土壤重金屬調(diào)查采樣數(shù)目的確定方法研究進展分析

林 健

（廣東省核工業(yè)地質(zhì)局輻射環(huán)境監(jiān)測中心，廣東 廣州 510800）

汞、鉛、銅、鉻、鐵、錳、鋅、砷等是土壤重金屬的污染物的主要成分，砷不在金屬類的范疇，但是由于其產(chǎn)生的原因及危害作用和重金屬相類似，所以也被列入重金屬類進行研究分析。重金屬的毒性作用非常打，對于植物而言，土壤中含有的鎘、汞、鉛可以直接導(dǎo)致植物不能很好的生長發(fā)育，如果被人類食用，也會造成人體免疫力下降，各項身體機能遲緩，進而危害人體健康，同時，植物生長所需的必要元素，例如銅、鋅等會對環(huán)境造成多種污染。有數(shù)據(jù)顯示，至今為止，重金屬已經(jīng)多達幾十種，同種類型的金屬，由于自身產(chǎn)生的原因以及相關(guān)特性不同，它們對土壤產(chǎn)生的危害也不同，所以，應(yīng)該對土壤重金屬的相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)查和采樣，為優(yōu)化和改進土壤研究進行更深入的探討。

1 優(yōu)化采樣策略的意義

采樣策略，主要是指在采集樣本過程中，經(jīng)過對采樣點的相關(guān)數(shù)據(jù)進行優(yōu)化管理后，進行一定的布局和選擇，進而達到調(diào)查的目的，在進行采樣過程中，相關(guān)人員應(yīng)該全面的、綜合的考慮研究成本和精確度要求，在提前合理的預(yù)測情況下，充分的應(yīng)對不同的形式并制定相對完善的方案，擇優(yōu)選擇最佳戰(zhàn)略[1]。

1.1 土壤特性采樣研究的基本流程

進行土壤采樣研究，可以準確、完整的進行數(shù)據(jù)分析和樣本采集設(shè)計。采樣設(shè)計大多數(shù)情況下是在統(tǒng)計并不全面調(diào)查的狀態(tài)下進行的，即指相關(guān)工作人員結(jié)合研究的實際情況，依據(jù)相關(guān)調(diào)查方案采用一定的研究方法進而完成采樣調(diào)查分析的過程。由于采樣人員所掌握的操作流程不同，加上受到外界環(huán)境因素的干擾，所調(diào)查出來的結(jié)果也會不同，會對土壤數(shù)據(jù)研究的抽樣檢測產(chǎn)生一定的影響。針對實驗室的統(tǒng)計分析誤差情況來看，不合理的采樣設(shè)計對土壤研究的影響最大，由此可以得出，土壤采樣設(shè)計是土壤特性研究的根本，良好的采樣工作可以幫助研究人員得出科學(xué)的數(shù)據(jù)信息。

進行科學(xué)合理的采樣策略是保持土壤特性研究并分析土壤特性的基礎(chǔ)。進行抽樣策略調(diào)查可以保統(tǒng)計投入成本和數(shù)據(jù)的準確性和平衡性[2]，抽樣人員可以投入最小的人力成本、物力成本來獲取更有利的樣本采集數(shù)據(jù)，保證了土壤研究的完整性。另外，進行土壤采樣設(shè)計，良好的研究策略可以幫助研究人員提高組織效率。例如，采用樣點分部策略可以對土壤空間信息和采樣數(shù)量進行整理，為后期的數(shù)據(jù)檢測提供了一些有利的條件，但是此種采樣方法卻會經(jīng)常忽略空間作用，導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和檢測出現(xiàn)錯誤。所以，為了滿足采集設(shè)計的不同要求，相關(guān)人員應(yīng)確保數(shù)據(jù)信息量、研究對象不會重復(fù)，選用最為適宜的方法進行土壤研究。

1.2 土壤特性研究的數(shù)據(jù)保障

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的大時代背景之下，人類利用各種電子信息技術(shù)和科學(xué)研究方法，在結(jié)合空間信息對土壤進行深入的分析，例如，在氣象檢測、土壤數(shù)據(jù)和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展方面。除此之外，由于研究領(lǐng)域范圍的不斷擴大，研究人員所需要的土壤特性以及相對維度也越來越多，利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模式和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)無法獲得更為全面的數(shù)據(jù)，有可能為土壤研究工作的開展形成了一定阻礙。在相關(guān)人員不斷探討下，研究了新型的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)方法，該種技術(shù)方法是一個涉及多種學(xué)科領(lǐng)域的一門專業(yè)技術(shù)，具體包括機器學(xué)習(xí)、人工智能，統(tǒng)計操作等方面，其中，離群樣點數(shù)據(jù)檢測是數(shù)據(jù)挖掘的基本環(huán)節(jié)之一，該種方法主要是經(jīng)過數(shù)據(jù)分析找出隱藏的潛在信息，進而消除離群樣本對整體樣本研究形成的不利因素，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和相關(guān)檢測方法的有機協(xié)調(diào)。

