《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》DigitalSoilMapping–PredictiveMappingSpecificationforSoilProperties（征求意見稿）21工作簡況 1.1編制背景及意義（數字土壤制圖的背景） 31.2任務來源31.3工作過程 41.3.1成立標準編制組 41.3.2起草及試驗階段 41.4主要參加單位和工作組成員及其分工 42標準編制原則和主要內容 2.1基本原則 52.2國內外標準分析 52.3主要內容 52.4方法的驗證 52.4.1驗證方案 52.4.2驗證樣品的選擇 62.4.3預測精度 73標準中涉及專利的情況 4預期達到的社會效益等情況 5采用國際標準和國外先進標準的情況 6與現行法律、法規、標準的協調性 7重大分歧意見的處理經過和依據 8標準性質的建議說明 9對標準貫徹的建議 10其他應于說明的事項 11參考文獻 31工作簡況1.1編制背景及意義（數字土壤制圖的背景）土壤類型和屬性的空間分布信息是生態水文模擬、全球變化研究、資源環境管理所需的基礎數據，制圖是對土壤空間分布信息獲取和表達的有效方式。過去，土壤專家通過野外調查在腦海中形成土壤—景觀模型，以多邊形為基本表達方式，以手工勾繪為基本技術，依據地形圖、航空像片或衛星像片進行土壤制圖。近30年來，隨著地理信息系統、數據挖掘和地表數據獲取技術的發展，數字土壤制圖成為一種新興的、高效表達土壤空間分布的方法數字土壤制圖反映的是土壤的空間分布特征和規律，土壤的空間分布是土壤形成與發展過程的體現，因而，數字土壤制圖的第一個理論基礎是土壤成土因子學說。數字土壤制圖是以土壤—景觀模型為理論基礎，以空間分析和數學方法為技術手段的土壤調查與制圖方法，是有別于傳統土壤調查與制圖技術的現代化技術體系。其實現過程主要是根據與土壤發生相關的或與土壤具有協同空間變化的地理環境數據以及土壤屬性數據，生成數字格式的土壤圖，或者根據土壤屬性空間分布的自相關特征，應用地統計的方法來推測土壤的空間分布，形成土壤圖。以這種方式生成的土壤圖通常利用柵格的方式來表達土壤空間變化，從而可以更詳細地表達土壤的空間變化。另外科技部國際合作專項“全球數字土壤制圖東亞區合作研究國家重點研發計劃”、科技部科技基礎性工作專項“我國土系調查與《中國土系志》編制”和“我國土系調查與《中國土系志（中西部卷）》編制”以及國家自然科學基金項目“黑河流域關鍵土壤屬性數字制圖研究”等國家級重點專項，也需要數字土壤制圖等關鍵技術的支撐。數字土壤制圖強調土壤屬性的空間分布特征，通過地理信息系統（GIS）技術，可以精確地展示土壤類型、性質在地理空間上的分布情況。傳統的土壤制圖往往依賴于定性描述，而數字土壤制圖則更多地采用定量方法，通過數據分析來預測和描述土壤屬性，整合了土壤學、地理學、生態學、遙感科學等多個學科的知識和技術，利用各種預測模型，如土壤發生模型、空間插值模型等，來預測未采樣區域的土壤屬性。通過數字土壤制圖，可以更準確地掌握土壤資源的分布狀況，為農業種植結構調整、土地資源合理利用提供科學依據。規范我國土壤預測屬性制圖，為我國土壤屬性研究的數據與國際互認提供有利條件。1.2任務來源2023年12月14日國家市場監督管理總局標準技術管理司發布了《國家標準化管理委員會關于下達2023年第四批推薦性國家標準計劃的通知》（國標委發(2023)63號其中《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》獲得批準成為2023年第四批國家標準制訂計劃項目，計劃編號20232408-T-326，主管部門4為農業農村部，技術歸口單位為全國土壤質量標準化技術委員會，主要起草單位：中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所等。1.3工作過程1.3.1成立標準編制組2023年1月簽訂立項計劃書后，項目承擔單位立即成立了標準編制組，由項目負責人擔任編制組組長，集合中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所各單位相關骨干人員，對該項目進行人員分配和責任分工，并完成了任務書和合同書的填報，編制組成員中包括有分析工作經驗和標準修訂制工作經驗的同志。