吳亞楠，董士偉，潘瑜春，任先鵬，魏相峰，李西燦，牛 沖

（1北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100097；2國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018；4肇東市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，黑龍江 綏化 151100；5山東省地質(zhì)測(cè)繪院，濟(jì)南 250014）

0 引言

土壤重金屬污染直接影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和耕地農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。耕地土壤一旦受到重金屬污染，便會(huì)通過(guò)糧食、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品給食品安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，影響居民生活健康，因此，布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位了解耕地土壤污染現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)具有重要意義，但若監(jiān)測(cè)點(diǎn)位缺乏代表性、不合理，則對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是確立點(diǎn)位布設(shè)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。耕地土壤重金屬來(lái)源因素眾多，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)數(shù)量大且復(fù)雜多樣，在點(diǎn)位布設(shè)的前期準(zhǔn)備工作中，如何更高效、更深層次的利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)空間采樣是研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法大多采用網(wǎng)格法進(jìn)行隨機(jī)布點(diǎn)或系統(tǒng)布點(diǎn)，此法存在低效數(shù)據(jù)、樣本點(diǎn)代表性差、污染區(qū)被低估和清潔區(qū)被高估等問(wèn)題，使得污染區(qū)域污染風(fēng)險(xiǎn)難以控制及產(chǎn)生不必要的修復(fù)投入[2]。利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)科學(xué)合理選擇點(diǎn)位布設(shè)方法，可提高污染區(qū)的監(jiān)測(cè)評(píng)估精度。如Xu等[3]利用工業(yè)園區(qū)的坡度、土壤類(lèi)型、地形特征、道路分布等數(shù)據(jù)，采用隨機(jī)采樣布局對(duì)寧夏沙漠草原的土壤重金屬污染來(lái)源及空間分布進(jìn)行探索，研究表明工業(yè)園區(qū)和交通運(yùn)輸對(duì)草原土壤環(huán)境有顯著影響；Laura等[4]利用當(dāng)?shù)貛r性、土地利用現(xiàn)狀、交通道路、海拔、風(fēng)向氣候數(shù)據(jù)等進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，研究了不同深度和土地利用方式的水泥廠(chǎng)附近土壤重金屬Hg、Pb、Cr的含量及分布；謝云峰等[2]基于歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)對(duì)土壤重金屬Cd污染開(kāi)展調(diào)查，收集了污染地塊周邊相關(guān)信息，輔助采樣點(diǎn)布局設(shè)計(jì)，對(duì)污染地塊進(jìn)行初步調(diào)查，結(jié)合污染概率和局部變異系數(shù)確定加密樣點(diǎn)區(qū)域，對(duì)土壤污染分布不確定的較大區(qū)域補(bǔ)充加密樣點(diǎn)，提高土壤污染調(diào)查精度；任旭紅等[5]對(duì)北京順義區(qū)2007—2009年的土壤歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，刪除重復(fù)和不合格數(shù)據(jù)后，基于輔助數(shù)據(jù)采用無(wú)偏采樣布局對(duì)北京順義區(qū)農(nóng)田土壤進(jìn)行采樣，結(jié)果顯示無(wú)偏采樣布局兼顧了樣本點(diǎn)在地理空間和特征空間的均勻性，平衡了總體估計(jì)和空間制圖要求。因此，充分利用土壤重金屬污染相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)空間采樣[6-7]，選擇合適的點(diǎn)位布設(shè)方法，是土壤重金屬監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)[1,5]。

筆者以北京順義區(qū)重金屬Cd污染監(jiān)測(cè)為例，驗(yàn)證不同數(shù)據(jù)情境下的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法。首先劃分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境類(lèi)別，其次探討不同點(diǎn)位布設(shè)方法的特點(diǎn)及其適用數(shù)據(jù)情境，最后給出評(píng)價(jià)點(diǎn)位布設(shè)方法結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，旨在為不同數(shù)據(jù)情境下的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法的選擇提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

