阮業(yè)東，楊栩玥，楊偉衛(wèi)，蔡恒安，王 磊，閆 芳

(湖北省地質局 第一地質大隊,湖北 大冶 435100)

土地質量地球化學調查單元與評價單元不完全匹配(或不完全對應)是需要對圖斑進行賦值的根本原因。評價單元是土地質量地球化學等級劃分的最小單元[1],1∶5萬土地質量地球化學評價單元為土地利用現(xiàn)狀圖斑,研究的方法與應用均是基于其比例尺進行的。1∶5萬土地質量地球化學調查過程中樣點分布是結合土地利用圖斑與網(wǎng)格共同布設的,會出現(xiàn)部分大圖斑中有幾個調查樣點,同時部分小圖斑中沒有調查樣點的情況。為了使每個評價單元均有對應的調查結果并對其進行評價,就需要對采樣點未覆蓋到的圖斑進行賦值。對圖斑進行賦值時,當一個單元中有調查點時,直接用調查點的值對其賦值；當一個單元中有2個及以上數(shù)據(jù)時,用平均值進行評價單元的指標賦值；當一個單元中沒有調查點時,需要根據(jù)它周圍數(shù)據(jù)進行插值法對其賦值。

為了使未采樣的空白圖斑有一個最接近實際的值,需要對賦值方法進行研究,其可以最大程度地保證評價結果的合理性和真實性,本文將對此問題進行專門研究。

1 賦值研究區(qū)概況

屈家?guī)X管理區(qū)地質背景、土壤類型較為單一,土地平整,并且是第一次進行土地質量地球化學調查,優(yōu)選圖斑最全、土壤類型分布最廣泛的背景樣地尤為重要。本次研究綜合選取月湖生產隊的李家塆、陳家沖、五三農場、畜牧分場等1 km2范圍的地塊。該范圍內共有52個圖斑地層為全新統(tǒng)(沖積),土壤類型有潴育型水稻土灰潮土田、壤土型灰潮土,土地利用類型包含了水田、旱地、水澆地、坑塘、溝渠、居民地等多種地類。為了達到每個圖斑必須有樣點控制，在此范圍布設樣點30件(圖1)。采樣方式是以預布圖斑范圍+公里網(wǎng)為界限,以代表性為原則的多點組合式進行采樣；將采樣樣品在無污染條件下自然風干,過10目尼龍篩制成分析樣,分析指標同為1∶5萬土壤樣品。

圖1 圖斑賦值背景樣地Fig.1 Spot assignment background sample1.水田;2.旱地;3.園地;4.林地;5.公路用地;6.居民用地;7.河流、湖泊；8.設施農用地；9.土壤采樣點。

2 研究方法

(1) 用實測值按規(guī)范標準對該地塊各元素進行賦值評價。

(2) 按10、20個點不同密度[2]抽取實測值,留出空白圖斑,采用中國地質調查局發(fā)展研究中心專業(yè)的數(shù)據(jù)管理與維護系統(tǒng)進行賦值。

(3) 將不同密度采用3種不同賦值方法[3](距離加權反比插值法、移動平均插值法、三因素賦值法)后的3種圖斑圖與實測值圖斑圖進行比較，統(tǒng)計每種與實測值最接近的圖斑數(shù),綜合選取其中與實測值和評價等級最接近的，然后對全屈家?guī)X土地利用圖進行圖斑賦值和評價。

① 距離加權反比插值法,基于相近相似的原理,以插值點與樣本點間的距離為權重進行平均,離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。即兩個物體離得近,它們的性質就越相似,反之,離得越遠則相似性越小。在反距離加權方法中,需要考慮二個影響因素,即距離的冪和鄰域搜索范圍。

② 移動平均插值法,通過設定鄰近區(qū)域,取該區(qū)域內樣點的平均值作為待估點的值。適用于樣點分布均勻、密集,而且變化緩慢的情況下對缺失值進行填補。主要用于消除隨機干擾,即局部降噪功能。優(yōu)勢在于計算簡便快速。

③ 三因素賦值法是在以移動平均插值法和距離加權反比插值方法的基礎上,考慮了地質背景、土壤分布類型、土地利用現(xiàn)狀三者之間的聯(lián)系因素。使平面上隨機分布的區(qū)域地球化學量變值在每一個圖斑都有更準確的量值反映。

3 研究結果

3.1 賦值誤差分析

從表1和表2可以看出,采樣密度相同情況下,距離加權反比和移動平均法誤差較小,但是汞元素整體誤差較大；不同采樣密度下,密度越大,誤差越小。

表1 采樣密度(10/km2)下誤差分析Table 1 Error analysis under sampling density (10/km2)

表2 采樣密度(20/km2)下誤差分析Table 2 Error analysis under sampling density(20/km2)

3.2 評價結果對比

按照《土地質量地球化學評價規(guī)范》(DZ/T 0295—2016)中的評價方法,以圖斑為評價單元,依據(jù)不同采樣密度及不同插值方法獲得的圖斑插值數(shù)據(jù),分別進行單指標土壤環(huán)境質量等級、土壤環(huán)境質量綜合等級、土壤養(yǎng)分單指標分級、土壤養(yǎng)分綜合等級及土壤質量地球化學綜合等級的劃分,結果見表3。

3.2.1土壤環(huán)境質量等級對比

表3列出不同采樣密度及不同賦值方法的單指標土壤環(huán)境質量等級及土壤環(huán)境質量綜合等級,3種不同賦值方法下3種采樣密度土壤環(huán)境質量分級結果(圖2)表明：30點的密度中二等圖斑數(shù)分別為1個、1個、3個,3種賦值方法插值結果均存在差異性,其中距離加權反比法和移動平均法插值結果較為相似,而三因素賦值法插值結果較前兩者大。

