工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法與實(shí)證研究

周 妍，羅 明※，周 旭，黃元仿，張世文

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工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法與實(shí)證研究

周 妍1，羅 明1※，周 旭1，黃元仿2，張世文3

（1. 國(guó)土資源部土地整治中心，北京 100035；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193； 3. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，淮南 232001）

由于廢棄時(shí)間長(zhǎng)、成因復(fù)雜、不確定性因素多，歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾后的地力提升與質(zhì)量改善需較長(zhǎng)的過程，跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)工作至關(guān)重要。本文基于3S技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，整合復(fù)墾前、中、后不同階段不同部門的多源數(shù)據(jù)，提出了包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集確立、監(jiān)測(cè)手段選擇為一體的面向復(fù)墾區(qū)內(nèi)的土壤、地表水、地下水和農(nóng)作物的工礦廢棄地復(fù)墾跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法，并以西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾后土地為對(duì)象進(jìn)行實(shí)證研究。采用該文提出的方法，該項(xiàng)目復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)分別布設(shè)了由面狀復(fù)墾單元生成的復(fù)墾土壤、農(nóng)作物、地下水、地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)53、5、5和1個(gè)，以及1類點(diǎn)狀地物（集水池）和4類線狀地物（生產(chǎn)路、田間路、溝渠和河流）2種監(jiān)測(cè)類；建立了涵蓋建設(shè)、環(huán)境和肥力等3方面內(nèi)容15個(gè)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)最小數(shù)據(jù)集。采用變異系數(shù)和相對(duì)偏差、變異函數(shù)變程和全局莫蘭指數(shù)，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、空間布局2個(gè)方面驗(yàn)證評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案的合理性。布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)（53個(gè)）與驗(yàn)證計(jì)算得到的樣本數(shù)（51個(gè)）較為接近，符合數(shù)量要求；實(shí)際取樣間距（平均456 m）未超過各監(jiān)測(cè)指標(biāo)變異函數(shù)變程，無(wú)需細(xì)化監(jiān)測(cè)單元或監(jiān)測(cè)點(diǎn)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布特征介于隨機(jī)或集聚與隨機(jī)之間，顯著性不明顯（0.05水平），監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間布局比較理想?；隍?yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果可知，該文制定的實(shí)證區(qū)復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案是合理的，提出的監(jiān)測(cè)方案制定方法是可行的，能夠指導(dǎo)工礦廢棄地復(fù)墾后管護(hù)與質(zhì)量提升工作，為制定工礦廢棄地復(fù)墾跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)支撐與實(shí)證依據(jù)。

土地復(fù)墾；土地利用；工礦；廢棄地；多源數(shù)據(jù)；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；監(jiān)測(cè)方案

0 引 言

工礦廢棄地是一類特殊的因工礦業(yè)活動(dòng)受損的國(guó)土空間，其復(fù)墾利用對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化國(guó)土空間開發(fā)布局、促進(jìn)資源節(jié)約和生態(tài)文明建設(shè)具有重要作用。近年來(lái)，《土地復(fù)墾條例》、《歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾利用試點(diǎn)管理辦法》等法規(guī)政策文件相繼頒布實(shí)施，有力地推進(jìn)了中國(guó)土地復(fù)墾相關(guān)工作，相關(guān)法規(guī)政策均提出了開展復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)的要求，凸顯其重要性[1]。由于采樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，樣品測(cè)試分析成本高，確定監(jiān)測(cè)所需要的采樣點(diǎn)數(shù)目、監(jiān)測(cè)測(cè)試指標(biāo)等十分重要，如果布點(diǎn)和測(cè)試指標(biāo)確定不當(dāng)，不僅沒有代表性，得到的數(shù)據(jù)也沒有意義[2-3]。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)土地監(jiān)測(cè)方案的研究主要集中于非重構(gòu)土壤采樣點(diǎn)布設(shè)方法，常用方法主要有主觀判斷采樣、規(guī)則網(wǎng)格采樣與混合采樣等[4-5]。在環(huán)境因素監(jiān)測(cè)上，常采用網(wǎng)格法[6-7]，這種方法工作量大，主觀因素對(duì)結(jié)果的影響也大，分析效率低，不能夠準(zhǔn)確、全面地掌握土壤信息。最優(yōu)采樣方案的確定是土壤環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測(cè)及監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)過程中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問題[8-9]。土壤特征的變化并非完全隨機(jī)，不同尺度上土壤特征均呈現(xiàn)出相應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)，具有明顯的空間相關(guān)性。這種空間相關(guān)性的發(fā)現(xiàn)表明基于土壤特征隨機(jī)變異假設(shè)的傳統(tǒng)土壤采樣布點(diǎn)方法具有較大的缺陷，往往難以避免采樣區(qū)域局部樣點(diǎn)冗余和局部樣點(diǎn)密度無(wú)法滿足精度要求的情況[2]。精準(zhǔn)農(nóng)田管理提出了將農(nóng)業(yè)帶上數(shù)字和信息時(shí)代，3S為土壤的野外調(diào)查提供了眾多便利，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)的3S技術(shù)更是準(zhǔn)確布設(shè)采樣點(diǎn)，進(jìn)行空間插值運(yùn)算以全面掌握待監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)土壤信息的有力工具[10-11]。由于廢棄時(shí)間長(zhǎng)、成因復(fù)雜、不確定性因素多，歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾后的地力提升與質(zhì)量改善需要較長(zhǎng)的過程，復(fù)墾后跟蹤監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作尤為重要，但目前針對(duì)性的跟蹤監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)不成熟，體系不完善，工作缺位，已然制約了中國(guó)歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾工作的推進(jìn)。對(duì)于某一歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目而言，不同部門（如國(guó)土、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等）在不同階段開展了眾多的調(diào)查評(píng)價(jià)工作。如復(fù)墾前地調(diào)、環(huán)保等部門開展的土壤地球化學(xué)和土壤環(huán)境背景調(diào)查，復(fù)墾過程中國(guó)土部門進(jìn)行的復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)，復(fù)墾后國(guó)土、農(nóng)業(yè)等部門進(jìn)行的復(fù)墾項(xiàng)目工程驗(yàn)收和復(fù)墾耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定。在跟蹤監(jiān)測(cè)前，同一復(fù)墾項(xiàng)目產(chǎn)生了多源數(shù)據(jù)集合。綜合考慮歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾后土地這一監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征，充分利用這些多源數(shù)據(jù)，提出復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法及具體監(jiān)測(cè)方案，將為全面客觀評(píng)價(jià)復(fù)墾土地質(zhì)量演變過程，進(jìn)而為制定針對(duì)性管護(hù)與質(zhì)量提升措施提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

