陜西省土壤墑情對比監(jiān)測工作淺析

◎趙 紅

土壤墑情是反映農(nóng)作物受旱狀況的一項直接的基礎(chǔ)指標，也是分析旱情演變規(guī)律和開展抗旱灌溉的重要依據(jù)。陜西省地處西北干旱和半干旱地區(qū)，十年九旱，抗旱工作責任重大，而水利系統(tǒng)多年來缺乏全面系統(tǒng)的旱情監(jiān)測站網(wǎng)。為了向防汛抗旱指揮部門提供全面詳實的全省土壤墑情監(jiān)測信息，省水文局在2009年5月設立20處墑情監(jiān)測站，2010年1月根據(jù)全省抗旱工作需要又增加了21處墑情監(jiān)測站。截至目前，已初步建成分布在省內(nèi)11個市（區(qū)）農(nóng)田范圍的41處土壤墑情監(jiān)測站點，向省抗旱工作管理部門及時、準確地提供了大量詳實的土壤墑情監(jiān)測信息。

1 概況

陜西省總面積20.56萬km2，地勢總的特點是南北高，中部低，從北到南可以分為陜北黃土高原、關(guān)中平原、陜南秦巴山地三個地貌區(qū)。陜西地帶性自然土壤包括粟鈣土、黑壚土、褐土、黃褐土和棕壤等，由于長期耕種和自然力的侵蝕，已演變成復雜多樣的農(nóng)業(yè)土壤。陜北黃土高原長城以北主要為風沙土，陜北黃土高原的黃土區(qū)主要為黃綿土，土婁土是關(guān)中的農(nóng)業(yè)土壤，水稻土是陜南的主要農(nóng)業(yè)土壤。

省水文局目前在全省共布設41處墑情監(jiān)測站，其中榆林市3處，延安市4處，銅川市1處，寶雞市4處，楊凌區(qū)1處，咸陽市3處，西安市4處，渭南市6處，漢中市5處，安康市4處，商洛市6處。陜西省水文局土壤墑情站網(wǎng)分布情況詳見附圖。

2 土壤墑情對比監(jiān)測工作的目的

采用時域反射（TDR）法和烘干法同步進行墑情監(jiān)測工作。TDR法測出的結(jié)果為土壤的體積含水量，烘干法測出的結(jié)果為土壤的重量含水量，體積含水量=土壤干容重*重量含水量。土壤體積含水量θ的定義為：某一土壤樣品中水的體積與其總體積的比值，可由其百分數(shù)表達；土壤重量含水量W的定義為：某一土壤樣品中其水的重量與干土重量的比值，也可由其百分數(shù)表達。

TDR法采用按鍵操作，簡便快捷，但對儀器穩(wěn)定性及操作規(guī)范性要求較高；烘干法簡單易行，穩(wěn)定可靠，也是檢驗其他方法測試結(jié)果的一種常用方法，但是用時較長，時效性較差。兩種方法同步監(jiān)測的目的是：通過一段時間的數(shù)據(jù)積累，建立起兩種方法的相關(guān)關(guān)系，率定出一條體積含水量θ~重量含水量W關(guān)系線，用于土壤體積含水量θ與重量含水量W的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而提高墑情監(jiān)測工作的時效性。

3 墑情對比監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 思路與方法

TDR法使用的儀器是浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TZS-Ⅰ型土壤水分監(jiān)測儀，烘干法按規(guī)范要求為105℃±2℃持續(xù)恒溫8小時。具體方法是在每站布設3條垂線，用土壤水分監(jiān)測儀現(xiàn)場分別測定計算20cm、40cm深度處的平均土壤體積含水量θ20、θ40，再將θ20、θ40平均得出該站點的土壤體積含水量θ均；同時同步采集土樣，用烘干稱重法處理，分別測定計算20cm、40cm深度處的平均土壤重量含水量 W20、W40，再將 W20、W40平均得出該站點的土壤重量含水量W均。

體積含水量和重量含水量可以相互換算，其換算公式為θ=ro*W，式中θ為體積含水量，W為重量含水量，ro為該土壤的干容重（《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》）。如果該站用TDR法測定的體積含水量θ均準確穩(wěn)定，則應與烘干法測定的重量含水量W均呈線性相關(guān)，存在關(guān)系式W均=aθ均+b成立，式中a、b均為常數(shù)。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

