湖南省植烟土壤长期定位监测信息系统的建立

刘琼峰，李明德，吴海勇，吴小丹

（1.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125；2.湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

烟草是湖南省的主要经济作物之一。1980年至2008年期间，湖南省烟叶的播种面积平均为90 663 hm2[1]，其中1980年至1989年期间基本呈上升趋势，1980年为26 967 hm2，1989年增加到96 607 hm2；1990至1999年期间播种面积的变化幅度较大，在1993年和1997年分别达到134 300和138 280 hm2，而 1995 年则只有 62 210 hm2；2000 年至2008年间，湖南省烟叶的播种面积相对较稳定，基本维持在80 000至100 000 hm2之间。湖南省植烟土壤不仅在数量上，而且在质量上也是长期动态变化的过程。从湖南省主产烟区定位监测点2000年至2008年间土壤养分变化情况来看，土壤pH值相对较稳定；土壤全氮和碱解氮含量、交换性钙和交换性镁含量以及土壤有效硫、有效锌和有效硼含量均有所提高；而土壤有机质和水溶性氯含量则有所下降[2]。为了全面掌握植烟土壤质量的长期动态演变规律，在湖南省典型植烟区域开展土壤长期定位监测试验、并建立数据库与信息系统，对植烟土壤平衡施肥与烟叶产量和质量的提高均具有重要意义。

1 湖南省植烟土壤长期定位监测点概况

1.1 植烟土壤肥力定位监测

根据湖南烟草种植区划[3]、植烟土壤成土母质、种植制度和肥力水平的特点以及2000年湖南省第一次植烟土壤普查结果，在湖南省特色优质烟叶开发区域及其他重点产烟县建立了67个植烟土壤质量长期定位监测分布点，监测土壤养分状况、土壤有机质、酸碱度、土壤微生物、土壤耕层厚度、水稳性团粒结构等指标的变化及其规律。定位监测点从2008年起每三年进行一次取样检测。监测点的分布情况如图1所示。

图1 长期定位监测点分布

1.2 代表性典型土壤肥力状况与烟叶风格特征的定位监测

选取湖南长沙、衡阳第四纪红土和紫色砂页岩母质、郴州和永州石灰岩和板页岩母质发育的水稻土，江永石灰岩母质发育的红壤，湘西石灰岩和板页岩母质发育的黄壤等几种代表性典型植烟土壤，定位监测土壤肥力状况与烟叶风格特征，分高、低肥力水平定点在烟叶和晚稻收获后分两次采集土壤样品，分析土壤的物理、化学、生物学性状；X2F、C3F和B2F烟叶中主要内在化学成分含量；监测点农用物质投入情况、烤烟经济性状等。代表性典型土壤肥力状况与烟叶风格特征的定位监测点从2008年起每年都进行取样检测，基本情况见表1。

表1 代表性典型土壤肥力状况与烟叶风格特征的定位监测点基本情况

2 数据库的设计与建立

根据面向对象的数据库设计思想，数据库的建立分为属性数据库与空间数据库，这两个数据库由若干子数据库或者数据文件组成，数据库的整体框架见图2。其中长期定位监测点数据库主要实现67个植烟土壤质量长期定位监测分布点的信息管理，包括2000年、2008年、2010年三个年度监测点的土壤肥力表，2008年、2010年两个年度监测点的作物施肥表和作物产量产值表。代表性典型定位监测点数据库主要实现18个代表性典型土壤肥力状况与烟叶风格特征的定位监测点的信息管理，包括2008年、2009年、2010年三个年度的土壤肥力表、作物施肥表、作物产量产值表和烟叶质量表。各数据表通过关键字段“编号”进行识别。空间数据库主要实现湖南省行政区划图、土地利用现状图、土壤图、监测点分布图等图件的管理。

图2 定位监测数据库的整体框架

2.1 属性数据库

属性数据的来源主要有各个监测点不同时间段的基本情况调查表、土壤理化性状以及烟叶质量的化验检测结果等，这些数据在建立数据库之前要进行符合规范要求的统一编码与数据组织，补充录入缺失的数据。各数据表按时间段分类划分，依照数据的性质、特点确定字段名、字段类型及其宽度。建立数据库时先在Excel软件下，完成数据的输入与检查，然后将Excel文件转为Microsoft Access数据库的 *.dbf格式。

两个定位监测数据库各时期的数据表主要包括以下内容。

土壤肥力表：该数据表管理监测点的地理位置、生态环境条件与肥力状况数据。地理位置数据主要有监测点所在地的市、县、乡（镇）、村、组、地块名称，经纬度。生态环境条件数据主要有海拔高度、成土母质、土壤类型、地貌类型、地形部位、水土流失情况、轮作制度、烤叶品种、水利设施条件等。土壤肥力状况数据包括土壤物理、化学、生物三个方面土壤质量指标。土壤物理指标主要有耕层厚度、水稳性团粒结构。土壤化学指标主要有土壤有机质，pH值，阳离子交换量，土壤大量营养元素如全氮和速效氮、全磷和速效磷、全钾和速效钾，土壤中微量营养元素如交换性钙和交换性镁、土壤有机硫、水溶性氯、有效锌、有效硼。土壤生物指标有土壤微生物总活性、细菌、真菌、放线菌、脱氢酶、脲酶和磷酸酶等。

