DZN2型自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)站與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

解彥維　李澤　楊鶴

摘要 2014年6月農(nóng)安縣根據(jù)吉林省人影工程建設(shè)要求進(jìn)行自動(dòng)土壤水分站建設(shè)，為評(píng)價(jià)DZN2型土壤水分監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)能力、服務(wù)效益和推廣使用提供參考依據(jù)，對(duì)2014年8月至2015年7月農(nóng)安縣東方紅村土壤水分觀測(cè)站自動(dòng)站與人工實(shí)際觀測(cè)的土壤體積含水量進(jìn)行對(duì)比評(píng)估分析。結(jié)果表明：盡管差值對(duì)比存在一定誤差，但DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站運(yùn)行良好，自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律全部通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，一致性表現(xiàn)較好。自動(dòng)觀測(cè)資料基本能夠代替人工觀測(cè)的資料。

關(guān)鍵詞 DZN2型土壤水分自動(dòng)站；人工觀測(cè)；土壤體積含水率；數(shù)據(jù)對(duì)比

中圖分類(lèi)號(hào) P415.12；S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）07-0254-01

土壤水分是植物耗水的主要直接來(lái)源，對(duì)植物的生理活動(dòng)有重大影響。掌握土壤水分規(guī)律，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理論研究和實(shí)時(shí)服務(wù)都具有重要意義[1]。目前，我國(guó)氣象部門(mén)在各省級(jí)部門(mén)都建設(shè)了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其中DZN2型土壤水分觀測(cè)儀在我國(guó)河南、安徽、吉林等12個(gè)省共布設(shè)了1 000余套[2]。

1 試驗(yàn)原理與方法

DZN2型自動(dòng)土壤水分傳感器利用頻域反射法原理（FDR）由傳感器發(fā)出100 MHz高頻信號(hào)，當(dāng)土壤中的水分變化時(shí)，其介電常數(shù)相應(yīng)變化，測(cè)量時(shí)傳感器給出的電容（壓）值也隨之變化，這種變化量數(shù)經(jīng)過(guò)處理得出土壤水分觀測(cè)值。從而利用DZN2型土壤水分監(jiān)測(cè)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分含量。

人工觀測(cè)數(shù)據(jù)根據(jù)氣測(cè)函〔2010〕170號(hào)《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀對(duì)比觀測(cè)規(guī)定》（試行）執(zhí)行，測(cè)定時(shí)間為每旬逢3日、8日上午定期人工取土，取土深度與自動(dòng)土壤水分觀測(cè)深度相同，每層4個(gè)重復(fù)，烘干稱(chēng)重并計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 自動(dòng)與人工土壤體積含水率差值對(duì)比分析

將2014年8月26日至2015年7月28日（共8層、24次）人工和自動(dòng)站土壤體積含水量對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分層對(duì)比和差值分析。將每層數(shù)據(jù)在坐標(biāo)軸中以時(shí)間先后繪成圖表。經(jīng)分析可知，自動(dòng)與人工觀測(cè)土壤體積含水率變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明2種觀測(cè)對(duì)土壤水分感應(yīng)相同。

2.1.1 10 cm深度土壤體積含水率。人工觀測(cè)數(shù)據(jù)較自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)變化波動(dòng)更大，而自動(dòng)站相對(duì)平緩，根據(jù)土壤各層土壤水分體積含水率差值分析，10 cm是各層中平均差值最大的土層。分析原因：10 cm深度土壤水分受環(huán)境氣候影響的因子較多，地表的土壤水分受地溫、降水、灌溉等因素的影響較大。結(jié)合本地實(shí)際，取土分析時(shí)段為農(nóng)作物生長(zhǎng)季，地表覆蓋也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

2.1.2 20 cm深度土壤體積含水率。人工與自動(dòng)站的數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較10 cm深度小，但波動(dòng)明顯。說(shuō)明20 cm土層的土壤水分受地溫、降水、灌溉等因素的影響也較大。觀測(cè)環(huán)境實(shí)際情況，20 cm為玉米生長(zhǎng)有效深度，雖然對(duì)土壤水分站所在作物地段做相同的田間管理，但是自動(dòng)站和人工采樣仍然存在微小差異。通過(guò)對(duì)20 cm土壤體積含水率的差值對(duì)比分析可知，人工與自動(dòng)觀測(cè)的平均差值為1.6%，最大差異出現(xiàn)在2014年9月28日，差值為7.2%，最小差異出現(xiàn)在9月8日，差值為0。

