GSR公开课第三十讲：决策单元多点增量采样法 (DUMIS)在土壤污染调查和修复效果评估中的应用探讨
主讲人：宋静 研究员
（2023年4月20日）
宋静，中国科学院南京土壤研究所土壤环境与污染修复重点实验室，研究员，博士生导师。承担科技部土壤专项重点研发项目课题等项目，研究领域为：基于风险的土壤环境基准制定、污染土壤物化修复技术研发、决策单元多点增量采样方法。
课程概要：
讲座将梳理土壤污染空间分布的变异性以及现行土壤采样方法的不足，介绍国内外决策单元多点增量采样法（DUMIS）的原理及发展历程，并通过农用地、建设用地土壤污染调查和修复效果评估的实际案例说明DUMIS方法的优缺点，并推荐了DUMIS方法的应用场景。
课程内容：
一、土壤采样的流程与土壤环境调查的挑战
（一）采样原则
样品代表性（Representative）、数据重现性（Repeatable）、决策可靠性（Reliable）。
（二）采样流程（土壤）
1、确定采样目的：不限于判断污染区域和污染方量。
2、确定数据质量目标（DQO）：
问题陈述；识别决策所需信息；定义时空边界条件；建立决策规则；确定决策失误的限度；优化为获取数据的设计。
3、选择采样设计及工具：采样设计辅助工具Visual Sample Plan（VSP），利用统计学方法辅助完成采样设计。
图1 采样设计辅助工具VSP
图2 VSP中的采样目的
4、制定采样方案。
5、实施采样分析。
6、评估数据质量。
7、评价分析结果。
8、做出环境决策。
（三）土壤环境调查的挑战
1、土壤物质组成与结构的各向异性
土壤由固、液、气三相组成，是一个复杂的综合体，具有各向异性。污染物进入土壤后，会与土壤中的各组成部分反应，在水或气体的推动下，污染物发生迁移，其存在的形态也会发生变化。
2、污染物赋存形态和分布的变异性
1）迁移转化：（共存）污染物特性、污染方式、地层及含水层特性等影响；
2）变异性存在于各个尺度，给定调查精度，采集代表性土壤。
二、现行土壤环境调查方法及其不足
（一）现行农用地土壤、作物采样规范
图3 我国现行农用地土壤、作物采样规范
（二）现行建设用地土壤环境调查规范
普适性导则为主，少数针对特定污染物和特定行业。
图4 我国现行建设用地土壤环境调查规范（a）
图4 我国现行建设用地土壤环境调查规范（b）
（三）现行土壤环境调查方法的不足
1、离散点/少量多点混合样，当空间变异较大时，代表性不强。
①标准泳池尺寸50*21*1.8m，水量1890m3。采集样品2L，占比1.06*10-6；
②400m2、1m厚土壤总重640 t，400g样品占比6.25*10-7，再分取约1/10 - 1/1000分析；
③500m3土壤重800 t，5g样品（测VOCs）占比6.25*10-9；。
图5土壤中部分污染物的空间变异性（Roger Brewer）
离散采样可能导致同一区域多次调查结果不一致。已经完成污染状况调查的区域，时隔多年后复测，可能会发现此前判断的污染区域已经产生变化，造成这种现象的原因就是离散采样的代表性不强。
图6 离散采样的多次调查结果（Roger Brewer）
2、离散点+空间插值。
忽视了相邻采样点的间距往往远大于土壤污染物浓度空间自相关的最大距离。
3、数据质量控制缺乏样品空间代表性的验证。
现行导则中有关质量保证和质量控制的要求包括：采样、制样过程和实验室检测过程。采样过程的质量控制要求现场采样平行，HJ25.2-2019正文中提到，平行样是“从相同的点位收集并单独封装和分析的样品”。严格意义上来讲，这种平行样只是现场抽样的平行，而无法作为该取样点空间代表性的验证
采样误差（1000%）、制样误差（100-300%）、分析误差（2-20%）。
图7 采样、制样、实验室过程的质量保证和质量控制
如果要保证数据的代表性，需要注意两点内容：一是野外样本不能代表“决策单元”，二是实验室测试样本不能代表野外样本。
4、未严格采用基于统计方法的采样设计，却按统计方法进行数据统计和下结论。
国内常用的场地布点方法，满足了区域面积对应的布点数量，但很难有效证明该调查地块确实不存在污染（地块找到1个污染点位就可以证明该调查地块是存在污染的）。国外的软件VSP采用统计学的方法，根据具体采样目的和置信区间等要求，提供多组布点方案供用户选择。
USEPA土壤筛选导则中有“最大值”检验，该检验方法考虑到了离散采样、布点位置、采样制样误差等情况：两种容易发生的决策错误，①将污染区域误判为无污染区；②将无污染区域误判为污染区。第一种决策错误的容忍度在5%，第二种是20%，当某个区域内部的检测数据，均值落在0.5和2倍筛选值（SSL）之间时，很难判断这个区域是否超过筛选值，此时就需要更大的样本量来辅助判断。当最大值小于2倍筛选值，则无需进行详细调查。