作物施肥表：主要反映监测点的施肥状况，如施肥类型、施肥名称、施肥品种、施肥用量、施肥时间、施肥方式。

作物产量产值表：包括监测点在不同轮作制度下的各种作物的产量和产值数据。种植的作物有烤烟、水稻、花生、玉米。

烟叶质量表：管理监测点烟叶X2F、C3F和B2F三个等级的烟叶质量数据，如还原糖、烟碱、总氮、氯、氧化钾等指标。

2.2 空间数据库

空间数据库是在GIS支持下的一种更加直观、高效的空间信息管理手段，为土壤属性数据提供了空间信息定位，二维甚至三维空间表达[4]。湖南省植烟土壤长期定位监测空间数据库的数据来源有湖南省1∶25万行政区划图、湖南省1∶25万土壤图、湖南省1∶10万土地利用现状图、长期定位监测点和代表性典型土壤定位监测点含经纬度的采样数据。在建立空间数据库之前将数据要素进行合理的分类、分层，定义空间数据库要素集。在ArcGIS 9.0 Desktop软件中对空间数据进行检查和处理，统一各图层文件的坐标系，进行拓扑检查，建立空间数据的数据表结构等。主要图层与数据表结构见表2。

表2 主要图层与数据表结构

3 系统设计与建立

3.1 系统体系结构

系统采用组件式二次开发方式，以Access技术作为数据库支持，在Visual Basic开发环境下集成MapObjects控件，实现界面友好、面向对象、可扩展的湖南省植烟土壤长期定位监测信息系统的建立。系统架构设计采用数据层、逻辑层和表现层的3层B/S结构（图3）。数据层实现植烟土壤定位监测点数据的存储、管理与维护和数据的提取，空间数据库和属性数据库通过关键字段进行链接。逻辑层是数据层和表现层之间的桥梁，在Visual Basic开发环境下通过程序设计实现系统各种功能模块的编码、调试和运行。表现层负责用户交互界面的操作与响应，提供各种功能模块供用户使用。

图3 湖南省植烟土壤长期定位监测信息系统体系结构

3.2 系统主要功能介绍

3.2.1 地图操作 系统通过“打开地图”、“编辑地图”、“浏览显示”功能模块可以实现增加和删除图层文件，放大、缩小、漫游显示地图和编辑图形等功能，方便用户对空间数据库中的图层文件进行操作。

3.2.2 监测点数据查询 系统可通过两种方式对监测点数据进行查询。一种是在监测点分布图上通过“查看属性”按钮点击监测点，可以查看到每个监测点的数据（图4）。如图4点击“2000年长期定位监测点”图层中湘西永顺县扶志乡扶志村的定位监测点可以查看到该点的土壤养分信息；另外一种方式是通过“数据库查询”模块对两个属性数据库“长期定位监测点数据库”和“代表性典型定位监测点数据库”的数据表文件进行数据查询。

图4 定位监测点属性查询

3.2.3 专题图显示 专题图显示功能提供了按简单符号、独立值、等级等多种方式显示定位监测点专题图的功能。通过该功能可以在地图上直观的显示各监测点在土壤理化性状上的差异情况。如图5按照定位监测点pH值的5个等级显示专题图，可方便用户查看各监测点的土壤酸碱程度差异情况。

图5 按等级显示监测点土壤pH值专题图

4 讨论

（1）湖南省植烟土壤长期定位监测数据库与信息系统的建立对于监测点数据的管理与分析具有重要作用，是了解植烟土壤质量长期动态变化的基础平台，可以随时对定位监测点的各种数据进行管理和更新。但是，由于监测的时间较短，仅凭已有几年的监测点数据还不能分析土壤质量变化的明显规律。如果持续进行长期监测，便可对土壤质量变化进行预警监控，为烟区土壤环境的管理提供有力的技术支撑。

（2）目前的定位监测点数据较有限，这对于全面反映湖南省烟区的土壤质量状况还有一定的局限性。如果能够在湖南省各烟区的主要烟站建立定位监测点，建立全省植烟土壤资源动态监测网络，将是湖南省植烟土壤管理的有力保障。

（3）从技术手段上来看，如果能够利用时态GIS模型管理各个时间段的长期定位监测数据，则可以对监测点数据进行三维或四维表达，对于提供数据管理效率、实现更多系统功能均具有重要意义。

[1] 湖南省统计局.湖南省统计年鉴 [M].北京：中国统计出版社，1980-2008.

[2] 李明德，刘琼峰，吴小丹，等.湖南省主产烟区土壤养分变化研究[J].湖南农业科学，2011，（11）：69-72.

[3] 赵松义，肖汉乾.湖南烟草种植区划[M].长沙：湖南地图出版社，2010.

[4] 申 健，常庆瑞，俞方圆，等.秦巴山区土壤信息系统的建设研究[J].水土保持通报，2011，31（1）：155-159.