土壤環境監測基礎點位布設思路與方法

陸泗進，王業耀，夏 新，何立環

中國環境監測總站，國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012

土壤環境狀況不僅直接影響到國民經濟發展和國土資源環境安全，而且直接關系到農產品安全和人體健康[1-4]。當前中國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染嚴重、功能喪失，危害人民群眾身體健康，影響社會和諧穩定[5-7]。

環境保護部門一直非常重視土壤環境監測工作。早在“六五”“七五”“八五”期間，就開展了土壤環境背景值調查工作。2006年，全國土壤污染調查專項工作全面啟動，完成了全國土壤環境質量調查與評價、全國土壤背景點環境質量調查與對比分析、重點區域土壤污染風險評估與安全性劃分、污染土壤修復與綜合治理試點等主要內容。2011—2015年,全國環保監測系統按照每年監測一類重點區域(企業周邊、農田、蔬菜地、水源地周邊、畜禽養殖場周邊)開展了土壤環境質量例行監測工作試點[1,7-8]。這些調查或監測試點工作，為國家掌握全國土壤環境質量狀況，制定相關政策發揮了重要作用。但目前的土壤環境質量監測工作仍屬于專項性質和試點性質，同時監測點位存在代表性不強、分布不盡合理、不具連續性等問題，全國的土壤環境質量監測網絡也尚未系統構建，還不能滿足當前國家對土壤環境進行全面有效監管的新要求[1,7]。

黨的十八大以來，習近平總書記關于建設生態文明、加強環境保護的講話、論述、批示達100多次，提出了一系列新理念、新思想和新戰略。十八大報告也強調，要以解決損害群眾健康突出環境問題為重點，強化水、大氣、土壤等污染防治。李克強總理多次強調，環境污染是民生之患、民心之痛，要鐵腕治理，以改善大氣、水、土壤環境為重點，加強污染治理和生態保護。《土壤污染防治行動計劃》[9]明確要求，由環境保護部牽頭，統一規劃、整合優化土壤環境質量監測點位，2017年底前完成土壤環境質量國控監測點位設置，建成國家土壤環境質量監測網絡，充分發揮行業監測網作用，基本形成土壤環境監測能力。2020年底前，實現土壤環境質量監測點位所有縣(市、區)全覆蓋。

1 國際做法和經驗

國家土壤環境監測網絡的布設有利于了解國家土壤環境質量和基本動態，對于環境污染的盡早發現和治理也具有重要作用。歐洲很多國家和地區都建立了土壤監測網絡，并開展長期監測[10-15]。其目的在于掌握土壤狀況和相關污染物的生態毒性風險、了解土壤相關指標的空間分布特征及隨時間變化趨勢。1979年，英國以5 km×5 km網格布設了6 000個土壤監測點位；1985年，瑞士建立了國家土壤環境監測網(NABO)，每100 m2布設一個監測點位，監測點的選擇原則是農用地占50%，森林、土壤占30%，其他廣泛使用的土壤占20%；德國環境保護部門和農業部門共設置了800多個土壤監測點；法國也提出構建16 km×16 km采樣網格的土壤監測網絡。此外，奧地利、比利時、丹麥等也都建立了國家層面的土壤監測點位。這對土壤數據的積累、土壤環境問題的早期發現具有積極作用。同時，歐盟在2004年中期為土壤監測提出一項正式立法提議，擬建立整個歐盟的土壤監測網絡[13-15]。歐盟提出每300 km2布設1個監測點，基本可涵蓋歐洲全部土壤類型和土地利用類型。由于歐盟此前已在森林土壤調查中建立了以16 km×16 km的監測格網，因此只需在非森林土地上新增監測點，同時吸納歐盟各成員國已布設相關土壤監測點位就可形成完善的整個歐盟的土壤監測網絡。這樣大大節約了人力物力，也減少了歐盟財政預算。

可以看出，雖然不同國家和地區在土壤監測的組織形式和指導思想上有所差別，但國家土壤環境監測網絡構建方法和目的基本一致，都是為了掌握和了解土壤污染整體狀況及變化趨勢。同時，也都是采用網格法開展點位布設，只是網格的尺度是適宜各國國情和實際的。這些寶貴的經驗值得國內借鑒。