北京順義區(qū)位于北京市東北部，北緯40°00′—40°18′，東經(jīng)116°28′—116°59′，地勢(shì)北高南低，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)性氣候，年均降雨量約625 mm，境內(nèi)含有煤炭、大理石、砂石料等礦產(chǎn)資源，含有溶洞、濕地等旅游景觀。土壤類(lèi)型主要為褐土、潮土、沼澤土、水稻土和風(fēng)沙土等，主要的土地利用類(lèi)型為耕地，耕地面積404.05 km2，耕地主要包含菜地、水澆地、灌溉水田等。

土壤重金屬污染相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于北京順義區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒、普查數(shù)據(jù)、北京市農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理平臺(tái)等，主要分為2類(lèi)：一是歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)；二是輔助數(shù)據(jù)，如土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)、土壤母質(zhì)數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)、土壤污染源信息數(shù)據(jù)、人文經(jīng)濟(jì)信息數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等。

1.2 研究方法

1.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境類(lèi)別劃分 由《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》(GB 15618—2018)、《耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(NY/T 1119—2019)、《農(nóng)用地土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)規(guī)范》(DB41/T 1948—2020)及各省市耕地土壤環(huán)境質(zhì)量相關(guān)技術(shù)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[8-10]等資料可知，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了8項(xiàng)重金屬指標(biāo)，分別是鎘(Cd)、汞(Hg)、砷(As)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、銅(Cu)、鋅(Zn)和鎳(Ni)；耕地土壤重金屬污染影響因素包含自然因素和人為因素，其中自然因素主要包含土壤母質(zhì)、土壤結(jié)構(gòu)等，人為因素主要包含農(nóng)藥、化肥、地膜、污水灌溉等農(nóng)業(yè)源數(shù)據(jù)以及與工業(yè)污染源相關(guān)的工礦廢水、廢氣、廢渣、固廢等，因此土壤重金屬污染相關(guān)輔助數(shù)據(jù)主要包含自然源數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)源數(shù)據(jù)及工業(yè)源數(shù)據(jù)等。

土壤重金屬污染物在土壤中的空間分布具有空間變異性，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)空間變異性影響大[2]，對(duì)于空間變異性大的區(qū)域收集土壤重金屬污染相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如監(jiān)測(cè)區(qū)歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)，并判斷現(xiàn)有歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)是否符合實(shí)際地塊監(jiān)測(cè)要求，如監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、監(jiān)測(cè)時(shí)間、土地利用類(lèi)型或土壤類(lèi)型等是否一致等監(jiān)測(cè)要求，進(jìn)而根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可用性狀況選擇合適的點(diǎn)位布設(shè)方法，提高耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)評(píng)估精度。根據(jù)歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)的有無(wú)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境分為無(wú)歷史樣點(diǎn)/輔助數(shù)據(jù)、有歷史樣點(diǎn)/輔助數(shù)據(jù)2類(lèi)，細(xì)分為5小類(lèi)，5類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境如下。

（1）“無(wú)歷史，無(wú)輔助”數(shù)據(jù)情境。研究區(qū)無(wú)歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)或收集的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍不符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容缺失、土地利用類(lèi)型或土壤類(lèi)型不一致等，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不可用。收集的實(shí)際監(jiān)測(cè)地塊的輔助數(shù)據(jù)與研究區(qū)范圍不符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容缺失、監(jiān)測(cè)時(shí)間不符等，無(wú)符合要求的實(shí)際監(jiān)測(cè)地塊的歷史污染及周邊污染屬性信息等輔助數(shù)據(jù)，土壤污染可能分布均勻或分布差異大，土壤污染分布特征不明確，輔助數(shù)據(jù)不可用。

（2）“無(wú)歷史，有輔助”數(shù)據(jù)情境。研究區(qū)無(wú)歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)或收集的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍不符或監(jiān)測(cè)內(nèi)容缺失或土地利用類(lèi)型或土壤類(lèi)型不一致等，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不可用。收集的實(shí)際監(jiān)測(cè)地塊的輔助數(shù)據(jù)與研究區(qū)范圍相符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容相符、監(jiān)測(cè)時(shí)間相符等，存在可用的監(jiān)測(cè)地塊周邊污染屬性信息，輔助數(shù)據(jù)可用。

