耕地質量等別監(jiān)測的野外調查采樣方法與實踐

賀李帆，胡石元,2,3，唐 旭,2,3，耿 紅

（1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院， 湖北 武漢430079；2. 武漢大學地理信息系統(tǒng)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079；3.武漢大學數字制圖與國土信息應用工程國家地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079）

耕地質量等別監(jiān)測作為我國各縣市的年度常規(guī)工作，是加強耕地保護的一項重要舉措［1,2］。為指導、推進耕地質量等別監(jiān)測的科學開展，國內已有諸多學者從耕地質量評價理論［3,4］、指標體系建立［5,6］、分區(qū)布點模型設計［7-9］、成果綜合應用［10,11］和工作經驗總結［12,13］等多方面進行研究探討［14-16］。但總體來說，對野外調查采樣工作開展及采樣方法流程的關注仍然較少。本文從耕地質量等別監(jiān)測縣級野外調查采樣工作的實際出發(fā)，考慮野外作業(yè)、人員和工具等的復雜性和監(jiān)測點抽樣等要求，設計調查采樣業(yè)務工作流程和具體方法，并以湖北省秭歸縣2015年度耕地質量等別監(jiān)測工作為實例進行方法的應用實踐，為設計合理的野外調查采樣方法，科學高效地開展野外調查采樣提供參考。

1 野外調查采樣要求

為了全面分析區(qū)域內耕地資源本底分布，有針對性地調查評價與監(jiān)測耕地的自然條件和利用情況，耕地質量等別監(jiān)測采用典型地塊抽樣調查法，以土壤取樣調查為核心，以影像記錄耕地周邊環(huán)境及調查采樣的實施過程，通過土壤取樣調查獲得樣品和產量、投入產出經濟效率等數據，以測算耕地的自然、利用和經濟等別。監(jiān)測點是監(jiān)測工作的核心和基礎，也是室內分析和野外調查采樣工作的重要橋梁。從監(jiān)測點角度出發(fā)，野外調查采樣必須滿足以下條件：

1）成果代表性：為得到具有區(qū)域空間代表性的成果，監(jiān)測點的選擇應與監(jiān)測區(qū)內大部分田塊在土壤類型、利用方式、種植制度和農田設施方面等具有一致性，且較為穩(wěn)定。

2）編碼規(guī)范性：通常縣域監(jiān)測點數目在40個以上，數量較多。每個監(jiān)測點對應1個坐標點位、1組數據庫屬性、1份土壤樣品、1張監(jiān)測點調查表、1組照片記錄以及多張農戶調查表等。監(jiān)測點貫穿室內分區(qū)選點、野外調查、樣品分析和內業(yè)分析的全過程，因此要求監(jiān)測點的編碼規(guī)范且唯一，在各個環(huán)節(jié)中能一一對應。

3）指標可量化性：調查采樣信息應根據相關規(guī)范以及各地區(qū)特點，進行具有可比性的量化工作，包括表層土壤質地、有機質含量、pH值、有效土層厚度等土壤性質，地形坡度、田面坡度、灌溉保證率和排水條件等耕地環(huán)境條件，以及作物產量和產量比、投入產出經濟效益等。

2 調查采樣設計

2.1 調查采樣流程設計

基于野外調查采樣要求，依照相關技術規(guī)程，遵循高效、經濟原則，設計調查采樣流程如圖1所示。

圖1 野外調查采樣流程

2.2 調查采樣方法設計

2.2.1 前期準備

1）分區(qū)布點：根據區(qū)域內自然和社會經濟條件，運用ArcGIS進行空間疊加劃分監(jiān)測區(qū)，并根據主導因素原則，確定監(jiān)測區(qū)漸變類型；遵循空間代表性、集中連片和盡量少受人為干擾等原則，通過多因素組合、變異函數和空間差值等算法模型，考慮突發(fā)狀況的應急，布設一定數量的能滿足空間分布規(guī)律和相關條件的監(jiān)測點以及同等條件的備用監(jiān)測點。

2）路徑規(guī)劃：遵循時間高效和費用經濟原則，運用最短路徑規(guī)劃原理，通過計算機運算得到多條路徑方案［17,18］。結合當地天氣、交通等實際情況，考慮農民參與調查意愿以及其他各種因素等影響，征求土地權屬擁有者的意見，優(yōu)化路徑。