本文基于3S技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，整合多源數(shù)據(jù)，提出中國(guó)工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法，并以西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目為例進(jìn)行了實(shí)證研究。旨在為工礦廢棄地復(fù)墾后管護(hù)與質(zhì)量提升，進(jìn)而為制定工礦廢棄地復(fù)墾跟蹤監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 多源數(shù)據(jù)整合下的工礦廢棄地復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法

工礦廢棄地類型眾多，成因復(fù)雜，且復(fù)墾時(shí)采取的措施多樣，導(dǎo)致工礦廢棄地復(fù)墾后土地監(jiān)測(cè)不同于一般的土地監(jiān)測(cè)。收集整理復(fù)墾前中后各個(gè)階段不同部門（國(guó)土、農(nóng)業(yè)和環(huán)保等）的相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，包括：復(fù)墾前背景調(diào)查、復(fù)墾中規(guī)劃設(shè)計(jì)、復(fù)墾后驗(yàn)收等數(shù)據(jù)與資料，用同期遙感影像對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證核實(shí)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行糾正，形成工礦廢棄地復(fù)墾監(jiān)測(cè)方案確定的基礎(chǔ)多源數(shù)據(jù)集合?；谠摱嘣磾?shù)據(jù)集合，借助于3S和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，提出包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案、監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集確定、監(jiān)測(cè)手段選擇為一體的面向土壤、地下水、地表水、農(nóng)作物的工礦廢棄地復(fù)墾監(jiān)測(cè)方案制定方法。具體制定技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定技術(shù)流程

1.1 跟蹤監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)澐峙c監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

1.1.1 跟蹤監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)澐峙c監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)一般流程

工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)對(duì)象包括點(diǎn)狀、線狀和面狀監(jiān)測(cè)單元。

收集篩選整合復(fù)墾不同階段、不同部門的多源數(shù)據(jù)。從國(guó)土部門獲取“復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)圖”和“耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定圖”等資料；并收集地質(zhì)調(diào)查、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等相關(guān)部門的調(diào)查采樣數(shù)據(jù)。

運(yùn)用高分遙感影像，對(duì)國(guó)土部門的“復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)圖”中復(fù)墾單元、復(fù)墾措施等進(jìn)行校準(zhǔn)與核實(shí)，確保同一復(fù)墾單元內(nèi)復(fù)墾方向、復(fù)墾措施基本一致，形成復(fù)墾單元圖。點(diǎn)（集水池）、線狀監(jiān)測(cè)單元（道路、溝渠等）可直接從復(fù)墾單元圖中提取。

根據(jù)收集的相關(guān)部門調(diào)查采樣數(shù)據(jù)及其變異系數(shù)，確定具體質(zhì)量要素，參考《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]、《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[13]、《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)或其與多維分形理論相結(jié)合等方法插值獲取“復(fù)墾土地質(zhì)量要素專題圖（如鎘含量等級(jí)分布圖等）”。

