淮北平原覆蓋區(qū)土壤采樣密度及其環(huán)境質(zhì)量研究
——以1∶5萬高爐集幅為例

陶春軍，史春鴻，張笑蓉，管后春，賈十軍

(安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

0 引言

合理的土壤調(diào)查采樣密度是一個非常重要的因素，它不但決定著采樣結(jié)果的準確性，而且在降低采樣支出及提高采樣效率方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。為了解決土壤采樣中精度與經(jīng)濟性的平衡問題，需要研究土壤適宜的采樣密度。安徽省已開展的1∶5萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查多集中在皖中南部地區(qū)，采樣方法相對成熟，而在淮北平原覆蓋區(qū)開展1∶5萬土地質(zhì)量調(diào)查工作尚屬首次，因此有必要研究合理的采樣密度。筆者以高爐集幅為研究對象，基于不同采樣密度土壤元素地球化學特征的對比分析，綜合考慮經(jīng)濟性，提出在淮北平原覆蓋區(qū)土地質(zhì)量調(diào)查中適宜可行的土壤采樣密度，以期為后續(xù)工作中采樣密度的選擇提供參考依據(jù)。

同時，根據(jù)前期開展的多目標區(qū)域地球化學調(diào)查顯示，高爐集幅內(nèi)渦河沿岸，土壤重金屬有面積性分布的高含量區(qū)，影響土壤環(huán)境質(zhì)量的主要元素為Cd等重金屬。而土壤重金屬是最常見的污染物，其在土壤中的積累嚴重制約著土地可持續(xù)性利用[3-8]。重金屬在土壤中難以降解且能夠轉(zhuǎn)移到農(nóng)作物中，會威脅到農(nóng)產(chǎn)品的安全性，需要開展土壤環(huán)境質(zhì)量評價[9-11]。因此，本次工作在研究采樣密度的同時開展高爐集幅土壤環(huán)境質(zhì)量評價工作，可為該地區(qū)實施綠色無公害產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學依據(jù)，同時對助力皖北脫貧攻堅、實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興具有意義。

1 研究區(qū)概況

工作區(qū)1∶5萬高爐集幅位于皖北亳州市境內(nèi)，屬于淮北平原，地勢平坦、交通便利，平原中崗、坡、碟形洼地相間分布。區(qū)內(nèi)為全國重要的商品糧和蔬菜生產(chǎn)基地，處于暖溫帶半濕潤氣候區(qū)，年際降水變化較大。河流屬于淮河水系，主干河流為渦河。

研究區(qū)位于華北地臺東南部淮河臺坳的蚌埠臺拱西側(cè)，構(gòu)造整體呈EW走向。區(qū)內(nèi)基本為第四系厚覆蓋區(qū)，僅在東南部零星出露南華系四十里長山組和青白口系劉老碑組地層，未見巖漿巖出露(圖1)。區(qū)內(nèi)成土母質(zhì)主要包括晚更新世黃土母質(zhì)和河流沖積物母質(zhì)兩種類型，其中河流沖積物母質(zhì)主要沿渦河兩岸分布。研究區(qū)土壤類型主要包括砂姜黑土、潮土和黃褐土3種，砂姜黑土占比最大，潮土主要沿渦河兩岸分布。高爐集幅土地利用類型主要為農(nóng)用地，以旱地為主，是國家農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 General geological map of research area