2 中國的土壤環境監測網

中國的土壤環境監測網是在整體狀況和風險監控兩個層面上構建的例行監測網，由背景點、基礎點、監控點3類點組成，分為國控和省控兩級。通過長期、定點、連續監測，逐步說清全國土壤環境質量整體狀況及變化趨勢；掌握土壤環境疑似高風險區域，實現風險監控。為各級政府管理部門土壤污染防治目標考核提供技術支撐，同時也是各土壤專項調查服務的基礎，各土壤專項調查可在此基礎上開展針對性的加密(數量、頻次等)監測。

中國是農業大國，耕地數量和質量非常重要。耕地一旦遭到污染，不僅會危害居住其上的農民，更會通過糧食、蔬菜等農產品的供給，給食品安全帶來風險。同時，一些區域的土壤環境問題直接或間接影響居民生活健康，如工礦污染企業周邊、飲用水源地保護區等，這些特定區域對國家生態環境安全具有重要影響。因此，土壤環境監測點位布設區域應以耕地、工礦污染企業周邊、飲用水源地保護區等為主。同時，國內的土壤環境質量監測還應兼顧到土壤背景值的變化[1]。

因此，中國的土壤環境監測網應包含3類國控點：背景點、基礎點、監控點。①背景點分布在未受或少受人類活動影響的土壤，反映未經(或者極少)人為影響地區的土壤中元素的自然含量，可以為追溯污染歷史、制定環境標準、研究環境質量提供基礎數據。在延續“七五”和“十一五”全國土壤環境調查背景點位的基礎上，根據現實發展變化進行重新篩選、優化和補充獲得。②基礎點是基于全國土地利用類型(包括耕地、林草地、園地等)上布設的監測點位，通過定點、連續監測，系統、全面地反映國內土壤整體環境狀況、變化趨勢，同時通過與背景監測的對照，可判斷污染控制和環境管理的成效。③監控點以監控土壤環境風險源和敏感區域土壤環境潛在風險為目的，依據污染物排放特征和主要影響范圍，在涉及重金屬、持久性有機污染物等環境風險較大的行業企業、工業園區、集中式飲用水源地保護區等區域周邊土壤中布設具有代表性的點位，以實現風險監控和預警。

3 布點尺度和點位優化方法研究

作為土壤監測最基礎、最前端的一環，基礎點位的布設非常重要，且又非常復雜。究竟全國應該在哪些區域布設、布設多少個基礎點位，才能基本說清全國的土壤環境狀況及變化趨勢，如何在點位數量、點位代表性、工作經費、監測能力上取得平衡是值得深入思考和研究的。國家層面也一直在進行相關的研究和探討，希望能在已有相關監測工作基礎上，借鑒國內外相關經驗，確定土壤環境監測國控點位，建立適合我國國情的國家土壤環境監測網。

眾所周知，土壤監測布點采樣的目標是為土壤進行有效的管理提供必需的信息。所需要的信息是研究區域內土壤變量的取值及其空間變異特征。對網格布點法而言，網格的密度越小，越能較好地對上述信息進行推斷，而隨著網格的密度放大，監測點位在估值精度、空間變異性表達方面將呈降低趨勢[16-19]。但是，如果采樣數量變異不足以影響土壤管理，則精確空間變異描述的意義降低，完全可以以較少的采樣成本達到土壤環境監管的目的。若考慮土壤監測、調查成本，應當分析不同網格尺度效果對采樣數的敏感性，以可能用較少的點位數達到與較多點位數支持下大致相當的效果。

如前所述，歐洲國家和地區提出了滿足各自需求的布點網格尺度，在中國國家尺度上，究竟多大的網格尺度合適，是開展基礎點位布設的關鍵之一。我國“十一五”土壤污染狀況調查工作，普查點位中耕地點位是在8 km×8 km網格布點基礎上獲得的，但也有個別地區對采樣網格進行了加密。這為開展適宜網格尺度識別的研究提供了良好的數據支撐。中國環境監測總站組織廣東省環境監測中心和湖北省環境監測中心站分別在廣東珠三角地區和鐘祥市胡集鎮開展了不同網格尺度識別研究。通過對珠三角耕地土壤4種不同網絡尺度(2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km、16 km×16 km)監測數據的研究和分析[20],繪制圖1。可見，2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km 3種采樣尺度，均較可靠地反映珠三角區域耕地土壤重金屬含量的整體狀況及空間變異情況。

