新疆土壤水分自動與人工觀測資料對比分析

劉靜　楊華

摘 要 運(yùn)用對比差值、差值概率、相關(guān)分析、箱式圖分析等方法對新疆4個農(nóng)氣觀測一級站固定地段DZN2 型土壤水分自動監(jiān)測與人工平行對比觀測的土壤濕度資料進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，自動與人工觀測數(shù)據(jù)在40～50 cm土層一致性最好；春季差值波動較大，夏秋季波動相對較??；地形較復(fù)雜的地段，人工觀測數(shù)據(jù)波動較大；淺土層相關(guān)性要好于深土層；自動觀測由于儀器調(diào)整不當(dāng)會造成非常大的誤差；自動傳感器采集的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)雖然有一定的偏差，但基本符合實(shí)際情況和土壤水分變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞 土壤水分；自動觀測；人工觀測；對比分析

中圖分類號：P414.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-890X（2015）09-192-02

土壤水分含量及其變化規(guī)律的監(jiān)測是農(nóng)業(yè)氣象生態(tài)環(huán)境及水文環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作之一，掌握土壤水分變化規(guī)律，對農(nóng)業(yè)灌溉、土壤墑情與農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測預(yù)測及相關(guān)理論研究具有重要意義[1]。本文運(yùn)用對比差值、差值概率、相關(guān)分析、箱式圖分析等方法對新疆4個農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站固定地段DZN2 型土壤水分自動監(jiān)測與人工平行對比觀測的土壤濕度資料進(jìn)行了統(tǒng)計和一致性分析，旨在為土壤水分自動站的監(jiān)測能力、發(fā)揮資料應(yīng)用價值與服務(wù)效益提供客觀依據(jù)[2]。

1 資料與方法

文章選取了全疆僅有的4個固定觀測站作為研究對象，自動觀測資料為地表至50 cm（或?yàn)榈乇碇?00 cm）處每10 cm一個層次。人工觀測資料為同期進(jìn)行的濕度觀測數(shù)據(jù)，觀測地段屬非灌溉自然狀態(tài)下的同一地塊。

人工對比觀測方法為每旬逢8日（即每月的8日、18日、28日），定期進(jìn)行人工取土，如遇降水大時則取土延遲至第2 d進(jìn)行。測定方法采用中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》規(guī)定的烘干稱質(zhì)量法，利用公式計算土壤重量含水率。其中w為土壤質(zhì)量含水率/%；g1：盒質(zhì)量/g；g2：盒與濕土總質(zhì)量/g；g3：盒與干土總質(zhì)量/g。

自動土壤水分傳感器直接測得的數(shù)據(jù)是土壤體積含水量，以土壤體積含水量與土壤容重的比值換算成土壤質(zhì)量含水率。

分析方法采用對比差值、差值概率、相關(guān)統(tǒng)計法和箱式圖分析，用于分析人工與自動站差值的平均、極大、極小分布，以及差值在不同數(shù)據(jù)段出現(xiàn)的概率、兩種數(shù)據(jù)的相關(guān)等。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 自動與人工觀測土壤水分對比分析

牧試站位于山區(qū)，地形相對復(fù)雜，因此人為取土?xí)r產(chǎn)生了一定的誤差，造成了人工觀測數(shù)據(jù)波動較大，而自動數(shù)據(jù)則相對平緩。烏蘭烏蘇、莎車、東坎3站均處于平原地區(qū)，人工觀測取土比較容易，誤差相對較小。

烏蘭烏蘇站自動觀測數(shù)據(jù)以7月18日為分界點(diǎn)，之前所有的數(shù)據(jù)明顯比之后所有的數(shù)據(jù)均大了1倍左右，但是人工數(shù)據(jù)則所有的數(shù)據(jù)均比較平穩(wěn)，沒有大幅度的變化。表明自動觀測由于儀器調(diào)整不當(dāng)會造成非常大的誤差。

2.2 差值統(tǒng)計描述

莎車站自動站數(shù)據(jù)小于人工站，其他三站基本上是自動站數(shù)據(jù)大于人工站。從4站的合計看，40 cm差值均值最小，牧試站由于是山區(qū)站，可能是因?yàn)榫值氐匦螌ν寥罎穸鹊挠绊戄^大，所以差值均值相對其他3站偏大。從差值均值、標(biāo)準(zhǔn)差、一致率上看，40～50 cm表現(xiàn)最好。

2.3 差值分析

對自動站與人工站土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行差值分析，發(fā)現(xiàn)各土層的差值表現(xiàn)不同。

牧試站10～20 cm差值自動站明顯大于人工站，波動也很大，這可能是由于牧試站是山區(qū)站，而山區(qū)的水分分布有很強(qiáng)的局地性造成的。其余3個平原站則明顯平穩(wěn)很多。40～50 cm差值變化均相對較小。60～100 cm差值波動呈現(xiàn)相似的趨勢。從時間上看，春季波動相對較大，夏秋季波動則相對較小。

