面向土壤环境质量等级划分的统计推断与加密采样优化方法研究综述
The following article is from 农业环境科学 Author 高秉博 等
来源：《农业环境科学学报》2021 年 04 期
作者：高秉博1,2，郝朝展1，李发东3，胡茂桂3，李晓岚4，郜允兵4，潘瑜春4
单位：1. 中国农业大学土地科学与技术学院；2. 农业农村部农业灾害遥感重点实验室；3. 中国科学院地理科学与资源研究所；4. 国家农业信息化工程技术研究中心
摘 要
环境质量等级划分是土壤环境调查和监测的一项重要目标。不同于总体估计和空间插值，等级划分只需要准确估计污染物浓度与等级划分阈值之间的大小关系，同时由于土壤环境质量等级具有空间连续性，加密采样时应该将样点布设在等级过渡地带，准确获取等级边界。但是初步调查的样点一般较为稀疏，导致等级估计结果具有较大的不确定性，难以反映真实的等级过渡情况，而且具体应用对两类等级划分错误也有不同的控制要求，构成了土壤环境质量等级划分及加密采样面临的特殊问题。
本文分析梳理了国内外土壤环境质量等级划分统计推断与加密采样布局优化方法的研究进展，归纳总结了以等级划分为目的的统计推断方法与加密采样布局优化方法体系，并探讨了下一步研究的方向，为我国目前开展的农用地土壤环境类别划分、工矿企业土壤污染修复区确定等重大需求提供方法选择依据。
结 论：
目前，土壤环境质量等级划分统计推断与加密采样布局优化研究已经取得了较大进展。环境质量等级划分统计推断方法可以分为物理阈值法和概率阈值法，两类方法各有优缺点。其中物理阈值法由于需要首先精确估计未采样点的含量，而不是直接估计环境质量等级，因此会引入额外的步骤与误差。而概率阈值法直接以环境质量等级估计为目标，其中非参数估计不需要完整的概率分布，只需要估计与等级划分阈值大小关系的概率，更加适合土壤环境质量等级划分。
对应于两类环境质量等级划分统计推断方法，加密采样布局优化也可以分为依据估计值准确度和等级划分精确度的两类方法。前者以研究区域各个空间单元处污染物浓度精确估计为目标，对整个研究区域同等对待，未针对等级边界，采样效率较低。后者以降低等级划分错误为目标，重点将样点布设在等级边界过渡地带，具有更好的采样效率。其中基于等级估计结果的布样方法仅采用候选样点属于某一环境质量等级的估计概率指导加密样点布设，未考虑估计概率的不确定性。而基于等级估计结果及其不确定性估计的布样方法，综合考虑了具有不确定性参数的估计值与等级划分阈值的关系，能够刻画出土壤环境质量等级之间可能的边界带，为多阶段采样或补充调查的加密样调查提供加密采样布局优化方案。
展 望：
虽然土壤环境质量等级划分统计推断与加密采样布局优化方法已经初步形成一套理论方法体系，但是土壤环境质量空间格局复杂，影响因素多样，为了能进一步满足土壤环境质量等级划分实际工作需求，作者认为还需要进一步研究解决以下三方面的问题：
（1）土壤环境相关辅助数据使用问题：随着土壤环境相关数据的积累，如何在土壤环境质量等级划分的加密采样布局优化和统计推断中充分应用辅助数据，以提高采样效率和等级划分精度。
（2）样本量的确定：如何根据具体的应用需求（如划分修复区边界、划分农用地环境质量类别等），确定环境质量等级划分的等级属性精确度与等级边界空间的精确度参数，进而结合这些参数确定加密调查所需样本量。
（3）如何进行多阶段协同采样优化：目前统计土壤环境质量等级划分加密采样优化大都针对后续加密调查阶段的布样优化，对于没有历史调查数据的区域（如确定废弃工矿区的污染修复边界），如何综合考虑采样成本与等级划分精度，划分调查阶段，在阶段间分配样本量并制定各阶段的样点优化布局方案。
随着土壤污染防治法的实施，我国土壤环境质量等级划分需求将不断增加。目前即将完成全国农用地土壤环境质量类别划分，下一步将开展农用地土壤环境质量类别动态调整和安全利用工作，需要开展大量的土壤环境质量等级划分与加密采样工作，由于我国已经积累了大量农用地土壤污染采样数据，建议后续工作中采用具有针对性的土壤环境质量等级划分加密采样布局优化和统计推断方法（如概率阈值法），基于等级划分精确度的加密采样布局优化方法或者具有针对性的其他先进方法。
随着我国土壤污染修复行业不断发展壮大，在划定修复区时，建议采用先进的土壤环境质量等级划分采样布局优化和统计推断方法，在污染修复区范围划定中同时考虑修复成本与健康风险，实现科学决策。
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