1.3.2起草及試驗階段2022年3月，按下達的《國家標準化管理委員會關于下達2023年第四批推薦性國家標準計劃的通知》，標準編制組根據收集的資料修改和完善預研階段的標準草案，形成工作組討論稿初稿。2022年5月，組織標準起草各單位在南京舉辦標準啟動會，統一試驗條件，落實試驗細節，切實分配各階段各單位負責的任務與工作。2022年6月至2022年9月，中國科學院南京土壤研究所在調查全國各地區、各種類土壤的前提下，開始選取樣區進行數字土壤制圖實驗。2022年10月，任務啟動會在線上舉行，會議決定將驗證試驗、預測結果發給各起草單位進行第一輪驗證試驗。2023年3月，收集第一批驗證數據，并總結試驗中發現問題，起草單位在充分交流后，對工作組討論稿進行修改，隨后編制組展開第二輪驗證試驗，驗證單位包括：中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所。2023年3月至7月工作組通過比對試驗的預測結果和試驗期間收集到的各參加單位的反饋信息，對工作組討論稿初稿細節進行線上討論和優化。2023年8月，根據研討會形成的結論修改了《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》工作組討論稿和編制說明，重點對討論稿的格式、語言和標點符號進行編輯性修改，對編制說明的格式和內容進行了調整與修改，形成了《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》征求意見稿和編制說明。2023年10月，起草組將《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》征求意見稿和編制說明提交全國土壤質量標準化技術委員會審定。1.4主要參加單位和工作組成員及其分工本標準由中國科學院南京土壤研究所、浙江大學、南京師范大學，中國農業科學院農業資源與農業區5劃研究所，江蘇省質量和標準化研究院等單位共同起草。主要成員為張甘霖、宋效東、劉峰、趙玉國、史舟、朱阿興、潘賢章、張維理、徐愛國、管旭琳等。張甘霖、宋效東為主要起草人，負責方案制定技術參數確定以及標準條款編寫等工作。2標準編制原則和主要內容2.1基本原則土壤發生原則：土壤是成土環境因素在時間上長期交互作用的產物。土壤制圖過程應貫徹土壤發生原則，應從發生學出發，在研究土壤及其與成土環境因素之間發生關系的基礎上推測土壤分布；反過來，推測得到的土壤分布應反映這種發生關系。科學性、知識性和實用性：土壤圖既要反映自然規律、人為作用，要表現出成土因素的作用和土壤地理分布規律，有助于讀圖者獲取土壤分異及其與環境關系的知識，又要面向實際的生產、管理和應用。2.2國內外標準分析目前關于數字土壤制圖國內外還缺少嚴格的標準。目前只有全球土壤數字制圖計劃（GSM整體方案由數字土壤制圖、土壤管理建議和對終端用戶的服務三部分組成，計劃用5年左右時間，采用現代土壤地理學、遙感、地理信息系統、數據挖掘等理論和方法，完成一份基于互聯網的、可以反映全球土壤屬性的高分辨率的三維網格數字土壤地圖。這個全新的全球土壤數字地圖還將輔以土壤解譯和土壤功能評價，幫助使用者在土壤管理問題上做出科學決策，如農產品生產、應對氣候變化和環境惡化等。目前，國內只有與數字土壤制圖相關聯的對于土壤制圖的相關標準，對于土壤制圖的相關標準有，GB/T32738-2016、GB/T36501-2018、GB/T41475-2022，這些標準側重于圖例的渲染，地圖符號的設計等，不能完全滿足當前對于土壤屬性分析的需求，目前對于土壤屬性預測還沒有現行的標準，缺少專門同于土壤屬性預測的標準，而不是基于地圖學的地圖符號的設計。2.3主要內容按照我國標準方法編制的規范，本標準涉及的主要內容包括：應用范圍、規范性引用文件、術語及定義、制圖原則、數字土壤專題圖分類編碼、數據準備、土壤屬性預測性制圖過程、制圖結果質量控制、元數據表附錄，具體內容請參考標準工作組編寫的《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》的征求意見稿。2.4方法的驗證2.4.1驗證方案土壤圖的驗證指標根據土壤圖的不同而有所差異。