土壤環境背景點位布設思路與方法

張麗麗，鄭玉婷，于洋，林軍

(生態環境部固體廢物與化學品管理技術中心，北京 100029)

土壤是經濟社會可持續發展的物質基礎，關系人民群眾身體健康，關系美麗中國建設，保護好土壤環境是推進生態文明建設和維護國家生態安全的重要內容[1-3]。科學地確定具有代表性的土壤環境背景點并獲取背景值是監測與評價土壤污染情況的重中之重。土壤環境背景點是指用于獲取土壤環境背景值監測數據的采樣位置。調查研究土壤環境背景點的點位布設，對于完成土壤中元素和化合物的含量分析，制定土壤環境質量標準、評價區域性環境質量、研究元素和化合物在土壤中的遷移轉化規律具有重要作用[4-7]。

近四十年來，我國在土壤環境背景點布設方面做了大量工作，積累了豐富的數據資料和工作經驗。然而，在點位布設中，仍存在如下問題與不足:一是土壤環境背景區的劃分不清晰，主要體現在未有效結合我國土地利用現狀明確土壤環境干擾源；同時，未考慮環境干擾源對周圍區域可能造成的潛在污染影響。二是點位布設時未有效利用地理信息技術，點位布設效率有待提高。三是隨著經濟社會的發展，土地利用用途變更、環境污染范圍加大以及環境污染物種類增加，一些點位已不再適宜保留，導致在一定程度上可能缺失了一些土類類型的背景點。

在此背景下，亟須利用我國前期開展的背景值調查數據，提出我國土壤環境背景點的布設思路與方法。近年來，3S 技術逐漸發展為土地資源可持續利用研究中的高新技術，在土壤布點與采樣中得到廣泛應用。3S 技術包括遙感(RS，remote sensing)、地理信息系統(GIS，geography information systems)和全球定位系統(GPS，global positioning systems)，是對空間信息的采集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用進行多學科高度集成的現代信息技術[8]。3S 技術被廣泛地應用于土壤環境監測中，如土壤污染、土壤荒漠以及土壤侵蝕等[9-12]。針對傳統土壤布點費時、費力、高成本的問題，運用3S 技術進行布點具有快捷、準確、宏觀顯示等多方面的優點，能夠為開展土壤環境背景點布設等工作提供有力的技術支撐。

1 國內外土壤環境背景點布設做法和經驗

1.1 發達國家土壤背景點布設經驗

從20 世紀60 年代起，為了研究區域范圍內土壤中的元素水平，美國地質調查局(USGS，United States Geological Survey)開展了一系列的土壤環境背景點調查工作。1961—1984 年，USGS 在美國大陸本土上以80km×80km 網格布設了1318 個土壤背景采樣點[13]。1988 年，USGS 在阿拉斯加州以80km×80km 網格布設了266 個土壤背景采樣點，采樣深度為20cm[14]。2007—2013 年，USGS 開展了地球化學和礦物學調查，在美國大陸本土上以40km×40km 網格布設了4857 個采樣點[15]。美國土壤環境背景點的布設強調可操作性和規避性，采樣區域主要遵循以下原則:遠離巷道、交通擁擠區域、填埋場、已知的礦床地質和明顯污染的區域；地表物質與自然條件相差不大，且適宜植物生長；避免在距離高速公路200m 以內采樣；避免在距離鄉村道路50m 以內采樣；避免在距離建筑物或構筑物100m 以內采樣；避免在距離農田邊際50m 的范圍內或其他可能存放大量肥料的區域采樣；避免在主要工業活動(如發電廠或冶煉廠)場地的下風處5km 以內采樣[16]。

