基于?？诔青l(xiāng)環(huán)境梯度帶劃定的土壤點位布設思路與方法

吳 姬，伍成成，莊曉娟，許杏紅

（海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，海南 海口 571126）

0 引言

土壤監(jiān)測點位布設是了解地區(qū)土壤屬性空間分布的基礎[1]。海口市作為海南省會城市，經濟發(fā)展相對快速，工業(yè)企業(yè)較多且集中分布。2020年?？谑袑崿F(xiàn)地區(qū)生產總值1791.6億元，比上年增長5.3%，三次產業(yè)結構比為4.5∶15.0∶80.5[2]。國內不少學者針對?？谑谐鞘型寥繹3]、主城區(qū)農田[4]、農村土壤[5]、城郊蔬菜基地[6]等特定區(qū)域的土壤進行點位布設和樣品采集，開展土壤重金屬、理化指標或有機污染物等研究。但綜合考慮?？诓煌瑓^(qū)域特點，開展土壤點位布設的研究相對缺乏，點位布設的思路和方法尚未明確。因此，本研究在劃定海口城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)、自然區(qū)等4個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶的基礎上，探究?？诓煌青l(xiāng)環(huán)境梯度帶土壤點位布設思路與方法，有利于實現(xiàn)合理評價?？谑型寥拉h(huán)境質量和污染現(xiàn)狀，滿足海口市土壤污染防治與管控、生態(tài)健康評價等要求。

1 研究區(qū)概況

海口市位于北緯19°31′32″～20°04′52″，東經110°07′22″～110°42′32″?？偯娣e3126.82 km2，其中陸地面積2296.82 km2，占73.46%；海域面積830 km2，占26.54%。2020年，?？谑?020年農林用地約16.84萬hm2，占全市陸域總面積的74%；建設用地約3.73萬hm2，占16%；其他用地約2.32萬hm2，占10%。成土母巖主要包括基性火山巖、花崗巖、變質巖、沉積巖、第四系松散沉積物等5種類型。土壤類型主要為磚紅壤、新積土、水稻土、風沙土、火山灰土、石質土等。

2 研究思路

根據(jù)?？谑械某鞘邪l(fā)展歷史及現(xiàn)狀，借鑒國內學者針對?？谑谐青l(xiāng)交錯帶、城市邊緣區(qū)等劃定的研究，結合歷史資料和遙感影像等，將?？谑袆澐譃槌鞘兄行膮^(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)、自然區(qū)4個環(huán)境梯度。綜合考慮?？谑懈鞒青l(xiāng)環(huán)境梯度帶區(qū)域面積、農用地分布、點位布設需求等因素，確定合適的網(wǎng)格大小作為省控土壤基礎點位布設的網(wǎng)格尺度。陸泗進[7]、謝志宜[8]等研究發(fā)現(xiàn)2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km 3種采樣尺度均能較可靠地反映珠三角區(qū)域耕地土壤重金屬含量的整體狀況和空間變異情況，小尺度網(wǎng)格對區(qū)域環(huán)境質量反映和刻畫尤為細致。因此，本研究土壤點位擬采取基于?？诔青l(xiāng)環(huán)境梯度帶區(qū)域面積大小，采用不同網(wǎng)格尺度的點位布設方法。為科學反映?？谑型寥拉h(huán)境質量，本研究借鑒國家在農用地上布設土壤基礎點以說清土壤環(huán)境質量狀況及變化趨勢的思路，采取在不同?？诔青l(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地面積占優(yōu)網(wǎng)格內布設土壤點位的方法。

點位布設遵循代表性、可行性、覆蓋性原則。點位布設需統(tǒng)籌考慮土地利用方式、成土母巖、土壤類型、居民點分布、污染源分布等，實現(xiàn)所布設點位具有廣泛的代表性。點位布設應充分考慮人力和財力條件，確保技術和能力可行。點位布設應實現(xiàn)4個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶的多點位覆蓋，涵蓋4個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶的主要成土母巖和土壤類型。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)平臺