面狀監(jiān)測(cè)單元是以復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)圖中的復(fù)墾單元為基礎(chǔ)，借助ArcGIS軟件，疊置復(fù)墾土地質(zhì)量要素專題圖和復(fù)墾耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定圖形成。多圖層疊置后，將形成若干細(xì)碎小圖斑。根據(jù)屬性相似程度（待合并的大小圖斑復(fù)墾措施和方向相同，且兩者所有質(zhì)量要素中有50%以上的要素等級(jí)相同），就近將面積相對(duì)較小的細(xì)碎圖斑合并到大圖斑中。并按以下2個(gè)原則確定小圖斑面積大?。阂皇谴_保合并后各質(zhì)量要素等級(jí)占總復(fù)墾面積的比例與疊置前基本相同；二是確保合并后各復(fù)墾單元占總復(fù)墾面積的比例與疊置前基本相同。以面狀監(jiān)測(cè)單元的幾何中心作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中應(yīng)該特別注意“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”和“同時(shí)”兩個(gè)關(guān)鍵詞，這里的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”是指土壤和農(nóng)產(chǎn)品的樣品應(yīng)該來(lái)自同一點(diǎn)位，而“同時(shí)”是指采集土壤樣品的同時(shí)采集生長(zhǎng)于該樣點(diǎn)的農(nóng)產(chǎn)品[15]。參考礦山歷史生產(chǎn)狀況和復(fù)墾后土壤重金屬含量的分布情況，從重金屬含量較高，地勢(shì)較低的土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)中選擇不少于5個(gè)點(diǎn)作為農(nóng)作物和地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)；若有地表水系，則至少在地表水系下游設(shè)置1個(gè)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)。最終，形成面向土壤、地下水、地表水、農(nóng)作物等包含監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)類2種的復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案。

采樣人員攜帶監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖、信息表和GPS，進(jìn)行野外采樣，并核實(shí)采樣點(diǎn)位置是否合適，對(duì)于分布不盡合理的進(jìn)行微調(diào)，形成最終的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案。

1.1.2 質(zhì)量要素專題圖制作方法

如何科學(xué)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)復(fù)墾質(zhì)量要素由點(diǎn)到面的擴(kuò)展，將影響復(fù)墾監(jiān)測(cè)單元的劃分和監(jiān)測(cè)效果，方案將結(jié)合已有數(shù)據(jù)的變異函數(shù)、空間特征等，選擇適合不同質(zhì)量要素的高精度空間預(yù)測(cè)方法。這些方法包括地統(tǒng)計(jì)學(xué)以及基于此發(fā)展起來(lái)的相關(guān)方法[16-20]。目前使用最多的空間插值方法主要為克里格法，然而，單一克里格法具有平滑效應(yīng)，無(wú)法凸顯復(fù)墾土地質(zhì)量要素由于復(fù)墾措施的差異導(dǎo)致的突變性。因此，本文將分形理論與克里格法結(jié)合，采用多維分形克里格法（Multifractal Krige，Mkrige）進(jìn)行復(fù)墾土地質(zhì)量要素的空間預(yù)測(cè)，以消除其平滑效應(yīng)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響[21-25]。通常，空間變量的平均聚集隨著測(cè)量尺度的變化而變化[21]。按照多維分形理論，在尺度變化的一定范圍內(nèi)，二維空間變量在點(diǎn)附近的平均聚集與測(cè)量尺度符合下面的冪率關(guān)系

（2）

進(jìn)而可以得到Mkrige的計(jì)算公式

一組實(shí)測(cè)樣本通過空間預(yù)測(cè)后，在空間上將產(chǎn)生實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)值兩組樣本數(shù)據(jù)，分別從實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值中取最大（?。┑?0%作為最大（?。┨禺愔到M。采用特異值覆蓋比率和均方根誤差（root mean squared errors，RMSE）檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法（多維分形克里格法）對(duì)特異值的再現(xiàn)程度以及空間預(yù)測(cè)精度。以全樣本預(yù)測(cè)結(jié)果為對(duì)比值，比較預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的特異值。覆蓋比率為預(yù)測(cè)值最?。ù螅┨禺愔蹈采w實(shí)測(cè)值最小（大）特異值的百分比，比率越高說(shuō)明空間預(yù)測(cè)效果越好[21-22]。RMSE用來(lái)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，RMSE值越小，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確[26-27]。

1.2 跟蹤監(jiān)測(cè)內(nèi)容確定

基于已有的調(diào)查取樣數(shù)據(jù)，采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，結(jié)合《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]、《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[13]、《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》等[14]，分析復(fù)墾后土地中障礙因素，并結(jié)合復(fù)墾前后土地質(zhì)量變化，分析不同復(fù)墾土地質(zhì)量指標(biāo)的易變性。綜合考慮障礙、易變性選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)，構(gòu)建涵蓋工礦廢棄地復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集。

采用單項(xiàng)污染指數(shù)、點(diǎn)位超標(biāo)率和養(yǎng)分指標(biāo)豐富程度來(lái)反映指標(biāo)的障礙性。單項(xiàng)污染指標(biāo)接近1，且點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到20%以上的，以及養(yǎng)分缺乏，視作該指標(biāo)存在障礙性。采用變化幅度來(lái)反映指標(biāo)易變性，當(dāng)養(yǎng)分（正向指標(biāo)）呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，或者重金屬（負(fù)向指標(biāo)）呈現(xiàn)增加趨勢(shì)的，納入監(jiān)測(cè)指標(biāo)范疇。地表水、地下水和農(nóng)作物監(jiān)測(cè)指標(biāo)與土壤監(jiān)測(cè)環(huán)境指標(biāo)一致。

1.3 跟蹤監(jiān)測(cè)手段

土壤、地表水、地下水和農(nóng)作物樣品的采集、處理、貯存及測(cè)試，按照《土壤檢測(cè)》[28]、《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估技術(shù)要求》[29]、《地下水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[30]和《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[31]進(jìn)行。建設(shè)情況通過遙感監(jiān)測(cè)、實(shí)地調(diào)查等獲取，遙感監(jiān)測(cè)按《土地利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)規(guī)程》[32]執(zhí)行。

