21年，他們搶救性收集了我國(guó)自上世紀(jì)80年代以來的大比例尺土壤調(diào)查圖件和資料，并利用人工智能、人機(jī)交互等創(chuàng)新性技術(shù)進(jìn)行時(shí)空整合，創(chuàng)建了我國(guó)全域高精度數(shù)字土壤。這些工作如果完全依靠人工流程，數(shù)百年時(shí)間也難以完成。
4月6日，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所（以下簡(jiǎn)稱資劃所）牽頭、聯(lián)合12家專業(yè)科研院所共同完成的中國(guó)高精度數(shù)字土壤，宣布通過科技成果評(píng)價(jià)。
TB級(jí)數(shù)量、100米精度、40年跨度
“數(shù)字土壤”就是數(shù)字化的土壤，它利用地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)方法，模擬和重現(xiàn)土壤類型、土壤養(yǎng)分等土壤性狀的空間分布特征。高精度數(shù)字土壤能直觀、精細(xì)展現(xiàn)土壤資源與質(zhì)量狀況，為農(nóng)業(yè)、環(huán)境和科學(xué)研究提供重要信息。
1999年以來，中國(guó)高精度數(shù)字土壤的工作得到了6個(gè)國(guó)家項(xiàng)目的支持。
在中國(guó)農(nóng)學(xué)會(huì)組織的成果評(píng)價(jià)會(huì)上，專家組一致認(rèn)為，該項(xiàng)研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。資劃所研究員張維理介紹，這是因?yàn)?ldquo;中國(guó)國(guó)土面積大，分區(qū)類型多，氣候類型多，土壤類型多。我們?cè)诖髷?shù)據(jù)時(shí)空整合和表達(dá)中要解決各種類型問題，很多都是其他面積小的國(guó)家可能碰不到的。問題解決得多了，技術(shù)水平自然就領(lǐng)先了”。
張維理介紹，項(xiàng)目建成的中國(guó)高精度數(shù)字土壤與五萬分之一土壤圖籍，是我國(guó)迄今最完整和精細(xì)的土壤資源與質(zhì)量科學(xué)記載。其數(shù)據(jù)量達(dá)到TB級(jí)別，覆蓋我國(guó)全域；達(dá)到100米精度，而網(wǎng)格尺寸100米的土壤質(zhì)量數(shù)據(jù)可直接供農(nóng)民進(jìn)行農(nóng)田管理；涵蓋九大圖層多要素，全面反映土壤質(zhì)量；時(shí)間跨度達(dá)到40年，可反映土壤質(zhì)量變化。
“與上世紀(jì)80年代相比，我國(guó)30厘米以內(nèi)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了9.18%。”張維理說，這得益于我國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量大幅增加，土壤中的根系殘留物隨之增加，土壤生產(chǎn)力上升。未來20~30年，隨著秸稈還田、退耕還林等措施的持續(xù)推進(jìn)，土壤有機(jī)物含量還會(huì)繼續(xù)增加。
資劃所研究員李兆君介紹，除了土壤有機(jī)質(zhì)含量，高精度數(shù)字土壤還能提供多項(xiàng)土壤資源與質(zhì)量理化性狀，其中，土壤穩(wěn)定性性狀時(shí)效性達(dá)上千年，可長(zhǎng)久使用；而土壤快變化性狀為了解土壤與環(huán)境質(zhì)量演變提供了依據(jù)。
此外，高精度數(shù)字土壤可用于耕地保護(hù)與農(nóng)田管理、農(nóng)田培肥與修復(fù)、農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)、流轉(zhuǎn)土地的價(jià)值評(píng)估、適種作物評(píng)價(jià)、食品安全管理、農(nóng)田氮磷流失控制、土壤污染防治與修復(fù)、水土流失防治與減災(zāi)等方面。
張維理介紹，采取邊建設(shè)、邊應(yīng)用方式，該項(xiàng)成果自2003年向各行業(yè)共享和開放以來，已被我國(guó)60余家專業(yè)科研機(jī)構(gòu)應(yīng)用于耕地質(zhì)量演變、流域氮磷流失量估算、環(huán)境容量測(cè)算、溫室氣體減排、醫(yī)藥、水利、林業(yè)、測(cè)繪等方面的科學(xué)研究。全國(guó)31個(gè)省份的農(nóng)業(yè)、環(huán)境、自然資源管理部門將其用于實(shí)施耕地保護(hù)與地力提升、面源污染防治、土地整治、測(cè)土配方施肥、基本農(nóng)田建設(shè)等國(guó)家工程，取得了巨大社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
首創(chuàng)土壤大數(shù)據(jù)方法
“我們總的數(shù)據(jù)產(chǎn)品達(dá)到TB級(jí)，對(duì)異源數(shù)據(jù)分析的工作量是海量的。”張維理告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
高精度數(shù)字土壤被國(guó)際土壤學(xué)界列為現(xiàn)代土壤學(xué)研究的重中之重。它需要將大區(qū)域范圍不同來源的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)空整合和表達(dá)，不僅數(shù)字化工程量浩大，更需要解決一系列科學(xué)和技術(shù)層面難題。受到方法制約，各國(guó)相關(guān)進(jìn)展緩慢。
從上世紀(jì)80年代開始，我國(guó)完成了一系列土壤調(diào)查和大比例尺土壤調(diào)查圖件及資料。“但限于當(dāng)時(shí)技術(shù)手段，各地完成的紙質(zhì)手繪圖件份數(shù)稀少，一個(gè)縣也就是2~3份，經(jīng)過40年的存放，紙質(zhì)圖件和資料狀況不佳。對(duì)它們的搶救性收集刻不容緩。”李兆君說。