41處墑情監(jiān)測站，有從2009年5月開始監(jiān)測的，有從2010年1月開始監(jiān)測的，除穩(wěn)定封凍期及下雨影響外，各站均嚴格按照規(guī)范要求，每月1、11、21日堅持監(jiān)測。2010年、2011年年底，分別對各測站兩種方法的成果進行了對比分析。從分析結(jié)果看，無論數(shù)據(jù)積累多少，不管是20~30組，還是40~50組甚至更多，兩種方法均無法形成很好的相關(guān)關(guān)系。下面在全省選取6個代表站（其中陜北1個站，關(guān)中3個站，陜南2個站），采用截止到2011年12月31日最長系列數(shù)據(jù)詳細說明。各代表站土壤墑情監(jiān)測原始數(shù)據(jù)系列統(tǒng)計見表1。

表1 各代表站土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)系列統(tǒng)計

表2 各代表站θ均與W均關(guān)系線R2值

3.3 成果分析

各代表站或多或少都存在明顯異常原始觀測數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)剔除后，各代表站點各量級數(shù)據(jù)分布較均勻，兩側(cè)數(shù)據(jù)量基本對稱，各站土壤體積含水量θ均～重量含水量W均關(guān)系線相關(guān)性明顯提高，詳見圖1～圖6。各代表站原始系列與剔除明顯不合理數(shù)據(jù)后θ均與W均關(guān)系線R2值見表2。

從各站剔除數(shù)據(jù)數(shù)量也可以側(cè)面反映出該站測驗數(shù)據(jù)質(zhì)量的高低：魏家堡站剔除1組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的2.0%；恒口站剔除1組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的1.7%；棗園站剔除4組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的8.0%；麻街站剔除2組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的3.9%；張家山站剔除8組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的11.3%；狀頭站剔除1組數(shù)據(jù)，占總數(shù)的1.9%。

圖中R為重量含水量w均與體積含水量θ均線性關(guān)系線的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)是變量之間相關(guān)程度的指標。R2是趨勢線擬合程度的指標，它的數(shù)值大小可以反映趨勢線的估計值與對應的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，擬合程度越高，趨勢線的可靠性就越高。R2是取值范圍在0～1之間的數(shù)值，當趨勢線的R2等于1或接近1時，其可靠性最高，反之則可靠性較低。通常認為|R|大于0.8，即R2大于0.64時，認為兩個變量有很強的線性相關(guān)性。按照這個標準衡量的話，則有魏家堡站、恒口站和棗園站可以認為是兩種方法監(jiān)測成果之間建立的回歸方程是可靠的。

各代表站按照回歸方程計算的重量含水量W均誤差計算見表3。

從表3可以看出：①各代表站中魏家堡站相關(guān)程度最好、回歸方程的可靠性最高，狀頭站相關(guān)程度最差、回歸方程的可靠性最低，其中魏家堡、恒口、棗園3站相關(guān)系數(shù)達到一般線性相關(guān)要求；②從絕對誤差控制范圍來看的話，6個代表站九成多以上的數(shù)據(jù)均在±4%范圍內(nèi)，其中魏家堡、恒口、棗園、麻街等4站絕對誤差百分之百在±4%范圍內(nèi)；③從相對誤差控制范圍來看，6個代表站相對誤差≤5%數(shù)據(jù)個數(shù)占總數(shù)百分比在30.6%～43.9%之間，低于50%；相對誤差≤8%數(shù)據(jù)個數(shù)占總數(shù)百分比在45.7%～71.9%之間，低于75%；相對誤差≤10%數(shù)據(jù)個數(shù)占總數(shù)百分比在58.7%～83.3%之間，低于90%。