3）編碼管理：根據編碼規(guī)范化和唯一性的要求，給予數據庫中每個監(jiān)測點唯一編號，并統(tǒng)一帶編號輸出監(jiān)測點坐標屬性表和調查底圖等資料。同時，在監(jiān)測點調查表正反面均標記上監(jiān)測點號，將調查表背面用作立桿標記的號牌，采樣拍照時，將號牌一同拍入；在土壤取樣和調查表填寫完畢后與土樣一起密封裝袋，以避免土樣混淆。

2.2.2 監(jiān)測定位

1）路線導航和點位確定：根據路線走向，在手機導航APP中依次輸入監(jiān)測點坐標信息，通過地圖導航到達監(jiān)測點位，核對實際耕地類型與監(jiān)測點屬性表記錄中是否一致，然后帶好相應的調查表和工具，并在GPS工具中記錄下監(jiān)測單元地址、精確坐標，便于后期核查。

2）環(huán)境勘察和立桿標記：基本信息確認完成后，環(huán)顧四周，仔細觀察耕地周邊地形地貌、灌溉排水條件等，尋找合適的取樣位置，立桿為記，并拍攝監(jiān)測點景觀照片。

2.2.3 耕地取樣

根據野外調查采樣的指標可量化要求，需要開展表土取樣和剖面觀測兩種。

1）表土取樣：用鍬鏟或筒形取樣器垂直于地面入土，除測定鹽堿地的鹽分外，需剝離表層腐殖質2～3 cm，采集15～20 cm深度的耕作層土樣，取樣厚度5～7 cm。盡量保證每個采樣點的取土深度和重量一致，且上下層比例相同［19］。對于不同的取土工具，如圖2所示，鍬鏟取土時將鐵鍬垂直深入田面約20 cm，取中間部分；取土鉆取土先剝掉2～3 cm表層土壤，用長20 cm、直徑5 cm左右的取土鉆或鐵管垂直向下，使土壤充滿鐵管，再把鐵管四周土壤清除，在鐵管下口把土取出，修理成型。對于重金屬污染監(jiān)測樣本采集，最好用木器或竹器進行采集。

圖2 鐵鏟、取土鉆取土示意

此外，由于土壤本身存在空間分布的不均衡性，依照代表性和隨機化原則，采用混合采樣法，多點取土后在混樣盆中混合均勻，然后運用四分法留約1 kg土樣裝袋。不同的條件下，取樣布點的方法不同，常用的主要有4種［19-21］，如表1所示。

表1 表土取樣的布點方法

2）剖面觀測：土壤剖面挖深約1 m，具體深度根據是否達到母質層或地下水層而定。剖面挖掘后，根據土壤剖面性狀確定土壤有效土層厚度、障礙層深度以及剖面構型等。立牌標記后，用鋼尺或標尺測量各層深度。土壤剖面的劃分、觀察和記錄均采取自上而下的方法，通常是在各層最典型的中部采取，以保證樣品明顯地反映各層屬性［19,21］。土壤剖面挖掘方法如圖3所示。

圖3 土壤剖面挖掘示意

2.2.4 成果核查送檢

為確保調查采樣完成，在離開監(jiān)測點位前，需進行點位、調查表、土樣和照片等成果核查。主要核查采樣記錄與GPS導航記錄點位是否一致；調查表是否填寫完整，編號是否正確，有無屬性缺失；土樣是否滿足需求；現場照片是否有編號作為分辨依據，數量和內容是否滿足。然后，將保鮮袋裝好的土樣和背面朝外的調查表一同放入密封袋，貼上相應的點號標簽，回填采樣點。待野外調查采樣完成后，將耕地土壤樣品封裝送檢，并根據監(jiān)測點調查表和野外照片，建立監(jiān)測點檔案，及時將調查數據電子化記錄。