（3）“有歷史，無(wú)輔助”數(shù)據(jù)情境。研究區(qū)有歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)且收集的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍相符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容相符及土地利用類(lèi)型或土壤類(lèi)型一致等，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)可用，但合格的歷史樣點(diǎn)數(shù)目低于實(shí)際監(jiān)測(cè)區(qū)域合理的采樣數(shù)目，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不充足。收集的實(shí)際監(jiān)測(cè)地塊的輔助數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍不符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容缺失、監(jiān)測(cè)時(shí)間不符等，不存在可用的監(jiān)測(cè)地塊周邊污染屬性信息，輔助數(shù)據(jù)不可用。

（4）“有歷史，有輔助”數(shù)據(jù)情境。研究區(qū)有歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)且收集的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍相符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容相符、土地利用類(lèi)型或土壤類(lèi)型一致等，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)可用，可獲取實(shí)際監(jiān)測(cè)地塊歷史污染及周邊污染屬性信息，土壤污染分布特征明確，但合格的歷史樣點(diǎn)數(shù)目低于實(shí)際監(jiān)測(cè)區(qū)域合理的采樣數(shù)目，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)不充足。

（5）“歷史充足”數(shù)據(jù)情境。收集的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)研究區(qū)范圍相符、監(jiān)測(cè)內(nèi)容相符及監(jiān)測(cè)時(shí)間相符等，歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)可用且合格的歷史樣點(diǎn)數(shù)目大于實(shí)際監(jiān)測(cè)區(qū)域合理的采樣數(shù)目，可用的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)充足。

1.2.2 點(diǎn)位布設(shè)方法 由《陸地定量遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)通用方法》(GB/T 39468—2020)、《地理信息空間抽樣與統(tǒng)計(jì)推斷》(GB/Z 33451—2016)等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)文件資料可知，點(diǎn)位布設(shè)需遵循代表性、準(zhǔn)確性、可比性、完整性等原則，兼顧到歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，使監(jiān)測(cè)結(jié)果具有可比性和延續(xù)性，并同時(shí)兼顧到不同的土壤類(lèi)型或污染類(lèi)型等，以較少的點(diǎn)位及更好的時(shí)空代表性來(lái)反映土壤重金屬污染狀況及其變化趨勢(shì)。目前常見(jiàn)的點(diǎn)位布設(shè)方法有傳統(tǒng)的隨機(jī)布點(diǎn)法、系統(tǒng)布點(diǎn)法[11-12]等，以及在傳統(tǒng)點(diǎn)位布設(shè)方法基礎(chǔ)上發(fā)展的加密采樣布局和無(wú)偏采樣布局等。

土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法主要是利用網(wǎng)格方法進(jìn)行系統(tǒng)布點(diǎn)或隨機(jī)布點(diǎn)，在同一網(wǎng)格內(nèi)，最近的且符合監(jiān)測(cè)要求的（如土地利用類(lèi)型、土壤類(lèi)型等一致）歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)可考慮繼續(xù)沿用，即首選歷史點(diǎn)位[13]，用歷史監(jiān)測(cè)點(diǎn)代替網(wǎng)格點(diǎn)?？紤]到樣本點(diǎn)監(jiān)測(cè)成本，當(dāng)可沿用的歷史樣點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，可進(jìn)行去冗精化處理[14-18]，為確保點(diǎn)位代表性，可調(diào)整點(diǎn)位密度及優(yōu)化點(diǎn)位數(shù)量，在點(diǎn)位密度大的區(qū)域適量刪除樣本點(diǎn)，點(diǎn)位密度小的區(qū)域適當(dāng)增加樣本點(diǎn)，使得樣本點(diǎn)分布均勻。為詳細(xì)調(diào)查土壤環(huán)境污染狀況，在土壤污染空間變異性大的區(qū)域、重點(diǎn)污染區(qū)域以及污染狀況未知等區(qū)域進(jìn)行增設(shè)點(diǎn)位，增設(shè)的點(diǎn)位可從可用的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)中進(jìn)行選擇或根據(jù)輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)測(cè)等[13]，因此發(fā)展了加密采樣布局。加密采樣布局方法可分為隨機(jī)采樣和目的性采樣[19]，隨機(jī)采樣基于歷史數(shù)據(jù)或輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行分層樣點(diǎn)布設(shè)，目的性采樣通過(guò)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)使用優(yōu)化求解方法進(jìn)行地理空間或特征空間的優(yōu)化采樣布設(shè)，如平均最短距離最小化準(zhǔn)則(minimization of the mean of the shortest distances，MMSD)[20]、WM 準(zhǔn)則(Warrick-Myers-criterion)[21]、空間模擬退火優(yōu)化算法等，無(wú)偏采樣布局可看作利用輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行地理空間和特征空間優(yōu)化布設(shè)的目的性采樣方法[19]，根據(jù)污染物信息數(shù)據(jù)選擇合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，提高土壤環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，如MMSD準(zhǔn)則結(jié)合空間模擬退火算法等[22]，其考慮到樣本點(diǎn)的均勻性及在空間位置的代表性，優(yōu)化了樣本點(diǎn)在特征空間及地理空間的布局[5]。隨機(jī)布點(diǎn)法及系統(tǒng)布點(diǎn)法不受任何主觀條件及歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)存在與否的限制，當(dāng)研究區(qū)域缺乏歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)時(shí)亦可使用，是最常用的耕地土壤環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法[23]。綜合以上研究，筆者基于不同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境推薦了相應(yīng)的點(diǎn)位布設(shè)方法（圖1）。