本研究的數(shù)據(jù)源主要包括規(guī)劃資料、年鑒資料、遙感影像、專題地理信息數(shù)據(jù)等。其中，遙感影像主要為Google地圖?？谑袣v史影像；專題地理信息數(shù)據(jù)包括行政區(qū)劃、土地利用現(xiàn)狀、成土母巖、土壤類型、生態(tài)保護紅線、河流湖庫、地形地貌、自然保護區(qū)、森林公園、地質公園、交通干線、污染源分布、居民點分布等。本研究主要使用的軟件平臺有ArcGIS系統(tǒng)和91衛(wèi)圖助手等。

3.2 布設方法

3.2.1 創(chuàng)建初始理論點位

利用Arc GIS軟件，在?？谑谐鞘兄行膮^(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)、自然區(qū)4個環(huán)境梯度帶上采用網(wǎng)格法布點。城市中心區(qū)和城鄉(xiāng)交錯區(qū)環(huán)境梯度帶是在張利利等[9]劃定的“?？谑谐青l(xiāng)交錯帶”內外邊界，琚青青等[10]界定的“?？谑谐鞘羞吘墔^(qū)”內外邊界的基礎上，結合?？谑谐鞘锌傮w規(guī)劃、海口土地利用現(xiàn)狀變化（特別是城鎮(zhèn)建設用地變化）和發(fā)展趨勢進行劃定。自然區(qū)初步選取海南?？谑交鹕饺簢业刭|自然公園、海南?？诨鹕絿疑肿匀还珗@，但鑒于這2個區(qū)域土層薄，土壤深層樣品采集不具備可行性，因此在城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)環(huán)境梯度帶以外區(qū)域，根據(jù)連片林地圖斑面積大小，選取3個林地成片分布面積較大的區(qū)域，劃定為自然區(qū)。城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、自然區(qū)劃定后，其他區(qū)域為農村區(qū)（見圖1）。城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、自然區(qū)、農村區(qū)的面積分別約為376.40 km2、780.54 km2、7.60 km2、1132.28 km2。

圖1 ?？谑谐青l(xiāng)環(huán)境梯度帶網(wǎng)格和中心點

國家“十三五”土壤環(huán)境質量監(jiān)測國控點位布設方法中規(guī)定對于全省耕地建立8 km×8 km網(wǎng)格、對于林草地建立32 km×32 km網(wǎng)格，海南省省控土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡則是對全省農用地統(tǒng)一建立6 km×6 km網(wǎng)格。結合?？谑?個環(huán)境梯度帶面積大小，本研究借鑒謝志宜[8]等對于小尺度網(wǎng)格對區(qū)域環(huán)境質量反映和刻畫尤為細致的研究成果，采用不同的小網(wǎng)格尺度，自然區(qū)建立0.5 km×0.5 km網(wǎng)格，城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)建立2 km×2 km網(wǎng)格，農村區(qū)建立4 km×4 km網(wǎng)格，統(tǒng)一生成網(wǎng)格中心點（見圖1）。自然區(qū)生成69個網(wǎng)格及其中心點，城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)分別生成131個、238個、187個網(wǎng)格及中心點。

3.2.2 優(yōu)化初始理論點位

（1）設定有效網(wǎng)格。國家“十三五”土壤環(huán)境質量監(jiān)測國控點位布設方法采用面積占優(yōu)法，在耕地或林地面積占比超過40%的網(wǎng)格內布設土壤點位。本研究參考利用面積占優(yōu)法，為保證土壤點位的代表性，對面積占優(yōu)比例進行調整，在自然區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)選取農用地面積超過60%的網(wǎng)格布設點位，城市中心區(qū)由于建設用地面積多，選取農用地面積超過35%的網(wǎng)格布設點位。

