土壤重金屬調查采樣數目的確定方法研究進展分析

林 健

（廣東省核工業地質局輻射環境監測中心，廣東 廣州 510800）

汞、鉛、銅、鉻、鐵、錳、鋅、砷等是土壤重金屬的污染物的主要成分，砷不在金屬類的范疇，但是由于其產生的原因及危害作用和重金屬相類似，所以也被列入重金屬類進行研究分析。重金屬的毒性作用非常打，對于植物而言，土壤中含有的鎘、汞、鉛可以直接導致植物不能很好的生長發育，如果被人類食用，也會造成人體免疫力下降，各項身體機能遲緩，進而危害人體健康，同時，植物生長所需的必要元素，例如銅、鋅等會對環境造成多種污染。有數據顯示，至今為止，重金屬已經多達幾十種，同種類型的金屬，由于自身產生的原因以及相關特性不同，它們對土壤產生的危害也不同，所以，應該對土壤重金屬的相關數據進行調查和采樣，為優化和改進土壤研究進行更深入的探討。

1 優化采樣策略的意義

采樣策略，主要是指在采集樣本過程中，經過對采樣點的相關數據進行優化管理后，進行一定的布局和選擇，進而達到調查的目的，在進行采樣過程中，相關人員應該全面的、綜合的考慮研究成本和精確度要求，在提前合理的預測情況下，充分的應對不同的形式并制定相對完善的方案，擇優選擇最佳戰略[1]。

1.1 土壤特性采樣研究的基本流程

進行土壤采樣研究，可以準確、完整的進行數據分析和樣本采集設計。采樣設計大多數情況下是在統計并不全面調查的狀態下進行的，即指相關工作人員結合研究的實際情況，依據相關調查方案采用一定的研究方法進而完成采樣調查分析的過程。由于采樣人員所掌握的操作流程不同，加上受到外界環境因素的干擾，所調查出來的結果也會不同，會對土壤數據研究的抽樣檢測產生一定的影響。針對實驗室的統計分析誤差情況來看，不合理的采樣設計對土壤研究的影響最大，由此可以得出，土壤采樣設計是土壤特性研究的根本，良好的采樣工作可以幫助研究人員得出科學的數據信息。

進行科學合理的采樣策略是保持土壤特性研究并分析土壤特性的基礎。進行抽樣策略調查可以保統計投入成本和數據的準確性和平衡性[2]，抽樣人員可以投入最小的人力成本、物力成本來獲取更有利的樣本采集數據，保證了土壤研究的完整性。另外，進行土壤采樣設計，良好的研究策略可以幫助研究人員提高組織效率。例如，采用樣點分部策略可以對土壤空間信息和采樣數量進行整理，為后期的數據檢測提供了一些有利的條件，但是此種采樣方法卻會經常忽略空間作用，導致相關數據統計和檢測出現錯誤。所以，為了滿足采集設計的不同要求，相關人員應確保數據信息量、研究對象不會重復，選用最為適宜的方法進行土壤研究。

1.2 土壤特性研究的數據保障

在互聯網技術不斷發展的大時代背景之下，人類利用各種電子信息技術和科學研究方法，在結合空間信息對土壤進行深入的分析，例如，在氣象檢測、土壤數據和區域經濟發展方面。除此之外，由于研究領域范圍的不斷擴大，研究人員所需要的土壤特性以及相對維度也越來越多，利用傳統的數據處理模式和應用技術已經無法獲得更為全面的數據，有可能為土壤研究工作的開展形成了一定阻礙。在相關人員不斷探討下，研究了新型的數據挖掘技術方法，該種技術方法是一個涉及多種學科領域的一門專業技術，具體包括機器學習、人工智能，統計操作等方面，其中，離群樣點數據檢測是數據挖掘的基本環節之一，該種方法主要是經過數據分析找出隱藏的潛在信息，進而消除離群樣本對整體樣本研究形成的不利因素，實現數據挖掘和相關檢測方法的有機協調。

2 土壤重金屬調查采樣數目確定的方法

2.1 經驗型方法

在土壤重金屬調查采樣過程中，經驗型方法是相關學者最早使用的方法。該種操作方法具有一定的工作難度，操作流程相對復雜，應該邀請一些土壤研究經驗豐富且實際工作經驗較強的專家進行操作，這些專家在研究過程中，應該保證土壤檢測環境的精度在71%～81%之間[3]，并通過一定的技術手段核算此次研究的土壤采集樣本數量、相關研究成本和費用。有相關研究學者曾經提出，如果土壤研究數據沒有一定的精度限制，就要在狹小的檢測空間設置幾十個采樣點；還有學者通過大量實踐證明，在對土壤成分砷進行空間分析時，發現當砷進行基因變異時，在1601m×2705m 的空間區域內，相關研究人員應根據土壤性質以及地質情況進行合理的規劃，一般應該設置400 個樣本采集點。這種調查方法在一定程度上保證了數據信息的真實性，流程也相對繁瑣，經常有調查人員敷衍偷懶不作為，簡化操作流程，不按照規定的采集數目進行分析，導致相關土壤數據重復統計。另外，還有一種相對久遠的統計方法即目的性采樣方法，它是相關土壤專家在確定具有代表性的樣點統計之后，利用以往的經驗所推出的研究方法，在早期土壤調查案例中，相關專家會進行實地的土壤采樣收集，進而確定土壤樣本空間位置，例如，有些典型目的采樣案例表明，在大約為76.5%的精度制圖操作下，以61km2的空間范圍內為例，設置36個樣點最為適宜。此種方法過分依賴于土壤專家的主觀判斷和以往的實踐經驗的指導，并沒有形成統一的理論知識結構和相關經驗框架，在應用過程中，往往會形成操作混亂的局面。隨著科技的不斷的發展和相關人員的自主創新，統計學方法由此誕生。

