王丹妮，溫曉華，李金柱，何中發(fā)，王寒梅

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部上海資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心，上海 200072）

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究
——以上海市金山區(qū)廊下鎮(zhèn)為例

王丹妮1,2，溫曉華1,2，李金柱1,2，何中發(fā)1,2，王寒梅1,2

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部上海資源環(huán)境監(jiān)督檢測中心，上海 200072）

隨著國家對土地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)全方位管護(hù)要求的逐漸明確和加強(qiáng)，中大比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)成果在永久基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用規(guī)劃編制等國土資源管理工作中的落地應(yīng)用需求日趨迫切。本文以上海市金山區(qū)廊下鎮(zhèn)1:10000實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)的795個(gè)圖斑（自然地塊）為例，對比分析了1:50000空間插值結(jié)果與1:10000實(shí)測結(jié)果的相對誤差、土地質(zhì)量等級(jí)的變化情況，開展了1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用的探索性研究。

土地質(zhì)量；環(huán)境地球化學(xué)；地球化學(xué)調(diào)查；土地質(zhì)量評價(jià)

土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)是地質(zhì)工作拓展服務(wù)能力，服務(wù)國土資源管理中心工作的重要內(nèi)容。上海市已全面完成多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查和典型地區(qū)1:50000、1:10000的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作[1～3]，為本市國土資源管理工作積累了大量翔實(shí)的數(shù)據(jù)資料，但仍無法滿足永久基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用規(guī)劃編制等工作的要求，若大規(guī)模開展覆蓋自然地塊的土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，從財(cái)政、人力和物力上均不現(xiàn)實(shí)。針對這一問題，本文以上海市金山區(qū)廊下鎮(zhèn)為例，從5種空間插值方法中選取最優(yōu)方法，對廊下鎮(zhèn)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，以具有1:10000實(shí)測值的圖斑（自然地塊）為研究對象，對比分析1:50000插值結(jié)果與1:10000實(shí)測結(jié)果，探討空間插值方法是否適用于解決土地質(zhì)量數(shù)據(jù)落自然地塊（戶）的問題，實(shí)現(xiàn)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

1 研究區(qū)域概況

上海市金山區(qū)地處市域西南，西與浙江省平湖、嘉善市相鄰，東接奉賢區(qū)，北靠青浦區(qū)和松江區(qū)，南瀕杭州灣。全區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，降水充沛，日照較多，無霜期較長，宜于稻、麥、棉、油菜等農(nóng)作物生長。全境地勢低平，地面高程自北西至東南略有升高，河渠交織成網(wǎng)，主要土壤類型為水稻土和潮土。廊下鎮(zhèn)則位于金山區(qū)中部偏西南，東接張堰鎮(zhèn)、金山衛(wèi)鎮(zhèn)，北與呂巷鎮(zhèn)相接，西、南則分別與浙江省平湖市新埭鎮(zhèn)和平湖市新倉鎮(zhèn)毗鄰。

2 數(shù)據(jù)來源及其處理

2009～2010年，上海市開展了金山區(qū)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查，共采集土樣1738個(gè)（含廊下鎮(zhèn)內(nèi)180個(gè)采樣點(diǎn)）。2013年，以廊下鎮(zhèn)為典型地區(qū)土地質(zhì)量評價(jià)示范區(qū)，開展了1:10000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作，共采集土樣1339個(gè)。

研究區(qū)選取反距離權(quán)重（IDW）、全局多項(xiàng)式（GPI）、局部多項(xiàng)式（LPI）、徑向基函數(shù)（RBF）和普通克里格法（OK）作為土壤各元素指標(biāo)空間插值的模型方法。

采用ArcGIS地統(tǒng)計(jì)分析模塊對元素N、P、K、Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn的插值數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計(jì)分析，檢驗(yàn)并確保數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

對空間插值方法優(yōu)劣的檢驗(yàn)采用交叉驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)[4～7]。本文對廊下鎮(zhèn)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查的原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)一劃分，將180個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)分為試驗(yàn)樣本（126個(gè)）和檢驗(yàn)樣本（54個(gè)）。顯然，驗(yàn)證結(jié)果中均差（ME）、均方根誤差（RMSE）越小，則誤差越小，空間插值精度越高[8～11]。

3 結(jié)果與討論

3.1 最優(yōu)參數(shù)的確定

同一空間插值方法會(huì)因參數(shù)設(shè)置的不同而結(jié)果不同。此次參數(shù)設(shè)定中Power為1～3，搜索半徑分別為默認(rèn)值、250、500、750、1000、1500，模擬模型為球狀模型（Spherical）、指數(shù)模型（Exponential）和高斯模型（Gaussian）。