由4站自動與人工觀測數(shù)據(jù)（體積含水量）的差值在不同數(shù)據(jù)段出現(xiàn)的概率分布來看，東坎站差值最小，0～50 cm差值均在5%以內(nèi)；其次是莎車站，10、40～60、100 cm差值均在5%以內(nèi)，20 cm相對較小，差值在5%以內(nèi)的概率為75%；差值最大的是牧試站，20、30 cm差值在5%以內(nèi)的概率分別為45%和50%，差值在10%以內(nèi)的概率均為90%。

從土層深度來看，10、40、100 cm土層差值較小，差值在5%以內(nèi)的概率均在90%以上，其次是50 cm，差值在5%以內(nèi)的概率為88.75%；差值最大的是80cm，在5%以內(nèi)的概率為70%。

從各站極值來看，莎車和東坎數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)在極值中，極值均是由烏蘭烏蘇和牧試站兩站產(chǎn)生的。在極大差值中最大的差值是烏蘭烏蘇60 cm土層，為17.6；在極小差值中最小的差值是牧試站10 cm土層，為-12.2。

從各土層極值來看，40 cm土層極大值范圍最窄，在0～6之間；80 cm土層極小值范圍最窄，在-5～-2之間。

2.4 概率分析

從各土層差值出現(xiàn)的概率看，各層次差值范圍比較大，在-13.3～17.6之間。差值中心雖然在0.0附近，但分布比較分散，差值在-1～1之間的概率僅為34%，在-2～2之間的概率僅為58%。其中0～50 cm各層差值相對集中，尤其是40 cm和50 cm在-2～2之間的概率分別為75%和70%，而60、80、100 cm差值分布則比較分散，尤其是80 cm在-2～2之間的概率僅為58%。

2.5 相關(guān)性分析

對4個站各層次自動與人工觀測的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示。從表可知，烏蘭烏蘇和莎車站10～50 cm數(shù)據(jù)顯著相關(guān)，尤其是莎車10 cm、烏蘭烏蘇20 cm和40 cm深度數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均超過了0.9，相關(guān)性非常好。

牧試站與東坎的相關(guān)性略差于烏蘭烏蘇和莎車，其中兩站40～50 cm相關(guān)性最好，均為顯著相關(guān)，其次是20～30 cm，而10 cm數(shù)據(jù)均沒有相關(guān)性。

深層，尤其是80～100 cm，數(shù)據(jù)顯示相關(guān)系數(shù)非常小。

2.6 箱式圖分析

對4站人工與自動數(shù)據(jù)差值用箱式圖進(jìn)行表示。由圖可知，莎車與東坎的變異程度較小，烏蘭烏蘇和牧試站變異程度較大，其中最大的是牧試站。

從土層深度來看，0～50 cm土層的變異程度要小于60～100 cm土層。其中30～50 cm土層深度變異度最小。

從異常值分布來看，牧試站共有7個異常值，其中有5個均產(chǎn)生在4月18日，占異常值的70%以上；莎車站也有7個異常值，其中有5個均產(chǎn)生在7月28日，占異常值的70%以上。這兩個站70%以上的異常值都是產(chǎn)生在一次取土過程中，而其他時間的測定數(shù)據(jù)則沒有這么明顯的變異，表明人工觀測過程中，由于人為的操作不規(guī)范會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的誤差。

另外，從烏蘭烏蘇站異常值的分布看，該站共有12個異常值，其中11個均產(chǎn)生在5月28日到7月18日，占異常值總數(shù)的90%以上，表明季節(jié)也是產(chǎn)生誤差的一個原因。

3 結(jié)論

通過分析，得出自動與人工土壤水分觀測結(jié)果還是存在一定的差異，這些差異有的可以盡可能的避免，有的則是無法避免的。產(chǎn)生差異的原因可能是以下幾點(diǎn)：一是自動站與人工站雖然地處同一觀測地段，但布點(diǎn)位置還是有一些距離，而土壤水分分布具有很強(qiáng)的局地性，因此造成了局地差異；二是人工操作過程中出現(xiàn)的不可避免的誤差；三是自動監(jiān)測站儀器存在的系統(tǒng)偏差造成的差異。以上這3種情況造成的誤差都是不可避免的。另外，還有一種是由于自動觀測儀器調(diào)整不當(dāng)造成的非常大的誤差，這就要求技術(shù)人員在儀器的操作、維護(hù)過程中要按照要求操作，在一定范圍內(nèi)保證儀器觀測的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]周清，朱保美.DZN1型自動站與人工測定土壤濕度對比分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（6）：108-112.

[2]胡新華，杜筱玲，全根元.人工與自動土壤水分平行觀測資料對比分析[J].氣象科技，2010，38（2）：239-242.

（責(zé)任編輯：趙中正）