耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)的野外調(diào)查采樣方法與實(shí)踐

賀李帆，胡石元,2,3，唐 旭,2,3，耿 紅

（1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢430079；2. 武漢大學(xué)地理信息系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079；3.武漢大學(xué)數(shù)字制圖與國(guó)土信息應(yīng)用工程國(guó)家地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430079）

耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)作為我國(guó)各縣市的年度常規(guī)工作，是加強(qiáng)耕地保護(hù)的一項(xiàng)重要舉措［1,2］。為指導(dǎo)、推進(jìn)耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)的科學(xué)開(kāi)展，國(guó)內(nèi)已有諸多學(xué)者從耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)理論［3,4］、指標(biāo)體系建立［5,6］、分區(qū)布點(diǎn)模型設(shè)計(jì)［7-9］、成果綜合應(yīng)用［10,11］和工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［12,13］等多方面進(jìn)行研究探討［14-16］。但總體來(lái)說(shuō)，對(duì)野外調(diào)查采樣工作開(kāi)展及采樣方法流程的關(guān)注仍然較少。本文從耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)縣級(jí)野外調(diào)查采樣工作的實(shí)際出發(fā)，考慮野外作業(yè)、人員和工具等的復(fù)雜性和監(jiān)測(cè)點(diǎn)抽樣等要求，設(shè)計(jì)調(diào)查采樣業(yè)務(wù)工作流程和具體方法，并以湖北省秭歸縣2015年度耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)工作為實(shí)例進(jìn)行方法的應(yīng)用實(shí)踐，為設(shè)計(jì)合理的野外調(diào)查采樣方法，科學(xué)高效地開(kāi)展野外調(diào)查采樣提供參考。

1 野外調(diào)查采樣要求

為了全面分析區(qū)域內(nèi)耕地資源本底分布，有針對(duì)性地調(diào)查評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)耕地的自然條件和利用情況，耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)采用典型地塊抽樣調(diào)查法，以土壤取樣調(diào)查為核心，以影像記錄耕地周邊環(huán)境及調(diào)查采樣的實(shí)施過(guò)程，通過(guò)土壤取樣調(diào)查獲得樣品和產(chǎn)量、投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效率等數(shù)據(jù)，以測(cè)算耕地的自然、利用和經(jīng)濟(jì)等別。監(jiān)測(cè)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)工作的核心和基礎(chǔ)，也是室內(nèi)分析和野外調(diào)查采樣工作的重要橋梁。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)角度出發(fā)，野外調(diào)查采樣必須滿(mǎn)足以下條件：

1）成果代表性：為得到具有區(qū)域空間代表性的成果，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇應(yīng)與監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)大部分田塊在土壤類(lèi)型、利用方式、種植制度和農(nóng)田設(shè)施方面等具有一致性，且較為穩(wěn)定。

2）編碼規(guī)范性：通常縣域監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)目在40個(gè)以上，數(shù)量較多。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位、1組數(shù)據(jù)庫(kù)屬性、1份土壤樣品、1張監(jiān)測(cè)點(diǎn)調(diào)查表、1組照片記錄以及多張農(nóng)戶(hù)調(diào)查表等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)貫穿室內(nèi)分區(qū)選點(diǎn)、野外調(diào)查、樣品分析和內(nèi)業(yè)分析的全過(guò)程，因此要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編碼規(guī)范且唯一，在各個(gè)環(huán)節(jié)中能一一對(duì)應(yīng)。

3）指標(biāo)可量化性：調(diào)查采樣信息應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及各地區(qū)特點(diǎn)，進(jìn)行具有可比性的量化工作，包括表層土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、pH值、有效土層厚度等土壤性質(zhì)，地形坡度、田面坡度、灌溉保證率和排水條件等耕地環(huán)境條件，以及作物產(chǎn)量和產(chǎn)量比、投入產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)效益等。

2 調(diào)查采樣設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)查采樣流程設(shè)計(jì)

