施建平，宋 歌

(中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

基于Web的中國土種數(shù)據(jù)庫①

施建平，宋 歌

(中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008)

來源于第二次全國土壤普查匯總成果的中國土種數(shù)據(jù)庫是目前最全面的全國性土壤數(shù)據(jù)庫。它收錄了20世紀(jì)80年代我國主要土種的分布、面積、性狀、土地利用情況和生產(chǎn)性能等資料。自2000年以來，中國科學(xué)院南京土壤研究所開始建設(shè)基于Web的中國土種數(shù)據(jù)庫，構(gòu)造了一個包括地點與土壤類型的空間分布關(guān)系和依據(jù)中國土壤發(fā)生分類系統(tǒng)的分類層次關(guān)系的實體-關(guān)系(entity-relationship，E-R)數(shù)據(jù)模型，形成了具有2 473個土種典型剖面、8 751個發(fā)生層及物理化學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。該數(shù)據(jù)庫可通過互聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于土地退化評估、環(huán)境影響研究以及土壤碳儲量研究，亦可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

土種數(shù)據(jù)庫；中國；第二次全國土壤普查；數(shù)據(jù)整合

土壤是一個國家最重要的自然資源，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。受復(fù)雜的自然條件和深刻的人為因素的影響，我國土壤類型繁多、千差萬別。在土壤學(xué)中，將影響土壤形成的各種自然條件，歸納為地形、氣候、成土母質(zhì)、植被、成土年齡等五大因素，稱為成土因素。在不同的地區(qū)，各因素具體產(chǎn)生作用的方式和特點不同，不同因素間還以不同方式互相作用和配合，從而形成各種各樣的土壤。土種是土壤發(fā)生分類系統(tǒng)中的基層分類單元，是在類似的水熱條件下，來自相同或相似景觀部位，具有相對一致的土壤剖面形態(tài)、發(fā)育層段、理化及生物特性、生產(chǎn)性能均相一致的一組土壤實體。土種的典型剖面是一個土種中心概念與邊緣概念十分清晰的土壤個體，體現(xiàn)了該土種的中心概念，起到定位、定性、定量的作用，是評比土壤性狀差異與劃分土種的依據(jù)。

中國土種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源于全國第二次土壤普查匯總成果《中國土種志》[1]。《中國土種志》經(jīng)過整理、選擇、總結(jié)省(市、區(qū))級有關(guān)土種資料基礎(chǔ)上編寫而成，是迄今為止最全面的全國性的土壤數(shù)據(jù)資料，它包括2 473個土種典型剖面，覆蓋了20世紀(jì)80年代我國主要土種在土壤發(fā)生分類系統(tǒng)中的歸屬、分布、面積、主要性狀、典型剖面、生產(chǎn)性能和理化分析數(shù)據(jù)。

土壤數(shù)據(jù)具有時間和空間屬性。在時間尺度上，土壤性質(zhì)隨著自然條件和人類活動影響而改變。在空間尺度上，土壤具有水平分布特征和垂直分布特征。同時土壤類型的劃分與植物分類一樣，對不同類型土壤的定量和規(guī)范化分類描述是數(shù)據(jù)解譯、模擬、對比的基礎(chǔ)。第二次全國土壤普查數(shù)據(jù)采集跨度為1978—1984年，可以不考慮時間尺度的變化。因此，中國土種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計需同時考慮空間分布關(guān)系和分類關(guān)系。