2 跟蹤監(jiān)測(cè)方案合理性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

為了量化驗(yàn)證評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)方案及其制定方法合理性和可行性，基于本文提出的復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法確定的實(shí)證區(qū)跟蹤監(jiān)測(cè)方案，進(jìn)行采樣化驗(yàn)。同時(shí)，通過按照本監(jiān)測(cè)方案采樣獲取的2016年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案（監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)數(shù)量、空間布局）進(jìn)行量化驗(yàn)證評(píng)價(jià)。采用變異系數(shù)和相對(duì)偏差計(jì)算樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，并與實(shí)際布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量是否滿足要求；采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)中變異函數(shù)的變程（range）衡量監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距[13,16]，采用全局莫蘭指數(shù)驗(yàn)證評(píng)價(jià)空間布局合理性[16-18,29-31]，進(jìn)而確定按本文提出監(jiān)測(cè)方案制定方法確定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、分布格局是否合理。

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量驗(yàn)證

參考《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[33]，采用變異系數(shù)和相對(duì)偏差計(jì)算樣本數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量的驗(yàn)證評(píng)價(jià)。其計(jì)算公式如下

式中為樣品數(shù)；為選定置信水平（土壤監(jiān)測(cè)一般選定為95%）一定自由度下的值；為變異系數(shù)（%），根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析獲??；為可接受相對(duì)偏差（%），土壤監(jiān)測(cè)一般限定為20%～30%。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間布局的合理性評(píng)價(jià)

1）監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距合理性評(píng)價(jià)。變異函數(shù)的變程表示了在某種觀測(cè)尺度下，空間相關(guān)性的作用范圍，其大小表示研究變量空間自相關(guān)變異的尺度范圍[21]。在變程范圍內(nèi)，樣點(diǎn)間的距離越小，其相似性，即空間相關(guān)性越大。超出變程范圍將增加采樣點(diǎn)數(shù)量?；贕S+10，獲取監(jiān)測(cè)指標(biāo)最優(yōu)的變異函數(shù)變程，對(duì)比分析得出的變異函數(shù)變程與實(shí)際取樣的樣點(diǎn)間距，在滿足鄰域搜索周邊2～5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況下，取樣間距小于變程，表明符合要求，無(wú)需加密補(bǔ)充采樣。

2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間布局合理性驗(yàn)證評(píng)價(jià)。以全局性莫蘭指數(shù)（Moran’s Index, Moran’s）為基礎(chǔ)，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案的空間布局是否合理[34-35]。Moran’s是用來(lái)衡量集聚特征的一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)。

全局性Moran’s一般過程為

式中為莫蘭指數(shù)；為空間數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；x和x分別為區(qū)、區(qū)的空間要素的屬性值；為所有空間要素平均值；w為空間權(quán)重矩陣的元素，空間權(quán)重矩陣一般為對(duì)稱矩陣，且w=0。

對(duì)于全局Moran’s，一般使用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量()來(lái)檢驗(yàn)空間要素空自相關(guān)性的顯著性水平，其公式為

式中()為Moran’s的理論方差；()1/(1)為Moran’s的理論期望值。

Moran’s>0表示空間正相關(guān)性，其值越大，空間相關(guān)性越明顯，Moran’s<0表示空間負(fù)相關(guān)性，其值越小，空間差異越大；Moran’s= 0，空間呈隨機(jī)性分布[36]。通過計(jì)算，聚集特征顯著則說(shuō)明制定的布點(diǎn)方案各個(gè)方向過于密集，監(jiān)測(cè)點(diǎn)或單元需要進(jìn)一步合并；分散（Dispersed）特征明顯則說(shuō)明制定的布點(diǎn)方案各個(gè)方向過于分散，監(jiān)測(cè)點(diǎn)或單元需要進(jìn)一步細(xì)分。若Moran’s具有空間相關(guān)性，且顯著性不明顯（0.05水平），樣點(diǎn)空間聚集特征處于隨機(jī)（Random）或介于集聚（Clustered）與隨機(jī)之間，則監(jiān)測(cè)布點(diǎn)空間布設(shè)比較理想。采用GeoDA軟件進(jìn)行全局莫蘭指數(shù)的分析。

3 實(shí)證研究

3.1 實(shí)證區(qū)基本概況

按本文提出監(jiān)測(cè)方案制定方法，以西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目為例進(jìn)行實(shí)證研究（圖2）。該硫磺礦采選工程始建于1958年，主要從事硫磺礦開采和冶煉，2004年縣政府根據(jù)當(dāng)時(shí)企業(yè)情況進(jìn)行破產(chǎn)改制，改制后交由鄉(xiāng)政府管理。經(jīng)過40余年的礦產(chǎn)開采以及冶煉制硫磺，排棄的磺渣堆積如山，整個(gè)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境非常惡劣。復(fù)墾土地總面積266.49 hm2，其中耕地、林地和草地分別為197.24、63.49和5.76 hm2。該項(xiàng)目于2013年開始實(shí)施復(fù)墾工程，按復(fù)墾方向，總體上分成耕地、林地和草地3大復(fù)墾單元。耕地復(fù)墾單元主要采取客土、平整、坡改梯、配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、撒播生石灰調(diào)節(jié)pH值等，林地復(fù)墾單元采取V形整地、穴狀種植等。2014年完成項(xiàng)目工程驗(yàn)收。