圖1 不同采樣尺度下土壤鎘含量半方差分布圖Fig.1 Semivariogram of soil Cd content in varied scales

研究還表明，在污染較重的區域，網格尺度越小，對于區域環境質量的反映和刻畫也更加細致。在考慮經濟性和可行性的前提下，8 km×8 km是比較適宜的采樣尺度。這說明，在考慮監測目的、監測成本等前提下，完全可以以較少的采樣點位達到土壤環境例行監測的目的。對鐘祥市胡集鎮的研究，也得到了相似的結論。

珠三角地區人為活動劇烈，地理條件復雜，基于此，本研究認為國家尺度上基礎點位布設宜采用8 km×8 km布點網格，但在污染重、耕地破碎化的地區，網格尺度應適當加密。在人為影響小、土地利用類型單一、土壤類型一致的地區，網格尺度則可適當放大(合并網格)。

在解決了布點網格尺度后，需要解決的另一個關鍵問題是如何科學合理地繼承歷史監測點位。“十一五”期間，全國土壤污染調查專項工作共布設土壤環境質量調查點位41 824個。2012年，全國土壤環境質量例行監測工作試點在基本農田區布設點位4 606個。這些工作積累了大量的監測點位、數據，這是開展土壤環境質量監測國控點布設的基礎，開展國控點的布設不能脫離這些點位。

由于基礎點位主要是為例行監測工作服務，例行監測與專項調查不同，監測點位數量要適宜，因此，歷史監測點不能全部納入國控點。為此，中國環境監測總站組織湖北省環境監測中心站以湖北省為例開展了歷史監測點位的優選研究。通過分析歷史監測點位不同元素和污染物的累積、污染情況判斷該歷史監測點位土壤環境質量情況，并進行土壤環境的累積性、適宜性評價。依據土壤背景累積性評價、土壤環境適宜性評價的結果，將歷史監測點位劃分成土壤環境保護點、土壤環境安全保障點、土壤環境整治點。同時，結合歷史監測點位在土地利用類型圖斑、土壤類型圖斑上分布情況以及距離道路、居民區、污染源的距離等，提出統一、完整的優選原則，為歷史監測點位篩選奠定了技術基礎。成功將湖北省1 536個歷史監測點位優化篩選為795個,見表1。

綜上，基礎點采用GIS空間分析技術，依據布設網格尺度研究結果，進行全國統一布點網格(8 km×8 km)。但在面積破碎、人為影響復雜區域適當加密，在人為影響小、大片分布且土地利用類型單一等區域則合理合并網格。然后疊加土壤類型圖、歷史監測點位等，按照統一的優選原則，進一步優選點位，并盡可能保留“十一五”全國土壤污染狀況調查和“十二五”全國土壤環境質量例行試點監測等歷史點位。最后，通過現場勘查對點位進行檢驗、優化、調整。

表1 湖北省歷史監測點篩選結果

4 基礎點位布設

4.1 布點原則

基于上述考量，基礎點位布設應遵循的原則包括：①科學性和可行性。布設技術方法首先要科學合理，同時也應考慮現實基礎，確保技術方法可以實現。②代表性和經濟性。在滿足監測目的和需求的基礎上，在經費、點位數量、代表性3方面取得平衡。③繼承性和發展性。監測區域有歷史監測點位的則盡可能使用原點位，同時根據當前土壤環境監管需求，新增布設監測點位。④普遍性和特殊性。布點技術方法具有普遍適用性，但個別規定可以依據監測區域的環境特點、地形地貌特征等進行適當調整。⑤穩定性和動態性。點位一經確定，原則上不允許調整，但當點位不適應監測管理需求時，可進行動態調整。

4.2 布設方法

1)網格設定：針對監測區域耕地、林草地土壤分布狀況，研究其土壤污染物含量及其空間變異特征，設定適宜的監測網格(如國家尺度上耕地監測網格劃定為8 km×8 km)，采用網格布點法布設土壤環境質量監測點位。

2)網格篩選：將劃定好的網格數據疊加監測區域土地利用現狀圖層，計算網格內耕地面積、林草地面積，按照面積占優法篩選出耕地、林草地面積超過一定比例的網格(對于土地利用破碎化的地區和糧食主產區等，可降低篩選比例或加密)，從而得到監測區域內需布設監測點位的網格，網格中心點即為初始點位。