3 實例應用

3.1 實驗項目概況

秭歸縣位于湖北省西部，境內構成獨特的長江三峽山地地貌，形成“八山半水一分半田”的土地格局。截至2014年底，秭歸縣耕地面積299 956 000 m2，占縣域面積的13.19%。耕地質量等別較高，肥力空間分布差異較大。秭歸縣2015年耕地質量等別監(jiān)測以有效土層厚度、灌溉保證率、土壤有機質含量和pH值為主導因素，劃分了水土流失型、逐步干旱型、肥力衰退型和酸化型4種漸變類型，9個監(jiān)測區(qū)。在11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個村布設38個固定監(jiān)測點，分4條路徑開展。其固定監(jiān)測點分布如圖4所示。

圖4 秭歸縣耕地質量固定監(jiān)測點分布

3.2 調查采樣實施

3.2.1 工具設備

監(jiān)測采樣工具資料準備如表2所示。

3.2.2 人員安排

野外調查采樣4人為一小組，其中1名男性承擔挖坑取土；另1名男性為技術人員，負責辨別土樣、調查詢問、協助取土等；1名女性為記錄人員，負責路線導航、填表拍照和團隊協調；還有1名為熟悉秭歸縣地形和方言的當地司機，協助調查。

3.2.3 采樣實施

本次采樣需現場獲取地形坡度、田面坡度、灌排條件、土壤表層質地、剖面構型和障礙層深度等，帶回土樣測定酸堿度、有機質含量和鹽漬化程度等。為滿足土壤樣品的代表性，結合實際條件，使用鐵鍬和取土鉆，依照對角線法取深度為15～20 cm的耕作層土樣，四分法留約1 kg的土樣。并對水土流失區(qū)進行約1 m深的土壤剖面挖掘。

表2 野外調查采樣工具需求

3.3 調查采樣結果

基于2.1和2.2的流程和采樣方法，秭歸縣2015年度耕地質量等別監(jiān)測野外調查采樣工作共完成了38個固定監(jiān)測點的調查采樣任務。

從監(jiān)測點數量和空間分布來說，本次采樣的38個固定監(jiān)測點中，包括水田7個、旱地31個，共填寫監(jiān)測點調查表38張，農戶調查表70份。帶回土壤樣品38份，總重約45 kg。拍攝照片38組，共計有效照片432張。數量上符合同一漸變區(qū)內不同利用等別上至少設置一個固定監(jiān)測點等規(guī)定；布局上考慮耕地均質性，均勻布局，總體符合《湖北省耕地等別年度監(jiān)測評價技術方案》要求。

從時間效率來說，考慮到秭歸縣屬于丘陵地區(qū)，地形起伏較大，長江穿過縣域，交通相對困難，且冬季采樣易受低溫和降雨的影響等因素，預計采樣時間為6 d，平均每天采樣6～7個監(jiān)測點。由于雨雪造成交通不便和部分監(jiān)測點通達道路受阻，臨時從同等條件的備選監(jiān)測點中替換了6個原監(jiān)測點，采樣耗時增加了1 d，實際采樣于7 d內完成。就單點采樣時間來說，根據流程設計，預計水土流失區(qū)采樣約30 min完成一個點，其他監(jiān)測區(qū)約20 min一個點。實際工作的頭一天單點采樣時間平均與計劃相同，隨著采樣人員對工作的熟練程度，時間逐漸減少，水土流失區(qū)約25 min完成一個點，其他監(jiān)測區(qū)約15 min，在時間上表現出較好的效率。

從成果質量來說，所有監(jiān)測點調查表隨土樣裝袋密封，保存完好，記錄完整，編號與土樣對應，整理方便；農戶調查表記錄完整，產能計算無數據缺失；采樣過程照片清晰，能明確反映工作過程，且照片上均有監(jiān)測點號牌，內業(yè)整理便捷，不會混淆。

總體上，秭歸縣2015年度耕地質量等別監(jiān)測野外調查采樣監(jiān)測點數量上滿足監(jiān)測要求，空間布局較為均勻，耗時合理，調查成果完整和規(guī)范，滿足監(jiān)測采樣標準和要求。