基于野外調(diào)查采樣要求，依照相關(guān)技術(shù)規(guī)程，遵循高效、經(jīng)濟(jì)原則，設(shè)計(jì)調(diào)查采樣流程如圖1所示。

圖1 野外調(diào)查采樣流程

2.2 調(diào)查采樣方法設(shè)計(jì)

2.2.1 前期準(zhǔn)備

1）分區(qū)布點(diǎn)：根據(jù)區(qū)域內(nèi)自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件，運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行空間疊加劃分監(jiān)測(cè)區(qū)，并根據(jù)主導(dǎo)因素原則，確定監(jiān)測(cè)區(qū)漸變類(lèi)型；遵循空間代表性、集中連片和盡量少受人為干擾等原則，通過(guò)多因素組合、變異函數(shù)和空間差值等算法模型，考慮突發(fā)狀況的應(yīng)急，布設(shè)一定數(shù)量的能滿(mǎn)足空間分布規(guī)律和相關(guān)條件的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及同等條件的備用監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2）路徑規(guī)劃：遵循時(shí)間高效和費(fèi)用經(jīng)濟(jì)原則，運(yùn)用最短路徑規(guī)劃原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到多條路徑方案［17,18］。結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖?、交通等?shí)際情況，考慮農(nóng)民參與調(diào)查意愿以及其他各種因素等影響，征求土地權(quán)屬擁有者的意見(jiàn)，優(yōu)化路徑。

3）編碼管理：根據(jù)編碼規(guī)范化和唯一性的要求，給予數(shù)據(jù)庫(kù)中每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)唯一編號(hào)，并統(tǒng)一帶編號(hào)輸出監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)屬性表和調(diào)查底圖等資料。同時(shí)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)調(diào)查表正反面均標(biāo)記上監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)，將調(diào)查表背面用作立桿標(biāo)記的號(hào)牌，采樣拍照時(shí)，將號(hào)牌一同拍入；在土壤取樣和調(diào)查表填寫(xiě)完畢后與土樣一起密封裝袋，以避免土樣混淆。

2.2.2 監(jiān)測(cè)定位

1）路線(xiàn)導(dǎo)航和點(diǎn)位確定：根據(jù)路線(xiàn)走向，在手機(jī)導(dǎo)航APP中依次輸入監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，通過(guò)地圖導(dǎo)航到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，核對(duì)實(shí)際耕地類(lèi)型與監(jiān)測(cè)點(diǎn)屬性表記錄中是否一致，然后帶好相應(yīng)的調(diào)查表和工具，并在GPS工具中記錄下監(jiān)測(cè)單元地址、精確坐標(biāo)，便于后期核查。

2）環(huán)境勘察和立桿標(biāo)記：基本信息確認(rèn)完成后，環(huán)顧四周，仔細(xì)觀察耕地周邊地形地貌、灌溉排水條件等，尋找合適的取樣位置，立桿為記，并拍攝監(jiān)測(cè)點(diǎn)景觀照片。

2.2.3 耕地取樣

根據(jù)野外調(diào)查采樣的指標(biāo)可量化要求，需要開(kāi)展表土取樣和剖面觀測(cè)兩種。

1）表土取樣：用鍬鏟或筒形取樣器垂直于地面入土，除測(cè)定鹽堿地的鹽分外，需剝離表層腐殖質(zhì)2～3 cm，采集15～20 cm深度的耕作層土樣，取樣厚度5～7 cm。盡量保證每個(gè)采樣點(diǎn)的取土深度和重量一致，且上下層比例相同［19］。對(duì)于不同的取土工具，如圖2所示，鍬鏟取土?xí)r將鐵鍬垂直深入田面約20 cm，取中間部分；取土鉆取土先剝掉2～3 cm表層土壤，用長(zhǎng)20 cm、直徑5 cm左右的取土鉆或鐵管垂直向下，使土壤充滿(mǎn)鐵管，再把鐵管四周土壤清除，在鐵管下口把土取出，修理成型。對(duì)于重金屬污染監(jiān)測(cè)樣本采集，最好用木器或竹器進(jìn)行采集。