2 土壤重金屬調(diào)查采樣數(shù)目確定的方法

2.1 經(jīng)驗型方法

在土壤重金屬調(diào)查采樣過程中，經(jīng)驗型方法是相關(guān)學(xué)者最早使用的方法。該種操作方法具有一定的工作難度，操作流程相對復(fù)雜，應(yīng)該邀請一些土壤研究經(jīng)驗豐富且實際工作經(jīng)驗較強的專家進行操作，這些專家在研究過程中，應(yīng)該保證土壤檢測環(huán)境的精度在71%～81%之間[3]，并通過一定的技術(shù)手段核算此次研究的土壤采集樣本數(shù)量、相關(guān)研究成本和費用。有相關(guān)研究學(xué)者曾經(jīng)提出，如果土壤研究數(shù)據(jù)沒有一定的精度限制，就要在狹小的檢測空間設(shè)置幾十個采樣點；還有學(xué)者通過大量實踐證明，在對土壤成分砷進行空間分析時，發(fā)現(xiàn)當砷進行基因變異時，在1601m×2705m 的空間區(qū)域內(nèi)，相關(guān)研究人員應(yīng)根據(jù)土壤性質(zhì)以及地質(zhì)情況進行合理的規(guī)劃，一般應(yīng)該設(shè)置400 個樣本采集點。這種調(diào)查方法在一定程度上保證了數(shù)據(jù)信息的真實性，流程也相對繁瑣，經(jīng)常有調(diào)查人員敷衍偷懶不作為，簡化操作流程，不按照規(guī)定的采集數(shù)目進行分析，導(dǎo)致相關(guān)土壤數(shù)據(jù)重復(fù)統(tǒng)計。另外，還有一種相對久遠的統(tǒng)計方法即目的性采樣方法，它是相關(guān)土壤專家在確定具有代表性的樣點統(tǒng)計之后，利用以往的經(jīng)驗所推出的研究方法，在早期土壤調(diào)查案例中，相關(guān)專家會進行實地的土壤采樣收集，進而確定土壤樣本空間位置，例如，有些典型目的采樣案例表明，在大約為76.5%的精度制圖操作下，以61km2的空間范圍內(nèi)為例，設(shè)置36個樣點最為適宜。此種方法過分依賴于土壤專家的主觀判斷和以往的實踐經(jīng)驗的指導(dǎo)，并沒有形成統(tǒng)一的理論知識結(jié)構(gòu)和相關(guān)經(jīng)驗框架，在應(yīng)用過程中，往往會形成操作混亂的局面。隨著科技的不斷的發(fā)展和相關(guān)人員的自主創(chuàng)新，統(tǒng)計學(xué)方法由此誕生。

2.2 統(tǒng)計學(xué)方法

（1）經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)方法。進行土壤樣本數(shù)據(jù)采集不僅要收集土壤樣本的變異程度，還要關(guān)注研究樣本的總量、精確水平和相關(guān)置信區(qū)間，應(yīng)該確保土壤采集樣本的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)并相關(guān)獨立，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

在此個公式中，N 代表適宜的采集樣本數(shù)量，z(α,f)代表某一個置信標準水平下的正態(tài)標準偏差，其中，α 代表顯著水平，一般應(yīng)在91%～96%之間；f 為自由程度，CV 代表了相關(guān)變異指數(shù)，P 則是一定的誤差系數(shù)。值得注意的是，調(diào)查核人員通過變異指數(shù)可以推導(dǎo)出初始的土壤信息，具有一定的參考價值。這種統(tǒng)計調(diào)查方法可以準確實時的在置信水平和精度合理的情況下，計算出土壤研究范圍內(nèi)樣本的數(shù)量。一旦土壤內(nèi)的重金屬變異指數(shù)增加，土壤精度的樣本要求數(shù)量也會增多[4]。在同一個變異指數(shù)中，精度的要求性較高致使采集的樣點數(shù)目也會增多，相關(guān)土壤研究期刊中報道，土壤砷的變異系數(shù)為19.10%時，當相對誤差從11%降到6%時，調(diào)查采集的樣本數(shù)量就應(yīng)該從7 個增長到36 個，還有專家指出，當相對誤差在10.5%左右[5]，土壤汞的變異指數(shù)會由11.5%增長到36.5%，調(diào)查采集的樣本數(shù)量就應(yīng)該從8個增長到55 個。這種空間性的方法在計算方面也存在漏洞，相關(guān)人員會受到相關(guān)因素影響，無法設(shè)置適量的采集數(shù)目來滿足樣本精度要求。因此，為了準確估計土壤重金屬的采樣數(shù)量，相關(guān)人員還應(yīng)該不斷研究，合理規(guī)劃土壤采樣點、優(yōu)化采樣數(shù)量，并結(jié)合先進的調(diào)查方案，確保土壤調(diào)查順利開展。

