土壤环境监测基础点位布设思路与方法

陆泗进，王业耀，夏 新，何立环

中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012

土壤环境状况不仅直接影响到国民经济发展和国土资源环境安全，而且直接关系到农产品安全和人体健康[1-4]。当前中国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染严重、功能丧失，危害人民群众身体健康，影响社会和谐稳定[5-7]。

环境保护部门一直非常重视土壤环境监测工作。早在“六五”“七五”“八五”期间，就开展了土壤环境背景值调查工作。2006年，全国土壤污染调查专项工作全面启动，完成了全国土壤环境质量调查与评价、全国土壤背景点环境质量调查与对比分析、重点区域土壤污染风险评估与安全性划分、污染土壤修复与综合治理试点等主要内容。2011—2015年,全国环保监测系统按照每年监测一类重点区域(企业周边、农田、蔬菜地、水源地周边、畜禽养殖场周边)开展了土壤环境质量例行监测工作试点[1,7-8]。这些调查或监测试点工作，为国家掌握全国土壤环境质量状况，制定相关政策发挥了重要作用。但目前的土壤环境质量监测工作仍属于专项性质和试点性质，同时监测点位存在代表性不强、分布不尽合理、不具连续性等问题，全国的土壤环境质量监测网络也尚未系统构建，还不能满足当前国家对土壤环境进行全面有效监管的新要求[1,7]。

党的十八大以来，习近平总书记关于建设生态文明、加强环境保护的讲话、论述、批示达100多次，提出了一系列新理念、新思想和新战略。十八大报告也强调，要以解决损害群众健康突出环境问题为重点，强化水、大气、土壤等污染防治。李克强总理多次强调，环境污染是民生之患、民心之痛，要铁腕治理，以改善大气、水、土壤环境为重点，加强污染治理和生态保护。《土壤污染防治行动计划》[9]明确要求，由环境保护部牵头，统一规划、整合优化土壤环境质量监测点位，2017年底前完成土壤环境质量国控监测点位设置，建成国家土壤环境质量监测网络，充分发挥行业监测网作用，基本形成土壤环境监测能力。2020年底前，实现土壤环境质量监测点位所有县(市、区)全覆盖。

1 国际做法和经验

国家土壤环境监测网络的布设有利于了解国家土壤环境质量和基本动态，对于环境污染的尽早发现和治理也具有重要作用。欧洲很多国家和地区都建立了土壤监测网络，并开展长期监测[10-15]。其目的在于掌握土壤状况和相关污染物的生态毒性风险、了解土壤相关指标的空间分布特征及随时间变化趋势。1979年，英国以5 km×5 km网格布设了6 000个土壤监测点位；1985年，瑞士建立了国家土壤环境监测网(NABO)，每100 m2布设一个监测点位，监测点的选择原则是农用地占50%，森林、土壤占30%，其他广泛使用的土壤占20%；德国环境保护部门和农业部门共设置了800多个土壤监测点；法国也提出构建16 km×16 km采样网格的土壤监测网络。此外，奥地利、比利时、丹麦等也都建立了国家层面的土壤监测点位。这对土壤数据的积累、土壤环境问题的早期发现具有积极作用。同时，欧盟在2004年中期为土壤监测提出一项正式立法提议，拟建立整个欧盟的土壤监测网络[13-15]。欧盟提出每300 km2布设1个监测点，基本可涵盖欧洲全部土壤类型和土地利用类型。由于欧盟此前已在森林土壤调查中建立了以16 km×16 km的监测格网，因此只需在非森林土地上新增监测点，同时吸纳欧盟各成员国已布设相关土壤监测点位就可形成完善的整个欧盟的土壤监测网络。这样大大节约了人力物力，也减少了欧盟财政预算。

可以看出，虽然不同国家和地区在土壤监测的组织形式和指导思想上有所差别，但国家土壤环境监测网络构建方法和目的基本一致，都是为了掌握和了解土壤污染整体状况及变化趋势。同时，也都是采用网格法开展点位布设，只是网格的尺度是适宜各国国情和实际的。这些宝贵的经验值得国内借鉴。