2 采樣及分析方法

本次高爐集圖幅地球化學數(shù)據(jù)采用2016～2017年1∶5萬土地質(zhì)量地球化學調(diào)查數(shù)據(jù)，主要調(diào)查圖幅內(nèi)農(nóng)用地，圖幅實際調(diào)查面積約430 km2(剔除城鎮(zhèn)建成區(qū))，共采集土壤樣品2 803件(含重復樣62件)，采樣密度約為6個點/km2。布點主要采用網(wǎng)格化加第二次全國土地調(diào)查圖斑的方法，并利用實時更新的奧維地圖對采樣點位進行修正。樣點布設在網(wǎng)格內(nèi)最大圖斑中，兼顧地塊形狀、大小等因素進行調(diào)整。土壤樣品優(yōu)先選擇在圖斑最大的農(nóng)用地田塊內(nèi)采集。土壤樣品采集點避開了溝渠、路邊、田埂、房基、垃圾堆等及微地形高低不平無代表性地段。土壤樣品用專用采樣器自地表向下連續(xù)采集0～20 cm深的土壤柱，除去植物根莖(未刮去表層土)等雜物，由3～5個子樣等量混合而成，樣品原始質(zhì)量大于1 000 g。

土壤樣品分析測試了Cd、Hg、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Zn、Mo、B、Mn、Co、V、Se、F、S、N、P、K2O、Corg、pH等21項指標。樣品分析工作由安徽省地質(zhì)實驗研究所承擔，采用國家一級土壤標準物質(zhì)(GBW系列)進行監(jiān)控。各元素分析方法及檢出限見表1。各元素報出率均為100%，準確度和精密度監(jiān)控標樣的一次合格率均為100%。土壤元素含量分析方法與分析質(zhì)量控制指標合格率滿足《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)要求。

3 研究方法

3.1 不同密度數(shù)據(jù)處理方法

利用隨機抽樣法將6個點/km2的采樣密度抽稀到4個點/km2，采樣點選取時優(yōu)先保留農(nóng)用地圖斑較大的點位，盡量兼顧4個點/km2在空間上的均勻性，如果點位所在圖斑相差不大，則保留靠近0.25 km2網(wǎng)格中心的采樣點。根據(jù)上述原則，獲得圖幅內(nèi)采樣密度為4個點/km2的一套采樣數(shù)據(jù)。

3.2 參數(shù)統(tǒng)計方法

利用地球化學勘查數(shù)據(jù)一體化處理系統(tǒng)(Geochem Studio 3.0)中的數(shù)據(jù)檢查—特異值檢查功能，對高爐集幅不同采樣密度土壤樣品的21種元素(氧化物)進行分析，經(jīng)剔除離散值后，分別獲得兩種采樣密度土壤的系列地球化學參數(shù)，包括背景值、標準離差、變異系數(shù)、分布形態(tài)等。

表1 土壤樣品元素分析方法檢出限

3.3 地球化學成圖方法

利用金維軟件(GeoIPAS V4.0)繪制兩種不同采樣密度條件下土壤元素地球化學圖，采樣間距均設置為250 m，搜索半徑為750，冪指數(shù)因子為10，最少搜索點數(shù)為3。地球化學圖采用《多目標區(qū)域地球化學調(diào)查規(guī)范(1∶250 000)》(DZ/T 0258—2014)中15級分級法，為便于對比，均采用精度相對更高的6個點/km2采樣密度累頻對應的分級值。

3.4 土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法

本次評價單元采用第二次土地調(diào)查形成的土地利用現(xiàn)狀圖斑。當1個圖斑中有2個以上數(shù)據(jù)時，用平均值進行評價單元的指標賦值。當圖斑中沒有評價數(shù)據(jù)時，采用Kring泛克里格插值法進行賦值。

為了全面衡量區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量，根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 15618—2018)對土壤中8種重金屬元素含量進行單指標分級統(tǒng)計。不同土壤環(huán)境質(zhì)量等級含義及用色標準見表2。區(qū)內(nèi)土地利用現(xiàn)狀以林地為主，所以各元素均采用GB 15618—2018中其他分級標準[12]。

表2 土壤環(huán)境質(zhì)量分級標準

4 結(jié)果與討論

4.1 不同采樣密度元素含量特征差異

統(tǒng)計了圖幅內(nèi)兩種采樣密度條件下土壤元素背景值等地球化學參數(shù)(表3)。兩種不同采樣密度下元素分布形態(tài)相差不大，N、B符合算術(shù)正態(tài)分布，S、Mn服從對數(shù)正態(tài)分布，剔除離散數(shù)據(jù)后，Corg、Pb、Cd、Se服從正態(tài)分布，其他元素始終不服從正態(tài)分布。唯一的區(qū)別是As采樣密度為4個點/km2時服從對數(shù)正態(tài)分布，而6個點/km2時呈偏態(tài)分布。

