乡镇级土壤地球化学调查精度探讨

李欢 黄勇 杨全合 孙朝 邓凯文 韩冰 邓宇飞

摘  要：在研究区以往工作的基础上，采用随机抽稀的方法，将采样密度40件/km2分别抽稀至20件/km2、10件/km2、4件/km2，对比4种采样密度下的数据特征和地球化学图差异性。研究目的是改进现有调查方法，以低密度代替高密度采样，较少的样本量反映较为真实的地球化学特征，以起到节约成本、提高效率的作用。研究结果：数据特征基本不受采样密度的影响;但地球化学图面效果受密度影响大，且40件/km2和20件/km2的成图效果基本一样，仅存在微小差异。因此，在开展乡镇级地球化学调查时，建议使用20件/km2的调查精度，根据调查成果在靶区内开展高精度、全覆盖的独立地块采样。

关键词：随机抽稀;低密度;地球化学调查;精度;土地质量评价

中图分类号：S153;X142;P59    文献标识码：A    文章编号：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

鄉村振兴战略的实施离不开土地的精细化管理和合理利用，摸清土壤地球化学状况，掌握各项元素的基本特征和空间分布规律，为乡镇规划提供地球化学层面的科学依据。地球化学调查中，样品采集、分析测试均是“按件收费”，采集、分析的样品越多，调查成本自然就越高。因此，在以往高精度土壤地球化学调查成果的基础上，通过数据抽稀后的对比研究，确定最经济、合理、高效的乡镇级地球化学调查精度。

在吉林省公主岭市大岭镇开展的土地质量地球化学评价合理采样密度的研究工作，认为8件/km2的采样密度可满足调查精度要求（彭敏等，2019）。在上海开展的不同层级城市规划土地质量地球化学调查评价方法研究中认为，镇乡级规划对应的土地质量调查工作样点精度可控制在16～20件/km2（何中发等，2018）。在四川开展的农业地质调查土壤精度的探讨，认为“金土地工程”区经济实用的采样密度为16～32件/km2（刘应平等，2008）。另有多名学者探讨了区域、县域土地质量地球化学调查精度（黄勇等，2008;阎波杰等，2008;简中华等，2011;张志霞等，2014;齐雁冰等，2014），但关于北京平原区土地质量调查精度的研究较少。笔者以北京市大兴区礼贤镇为例，探讨在北京平原区开展乡镇级土壤地球化学调查的合理精度。

1 研究区概况

礼贤镇位于北京南部，面积约90km2，规划建设用地为15km2，下辖45个行政村。北京市域划分为潮白河流域、蓟运河流域、北运河流域、永定河流域和大清河流域，礼贤镇地处永定河流域;周边主要为天堂河、大龙河等，均为季节性河流，自西北流向东南。地势平坦，地表覆盖第四纪全新世沉积物。土壤类型以潮土为主，局部地区为沼泽土、风沙土等。

2 方法试验

2.1 试验原理

已完成的调查工作是按照1km2划分为1个采样大格，125m×200m划分为1个采样小格，每个小格内采集1件土壤样品，平均采样密度为40件/km2，研究区内共采集表层土壤样品3366件，调查精度为1∶5000。

在已知采样点位的基础上，分别采用固定尺寸的网格（250m×200m网格、500m×200m网格、500m×500m网格）对采样点进行随机抽稀，每个网格内仅保留1个采样点，同时确保抽稀后的点位在空间上均匀分布，抽稀原理示例见图1。

利用上述方法对研究区内3366个采样点位进行抽稀，抽稀后采样点数分别为1792个、984个、424个，平均采样密度分别为20件/km2、10件/km2、4件/km2，调查精度分别达为1∶10000、1∶25000、1∶50000。

2.2 图件编制

制图时主要参照地矿行业标准《多目标区域地球化学调查规范（1∶250000）》（DZ/T 0258-2014），采样点密度及精度的划分主要参考《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295-2016），制图软件是地球化学勘查一体化系统（Geochem Studio）。