2 中国的土壤环境监测网

中国的土壤环境监测网是在整体状况和风险监控两个层面上构建的例行监测网，由背景点、基础点、监控点3类点组成，分为国控和省控两级。通过长期、定点、连续监测，逐步说清全国土壤环境质量整体状况及变化趋势；掌握土壤环境疑似高风险区域，实现风险监控。为各级政府管理部门土壤污染防治目标考核提供技术支撑，同时也是各土壤专项调查服务的基础，各土壤专项调查可在此基础上开展针对性的加密(数量、频次等)监测。

中国是农业大国，耕地数量和质量非常重要。耕地一旦遭到污染，不仅会危害居住其上的农民，更会通过粮食、蔬菜等农产品的供给，给食品安全带来风险。同时，一些区域的土壤环境问题直接或间接影响居民生活健康，如工矿污染企业周边、饮用水源地保护区等，这些特定区域对国家生态环境安全具有重要影响。因此，土壤环境监测点位布设区域应以耕地、工矿污染企业周边、饮用水源地保护区等为主。同时，国内的土壤环境质量监测还应兼顾到土壤背景值的变化[1]。

因此，中国的土壤环境监测网应包含3类国控点：背景点、基础点、监控点。①背景点分布在未受或少受人类活动影响的土壤，反映未经(或者极少)人为影响地区的土壤中元素的自然含量，可以为追溯污染历史、制定环境标准、研究环境质量提供基础数据。在延续“七五”和“十一五”全国土壤环境调查背景点位的基础上，根据现实发展变化进行重新筛选、优化和补充获得。②基础点是基于全国土地利用类型(包括耕地、林草地、园地等)上布设的监测点位，通过定点、连续监测，系统、全面地反映国内土壤整体环境状况、变化趋势，同时通过与背景监测的对照，可判断污染控制和环境管理的成效。③监控点以监控土壤环境风险源和敏感区域土壤环境潜在风险为目的，依据污染物排放特征和主要影响范围，在涉及重金属、持久性有机污染物等环境风险较大的行业企业、工业园区、集中式饮用水源地保护区等区域周边土壤中布设具有代表性的点位，以实现风险监控和预警。

3 布点尺度和点位优化方法研究

作为土壤监测最基础、最前端的一环，基础点位的布设非常重要，且又非常复杂。究竟全国应该在哪些区域布设、布设多少个基础点位，才能基本说清全国的土壤环境状况及变化趋势，如何在点位数量、点位代表性、工作经费、监测能力上取得平衡是值得深入思考和研究的。国家层面也一直在进行相关的研究和探讨，希望能在已有相关监测工作基础上，借鉴国内外相关经验，确定土壤环境监测国控点位，建立适合我国国情的国家土壤环境监测网。

众所周知，土壤监测布点采样的目标是为土壤进行有效的管理提供必需的信息。所需要的信息是研究区域内土壤变量的取值及其空间变异特征。对网格布点法而言，网格的密度越小，越能较好地对上述信息进行推断，而随着网格的密度放大，监测点位在估值精度、空间变异性表达方面将呈降低趋势[16-19]。但是，如果采样数量变异不足以影响土壤管理，则精确空间变异描述的意义降低，完全可以以较少的采样成本达到土壤环境监管的目的。若考虑土壤监测、调查成本，应当分析不同网格尺度效果对采样数的敏感性，以可能用较少的点位数达到与较多点位数支持下大致相当的效果。

如前所述，欧洲国家和地区提出了满足各自需求的布点网格尺度，在中国国家尺度上，究竟多大的网格尺度合适，是开展基础点位布设的关键之一。我国“十一五”土壤污染状况调查工作，普查点位中耕地点位是在8 km×8 km网格布点基础上获得的，但也有个别地区对采样网格进行了加密。这为开展适宜网格尺度识别的研究提供了良好的数据支撑。中国环境监测总站组织广东省环境监测中心和湖北省环境监测中心站分别在广东珠三角地区和钟祥市胡集镇开展了不同网格尺度识别研究。通过对珠三角耕地土壤4种不同网络尺度(2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km、16 km×16 km)监测数据的研究和分析[20],绘制图1。可见，2 km×2 km、4 km×4 km、8 km×8 km 3种采样尺度，均较可靠地反映珠三角区域耕地土壤重金属含量的整体状况及空间变异情况。