圖1 不同數(shù)據(jù)情境下的點(diǎn)位布設(shè)建議策略

1.2.3 點(diǎn)位布設(shè)方法結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo) 衡量點(diǎn)位布設(shè)方法結(jié)果的好壞通常是從點(diǎn)位布設(shè)方法結(jié)果的均勻性和代表性角度考慮，而現(xiàn)階段尋找一個(gè)指標(biāo)去衡量樣本點(diǎn)在地理空間的均勻性及在特征空間的代表性存在一定困難，因此本研究采用地理空間的樣本點(diǎn)均勻性表征方法指標(biāo)——均勻變異指數(shù)、特征空間評(píng)價(jià)指標(biāo)——偏離指數(shù)來(lái)評(píng)估樣本點(diǎn)分布的均勻性及代表性[24]。

（1）均勻變異指數(shù)。均勻變異指數(shù)是基于均勻因子計(jì)算的，均勻因子表示樣本點(diǎn)所在研究區(qū)域生成的泰森多邊形面積與平均采樣面積之比。利用均勻因子評(píng)估樣本點(diǎn)的屬性是聚集樣本點(diǎn)、稀疏樣本點(diǎn)還是均勻樣本點(diǎn)，均勻因子越小表示樣本點(diǎn)所在區(qū)域的冗余樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)越少。均勻變異指數(shù)表征樣本集中全部樣本點(diǎn)的整體均勻程度。均勻變異指數(shù)越小，表示樣本點(diǎn)在地理空間的分布越均勻，反之，所在區(qū)域樣本點(diǎn)分布存在稀疏或者聚集狀況。其計(jì)算如式(1)所示。

式中，Ev為所有樣本點(diǎn)的均勻變異指數(shù)，N為采樣區(qū)域中的樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Vi為第i個(gè)樣本點(diǎn)的均勻因子。

（2）偏離指數(shù)。P-P圖(probability-probability plot)和Q-Q圖(quantile-quantile plot)通過(guò)繪制樣本點(diǎn)及相應(yīng)總體的概率/分位數(shù)散點(diǎn)圖來(lái)比較樣本點(diǎn)及其總體的特征分布。定義特征空間偏離指數(shù)(deviation index，DI)為以P-P圖或Q-Q圖中y=x線(xiàn)為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)殘差，用偏離指數(shù)反映樣本點(diǎn)在特征空間的代表性。其計(jì)算如式(2)所示。

式中，DI是偏離指數(shù)，qi是第i個(gè)樣本點(diǎn)屬性值的分位數(shù)/概率，Qi是相應(yīng)的總體分位數(shù)/概率，N是樣本點(diǎn)個(gè)數(shù)。偏離指數(shù)越小，樣本點(diǎn)在特征空間中的分布代表性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境類(lèi)別劃分結(jié)果與點(diǎn)位布設(shè)方法選擇分析