從20 世紀70 年代起，英國的英格蘭、威爾士土壤調查總部開展了一系列的土壤環境濃度調查工作。1978—1982 年，英格蘭、威爾士土壤調查總部按5km×5km 網格設計，以網格中心劃分出一個20m×20m 網格，每個4m×4m 的小網格內采集一個樣品，在英格蘭和威爾士共采集了近6000個樣品。1978—1988 年，蘇格蘭Macaulay 土壤研究所按10km×10km 網格設計，在蘇格蘭采集了近1000 個樣品。采樣區域主要遵循以下原則:采樣區域分布在農業、森林、林地、公園和荒野[17-18]；避開建筑物(包括道路)、巖石區、湖泊、河流、溪流、采石場和相關的擾動地面以及煤礦[19]。為了確定土壤性質變化的證據，比較取樣方法，測量新的土壤屬性以測試其作為土壤質量指標的適用性，開發和測試新的土壤質量評估方法等，2007—2009 年，赫頓研究所對蘇格蘭進行了部分重復采樣(每隔20km)，采集了近200 個樣本[20]。

日本在1978—1984 年間在全國25 個道、縣采集表土和底土樣品687 個，用HNO3-H2SO4-HClO4消解法，測定了8 種元素[21]。

2007 年，加拿大地質調查局開展了沿海省份土壤中的元素水平調查。加拿大地質調查局在加拿大沿海省份以40km×40km 網格布設了采樣點[22]。采樣區域主要遵循以下原則:避免在距離高速公路200m 以內采樣；避免在距離鄉村道路100m 以內采樣；避免在距離農田邊際50m 的范圍內采樣。

1.2 我國土壤環境背景點布設情況

我國土壤環境背景點布設起于20 世紀70 年代中期，布點方法主要為網格布點法，布設原則主要考慮規避性原則和繼承性原則，以土類和成土母質類型為布點依據。

1978 年，中國科學院和農業科研單位會同原環境保護主管部門，先后對北京等13 個省區市的主要農業土壤和糧食作物中的9 種元素背景值進行了研究，為我國土壤環境背景點的布設研究奠定了良好的工作基礎[23]。“六五”期間，我國對湘江谷地、松遼平原進行了土壤元素背景值調查，分別布設了430 個和934 個采集點，獲得了約30 種元素的化學元素背景數據，積累了土壤環境背景點布設的經驗[24]。“七五”期間，土壤元素背景值研究被列入國家重點科技攻關項目，由原國家環境保護局主持完成了除香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣地區以外的全國土壤元素背景值調查，提出了包括土壤重金屬在內的61 種元素背景值。統一組織、統一技術要求，以網格法均勻布點，使采樣點位有適當的密度和均勻性，又根據我國東、中、西部地區經濟發展的差異及土壤和地理自然環境復雜程度的不同，確定了3 種不同的布點密度:東部省份以40km×40km、中部省份以50km×50km、西部省份以80km×80km 網格布設采樣點；北京、天津、上海3 個直轄市及5 個沿海城市的采樣密度適當增加。在很少受人類活動影響和不受或未明顯受現代工業污染與破壞的情況下，在所劃定的網格范圍內，選擇土類、亞類或土屬面積較大且有一定典型性、代表性的采樣區域，共布設了4095 個土壤典型剖面。兼顧繼承性原則，“十一五”到“十三五”期間，在首次全國土壤污染狀況調查的基礎上，我國將土壤環境背景點篩選優化為2481 個。

1.3 國內外土壤環境背景點布設方法對比分析

從國內外土壤環境背景點的布設做法和經驗可以看出，不同國家和地區在土壤環境背景點的組織形式和指導思想上有所差別，但土壤環境背景點布設思路和目的基本一致，都是為了掌握和了解土壤環境背景值狀況及變化趨勢。同時，土壤環境背景點的布點原則主要考慮規避性和可行性，也都是采用網格法開展點位布設，只是網格的尺度是根據各國國情和實際監測條件確定的，在網格布點法的技術上考慮規避性，規避受人為活動干擾的區域，而這種布設方法在背景區域的選擇上缺乏系統性。國內外土壤環境背景點布設方法對比分析見表1。

