農(nóng)用地土壤污染調查中采樣和布點方法

李明輝 高海英 趙恒

(吉林省農(nóng)業(yè)環(huán)境保護與農(nóng)村能源管理總站，吉林 長春 130000)

農(nóng)用地布點采樣是一種常用的農(nóng)業(yè)調查方法，通過在農(nóng)用地中選取一定數(shù)量的樣本點進行調查和分析，可以有效了解農(nóng)用地的土壤肥力、作物生長情況、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平等情況。農(nóng)用地是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎，是保障國家糧食安全的重要資源。為了解農(nóng)用地的分布情況、利用狀況以及土地利用變化等信息，需進行農(nóng)用地調查和監(jiān)測。農(nóng)用地布點采樣是農(nóng)業(yè)調查和監(jiān)測的重要手段之一，其目的是通過對農(nóng)用地樣本的采集和分析，推斷出整個農(nóng)用地的情況。

1 農(nóng)用地采樣布點背景介紹

目前，全國布設4萬個耕地土壤環(huán)境質量國控監(jiān)測點，持續(xù)開展動態(tài)跟蹤監(jiān)測。廣東、福建、江西、吉林等省份在國控監(jiān)測點的基礎上布設了省控監(jiān)測點，開展加密調查監(jiān)測，為精準治污提供基礎數(shù)據(jù)支撐。總體來看，我國受污染耕地占比較低，污染程度以輕中度為主，絕大多數(shù)污染耕地可通過農(nóng)藝調控等措施實現(xiàn)安全利用，無法種植食用農(nóng)作物的耕地占比很少[1]。2020年吉林省完成耕地土壤環(huán)境質量類別劃分，建立以縣為單元的“一圖一表”分類治理清單。因地制宜落實耕地分類管理措施，在輕中度污染耕地推廣品種替代、水肥調控、土壤調理等安全利用措施，確保農(nóng)產(chǎn)品達標生產(chǎn)；在重度污染耕地推進種植結構調整或退耕還林還草，逐步改善耕地土壤環(huán)境質量。

從數(shù)據(jù)庫采樣點分布上看，很多農(nóng)用地采樣點分布缺少規(guī)律性，布點不科學性，點位與點位之間相關性較差，參考價值不大，造成數(shù)據(jù)結果意義不大。對于分析、管理、預測全省農(nóng)用地情況造成了一定的影響。

這種情況的原因是多方面的，布點方面不合理，樣品采集等方面的誤差[2]。科學布點和規(guī)范采樣能反映出土壤各項指標的變化規(guī)律，實現(xiàn)動態(tài)的監(jiān)管。

因此，在樣點布設上要盡可能結合土壤普查、祥查的取樣點，這樣才能更好地反映吉林省各地耕地地力的變化趨勢，進行動態(tài)監(jiān)測，提高工作效率、節(jié)省人力和資金。但目前很多樣點布設由于沒有專業(yè)人員的參與或技術支持薄弱，在采樣點設置上缺少多方面考慮，重復工作較多，專業(yè)性不強，造成數(shù)據(jù)資源的浪費。

2 農(nóng)用地土壤樣本點的原則

基于國控監(jiān)測點、省控監(jiān)測點與分類劃分成果，各縣市區(qū)布點疏密程度有所不同，樣點分布疏密是否科學，對于農(nóng)用地土壤屬性等有重要的影響。同一個行政區(qū)域內、同一個圖斑內大量布點會造成資源的浪費，反之，過少則代表性不足，采樣前需要合理規(guī)劃布點數(shù)目，避免布點太過隨意或布點過多或過少，注意布點抽樣的合理性、科學性，為后續(xù)土壤數(shù)據(jù)庫完善、優(yōu)化、統(tǒng)一打好基礎，方便土壤信息管理與調查，對于農(nóng)用地布點過多區(qū)域的數(shù)據(jù)，要在布點采樣過程中對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化、篩選，對農(nóng)用地布點過少區(qū)域，要在布點采樣中進行科學合理的補充布點，是吉林省布點的基本原則[3]。

樣本點的選擇是農(nóng)用地布點采樣的第1步，目的是保證樣本點的代表性和可比性。樣本點的選擇應遵循原則具體如下。

2.1 樣本點布點要有廣泛的代表性

樣本點布點應充分代表農(nóng)用地的不同類型和不同地段。對于當?shù)靥厣a(chǎn)量高、有代表性的農(nóng)作物原則上要進行布點。布點要兼顧行政區(qū)劃、土壤類型、土地利用、管理水平、點位已有信息的完整性等因素，覆蓋所有農(nóng)業(yè)縣(區(qū)、市、旗、場)和主要土壤類型，根據(jù)種植作物種類、產(chǎn)量水平、梯田化水平等因素的不同，并與耕地質量區(qū)域評價樣點、測土配方施肥取土樣點、耕地質量長期定位監(jiān)測點相銜接。調查樣點布設后基本固定，作為每年度開展耕地質量等級調查評價的點位。

