Database query results

4 問題與討論

全國第二次土壤普查是我國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，是一批非常有價值的數(shù)據(jù)資源，也是國家農(nóng)業(yè)區(qū)劃，制定土壤培肥政策，保護土壤資源的重要數(shù)據(jù)。在信息社會高度發(fā)達的今天，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)將歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)實數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理并予以應(yīng)用，是對研究漫長的土壤生態(tài)演變過程的有力支持。也為將來的土壤發(fā)生分類與中國土壤系統(tǒng)分類、美國土壤系統(tǒng)分類或WRB分類進行參比提供了可能。

由于年代久遠，一些重要的資料很難收集。數(shù)據(jù)庫建庫中努力收集了第二次土壤普查采樣的技術(shù)規(guī)程，方法，仔細核實了原始資料各數(shù)據(jù)字段、單位和數(shù)值；依據(jù)現(xiàn)行的計量單位進行了校正，并保留了計算過單位的原始數(shù)據(jù)和單位；對縣市新舊名稱進行了修正和核對，并建立了對比數(shù)據(jù)表；對缺失數(shù)據(jù)進行了設(shè)定規(guī)范；建立了數(shù)據(jù)庫元數(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)庫僅建立為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，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，進一步構(gòu)建土種空間數(shù)據(jù)庫，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)家張之一先生和藍宏老師提供的第二次土壤普查的技術(shù)規(guī)程，并對文稿提出的寶貴修改意見。感謝“國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺-東北黑土科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://northeast.geodata.cn)”提供支撐。