CN108828182A - 一种喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，该方法包括将实验地划分为1m2或其整数倍大小的连续正方形单元，采用规定宽度的对角线开沟结合网格交点均匀深挖取样或均匀混样的步骤。还包括采用土壤元素快速检测仪进行检测的步骤。还包括降低土壤垂直异质性和水平异质性对土壤抽检检测的影响的步骤。本发明能够实现全网格覆盖；取样工作连贯，抽样量尽管非常大，但借助雇佣劳力或小型机械能轻松、便捷完成。可以轻松完成比传统抽样多10倍以上的抽样点数；而且实验室工作较少。重复性好、减少极大值或极小值被错误地统计消除的情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，针对异质性极强的主要喀斯特调查地类和可利用地类——天然洼地或传统农用地，对其实现局域全网格覆盖取土抽样或快速检测用途。
技术背景
峰丛洼地是西南喀斯特地区最醒目的地貌主体(熊康宁，1999)。国土资源遥感中心(2002)数据显示:峰丛洼地类型喀斯特是石漠化的“主力军”，面积约为西南三省石漠化总面积的51％。由亍其特殊的地质构造，喀斯特发育过程与程度因地貌部位不同有很大不同(任美锷，1983)。由于岩层交错分布，加之可溶性岩石风化频繁引发岩层崩解，这类区域地表土壤质地及物理化学成分差异巨大，具有很强的异质性(刘方、王世杰等，2008)。
洼地是山峰间相对平整的区域，一方面喀斯特地区岩层混杂，同时山坡上流失的土壤很容易逐渐堆积到洼地处，因而洼地土壤表现出尤为突出的分化强烈、差异显著的特征，即使相近的土壤也常常由于来源不同，表现出明显的地质和理化性质差异；另一方面，洼地土层相对较厚，是当地农用土地的主要地类。由于峰丛地形不利于机械化操作，西南地区过去一直沿袭以家庭为基本耕作单元的刀耕火种、结合手抓肥料等原始农耕方式，大大增加了由人为因素引起的土壤异质性的随机程度。
因此，洼地土壤异质性问题，不仅是提高喀斯特土壤调查准确性急需解决的重要问题；同时，克服洼地土壤异质性对农作物生产的影响，还是提高喀斯特地区栽培技术准确性和可重复性的关键。
土壤抽样是土壤基本情况摸底的根本；也是造成土壤高度混杂条件下，土壤详情调查和农田实验误差的主要来源。尽管我国已出台一些抽样规程,但在反应土壤异质性的同时，满足抽样操作的便捷性和有效性上仍存在很大的提升空间。
对于分化强烈、随机性强的土壤异质性，常规抽样操作运用五点法、S形法、棋盘法等进行点状抽样，这样做并不能很好地解决抽样点间差异过大的问题，常存在错误去除极值的情况；地理统计方法中使用的抽样方法是基于空间位置和两点间位置关联性的方法，如“顾及时空的非平衡态网络抽样方法”等，能针对空间差异问题调整取样点分布。然而计算方法极为复杂，操作实施较难，解决规律性不强的土壤异质性问题存在明显的局限。
因此有必要对喀斯特洼地或农用地土壤异质性问题，采取专门的土壤抽样和检测方法，更好地代表西南喀斯特地区强异质性土壤的真实污染情况、从而正确评价流域或洼地本身的土壤养分状况或重金属污染情况。另一方面，通过针对性摸清农地家底的方式，控制好农用地田间实验的外部条件以及正确开展自然条件下污染土壤对农产品或草食植被层的真实影响研究。
发明内容
本发明提供一种针对喀斯特地区专用的洼地或农用地的土壤快速抽样检测法，以提高土壤抽样准确性，减少错判误判率，用于解决分化强烈、随机性极强的喀斯特洼地或农用地土壤重金属等元素准确抽样及快速检测问题。
本发明的目的是这样实现的：
一种喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，主要是包括将丢荒洼地、典型样地或实验地划分为由连续的1m2或其整数倍大小正方形单元组成的正方形或长方形网格，采用规定宽度的对角线开沟结合网格交点等深开沟和均匀混样的步骤。用于解决地质成因引起的喀斯特地质成因的洼地异质性和结合长期刀耕火种造成的农用地异质性问题。还包括降低土壤垂直异质性和水平异质性对土壤抽检检测的影响的步骤。还包括采用土壤元素快速检测仪进行检测的步骤。其中，降低土壤垂直异质性是通过表层以下特定深度的土层的土壤来实现；降低土壤水平异质性通过全网格覆盖、混样方案或加大抽样检测点数量来实现。
对于洼地，通过取表层以下10～30cm深度土层的土壤来实现降低土壤垂直异质性；对于农用地，通过取表层以下20～30cm深度土层的土壤来实现降低土壤垂直异质性.