以北京順義區(qū)2020年重金屬Cd土壤污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)為例，驗(yàn)證前述基于不同數(shù)據(jù)情境的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法的流程及其可操作性。收集順義研究區(qū)現(xiàn)有的2000—2020年重金屬Cd歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境選擇相應(yīng)布點(diǎn)策略。

順義區(qū)西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（北石槽鎮(zhèn)、牛欄山地區(qū)、趙全營(yíng)鎮(zhèn)、馬坡地區(qū)、高麗營(yíng)鎮(zhèn)、南法信地區(qū)、后沙峪地區(qū)、仁和地區(qū)、天竺地區(qū)及李橋鎮(zhèn)）無(wú)歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，屬于“無(wú)歷史，無(wú)輔助”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境。監(jiān)測(cè)地塊歷史污染及周邊污染屬性信息不可用，污染分布特征不明確。為提高監(jiān)測(cè)效率和監(jiān)測(cè)精度，采樣點(diǎn)只能均勻布設(shè)或者隨機(jī)布設(shè)，因此可采用系統(tǒng)或隨機(jī)采樣布局。

順義區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（南彩鎮(zhèn)、張鎮(zhèn)、北小營(yíng)鎮(zhèn)、北務(wù)鎮(zhèn)、李遂鎮(zhèn)、大孫各莊鎮(zhèn)、楊鎮(zhèn)地區(qū)、木林鎮(zhèn)、龍灣屯鎮(zhèn)）具有2007、2008—2009、2012—2013年土壤重金屬歷史樣點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（含有重金屬鎘Cd），2009、2018—2020年1:50000的土壤信息數(shù)據(jù)及2018—2020年的1:2000的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)是對(duì)研究區(qū)污染信息的輔助說(shuō)明，所選數(shù)據(jù)需與歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄時(shí)間相近，保證研究區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)間屬性的一致性，順義區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)僅有2009年歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)符合時(shí)間一致性及研究?jī)?nèi)容相關(guān)性要求，因此以2009年歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為主進(jìn)行點(diǎn)位布設(shè)，按相關(guān)監(jiān)測(cè)要求篩選得到156個(gè)可用歷史樣點(diǎn)，而同一變異系數(shù)不同研究者在農(nóng)業(yè)土壤采樣數(shù)目的確定上有很大差異，經(jīng)統(tǒng)計(jì)多達(dá)140個(gè)左右[25]，因此順義區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)可用的歷史樣點(diǎn)數(shù)目充足，屬于“歷史充足”的數(shù)據(jù)情境。順義區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)存在可用的歷史污染及周邊污染屬性信息，污染分布特征明確，歷史樣點(diǎn)充足，為提高樣本點(diǎn)均勻性和代表性，采用去冗精化處理。

2.2 點(diǎn)位布設(shè)方法結(jié)果評(píng)價(jià)分析

順義區(qū)東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)屬于“歷史充足”的數(shù)據(jù)情境，采取去冗精化處理。首先利用2020年行政區(qū)劃數(shù)據(jù)劃分順義研究區(qū)，對(duì)2020、2009年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行耕地類(lèi)型（水澆地，灌溉水田，菜地）提取，剔除耕地類(lèi)型變化區(qū)域，確立順義區(qū)耕地研究區(qū)。順義區(qū)東部耕地研究區(qū)含有156個(gè)2009年歷史樣點(diǎn)，利用地理空間和特征空間評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估點(diǎn)位布設(shè)結(jié)果的均勻性及代表性，最終刪除了4個(gè)聚集樣本點(diǎn)，考慮到樣本點(diǎn)屬性特征值不發(fā)生太大變化，及現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)樣本點(diǎn)需與研究采集的樣本點(diǎn)保持更短時(shí)間間隔等因素，因此對(duì)于樣本點(diǎn)的添加主要是考慮在一定時(shí)間間隔內(nèi)的相近的歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)2007—2008年歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)增設(shè)了4個(gè)加密樣本點(diǎn)，利用均勻變異指數(shù)和偏離指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)估順義區(qū)東部研究區(qū)樣本點(diǎn)去冗精化效果，去冗精化后均勻變異指數(shù)由0.546下降為0.468，偏離指數(shù)也小于原始樣本點(diǎn)布局，去冗精化使得樣本點(diǎn)均勻性和代表性提高，滿(mǎn)足本案例2020年重金屬Cd土壤污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)要求。