城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)農用地范圍主要根據(jù)《GB 15618—2018土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準》確定，GB 15618—2018中“農用地”指《GB/T 21010—2017土地利用現(xiàn)狀分類》中耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園）、草地（天然牧草地、人工牧草地）。結合GB 15618—2018中農用地類別，考慮海南省多園地（多橡膠、多果園）的特點，將海南省耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園、其他園地—含橡膠園）、草地（人工牧草地、天然牧草地）作為農用地統(tǒng)計圖斑。自然區(qū)農用地范圍為林地、耕地、園地、草地，即在上述三個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地范圍的基礎上增加林地，與《GB/T 21010—2017土地利用現(xiàn)狀分類》附錄A農用地分類一致。

自然區(qū)（含林地）、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)農用地面積滿足要求的有效網(wǎng)格數(shù)量分別為42個、46個、34個，城市中心區(qū)農用地面積滿足要求的有效網(wǎng)格數(shù)量為23個。

（2）選取有效網(wǎng)格。選取的有效網(wǎng)格應覆蓋各城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶的主要土壤類型、成土母巖，平衡分布于各城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶，一般不處于2個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶邊界。自然區(qū)、城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)選取的有效網(wǎng)格數(shù)量分別為12個、15個、20個、20個，共計67個有效網(wǎng)格（見圖2）。通過選定網(wǎng)格中心點、移動網(wǎng)格中心點等方式，確定選取的有效網(wǎng)格內的土壤點位，共計67個土壤點位。

（3）歷史點位分析。有效網(wǎng)格內有歷史監(jiān)測點位（省控網(wǎng)點位），該項目布設的土壤點位不能與歷史監(jiān)測點位重疊（距離＞500 m），或重新選取緊鄰的有效網(wǎng)格布設土壤點位。

（4）新增點位布設。有效網(wǎng)格內無歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，自然區(qū)在林地圖斑上布設點位，城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)應優(yōu)先在耕地或園地圖斑上布設點位。監(jiān)測點落在圖斑邊界的，盡量調整平移到圖斑的中部，且盡量靠近網(wǎng)格中心。

（5）疊加河（湖、庫）和山地圖層。選取的有效網(wǎng)格中心點落在大面積的河（湖、庫）面的，取消該類網(wǎng)格中心點，就近選擇非河（湖、庫）區(qū)域上的有效網(wǎng)格，選?。ɑ蛟黾樱┍O(jiān)測點作為備選。網(wǎng)格中心點落在山地，且點位所處位置采樣困難的，則取消該網(wǎng)格中心點，在附近有效網(wǎng)格選?。ɑ蛟黾樱┍O(jiān)測點作為備選。

（6）疊加污染源、居民點和交通道路緩沖區(qū)圖層。國家“十三五”土壤環(huán)境質量監(jiān)測國控點位布設方法中規(guī)定對于交通道路網(wǎng)150 m緩沖區(qū)以內、距離居民點300 m以內的點位（容易受到人為干擾，不具有長期監(jiān)測的連續(xù)性）或周邊600 m范圍內存在污染源的點位可舍棄、平移或與相鄰點位合并。據(jù)此本研究針對污染源生成600 m緩沖區(qū)、居民點生成300 m緩沖區(qū)、交通道路兩側生成150 m緩沖區(qū)，將網(wǎng)格點與緩沖區(qū)做疊置分析，判斷網(wǎng)格點是否落入緩沖區(qū)內，將落在此范圍內的網(wǎng)格點，平移到同一網(wǎng)格內，距離道路150 m以上、居民點300 m以上、污染源600 m以上的耕地（或園地、林地）處。城市中心區(qū)環(huán)境梯度帶結合實際情況在有效網(wǎng)格內確定點位，與交通道路、居民點、污染源的距離不做嚴格限制。

（7）疊加成土母巖和土壤類型。將優(yōu)化后的理論點位與成土母巖圖、土壤類型圖做疊置分析，獲取各網(wǎng)格點所對應的成土母巖、土壤類型等信息。整體分析布設點位覆蓋的成土母巖和土壤類型，針對?？谑胁煌青l(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地主要成土母巖和土壤類型進行個別點位位置調整，實現(xiàn)土壤點位對不同城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地主要成土母巖和土壤類型的全覆蓋。