表3 兩種采樣密度下元素地球化學參數(shù)統(tǒng)計值

元素變異系數(shù)一定程度上反映元素區(qū)域分布的均勻程度。兩種不同采樣密度土壤元素背景值變異系數(shù)相差極小，說明元素在區(qū)域上分布較為均勻。通過兩種不同采樣密度下得到的背景值比值可以看出，除了Cd和Hg的比值接近1，其余元素(氧化物)比值均為1，說明兩種采樣密度條件下得出的土壤元素背景值基本一致。綜上，高爐集幅土壤樣品在兩種不同采樣密度條件下，土壤元素地球化學參數(shù)特征相近，包括元素分布形態(tài)、變異系數(shù)以及背景值等均相近。

4.2 不同采樣密度元素空間分布特征差異

繪制了研究區(qū)內(nèi)20種元素(氧化物)地球化學圖，結(jié)果顯示兩種采樣密度條件下元素地球化學空間展布規(guī)律極其相近。選取土壤中元素含量及其空間變化受影響程度較大的有機質(zhì)及重金屬Cd、Hg等指標為例，在不同采樣條件下，各元素高值區(qū)、低值區(qū)所在的位置及規(guī)模大小空間分布均基本一致(圖2)。高爐集幅土壤樣品在兩種不同采樣密度條件下，土壤元素在空間上的分布也極其相近，高值、低值區(qū)所在的位置以及規(guī)模大小基本一致。

圖2 兩種采樣密度條件下土壤Corg、Cb、Hg地球化學分布Fig.2 Geochemical maps of soil Corg, Cd and Hg in two sampling densities

代表性較高的樣點可以較好地反映研究區(qū)的相關特性，隨著代表性較差的樣點加入，對其精度變化影響不大[13]。合理的采樣密度對元素空間插值的準確性有著重要的意義。土壤元素合理采樣密度取決于元素自身空間分異程度和人們對數(shù)據(jù)精度的要求。若空間分異大、精度要求高則需要較大采樣密度，反之需較小的采樣密度。了解土壤質(zhì)量的空間分布狀況，需要對調(diào)查區(qū)域進行土壤樣品的采集，然而采樣點密度越大成本也就越高，過于小則可能缺乏代表性，因此確定采樣點的密度往往是至關重要的。適宜的采樣密度可以提高采樣效率，降低研究成本，為后續(xù)研究提供了很好的數(shù)據(jù)支撐。研究表明樣點數(shù)量會影響空間插值的精度，但對合理的采樣密度尚無定論[14]。

《土地質(zhì)量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)規(guī)定1∶5萬土地質(zhì)量地球化學評價工作在土壤樣品布設時，采用4點/km2～16點km2的密度范圍，平均采樣密度為9點/km2，平原地區(qū)可放稀至最低采樣密度。調(diào)查區(qū)位于淮北平原區(qū)，屬于連片耕地區(qū)，地質(zhì)背景及土壤類型均相對單一，且元素及污染物含量空間變異不大，可以采用較低采樣密度來布置樣點。高爐集幅土壤樣品在兩種不同采樣密度條件下，土壤元素地球化學參數(shù)特征及空間分布特征均相近，因此，高爐集幅采用最低采樣密度(4個點/km2)可以滿足該地區(qū)土壤質(zhì)量評價工作的需要。值得注意的是，雖然高爐集幅采用最低采樣密度也可以達到理想的效果，但并不代表其他所有的平原區(qū)均適合此采樣密度。高爐集幅的地質(zhì)背景相對簡單，主要包括上更新統(tǒng)茆塘組以及全新統(tǒng)蚌埠組兩類，且兩套地層年代相近，均屬于第四系，所以在元素含量上具有相似性和繼承性。如果元素空間分布的局部不均，數(shù)據(jù)離散程度高，則需要通過加密采樣以刻畫出地球化學特征的細節(jié)變化。