中國土種數(shù)據(jù)庫以土種為單位，提取了土種歸屬和分布、地形地貌、土地利用、土壤主要性狀、典型剖面理化性質(zhì)和統(tǒng)計剖面理化性質(zhì)數(shù)據(jù)。典型剖面土壤理化性質(zhì)包括不同發(fā)生層的土壤養(yǎng)分(有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH)、土壤物理特征(顆粒組成、質(zhì)地、容重、孔隙度)和土壤化學(xué)特征(交換性陽離子、陽離子交換量、有效陽離子交換量、碳酸鈣)等28個參數(shù)。 參考國外相關(guān)土壤數(shù)據(jù)庫關(guān)系結(jié)構(gòu)模型[2–3]，建立地點與土種水平分布關(guān)系，2 473個土種分布在全國除臺灣省外 30個省1 642個縣；建立土種與發(fā)生層間垂直分布關(guān)系，2 473個土種典型剖面具有8 751條發(fā)生層數(shù)據(jù)，平均每個剖面約3.5個發(fā)生層；按照中國土壤發(fā)生分類(GB/T 17296)[4]，建立土類、亞類、土種的分類關(guān)系。中國土種數(shù)據(jù)庫可按地點和土壤分類進(jìn)行查詢檢索，收錄的數(shù)據(jù)可用于土壤碳儲量研究、土壤分類研究或作為土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

參照國內(nèi)外有關(guān)土壤資源數(shù)據(jù)庫的關(guān)系結(jié)構(gòu)[5–8]，建成一個具有空間分布關(guān)系和分類層次關(guān)系的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)地點和土壤發(fā)生分類進(jìn)行查詢檢索。

數(shù)據(jù)庫由9張表組成：

1) 土種的基本信息表：SOIL_TYPE，包括土壤類型名稱、一般性描述、母質(zhì)、剖面構(gòu)型、主要特征、生產(chǎn)性能等。

2) 典型剖面景觀信息表：PROFILE_LANDSCAPE，一個典型剖面對應(yīng)一個土種類型，記錄典型剖面的采集地點、經(jīng)緯度、地形地貌、高程、母質(zhì)、年均溫和年降水、自然植被、土地利用等。

3) 描述空間分布信息的 3張表格：省名表為LOCATION_NAME，縣市名表為 sublocation，縣市名與土種之間的關(guān)系用LOCATION_USAGE表描述。一個省有多個縣市，省名表與縣市名表是一對多關(guān)系。一個縣市可能有多個土種，一個土種分布于多個縣市，縣市名與土種之間是多對多關(guān)系。例如：四川省縣市名表中“馬爾康”(sublocation_id為1518)分布兩種土壤類型：二黃土(soil_id為60241)和馬爾康黑氈泥土(soil_id為 60765)，這需要在 LOCATION_ USAGE表格中分別填寫sublocation_id和soil_id，建立一個縣市名與不同土種間分布關(guān)系(表1)。

表1 縣市名(四川省馬爾康縣)與土種分布關(guān)系示例Table 1 The example for the corresponding relationship between a city/county (Maerkang County, Sichuan Province) and several soil local types

再如：西昌紅泥土(soil_id為60035)分布于攀枝花(sublocation_id為 1407)、雅安(sublocation_id為1408)和西昌(sublocation_id為1409)多個縣市，這需要在LOCATION_USAGE表格中分別填寫soil_id和sublocation_id，建立一個土種分布于不同地點的分布關(guān)系(表2)。

表2 土種(西昌紅泥土)與地點的分布關(guān)系示例Table 2 The example for the corresponding relationship between a soil local type (Xichang-Hongnitu) and several locations

4) 描述土壤分類信息的 2張表格：土類表為SOIL_GROUP，用于記錄該土種所屬土類的土類名、土類英文名、土綱名、土綱英文名、土類描述、典型剖面圖片等信息；亞類表為SOIL_ SUBGROUP，用于記錄該土種所屬亞類的亞類名、亞類英文名信息。一個土類有多個亞類，土類與亞類是一對多的關(guān)系。一個亞類有多個土種，亞類與土種也是一對多的關(guān)系。

5) 描述剖面理化性質(zhì)的2張表格：典型剖面理化性質(zhì)表為 VALUM1，統(tǒng)計剖面理化性質(zhì)表為VALUM_Stat，這兩張表記錄了土壤養(yǎng)分全量、速效養(yǎng)分、物理性質(zhì)、交換性能等信息。一個土種的垂直剖面中含有多個不同深度的發(fā)生層，每個發(fā)生層具有不同的理化性質(zhì)，所以土種與發(fā)生層是一對多的垂直分布關(guān)系。