對于土壤類型來說，主要通過混淆矩陣驗證分類的精度，混淆矩陣包含有總體精度、生產者精度、用戶精度以及每種土壤類型的精度等，這些精度指標從不6同側面反映了分類的精度。對于土壤屬性圖來說，驗證指標主要為平均絕對誤差(MAE)、均方根誤差(RMSE)和決定系數等。方法的驗證要求參加單位嚴格按照工作組初稿中規定的方法草案，使用不同的預測模型來預測中國的土壤有機碳的空間分布圖，根據現有的數字土壤制圖預測模型結果與第三方的數據集（SDCLSM和SoilGrids）進行驗證和精度比對，比較哪一種方法的精度高。2.4.2驗證樣品的選擇數據來源：2010年收集的全國土壤數據圖，中國大陸0-5cm，5-15cm，15-30cm，30-60cm和100-200cm深度的土壤有機碳（SOC）。用于驗證精度的第三方數據集的選擇，樣本的詳細情況請見表1、圖1。表1.預測方法預測方法種類SDCLSM歷史土壤數據集SoilGrids國際的現有的數據集VELM自行研究的方法WELM現有的數字土壤制圖7圖1土壤采樣點位信息2.4.3預測精度本研究利用不同的預測模型得到的結果進行精度對比分析，比較出精度最高的方法。見表2和圖預測結果表明：（1）VELM的預測方法模型相對于其他方法預測精度更高。（2）兩種模型的總體R2值在0.16-0.57，且隨深度的增加而減小。經獨立驗證，表層土壤有機碳預測(<30cm)的R2值為0.41-0.57，并在每個氣候帶分別對生成的土壤圖進行了評價。驗證結果表明，即使WELM和VELM的整體性能幾乎相同，所提出的VELM也利用了每個氣候區的三個單獨模型的最優結果，并將預測結果提高了12.6%。8圖2.基于獨立驗證的有機碳濃度(gkg-1)預測精度R29表2各模型預測精度（VELM:基于投票的集成學習模型;WELM:加權集成學習模型）VELM05WELM515VELM515WELM1530VELM15303標準中涉及專利的情況4預期達到的社會效益等情況土壤屬性預測是量化土壤屬性空間變化、制作土壤空間分布圖的重要手段。目前在一些偏遠或難以到達的地區，地面實測數據可能不足，影響制圖精度。數據更新周期長，難以反映土壤屬性的實時變化也是目前的不足之處。除此之外，現有的土壤預測模型可能無法適用于所有地區和環境條件，導致很多模型預測結果誤差較大。通過制訂《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》，可以為土壤中的各屬性的預測提供規范化的標準方法。該標準一經發布實施，將會被科研院所、大專院校、和相關部門廣泛采用，將會促進土壤資源的可持續利用，保障國家糧食安全和生態安全，對土壤科學意義，具有顯著的社會效益。5采用國際標準和國外先進標準的情況目前國內外尚未有土壤屬性預測的標準，本標準水平屬國際先進水平。6與現行法律、法規、標準的協調性本標準的制定符合《中華人民共和國標準化法》和《國家標準管理辦法》。目前我國沒有和《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》相關的國家標準和行業標準。標準的格式和表達方式等方面完全執行了現行的國家標準和有關法規，符合GB/T1.1的有關規定。與現行的法律、法規無沖突。7重大分歧意見的處理經過和依據無8標準性質的建議說明根據標準化法和有關規定，建議本標準的性質為推薦性國家標準。9對標準貫徹的建議《數字土壤制圖土壤屬性預測性制圖規范》提供了土壤屬性預測制圖的標準方法。該標準方法的實施可為掌握土壤屬性以及土壤變化趨勢以及生態環境的防治提供重要的方法學支撐。實施前應充足供應標準文本，使科研院所、大專院校和環保單位等標準的使用部門能及時獲得標準文本，這是保證標準貫徹實施的基礎。實施后，建議由中國科學院南京土壤研究所，聯合其他相關機構針對標準的使用對象，有重點地進行標準的培訓和宣貫，同時提供技術咨詢，以保證標準的貫徹執行。建議標準實施期為6個月。10其他應于說明的事項11參考文獻[1]張甘霖,朱阿興,史舟,等.土壤地理學的進展與展望[J].地理科學進展,2018,37(01):57-65.:1442-1444.[2]朱阿興,楊琳,樊乃卿,等.數字土壤制圖研究綜述與展望[J].地理科學進展,2018,37(01):66-78.[3]黃魏,羅云