基于海口城鄉環境梯度帶劃定的土壤點位布設思路與方法

吳 姬，伍成成，莊曉娟，許杏紅

（海南省生態環境監測中心，海南 海口 571126）

0 引言

土壤監測點位布設是了解地區土壤屬性空間分布的基礎[1]。海口市作為海南省會城市，經濟發展相對快速，工業企業較多且集中分布。2020年海口市實現地區生產總值1791.6億元，比上年增長5.3%，三次產業結構比為4.5∶15.0∶80.5[2]。國內不少學者針對海口市城市土壤[3]、主城區農田[4]、農村土壤[5]、城郊蔬菜基地[6]等特定區域的土壤進行點位布設和樣品采集，開展土壤重金屬、理化指標或有機污染物等研究。但綜合考慮海口不同區域特點，開展土壤點位布設的研究相對缺乏，點位布設的思路和方法尚未明確。因此，本研究在劃定海口城市中心區、城鄉交錯區、農村區、自然區等4個城鄉環境梯度帶的基礎上，探究海口不同城鄉環境梯度帶土壤點位布設思路與方法，有利于實現合理評價海口市土壤環境質量和污染現狀，滿足海口市土壤污染防治與管控、生態健康評價等要求。

1 研究區概況

海口市位于北緯19°31′32″～20°04′52″，東經110°07′22″～110°42′32″。總面積3126.82 km2，其中陸地面積2296.82 km2，占73.46%；海域面積830 km2，占26.54%。2020年，海口市2020年農林用地約16.84萬hm2，占全市陸域總面積的74%；建設用地約3.73萬hm2，占16%；其他用地約2.32萬hm2，占10%。成土母巖主要包括基性火山巖、花崗巖、變質巖、沉積巖、第四系松散沉積物等5種類型。土壤類型主要為磚紅壤、新積土、水稻土、風沙土、火山灰土、石質土等。

2 研究思路

根據海口市的城市發展歷史及現狀，借鑒國內學者針對海口市城鄉交錯帶、城市邊緣區等劃定的研究，結合歷史資料和遙感影像等，將海口市劃分為城市中心區、城鄉交錯區、農村區、自然區4個環境梯度。綜合考慮海口市各城鄉環境梯度帶區域面積、農用地分布、點位布設需求等因素，確定合適的網格大小作為省控土壤基礎點位布設的網格尺度。陸泗進[7]、謝志宜[8]等研究發現2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km 3種采樣尺度均能較可靠地反映珠三角區域耕地土壤重金屬含量的整體狀況和空間變異情況，小尺度網格對區域環境質量反映和刻畫尤為細致。因此，本研究土壤點位擬采取基于海口城鄉環境梯度帶區域面積大小，采用不同網格尺度的點位布設方法。為科學反映海口市土壤環境質量，本研究借鑒國家在農用地上布設土壤基礎點以說清土壤環境質量狀況及變化趨勢的思路，采取在不同海口城鄉環境梯度帶農用地面積占優網格內布設土壤點位的方法。

點位布設遵循代表性、可行性、覆蓋性原則。點位布設需統籌考慮土地利用方式、成土母巖、土壤類型、居民點分布、污染源分布等，實現所布設點位具有廣泛的代表性。點位布設應充分考慮人力和財力條件，確保技術和能力可行。點位布設應實現4個城鄉環境梯度帶的多點位覆蓋，涵蓋4個城鄉環境梯度帶的主要成土母巖和土壤類型。

3 研究方法

3.1 數據源和數據平臺

本研究的數據源主要包括規劃資料、年鑒資料、遙感影像、專題地理信息數據等。其中，遙感影像主要為Google地圖海口市歷史影像；專題地理信息數據包括行政區劃、土地利用現狀、成土母巖、土壤類型、生態保護紅線、河流湖庫、地形地貌、自然保護區、森林公園、地質公園、交通干線、污染源分布、居民點分布等。本研究主要使用的軟件平臺有ArcGIS系統和91衛圖助手等。

