撫順市土壤水分自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)及原因分析

吳佳麗　喬延艷　李若楠

摘要 按照《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范》的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)撫順市3個(gè)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)撫順市3個(gè)站均通過(guò)一、二次檢驗(yàn)后，正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。自動(dòng)觀測(cè)的土壤體積含水量受時(shí)段較差、空間距離、氣象自然因素和儀器穩(wěn)定性影響較大。

關(guān)鍵詞 土壤水分自動(dòng)站；觀測(cè)數(shù)據(jù)；差異檢驗(yàn)；原因分析；遼寧撫順

中圖分類號(hào) P415.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）03-0203-02

旱澇災(zāi)害能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響，撫順市雨量充沛，但雨量分布并不十分協(xié)調(diào)，即使在正常年份，作物生長(zhǎng)季內(nèi)季節(jié)性旱澇也經(jīng)常發(fā)生[1]。為做好全市抗旱工作，2010年9月至2011年9月，中國(guó)氣象局為撫順市安裝了3套DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站，分別安裝在撫順縣、新賓縣、清原縣。與傳統(tǒng)的人工土鉆取土、烘干法測(cè)定土壤濕度相比，DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)遵循的觀測(cè)方法、觀測(cè)時(shí)限均發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在一定的差異。因此，對(duì)設(shè)備投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的差異性檢驗(yàn)和形成原因分析是非常必要的。

國(guó)內(nèi)一些相關(guān)方面的專家對(duì)土壤水分自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)研究較多[2]。本文選取自動(dòng)站數(shù)據(jù)和人工測(cè)定土壤濕度對(duì)比差異因子，對(duì)自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)值與人工對(duì)比觀測(cè)的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)形成的原因進(jìn)行分析探討。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本文資料選取撫順地區(qū)新賓、章黨、清原3個(gè)土壤水分自動(dòng)站的6個(gè)月內(nèi)的0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm土層的土壤體積含水量和距離傳感器2～10 m內(nèi)對(duì)應(yīng)層次的人工土鉆取土、烘干法測(cè)定的土壤體積含水量數(shù)值。

1.2 研究方法

按照《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范》[3]（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中對(duì)自動(dòng)站觀測(cè)數(shù)值的業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：人工觀測(cè)土壤體積含水量值與器測(cè)土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對(duì)誤差σ≤5%。

式中：xi為儀器土壤體積含水量觀測(cè)值（g/cm3）；ai為人工土壤體積含水量觀測(cè)值（g/cm3）；N為對(duì)比觀測(cè)次數(shù)；設(shè)備田間標(biāo)定后連續(xù)人工對(duì)比觀測(cè)1個(gè)月不少于6次。σ為人工對(duì)比觀測(cè)土壤體積含水量多次平均值的絕對(duì)誤差（g/cm3）。

1.3 自動(dòng)土壤水分站數(shù)據(jù)采集原理

儀器利用頻域反射法原理（FDR）來(lái)測(cè)定土壤體積含水量，它由傳感器發(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，這種變化量被CPU實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)采集器所采集[3]，經(jīng)過(guò)線性化和定量化處理，得出土壤水分觀測(cè)值，并按一定的格式存儲(chǔ)在采集器中。計(jì)算機(jī)處理后每1 h形成一個(gè)長(zhǎng)Z文件，根據(jù)土壤水文、物理常數(shù)和相關(guān)公式計(jì)算出土壤相對(duì)濕度（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)

撫順市3個(gè)土壤水分自動(dòng)站與人工觀測(cè)土層體積含水量對(duì)比結(jié)果見表1，通過(guò)對(duì)近半年的干、濕季節(jié)的交替時(shí)間進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，撫順地區(qū)3個(gè)土壤水分自動(dòng)站觀測(cè)土壤體積含水量與人工值基本一致。除新賓縣由于土壤90～100 cm土層土壤質(zhì)地為砂石土不進(jìn)行土壤體積含水量測(cè)定外，新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層因?yàn)閮x器校驗(yàn)和地下水位較高等原因未通過(guò)業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)，其余各土層土壤含水量與人工值比較均控制在5%的差異范圍內(nèi)，可以投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。根據(jù)不同層次的業(yè)務(wù)不達(dá)標(biāo)情況，更換了土壤新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層的濕度傳感器，對(duì)相應(yīng)土層的土質(zhì)進(jìn)行分析檢查、維護(hù)，根據(jù)需要進(jìn)行了為期3～6個(gè)月的該層次的二次業(yè)務(wù)檢驗(yàn)，在二次檢驗(yàn)后達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，均可投入到業(yè)務(wù)運(yùn)行（表2）。