2.1.3 30 cm深度土壤體積含水率。人工與自動(dòng)站的數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)比自動(dòng)站數(shù)據(jù)偏大。根據(jù)30 cm土壤體積含水率的差值對(duì)比分析，人工與自動(dòng)站觀測(cè)的平均差值為1.0%，最大差異出現(xiàn)在2014年9月3日，差值為3.6%，最小差異出現(xiàn)在10月18日，差值為0.1%。

2.1.4 深層（40～100 cm）土壤體積含水率。人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)接近自動(dòng)站數(shù)據(jù)或略偏低。本地地下水位大于2 m，地表徑流、土壤溫度等對(duì)深層影響較小。其中40 cm土層9月18日數(shù)據(jù)差值對(duì)比為8.5，考慮40 cm土壤濕度隨深度和連續(xù)取樣數(shù)據(jù)變化量，分析應(yīng)為取樣錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，但是為了保證數(shù)據(jù)的完整性，未將數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除。根據(jù)土壤體積含水率的差值對(duì)比分析，50 cm的平均差值為1.1%，60～100 cm平均差值均為1.0%，說(shuō)明在深層人工與自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性相對(duì)較好。

2.2 概率分析

由農(nóng)安東方紅村人工與自動(dòng)站觀測(cè)土壤體積含水率絕對(duì)差值在不同數(shù)據(jù)段出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)分析：絕對(duì)差值的分布規(guī)律基本在5%以?xún)?nèi)，2.5%以?xún)?nèi)的分布10、20、50 cm分別為54.2%、79.1%、87.5%，在90%以下。其余層次均在90%以上，其中60 cm土層深度，差值在2.5%以?xún)?nèi)的概率達(dá)到了100%。30～100 cm人工與自動(dòng)土壤體積含水率在1.0%以?xún)?nèi)均超過(guò)了50%，誤差較小。差值超過(guò)5.0%的土層深度為10、20、40 cm，誤差較大，10 cm深度差值在5.0%以上概率為25%，誤差最大。結(jié)合含水率差值平均值分析，30～60 cm人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好，20 cm次之，10 cm相對(duì)最差。

2.3 相關(guān)性分析

利用Excel軟件計(jì)算人工與自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)8個(gè)層次的相關(guān)系數(shù)，其均通過(guò)置信水平0.01的檢驗(yàn)，都為顯著相關(guān)。相關(guān)系數(shù)最小出現(xiàn)在20 cm土層，為0.215，最大出現(xiàn)在60 cm土層，為0.859，這也說(shuō)明人工與自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性在60 cm土層表現(xiàn)最好。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同層次土壤深度，自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)相對(duì)平緩，人工觀測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)相對(duì)較大，自動(dòng)站與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度隨著土層深度增加有變小趨勢(shì)。其中60～100 cm深度平均差值較小，而表層10～20 cm深度平均差值較大，并且差值超過(guò)5%的概率較大，誤差稍大。盡管差值對(duì)比存在一定誤差，DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站運(yùn)行良好，自動(dòng)站與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律全部通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)，一致性表現(xiàn)較好。自動(dòng)站觀測(cè)資料基本能代替人工觀測(cè)的資料。

分析對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)偏差原因主要有以下幾點(diǎn)。一是土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)變化受到降水、溫度、灌溉、地表覆蓋物的影響，作物生長(zhǎng)季內(nèi)，地溫高，降水多，觀測(cè)數(shù)據(jù)變幅相對(duì)較大，誤差較明顯[3]。二是自動(dòng)和人工觀測(cè)的原理不同，儀器探測(cè)和人工取土的位置、深度、時(shí)間都存在差異，可能造成數(shù)據(jù)的偏差[4-5]。三是安裝自動(dòng)站前，對(duì)大田的土壤常數(shù)（土壤容重、田間持水量、凋萎系數(shù)）進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定，才能減小人工與自動(dòng)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)誤差[6-7]。

4 參考文獻(xiàn)

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