图1 不同采样尺度下土壤镉含量半方差分布图Fig.1 Semivariogram of soil Cd content in varied scales

研究还表明，在污染较重的区域，网格尺度越小，对于区域环境质量的反映和刻画也更加细致。在考虑经济性和可行性的前提下，8 km×8 km是比较适宜的采样尺度。这说明，在考虑监测目的、监测成本等前提下，完全可以以较少的采样点位达到土壤环境例行监测的目的。对钟祥市胡集镇的研究，也得到了相似的结论。

珠三角地区人为活动剧烈，地理条件复杂，基于此，本研究认为国家尺度上基础点位布设宜采用8 km×8 km布点网格，但在污染重、耕地破碎化的地区，网格尺度应适当加密。在人为影响小、土地利用类型单一、土壤类型一致的地区，网格尺度则可适当放大(合并网格)。

在解决了布点网格尺度后，需要解决的另一个关键问题是如何科学合理地继承历史监测点位。“十一五”期间，全国土壤污染调查专项工作共布设土壤环境质量调查点位41 824个。2012年，全国土壤环境质量例行监测工作试点在基本农田区布设点位4 606个。这些工作积累了大量的监测点位、数据，这是开展土壤环境质量监测国控点布设的基础，开展国控点的布设不能脱离这些点位。

由于基础点位主要是为例行监测工作服务，例行监测与专项调查不同，监测点位数量要适宜，因此，历史监测点不能全部纳入国控点。为此，中国环境监测总站组织湖北省环境监测中心站以湖北省为例开展了历史监测点位的优选研究。通过分析历史监测点位不同元素和污染物的累积、污染情况判断该历史监测点位土壤环境质量情况，并进行土壤环境的累积性、适宜性评价。依据土壤背景累积性评价、土壤环境适宜性评价的结果，将历史监测点位划分成土壤环境保护点、土壤环境安全保障点、土壤环境整治点。同时，结合历史监测点位在土地利用类型图斑、土壤类型图斑上分布情况以及距离道路、居民区、污染源的距离等，提出统一、完整的优选原则，为历史监测点位筛选奠定了技术基础。成功将湖北省1 536个历史监测点位优化筛选为795个,见表1。

综上，基础点采用GIS空间分析技术，依据布设网格尺度研究结果，进行全国统一布点网格(8 km×8 km)。但在面积破碎、人为影响复杂区域适当加密，在人为影响小、大片分布且土地利用类型单一等区域则合理合并网格。然后叠加土壤类型图、历史监测点位等，按照统一的优选原则，进一步优选点位，并尽可能保留“十一五”全国土壤污染状况调查和“十二五”全国土壤环境质量例行试点监测等历史点位。最后，通过现场勘查对点位进行检验、优化、调整。

表1 湖北省历史监测点筛选结果

4 基础点位布设

4.1 布点原则

基于上述考量，基础点位布设应遵循的原则包括：①科学性和可行性。布设技术方法首先要科学合理，同时也应考虑现实基础，确保技术方法可以实现。②代表性和经济性。在满足监测目的和需求的基础上，在经费、点位数量、代表性3方面取得平衡。③继承性和发展性。监测区域有历史监测点位的则尽可能使用原点位，同时根据当前土壤环境监管需求，新增布设监测点位。④普遍性和特殊性。布点技术方法具有普遍适用性，但个别规定可以依据监测区域的环境特点、地形地貌特征等进行适当调整。⑤稳定性和动态性。点位一经确定，原则上不允许调整，但当点位不适应监测管理需求时，可进行动态调整。

4.2 布设方法

1)网格设定：针对监测区域耕地、林草地土壤分布状况，研究其土壤污染物含量及其空间变异特征，设定适宜的监测网格(如国家尺度上耕地监测网格划定为8 km×8 km)，采用网格布点法布设土壤环境质量监测点位。

2)网格筛选：将划定好的网格数据叠加监测区域土地利用现状图层，计算网格内耕地面积、林草地面积，按照面积占优法筛选出耕地、林草地面积超过一定比例的网格(对于土地利用破碎化的地区和粮食主产区等，可降低筛选比例或加密)，从而得到监测区域内需布设监测点位的网格，网格中心点即为初始点位。

