农业非点源污染样本信息监测系统设计

3.3　农业非点源污染样本信息监测系统设计

选择实验流域主要遵循典型性、数据可得性以及便利性等原则，即实验区域内基本没有进入水体的点源污染，水体的非点源污染主要来自于农田肥料及农药的流失，以排除外界水源的影响，保证水体的非点源污染特征突出；同时要求实验区域内有气象、雨量和水文等观测资料，能够为实验提供有力的数据支持；另外选择交通便利、距离实验室及工作人员较近的区域；采样设计是实施采样过程的依据，是对数据进行处理的前提，也是提高研究成果的一个重要保证。

一般说来，田间试验采样调查主要设计三个方面的问题：一是采样单位的大小，即一个试验小区应划分成多少个采样单位；二是样本容量的大小，即为保证采样调查结果有预定的精确度，应抽取多少个采样单位；三是采样方法，即如何确定采样单位在试验单位中的具体位置^{［93～98］}。

试验中常用的采样方法有简单随机采样、系统采样、分层随机采样、整群采样和双重采样等。其中随机采样是根据样点坐标随机产生；系统采样则是在研究区内规则选取样点，其典型情况如布设规则网格，于每一网格固定位置采点；分层随机采样是将总体N分为若干次级总体N_i，对各次级总体随机采样，其中有N₁＋N₂＋…＋N_i＝N；整群采样则是将由多个个体组成的单位作为采样对象；双重采样是对研究变量采样的同时也对辅助变量采样。表3.1列出了这几种采样方法的适用情况及优缺点^［62］。

表3.1　常规采样方法优缺点比较

静态实验主要在人工降雨实验大厅，借助面积为14m×14m、净高10m和面积为12m×3m、净高20m的人工降雨系统和试验土柱辅助完成样本监测及一些野外不易获取的信息，研制6组用于野外随机监测用的原状土取样器，通过不同组合实验获取部分参数信息。研究中结合相关监测标准和分布式模型计算单元结构的要求，分春、夏、秋季节，用系统分析的方法在中观尺度范围内设计不同网格形采样系统作为模型实践研究的基础，选取控制域作为协同克里金估值检验系统。野外样本监测主要参考水文尺度划分及SWAT模型在国外应用的尺度划分形式，依据SWAT模型输入要求用系统采样法在中尺度范围内设计两种尺度，基本滞后距初步定为100m可调，构成嵌套网格形采样系统，并设立小尺度、中尺度采样线随机采样进行模型模拟计算。

以往的研究表明，土壤养分具有很强的空间变异性，而且影响这种变异性的因素也很多，在气候、母质、土壤类型相同的同一田块内，地形、农业生产中的施肥、作物品种、灌溉等人类活动，以及作物对养分的吸收等，都是引起田间土壤养分变异的原因。因此，在分析不同农作管理方式下的农田土壤养分含量空间变异特性的基础上，探索适合旱地土壤特点及特定管理模式下的随机采样方法；在分析土壤各养分相关性的基础上，尝试建立不同参数之间的区域转换函数，从而定量指导采样；在分析连续三次的土壤养分时空变异性的基础上，实现土壤养分、降雨－径流－产污的一体化研究。研究选取该区域集水面积分别为1.36km²、40 000m²和1 600m²互相嵌套的三个大、中、小径流场，按照采样设计方案进行野外采样，在分析土壤养分含量空间变异特性的同时，也考虑降雨对其变化的影响，探索适合旱地土壤特点及特定管理模式下的随机优化采样方法；在分析不同农作管理方式下的农田土壤养分含量空间变异特性的基础上，实现土壤养分、降雨－径流－产污的一体化研究。选取的水均衡实验场配有观测项目齐全的气象观测场，土地平整，实行的是小麦—玉米轮作，部分田块播种黄豆和棉花。

由此综合随机采样和系统采样的思想，将实验区设计为基本规则的菱形格网进行采样，小、中、大尺度横纵向间距分别定为5m、20m和100m，这样便于进行不同尺度上采样点数据的外延分析。流域出口作为重要控制点，以分析产污及产流过程。为考虑边界作用的影响，实验区边界实行均匀间距采样，此外由于各实验区已被隔离开，故边界值仅作为参考值处理。利用ArcGIS 9.2将三个不同尺度径流场的采样点作投影，得到具体采样分布如图3.3所示。

图3.3　不同尺度采样点布设