3.2.3 調整點位密度

監(jiān)測點位應覆蓋?？谑懈鞒青l(xiāng)環(huán)境梯度帶主要涉及的成土母巖、土壤類型，若未覆蓋主要的成土母巖或土壤類型，則選取該城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地范圍內、最大片的未覆蓋成土母巖、土壤類型圖斑的中部位置，新增監(jiān)測點位，如在農村區(qū)成土母巖為第四系松散沉積物的區(qū)域新增3個點位，減少原來3個有效網(wǎng)格內的點位，土壤點位數(shù)量控制為20個。?？谑胁煌青l(xiāng)環(huán)境梯度帶土壤點位布設位置見圖3。

3.2.4 點位核實與確認

通過衛(wèi)星影像和現(xiàn)場勘查相結合的方式，對處于不同土地利用類型、土壤類型或成土母巖交界地區(qū)的點位，或點位土地利用方式可能發(fā)生變化的點位，進行舍棄、平移。對現(xiàn)場環(huán)境條件不具備采樣條件的，要對理論網(wǎng)格點位進行調整，以實現(xiàn)理論點位的核實確認和優(yōu)化。

3.2.5 點位布設合理性分析

海口市城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶土壤點位共布設67個，其中自然區(qū)12個、城市中心區(qū)15個、城鄉(xiāng)交錯區(qū)20個、農村區(qū)20個。自然區(qū)涉及的主要土壤類型為磚紅壤、火山灰土、石質土、紫色土，對應的土壤點位分別為5個、2個、2個、3個。城市中心區(qū)涉及的主要土壤類型為磚紅壤、水稻土、火山灰土、新積土，對應的土壤點位分別為8個、4個、2個、1個。城市交錯區(qū)涉及的土壤類型為磚紅壤、水稻土、火山灰土、石質土、新積土，對應的土壤點位分別為10個、5個、3個、1個、1個。農村區(qū)涉及的主要土壤類型為磚紅壤、水稻土，對應的土壤點位為18個、2個。?？谑型寥傈c位已基本覆蓋不同城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶農用地主要土壤類型。

?？谑凶匀粎^(qū)、城市中心區(qū)、城市交錯區(qū)、農村區(qū)等4個城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶涉及的主要成土母巖均為基性火山巖、第四系松散沉積物，自然區(qū)基性火山巖、第四系松散沉積物2種成土母巖對應的土壤點位為8個、4個，城市中心區(qū)2種成土母巖對應的土壤點位為11個、4個，城市交錯區(qū)2種成土母巖對應的土壤點位為16個、4個，農村區(qū)2種成土母巖對應的土壤點位為16個、4個。?？谑型寥傈c位已基本覆蓋不同城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶主要成土母巖。

4 結論與討論

（1）海口市土壤點位已基本覆蓋不同城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶主要成土母巖和土壤類型，布設合理，代表性較好，可反映?？谑胁煌青l(xiāng)環(huán)境梯度土壤環(huán)境質量現(xiàn)狀，為?？谑型寥拉h(huán)境質量、生態(tài)健康評價及土壤污染防治提供科學依據(jù)。

（2）本研究土壤點位布設方法綜合考慮了?？谑胁煌青l(xiāng)環(huán)境梯度帶、成土母巖、土壤類型特點，通過采取不同小網(wǎng)格尺度、統(tǒng)籌分析土地利用類型，及污染源、居民點和交通干線等分布，完成點位布設。土壤點位布設方法可為區(qū)域土壤點位布設提供借鑒。

（3）本研究土壤點位布設基于項目劃定的自然區(qū)、城市中心區(qū)、城鄉(xiāng)交錯區(qū)、農村區(qū)等4個不同城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶，后期隨著?？谑谐鞘邪l(fā)展，土地利用類型、工業(yè)企業(yè)分布、交通道路分布等將發(fā)生變化，城鄉(xiāng)環(huán)境梯度帶必將發(fā)生改變，土壤點位可進一步優(yōu)化調整。