其中，通过“规定宽度”和“网格节点圆形深挖”是运用网格对空间的划分，覆盖土壤中相对稳定的关键层和足够的空间，提高抽样所代表的面积和特征性。
其中，通过快速检测仪器的使用，大幅增加检测密度，更准确地反应真实影响生态系统及环境的土壤物质浓度。
具体的，针对洼地的检测步骤是：
步骤1.总体方案：将丢荒洼地或典型洼地样地划分为由连续的1m2或其整数倍大小正方形单元组成的棋盘状正方形或长方形矩阵，采用规定宽度的对角线开沟结合网格交点等深开沟和均匀混样的配套措施，使用奥林巴斯XRF设备在对角线沟内每隔25～50cm读数1～2次，在圆形沟内随机读数3～5次，对所得读数进行统计分析；
步骤2.克服垂直异质性的方案：取表层以下10～30cm深度的土壤；
步骤3.克服水平异质性的方案包括如下步骤：
步骤3.1.深挖方案：以1m x 1m或其整倍数的网格为基础单元，将洼地因势分割为不同规格的正方或长方网格集合；取对角线挖沟。沟的宽度应为边长的1/2，正方网格沟长应为(其中N为1的整倍数，即网格基础单元边长)；长方网格沟长应为(其中a为网格基础单元边长，b为长方风格长边长度)；同时依据全覆盖原则，取正方或长方形的最少关键网格结点，绘制全覆盖网格分布图，依图作圆柱状深挖。圆形半径不能小于基础单元边长的1/4(例如基础单元为1m边长的正方形，圆形挖掘半径就不应小于0.25m)；
步骤3.2.混样方案：在对角线沟内，将表层土壤清理开后，在表层以下10～30cm深度土层继续取<2cm厚度的薄层土壤，使用工具打碎土块后，均匀混和后，再压实，堆积成条柱状待测；
步骤4.快速检测仪器运用方法：
步骤4.1.采用快速元素检测仪XRF，设置每波段20s扫描时间的3波段检验，重复次数设置1～3次；检测时保持检测仪垂直稳定；
步骤4.2.在对角线沟内每隔25～50cm读数1～2次，在圆形沟内随机读数3～5次；
步骤5.验证步骤：在对角线沟及圆形沟内，对混匀层的土壤同步取样，实验室验证。
进一步的，针对农用地的检测步骤是：
步骤1.总体方案：将25m2实验地划分为连续的5m长，5m宽的1m X 1m正方格，即25格，15m2土地划为5m长，3m宽长方格15格；取样时采用对角线开沟取样、混样，以及网格交点均匀深挖取样是措施配套；从垂直和水平两个方面减小土壤异质性的影响；
步骤2.降低垂直异质性影响的方案：取表层以下20～30cm深度土层的土壤；
步骤3.降低水平异质性影响的方案：
步骤3.1.深挖方案：取对角线挖沟，同时对正方形的6个关键网格结点，和长方形3个关键网格结点作圆柱状深挖；
步骤3.2.混样方案：沿对角线开挖宽X长为0.50m X 7.25m，20～30cm深的沟；将表层土壤清理开后，在表层以下20～30cm层连续取<2cm厚度的薄层土壤，均匀混和、充分拌匀后，堆积成条柱状，待测；按设定结点位置，开挖直径0.5m，深20～30cm的圆形柱状沟，去除表层土后，在表层以下20～30cm层连续取<2cm厚度的薄层土壤，每个结点的土壤均匀混和、充分拌匀后，堆积成条柱状，待测或等取样；
步骤4.验证方案：使用快速检测仪检测时，依据资金条件或必要性选择性进行验证步骤；按测点取全样；或者随机抽取部分测点取样。