以相關(guān)程度最好、回歸方程可靠性最高的魏家堡站為例做進一步分析：按照其回歸方程y=0.3782x+4.7413計算出的重量含水量計算值與實測值的絕對誤差均在±4%內(nèi)；相對誤差≤5%的數(shù)據(jù)有19個，僅占數(shù)據(jù)系列的39.6%，不足四成；相對誤差≤8%的數(shù)據(jù)有32個，僅占數(shù)據(jù)系列的66.7%，不足七成；相對誤差≤10%的數(shù)據(jù)有40個，僅占數(shù)據(jù)系列的83.3%，不足九成。因此雖然該站兩種方法監(jiān)測成果之間建立的回歸方程是可靠的，但因計算成果相對誤差較大，所以該站TDR法測量的體積含水量θ均不能用該回歸方程轉(zhuǎn)化為重量含水量W均；若不考慮相對誤差，僅以土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件（征求意見稿）準確性標準衡量，則可用該回歸方程轉(zhuǎn)化。

4 原因分析

⑴儀器性能穩(wěn)定性不夠。省水文局開展土壤田間持水量試驗時，曾發(fā)現(xiàn)同一批儀器在同一地塊監(jiān)測，讀數(shù)相差懸殊。

表3 陜西省水文局墑情監(jiān)測代表站對比監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差計算分析

⑵儀器管理使用有待進一步完善。目前使用的儀器是浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)的TZS-Ⅰ型土壤水分監(jiān)測儀，除個別儀器附有儀器編碼外，大多數(shù)儀器出廠均無編碼。省水文局采用的是駐測與巡測相結(jié)合的方式，有些是一個站配備一臺儀器，有些是多個站共用一臺儀器，所以對每個站的儀器法監(jiān)測數(shù)據(jù)來說，一致性不足，對體積含水量~重量含水量相關(guān)關(guān)系也造成一定影響。

⑶監(jiān)測人員責任心不夠強，監(jiān)測水平參差不齊。2009年開始墑情監(jiān)測工作之前，曾舉辦墑情監(jiān)測工作培訓班，參加培訓20余人，目前仍堅持在監(jiān)測一線工作的僅有2成左右。而且人員變動頻繁，技術(shù)水平參差不齊，有些人缺乏工作責任心，采樣時隨意更換代表地塊，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)代表性。另外受外部環(huán)境因素（如溫度、土壤電導率等）及探針插入土壤角度及力度的影響較大，這也可能會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際情況不符。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

綜上所述，從回歸方程可靠性、絕對誤差及相對誤差控制等方面綜合考慮的話，所選6處墑情代表站應用目前儀器采用TDR法測量的體積含水量θ均均未達到能用其回歸方程轉(zhuǎn)化為重量含水量W均的程度。

若不考慮其他控制指標，僅以土壤水分監(jiān)測儀器通用技術(shù)條件（征求意見稿）準確性衡量標準，則魏家堡、恒口、棗園、麻街等4站體積含水量θ均可用各自的回歸方程轉(zhuǎn)化。

5.2 建議

（1）建議上級部門對墑情監(jiān)測站點規(guī)劃建設方面加大投入力度，建設一定數(shù)量自動監(jiān)測設施，解決目前巡測路線長，時效性差的問題。

（2）建議購置性能相對穩(wěn)定的儀器產(chǎn)品，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學性。

（3）若新購置的儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)烘干法對比監(jiān)測數(shù)據(jù)相關(guān)性不能滿足要求，無法率定其關(guān)系線，則建議不再購置新的土壤水分監(jiān)測儀，并且逐步停止目前的儀器法監(jiān)測，避免人力物力浪費。

（4）建議借鑒委托雨量站管理模式，將距離遠、路況不佳的監(jiān)測站點通過對人員進行培訓后，委托當?shù)卮迕襁M行監(jiān)測。這樣可以減少路途往返用時，也可避免長距離運輸增大蒸發(fā)量從而影響重量法監(jiān)測成果。陜西水利

[1]《土壤墑情監(jiān)測規(guī)范》（SL364－2006）[S].中國水利水電出版社,2007年.

[2]《水文資料整編規(guī)范》（SL247－1999）[S].中國水利水電出版社,2000年.

[3]黃振平.水文統(tǒng)計學[M].河海大學出版社,2003年.

[4]王振龍,高建峰.實用土壤墑情監(jiān)測預報技術(shù)[M].中國水利水電出版社,2006年.

[5]彭世琪,鐘永紅,崔勇等.農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測技術(shù)手冊[M].中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社,2008年.