元素N、P、K擬合效果最好的參數(shù)整理見表1。結(jié)果表明，元素N、P、K的試驗(yàn)與檢驗(yàn)樣本中均差（ME）均為最大的是反距離權(quán)重法，試驗(yàn)樣本中均差（ME）最小的均是全局多項(xiàng)式法。元素N、P的試驗(yàn)樣本中均方根誤差（RMSE）最小的均是普通克里格法；元素P、K的檢驗(yàn)樣本中均差（ME）最小的均是全局多項(xiàng)式法，均方根誤差（RMSE）最小的均是反距離權(quán)重法?？芍?，并不存在一種最佳插值方法可同時(shí)使試驗(yàn)與檢驗(yàn)樣本的均差（ME）、均方根誤差（RMSE）最小，插值效果最優(yōu)。

表1 養(yǎng)分元素氮磷鉀空間插值模型測試結(jié)果Table 1 The test results of spatial interpolation model of nutrient elements as nitrogen (N), phosphorus (P), potassium (K)

3.2 最優(yōu)空間插值法的確定

在各空間插值方法最優(yōu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，以插值精度、成圖效果、異常圈定能力三方面因素選出最優(yōu)插值方法。

以元素Cr為例，從圖1的對比可知，全局多項(xiàng)式法、局部多項(xiàng)式法的插值精度均較低，僅顯示大面積范圍內(nèi)的變化趨勢；普通克里格法與徑向基函數(shù)法的插值效果、精度有明顯提高，多鋸齒狀突起、表面不平滑；反距離權(quán)重法精度最高，插值表面連續(xù)、光滑，很好地反映出廊下鎮(zhèn)域土壤中元素Cr的空間分布，為最優(yōu)空間插值方法。

圖1 5種空間插值方法下廊下鎮(zhèn)土壤元素Cr的空間分布Fig.1 Spatial distribution of element chromium in surface soil calculated with 5 interpolation methods

從表2可以看出，11個(gè)元素的最優(yōu)空間插值法均為反距離權(quán)重插值法。其中，Power值均以3最優(yōu)，搜索半徑的變化范圍為500～3846.03，均不小于實(shí)際采樣點(diǎn)間距。

表2 土壤化學(xué)元素最優(yōu)空間插值方法參數(shù)Table 2 The optimal parameters of spatial interpolation method for soil chemical elements

3.3 數(shù)據(jù)對比分析

統(tǒng)計(jì)廊下鎮(zhèn)795個(gè)圖斑（自然地塊）中各元素1:50000空間插值數(shù)據(jù)平均值與1:10000實(shí)測數(shù)據(jù)平均值的相對誤差，兩者相對誤差小于40%的土壤化學(xué)元素占比及其地塊圖斑比例如表3所示。

表3 土壤化學(xué)元素的空間插值與實(shí)測對比相對誤差小于40%的占比Table 3 The percentage of soil chemical elements of relative error less than 40% between interpolation and measure

從表3可知，兩者相對誤差小于40%的地塊個(gè)數(shù)超過90%的元素共7個(gè)，分別為K、Ni、Cr、Zn、As、Cu、Pb，元素Hg、N、Cd、P的圖斑個(gè)數(shù)比例分別為60.20%、75.06%、82.12%、85.77%?？芍?，空間插值結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果之間仍然存在誤差，元素Hg、N、Cd、P尤甚。

在典型實(shí)例中，開展金山區(qū)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查時(shí)，以該地區(qū)土地利用現(xiàn)狀類型為底圖，劃分出一個(gè)采樣單元（圖2紅色實(shí)線圈定范圍），在進(jìn)行廊下鎮(zhèn)1:10000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查時(shí)，疊加地形地貌、土壤類型兩個(gè)圖層后，上述采樣單元細(xì)分為5個(gè)采樣單元（圖2藍(lán)色實(shí)線分割范圍）。該區(qū)塊內(nèi)共包含10個(gè)圖斑（自然地塊），見圖2淺紅色虛線圈定范圍。

圖2 土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)典型實(shí)例Fig.2 The typical example of geochemical survey of land quality

通過上述典型實(shí)例可解析出相對誤差的主要來源：

（1）采樣誤差：典型實(shí)例中，1:50000采樣工作采集了1件樣品（0號(hào)采樣點(diǎn)），1:10000采樣工作共采集了5件樣品（1～5號(hào)采樣點(diǎn)）。其中，0號(hào)采樣點(diǎn)中元素Cd含量為0.19μg/g，1～5號(hào)采樣點(diǎn)中元素Cd含量分別為0.14、0.16、0.17、0.17、0.21μg/g?？梢?，開展兩種比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作時(shí)，隨著調(diào)查精度的提高，采樣單元、采樣點(diǎn)位、采樣點(diǎn)數(shù)量等均發(fā)生改變，不可避免地存在采樣誤差。