本发明具有如下有益效果：本发明能服务于喀斯特地区洼地土壤调查、流域或洼地土壤重金属污染评价、农用地田间实验控制等，用于解决分化强烈、随机性极强的喀斯特洼地或农用地土壤重金属等元素准确抽样及快速检测问题。喀斯特地区面临坍塌、地表径流等强烈的喀斯特地表地运动造成的表层土壤频繁迁移问题，这一方法针对地质背景引起的洼地土壤异质性，以及除地质背景异质性外，传统施肥方式和耕作方式引起的农用地土壤异质性对抽样统计结果的影响，一方面能有效地大幅增加取样量，增加统计准确性；另一方面，能通过混样降低点位值的极端性，使抽样更吻合喀斯特地区地表土壤频繁转移的特点，从而减少传统方法对强烈的喀斯特土壤异质性造成的因点位极值高估，而被错误剔除问题、土壤元素区域变异过大，造成结果不可用等统计学问题，从而缓解实验误差，减少土壤污染的错判、漏判。
本发明能够实现全网格覆盖；取样工作连贯，抽样量尽管非常大，但借助雇佣劳力或小型机械能轻松、便捷完成。可以轻松完成比传统抽样多10倍以上的抽样点数；由于本发明涉及的实验室分析仅用于验证和校准快速检测仪器，因而实验室工作较少。由于同时采用针对垂直异质性和水平异质性的措施，本方法重复性好，能有效减少极大值或极小值被错误地统计消除的情况。
附图说明
图1是本发明的洼地全覆盖样本格的取样方案示意图；
图2是本发明的是正方形和长方形田间实验地抽样示意图，其中，a为使用本发明方法对正方形实验地全覆盖样本格的取样方案；b为对长方形实验地全覆盖样本格的取样方案。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的任何限制。
实施例1.针对喀斯特地区洼地的土壤重金属快速抽样检测法：
1总体方案：将实验地划分为1m2或其整数倍大小的连续正方形单元，取样时采用对角线开沟取样、混样，以及网格交点均匀深挖取样、均匀混样等配套措施，使用奥林巴斯XRF设备在对角线沟内每隔25～50cm读数1～2次，在圆形沟内随机读数3～5次，对所得读数进行统计分析。
2克服垂直异质性的方案：取10～30cm土壤。10～30cm土层位于喀斯特洼地典型植被草类或农作物的根区，取这一层土，可以使检测结果少受地表频繁人畜类活动扰动。同时，检测根系密集区，即地表草被或农作物与土壤交互界面上的实际重金属浓度，能更准确地反应土壤重金属浓度与农产品中重金属存留浓度的关系。因而一方面减少人为因素造成的垂直异质性问题，还能更准确阐明土壤中重金属类污染物对不同生物的真实影响力。
3克服水平异质性的方案：
3.1深挖方案以1m x 1m的网格为基本单元，将洼地或实验耕地因需分割为不同规格的正方或长方网格集合。取对角线挖沟。同时依据全覆盖原则，取正方或长方形的最少关键网格结点，绘制全覆盖网格分布图，依图作圆柱状深挖(宽度参考D＝50cm)。
3.2混样方案在对角线沟内，将表层土壤清理开后，在10～30cm层继续取<2cm厚度的薄层土壤，均匀混和、充分拌匀后，再压实待测。
4快速检测仪器运用方法
采用快速元素检测仪XRF(Olympus)，设置每波段20s扫描时间的3波段检验，重复次数设置1～3次。检测时令XRF立稳，如有轻微坡度，可以使用自制或原装支撑设备，保持检测仪稳定。
5验证步骤同步取样，实验室验证。
抽样检测图示例如图1所示。
6操作步骤：
步骤a:地形观察，现场测量极端点间距离，初步规划网格设定。
步骤b1:在纪录本上绘制1m的整数倍大小的网格，并绘制出开挖点数最少的网格结点-对角线图。
步骤b2:用食用粗面粉在土地上依据草图画出网格。
步骤b3:在土地网格画出最长对角线的双线，双线间边宽度不小于50cm.
