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)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430079；3.武漢大學(xué)數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430079）

耕地質(zhì)量等別監(jiān)測作為我國各縣市的年度常規(guī)工作，是加強(qiáng)耕地保護(hù)的一項重要舉措［1,2］。為指導(dǎo)、推進(jìn)耕地質(zhì)量等別監(jiān)測的科學(xué)開展，國內(nèi)已有諸多學(xué)者從耕地質(zhì)量評價理論［3,4］、指標(biāo)體系建立［5,6］、分區(qū)布點模型設(shè)計［7-9］、成果綜合應(yīng)用［10,11］和工作經(jīng)驗總結(jié)［12,13］等多方面進(jìn)行研究探討［14-16］。但總體來說，對野外調(diào)查采樣工作開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)測縣級野外調(diào)查采樣工作的實際出發(fā)，考慮野外作業(yè)、人員和工具等的復(fù)雜性和監(jiān)測點抽樣等要求，設(shè)計調(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)測工作為實例進(jìn)行方法的應(yīng)用實踐，為設(shè)計合理的野外調(diào)查采樣方法，科學(xué)高效地開展野外調(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，有針對性地調(diào)查評價與監(jiān)測耕地的自然條件和利用情況，耕地質(zhì)量等別監(jiān)測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)查采樣的實施過程，通過土壤取樣調(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)，以測算耕地的自然、利用和經(jīng)濟(jì)等別。監(jiān)測點是監(jiān)測工作的核心和基礎(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)測點角度出發(fā)，野外調(diào)查采樣必須滿足以下條件：

1）成果代表性：為得到具有區(qū)域空間代表性的成果，監(jiān)測點的選擇應(yīng)與監(jiān)測區(qū)內(nèi)大部分田塊在土壤類型、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?？h域監(jiān)測點數(shù)目在40個以上，數(shù)量較多。每個監(jiān)測點對應(yīng)1個坐標(biāo)點位、1組數(shù)據(jù)庫屬性、1份土壤樣品、1張監(jiān)測點調(diào)查表、1組照片記錄以及多張農(nóng)戶調(diào)查表等。監(jiān)測點貫穿室內(nèi)分區(qū)選點、野外調(diào)查、樣品分析和內(nèi)業(yè)分析的全過程，因此要求監(jiān)測點的編碼規(guī)范且唯一，在各個環(huán)節(jié)中能一一對應(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，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

2.1 調(diào)查采樣流程設(shè)計

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

2.2.1 前期準(zhǔn)備

1）分區(qū)布點：根據(jù)區(qū)域內(nèi)自然和社會經(jīng)濟(jì)條件，運用ArcGIS進(jìn)行空間疊加劃分監(jiān)測區(qū)，并根據(jù)主導(dǎo)因素原則，確定監(jiān)測區(qū)漸變類型；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)量的能滿足空間分布規(guī)律和相關(guān)條件的監(jiān)測點以及同等條件的備用監(jiān)測點。

2）路徑規(guī)劃：遵循時間高效和費用經(jīng)濟(jì)原則，運用最短路徑規(guī)劃原理，通過計算機(jī)運算得到多條路徑方案［17,18］。結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖?、交通等實際情況，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，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)庫中每個監(jiān)測點唯一編號，并統(tǒng)一帶編號輸出監(jiān)測點坐標(biāo)屬性表和調(diào)查底圖等資料。同時，在監(jiān)測點調(diào)查表正反面均標(biāo)記上監(jiān)測點號，將調(diào)查表背面用作立桿標(biāo)記的號牌，采樣拍照時，將號牌一同拍入；在土壤取樣和調(diào)查表填寫完畢后與土樣一起密封裝袋，以避免土樣混淆。

2.2.2 監(jiān)測定位

1）路線導(dǎo)航和點位確定：根據(jù)路線走向，在手機(jī)導(dǎo)航APP中依次輸入監(jiān)測點坐標(biāo)信息，通過地圖導(dǎo)航到達(dá)監(jiān)測點位，核對實際耕地類型與監(jiān)測點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)測點景觀照片。