2 土壤環境背景點的布設思路與方法

2.1 布設原則

從我國土壤環境監測管理需要出發，考慮到我國實際情況，兼顧發達國家經驗，我國土壤環境背景點的布設應具有整體性、代表性、規避性和繼承性。

(1)整體性原則:點位布設既要科學、合理，又要具有一定的可操作性。應考慮自然地理條件等綜合環境因素，以及土地利用規劃、人口分布等社會經濟特點，且應兼顧國內土壤環境監測的實際情況和監測環境條件的特點，充分考慮交通運輸、技術應用等方面可實施采樣的作業條件保障。

(2)代表性原則:點位布設要盡可能覆蓋區域內不同土類的土壤，同時兼顧地形地貌等環境特征，充分滿足監測目的和需求，滿足國家開展土壤環境質量例行監測的要求。

(3)規避性原則:點位應布設在不受或少受人為活動影響的區域，結合土地利用現狀，明確環境干擾源分類及對應緩沖區距離，保證土壤環境背景點可以反映不受或少受人為活動影響的土壤中元素或化合物的含量水平。

(4)繼承性原則:土壤環境背景點需要長期監測，因此布設時需要避開計劃用地區域，保證土壤環境背景點的穩定性。在考慮人為活動影響的基礎上，對照土壤分類標準，一般以土類或土屬作為布點單元，布設土壤環境背景點。無論原有背景點還是新增背景點，一經確定，原則上不宜變更。

2.2 布設流程

土壤環境背景點布設分為四個步驟:點位布設準備、確定土壤環境背景區、初步布設土壤環境背景點和現場確認土壤環境背景點。土壤環境背景點布設流程圖如圖1 所示。

圖1 土壤環境背景點布設流程圖

2.2.1 點位布設準備

點位布設準備包括資料收集與軟硬件準備。

資料收集主要包括點位布設底圖(土地利用現狀圖、土類分布圖、生態保護紅線等)、自然環境資料(地形地貌特點等)及環境數據資料(已有土壤環境背景點和土壤環境背景值調查數據等)。

軟硬件準備主要包括便攜式定位設備、信息存儲處理與分析計算設備；具有高分辨率遙感影像展示、空間信息編輯、空間信息輸出等功能的專業地理信息系統等空間分析軟件。

2.2.2 確定土壤環境背景區

(1)明確土壤環境干擾源

結合我國發布的《土地利用現狀分類》，將受到人類干擾的土地進行明確分類。將標準中的05(商服用地)、06(工礦倉儲用地)、07(住宅用地)、08(公共管理與公共服務用地)、09(特殊用地)、10(交通運輸用地)、11(水域及水利設施用地)確定為環境干擾源。需特別說明的是，在實際布點中，特別在我國的東部地區，人口稠密，人類活動頻繁，有長期使用農藥、化肥的歷史，要完全避開人為活動是不可能的；同時，許多農業土壤本身就是人類長期從事農業生產活動而形成的。在這種情況下，只能在不受或很少受現代工業污染與人為破壞的土地上布點。

(2)生成環境干擾源緩沖區

考慮到環境干擾源內人類的生活及生產活動對周圍區域可能造成人為干擾或工業污染與破壞，將環境干擾源周圍一定距離作為環境干擾源緩沖區。在針對國內外土壤環境背景點布設工作現狀與相關文獻開展調研分析基礎上，結合我國的實際情況，本文提出的環境干擾源及緩沖區范圍如下:

(a)商服用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地:距離300m

根據《城市居住區規劃設計標準》，結合居民的出行規律，在步行5min、10min、15min 內可分別滿足其日常生活的基本需求；根據步行出行規律，3 個生活圈居住區可分別對應在距離300m、500m、1000m 的空間范圍內，該空間范圍同時也是主要配套設施的服務半徑。單禮堂[5]提出的土壤環境監測基礎點位布設思路與方法，也是將300m 作為居住用地的緩沖區距離。