步骤b4:按图画出网格结点，保证结点直径不小于50cm,再次观察并确认覆盖所有网格。
步骤b5:沿对角线开挖深度为：20～30cm的沟，将挖松的土层移出沟内。
步骤b6：沟底平整后，将沟底部2～3cm土挖松，在沟底部进行均匀混和、充分拌匀后，再分散压实待测。
步骤b7：依据图纸在结点处或结点附近挖出直径不小于50cm的圆形沟，深度也为20～30cm。底部处理同步骤b6。
步骤c1:打开并登录上海泽权公司土壤元素快速检测仪(XRF型号：DPo-4050)，设置每通道20s检测时间，共3个通道，重复1～2次。
步骤c2：打开保鲜膜，剪下一段，贴在XRF检测仪检测窗口。重复测试或进行下一地点检测时，移动保鲜膜或更换保鲜膜，以确保检测窗不受前一次检测的污染影响。
步骤c3:将米尺依一侧放置在沟底，从起点读数，每50cm测1～2次。
步骤c4:每取测一处，即取该处土样100g用自封袋装好，带回实验室，参考ICP-MS土壤分析前处理方法干燥、研磨土样，以备验证之用。(此步依据需要进行，可以按测点取全样；或者随机抽取部分测点取样；在设备和土壤条件相同情况下，也可以不取样)。
步骤c5:对圆形抽样池，根据需要选择3～5个测点，在保鲜膜辅助下，快速测定，并可结合自封袋取样和实验室条件下验证步骤。
步骤d:验证步骤用于快速检测仪校准与检测精度验证，可以根据资金条件或必要性选择性进行。通过田间取样后，在实验室经四分法完成混、干燥、研磨样品后，可使用标准方法验证(包括ICP-MS，原子荧光等方法)。
实施例2.针对喀斯特地区农用地的土壤重金属快速抽样检测法：
1.总体方案：将25m2实验地划分为连续的5m长，5m宽的1m X 1m正方格，即25格，15m2土地划为5m长，3m宽长方格15格。取样时采用规定宽度的对角线开沟取样、混样，以及网格交点均匀深挖取样等措施配套，分别克服土壤的垂直异质性和水平异质性，以期做到第一，抽样覆盖每一个网格的土壤情况；第二，从垂直和水平两个方面减小土壤异质性的影响；从而保证作物须根系周边土壤尽可能得到均匀抽样，从而减少因极值剔除造成低估值引起的实验误差。
2.降低垂直异质性影响的方案：取20～30cm土层的土壤。两个好处：1)不取表层土，使检测结果尽可能不受或少受地表频繁人畜类活动扰动。2)位于农作物根系密集区，能更好反应农作物-土壤交互界面上的实际重金属浓度。从而更准确地反应土壤重金属浓度与农产品中重金属存留浓度的关系。
3.降低水平异质性影响的方案：
实现全网格覆盖、实现区域内混样，从而最大限度代表网格内土壤元素含量。
深挖方案取对角线挖沟，同时对正方形的6个关键网格结点，和长方形3个关键网格结点作圆柱状深挖(两者深度均为20～30cm)。以最大效率实现全网格覆盖。达成施工量最小,并覆盖所有网格的抽样方式。
混样方案沿对角线开挖0.50m X 7.25m(宽X长)，约20～30cm深的沟。将表层土壤清理开后，在20～30cm层连续取<2cm厚度的薄层土壤，均匀混和、充分拌匀后，堆积成条柱状，待测。按图中结点位置，开挖直径0.5m，深20～30cm的圆形柱状沟，去除表层土后，在20～30cm层连续取<2cm厚度的薄层土壤，每个结点的土壤均匀混和、充分拌匀后，堆积成条柱状，待测或等取样。
4.验证方案使用快速检测仪检测时，依据资金条件或必要性选择性进行验证步骤。可以按测点取全样；或者随机抽取部分测点取样；在设备和土壤条件相同情况下，也可以不取样。