圖2 三種賦值方法不同采樣密度土壤環(huán)境地球化學綜合評價圖Fig.2 Comprehensive evaluation map of soil environmental geochemistry with three assignment methods and different sampling densities

3.2.2土壤養(yǎng)分等級對比

表3列出不同采樣密度及不同賦值方法的單指標土壤養(yǎng)分質量等級及土壤養(yǎng)分綜合等級,3種不同賦值方法下3種采樣密度土壤養(yǎng)分分級結果(圖3)表明：3種賦值方法插值結果均存在差異性,其中距離加權反比法和移動平均法插值結果差別較小,而三因素賦值法插值結果較前兩者大。

圖3 三種賦值方法不同采樣密度土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級圖Fig.3 Comprehensive grade map of soil nutrient geochemistry with three assignment methods and different sampling densities

3.2.3土壤質量綜合等級對比

將土壤環(huán)境地球化學等級與土壤養(yǎng)分地球化學綜合等級結果疊加,得到土壤質量地球化學綜合等級。表3列出不同采樣密度及不同賦值方法的土壤質量綜合等級,3種不同賦值方法下3種采樣密度土壤質量分級結果(圖4)表明：三種賦值方法插值結果均存在差異性,其中距離加權反比法和移動平均法插值結果差別較小,而三因素賦值法插值結果較前兩者大。

圖4 三種賦值方法不同采樣密度土壤質量地球化學綜合等級圖Fig.4 Comprehensive geochemical grade map of soil quality with different sampling densities by three assignment methods

表3 不同采樣密度及賦值方法的插值分級圖斑統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of interpolation grading pattern with different sampling density and assignment methods

上述統(tǒng)計結果表明,研究區(qū)3種采樣密度3種賦值方法下土壤環(huán)境指標含量插值和實測值差異較小,環(huán)境指標分級結果幾乎一致，但土壤養(yǎng)分分級存在一定差異,導致土壤質量綜合分級單個圖斑等級變化較大。究其原因：一是土壤中8個環(huán)境指標元素主要受地質背景和成土作用等自然因素影響,其變異系數(shù)較小、整體含量較低,其單指標分級大部分為一級,因此插值與實測值對圖斑賦值及評價不會產生明顯的差異；二是土壤中養(yǎng)分元素N、P、K除了受自然因素的影響外,還受到人為施肥及耕作等強烈人為因素擾動,具有含量高、空間變異大等特點。前人研究表明,土壤中大量元素的空間變異性與土壤母質的性質、地形地貌、氣候及農業(yè)耕作方式有關。研究區(qū)面積僅1 km2,氣候、地形、成土母質等因素導致的元素空間變異基本可以忽略不計,因此對于養(yǎng)分指標N、P、K來說,由于不同農戶耕作方式、施肥種類、施用量的不同,導致不同田塊間的差異性增加,人為因素擾動可能是造成養(yǎng)分指標N、P、K空間變異的重要原因。

在土地質量地球化學調查評價過程中,利用插值方法對未采樣圖斑進行插值從而對全區(qū)進行精準評價是較為經(jīng)濟可行的解決辦法。本次研究表明,在江漢平原采用插值法,對元素含量和土壤環(huán)境質量分級的誤差影響較小,但對養(yǎng)分指標和土壤質量綜合分級會帶來較大的偏差。說明在平原地區(qū)開展中—大比例尺土地質量地球化學調查時,采用插值進行圖斑賦值，存在一定的局限性。根據(jù)前面分析討論,三種不同賦值方法三種采樣密度下,圖斑之間的N、P、K含量變化均較大,其插值結果與實測值存在一定的差異。為此,當以圖斑為單元進行采樣時,需要通過增加組合樣的子樣采集數(shù)以保證樣品的代表性。

3.3 結論

本次研究按照三種不同采樣密度的調查數(shù)據(jù),選擇三種不同賦值方法,通過對比插值對元素含量、土壤環(huán)境地球化學等級、土壤養(yǎng)分地球化學等級及土壤質量綜合等級的影響,得出如下幾點認識:

(1) 誤差分析。采樣密度相同情況下,距離加權反比法和移動平均法誤差較小,且能滿足評價需求。

(2) 環(huán)境指標和養(yǎng)分指標分級的差異性。三種采樣密度及三種賦值方法下,插值與實測值的土壤環(huán)境單指標分級與環(huán)境指標綜合分級結果幾乎一致,養(yǎng)分指標分級的差異較大。

(3) 土壤質量綜合等級的差異。土壤質量地球化學綜合等級取決于8個環(huán)境指標(As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn)和3個養(yǎng)分指標(N、P、K)的含量及空間分布。上述統(tǒng)計結果表明,研究區(qū)三種采樣密度三種賦值方法下土壤環(huán)境指標含量插值和實測值差異較小,環(huán)境指標分級結果幾乎一致；但土壤養(yǎng)分分級存在一定差異,導致土壤質量綜合分級單個圖斑等級變化較大。

綜上所述，按照耕園草10件/km2的采樣密度開展屈家?guī)X管理區(qū)1∶5萬土地質量地球化學調查,利用距離加權反比法或者移動平均法對全區(qū)圖斑進行賦值,可以查明土壤養(yǎng)分、環(huán)境質量總體狀況,為土地資源管理利用提供基礎依據(jù)。但由于土地利用復雜多變,地塊破碎,特別是對于養(yǎng)分指標N、P、K這類人為擾動強烈的地球化學指標,調查評價成果還難以滿足土地精準管理的需要。