（2）地統(tǒng)計學(xué)。地統(tǒng)計學(xué)，是指應(yīng)用數(shù)學(xué)中發(fā)展相對快速的一個統(tǒng)計分支，以區(qū)域變量為基礎(chǔ)，借助一定的變異函數(shù)，確保研究項目的隨機性以及結(jié)構(gòu)性。在土壤重金屬調(diào)查中，克里格方法通過對采樣區(qū)域變化的數(shù)據(jù)變量進行線性取值，進而額做出最優(yōu)的信息檢測和評估。普通的克里格法在地統(tǒng)計學(xué)分析中應(yīng)用最為普遍，它是一個多元線性的回歸過程，根據(jù)抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)的隨機性，在實際測量的基礎(chǔ)上，進行最優(yōu)的調(diào)查計算[6]。

3 存在的問題和展望

3.1 主要問題

（1）要想在土壤重金屬調(diào)查中獲得真實、準確的數(shù)據(jù)，應(yīng)該采用多種先進的調(diào)查統(tǒng)計方法，在應(yīng)用克里格方法中，要要求采樣設(shè)計方案的多樣性，從而為后續(xù)的采樣分析和以后的檢測提供一定的保障，此種方法并不適用于沒有充分掌握統(tǒng)計知識的調(diào)查人員，專業(yè)性和技能性要求較高。

（2）建立多種模型的數(shù)據(jù)方案雖然可以應(yīng)對各種調(diào)查的突發(fā)狀況，但是在抽樣調(diào)查過程中會呈現(xiàn)過多的隨機性和主觀目的性，還有些調(diào)查人員會忽略采樣點的空間性而造成信息數(shù)據(jù)丟失、受損，浪費了大量對調(diào)查工作有利的資源。

（3）在3S 科技水平的不斷發(fā)展和應(yīng)用之下，針對地理空間而言，傳統(tǒng)的統(tǒng)計調(diào)查方法無法滿足土壤重金屬研究的工作需要[7]。

（4）科學(xué)有效的采樣設(shè)計方案往往都集中歸檔于縣級以上部門，研究范圍以及數(shù)據(jù)尺度上存在一定的弊端。另外，在確定采樣設(shè)計方案后，沒有建立健全完善的數(shù)據(jù)評估制度和相關(guān)評價體系標準，使得土壤調(diào)查研究的可行性和統(tǒng)一性較差。

3.2 展望

首先，在確定土壤重金屬采樣數(shù)量之前，要全面密切的的分析土壤重金屬的變異情況，同時確定土壤調(diào)查采樣的單元；其次，應(yīng)該加強經(jīng)驗型和統(tǒng)計學(xué)采樣方法的深研究，相關(guān)專家應(yīng)該探索出多種新型的統(tǒng)計方案，避免在工作過程中主觀臆斷，導(dǎo)致科學(xué)數(shù)據(jù)存在人為因素。進而采用最優(yōu)的調(diào)查方法開展相關(guān)研究工作；最后，因為目前國內(nèi)并沒有明確的分布狀態(tài)來提出土壤重金屬含量的檢測方法，導(dǎo)致土壤重金屬含量在研究中容易變異，從統(tǒng)計學(xué)角度考慮，應(yīng)通過正態(tài)分布結(jié)構(gòu)確定土壤采樣數(shù)據(jù)，不斷自主創(chuàng)新，為土壤研究與發(fā)展做出一份貢獻。

4 結(jié)語

總而言之，對于土壤重金屬的調(diào)查采樣方法并不是一成不變的，相關(guān)研究人員要做到與時俱進，統(tǒng)籌規(guī)劃，在全面分析土壤特性、重金屬含量的基礎(chǔ)上，選擇對研究工作最有利的方法，從一定程度上促進社會的可持續(xù)發(fā)展。