圖2 實(shí)證區(qū)位置及已有樣點(diǎn)分布圖

3.2 跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定所需數(shù)據(jù)收集整理

收集整理項(xiàng)目所在地區(qū)地質(zhì)環(huán)境、工礦生產(chǎn)的歷史狀況、復(fù)墾規(guī)劃設(shè)計(jì)、復(fù)墾工程實(shí)施、以及不同階段的土壤調(diào)查和遙感影像等數(shù)據(jù)、文字和圖件。借助于遙感影像，對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行校準(zhǔn)與核實(shí)。

實(shí)證區(qū)于2013—2014年完成主要復(fù)墾工程，國(guó)土、農(nóng)業(yè)等部門在復(fù)墾土地上已開展調(diào)查采樣工作。2014年農(nóng)業(yè)部門按照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]和《補(bǔ)充耕地質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定技術(shù)規(guī)程（試行）》的規(guī)范[37]，完成實(shí)證區(qū)復(fù)墾耕地質(zhì)量評(píng)定，采集的16個(gè)樣點(diǎn)全部位于本實(shí)證區(qū)，測(cè)試分析了全氮（total nitrogen, TN）、土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）、全鉀（total potassium，TK）、全磷（total phosphorus，TP）等肥力指標(biāo)。2015年國(guó)土地質(zhì)調(diào)查部門按照《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)估技術(shù)要求》[17]，在本實(shí)證區(qū)內(nèi)采集分析表層土壤樣點(diǎn)138個(gè)，完成實(shí)證區(qū)復(fù)墾耕地地球化學(xué)評(píng)價(jià)。138個(gè)樣點(diǎn)全部測(cè)試分析了砷（As）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、汞（Hg）、鎳（Ni）、鉛（Pb）、pH值、硒（Se，）、鋅（Zn）等環(huán)境指標(biāo)；其中98個(gè)樣點(diǎn)測(cè)試分析了全氮（total nitrogen, TN）、土壤有機(jī)質(zhì)（soil organic matter，SOM）、全鉀（total potassium，TK）、全磷（total phosphorus，TP）等肥力指標(biāo)。

參考《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》[38]，結(jié)合復(fù)墾后土地質(zhì)量突變性大的特征，剔除4個(gè)坐標(biāo)不在項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的樣點(diǎn)（環(huán)境指標(biāo)樣點(diǎn)），以及2個(gè)Zn、3個(gè)Se和1個(gè)SOM含量與各自平均值的偏差超過標(biāo)準(zhǔn)差的5倍以上的異常值，獲取環(huán)境指標(biāo)有效采樣點(diǎn)129個(gè)，肥力指標(biāo)有效采樣點(diǎn)113。由于數(shù)據(jù)多源，來(lái)自不同部門，測(cè)試的內(nèi)容也不盡相同，為最大限度地利用已有的數(shù)據(jù)，確保分析結(jié)果的可靠性，不同指標(biāo)樣本數(shù)可以有所不同。

3.3 實(shí)證區(qū)跟蹤監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)澐趾捅O(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定

利用SPSS20.0計(jì)算已有復(fù)墾土地質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)特征值（表1）。按照一般對(duì)變異系數(shù)（）值的評(píng)價(jià)，所有指標(biāo)10%<<100%，表明這些指標(biāo)屬于中等變異性，值越大，變異程度越高[24-27]。參考《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[33]，根據(jù)變異系數(shù)大小，按變異系數(shù)大于40%的元素參與質(zhì)量專題圖制作。表1表明，Cd、Cr、SOM和TK 4個(gè)要素變異系數(shù)超過40%。

表1 已有質(zhì)量要素的統(tǒng)計(jì)特征值

注：TN為全氮，SOM為土壤有機(jī)質(zhì)，TK為全鉀，TP為全磷；下同。

Note: TN is total nitrogen, SOM is soil organic matter, TK is total potassium, TP is total phosphorus. The same below.

采用Mkrige法對(duì)Cd、Cr、SOM和TK 4個(gè)質(zhì)量要素進(jìn)行空間預(yù)測(cè)，并采用特異值覆蓋比率和RMSE檢驗(yàn)空間預(yù)測(cè)精度和效果。Cd、Cr、SOM和TK的特異值覆蓋比率分別為89.13%、92.75%、88.19、76.32%，均能較好地反映原始數(shù)據(jù)的差異性，消除了平滑效應(yīng)對(duì)空間預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。4個(gè)指標(biāo)的RMSE分別為1.76、1.43、1.98、1.32，處于1～2之間，空間預(yù)測(cè)模型擬合效果較好。