（2）分析誤差：兩種比例尺土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查工作開展的年份不同，分析測試條件有可能不完全相同，使得分析數(shù)據(jù)結(jié)果之間難免存在分析誤差。

（3）空間插值過程的誤差：空間插值過程是利用調(diào)查采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)一定的數(shù)學(xué)方法，對未測點(diǎn)進(jìn)行擬合預(yù)測，形成連續(xù)分布的柵格數(shù)據(jù)，是一種模擬過程，必然存在誤差。元素Cd的反距離權(quán)重法的交叉驗(yàn)證結(jié)果顯示，24個(gè)采樣點(diǎn)實(shí)測值與預(yù)測值之間的相對誤差范圍為-46.15%～56.47%（圖3）。

圖3 元素Cd采樣點(diǎn)實(shí)測值與空間插值預(yù)測值對比Fig.3 The measured value and the predicted value from spatial interpolation of element Cadmium

（4）圖斑（自然地塊）內(nèi)元素含量平均過程中導(dǎo)致的誤差：圖2中的B圖斑（自然地塊）包含4、5號(hào)采樣點(diǎn)，其Cd含量分別為0.17、0.21μg/g，平均值為0.190μg/g，空間插值點(diǎn)個(gè)數(shù)為100，Cd含量的平均值為0.181μg/g。

（5）元素的空間變異性導(dǎo)致的誤差：自然界土壤分布極為復(fù)雜，土壤在同一平面或不同深度上并不完全均質(zhì)，其元素含量在各點(diǎn)并不相同，變異系數(shù)可表征元素的空間變異情況。隨著元素變異系數(shù)增大，元素在空間上含量變化越大，空間插值結(jié)果中相鄰點(diǎn)位元素含量數(shù)值差異明顯，在圖斑（自然地塊）破碎的情況下，使得同一地塊內(nèi)的多個(gè)插值點(diǎn)位結(jié)果之間變化明顯，致使1:50000插值數(shù)據(jù)與1:10000實(shí)測數(shù)據(jù)之間相對誤差增加，相對誤差大于40%的地塊個(gè)數(shù)百分比例增高，最終導(dǎo)致相對誤差小于40%的地塊個(gè)數(shù)百分比例值與元素變異系數(shù)成明顯負(fù)相關(guān)性（圖4）。

3.4 土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)結(jié)果對比分析

對廊下鎮(zhèn)795個(gè)圖斑（自然地塊）內(nèi)各元素1:50000插值數(shù)據(jù)平均值、1:10000實(shí)測數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)評定，對比兩者的評定結(jié)果。

圖4 土壤化學(xué)元素空間變異系數(shù)與地塊中相對誤差＜40%的百分比例關(guān)系Fig.4 The relationship between spatial variation coefficient and the plot percentage of relative error which less than 40% of soil chemical elements

從表4可以看出，養(yǎng)分元素K、P、N質(zhì)量等級(jí)不變的地塊個(gè)數(shù)比例分別為5.54%、40.10%、42.30%，環(huán)境元素Hg、Cu、Cd、Cr、Zn、Pb、As、Ni質(zhì)量等級(jí)不變的地塊個(gè)數(shù)比例分別為81.36%、93.20%、94.71%、97.61%、98.74%、99.24%、99.87%、99.87%。整體來看，養(yǎng)分元素N、P、K質(zhì)量等級(jí)不變的地塊個(gè)數(shù)比例小于45%，環(huán)境元素中除元素Hg外，其他元素質(zhì)量等級(jí)不變的地塊個(gè)數(shù)比例超過90%。

表4 土壤化學(xué)元素質(zhì)量等級(jí)變化Table 4 Changes in the quality level of soil chemical elements