请参阅图2，以图2中的正方形实验地全覆盖样本格的取样方案和长方形实验地全覆盖样本格的取样方案为例，具体包括如下步骤：
步骤a:以30m软尺为工具，用食用面粉在选定区域土地上划出5m X 5m或5m X 3m正方或长方形网格。
步骤b1:沿对角线划出宽度50cm的平行双线。
步骤b2:沿双线挖约18～28cm深的沟，将挖松的土移出沟内整齐堆放在沟侧。
步骤b3:回到沟内，浅挖2～3cm土壤，并在沟底集中成5～10堆，每堆混和均匀后，取土400g，放置取样袋中，带回实验室，参照常规样品处理。
步骤b4:依据Figure1图所示结点深挖直径50cm，深18～28cm的圆沟。
步骤b5:沟底平整后，将沟底部2～3cm土挖松，在沟底部完全均匀混和、充分拌匀后，再每圆取土400g,放置取样袋中，带回实验室，参照常规样品处理。
步骤b6：回填挖出土壤恢复土地形态，结束取样。
或者：
步骤b7：如使用快速检测仪测定土壤化学元素或重金属元素，需要在土壤混匀后，再次分散，在沟底部压紧土壤。
步骤c1:打开并登录土壤元素快速检测仪(例如Olympus XRF：DPO-4050)，设置3通道检测，每通道20s检测时间，重复1～2次。
步骤c2：将XRF检测仪检测窗口贴在挖松后再次成开的土壤上，测量获得检测数据。为确保检测窗不受前一次检测的污染影响，检测前一定在检测窗口贴上透明没用过的保鲜膜。
步骤c3:将米尺依一侧放置在条状抽样池底，从起点对沟底土壤读数，每50cm测1～2个点。每测一处，在纪录本上标明位置和仪器上的检测编号。
步骤c4:对圆形抽样池，根据需要选择3～5个测点，在保鲜膜辅助下，快速测定，并可结合自封袋取样和实验室条件下验证步骤。
步骤d1:条状抽样池快速检测时，同步取检测处土样100g用自封袋装好，在到校图上对应位置编号纪录，再带回实验室。
步骤d2:对圆形抽样池快速检测时，根据需要选择3～5个测点，在保鲜膜辅助下，快速测定，并可结合自封袋取样和实验室条件下验证步骤。
步骤d3:将样品带回实验室，参考ICP-MS土壤分析前处理方法干燥、研磨土样。用于验证。
步骤d4:验证方式一是快速检测仪验证。在实验台上倒置快速检测仪XPF，令检测窗口朝上。干燥、研磨后的土样置于5cm长宽的自封袋内，整平袋子，令土样在袋中厚度均匀后，置于检测窗口，开始计数。
步骤d5:或者采用实验室标准方法验证(包括ICP-MS，原子荧光等方法，具体步骤参见有关国家标准)。
以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：包括将实验地划分为1m2或其整数倍大小的连续正方形单元，采用规定宽度的对角线开沟、网格节点圆形体深挖取样结合就地混样的步骤。
2.根据权利要求1所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：还包括采用土壤元素快速检测仪进行检测的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：还包括降低土壤垂直异质性和水平异质性对土壤抽检检测的影响的步骤。
4.根据权利要求3所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：降低土壤垂直异质性是通过表层以下预定深度的土层的土壤来实现；降低土壤水平异质性通过全网格覆盖、混样方案或加大抽样检测点数量来实现。
