鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土壤地球化學調查精度探討

李歡 黃勇 楊全合 孫朝 鄧凱文 韓冰 鄧宇飛

摘? 要：在研究區(qū)以往工作的基礎上，采用隨機抽稀的方法，將采樣密度40件/km2分別抽稀至20件/km2、10件/km2、4件/km2，對比4種采樣密度下的數據特征和地球化學圖差異性。研究目的是改進現(xiàn)有調查方法，以低密度代替高密度采樣，較少的樣本量反映較為真實的地球化學特征，以起到節(jié)約成本、提高效率的作用。研究結果：數據特征基本不受采樣密度的影響;但地球化學圖面效果受密度影響大，且40件/km2和20件/km2的成圖效果基本一樣，僅存在微小差異。因此，在開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級地球化學調查時，建議使用20件/km2的調查精度，根據調查成果在靶區(qū)內開展高精度、全覆蓋的獨立地塊采樣。

關鍵詞：隨機抽稀;低密度;地球化學調查;精度;土地質量評價

中圖分類號：S153;X142;P59? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-1903（2019）03-0033-05

Discussion on the Precision of Soil Geochemical Survey in Township：

A Case Study of Lixian Town， Beijing

LI Huan1，Huang Yong1，Yang Quanhe1，Sun Zhao1，Deng Kaiwen1，Han Bing1，Deng Yufei2

（1.Beijing Institute of Geo-exploration Technology， Beijing 100120;

2. Research Institute of Geology， China Chemical Geology and Mine Bureau， Beijing 100101）

Abstract： On the basis of the previous work in the study area， the sampling density of 40 pieces/km2 was diluted to 20 pieces/km2， 10 pieces/km2， 4 pieces/km2 by random thinning method， and the data characteristics and geochemical maps under four sampling densities were compared. The purpose of the study is to replace high-density sampling with low density， and less sample size reflects more realistic geochemical characteristics， which saves cost and improves efficiency. The conclusion of the comparative study is that the data characteristics are basically unaffected by the sampling density; the geochemical map’s showing effect is greatly affected by the density， and the map’s showing effect of 40 pieces/km2 is as basically same as that of 20 pieces/km2. Therefore， it is recommended to use a survey accuracy of 20 pieces/km2 when conducting a township-level geochemical survey. Based on the survey results， independent block sampling with higher precision and full coverage has been performed in the target area.

Keywords： random thinning method; low density; geochemical survey; precision; land quality evaluation

0 引言

鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施離不開土地的精細化管理和合理利用，摸清土壤地球化學狀況，掌握各項元素的基本特征和空間分布規(guī)律，為鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃提供地球化學層面的科學依據。地球化學調查中，樣品采集、分析測試均是“按件收費”，采集、分析的樣品越多，調查成本自然就越高。因此，在以往高精度土壤地球化學調查成果的基礎上，通過數據抽稀后的對比研究，確定最經濟、合理、高效的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級地球化學調查精度。

在吉林省公主嶺市大嶺鎮(zhèn)開展的土地質量地球化學評價合理采樣密度的研究工作，認為8件/km2的采樣密度可滿足調查精度要求（彭敏等，2019）。在上海開展的不同層級城市規(guī)劃土地質量地球化學調查評價方法研究中認為，鎮(zhèn)鄉(xiāng)級規(guī)劃對應的土地質量調查工作樣點精度可控制在16～20件/km2（何中發(fā)等，2018）。在四川開展的農業(yè)地質調查土壤精度的探討，認為“金土地工程”區(qū)經濟實用的采樣密度為16～32件/km2（劉應平等，2008）。另有多名學者探討了區(qū)域、縣域土地質量地球化學調查精度（黃勇等，2008;閻波杰等，2008;簡中華等，2011;張志霞等，2014;齊雁冰等，2014），但關于北京平原區(qū)土地質量調查精度的研究較少。筆者以北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)為例，探討在北京平原區(qū)開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)級土壤地球化學調查的合理精度。

1 研究區(qū)概況

禮賢鎮(zhèn)位于北京南部，面積約90km2，規(guī)劃建設用地為15km2，下轄45個行政村。北京市域劃分為潮白河流域、薊運河流域、北運河流域、永定河流域和大清河流域，禮賢鎮(zhèn)地處永定河流域;周邊主要為天堂河、大龍河等，均為季節(jié)性河流，自西北流向東南。地勢平坦，地表覆蓋第四紀全新世沉積物。土壤類型以潮土為主，局部地區(qū)為沼澤土、風沙土等。

2 方法試驗

2.1 試驗原理

已完成的調查工作是按照1km2劃分為1個采樣大格，125m×200m劃分為1個采樣小格，每個小格內采集1件土壤樣品，平均采樣密度為40件/km2，研究區(qū)內共采集表層土壤樣品3366件，調查精度為1∶5000。

在已知采樣點位的基礎上，分別采用固定尺寸的網格（250m×200m網格、500m×200m網格、500m×500m網格）對采樣點進行隨機抽稀，每個網格內僅保留1個采樣點，同時確保抽稀后的點位在空間上均勻分布，抽稀原理示例見圖1。

利用上述方法對研究區(qū)內3366個采樣點位進行抽稀，抽稀后采樣點數分別為1792個、984個、424個，平均采樣密度分別為20件/km2、10件/km2、4件/km2，調查精度分別達為1∶10000、1∶25000、1∶50000。