考慮到住宅用地邊界外不再有對應的配套設施，結合文獻及國內外調查結果，將300m 作為住宅用地的緩沖區。考慮到商服用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地同樣有人為活動，參考住宅用地，將300m 作為緩沖區距離。

(b)工礦倉儲用地:采礦用地為距離5000m，其他工業企業為距離500m

徐理超等人研究表明，區域內礦業開采產生的重金屬污染物有向外擴散的趨勢，元素遷移性強弱導致不同重金屬向礦區外傳輸的距離表現出一定差異，As 的遷移性較弱，傳輸距離較短，Cu、Zn、Cd、Pb 等重金屬遷移性較強，對周圍4～6km農田都有影響[25]。李晶等人研究表明，寶日希勒礦區采場外4km 范圍內土壤重金屬Pb、Cr、Zn 和Cu 含量總體上處于無污染狀態[26]。楊勇等人研究結果表明，錫林郭勒露天煤礦礦區周圍0.5km范圍內土壤重金屬含量均超過內蒙古自治區的相應背景值。總體上Cr、Cu、Mn、Ni 和Zn 5 種重金屬元素隨著距礦區距離的增加，其含量逐漸減小，在0～4km 范圍內逐漸下降，尤其在0～2km 范圍內，下降較快。隨后出現上下波動，變化幅度較小[27]。USGS 開展了地球化學和礦物學調查，規定避免在主要工業活動(如發電廠或冶煉廠)的下風處5km 以內采樣。

生產性污染源(廠礦)鉛污染物的擴散范圍主要與煙筒高度和風向風力有關。一般來說，煙筒高度為30～40m 時，煙塵擴散范圍為半徑500m左右；煙筒高度為100m 時，煙塵擴散范圍為半徑2000～3000m[28]。張素娟等人研究了陜西西安藍田冶煉廠周邊農田土壤重金屬含量和形態分布特征，結果表明，Pb、Zn、Cu、Cd 4 種重金屬的最高地面濃度出現在煙囪下風向100m 處的黃土臺塬上，污染最嚴重的區域均分布在0～400m 范圍內[29]。

結合文獻及國內外調查結果，將5000m 作為采礦用地的緩沖區距離，將500m 作為其他工礦倉儲用地的緩沖區距離。

(c)交通運輸用地:鐵路用地為距離500m，公路用地為距離200m，農村道路為距離100m

我國“全國土壤環境背景值調查研究”以及《土壤環境監測技術規范》中均規定:不在道路等受人為干擾大的地方設置采樣點；采樣點遠離鐵路、公路至少300m 以上。本研究以鐵路、公路、農村道路、重金屬污染為篇名關鍵詞，調研了我國關于交通運輸用地周圍重金屬污染的相關科研文獻，共檢索文獻10 余篇[30-40]。研究表明，對于鐵路用地，距路基10m 范圍內為土壤重金屬重度污染帶，10～100m 范圍內為中度污染帶，100～500m范圍內為輕度污染帶。對于公路用地，公路兩側土壤中重金屬含量峰值在距路肩10～30m 左右達到最大值，距路肩200m 范圍內土壤受到不同程度的重金屬污染。對于農村道路，鄉村公路兩側100m 范圍內鉛污染程度隨著離公路的距離增加而減弱[30-40]。USGS 開展了地球化學和礦物學調查，規定在距主要公路200m 以內不得采集樣本；在距離鄉村道路50m 以內，不得采集任何樣本。

結合文獻及國內外調查結果，考慮到不同級別交通道路對道路周邊土壤中重金屬污染的差異性，分別將500m、200m 及100m 作為鐵路用地、公路用地以及農村道路的緩沖區距離。