同樣，可通過典型實(shí)例說明元素N、P、K、Hg質(zhì)量等級(jí)變化明顯的原因。

B圖斑（自然地塊）中，0號(hào)采樣點(diǎn)中元素N、P、K含量分別為2.39、1.00、20.99g/kg，質(zhì)量等級(jí)分別為一級(jí)、二級(jí)、二級(jí)；4、5號(hào)采樣點(diǎn)的情況不盡相同，其中，4號(hào)采樣點(diǎn)中元素N、P、K含量分別為1.97、0.86、25.48g/kg，質(zhì)量等級(jí)分別為二級(jí)、二級(jí)、一級(jí)，5號(hào)采樣點(diǎn)中養(yǎng)分元素N、P、K含量分別為2.52、1.02、19.83g/kg，質(zhì)量等級(jí)分別為一級(jí)、一級(jí)、二級(jí)?？芍S著點(diǎn)位和時(shí)間的改變，同一圖斑（自然地塊）中養(yǎng)分元素N、P、K含量分布變化明顯，質(zhì)量等級(jí)亦會(huì)發(fā)生改變，造成這一現(xiàn)象的主要原因是各地塊分屬不同農(nóng)戶，耕作方式（施肥量、施用化肥種類、作物種植種類等）會(huì)因年份不同發(fā)生相應(yīng)調(diào)整，易改變土壤中養(yǎng)分元素N、P、K含量分布特征，質(zhì)量等級(jí)從而發(fā)生變化[12]。對于元素Hg而言，0號(hào)采樣點(diǎn)中含量為

0.14mg/kg，pH值為5.88，4、5號(hào)采樣點(diǎn)中元素含量分別為0.092、0.14mg/kg，pH值分別為6.44、6.26?？芍?，元素Hg的含量存在突變現(xiàn)象，且與pH值之間無明顯相關(guān)性。研究表明，在農(nóng)用地土壤的表層和次表層中，腐殖質(zhì)結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)是元素Hg的主要賦存形式，但此類Hg比較容易活化（如溫度的改變、酸雨等）[13]，使得圖斑（自然地塊）間元素Hg的含量易發(fā)生變化，進(jìn)而改變質(zhì)量等級(jí)，此外，元素Hg的空間變異系數(shù)為50.14%，屬強(qiáng)變異強(qiáng)度，空間插值結(jié)果與實(shí)測結(jié)果之間本身誤差較大。

永久基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用規(guī)劃編制等工作主要關(guān)注于圖斑（自然地塊）中土地質(zhì)量等級(jí)及其變化情況[14]，為實(shí)現(xiàn)1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)成果成功轉(zhuǎn)化，結(jié)合上述原因，分析可采取以下措施：

（1）針對養(yǎng)分元素N、P、K，在1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查成果的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)施肥，控制其含量于合理范圍內(nèi)，在保證農(nóng)作物健康生長的同時(shí)，縮小空間變異性，以提高空間插值的精度，達(dá)到精準(zhǔn)預(yù)測其質(zhì)量等級(jí)的目的；

（2）針對環(huán)境元素（Cd、Hg、Pb、As、Cu、Zn、Ni、Cr），鑒于質(zhì)量等級(jí)有出入的圖斑（自然地塊）主要分布于點(diǎn)狀污染區(qū)的情況，可通過復(fù)查的方式核實(shí)存在（明顯或潛在）污染的圖斑（自然地塊）的情況，修正其質(zhì)量等級(jí)。

4 結(jié)論

（1）針對1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)數(shù)據(jù)，可采用反距離權(quán)重法插值實(shí)現(xiàn)圖斑（自然地塊）中地球化學(xué)數(shù)據(jù)的全覆蓋，該數(shù)據(jù)可與1:10000比例尺工作精度相當(dāng)。

（2）1:50000土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查與評價(jià)成果可通過空間插值與重點(diǎn)區(qū)域復(fù)查相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)土地質(zhì)量數(shù)據(jù)落戶（地塊），相關(guān)數(shù)據(jù)可應(yīng)用于永久基本農(nóng)田保護(hù)、土地利用規(guī)劃等國土資源管理工作。

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WANG Dan-Ni1,2, WEN Xiao-Hua1,2, LI Jin-Zhu1,2, HE Zhong-Fa1,2, WANG Han-Mei1,2
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Shanghai Center for Intendance and Testing of Resources and Environment, Ministry of Land and Resources of China,
Shanghai 200072, China)

Alongside the strengthening of management policies for land quantity, land quality, and ecological protection, the Geochemical Survey and Evaluation on Land Quality has an important role in mid- and large-scale land and resource management. Data from 795 patches (natural plots) at a scale of 1:10,000 in the town of Langxia in the Jinshan district, Shanghai, is used as an example for studying the relative error and geochemical land quality changes. Spatially interpolated data from the Geochemical Survey on Land Quality (at a scale of 1:50,000) is also used to implement land and resources management.

land quality; environmental geochemistry; geochemical survey; evaluation of land quality

X142

A

2095-1329(2015)02-0083-04

2014-12-16

2015-03-25

王丹妮(1988-),女,碩士,主要從事環(huán)境地球化學(xué)研究.

電子郵箱: wdnezhou@163.com

聯(lián)系電話: 021-56613081

中國地質(zhì)調(diào)查局土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)項(xiàng)目“上海市典型地區(qū)土地質(zhì)量地球化學(xué)評價(jià)示范”(12120113001900)

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.019