网格化方式为常规网格化，网格化方法为King泛克里格法，变差函数类型为线性模型，搜索扇形类型为四方向搜索，使用累计频率方法将地球化学色区划分为15级。

3 效果对比

开展土壤地球化学调查工作，摸清元素含量特征和空间分布情况的同时，另一重要目的是从地球化学角度对土地质量进行评价。评价时参考因子主要为有益和有害元素（苏璧耀，1982;刘锐，1987;任荣富等，2010;马逸麟等，2015;郭莉，2017）因此，绘制了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、N、P、S、Se、pH、Corg（有机碳）等元素与指标在不同程度抽稀后的地球化学图，并进行了相应的参数统计，分别选取有害元素Cu和有益指标Corg为例进行效果对比。

3.1 数据特征对比

地球化学参数是一定区域内土壤元素特征的定量化反映，主要包括均值、中值、标准离差、变异系数、最大值、最小值、背景值等。均值，即算数平均值，参与统计的全部样本的平均数。背景值，经反复剔除均值加减两倍标准离差的数据后再计算出的平均值。变异系数，标准离差与平均值之比的百分数。表1主要对均值、背景值、变异系数及相应的数据直方图进行了对比研究。

对比发现，虽对样本量进行了不同程度的抽稀，但均值、背景值、变异系数及数据直方图特征基本保持不变，表明在一定程度上，数据特征受样本量的影响较小。

3.2 成图效果对比

地球化学图是一定区域内元素空间分布特征的综合反映，是一种定性化表达。不同程度抽稀后绘制的Cu地球化学图见图2，Corg地球化学图见图3。

虽然采样密度存在不同程度的差别，但对研究区内地球化学特征总体变化趋势的反映是一致的。即Cu元素在西南部含量偏高、中部偏低、东北和东南部偏高;Corg具有高含量区和低含量区呈北西向相间分布的特征。

根据图面效果可以将4种采样密度划分为两种尺度，40件/km2和20件/km2的采样密度为一种尺度，绘制的地球化学图具有较强的空间相似性，反映的高含量区和低含量区基本上具有对应关系，虽精度存在差异，但成图效果和反映的地球化学信息基本一样;10件/km2和4件/km2的采样密度为一种尺度，地球化学图同样具有空间相似性。两种尺度之间的图面效果具有明显的差异性，40件/km2和20件/km2尺度下的图面是对该地区地球化学空间特征较为精细化的表达，而10件/km2和4件/km2尺度下的图面是对地球化学空间特征较为简单化的表达。

4 调查方法的改进措施

利用半变异函数进行礼贤镇元素空间变异性研究，多数元素的决定系数R2介于0.7～1.0之間，说明可以利用空间插值方法绘制元素地球化学图。利用土壤地球化学调查成果为乡镇服务时重点考虑两个问题，一是土壤中重金属元素高含量的潜在风险问题，二是养分元素丰缺情况。因此在获得各元素空间分布特征之后，以重金属元素高含量区和养分元素低含量区为参考依据，圈定详细调查的靶区。在靶区内布设土壤采样点时尽量保证每个地块至少1个采样点，以提高靶区内地块中元素特征的真实度。

系统梳理了诸多学者关于北京平原区土壤元素空间结构的研究成果后发现，北京平原区土壤元素具有较好的空间相关性（王学军等，1997;郑袁明等，2003;霍霄妮等，2009;吴文勇等，2013;张瑞等，2014;董士伟等，2015;安永龙等，2018）。因此也可以尝试采用先圈定靶区后进行独立地块采样的调查思路。

5 结论

开展土壤地球化学调查工作，密度越大、精度越高反映的情况也就越真实，提出的建议也就越具有针对性。在资金充裕、时间充足、条件允许的情况下可开展高精度、大比例尺的调查工作，但在实际工作中必须要综合考虑资金、效率、时间、人员等因素，同时结合调查目的，选择最佳的调查精度和方法。

从研究成果看，不同精度的地球化学调查成果在数据特征上具有一致性，但在成图效果上存在较为显著的差异。乡镇级地球化学调查工作精度为1：10000、采样点密度20件/km2最优，既能节约成本又能较为精细而真实的反映出土壤地球化学空间分布特征。在此基础上提出了先圈定靶区后进行独立地块采样的调查思路。

本次研究旨在改进现有调查方法，尚属于探索尝试阶段。研究工作中仍存在诸多不足之处，欢迎各位同仁予以沟通交流。

参考文献

安永龙， 杜子图， 黄勇， 2018. 基于地统计学和GIS技术的北京市大兴区礼贤镇土壤养分空间变异性研究[J]. 现代地质， 32（6）： 1311-1321.