圖2 鐵鏟、取土鉆取土示意

此外，由于土壤本身存在空間分布的不均衡性，依照代表性和隨機(jī)化原則，采用混合采樣法，多點(diǎn)取土后在混樣盆中混合均勻，然后運(yùn)用四分法留約1 kg土樣裝袋。不同的條件下，取樣布點(diǎn)的方法不同，常用的主要有4種［19-21］，如表1所示。

表1 表土取樣的布點(diǎn)方法

2）剖面觀測(cè)：土壤剖面挖深約1 m，具體深度根據(jù)是否達(dá)到母質(zhì)層或地下水層而定。剖面挖掘后，根據(jù)土壤剖面性狀確定土壤有效土層厚度、障礙層深度以及剖面構(gòu)型等。立牌標(biāo)記后，用鋼尺或標(biāo)尺測(cè)量各層深度。土壤剖面的劃分、觀察和記錄均采取自上而下的方法，通常是在各層最典型的中部采取，以保證樣品明顯地反映各層屬性［19,21］。土壤剖面挖掘方法如圖3所示。

圖3 土壤剖面挖掘示意

2.2.4 成果核查送檢

為確保調(diào)查采樣完成，在離開(kāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位前，需進(jìn)行點(diǎn)位、調(diào)查表、土樣和照片等成果核查。主要核查采樣記錄與GPS導(dǎo)航記錄點(diǎn)位是否一致；調(diào)查表是否填寫(xiě)完整，編號(hào)是否正確，有無(wú)屬性缺失；土樣是否滿(mǎn)足需求；現(xiàn)場(chǎng)照片是否有編號(hào)作為分辨依據(jù)，數(shù)量和內(nèi)容是否滿(mǎn)足。然后，將保鮮袋裝好的土樣和背面朝外的調(diào)查表一同放入密封袋，貼上相應(yīng)的點(diǎn)號(hào)標(biāo)簽，回填采樣點(diǎn)。待野外調(diào)查采樣完成后，將耕地土壤樣品封裝送檢，并根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)調(diào)查表和野外照片，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)檔案，及時(shí)將調(diào)查數(shù)據(jù)電子化記錄。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概況

秭歸縣位于湖北省西部，境內(nèi)構(gòu)成獨(dú)特的長(zhǎng)江三峽山地地貌，形成“八山半水一分半田”的土地格局。截至2014年底，秭歸縣耕地面積299 956 000 m2，占縣域面積的13.19%。耕地質(zhì)量等別較高，肥力空間分布差異較大。秭歸縣2015年耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)以有效土層厚度、灌溉保證率、土壤有機(jī)質(zhì)含量和pH值為主導(dǎo)因素，劃分了水土流失型、逐步干旱型、肥力衰退型和酸化型4種漸變類(lèi)型，9個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)。在11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個(gè)村布設(shè)38個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分4條路徑開(kāi)展。其固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 秭歸縣耕地質(zhì)量固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3.2 調(diào)查采樣實(shí)施

3.2.1 工具設(shè)備

監(jiān)測(cè)采樣工具資料準(zhǔn)備如表2所示。

3.2.2 人員安排

野外調(diào)查采樣4人為一小組，其中1名男性承擔(dān)挖坑取土；另1名男性為技術(shù)人員，負(fù)責(zé)辨別土樣、調(diào)查詢(xún)問(wèn)、協(xié)助取土等；1名女性為記錄人員，負(fù)責(zé)路線(xiàn)導(dǎo)航、填表拍照和團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)；還有1名為熟悉秭歸縣地形和方言的當(dāng)?shù)厮緳C(jī)，協(xié)助調(diào)查。

3.2.3 采樣實(shí)施

本次采樣需現(xiàn)場(chǎng)獲取地形坡度、田面坡度、灌排條件、土壤表層質(zhì)地、剖面構(gòu)型和障礙層深度等，帶回土樣測(cè)定酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量和鹽漬化程度等。為滿(mǎn)足土壤樣品的代表性，結(jié)合實(shí)際條件，使用鐵鍬和取土鉆，依照對(duì)角線(xiàn)法取深度為15～20 cm的耕作層土樣，四分法留約1 kg的土樣。并對(duì)水土流失區(qū)進(jìn)行約1 m深的土壤剖面挖掘。