3)利用GIS技術設置4個限制條件：①利用土地方式解譯數據提取監測區域水系圖層。②利用交通路網數據生成監測區域內主要交通干線兩側各150 m緩沖區圖層。③利用污染源點位數據生成監測區域內污染源600 m緩沖區圖層。④利用遙感解譯數據，生成監測區域內居住用地300 m緩沖區圖層。將上述得到的4個圖層融合后與篩選網格相疊加，生成可布區域。將初始點位調整至可布區域最合適位置。

4)疊加土壤類型：將調整后的初始點位與地區土壤類型圖做疊置分析，獲取點位對應的土壤類型，點位應覆蓋當地的主要土壤類型，否則在選取監測區域范圍內未覆蓋到的主要土壤類型圖斑中部位置新增點位。

5)整合歷史監測點位：將確定的網格點與歷史監測點位(“十一五”全國土壤污染狀況調查點位和“十二五”全國土壤環境質量例行試點監測農田點位等)進行疊加分析，按照統一的原則整合歷史監測點位。

6)點位調整和優化：影像核查調整。利用高分影像逐一對布設的點位進行檢查，對不符合限制條件要求的點位進行如下調整：①歷史點位替代。同一網格內，用最近的且符合要求(如土地利用類型、土壤屬性一致，非交通干線、居民點、污染源緩沖區內等)的歷史監測點位代替網格點。②網格合并。視需要和實際情況，可以對相鄰的網格進行合并，以減少監測點位數量。

7)現場核查：上述完成的點位僅為理論點位，還需對理論布設點位逐一進行現場核查，按照統一規定的核查標準進行，對于不符合要求的點位應按布點原則重新調整。

5 階段性布設結果

截至目前，全國已經基本完成基礎點位布設工作，點位數量共計約20 000個，其中耕地點位所占比例約為79%，林草地點位所占比例約為21%。(注：本文均不涉及香港、澳門特別行政區和臺灣地區)

在區域分布上，耕地面積最大的6個省/自治區(河北、內蒙古、黑龍江、山東、河南、四川)基礎點位數量較多。耕地相對較大、超標比例相對較高的6個省(湖南、湖北、江蘇、浙江、安徽、云南)基礎點位數量也較多。城市化率高或轄區面積相對較小，耕地面積小的7個省/自治區/直轄市(北京、天津、上海、重慶、福建、海南、寧夏)基礎點位數量相對較少。

在歷史點位繼承上，全國約20 000個基礎點位中，屬于原“十一五”土壤污染狀況調查點位所占比例約為60%；屬于原“十二五”例行監測點位所占比例約為1%，新增點位所占比例約為39%。

在縣域覆蓋上，基礎點位對縣的覆蓋比例已經達到99%。沒有覆蓋到的縣共23個，主要原因包括：①個別縣為海島，如嵊泗縣、南澳縣、金門縣等；②部分縣耕地比重低，如黟縣、申扎縣、眉縣、阿合奇縣、烏恰縣等，后續根據管理需要可新增布點。基礎點位對區的覆蓋比例為60%，沒有覆蓋的區基本為城市中心城區，無耕地或耕地比例低，無法布設。

在土壤類型的覆蓋上，我國的耕地面積比例為1%以上的土壤亞類基本實現了覆蓋，基礎點位覆蓋了56種土類，覆蓋率達到98%；覆蓋了148個主要土壤亞類，覆蓋率為64%。

在產糧大縣覆蓋上，對照2011年全國糧食生產先進單位名單(共200個)，基礎點位覆蓋了上述全部產糧大縣，所布設點位占全國耕地基礎點位的比例約為20%。

6 結語

未來還需按照《土壤污染防治行動計劃》的要求，進一步完善基礎點位布設工作，針對尚未覆蓋的區域(土地利用類型、土壤類型等)包括城市土壤，并結合全國土壤污染狀況詳查工作及國家重點生態功能區縣域生態環境質量考核等，開展基礎點位的優化和新增工作，實現土壤環境質量監測點所有縣(市、區)全覆蓋。同時，還應在土壤環境風險源和敏感區域周邊土壤開展監控點的布設，依據污染物排放特征和主要影響范圍，在涉及重金屬、持久性有機污染物等環境風險較大的行業企業、工業園區和集中式飲用水源地保護區等區域周邊土壤中布設具有代表性的點位，實現風險監控和預警，以滿足環境管理和決策的需求。

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