綜上所述，在地質(zhì)背景相對接近、元素含量空間變異不大的平原覆蓋區(qū)開展土地質(zhì)量地球化學調(diào)查工作時，可以采用最低采樣密度，但若地質(zhì)背景復雜，包含多個時代的地層時，在圖斑較為細碎區(qū)、重金屬高背景區(qū)和優(yōu)質(zhì)特色土壤資源區(qū)等建議適當增加采樣密度，以期達到最為理想的效果。

4.3 土壤環(huán)境質(zhì)量評價

調(diào)查區(qū)內(nèi)兩種不同采樣密度下土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果基本一致。As、Cr、Hg、Ni、Pb、Zn、Cu等7種重金屬元素單元素土壤環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果相同，全部屬于無污染或風險可忽略的優(yōu)先保護類土壤。Cd土壤以無污染或風險可忽略的優(yōu)先保護類土壤為主，污染風險可控且需要監(jiān)測的安全利用類土壤面積僅占0.2%；無污染風險較大且需要進行嚴格管控類土壤。

土壤環(huán)境質(zhì)量綜合評價采用“一票否決”法，即以單元素中最差等級作為該評價單元的綜合評價結(jié)果。結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量總體好，以無污染或風險可忽略的優(yōu)先保護類土壤為主，占調(diào)查區(qū)農(nóng)用地總面積的99.8%；污染風險可控且需要監(jiān)測的安全利用類土壤分布少，僅占0.2%，影響指標為Cd；區(qū)內(nèi)無污染風險較大且需要進行嚴格管控類土壤(圖3)。

圖3 土壤環(huán)境質(zhì)量綜合分級Fig.3 Comprehensive classification of soil environmental quality

工作區(qū)土壤重金屬污染風險總體較低，其中可能存在污染風險的土壤面積僅占全區(qū)農(nóng)用地總面積的0.2%。調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤地質(zhì)背景較單一，存在污染風險的土壤呈星點狀分布，因此自然成因的可能性較小，Cd富集主要由人類活動等外部因素引起，在這些區(qū)域為防止土壤重金屬含量繼續(xù)增高，增加土壤污染風險，需采取安全利用措施，加強土壤環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品安全監(jiān)測。調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量好，符合綠色食品土壤環(huán)境質(zhì)量標準及無公害食品土壤環(huán)境質(zhì)量要求的土壤在調(diào)查區(qū)廣泛分布，區(qū)內(nèi)適宜綠色、無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，建議加大綠色—無公害農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)力度，增加農(nóng)民收益。

5 結(jié)論

1) 高爐集幅土壤樣品在6個點/km2及4個點/km2兩種不同采樣密度條件下，土壤元素在地球化學參數(shù)特征及空間分布上均相近，表明該圖幅內(nèi)采樣密度4個點/km2可以滿足1∶5萬土地質(zhì)量調(diào)查評價工作的要求。

2) 在淮北平原覆蓋區(qū)地質(zhì)背景相對單一且元素含量空間變異不大的連片耕地區(qū)開展土地質(zhì)量地球化學調(diào)查工作時，可以采用最低采樣密度(4個點/km2)。但地質(zhì)背景復雜、重金屬高背景區(qū)、優(yōu)質(zhì)特色土壤資源區(qū)等平原覆蓋區(qū)建議適當增加采樣密度，以期達到更為理想的評價效果。

3) 調(diào)查區(qū)內(nèi)土壤環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，以優(yōu)先保護類土壤為主，安全利用類土壤零星分布，面積僅占0.2%，主要影響指標為Cd。區(qū)內(nèi)符合綠色食品及無公害食品土壤環(huán)境質(zhì)量要求的土壤分布廣泛，建議加大綠色、無公害農(nóng)產(chǎn)品的開發(fā)力度。