董士偉， 李红， 孙丹峰， 等， 2015. 北京市大兴区土壤养分空间结构及影响因素分析[J]. 水土保持研究， 22（2）： 32-35.

郭莉， 2017. 京津冀平原区土壤环境质量和土地资源分布特征[J]. 城市地质， 12（2）： 60-64.

黄勇， 杨忠芳， 2008. 中国土地质量评价的研究现状及展望[J]. 地质通报， （2）： 207-211.

霍霄妮， 李红， 张微微， 等， 2009. 北京耕作土壤重金属多尺度空间结构[J]. 农业工程学报， 25（3）： 223-229.

何中发， 占光辉， 王瑶， 2018. 不同层级城市规划土地质量地球化学调查评价方法研究[J]. 资源环境与工程， 32（2）： 296-301.

简中华， 王世纪， 黄春雷， 等， 2011. 不同采样密度的土地质量地球化学评估结果对比——以浙江省龙游县为例[J]. 现代地质， 25（1）： 176-181.

刘应平， 阚泽忠， 严向军， 2008. “金土地工程”区农业地质调查土壤测量方法及精度探讨[J]. 物探化探计算技术， （1）： 71-73+92-93.

刘锐， 1987. 土地质量评价的理论与方法探讨[J]. 农业工程学报， （3）： 51-59.

马逸麟， 谢长瑜， 胡晨琳， 等， 2015. 江西省吉泰盆地土地质量评价[J]. 物探与化探， 39（2）： 387-395.

彭敏， 李括， 刘飞，等， 2019. 东北平原区地块尺度土地质量地球化学评价合理采样密度研究[J]. 物探与化探， 43（2）： 338-350.

齐雁冰， 常庆瑞， 刘梦云， 等， 2014. 县域农田土壤养分空间变异及合理样点数确定[J]. 土壤通报， 45（3）： 556-561.

任荣富， 冯雪外， 李明， 等， 2010. 土地质量评价中几个关键问题探讨[J]. 浙江国土资源， （10）： 36-38.

苏璧耀， 1982. 土地质量评价的分类和方法[J]. 南京师大学报（自然科学版）， （2）： 67-72.

石常蕴， 周慧珍， 2001. GIS技术在土地质量评价中的应用——以苏州市水田为例[J]. 土壤学报， （3）： 248-255.

王学军， 邓宝山， 张泽浦， 1997. 北京东郊污灌区表层土壤微量元素的小尺度空间结构特征[J]. 环境科学学报， （4）： 27-31.

吴文勇， 尹世洋， 刘洪禄， 等， 2013. 污灌区土壤重金属空间结构与分布特征[J]. 农业工程学报， 29（4）： 165-173.

阎波杰， 潘瑜春， 赵春江， 2008. 区域土壤重金属空间变异及合理采样数确定[J]. 农业工程学报， 24（S2）： 260-264.

郑袁明， 陈煌， 陈同斌， 等， 2003. 北京市土壤中Cr， Ni含量的空间结构与分布特征[J]. 第四纪研究， （4）： 436-445.

张志霞， 许明祥， 刘京， 等， 2014. 黄土高原不同地貌区土壤有机碳空间变异与合理取样数研究[J]. 自然资源学报， 29（12）： 2103-2113.

张瑞， 戴伟， 庞欢， 等， 2014. 北京市北运河流域耕地土壤性质空间变异性[J]. 生态学杂志， 33（12）： 3368-3373.