2.2 樣本點布點應兼顧周圍環(huán)境

樣本點布點應盡量避免受到人為干擾和自然災害的影響。布點采樣要與污染調查(面源污染與點源污染)兼顧，科學合理地規(guī)劃布點。

2.3 樣本點布點應兼顧數(shù)據(jù)庫信息

樣本點布點原則上可以在各縣(市、區(qū))自選點位，做好點位登記信息。但實際上建議農(nóng)用地采樣點位農(nóng)作物要盡可能與歷史采樣點農(nóng)作物相一致，同時要兼顧土壤類型及種植面積、農(nóng)戶、合作社等因素。依據(jù)各縣(市、區(qū))曾開展的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤環(huán)境質量相關監(jiān)測與調查為基礎，“農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤重金屬污染普查”監(jiān)測點位(2012—2015)，“主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地土壤-農(nóng)作物重金屬污染協(xié)同監(jiān)測”(2019—2021)，國控例行監(jiān)測點位為候選范圍。

2.4 樣本點布點的數(shù)量應符合統(tǒng)計學原理

樣本點布點可以在ArcGIS軟件上進行模擬，科學規(guī)劃布點采樣的區(qū)域或地塊，科學設計布點數(shù)量，形成耕地質量等級調查點位圖。當采樣區(qū)域圖斑數(shù)量過多、面積小時，可以根據(jù)分類劃分結果或者在ArcGIS軟件中進行現(xiàn)狀圖疊加，形成評價單元[4]。可以根據(jù)省耕地土壤環(huán)境類別劃分結果，在優(yōu)先保護類耕地、安全利用類耕地，嚴格管控類耕地布設土壤農(nóng)產(chǎn)品協(xié)同監(jiān)測點位。目前，“吉林省實施優(yōu)先保護類耕地平均10萬～100萬畝1個點位，每個縣布點10～70個；安全利用類耕地平均200～1000畝1個點位，每個縣布點20～50個；嚴格管控耕地平均50～200畝1個點位，每個縣布點5～20個”。

3 農(nóng)用地布點方式介紹

布點方式是指在農(nóng)用地中確定樣本點的位置和數(shù)量。常用的布點方式具體如下。

3.1 隨機布點

將農(nóng)用地劃分為若干個小區(qū)域，然后在每個小區(qū)域內隨機選擇1個樣本點。

3.2 等距布點

將農(nóng)用地劃分為若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內按照一定距離等距布置樣本點。等距布點是最簡單、最常用的采樣方法之一。其原理是將整個調查區(qū)域劃分為若干個網(wǎng)格，在每個網(wǎng)格中隨機選擇1個點作為樣本點。該方法的優(yōu)點是簡單易行，適用于大面積的調查區(qū)域。但是，等距抽樣容易出現(xiàn)樣本點分布不均、樣本點不具有代表性等問題，因此在實際應用中需要注意[5]。

3.3 分層抽樣布點

將農(nóng)用地按照不同比例劃分為若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內按照比例選擇相應數(shù)量的樣本點。分層抽樣是將整個調查區(qū)域按照某種特征分為若干個層次，在每個層次中進行抽樣。該方法的優(yōu)點是可以考慮到不同層次的差異性，提高采樣的代表性和準確性。但是，分層抽樣需要事先對調查區(qū)域進行劃分，而且劃分的層次和標準需要根據(jù)具體情況進行選擇，不同的劃分方法可能會導致不同的采樣結果。

3.4 聚類布點

將農(nóng)用地按照相似性劃分為若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內選擇1個樣本點[6]。具體方法根據(jù)實際情況選擇。也可以分區(qū)域劃分，根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息，利用分類劃分成果，將大于等于某一濃度的區(qū)域劃分為高值區(qū)，小于某一濃度的區(qū)域劃分為低值區(qū)；反復劃分，疊加結果，將調查區(qū)劃分低濃度區(qū)、過渡區(qū)和高濃度區(qū)。根據(jù)每個區(qū)域情況布設點位。

3.5 遙感數(shù)據(jù)的布點方法

隨著遙感(remote sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS)和全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)等技術的不斷發(fā)展，利用新科技進行農(nóng)用地布點[7]。根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息或者利用分類劃分成果或利用分類遙感提取成果布設采樣點，根據(jù)斑塊、國控點、省控點分布密度進行布設；原則上對于布點密度集中的區(qū)域進行篩選，對于布點密度分散的區(qū)域進行補充布點，并最終確定采樣點的個數(shù)。

農(nóng)用地布點采樣的主要問題是如何選擇樣本點。傳統(tǒng)的方法是采用等距抽樣或分層抽樣等方法，但這些方法存在一定的局限性，容易出現(xiàn)樣本點分布不均、樣本點不具有代表性等問題。為了解決這些問題，近年來提出了一些新的采樣方法，如基于遙感數(shù)據(jù)的采樣方法、基于地理信息系統(tǒng)的采樣方法等[8]。