3)利用GIS技术设置4个限制条件：①利用土地方式解译数据提取监测区域水系图层。②利用交通路网数据生成监测区域内主要交通干线两侧各150 m缓冲区图层。③利用污染源点位数据生成监测区域内污染源600 m缓冲区图层。④利用遥感解译数据，生成监测区域内居住用地300 m缓冲区图层。将上述得到的4个图层融合后与筛选网格相叠加，生成可布区域。将初始点位调整至可布区域最合适位置。

4)叠加土壤类型：将调整后的初始点位与地区土壤类型图做叠置分析，获取点位对应的土壤类型，点位应覆盖当地的主要土壤类型，否则在选取监测区域范围内未覆盖到的主要土壤类型图斑中部位置新增点位。

5)整合历史监测点位：将确定的网格点与历史监测点位(“十一五”全国土壤污染状况调查点位和“十二五”全国土壤环境质量例行试点监测农田点位等)进行叠加分析，按照统一的原则整合历史监测点位。

6)点位调整和优化：影像核查调整。利用高分影像逐一对布设的点位进行检查，对不符合限制条件要求的点位进行如下调整：①历史点位替代。同一网格内，用最近的且符合要求(如土地利用类型、土壤属性一致，非交通干线、居民点、污染源缓冲区内等)的历史监测点位代替网格点。②网格合并。视需要和实际情况，可以对相邻的网格进行合并，以减少监测点位数量。

7)现场核查：上述完成的点位仅为理论点位，还需对理论布设点位逐一进行现场核查，按照统一规定的核查标准进行，对于不符合要求的点位应按布点原则重新调整。

5 阶段性布设结果

截至目前，全国已经基本完成基础点位布设工作，点位数量共计约20 000个，其中耕地点位所占比例约为79%，林草地点位所占比例约为21%。(注：本文均不涉及香港、澳门特别行政区和台湾地区)

在区域分布上，耕地面积最大的6个省/自治区(河北、内蒙古、黑龙江、山东、河南、四川)基础点位数量较多。耕地相对较大、超标比例相对较高的6个省(湖南、湖北、江苏、浙江、安徽、云南)基础点位数量也较多。城市化率高或辖区面积相对较小，耕地面积小的7个省/自治区/直辖市(北京、天津、上海、重庆、福建、海南、宁夏)基础点位数量相对较少。

在历史点位继承上，全国约20 000个基础点位中，属于原“十一五”土壤污染状况调查点位所占比例约为60%；属于原“十二五”例行监测点位所占比例约为1%，新增点位所占比例约为39%。

在县域覆盖上，基础点位对县的覆盖比例已经达到99%。没有覆盖到的县共23个，主要原因包括：①个别县为海岛，如嵊泗县、南澳县、金门县等；②部分县耕地比重低，如黟县、申扎县、眉县、阿合奇县、乌恰县等，后续根据管理需要可新增布点。基础点位对区的覆盖比例为60%，没有覆盖的区基本为城市中心城区，无耕地或耕地比例低，无法布设。

在土壤类型的覆盖上，我国的耕地面积比例为1%以上的土壤亚类基本实现了覆盖，基础点位覆盖了56种土类，覆盖率达到98%；覆盖了148个主要土壤亚类，覆盖率为64%。

在产粮大县覆盖上，对照2011年全国粮食生产先进单位名单(共200个)，基础点位覆盖了上述全部产粮大县，所布设点位占全国耕地基础点位的比例约为20%。

6 结语

未来还需按照《土壤污染防治行动计划》的要求，进一步完善基础点位布设工作，针对尚未覆盖的区域(土地利用类型、土壤类型等)包括城市土壤，并结合全国土壤污染状况详查工作及国家重点生态功能区县域生态环境质量考核等，开展基础点位的优化和新增工作，实现土壤环境质量监测点所有县(市、区)全覆盖。同时，还应在土壤环境风险源和敏感区域周边土壤开展监控点的布设，依据污染物排放特征和主要影响范围，在涉及重金属、持久性有机污染物等环境风险较大的行业企业、工业园区和集中式饮用水源地保护区等区域周边土壤中布设具有代表性的点位，实现风险监控和预警，以满足环境管理和决策的需求。

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