耕地质量等别监测的野外调查采样方法与实践

贺李帆，胡石元,2,3，唐 旭,2,3，耿 红

（1.武汉大学资源与环境科学学院， 湖北 武汉430079；2. 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室，湖北 武汉 430079；3.武汉大学数字制图与国土信息应用工程国家地理信息局重点实验室，湖北 武汉 430079）

耕地质量等别监测作为我国各县市的年度常规工作，是加强耕地保护的一项重要举措［1,2］。为指导、推进耕地质量等别监测的科学开展，国内已有诸多学者从耕地质量评价理论［3,4］、指标体系建立［5,6］、分区布点模型设计［7-9］、成果综合应用［10,11］和工作经验总结［12,13］等多方面进行研究探讨［14-16］。但总体来说，对野外调查采样工作开展及采样方法流程的关注仍然较少。本文从耕地质量等别监测县级野外调查采样工作的实际出发，考虑野外作业、人员和工具等的复杂性和监测点抽样等要求，设计调查采样业务工作流程和具体方法，并以湖北省秭归县2015年度耕地质量等别监测工作为实例进行方法的应用实践，为设计合理的野外调查采样方法，科学高效地开展野外调查采样提供参考。

1 野外调查采样要求

为了全面分析区域内耕地资源本底分布，有针对性地调查评价与监测耕地的自然条件和利用情况，耕地质量等别监测采用典型地块抽样调查法，以土壤取样调查为核心，以影像记录耕地周边环境及调查采样的实施过程，通过土壤取样调查获得样品和产量、投入产出经济效率等数据，以测算耕地的自然、利用和经济等别。监测点是监测工作的核心和基础，也是室内分析和野外调查采样工作的重要桥梁。从监测点角度出发，野外调查采样必须满足以下条件：

1）成果代表性：为得到具有区域空间代表性的成果，监测点的选择应与监测区内大部分田块在土壤类型、利用方式、种植制度和农田设施方面等具有一致性，且较为稳定。

2）编码规范性：通常县域监测点数目在40个以上，数量较多。每个监测点对应1个坐标点位、1组数据库属性、1份土壤样品、1张监测点调查表、1组照片记录以及多张农户调查表等。监测点贯穿室内分区选点、野外调查、样品分析和内业分析的全过程，因此要求监测点的编码规范且唯一，在各个环节中能一一对应。

3）指标可量化性：调查采样信息应根据相关规范以及各地区特点，进行具有可比性的量化工作，包括表层土壤质地、有机质含量、pH值、有效土层厚度等土壤性质，地形坡度、田面坡度、灌溉保证率和排水条件等耕地环境条件，以及作物产量和产量比、投入产出经济效益等。

2 调查采样设计

2.1 调查采样流程设计

基于野外调查采样要求，依照相关技术规程，遵循高效、经济原则，设计调查采样流程如图1所示。

图1 野外调查采样流程

2.2 调查采样方法设计

2.2.1 前期准备

1）分区布点：根据区域内自然和社会经济条件，运用ArcGIS进行空间叠加划分监测区，并根据主导因素原则，确定监测区渐变类型；遵循空间代表性、集中连片和尽量少受人为干扰等原则，通过多因素组合、变异函数和空间差值等算法模型，考虑突发状况的应急，布设一定数量的能满足空间分布规律和相关条件的监测点以及同等条件的备用监测点。

2）路径规划：遵循时间高效和费用经济原则，运用最短路径规划原理，通过计算机运算得到多条路径方案［17,18］。结合当地天气、交通等实际情况，考虑农民参与调查意愿以及其他各种因素等影响，征求土地权属拥有者的意见，优化路径。

3）编码管理：根据编码规范化和唯一性的要求，给予数据库中每个监测点唯一编号，并统一带编号输出监测点坐标属性表和调查底图等资料。同时，在监测点调查表正反面均标记上监测点号，将调查表背面用作立杆标记的号牌，采样拍照时，将号牌一同拍入；在土壤取样和调查表填写完毕后与土样一起密封装袋，以避免土样混淆。

2.2.2 监测定位

1）路线导航和点位确定：根据路线走向，在手机导航APP中依次输入监测点坐标信息，通过地图导航到达监测点位，核对实际耕地类型与监测点属性表记录中是否一致，然后带好相应的调查表和工具，并在GPS工具中记录下监测单元地址、精确坐标，便于后期核查。

2）环境勘察和立杆标记：基本信息确认完成后，环顾四周，仔细观察耕地周边地形地貌、灌溉排水条件等，寻找合适的取样位置，立杆为记，并拍摄监测点景观照片。

2.2.3 耕地取样

根据野外调查采样的指标可量化要求，需要开展表土取样和剖面观测两种。

1）表土取样：用锹铲或筒形取样器垂直于地面入土，除测定盐碱地的盐分外，需剥离表层腐殖质2～3 cm，采集15～20 cm深度的耕作层土样，取样厚度5～7 cm。尽量保证每个采样点的取土深度和重量一致，且上下层比例相同［19］。对于不同的取土工具，如图2所示，锹铲取土时将铁锹垂直深入田面约20 cm，取中间部分；取土钻取土先剥掉2～3 cm表层土壤，用长20 cm、直径5 cm左右的取土钻或铁管垂直向下，使土壤充满铁管，再把铁管四周土壤清除，在铁管下口把土取出，修理成型。对于重金属污染监测样本采集，最好用木器或竹器进行采集。

图2 铁铲、取土钻取土示意

此外，由于土壤本身存在空间分布的不均衡性，依照代表性和随机化原则，采用混合采样法，多点取土后在混样盆中混合均匀，然后运用四分法留约1 kg土样装袋。不同的条件下，取样布点的方法不同，常用的主要有4种［19-21］，如表1所示。