(d)水域及水利設施用地:0m

水域及水利設施用地無法進行土壤采樣活動。

環境干擾區分類及對應的緩沖區范圍見表2。

表2 環境干擾區分類及對應的緩沖區范圍

(3)生成環境干擾區

以土地利用現狀圖為工作底圖，在土地利用現狀圖中依次提取環境干擾源作為擬分析空間數據圖層，利用地理信息系統等專業軟件的空間分析功能，依次對環境干擾源的緩沖區范圍進行鄰域分析，獲得不同環境干擾源對應的環境干擾區。

(4)生成土壤環境背景區

以土類分布圖為工作底圖，擦除環境干擾區，獲得土壤環境背景區。

2.2.3 初步布設土壤環境背景點

(1)確定布點數量

基礎樣品數量是確定布點數量的主要依據，可通過以下方式計算得到:

式中，N為基礎樣品數量；t為選定置信水平(土壤環境監測一般選定為95%)一定自由度下的t值；s2為均方差，可從已有的其他研究或者根據極差R(s2=(R/4)2)估計；D為可接受的絕對偏差；CV為變異系數(%)，可參考已有的土壤環境背景值資料，沒有歷史資料的地區、土壤變異程度不太大的地區，CV一般可用10%～30%粗略估計；m為可接受的相對偏差(%)，土壤環境監測一般限定為20%～30%。

各個布點單元的布點數量應不少于基礎樣品數量。實際工作中土壤布點數量還要根據調查目的、調查精度和調查區域環境狀況等因素確定。

(2)確定布點方法

采用網格布點或隨機布點方法進行布點。對于成土因素比較復雜、地廣人稀、交通不便的地區，可根據當地實際地形地貌條件按照隨機布點法布點。在照顧到個別地區布點數量滿足統計學要求的同時，盡可能考慮布點的均勻性，嚴格按照網格法布點。網格間距L按下式計算:

式中，L為網格間距；A為背景區面積；N為布點數量。

原則上一個網格內布設一個土壤環境背景點。當網格中土壤環境背景區面積比例小于10%時，不宜在該網格內布設土壤環境背景點。當網格內有多種土類時，選擇在土類面積最大的土壤環境背景區中心位置布設土壤環境背景點。若網格中土壤環境背景區中有生態保護紅線，則優先選擇在生態保護紅線中心位置內布設背景點。

2.2.4 現場確認土壤環境背景點

需要通過必要的現場踏勘對初步布設點位進行檢驗和優化，最終確定土壤環境背景點。現場確認可與現場采樣相結合，對于現場環境條件不符合布設原則或不具備采樣條件的，則需要重新調整點位，同時記錄調整原因和調整結果。現場點位調整后要同步對電子地圖中的點位進行調整，最終形成實際需要的土壤環境背景點。

現場確認時，應綜合考慮當地土壤類型、母質母巖、土地利用現狀等是否與已有資料一致；注意觀察點位周圍是否有未被考慮到的干擾源；注意觀察土壤環境背景點周圍的植被是否發育完好；現場判斷土壤類型時，應以剖面發育完整、層次清楚為準。

3 結果與分析

3.1 土壤環境背景區面積測算

以除香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣地區以外全國土地利用現狀圖為工作底圖，在土地利用現狀圖中依次提取商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地等環境干擾源作為擬分析空間數據圖層，利用GIS 的空間分析功能，依次對環境干擾源的緩沖區范圍進行鄰域分析，獲得不同環境干擾源對應的環境干擾區。以土類分布圖為工作底圖，擦除環境干擾區，獲得基于土類的土壤環境背景區。除香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣地區以外全國土壤環境背景區約為825.35 萬km2。各省份的土壤環境背景區面積見圖2。