3.2 布設方法

3.2.1 創建初始理論點位

利用Arc GIS軟件，在海口市城市中心區、城鄉交錯區、農村區、自然區4個環境梯度帶上采用網格法布點。城市中心區和城鄉交錯區環境梯度帶是在張利利等[9]劃定的“海口市城鄉交錯帶”內外邊界，琚青青等[10]界定的“海口市城市邊緣區”內外邊界的基礎上，結合海口市城市總體規劃、海口土地利用現狀變化（特別是城鎮建設用地變化）和發展趨勢進行劃定。自然區初步選取海南海口石山火山群國家地質自然公園、海南海口火山國家森林自然公園，但鑒于這2個區域土層薄，土壤深層樣品采集不具備可行性，因此在城市中心區、城鄉交錯區環境梯度帶以外區域，根據連片林地圖斑面積大小，選取3個林地成片分布面積較大的區域，劃定為自然區。城市中心區、城鄉交錯區、自然區劃定后，其他區域為農村區（見圖1）。城市中心區、城鄉交錯區、自然區、農村區的面積分別約為376.40 km2、780.54 km2、7.60 km2、1132.28 km2。

圖1 海口市城鄉環境梯度帶網格和中心點

國家“十三五”土壤環境質量監測國控點位布設方法中規定對于全省耕地建立8 km×8 km網格、對于林草地建立32 km×32 km網格，海南省省控土壤生態環境監測網絡則是對全省農用地統一建立6 km×6 km網格。結合海口市4個環境梯度帶面積大小，本研究借鑒謝志宜[8]等對于小尺度網格對區域環境質量反映和刻畫尤為細致的研究成果，采用不同的小網格尺度，自然區建立0.5 km×0.5 km網格，城市中心區、城鄉交錯區建立2 km×2 km網格，農村區建立4 km×4 km網格，統一生成網格中心點（見圖1）。自然區生成69個網格及其中心點，城市中心區、城鄉交錯區、農村區分別生成131個、238個、187個網格及中心點。

3.2.2 優化初始理論點位

（1）設定有效網格。國家“十三五”土壤環境質量監測國控點位布設方法采用面積占優法，在耕地或林地面積占比超過40%的網格內布設土壤點位。本研究參考利用面積占優法，為保證土壤點位的代表性，對面積占優比例進行調整，在自然區、城鄉交錯區、農村區選取農用地面積超過60%的網格布設點位，城市中心區由于建設用地面積多，選取農用地面積超過35%的網格布設點位。

城市中心區、城鄉交錯區、農村區農用地范圍主要根據《GB 15618—2018土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準》確定，GB 15618—2018中“農用地”指《GB/T 21010—2017土地利用現狀分類》中耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園）、草地（天然牧草地、人工牧草地）。結合GB 15618—2018中農用地類別，考慮海南省多園地（多橡膠、多果園）的特點，將海南省耕地（水田、水澆地、旱地）、園地（果園、茶園、其他園地—含橡膠園）、草地（人工牧草地、天然牧草地）作為農用地統計圖斑。自然區農用地范圍為林地、耕地、園地、草地，即在上述三個城鄉環境梯度帶農用地范圍的基礎上增加林地，與《GB/T 21010—2017土地利用現狀分類》附錄A農用地分類一致。

自然區（含林地）、城鄉交錯區、農村區農用地面積滿足要求的有效網格數量分別為42個、46個、34個，城市中心區農用地面積滿足要求的有效網格數量為23個。

（2）選取有效網格。選取的有效網格應覆蓋各城鄉環境梯度帶的主要土壤類型、成土母巖，平衡分布于各城鄉環境梯度帶，一般不處于2個城鄉環境梯度帶邊界。自然區、城市中心區、城鄉交錯區、農村區選取的有效網格數量分別為12個、15個、20個、20個，共計67個有效網格（見圖2）。通過選定網格中心點、移動網格中心點等方式，確定選取的有效網格內的土壤點位，共計67個土壤點位。

（3）歷史點位分析。有效網格內有歷史監測點位（省控網點位），該項目布設的土壤點位不能與歷史監測點位重疊（距離＞500 m），或重新選取緊鄰的有效網格布設土壤點位。

（4）新增點位布設。有效網格內無歷史監測數據，自然區在林地圖斑上布設點位，城市中心區、城鄉交錯區、農村區應優先在耕地或園地圖斑上布設點位。監測點落在圖斑邊界的，盡量調整平移到圖斑的中部，且盡量靠近網格中心。

（5）疊加河（湖、庫）和山地圖層。選取的有效網格中心點落在大面積的河（湖、庫）面的，取消該類網格中心點，就近選擇非河（湖、庫）區域上的有效網格，選取（或增加）監測點作為備選。網格中心點落在山地，且點位所處位置采樣困難的，則取消該網格中心點，在附近有效網格選取（或增加）監測點作為備選。