順義區(qū)西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)（北石槽鎮(zhèn)、牛欄山地區(qū)、趙全營(yíng)鎮(zhèn)、馬坡地區(qū)、高麗營(yíng)鎮(zhèn)、南法信地區(qū)、后沙峪地區(qū)、仁和地區(qū)、天竺地區(qū)、李橋鎮(zhèn)）缺乏歷史樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與輔助數(shù)據(jù)，屬于“無(wú)歷史，無(wú)輔助”的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境，采用系統(tǒng)采樣布局，布設(shè)了144個(gè)系統(tǒng)采樣點(diǎn)，整個(gè)順義研究區(qū)點(diǎn)位布設(shè)如圖2所示。

圖2 順義區(qū)點(diǎn)位布設(shè)

基于順義區(qū)東部去冗精化后156個(gè)樣本點(diǎn)和順義區(qū)西部144個(gè)系統(tǒng)采樣布局樣本點(diǎn)，利用式(1)計(jì)算整個(gè)順義研究區(qū)的均勻變異指數(shù)，經(jīng)計(jì)算，整個(gè)順義區(qū)均勻變異指數(shù)為0.490。比較均勻變異指數(shù)理應(yīng)是研究區(qū)范圍一致、樣點(diǎn)數(shù)一致等，但由于數(shù)據(jù)受限，現(xiàn)實(shí)很難滿(mǎn)足該條件，因此不做物理意義上的闡述。僅從均勻變異指數(shù)數(shù)值表現(xiàn)上來(lái)看，順義區(qū)均勻變異指數(shù)由原始0.546下降到0.490，尤其是順義區(qū)東部均勻變異指數(shù)下降到0.468，且偏離指數(shù)小于原始樣本點(diǎn)布局，可見(jiàn)本研究所推薦的點(diǎn)位布設(shè)方法提高了樣本點(diǎn)布局的均勻性，具有一定的科學(xué)性和可行性。綜上，本研究基于不同數(shù)據(jù)情境的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法具有一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境的類(lèi)別劃分及相應(yīng)的布點(diǎn)策略推薦。針對(duì)“無(wú)歷史，無(wú)輔助”、“無(wú)歷史，有輔助”、“有歷史，無(wú)輔助”、“有歷史，有輔助”、“歷史充足”5種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情境，分別推薦了系統(tǒng)/隨機(jī)采樣布局、無(wú)偏采樣布局、加密采樣布局、加密/無(wú)偏采樣布局、去冗精化布點(diǎn)策略。

（2）以北京順義區(qū)重金屬Cd污染監(jiān)測(cè)為例，分析不同數(shù)據(jù)情境下的點(diǎn)位布設(shè)方法的可操作性。順義區(qū)西部屬于“無(wú)歷史，無(wú)輔助”數(shù)據(jù)情境，采用系統(tǒng)采樣布局，順義區(qū)東部屬于“歷史充足”數(shù)據(jù)情境，采取去冗精化處理。順義區(qū)的均勻變異指數(shù)由原始0.546下降到0.490，尤其是順義區(qū)東部均勻變異指數(shù)下降到0.468，且偏離指數(shù)小于原始樣本點(diǎn)布局，驗(yàn)證了不同數(shù)據(jù)情境的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法的可操作性和可行性，具有一定的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用價(jià)值。

（3）本研究可為不同數(shù)據(jù)情境的耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，并為耕地土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)方法的選擇提供參考建議。但仍存在一些不足，如布點(diǎn)策略并不一定是最佳布點(diǎn)方案，可能存在其他更好的布點(diǎn)方案；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容可能因采樣目標(biāo)不同而改變等。