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，需要開展表土取樣和剖面觀測兩種。

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。盡量保證每個采樣點的取土深度和重量一致，且上下層比例相同［19］。對于不同的取土工具，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20 cm、直徑5 cm左右的取土鉆或鐵管垂直向下，使土壤充滿鐵管，再把鐵管四周土壤清除，在鐵管下口把土取出，修理成型。對于重金屬污染監(jiān)測樣本采集，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，多點取土后在混樣盆中混合均勻，然后運用四分法留約1 kg土樣裝袋。不同的條件下，取樣布點的方法不同，常用的主要有4種［19-21］，如表1所示。

表1 表土取樣的布點方法

2）剖面觀測：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，在離開監(jiān)測點位前，需進(jìn)行點位、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)航記錄點位是否一致；調(diào)查表是否填寫完整，編號是否正確，有無屬性缺失；土樣是否滿足需求；現(xiàn)場照片是否有編號作為分辨依據(jù)，數(shù)量和內(nèi)容是否滿足。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)的點號標(biāo)簽，回填采樣點。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)測點調(diào)查表和野外照片，建立監(jiān)測點檔案，及時將調(diào)查數(shù)據(jù)電子化記錄。

3 實例應(yīng)用

3.1 實驗項目概況

秭歸縣位于湖北省西部，境內(nèi)構(gòu)成獨特的長江三峽山地地貌，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種漸變類型，9個監(jiān)測區(qū)。在11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)36個村布設(shè)38個固定監(jiān)測點，分4條路徑開展。其固定監(jiān)測點分布如圖4所示。

圖4 秭歸縣耕地質(zhì)量固定監(jiān)測點分布

3.2 調(diào)查采樣實施

3.2.1 工具設(shè)備

監(jiān)測采樣工具資料準(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)查詢問、協(xié)助取土等；1名女性為記錄人員，負(fù)責(zé)路線導(dǎo)航、填表拍照和團(tuán)隊協(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 采樣實施

本次采樣需現(xiàn)場獲取地形坡度、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，帶回土樣測定酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量和鹽漬化程度等。為滿足土壤樣品的代表性，結(jié)合實際條件，使用鐵鍬和取土鉆，依照對角線法取深度為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)測野外調(diào)查采樣工作共完成了38個固定監(jiān)測點的調(diào)查采樣任務(wù)。

從監(jiān)測點數(shù)量和空間分布來說，本次采樣的38個固定監(jiān)測點中，包括水田7個、旱地31個，共填寫監(jiān)測點調(diào)查表38張，農(nóng)戶調(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)置一個固定監(jiān)測點等規(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)測評價技術(shù)方案》要求。

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

從成果質(zhì)量來說，所有監(jiān)測點調(diào)查表隨土樣裝袋密封，保存完好，記錄完整，編號與土樣對應(yīng)，整理方便；農(nóng)戶調(diào)查表記錄完整，產(chǎn)能計算無數(shù)據(jù)缺失；采樣過程照片清晰，能明確反映工作過程，且照片上均有監(jiān)測點號牌，內(nèi)業(yè)整理便捷，不會混淆。

總體上，秭歸縣2015年度耕地質(zhì)量等別監(jiān)測野外調(diào)查采樣監(jiān)測點數(shù)量上滿足監(jiān)測要求，空間布局較為均勻，耗時合理，調(diào)查成果完整和規(guī)范，滿足監(jiān)測采樣標(biāo)準(zhǔn)和要求。

4 結(jié) 語

作為耕地質(zhì)量等別監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，野外調(diào)查采樣是一項具有空間距離遠(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，基于各縣市的實際工作開展，設(shè)計了野外調(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)測工作中進(jìn)行應(yīng)用實踐。該應(yīng)用證明，設(shè)計的野外調(diào)查采樣流程和方法具有較好的實際操作性，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，提高工作效率，可為管理部門或技術(shù)單位工作實踐提供一定的參考。同時，在野外調(diào)查采樣的工作組織、路徑規(guī)劃以及人力、物料和時間等資源配置優(yōu)化等方面，仍具有進(jìn)一步研究的空間。

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