（6）疊加污染源、居民點和交通道路緩沖區圖層。國家“十三五”土壤環境質量監測國控點位布設方法中規定對于交通道路網150 m緩沖區以內、距離居民點300 m以內的點位（容易受到人為干擾，不具有長期監測的連續性）或周邊600 m范圍內存在污染源的點位可舍棄、平移或與相鄰點位合并。據此本研究針對污染源生成600 m緩沖區、居民點生成300 m緩沖區、交通道路兩側生成150 m緩沖區，將網格點與緩沖區做疊置分析，判斷網格點是否落入緩沖區內，將落在此范圍內的網格點，平移到同一網格內，距離道路150 m以上、居民點300 m以上、污染源600 m以上的耕地（或園地、林地）處。城市中心區環境梯度帶結合實際情況在有效網格內確定點位，與交通道路、居民點、污染源的距離不做嚴格限制。

（7）疊加成土母巖和土壤類型。將優化后的理論點位與成土母巖圖、土壤類型圖做疊置分析，獲取各網格點所對應的成土母巖、土壤類型等信息。整體分析布設點位覆蓋的成土母巖和土壤類型，針對海口市不同城鄉環境梯度帶農用地主要成土母巖和土壤類型進行個別點位位置調整，實現土壤點位對不同城鄉環境梯度帶農用地主要成土母巖和土壤類型的全覆蓋。

3.2.3 調整點位密度

監測點位應覆蓋海口市各城鄉環境梯度帶主要涉及的成土母巖、土壤類型，若未覆蓋主要的成土母巖或土壤類型，則選取該城鄉環境梯度帶農用地范圍內、最大片的未覆蓋成土母巖、土壤類型圖斑的中部位置，新增監測點位，如在農村區成土母巖為第四系松散沉積物的區域新增3個點位，減少原來3個有效網格內的點位，土壤點位數量控制為20個。海口市不同城鄉環境梯度帶土壤點位布設位置見圖3。

3.2.4 點位核實與確認

通過衛星影像和現場勘查相結合的方式，對處于不同土地利用類型、土壤類型或成土母巖交界地區的點位，或點位土地利用方式可能發生變化的點位，進行舍棄、平移。對現場環境條件不具備采樣條件的，要對理論網格點位進行調整，以實現理論點位的核實確認和優化。

3.2.5 點位布設合理性分析

海口市城鄉環境梯度帶土壤點位共布設67個，其中自然區12個、城市中心區15個、城鄉交錯區20個、農村區20個。自然區涉及的主要土壤類型為磚紅壤、火山灰土、石質土、紫色土，對應的土壤點位分別為5個、2個、2個、3個。城市中心區涉及的主要土壤類型為磚紅壤、水稻土、火山灰土、新積土，對應的土壤點位分別為8個、4個、2個、1個。城市交錯區涉及的土壤類型為磚紅壤、水稻土、火山灰土、石質土、新積土，對應的土壤點位分別為10個、5個、3個、1個、1個。農村區涉及的主要土壤類型為磚紅壤、水稻土，對應的土壤點位為18個、2個。海口市土壤點位已基本覆蓋不同城鄉環境梯度帶農用地主要土壤類型。

海口市自然區、城市中心區、城市交錯區、農村區等4個城鄉環境梯度帶涉及的主要成土母巖均為基性火山巖、第四系松散沉積物，自然區基性火山巖、第四系松散沉積物2種成土母巖對應的土壤點位為8個、4個，城市中心區2種成土母巖對應的土壤點位為11個、4個，城市交錯區2種成土母巖對應的土壤點位為16個、4個，農村區2種成土母巖對應的土壤點位為16個、4個。海口市土壤點位已基本覆蓋不同城鄉環境梯度帶主要成土母巖。

4 結論與討論

（1）海口市土壤點位已基本覆蓋不同城鄉環境梯度帶主要成土母巖和土壤類型，布設合理，代表性較好，可反映海口市不同城鄉環境梯度土壤環境質量現狀，為海口市土壤環境質量、生態健康評價及土壤污染防治提供科學依據。

（2）本研究土壤點位布設方法綜合考慮了海口市不同城鄉環境梯度帶、成土母巖、土壤類型特點，通過采取不同小網格尺度、統籌分析土地利用類型，及污染源、居民點和交通干線等分布，完成點位布設。土壤點位布設方法可為區域土壤點位布設提供借鑒。

（3）本研究土壤點位布設基于項目劃定的自然區、城市中心區、城鄉交錯區、農村區等4個不同城鄉環境梯度帶，后期隨著海口市城市發展，土地利用類型、工業企業分布、交通道路分布等將發生變化，城鄉環境梯度帶必將發生改變，土壤點位可進一步優化調整。