中國土種數(shù)據(jù)庫中各表之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)見圖1。

2 Web數(shù)據(jù)發(fā)布及查詢方式

數(shù)據(jù)庫建成后，采用 VisualDB可視化關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理與發(fā)布工具對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行Web快速發(fā)布，并定制面向數(shù)據(jù)的查詢應(yīng)用[9]。VisualDB可視化關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理與發(fā)布工具是一款由中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心開發(fā)的、可以幫助數(shù)據(jù)庫建設(shè)人員簡化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)工作的軟件。VisualDB具有 Web 應(yīng)用自動生成能力，在建立了數(shù)據(jù)庫各表之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)人員只需要通過VisualDB 配置發(fā)布模型，便可得到用于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢訪問的 Web 應(yīng)用界面，發(fā)布后即可為用戶所使用。

以按地點查詢和按土壤分類查詢?yōu)槔?，本文列出福建省漳州市赤紅壤土類泥赤土土種數(shù)據(jù)集的典型樣本，以說明數(shù)據(jù)庫的具體查詢方式。

按地點查詢土種信息時首先選擇首頁(http:// www.soil.csdb.cn)的數(shù)據(jù)集導(dǎo)航，若欲詳細(xì)了解福建省漳州市土壤類型及養(yǎng)分狀況，可查詢中國土種數(shù)據(jù)庫?按地點查詢。選擇福建省漳州市，可以獲知全市分布有潴育水稻土和赤紅壤兩個亞類，包括青底灰泥田、泥赤土、赤黏土、黃赤土和霞潭赤黏土5個土種(表3)。點擊土種名“泥赤土”，可獲得該土種的分布情況、典型剖面景觀。

一個土種的典型剖面有多個發(fā)生層，每個發(fā)生層有不同的深度和理化性質(zhì)。土種與發(fā)生層及發(fā)生層理化性質(zhì)是一對多的關(guān)系。按土壤分類查詢得到的泥赤土典型剖面全部發(fā)生層的深度和理化性質(zhì)數(shù)據(jù)，見表4。

圖1 中國土種數(shù)據(jù)庫關(guān)系結(jié)構(gòu)的實體–關(guān)系圖(E-R圖)Fig. 1 The entity-relationship diagram (E-R diagram) to describe the data relationship structure in Soil Type Database of China

表3 中國土種數(shù)據(jù)庫中按地點查詢福建省漳州市的結(jié)果Table 3 The results of a location query to Zhangzhou, Fujian Province in Soil Species Database of China

按照中國土壤發(fā)生分類查詢土種信息，一個土類有多個亞類，一個亞類有多個土種。由此，可按土類?亞類?土種方式逐級查詢檢索(圖 2)。順次查詢赤紅壤?典型赤紅壤?泥赤土，點擊土種名“泥赤土”同樣可以查詢到該土種的分布情況(表 5)、典型剖面景觀以及典型剖面理化性質(zhì)(表4)。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

中國土種數(shù)據(jù)庫(version 1.0)的建設(shè)由中國科學(xué)院南京土壤研究所于2006年基本完成，數(shù)據(jù)完整性和一致性經(jīng)人工抽查基本無誤。2011—2013年對縣市名進(jìn)行了修正，并依據(jù)原始資料，重新復(fù)核各數(shù)據(jù)字段、單位和數(shù)值，依據(jù)法定計量單位進(jìn)行了校正。截止目前，中國土種數(shù)據(jù)庫已經(jīng)建立了數(shù)據(jù)庫設(shè)計文檔，具備數(shù)據(jù)字典和關(guān)系結(jié)構(gòu)圖等完整的文檔資料。

