馬振波，解慶鋒，3，張 平，3，周小果，張得恩，司法禎，李勝昌，3

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001； 2.河南省地球化學(xué)生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001)

為推進(jìn)“十四五”土壤環(huán)境質(zhì)量改善，滿足國家土壤環(huán)境管理新需求，結(jié)合全國農(nóng)用地土壤污染狀況詳查結(jié)果，對國家土壤監(jiān)測網(wǎng)點位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，科學(xué)評價全國土壤環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢，全面支撐土壤污染防治工作。河南省土壤生態(tài)環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化工作于2020年開始啟動，但大區(qū)域內(nèi)的最優(yōu)土壤監(jiān)測密度的研究甚少。土壤的空間變異性存在于不同尺度上的主要影響因子有顯著差異，這種差異限制了從一個空間尺度到另一個空間尺度的信息轉(zhuǎn)換，是空間尺度效應(yīng)產(chǎn)生的根本原因[1-2]。在土壤環(huán)境監(jiān)測中，監(jiān)測點位以反映土壤環(huán)境質(zhì)量總體狀況及變化趨勢為導(dǎo)向，以農(nóng)用地為主要監(jiān)測對象，采用網(wǎng)格布設(shè)法，覆蓋主要土壤類型和縣城，確保布局完整、全面跟蹤土壤環(huán)境質(zhì)量狀況，并說清其變化趨勢。為此，利用南陽盆地農(nóng)耕區(qū)土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計原理及空間分析方法，研究最優(yōu)布設(shè)網(wǎng)格，保證點位布設(shè)的科學(xué)性、均勻性、代表性十分必要，為河南省生態(tài)土壤環(huán)境監(jiān)測點位優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源

2016年，由中國地質(zhì)調(diào)查局部署開展，中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所和河南省地質(zhì)調(diào)查院共同完成了南陽盆地河南工作區(qū)1∶25 萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查面積1.24萬 km2(圖1)，覆蓋了河南省南陽盆地農(nóng)耕區(qū)范圍。樣品采集以農(nóng)用地土壤為主，按照1 km×1 km網(wǎng)格采集1件表層土壤樣品(0～20 cm)，并按2 km×2 km網(wǎng)格內(nèi)樣品用等重量法進(jìn)行組合送檢。樣品分析均由河南省地礦局巖礦測試中心完成，分析項目包括鎘、砷、鉛、汞、鉻等54項元素指標(biāo)，其中鎘元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測試，共取得數(shù)據(jù)3 101條。

圖1 南陽盆地河南工作區(qū)1∶25萬土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作程度圖Fig.1 Work degree map of 1∶250 000 land quality geochemistry in Nanyang Basin of Henan Work Area

2 空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)性反映了一個區(qū)域單元上某一地理現(xiàn)象或某一屬性值與鄰近區(qū)域單元上同一現(xiàn)象或?qū)傩灾档南嚓P(guān)程度[3]。利用地學(xué)統(tǒng)計軟件GS+的Moran′s I功能，檢測研究區(qū)域內(nèi)土壤元素空間自相關(guān)的指標(biāo)。通過計算，鎘元素的Moran′s I為0.1978，且P=0.000，表明研究區(qū)域內(nèi)土壤鎘屬于空間正相關(guān)，且相關(guān)性顯著(圖2)。

圖2 鎘元素自相關(guān)分析示意Fig.2 Schematic Map of autocorrelation analysis of Cd element

3 提取不同網(wǎng)格內(nèi)點位數(shù)據(jù)樣本

不同點位密度元素含量在空間上存在一定的變異。為了研究空間變異程度，利用南陽盆地農(nóng)耕區(qū)樣點進(jìn)行提取，建立不同尺度的子樣本。此次按4 km×4 km、8 km×8 km、16 km×16 km和32 km×32 km等4種尺度的網(wǎng)格，以網(wǎng)格中心距離最近點位的原則抽取樣點，得到各尺度網(wǎng)格樣點數(shù)4 km×4 km為810個，8km×8km為225個，16km×16km為66個，32 km×32 km為23個(圖3)。獨(dú)立驗證集利用剩余的監(jiān)測的樣點隨機(jī)抽取，共抽取81個樣點(圖4)。