圖2 全國除香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣地區以外各省份的土壤環境背景區面積

3.2 基本樣品數量測算

考慮到監測數據的延續性以及點位布設數量的代表性，本研究以“七五”期間“全國土壤環境背景值調查研究”的背景值數據作為基本樣品數量測算的基礎數據。“七五”期間“全國土壤環境背景值調查研究”重點科技攻關課題的攻關目標是獲得全國主要土類的環境背景值，共布設了4095 個點位，涉及41 種土類，測試了61 種元素，給出了61 種元素的背景值。《中國土壤分類與代碼》(GB/T 17296—2009)中共劃分60 種土類。本研究對“全國土壤環境背景值調查研究”的主要土類及國標中的土類進行了分析，“七五”期間的41 種主要土類與國標中的60 種土類中共有34 種土類為重復土類，將這34 種土類作為全國土壤環境背景點點位測算的主要土類。34 種主要土類見圖3。

圖3 34 種主要土類信息對比

由變異系數和相對偏差計算基本樣品數量(N=t2CV2/m2)。其中，變異系數CV(CV=σ/μ)基于“七五”期間“全國土壤環境背景值調查研究”主要土類對應監測項目的數據計算獲得，t選定為置信水平為95%時一定自由度下的t值，相對偏差m選定為20%。全國34 種主要土類，監測項目為61 種元素時，基本樣品數量為5484 個；監測項目為37 種元素時(優先選擇土壤環境標準普遍關注的鎘、汞、砷、鉛等重金屬)，基本樣品數量為3664 個。

3.3 網格布設土壤環境背景點

基于825.35 萬km2土壤環境背景區面積以及3664 個基本樣品數量，測算獲得全國(除港澳臺地區外)網格間距為50km×50km(L=(A/N)1/2)。以50km×50km 劃分網格，當網格中土壤環境背景區面積比例小于10%時，不在該網格內布設土壤環境背景點，共在全國(除港澳臺地區外)范圍內劃分出有效網格(即擬布設背景點)3788 個，與基本樣品數量3644 個基本一致。

3.4 案例分析:遼寧省土壤環境背景點布設研究

以遼寧省為例，通過點位布設準備、確定土壤環境背景區、初步布設土壤環境背景點等步驟，獲得遼寧省土壤環境背景區面積約為9.34 萬km2，以50km×50km 劃分網格，共劃分有效網格(即擬布設背景點)為53 個。遼寧省土壤環境背景點的布設成果圖主要包括:(1)土地利用圖；(2)環境干擾源；(3)環境干擾區；(4)土類分布圖；(5)土壤環境背景區；(6)網格法劃分土壤環境背景區。

4 結論與討論

根據《土地利用現狀分類》，除環境干擾源外，《土地利用現狀分類》中還包括01(耕地)、02(園地)、03(林地)、04(草地)以及12(其他用地)。本研究中土壤環境背景區的土地利用類型的分類與我國“七五”期間“全國土壤環境背景值調查研究”中背景點對應的土地利用類型基本一致。在點位布設思路下，本文利用GIS 技術測算了全國(除港澳臺地區外)的背景區面積，并基于基本樣品數量測算了網格間距，同時分析了擬布設點位數量與基本樣品數量的關系，進一步驗證了布設方法的可操作性。

本研究提出的土壤環境背景點布設方法具有以下特點:結合土地利用現狀對環境干擾源進行了分類，并對環境干擾源緩沖區進行了研究與論述；遵循繼承性原則，以土類為基本單元，利用3S技術，剔除環境干擾源區，在“七五”全國土壤環境背景值調查基礎上計算基本樣品數量；同時，有效結合我國土壤污染狀況詳查工作，明確土地利用方式及對應的土壤環境干擾源的具體分布情況，兼顧生態保護紅線調查工作成果，進一步明確土壤環境背景區的區域范圍，開展土壤環境背景點的布設工作。點位布設原則考慮全面且要求清晰，布設方法可操作性強。未來還需按照《土壤污染防治行動計劃》中建設土壤環境質量監測網絡的要求，進一步完善背景點位布設工作，開展背景點位的優化和新增工作，確保監測點布設的準確性與科學性，以滿足環境管理和決策的需求。