表1 表土取样的布点方法

2）剖面观测：土壤剖面挖深约1 m，具体深度根据是否达到母质层或地下水层而定。剖面挖掘后，根据土壤剖面性状确定土壤有效土层厚度、障碍层深度以及剖面构型等。立牌标记后，用钢尺或标尺测量各层深度。土壤剖面的划分、观察和记录均采取自上而下的方法，通常是在各层最典型的中部采取，以保证样品明显地反映各层属性［19,21］。土壤剖面挖掘方法如图3所示。

图3 土壤剖面挖掘示意

2.2.4 成果核查送检

为确保调查采样完成，在离开监测点位前，需进行点位、调查表、土样和照片等成果核查。主要核查采样记录与GPS导航记录点位是否一致；调查表是否填写完整，编号是否正确，有无属性缺失；土样是否满足需求；现场照片是否有编号作为分辨依据，数量和内容是否满足。然后，将保鲜袋装好的土样和背面朝外的调查表一同放入密封袋，贴上相应的点号标签，回填采样点。待野外调查采样完成后，将耕地土壤样品封装送检，并根据监测点调查表和野外照片，建立监测点档案，及时将调查数据电子化记录。

3 实例应用

3.1 实验项目概况

秭归县位于湖北省西部，境内构成独特的长江三峡山地地貌，形成“八山半水一分半田”的土地格局。截至2014年底，秭归县耕地面积299 956 000 m2，占县域面积的13.19%。耕地质量等别较高，肥力空间分布差异较大。秭归县2015年耕地质量等别监测以有效土层厚度、灌溉保证率、土壤有机质含量和pH值为主导因素，划分了水土流失型、逐步干旱型、肥力衰退型和酸化型4种渐变类型，9个监测区。在11个乡镇36个村布设38个固定监测点，分4条路径开展。其固定监测点分布如图4所示。

图4 秭归县耕地质量固定监测点分布

3.2 调查采样实施

3.2.1 工具设备

监测采样工具资料准备如表2所示。

3.2.2 人员安排

野外调查采样4人为一小组，其中1名男性承担挖坑取土；另1名男性为技术人员，负责辨别土样、调查询问、协助取土等；1名女性为记录人员，负责路线导航、填表拍照和团队协调；还有1名为熟悉秭归县地形和方言的当地司机，协助调查。

3.2.3 采样实施

本次采样需现场获取地形坡度、田面坡度、灌排条件、土壤表层质地、剖面构型和障碍层深度等，带回土样测定酸碱度、有机质含量和盐渍化程度等。为满足土壤样品的代表性，结合实际条件，使用铁锹和取土钻，依照对角线法取深度为15～20 cm的耕作层土样，四分法留约1 kg的土样。并对水土流失区进行约1 m深的土壤剖面挖掘。

表2 野外调查采样工具需求

3.3 调查采样结果

基于2.1和2.2的流程和采样方法，秭归县2015年度耕地质量等别监测野外调查采样工作共完成了38个固定监测点的调查采样任务。

从监测点数量和空间分布来说，本次采样的38个固定监测点中，包括水田7个、旱地31个，共填写监测点调查表38张，农户调查表70份。带回土壤样品38份，总重约45 kg。拍摄照片38组，共计有效照片432张。数量上符合同一渐变区内不同利用等别上至少设置一个固定监测点等规定；布局上考虑耕地均质性，均匀布局，总体符合《湖北省耕地等别年度监测评价技术方案》要求。

从时间效率来说，考虑到秭归县属于丘陵地区，地形起伏较大，长江穿过县域，交通相对困难，且冬季采样易受低温和降雨的影响等因素，预计采样时间为6 d，平均每天采样6～7个监测点。由于雨雪造成交通不便和部分监测点通达道路受阻，临时从同等条件的备选监测点中替换了6个原监测点，采样耗时增加了1 d，实际采样于7 d内完成。就单点采样时间来说，根据流程设计，预计水土流失区采样约30 min完成一个点，其他监测区约20 min一个点。实际工作的头一天单点采样时间平均与计划相同，随着采样人员对工作的熟练程度，时间逐渐减少，水土流失区约25 min完成一个点，其他监测区约15 min，在时间上表现出较好的效率。

从成果质量来说，所有监测点调查表随土样装袋密封，保存完好，记录完整，编号与土样对应，整理方便；农户调查表记录完整，产能计算无数据缺失；采样过程照片清晰，能明确反映工作过程，且照片上均有监测点号牌，内业整理便捷，不会混淆。

总体上，秭归县2015年度耕地质量等别监测野外调查采样监测点数量上满足监测要求，空间布局较为均匀，耗时合理，调查成果完整和规范，满足监测采样标准和要求。

4 结 语

作为耕地质量等别监测的重要环节，野外调查采样是一项具有空间距离远、业务流程繁琐的基础性数据采集工作。本文根据相关规程和要求，基于各县市的实际工作开展，设计了野外调查采样技术流程以及前期准备、取土采样和核查送检等方法，并在湖北省秭归县2015年度耕地质量等别监测工作中进行应用实践。该应用证明，设计的野外调查采样流程和方法具有较好的实际操作性，能有效发挥资源配置和整合作用，降低人为操作的失误，减少人力、物力等资源浪费，提高工作效率，可为管理部门或技术单位工作实践提供一定的参考。同时，在野外调查采样的工作组织、路径规划以及人力、物料和时间等资源配置优化等方面，仍具有进一步研究的空间。

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