基于Mkrige法制作實(shí)證區(qū)復(fù)墾土地質(zhì)量要素專題圖（圖3a-3d）。根據(jù)校準(zhǔn)核實(shí)后的復(fù)墾單元圖（圖3e），整個(gè)實(shí)證區(qū)復(fù)墾后土地共包括123個(gè)面狀復(fù)墾單元、4類線狀復(fù)墾單元（生產(chǎn)路、田間路、溝渠和河流）和1類點(diǎn)狀復(fù)墾單元（集水池）。根據(jù)校準(zhǔn)核實(shí)后的耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定圖（圖3f），復(fù)墾土地質(zhì)量等級(jí)主要以9、10等為主。以復(fù)墾單元圖為底圖，空間疊置復(fù)墾土地質(zhì)量要素專題圖、耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定圖，生成1339個(gè)圖斑的監(jiān)測(cè)單元，按本文確定的合并方法，以3 333 m2合并閾值，就近將相對(duì)較小的圖斑合并到大圖斑中，共獲取53個(gè)監(jiān)測(cè)單元。

圖3 復(fù)墾土地質(zhì)量要素專題、復(fù)墾單元和耕地質(zhì)量等級(jí)評(píng)定圖

基于ArcGIS10.0獲取監(jiān)測(cè)單元幾何中心，并以幾何中心作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)復(fù)墾單元圖，直接提取監(jiān)測(cè)類，包括線狀監(jiān)測(cè)單元4類、點(diǎn)狀監(jiān)測(cè)單元1類。野外核實(shí)后，除了就近微調(diào)2個(gè)采樣點(diǎn)位置外，其他均未改變。最終共獲取土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)53個(gè)、線狀監(jiān)測(cè)4類，點(diǎn)狀1類（圖4）。按照本文提出的跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法，布設(shè)與土壤“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的農(nóng)作物、地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)各5個(gè)；在地表水系下游布設(shè)1個(gè)地表水監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖4）。由于在生成監(jiān)測(cè)點(diǎn)過程中已經(jīng)綜合考慮土地復(fù)墾措施、復(fù)墾后驗(yàn)收質(zhì)量、調(diào)查采樣等狀況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布具有很強(qiáng)的代表性。

圖4 某硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾監(jiān)測(cè)單元和監(jiān)測(cè)點(diǎn)方案圖

3.4 監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集與監(jiān)測(cè)手段

基于本文提出的監(jiān)測(cè)方案制定方法，通過計(jì)算變化幅度來(lái)表征監(jiān)測(cè)指標(biāo)的易變性。變化幅度為各指標(biāo)2015年數(shù)值與2013年數(shù)值之差除以2013年數(shù)值的百分?jǐn)?shù)。采用平均值、單項(xiàng)污染指數(shù)或等級(jí)、點(diǎn)位超標(biāo)率來(lái)反映指標(biāo)障礙性[39]。土壤污染物的單項(xiàng)污染指數(shù)P按公式（7）進(jìn)行計(jì)算[40]。

式中C為土壤中指標(biāo)實(shí)測(cè)濃度；S為污染物在GB 15618中給出的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。點(diǎn)位超標(biāo)率將結(jié)合點(diǎn)位的pH值來(lái)確定該點(diǎn)是否超標(biāo)，根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)的pH值大小，按《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[12]分別確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)的超標(biāo)情況。

表2表明，環(huán)境指標(biāo)中Cd、Cr、Cu和Ni元素的單項(xiàng)污染指數(shù)高于或者接近1，依次分別為3.17、0.91、0.83、1.47，點(diǎn)位超標(biāo)率也均在30%以上，其中Cd、Ni分別達(dá)到92.35%、93.02%；就變化幅度而言，As、Ni呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，Cd、Cr、Cu、Hg四個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且Cd反彈明顯。綜合考慮各項(xiàng)因素的單項(xiàng)污染指數(shù)、點(diǎn)位超標(biāo)率、變化幅度等，將Cd、Cr和Ni元素納入監(jiān)測(cè)最小數(shù)據(jù)集。由于復(fù)墾區(qū)Se含量豐富，計(jì)劃發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品，將其納入監(jiān)測(cè)指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮均為較豐富，兩者相關(guān)性強(qiáng)，且土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，故而將其列入監(jiān)測(cè)指標(biāo)。項(xiàng)目區(qū)鉀素嚴(yán)重缺乏，土壤速效鉀是土壤全鉀中作物可利用的部分，更能反映土壤肥力狀況，因此本方案以速效鉀（available potassium，AK）作為監(jiān)測(cè)最小數(shù)據(jù)集的一個(gè)指標(biāo)。復(fù)墾區(qū)為歷史上“土法煉磺”的廢棄地，酸化嚴(yán)重，復(fù)墾過程中使用大量生石灰中和其酸性，但由于生石灰的作用具有一定時(shí)效性，且pH值大小直接影響到環(huán)境指標(biāo)的污染狀況判定，因此，將pH值作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)。根據(jù)《土地復(fù)墾質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[41]，將地形、配套設(shè)施、生產(chǎn)力水平等建設(shè)質(zhì)量指標(biāo)也納入監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

表2 已有指標(biāo)障礙性與易變性分析

注：*以2013年為基準(zhǔn)年，數(shù)據(jù)采于2015年。

Note: * taken 2013 as reference year and data was collected in 2015.

上述指標(biāo)與建設(shè)質(zhì)量指標(biāo)構(gòu)成該硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目的跟蹤監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集（表3）。地下水、地表水和農(nóng)作物只監(jiān)測(cè)相應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)。

表3 某硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目跟蹤監(jiān)測(cè)內(nèi)容與手段

注：AK為速效鉀；下同。

Note: AK is available potassium. The same below.