表2 野外調(diào)查采樣工具需求

3.3 調(diào)查采樣結(jié)果

基于2.1和2.2的流程和采樣方法，秭歸縣2015年度耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)野外調(diào)查采樣工作共完成了38個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的調(diào)查采樣任務(wù)。

從監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和空間分布來(lái)說(shuō)，本次采樣的38個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，包括水田7個(gè)、旱地31個(gè)，共填寫(xiě)監(jiān)測(cè)點(diǎn)調(diào)查表38張，農(nóng)戶(hù)調(diào)查表70份。帶回土壤樣品38份，總重約45 kg。拍攝照片38組，共計(jì)有效照片432張。數(shù)量上符合同一漸變區(qū)內(nèi)不同利用等別上至少設(shè)置一個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)等規(guī)定；布局上考慮耕地均質(zhì)性，均勻布局，總體符合《湖北省耕地等別年度監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)方案》要求。

從時(shí)間效率來(lái)說(shuō)，考慮到秭歸縣屬于丘陵地區(qū)，地形起伏較大，長(zhǎng)江穿過(guò)縣域，交通相對(duì)困難，且冬季采樣易受低溫和降雨的影響等因素，預(yù)計(jì)采樣時(shí)間為6 d，平均每天采樣6～7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于雨雪造成交通不便和部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)通達(dá)道路受阻，臨時(shí)從同等條件的備選監(jiān)測(cè)點(diǎn)中替換了6個(gè)原監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采樣耗時(shí)增加了1 d，實(shí)際采樣于7 d內(nèi)完成。就單點(diǎn)采樣時(shí)間來(lái)說(shuō)，根據(jù)流程設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)水土流失區(qū)采樣約30 min完成一個(gè)點(diǎn)，其他監(jiān)測(cè)區(qū)約20 min一個(gè)點(diǎn)。實(shí)際工作的頭一天單點(diǎn)采樣時(shí)間平均與計(jì)劃相同，隨著采樣人員對(duì)工作的熟練程度，時(shí)間逐漸減少，水土流失區(qū)約25 min完成一個(gè)點(diǎn)，其他監(jiān)測(cè)區(qū)約15 min，在時(shí)間上表現(xiàn)出較好的效率。

從成果質(zhì)量來(lái)說(shuō)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)調(diào)查表隨土樣裝袋密封，保存完好，記錄完整，編號(hào)與土樣對(duì)應(yīng)，整理方便；農(nóng)戶(hù)調(diào)查表記錄完整，產(chǎn)能計(jì)算無(wú)數(shù)據(jù)缺失；采樣過(guò)程照片清晰，能明確反映工作過(guò)程，且照片上均有監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)牌，內(nèi)業(yè)整理便捷，不會(huì)混淆。

總體上，秭歸縣2015年度耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)野外調(diào)查采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量上滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求，空間布局較為均勻，耗時(shí)合理，調(diào)查成果完整和規(guī)范，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)采樣標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)的重要環(huán)節(jié)，野外調(diào)查采樣是一項(xiàng)具有空間距離遠(yuǎn)、業(yè)務(wù)流程繁瑣的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)采集工作。本文根據(jù)相關(guān)規(guī)程和要求，基于各縣市的實(shí)際工作開(kāi)展，設(shè)計(jì)了野外調(diào)查采樣技術(shù)流程以及前期準(zhǔn)備、取土采樣和核查送檢等方法，并在湖北省秭歸縣2015年度耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)工作中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。該應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的野外調(diào)查采樣流程和方法具有較好的實(shí)際操作性，能有效發(fā)揮資源配置和整合作用，降低人為操作的失誤，減少人力、物力等資源浪費(fèi)，提高工作效率，可為管理部門(mén)或技術(shù)單位工作實(shí)踐提供一定的參考。同時(shí)，在野外調(diào)查采樣的工作組織、路徑規(guī)劃以及人力、物料和時(shí)間等資源配置優(yōu)化等方面，仍具有進(jìn)一步研究的空間。