2.2 統計學方法

（1）經典統計學方法。進行土壤樣本數據采集不僅要收集土壤樣本的變異程度，還要關注研究樣本的總量、精確水平和相關置信區間，應該確保土壤采集樣本的數據呈現正態并相關獨立，相關數據如下：

在此個公式中，N 代表適宜的采集樣本數量，z(α,f)代表某一個置信標準水平下的正態標準偏差，其中，α 代表顯著水平，一般應在91%～96%之間；f 為自由程度，CV 代表了相關變異指數，P 則是一定的誤差系數。值得注意的是，調查核人員通過變異指數可以推導出初始的土壤信息，具有一定的參考價值。這種統計調查方法可以準確實時的在置信水平和精度合理的情況下，計算出土壤研究范圍內樣本的數量。一旦土壤內的重金屬變異指數增加，土壤精度的樣本要求數量也會增多[4]。在同一個變異指數中，精度的要求性較高致使采集的樣點數目也會增多，相關土壤研究期刊中報道，土壤砷的變異系數為19.10%時，當相對誤差從11%降到6%時，調查采集的樣本數量就應該從7 個增長到36 個，還有專家指出，當相對誤差在10.5%左右[5]，土壤汞的變異指數會由11.5%增長到36.5%，調查采集的樣本數量就應該從8個增長到55 個。這種空間性的方法在計算方面也存在漏洞，相關人員會受到相關因素影響，無法設置適量的采集數目來滿足樣本精度要求。因此，為了準確估計土壤重金屬的采樣數量，相關人員還應該不斷研究，合理規劃土壤采樣點、優化采樣數量，并結合先進的調查方案，確保土壤調查順利開展。

（2）地統計學。地統計學，是指應用數學中發展相對快速的一個統計分支，以區域變量為基礎，借助一定的變異函數，確保研究項目的隨機性以及結構性。在土壤重金屬調查中，克里格方法通過對采樣區域變化的數據變量進行線性取值，進而額做出最優的信息檢測和評估。普通的克里格法在地統計學分析中應用最為普遍，它是一個多元線性的回歸過程，根據抽樣調查數據的隨機性，在實際測量的基礎上，進行最優的調查計算[6]。

3 存在的問題和展望

3.1 主要問題

（1）要想在土壤重金屬調查中獲得真實、準確的數據，應該采用多種先進的調查統計方法，在應用克里格方法中，要要求采樣設計方案的多樣性，從而為后續的采樣分析和以后的檢測提供一定的保障，此種方法并不適用于沒有充分掌握統計知識的調查人員，專業性和技能性要求較高。

（2）建立多種模型的數據方案雖然可以應對各種調查的突發狀況，但是在抽樣調查過程中會呈現過多的隨機性和主觀目的性，還有些調查人員會忽略采樣點的空間性而造成信息數據丟失、受損，浪費了大量對調查工作有利的資源。

（3）在3S 科技水平的不斷發展和應用之下，針對地理空間而言，傳統的統計調查方法無法滿足土壤重金屬研究的工作需要[7]。

（4）科學有效的采樣設計方案往往都集中歸檔于縣級以上部門，研究范圍以及數據尺度上存在一定的弊端。另外，在確定采樣設計方案后，沒有建立健全完善的數據評估制度和相關評價體系標準，使得土壤調查研究的可行性和統一性較差。

3.2 展望

首先，在確定土壤重金屬采樣數量之前，要全面密切的的分析土壤重金屬的變異情況，同時確定土壤調查采樣的單元；其次，應該加強經驗型和統計學采樣方法的深研究，相關專家應該探索出多種新型的統計方案，避免在工作過程中主觀臆斷，導致科學數據存在人為因素。進而采用最優的調查方法開展相關研究工作；最后，因為目前國內并沒有明確的分布狀態來提出土壤重金屬含量的檢測方法，導致土壤重金屬含量在研究中容易變異，從統計學角度考慮，應通過正態分布結構確定土壤采樣數據，不斷自主創新，為土壤研究與發展做出一份貢獻。

4 結語

總而言之，對于土壤重金屬的調查采樣方法并不是一成不變的，相關研究人員要做到與時俱進，統籌規劃，在全面分析土壤特性、重金屬含量的基礎上，選擇對研究工作最有利的方法，從一定程度上促進社會的可持續發展。