張維理說，對(duì)不同地區(qū)、時(shí)期的調(diào)查資料進(jìn)行時(shí)空整合還面臨一系列科學(xué)問題和技術(shù)困難。例如，“南方土壤測(cè)有效磷的方法和北方不一樣，表達(dá)也不一樣。如何整合要在科學(xué)層面和技術(shù)上同時(shí)拿出解決辦法”。
他們首創(chuàng)的土壤大數(shù)據(jù)方法的核心是，將數(shù)據(jù)科學(xué)、自動(dòng)控制與人工智能設(shè)計(jì)原理引入土壤學(xué)研究領(lǐng)域，以層級(jí)化流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)土壤科學(xué)需求，以自動(dòng)化、人機(jī)交互式的數(shù)據(jù)流程替代人工流程，以并行于大數(shù)據(jù)流程的質(zhì)量監(jiān)控設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)土壤科學(xué)家對(duì)全流程的掌控和人工干預(yù)。
李兆君說，這個(gè)方法的核心是人工智能和人機(jī)互動(dòng)，需要土壤科學(xué)家以科學(xué)層面的設(shè)計(jì)來帶動(dòng)數(shù)據(jù)分析規(guī)則的設(shè)計(jì)，讓機(jī)器學(xué)會(huì)規(guī)則后，代替人工去完成大數(shù)據(jù)的處理工作。
資劃所副研究員徐愛國(guó)舉例說，人的視覺可分辨的顏色只有100多種，而土壤類型有2萬多種。要想在地圖上通過不同顏色來區(qū)別不同的土壤類型，沒有那么多顏色怎么辦？通過機(jī)器學(xué)習(xí)的辦法，在地圖的不同幅面，讓土壤類型既可以人工識(shí)別，又保持其自身的穩(wěn)性。“要是手工干這個(gè)工作，半個(gè)月能配出一幅圖就不錯(cuò)了。”人工智能技術(shù)大大加快了速度，20秒即可完成一幅。
目前，他們已研發(fā)約200多個(gè)人工智能模塊，置于大數(shù)據(jù)分析的流程線上。而科學(xué)家只需要在人機(jī)互動(dòng)的入口、出口、中間控制點(diǎn)進(jìn)行管控，節(jié)省了大量人力和時(shí)間。
“盡管我們啟動(dòng)比很多國(guó)家都晚，但大數(shù)據(jù)方法讓我們比較高效地完成了土壤大數(shù)據(jù)時(shí)空整合和表達(dá)。”張維理說。
未來應(yīng)用廣闊
“未來會(huì)有更多、更好的土壤大數(shù)據(jù)技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)入農(nóng)業(yè)、環(huán)境多個(gè)行業(yè)與人們社會(huì)生活中。”張維理說，例如，將高精度數(shù)字土壤加載到耕地機(jī)械、施肥機(jī)械和灌溉機(jī)械芯片中，可實(shí)現(xiàn)精確施肥、耕作與灌溉；利用土壤時(shí)空大數(shù)據(jù)，對(duì)重點(diǎn)農(nóng)區(qū)和流域?qū)崿F(xiàn)分區(qū)、分類、量化管理，能在減少農(nóng)用化學(xué)品投入量的同時(shí)，增加作物產(chǎn)量，保障食品安全。
她認(rèn)為，對(duì)社會(huì)和民生真正發(fā)揮作用的應(yīng)用技術(shù)研究，不僅需要理論上的突破，更需要有經(jīng)驗(yàn)的科研人員在一線進(jìn)行長(zhǎng)期和大量的試驗(yàn)和測(cè)試，需要長(zhǎng)期堅(jiān)持。
未來，有幾項(xiàng)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了他們的視野。
利用高精度土壤時(shí)空大數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行土壤質(zhì)量變化趨勢(shì)播報(bào)。實(shí)際上，針對(duì)我國(guó)大區(qū)的宏觀土壤預(yù)報(bào)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，包括哪個(gè)區(qū)域會(huì)進(jìn)一步酸化，哪個(gè)區(qū)域土壤流失會(huì)更嚴(yán)重，哪個(gè)區(qū)域氮磷鉀養(yǎng)分非均衡化問題更嚴(yán)重等。“但落到具體地塊的微觀播報(bào)對(duì)農(nóng)民更有用、更有意義。由于土壤理化性狀變化沒有那么快，即使對(duì)變化快的有效養(yǎng)分而言，每幾年進(jìn)行一次播報(bào)就夠了。”張維理說。
徐愛國(guó)介紹，此外，基于土壤高精度時(shí)空數(shù)據(jù)、人工智能設(shè)計(jì)的互動(dòng)施肥技術(shù)也是他們的目標(biāo)。如何利用數(shù)字土壤開發(fā)過硬的技術(shù)和產(chǎn)品，讓農(nóng)民既可增產(chǎn)、增收，又能有效減少農(nóng)用化學(xué)品投入量？該研究團(tuán)隊(duì)已有具體想法和技術(shù)儲(chǔ)備。
“一項(xiàng)受農(nóng)民歡迎的技術(shù)一定要讓農(nóng)民增產(chǎn)、增收，這類技術(shù)的研發(fā)也一定非一日之功，而我們需要更多有經(jīng)驗(yàn)的科研人員長(zhǎng)期投入這類研究。”張維理說。
“農(nóng)業(yè)的實(shí)際問題很多，中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)和農(nóng)業(yè)大國(guó)，我們應(yīng)該拿出有特色的農(nóng)業(yè)新技術(shù)產(chǎn)品。”張維理說。