[1] 杜國(guó)明,劉彥隨,于鳳榮,等． 耕地質(zhì)量觀的演變與再認(rèn)識(shí)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(14):243-249

[2] 馬建輝,吳克寧,趙華甫,等． 基于農(nóng)用地分等的耕地質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系研究[J]．中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃,2013, 34(5):133-139

[3] 葛向東,許彥曦,彭補(bǔ)拙．縣級(jí)耕地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系的理論與方法研究[J]．經(jīng)濟(jì)地理,2001(3):346-350

[4] 沈仁芳,陳美軍,孔祥斌,等．耕地質(zhì)量的概念和評(píng)價(jià)與管理對(duì)策[J]．土壤學(xué)報(bào),2012(6):1 210-1 217

[5] 周波,吳茗華,程炯,等．耕地自然質(zhì)量等級(jí)與土壤主要肥力指標(biāo)的關(guān)系[J]．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2014, 35(6):46-51

[6] 趙彥鋒,程道全,陳杰,等． 耕地地力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建中的問(wèn)題與分析邏輯[J]．土壤學(xué)報(bào),2015(6):1 197-1 208

[7] 莊雅婷, 陳訓(xùn)爭(zhēng), 范勝龍, 等． 基于Kriging插值的高效耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方式研究——以建甌市為例[J]． 亞熱帶水土保持, 2013(2):17-22

[8] 馬建輝．基于變異函數(shù)和等別類(lèi)型的耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)布設(shè)研究[J]．世界農(nóng)業(yè),2015(5):111-116

[9] 余述瓊,張蚌蚌,相慧,等．基于因素組合的耕地質(zhì)量等級(jí)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn)布控方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014(24):288-297

[10] 王雨晴．耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)成果應(yīng)用分析[J]．黑龍江科技信息,2015(14):289

[11] 曹宗果,王玉志,閆弘文,等．沂南縣耕地質(zhì)量更新評(píng)價(jià)及保護(hù)分區(qū)[J]．山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2016(2):260-265

[12] 王桂陽(yáng)．對(duì)耕地“質(zhì)保”背景下耕地質(zhì)量等別更新評(píng)價(jià)工作的幾點(diǎn)建議[J]．國(guó)土資源,2015(8):48-50

[13] 馬建輝．我國(guó)耕地質(zhì)量等別監(jiān)測(cè)工作相關(guān)問(wèn)題的介紹與探討[J]．邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2015(6):74-77

[14] 權(quán)全, 解建倉(cāng), 沈冰, 等． 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及遙感圖片的土壤采樣方法[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010(12):237-241

[15] 韓宗偉, 黃魏, 羅云, 等． 基于路網(wǎng)的土壤采樣布局優(yōu)化——模擬退火神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015(3):891-900

[16] 陳天恩, 董靜, 陳立平, 等． 縣域農(nóng)田土壤采樣布局多目標(biāo)優(yōu)化分析模型[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012(23):67-73

[17] 李雪瓊, 陳犖, 熊偉,等． 面向OSM數(shù)據(jù)的多模式路徑規(guī)劃方法[J]．地理空間信息, 2015(5):41-43

[18] 孫騫, 許睿, 萬(wàn)航． 基于GIS的復(fù)雜環(huán)境空間通達(dá)性預(yù)測(cè)方法研究[J]．地理空間信息, 2015, 13(6):71-73

[19] 劉光崧． 土壤理化分析與剖面描述[M]． 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1996:1-4

[20] 李春鳴． 土壤樣品的采集和處理[J]． 西北民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2003, 24(3):74-75

[21] 全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心． 土壤分析技術(shù)規(guī)范(第2版)[M]．農(nóng)業(yè)出版社, 2014