土壤筛选值是指土壤污染物浓度总体的真实均值，USEPA计算土壤筛选值的公式如下：
在实际应用中，通过“最大值”检验出具的调查结果，不一定是正确的。点位样品检测数据的均值接近最大值的地块，比均值较低但最大值超过2倍筛选值的地块，根据“最大值”检验的判断方法，第一种地块会被认为无污染，第二种地块被认为有污染，事实上第一种地块的污染物暴露情况比第二种更为严重。
图8 两种不同判定结果的地块
三、现代采样理论及决策单元多点增量采样方法（DUMIS）
（一）Pierre Gy现代采样理论（TOS）
19世纪60年代，采样煤块样本分析灰分和硫的含量来确定煤炭交易价格；20世纪50年代，法国统计学家和化学家Pierre Gy针对矿粉等固体颗粒的采样理论；σ2FE为基础误差的方差，MS为样本的质量，ML为待采样物料总体的质量，f为形状因子，g为粒度因子，c为矿物组成因子，I为释放因子，dN为物料颗粒的公称尺寸（超过95%颗粒的粒径）。当f、g、c、I、d已知时，就可以计算给定采样误差条件下代表性样本的质量。
（二）决策单元多点增量采样（DUMIS）
基于Pierre Gy现代采样理论的一种采样方法，在划定的决策单元（DU）内，通过多点采集分样、增加样本量提高样品代表性并通过野外采样、实验室制样和实验室分析全过程的质量保证与质量控制，确保数据的重现性和结论的可靠性。
图9 决策单元增量示意图
（三）DUMIS采样理论与实践
1、Pierre Gy（1969）——很早就研究出了采样理论。
2、C. Ramsey（2005）——最早是在美国环保署的执法部门工作，意识到现行采样法存在的问题后退出并成立公司，主要做采样方法培训。
3、州际技术与管理委员会（2012）——发布“增量采样方法（ISM）”，2018年撤回后重新修订，现已重新发布。
4、夏威夷卫生署 Roger Brewer 夏威夷州应急计划技术指导手册（2016）。
5、南京土壤所（2017）——决策单元-多点增量采样法，2019年国标立项，2023年发布。
（四）DUMIS国外应用情况
图10 DUMIS国外应用情况
（五）DUMIS国家推荐性标准
图11 DUMIS国家推荐性标准
四、DUMIS案例分析
（一）DUMIS在基坑清挖效果评估中的应用
某个点位分两次采了两份样品，平行样合格但是两个样品的检测数据相差过大，随后在区域内定了49个点位，采集3批样品。从检测结果看，每组样品检测数据的均值接近，变异系数在2%以内，且都低于修复目标值，基本认为该区域已经不存在污染。
（二）基坑清挖效果评估：常规方法 vs DUMIS
在给定的决策单元内，DUMIS法采集的样品更具有代表性而非稀释样品。该案例的决策单元里，针对污染物铅和镍，按照DUMIS法和常规方法分别采集3批样品检测：1）从检测结果看，DUMIS法样品检出的平均值远远高于常规方法且数值；2）从数据的RSD%看，DUMIS法的镍RSD%高于常规方法，需要注意RSD%只表示数据的收敛性，但本案例中常规方法低估了采样单元内土壤Pb和Ni的污染情况。
（三）PAHs污染土壤ISCO效果评估:采样方法比较
对于PAHs，DUMIS法和常规方法在制样和分析过程是相同的，本案例重点关注现场采样的误差。该案例选取了面积100m2、深度1m的区域作为决策单元，按照导则要求需要在区域内布设3个点位。在决策单元内，分别在0-20cm和20-80cm两层土壤深度采样：
1、对于0-20cm的样品，分别按照①常规方法、②DUMIS（16个点位）、③DUMIS（49个点位）三种方法分别采集三平行。从检测结果看：①的三平行样品的检测结果均值不一致且相差较大；②的三平行样品均值都超过筛选值，其中2个样品均值接近，另1个样品的均值较高；③的三平行样品均值接近且都超过筛选值，证明该区域仍存在目标污染物超标，需要继续修复。
2、对于20-80cm的样品，分别按照①常规方法、②DUMIS（16个点位）两种方法完成样品采集。①的三平行样品均值未超过筛选值；②仅采集1个样品，结果显示目标污染物浓度超过筛选值。
（四）DUMIS vs 离散点采样
图12 DUMIS和离散点采样的对比
其它案例：农用地土壤-作物协同监测（毛娟，农业环境科学学报，2021）等。
五、展望
（一）DUMIS国家推荐性标准贯标
（二）DUMIS特别适合变异较大，且决策对数据质量要求较高的情形；
1、污染土壤风险管控修复效果评估；
2、区域/地块土壤环境质量的时空演变；
3、土壤环境损害范围确定；
4、……
课程总结：高铭晓、邓璟菲、董璟琦