圖3 不同尺度網(wǎng)格樣本分布Fig.3 Sample Distribution Map of grid at different scales

圖4 獨(dú)立驗證集樣本分布Fig.4 Sample distribution Map of independent verification set

4 半方差分析

由于土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計只能說明元素含量的基本狀況，無法明確土壤元素在空間結(jié)構(gòu)上的隨機(jī)性、相關(guān)性和獨(dú)立性[4]。因此，需要采取地統(tǒng)計學(xué)分析方法來對土壤元素含量的空間異質(zhì)性進(jìn)行進(jìn)一步的研究[5]。不同采樣尺度下土壤鎘含量半方差函數(shù)利用地學(xué)統(tǒng)計軟件GS+對不同采樣尺度下土壤元素含量進(jìn)行半方差分析，一般情況下，塊基比小于25%時，表明土壤養(yǎng)分各指標(biāo)具有較強(qiáng)的空間自相關(guān)；塊基比在25%～75%時，具備中等程度的空間自相關(guān)；大于75%則表示其自相關(guān)程度相對較弱[6]。4 km×4 km、8 km×8 km尺度下子樣本變程為24.2、23.0 km，擬合度為0.817、0.813，其空間相關(guān)距離及擬合度差異不大；而16 km×16 km尺度下子樣本變程為121.6 km，擬合度降低為0.659，32 km×32 km尺度下子樣本基本不能擬合。說明4 km×4 km、8 km×8 km的采樣網(wǎng)格的空間表達(dá)能力最強(qiáng)，16 km×16 km的采樣網(wǎng)格的空間表達(dá)能力一般，但能準(zhǔn)確表達(dá)出數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，32 km×32 km的采樣網(wǎng)格的空間表達(dá)能力較差，分析結(jié)果見表1。

表1 不同采樣尺度下土壤鎘含量半方差統(tǒng)計參數(shù)Tab.1 Statistical parameters of semi-variance of soil Cd element content at different sampling scales

5 交叉驗證的空間預(yù)測精度比較

利用交叉驗證方法檢驗插值的結(jié)果精度，采用均方根誤差作為精度評價指標(biāo)，確定不同的插值方法對研究區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)預(yù)測精度最優(yōu)的插值模型[7]。其中，均方根誤差(RMSE)如式(1)所示，RMSE越小，表明預(yù)測精度越接近實測值，預(yù)測的精度越高。

(1)

對土壤中的鎘元素含量，按照4種網(wǎng)格尺度的抽樣點進(jìn)行Kriging插值，比較交叉驗證結(jié)果，然后分析RMSE(均方根誤差)。鎘元素在4 km×4 km、8 km×8 km和16 km×16 km采樣尺度的RMSE較小并且接近，表明4 km×4 km、8 km×8 km和16 km×16 km采樣尺度預(yù)測結(jié)果比較理想。32 km×32 km采樣尺度下RMSE升高，說明該采樣尺度下，精度不可靠(圖5)。

圖5 不同采樣尺度下土壤鎘元素均方差誤差變化曲線Fig.5 Variation curves of mean square error of Cd element in soil under different sampling scales

6 采樣尺度對土壤元素含量的影響

以普通克里格插值方法[8-10]，進(jìn)一步探討采樣點數(shù)量對土壤元素含量空間分布表征的影響，理論上，隨著采樣網(wǎng)格尺度的增大，土壤元素含量的空間預(yù)測結(jié)果越來越平滑，對細(xì)節(jié)的反映能力越來越弱。

本次分別按已提取的4種尺度的網(wǎng)格分別進(jìn)行插值繪制趨勢面，結(jié)果顯示，密度為4 km×4 km、8 km×8 km和16 km×16 km的采樣點所反映的土壤鎘含量空間格局分布非常類似。隨著采樣點間距的增大，土壤鎘空間布局有一定的平滑效應(yīng)，但是整體格局類似，說明采用4 km×4 km、8 km×8 km和16 km×16 km的采樣點進(jìn)行土壤鎘含量的空間預(yù)測，依然能較好地反映當(dāng)?shù)氐膶嶋H土壤鎘含量空間分布情況。但是32 km×32 km的樣點無法反映上述分布格局，特別是一些細(xì)節(jié)特征無法被準(zhǔn)確表達(dá)(圖6)。

圖6 不同網(wǎng)格尺度的鎘含量值空間分布Fig.6 Spatial distribution of Cd element content in different grid scales

7 結(jié)論

通過對南陽盆地農(nóng)耕區(qū)土壤鎘元素含量進(jìn)行自相關(guān)分析，鎘元素空間正相關(guān)，且相關(guān)性顯著；隨機(jī)抽取81個樣點作為獨(dú)立驗證集，并根據(jù)中心點最近點法提取了4種不同網(wǎng)格內(nèi)樣本，進(jìn)行了半方差分析，進(jìn)一步求證了不同采樣網(wǎng)格的空間相關(guān)性；交叉驗證結(jié)果顯示，鎘元素在4 km×4 km、8 km×8 km和16 km×16 km采樣尺度的RMSE較小且接近，表明所選的采樣尺度預(yù)測結(jié)果比較理想；4種網(wǎng)格尺度下分別進(jìn)行插值繪制趨勢面，16 km×16 km網(wǎng)格內(nèi)的采樣點依然能較好地反映當(dāng)?shù)氐膶嶋H土壤鎘含量空間分布情況。通過分析驗證，16 km×16 km網(wǎng)格為監(jiān)測點位最優(yōu)網(wǎng)格，但在實際布設(shè)過程中，還應(yīng)考慮土壤類型分布、土地利用現(xiàn)狀、周邊環(huán)境等因素采用合適的網(wǎng)格。