中國土種數(shù)據(jù)庫在運行過程中，每年根據(jù)用戶使用意見，檢查數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，修正錯誤，建立土種數(shù)據(jù)庫維護(hù)日志。

3.1 法定計量單位轉(zhuǎn)換

典型剖面理化性質(zhì)表和統(tǒng)計剖面理化性質(zhì)表中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀的原始數(shù)據(jù)單位為 %。數(shù)據(jù)錄入檢查無誤后，保留原始數(shù)據(jù)字段，同時按照法定計量單位增添新的數(shù)據(jù)字段，將數(shù)值乘以10以后單位轉(zhuǎn)換為g/kg。

表4 中國土種數(shù)據(jù)庫中泥赤土典型剖面主要理化性質(zhì)Table 4 The physico-chemical properties of a typical profile of Nichitu in Soil Species Database of China

圖2 中國土種數(shù)據(jù)庫中按土壤類型查詢的界面Fig. 2 The soil type query interface in Soil Type Database of China

典型剖面理化性質(zhì)表中堿解氮、有效磷和速效鉀原始數(shù)據(jù)單位為ppm，按照法定計量單位增添新的數(shù)據(jù)字段，數(shù)值保持不變，單位轉(zhuǎn)換為mg/kg。

典型剖面理化性質(zhì)表中陽離子交換量和交換性陽離子原始數(shù)據(jù)單位為me/100g土，按照法定計量單位增添新的數(shù)據(jù)字段，數(shù)值保持不變，單位轉(zhuǎn)換為cmol(+)/kg。

土壤顆粒組成按國際制分級，原始數(shù)據(jù)單位為%，數(shù)據(jù)錄入檢查無誤后，保留原始數(shù)據(jù)字段，同時按照法定計量單位增添新的數(shù)據(jù)字段，將數(shù)值乘以10以后單位轉(zhuǎn)換為g/kg；土壤容重單位為g/cm3，為法定計量單位不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.2 采樣的深度表示

原始數(shù)據(jù)發(fā)生層深度用相對厚度表示(例如20)，使用者不易區(qū)分其絕對深度或深度范圍。參照 ISO 28258[8]，在數(shù)據(jù)錄入檢查無誤后，增添發(fā)生層最上深度和發(fā)生層最下深度兩個字段(例如 0、20)，分別計算錄入。

表5 中國土種數(shù)據(jù)庫中按中國土壤發(fā)生分類(GSCC)查詢泥赤土分布情況的結(jié)果Table 5 The results on Nichitu distribution by a Genetic Soil Classification of China (GSCC) query in Soil Species Database of China

3.3 土壤分類的規(guī)范化

對已有數(shù)據(jù)資源中土壤分類名稱進(jìn)行規(guī)范化，是土壤學(xué)科領(lǐng)域數(shù)據(jù)整合的重要內(nèi)容之一。參照GB/T 17296[4]，對土類、亞類的命名進(jìn)行規(guī)范化。當(dāng)GB/T 17296中出現(xiàn)土類與亞類命名相同，且該土類包含不止一種亞類時，與土類命名相同的亞類名稱前增加“典型”兩字，以示與土類命名的區(qū)別。例如，原土類為“紅壤”，亞類也為“紅壤”的亞類名稱，改為“典型紅壤”。這類亞類名稱的更改有41處，數(shù)據(jù)庫在亞類表SOIL_SUBGROUP中增添了字段subgroup_ GB_name來記錄；同時原有的老亞類名繼續(xù)保留，以便與歷史資料對應(yīng)。土壤分類和歸屬按照歷史資料分類暫時不變。

在元數(shù)據(jù)中標(biāo)識數(shù)據(jù)資源的土壤類型名稱及其在中國土壤分類系統(tǒng)(CSCC)、中國土壤系統(tǒng)分類(CST)之間的參比信息。