3.5 跟蹤監(jiān)測(cè)方案合理性驗(yàn)證評(píng)價(jià)

3.5.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量驗(yàn)證評(píng)價(jià)

通過對(duì)按照本監(jiān)測(cè)方案采樣獲取的2016年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，所有監(jiān)測(cè)指標(biāo)的平均變異系數(shù)為85.24%；可接受的相對(duì)偏差取最低限值20%。根據(jù)公式（4）計(jì)算，驗(yàn)證區(qū)約布設(shè)51個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。與按監(jiān)測(cè)方案制定方法確定的53個(gè)較為接近。

3.5.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布格局的合理性評(píng)價(jià)

采用GS+10，確保殘差和（residual sum of squares，RSS）最小，擬合各監(jiān)測(cè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化變異函數(shù)，獲取各指標(biāo)準(zhǔn)確的變程值[31,48-49]。Cd、Cr、As、Ni、Se、pH值、SOM、AK的變程分別是521.78、484.36、1694.31、646.96、651.39、519.75、1335.29和546.29 m，多數(shù)指標(biāo)的變程在500 m以上。通過對(duì)布設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)距，按周邊5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)鄰域范圍估算，相互之間的間距均不超過500 m，平均為456 m。所有的監(jiān)測(cè)指標(biāo)Range均大于該值，表明所有指標(biāo)總體上均未超過其空間相關(guān)性范圍，無(wú)需細(xì)化監(jiān)測(cè)單元或監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也即按本文提出的方法制定的實(shí)證區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距方案是符合要求的。

利用公式（5）～（6），借助于GeoDA和ArcGIS10.0，計(jì)算不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)的全局性Moran’s和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)量()。GeoDA空間自相關(guān)分析可進(jìn)一步參考相關(guān)文獻(xiàn)[50-51]。

由表4和圖5可以看出，Cr、Cd、Se、As、pH、SOM、AK、Ni的莫蘭指數(shù)（Moran’s）分別為0.09、0.16、0.13、0.18、0.01、0.03、0.21，均為正值，表明監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間呈現(xiàn)空間正相關(guān)，且具有一定的相似性，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了變程分析的結(jié)果。從空間布局特征看，在0.05水平下，Cr、Cd、Se、As、pH、SOM、AK的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量()值分別為1.05、1.64、1.33、1.73、0.28、0.05，為隨機(jī)分布；Ni的()值為2.04呈聚集，但值為0.06不顯著，處于聚集與隨機(jī)之間。綜上可知，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)具有空間相關(guān)性，但顯著性不明顯（0.05水平），監(jiān)測(cè)指標(biāo)空間分布特征處于隨機(jī)或介于聚集與隨機(jī)之間，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局比較理想。

表4 不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)莫蘭指數(shù)

注：為莫蘭指數(shù)；()為標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量；為水平值。

Note:was the Moran index,() was the standardized statistic of, andisvalue of significance level.

綜合考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和空間布局，按照本文提出的監(jiān)測(cè)方案制定方法，該項(xiàng)目復(fù)墾后土地跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)53個(gè)，符合數(shù)量要求；監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距均未超過空間相關(guān)性變程范圍，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)間空間分布處于Random或介于Clustered與Random之間狀態(tài)，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)符合空間布局要求。通過驗(yàn)證評(píng)價(jià)，采用本文提出的跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法確定的復(fù)墾項(xiàng)目跟蹤監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案可行，且具有一定的科學(xué)性。

圖5 不同監(jiān)測(cè)指標(biāo)的莫蘭指數(shù)分析圖

4 討 論

本文借助于3S和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，結(jié)合工礦廢棄地復(fù)墾特征，提出了涵蓋監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案、監(jiān)測(cè)指標(biāo)最小數(shù)據(jù)集確定、監(jiān)測(cè)手段選擇為一體的面向土壤、地下水、地表水和農(nóng)作物的工礦廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法。實(shí)證研究表明，單就監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案而言，與2015年138個(gè)樣點(diǎn)相比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量下降了61.59%；監(jiān)測(cè)指標(biāo)減少了50%，對(duì)比圖2和圖4可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布更加均勻，監(jiān)測(cè)內(nèi)容更加全面，節(jié)約監(jiān)測(cè)成本。綜合考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量、監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布特征，采用本文提出的監(jiān)測(cè)方案制定方法制定的實(shí)證區(qū)跟蹤監(jiān)測(cè)方案是合理的，本文提出的監(jiān)測(cè)方案制定方法是可行的。

但本文僅以西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目作為實(shí)證案例，后續(xù)需要進(jìn)一步結(jié)合其他案例進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)價(jià)，以證明該監(jiān)測(cè)方案制定方法的普適性；由于監(jiān)測(cè)對(duì)象質(zhì)量的時(shí)間演變，監(jiān)測(cè)方案具有時(shí)效性，后續(xù)每年的監(jiān)測(cè)方案應(yīng)根據(jù)前一年的監(jiān)測(cè)情況，采用本文提出的跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法進(jìn)行優(yōu)化完善?？紤]到復(fù)墾土壤屬于重構(gòu)土體，復(fù)墾早期土體突變界面明顯，復(fù)墾利用前幾年質(zhì)量變化幅度較大的通常在表層土壤，所以本方案制定方法中未考慮土壤剖面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。隨著復(fù)墾時(shí)間的推移，需要布設(shè)土壤剖面點(diǎn)，布設(shè)方法等需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