5.根据权利要求4所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：对于洼地，通过取表层以下10～30cm深度土层的土壤来实现降低土壤垂直异质性；对于农用地，通过取表层以下20～30cm深度土层的土壤来实现降低土壤垂直异质性。
6.根据权利要求1或4所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：通过“规定宽度”和“网格节点圆形深挖”是运用网格对空间的划分，覆盖土壤中相对稳定的关键层和足够的空间，提高抽样所代表的面积和特征性。
7.根据权利要求6所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：针对洼地抽样的检测步骤是：
步骤1.总体方案：将实验地划分为1m2或其整数倍大小的连续正方形单元，取样时采用对角线开沟取样、混样，以及网格交点均匀深挖取样、均匀混样的配套措施，使用奥林巴斯XRF设备在对角线沟内每隔25～50cm读数1～2次，在圆形沟内随机读数3～5次，对所得读数进行统计分析；
步骤2.克服垂直异质性的方案：取表层以下10～30cm深度的土壤；
步骤3.克服水平异质性的方案包括如下步骤：
步骤3.1.深挖方案：以1m x 1m的网格为基本单元，将洼地或实验耕地因需分割为不同规格的正方或长方网格集合；取对角线挖沟；同时依据全覆盖原则，取正方或长方形的最少关键网格结点，绘制全覆盖网格分布图，依图作圆柱状深挖；
步骤3.2.混样方案：在对角线沟内，将表层土壤清理开后，在表层以下10～30cm深度土层深挖2～5cm厚度的薄层土壤，打碎土块、均匀混和后，向沟内一侧堆积、再压实待测；
步骤4.快速检测仪器运用方法：
采用快速元素检测仪XRF，设置每波段20s扫描时间的3波段检验，重复次数设置1～3次；检测时保持检测仪稳定；
步骤5.验证步骤：同步取样，实验室验证。
8.根据权利要求6所述的喀斯特地区专用的洼地或农用地土壤快速抽样检测法，其特征在于：针对农用地的检测步骤是：
步骤1.总体方案：将25m2实验地划分为连续的5m长，5m宽的1m X 1m正方格，即25格，15m2土地划为5m长，3m宽长方格15格；取样时采用对角线开沟取样、混样，以及网格交点均匀深挖取样、混样措施配套；从垂直和水平两个方面减小土壤异质性的影响；
步骤2.降低垂直异质性影响的方案：取表层以下20～30cm深度土层的土壤；
步骤3.降低水平异质性影响的方案：
步骤3.1.深挖方案：取对角线挖沟，同时对正方形的6个关键网格结点，和长方形3个关键网格结点作圆柱状深挖；
步骤3.2.混样方案：沿对角线开挖宽X长为0.50m X 7.25m，深度为：20～30cm的沟；将表层土壤清理开后，在表层以下20～30cm层连续挖松2～5cm厚度的薄层土壤，打碎土块、均匀混和、充分拌匀后，堆积成条柱状，待测；按设定结点位置，开挖直径0.5m，深20～30cm的圆形柱状沟，去除表层土后，在表层以下20～30cm层深挖2～5cm厚度的薄层土壤，打碎土块、均匀混和后，向沟内一侧堆积、再压实待测；
步骤4.验证方案：使用快速检测仪检测时，依据资金条件或必要性选择性进行验证步骤；按测点取全样；或者随机抽取部分测点取样。
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