3.4 行政地點的規(guī)范化和更新

20世紀(jì)80年代以后，行政地點名稱和歸屬有較大變化。例如，原上海川沙縣，現(xiàn)已歸屬為浦東新區(qū)；重慶市為1997年成立，現(xiàn)在重慶市具有土壤普查資料的區(qū)縣，歷史上歸屬于四川省。在數(shù)據(jù)庫中共更新了38個縣市的名稱，并增添字段保留原始名稱；同時更新了8個縣的歸屬。此外，為了查詢方便，數(shù)據(jù)庫中增添了與土種分布相關(guān)的省、市、縣行政區(qū)劃代碼[10]和市、縣近似經(jīng)緯度。

3.5 數(shù)據(jù)類型約定

數(shù)據(jù)的基本類型為文本、數(shù)字、備注等。依據(jù)原始數(shù)據(jù)，對數(shù)字型數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行了設(shè)置。由于原始的數(shù)字型數(shù)據(jù)有缺失，空值在數(shù)據(jù)傳輸中易轉(zhuǎn)換為“0”與實際的數(shù)據(jù)0難以區(qū)分，故對于數(shù)據(jù)缺失較多的數(shù)字型字段，改用文本型表示。

4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

4.1 數(shù)據(jù)的分布

在應(yīng)用之前，使用者應(yīng)了解數(shù)據(jù)的適用范圍、尺度和數(shù)據(jù)的分布情況。中國土種數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是在《中國土種志》的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，其原始數(shù)據(jù)沒有覆蓋全國所有的縣市。2 473個土種典型剖面分布于1 642個縣市(區(qū))或地理標(biāo)識區(qū)(如太行山、大興安嶺)，其中土種數(shù)最多是遼寧省，有159個土種；最低是北京市，有11個土種(圖3)。典型剖面分布密度最大的是上海市，為36個/104km2；分布密度最小的是新疆維吾爾自治區(qū)，為0.6個/104km2，全國平均2.6個/104km2(圖4)。

圖3 中國土種數(shù)據(jù)庫收錄的土種在各省的分布Fig. 3 The soil local type distribution of Soil Type Database of China in 30 provinces

在中國土種數(shù)據(jù)庫收錄的2 473個土種典型剖面和8 751個發(fā)生層中，含有28項土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，包括：有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、pH、速效養(yǎng)分、顆粒組成、容重、陽離子交換量和交換性陽離子數(shù)據(jù)。全部典型剖面各發(fā)生層的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)量為51 229條，其中數(shù)據(jù)量最多的為pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀。

圖4 中國土種數(shù)據(jù)庫收錄的土種在各省的典型剖面分布密度Fig. 4 The typical profile distribution densities of Soil Type Database of China in 30 provinces

致謝：周慧珍、孫波、潘賢章、徐江兵、王昌昆參加了中國土種數(shù)據(jù)庫建設(shè)的部分工作，特此致謝！

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Web Based Soil Type Database of China

SHI Jianping, SONG Ge
(Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing210008,China)

Soil type database of China based on the second national soil survey is the most comprehensive soil data resource on the national scale. It embodies most soil types throughout the country in the 1980’s, including distribution, area, characteristics, land-use and product performance of these soil types. Since 2000, the task of building the web based soil type database of China has been undertaken by Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences. An entity-relationship (E-R) data model was constructed which involved the spatial relationship between location and soil type, and the classification relationship according to Genetic Soil Classification of China. The database contains 2 473 typical profiles, 8 751 soil horizons and the corresponding physical and chemical properties. The database can be widely used for land degradation evaluations, environmental impact studies, and soil carbon sequestration studies. It also can be used as a basic data for agricultural practices.

Soil Type Database; China; The second national soil survey; Data integration

S159.2

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.026

中國科學(xué)院信息化專項科技數(shù)據(jù)資源整合與共享工程重點數(shù)據(jù)庫項目(XXH12504-1-02)資助。

施建平(1954—)，女，江蘇海門人，學(xué)士，高級工程師，主要從事土壤信息管理研究。E-mail：jpshi@issas.ac.cn