4 結 語

作為耕地質量等別監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，野外調查采樣是一項具有空間距離遠、業(yè)務流程繁瑣的基礎性數據采集工作。本文根據相關規(guī)程和要求，基于各縣市的實際工作開展，設計了野外調查采樣技術流程以及前期準備、取土采樣和核查送檢等方法，并在湖北省秭歸縣2015年度耕地質量等別監(jiān)測工作中進行應用實踐。該應用證明，設計的野外調查采樣流程和方法具有較好的實際操作性，能有效發(fā)揮資源配置和整合作用，降低人為操作的失誤，減少人力、物力等資源浪費，提高工作效率，可為管理部門或技術單位工作實踐提供一定的參考。同時，在野外調查采樣的工作組織、路徑規(guī)劃以及人力、物料和時間等資源配置優(yōu)化等方面，仍具有進一步研究的空間。

[1] 杜國明,劉彥隨,于鳳榮,等． 耕地質量觀的演變與再認識[J]．農業(yè)工程學報,2016,32(14):243-249

[2] 馬建輝,吳克寧,趙華甫,等． 基于農用地分等的耕地質量動態(tài)監(jiān)測體系研究[J]．中國農業(yè)資源與區(qū)劃,2013, 34(5):133-139

[3] 葛向東,許彥曦,彭補拙．縣級耕地動態(tài)監(jiān)測體系的理論與方法研究[J]．經濟地理,2001(3):346-350

[4] 沈仁芳,陳美軍,孔祥斌,等．耕地質量的概念和評價與管理對策[J]．土壤學報,2012(6):1 210-1 217

[5] 周波,吳茗華,程炯,等．耕地自然質量等級與土壤主要肥力指標的關系[J]．華南農業(yè)大學學報2014, 35(6):46-51

[6] 趙彥鋒,程道全,陳杰,等． 耕地地力評價指標體系構建中的問題與分析邏輯[J]．土壤學報,2015(6):1 197-1 208

[7] 莊雅婷, 陳訓爭, 范勝龍, 等． 基于Kriging插值的高效耕地質量監(jiān)測點布設方式研究——以建甌市為例[J]． 亞熱帶水土保持, 2013(2):17-22

[8] 馬建輝．基于變異函數和等別類型的耕地質量監(jiān)測樣點布設研究[J]．世界農業(yè),2015(5):111-116

[9] 余述瓊,張蚌蚌,相慧,等．基于因素組合的耕地質量等級監(jiān)測樣點布控方法[J]．農業(yè)工程學報, 2014(24):288-297

[10] 王雨晴．耕地質量等別更新評價成果應用分析[J]．黑龍江科技信息,2015(14):289

[11] 曹宗果,王玉志,閆弘文,等．沂南縣耕地質量更新評價及保護分區(qū)[J]．山西農業(yè)科學,2016(2):260-265

[12] 王桂陽．對耕地“質保”背景下耕地質量等別更新評價工作的幾點建議[J]．國土資源,2015(8):48-50

[13] 馬建輝．我國耕地質量等別監(jiān)測工作相關問題的介紹與探討[J]．邢臺職業(yè)技術學院學報,2015(6):74-77

[14] 權全, 解建倉, 沈冰, 等． 基于實測數據及遙感圖片的土壤采樣方法[J]．農業(yè)工程學報, 2010(12):237-241

[15] 韓宗偉, 黃魏, 羅云, 等． 基于路網的土壤采樣布局優(yōu)化——模擬退火神經網絡算法[J]．應用生態(tài)學報, 2015(3):891-900

[16] 陳天恩, 董靜, 陳立平, 等． 縣域農田土壤采樣布局多目標優(yōu)化分析模型[J]．農業(yè)工程學報, 2012(23):67-73

[17] 李雪瓊, 陳犖, 熊偉,等． 面向OSM數據的多模式路徑規(guī)劃方法[J]．地理空間信息, 2015(5):41-43

[18] 孫騫, 許睿, 萬航． 基于GIS的復雜環(huán)境空間通達性預測方法研究[J]．地理空間信息, 2015, 13(6):71-73

[19] 劉光崧． 土壤理化分析與剖面描述[M]． 中國標準出版社,1996:1-4

[20] 李春鳴． 土壤樣品的采集和處理[J]． 西北民族大學學報:自然科學版, 2003, 24(3):74-75

[21] 全國農業(yè)技術推廣服務中心． 土壤分析技術規(guī)范(第2版)[M]．農業(yè)出版社, 2014