這些方法在一定程度上提高了農(nóng)用地布點采樣的準確性和效率。布點方式的選擇應根據(jù)實際情況和調查目的靈活選擇。合理的布點方案對于農(nóng)用地土壤采樣有至關重要的作用，推動農(nóng)用地土壤數(shù)據(jù)的建立，完善農(nóng)用地動態(tài)管控和保障農(nóng)產(chǎn)品質量安全有重要的意義。

4 農(nóng)用地采樣方法

應了解采樣地塊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，根據(jù)布點原則確定是否符合布點要求，用GPS定位儀進行定位，與以往數(shù)據(jù)相對比，正確填寫采樣信息，拍照，后續(xù)需要建立臺賬[9]。

取土壤-混合樣取樣步驟：清除土壤表面植物殘骸和石塊等；用鐵鏟切割大于取土量的20cm土柱(果樹、山藥等根系較深農(nóng)產(chǎn)品深度為60cm耕層樣采樣深度為0～25cm，亞耕層樣采樣深度為25～50cm)；用木(竹)鏟去掉鐵鏟接觸面，并用木(竹)鏟取樣裝袋；多點混均，四分法棄取(將小石塊、植物根系等雜物去除)；當砂石等雜質、水分較高時增加采樣量[10]。

采樣方法分為對角線法(對角線分5等分，以等分點為采樣分點，≥5個，適用于污灌農(nóng)田土壤)，梅花點法(≥6個，適用采樣點位代表面積較小)，棋盤式法(≥9個，適用于采樣點位代表中等面積)，蛇形法(≥15個，適用于采樣點位代表面積較大)；采樣人員可以根據(jù)采樣點位代表面積選擇采樣方法。

目前國家布點采樣主要分成3類：地力點、農(nóng)藥點、測土配方調查數(shù)據(jù)等，這是當前農(nóng)用地釆樣調查數(shù)據(jù)的主要來源。普通循環(huán)監(jiān)測點(混合樣≥1.5kg)，17項，土壤重金屬8項、農(nóng)產(chǎn)品重金屬5項、土壤理化性質4項；耕地地力監(jiān)測點(混合樣≥2.5kg)，34項，土壤重金屬8項，農(nóng)產(chǎn)品重金屬5項，耕地地力指標21項；農(nóng)藥監(jiān)測點(混合樣≥2.5kg)(水稻、小麥、玉米、蔬菜4種農(nóng)產(chǎn)品)，34項，土壤重金屬8項，農(nóng)產(chǎn)品重金屬5項，耕地地力指標21項，土壤與農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥指標7～15項(分作物)。各個縣(市、區(qū))也可以根據(jù)采樣的目的、用途按照這3類采樣的要求進行采樣。

根據(jù)采樣土壤種植作物不同，可以分為一般農(nóng)田土壤、蔬菜地土壤、茶園、果園、牧場等，吉林省農(nóng)用地主要以一般農(nóng)田土壤、蔬菜地土壤為主。一般農(nóng)田土壤采樣主要應用對角線法、梅花點法、棋盤式法中的任何一種方法，均勻隨機采取布設采樣點，充分混合后，按要求取樣。做好采樣記錄(采樣深度、采樣地點、采樣時間、采樣人)；蔬菜地土壤采樣方法主要應用對角線法、梅花點法、棋盤式法中的任何一種方法，要注意蔬菜地的溝、壟面積比，根據(jù)溝、壟取土點位的數(shù)量進行合理取土，采樣人員可以根據(jù)采樣點位代表面積進行選擇采樣方法。如在蔬菜、果品的收獲期采樣，采樣方式主要采用棋盤法；如需打環(huán)刀，需注意取土的位置；另外，對于污水灌溉或受污染的水灌溉的土壤取樣，一般采用對角線法布點采樣。

5 結論與展望

農(nóng)用地布點科學與否直接影響農(nóng)業(yè)基礎數(shù)據(jù)和信息安全，科學的農(nóng)用地布點采樣對農(nóng)業(yè)未來發(fā)展有著重要的作用。在各地區(qū)的采樣過程中，應該結合各地的特點(氣候、風向、作物生長規(guī)律等因素)做到因地制宜，以項目的實際需要為導向，制定合理的技術規(guī)范、操作手冊，并充分利用現(xiàn)有的App(采樣平臺)等科技手段，提高采樣效率，為農(nóng)用地安全做好保障。

農(nóng)用地科學的布點和采樣是農(nóng)業(yè)地地力調查的基礎，根據(jù)土壤的情況為農(nóng)民提供改良方法或調整種植結構，為農(nóng)業(yè)各項目的建設發(fā)展提供科學、可靠的依據(jù)[11]。