基于3S技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)，整合復(fù)墾前、中、后多階段、多部門多源數(shù)據(jù)，本文提出了適用于具有污染隱患的歷史遺留工礦廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法，并以西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目為例進(jìn)行了實(shí)證研究。

1）基于本文提出的復(fù)墾跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法，構(gòu)建了西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目2016年復(fù)墾監(jiān)測(cè)方案，該復(fù)墾項(xiàng)目共需布設(shè)53個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及1類點(diǎn)、4類線2種監(jiān)測(cè)類。

2）采用變異系數(shù)和相對(duì)偏差驗(yàn)證評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量是否滿足要求，通過樣點(diǎn)數(shù)量計(jì)算可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為51個(gè)，與布設(shè)的53個(gè)比較接近，符合數(shù)量要求；采用變異函數(shù)變程、Moran’s等驗(yàn)證評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距、采樣點(diǎn)空間位置的合理性，取樣間距在空間相關(guān)性變程范圍之內(nèi)，且空間分布特征處于隨機(jī)或介于聚集與隨機(jī)之間。

3）構(gòu)建了西南地區(qū)某歷史遺留硫磺礦采選廢棄地復(fù)墾項(xiàng)目涵蓋建設(shè)質(zhì)量、環(huán)境、土壤肥力等3方面15個(gè)指標(biāo)的最小數(shù)據(jù)集。

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Making method of tracking monitoring scheme for abandoned industrial and mining land reclamation and its empirical research

Zhou Yan1, Luo Ming1※, Zhou Xu1, Huang Yuanfang2, Zhang Shiwen3

(1.,,100035,; 2.,,100193,;3.,,232001,)

Abandoned land is a special kind of land space which is damaged by industrial and mining activities. Due to being abandoned for a long time, complicated formation and uncertain factors, the improvement of soil fertility and quality during abandoned land reclamation requires a long process. So tracking monitoring and evaluation work is really important. A making method of tracking monitoring scheme for abandoned land reclamation includes the layout of monitoring points, the establishment of the minimum data set of monitoring indicators, as one of the means of monitoring soil, surface water, groundwater and crop. A case study on a reclamation project of an abandoned sulfur mine land was carried out in the southwest area of China. With the help of 3S (remote sensing, RS;geographical information system, GIS;global positioning system, GPS) and geostatistics, we proposed monitoring point layout scheme, and monitoring indicators, and established the minimum data set as one of the means for soil, groundwater, surface water and plant. Considering the reclamation measures and monitoring index of spatial heterogeneity and the reclaimed land quality evaluation results, multi-layer spatial overlap was adopted to form monitoring units and monitoring points; considering the existing land reclamation quality factors and variability, through the analysis of the existing index average value, the single pollution index, exceeding rate, rhichness and rangeabilty to obtain the minimum data set of monitoring indicators. The monitoring sites of reclaimed soil, crop, ground water, and surface water were 53, 5, 5 and 1, and 2 kinds of monitoring types were collected. A minimum data set of 15 indicators was constructed, covering the quality of construction, environment, soil fertility, and so on. The reliability of the monitoring points was validated and evaluated from the monitoring point number and spatial layout using the coefficient of variation, relative deviation, variable range of variation function and Moran’s Index according to the monitoring scheme proposed in the paper. The evaluation results showed that the number of monitoring points obtained according to monitoring scheme was close to the number in verification calculation, which met the requirements. Compared with the 138 samples in 2015, the number of monitoring points decreased by 61.59%, the monitoring index was reduced by more than 50%, the distribution of monitoring points was more uniform, the monitoring content was more comprehensive, and the monitoring cost was saved; the actual sampling distance (average 456 m) did not exceed the monitoring index range of variation function, and there was no need to refine the monitoring unit or monitoring point; the spatial distribution characteristics of monitoring points were random or between clustered and random, which was not significant (>0.05), and the monitoring points layout was ideal. This shows that the making method of tracking monitoring scheme is scientific and feasible. The tracking monitoring scheme can guide the quality improvement project for the reclamation of abandoned mine land and also provide a technical support and empirical basis for developing the tracking monitoring standards of abandoned land reclamation.

land reclamation; land use; mines; abandoned land; multi-source data; geostatistics; monitoring scheme

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.031

P962、X833

A

1002-6819(2017)-12-0240-09

2016-11-08

2017-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41471186 、41571217）

周 妍，湖北咸寧人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橥恋貜?fù)墾政策、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及土地復(fù)墾監(jiān)測(cè)監(jiān)管技術(shù)等。北京 國(guó)土資源部土地整治中心，100035。Email：zhouyan053991@163.com.

羅 明，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，研究方向?yàn)橥恋卣渭夹g(shù)政策、礦地復(fù)墾標(biāo)準(zhǔn)等。北京 國(guó)土資源部土地整治中心，100035。 Email：luoming@mail.lcrc.org.cn

周 妍，羅 明，周 旭，黃元仿，張世文. 工礦廢棄地復(fù)墾土地跟蹤監(jiān)測(cè)方案制定方法與實(shí)證研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：240－248. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.031 http://www.tcsae.org

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