2.2 圖件編制

制圖時主要參照地礦行業(yè)標準《多目標區(qū)域地球化學調查規(guī)范（1∶250000）》（DZ/T 0258-2014），采樣點密度及精度的劃分主要參考《土地質量地球化學評價規(guī)范》（DZ/T 0295-2016），制圖軟件是地球化學勘查一體化系統(tǒng)（Geochem Studio）。

網格化方式為常規(guī)網格化，網格化方法為King泛克里格法，變差函數類型為線性模型，搜索扇形類型為四方向搜索，使用累計頻率方法將地球化學色區(qū)劃分為15級。

3 效果對比

開展土壤地球化學調查工作，摸清元素含量特征和空間分布情況的同時，另一重要目的是從地球化學角度對土地質量進行評價。評價時參考因子主要為有益和有害元素（蘇璧耀，1982;劉銳，1987;任榮富等，2010;馬逸麟等，2015;郭莉，2017）因此，繪制了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、N、P、S、Se、pH、Corg（有機碳）等元素與指標在不同程度抽稀后的地球化學圖，并進行了相應的參數統(tǒng)計，分別選取有害元素Cu和有益指標Corg為例進行效果對比。

3.1 數據特征對比

地球化學參數是一定區(qū)域內土壤元素特征的定量化反映，主要包括均值、中值、標準離差、變異系數、最大值、最小值、背景值等。均值，即算數平均值，參與統(tǒng)計的全部樣本的平均數。背景值，經反復剔除均值加減兩倍標準離差的數據后再計算出的平均值。變異系數，標準離差與平均值之比的百分數。表1主要對均值、背景值、變異系數及相應的數據直方圖進行了對比研究。

對比發(fā)現(xiàn)，雖對樣本量進行了不同程度的抽稀，但均值、背景值、變異系數及數據直方圖特征基本保持不變，表明在一定程度上，數據特征受樣本量的影響較小。

3.2 成圖效果對比

地球化學圖是一定區(qū)域內元素空間分布特征的綜合反映，是一種定性化表達。不同程度抽稀后繪制的Cu地球化學圖見圖2，Corg地球化學圖見圖3。

雖然采樣密度存在不同程度的差別，但對研究區(qū)內地球化學特征總體變化趨勢的反映是一致的。即Cu元素在西南部含量偏高、中部偏低、東北和東南部偏高;Corg具有高含量區(qū)和低含量區(qū)呈北西向相間分布的特征。

根據圖面效果可以將4種采樣密度劃分為兩種尺度，40件/km2和20件/km2的采樣密度為一種尺度，繪制的地球化學圖具有較強的空間相似性，反映的高含量區(qū)和低含量區(qū)基本上具有對應關系，雖精度存在差異，但成圖效果和反映的地球化學信息基本一樣;10件/km2和4件/km2的采樣密度為一種尺度，地球化學圖同樣具有空間相似性。兩種尺度之間的圖面效果具有明顯的差異性，40件/km2和20件/km2尺度下的圖面是對該地區(qū)地球化學空間特征較為精細化的表達，而10件/km2和4件/km2尺度下的圖面是對地球化學空間特征較為簡單化的表達。

4 調查方法的改進措施

利用半變異函數進行禮賢鎮(zhèn)元素空間變異性研究，多數元素的決定系數R2介于0.7～1.0之間，說明可以利用空間插值方法繪制元素地球化學圖。利用土壤地球化學調查成果為鄉(xiāng)鎮(zhèn)服務時重點考慮兩個問題，一是土壤中重金屬元素高含量的潛在風險問題，二是養(yǎng)分元素豐缺情況。因此在獲得各元素空間分布特征之后，以重金屬元素高含量區(qū)和養(yǎng)分元素低含量區(qū)為參考依據，圈定詳細調查的靶區(qū)。在靶區(qū)內布設土壤采樣點時盡量保證每個地塊至少1個采樣點，以提高靶區(qū)內地塊中元素特征的真實度。

系統(tǒng)梳理了諸多學者關于北京平原區(qū)土壤元素空間結構的研究成果后發(fā)現(xiàn)，北京平原區(qū)土壤元素具有較好的空間相關性（王學軍等，1997;鄭袁明等，2003;霍霄妮等，2009;吳文勇等，2013;張瑞等，2014;董士偉等，2015;安永龍等，2018）。因此也可以嘗試采用先圈定靶區(qū)后進行獨立地塊采樣的調查思路。

5 結論

開展土壤地球化學調查工作，密度越大、精度越高反映的情況也就越真實，提出的建議也就越具有針對性。在資金充裕、時間充足、條件允許的情況下可開展高精度、大比例尺的調查工作，但在實際工作中必須要綜合考慮資金、效率、時間、人員等因素，同時結合調查目的，選擇最佳的調查精度和方法。

從研究成果看，不同精度的地球化學調查成果在數據特征上具有一致性，但在成圖效果上存在較為顯著的差異。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級地球化學調查工作精度為1：10000、采樣點密度20件/km2最優(yōu)，既能節(jié)約成本又能較為精細而真實的反映出土壤地球化學空間分布特征。在此基礎上提出了先圈定靶區(qū)后進行獨立地塊采樣的調查思路。

本次研究旨在改進現(xiàn)有調查方法，尚屬于探索嘗試階段。研究工作中仍存在諸多不足之處，歡迎各位同仁予以溝通交流。

參考文獻

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