2.2 數(shù)據(jù)差異原因分析

2.2.1 業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)存在時(shí)段較差。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站投入到業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)，按照《規(guī)范》要求，應(yīng)跨越干、濕兩季進(jìn)行人工取土觀測(cè)對(duì)比，第1次對(duì)比觀測(cè)檢驗(yàn)主要在6—9月等多雨季節(jié)，人工對(duì)比觀測(cè)時(shí)間比較集中在濕季，各土層的平均土壤體積含水量變化幅度較快。人工取土在采樣、整理和傳輸時(shí)效方面要1 h左右，自動(dòng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)采集、傳輸可以精確到分鐘，用平均值代替，存在數(shù)據(jù)采集的時(shí)段內(nèi)雖然大部分單層樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差都偏小，但個(gè)別站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差平均值仍較大。

2.2.2 儀器布設(shè)空間距離差異。自動(dòng)土壤水分自動(dòng)觀測(cè)站傳感器布設(shè)采取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm等多層縱向排列布設(shè)（圖1），人工下鉆深度去除土鉆本身帶來(lái)的深度誤差，仍存在3～5 cm的取樣誤差。而橫向上，人工取土范圍按照《規(guī)范》要求取土鉆孔的位置應(yīng)分布在傳感器埋設(shè)位置四周半徑2～10 m之間的范圍內(nèi)（圖2），距離內(nèi)土壤水分分布不均可以導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在一定差異。

2.2.3 氣象和自然因素影響。DZN1型自動(dòng)土壤水分設(shè)備受東部山區(qū)氣候條件制約，在溫度過(guò)高、出現(xiàn)地表結(jié)冰、連續(xù)降雨和深層土壤凍結(jié)時(shí)，土壤水分傳感器觀測(cè)土壤體積含水量數(shù)值變化較緩慢。特別在土壤凍結(jié)后，土壤濕度無(wú)變化。土壤體積含水量變化受附近水庫(kù)、水體和生長(zhǎng)季節(jié)植物蒸騰作用[4]等自然因素影響，儀器靈敏度較高，與人工觀測(cè)產(chǎn)生誤差。深層土壤體積含水易飽和，受土壤含砂質(zhì)地影響，采集數(shù)值變化較小，與人工觀測(cè)存在較大差距，也是深層差異較大而需重復(fù)對(duì)比觀測(cè)的原因。

2.2.4 儀器設(shè)備穩(wěn)定性。自動(dòng)觀測(cè)的土壤體積含水量是通過(guò)計(jì)算而來(lái)，儀器指定的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)不同層次設(shè)定了訂正系數(shù)，訂正系數(shù)的大小直接影響測(cè)量結(jié)果和人工值的差異。

3 結(jié)論與討論

（1）按照《規(guī)范》中的業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，撫順地區(qū)3個(gè)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)的個(gè)別層次均通過(guò)一次性檢驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，而新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層在更換傳感器、維護(hù)土層和設(shè)備后通過(guò)二次檢驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

（2）土壤水分觀測(cè)的業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)受觀測(cè)儀器的時(shí)間較差和空間距離限制，在進(jìn)行業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)的同時(shí)應(yīng)平均分配干、濕季節(jié)的時(shí)間段，在對(duì)比觀測(cè)的空間距離上應(yīng)控制在2 m左右較好。

（3）儀器設(shè)備受東部山區(qū)氣候條件制約較大，自然地大型水體、生長(zhǎng)季節(jié)作物蒸騰作用均能影響土壤體積含水量的變化數(shù)值。

（4）儀器設(shè)備受訂正系數(shù)影響直接影響測(cè)量結(jié)果，廠家應(yīng)在訂正系數(shù)方面進(jìn)一步細(xì)化。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 張昱，李亮，吳春英，等.撫順市旱澇演變規(guī)律及其對(duì)農(nóng)業(yè)的影響和對(duì)策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（增刊1）：194-195.

[2] 魯韋坤，李湘，朱斌.云南土壤水分自動(dòng)站觀測(cè)值的業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)及其標(biāo)準(zhǔn)[J].氣象科技，2015（43）：202-206.

[3] 中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)司.自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范（試行）[S/OL].[2012-04-17].http：//wenku.baidu.com/link？url=LNuU0gsRwLwhaG2yY s6iI5TvewHcM-gaC0OlTQAlDM7eYCxvJw-CP6q0B5sXaR5B-BS4u86g MNto6HxLhz8rBVueMnCmHoopsbpoHmDVTYy.

[4] 朱清，朱保美.DZN1型自動(dòng)站與人工測(cè)定土壤濕度對(duì)比分析[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2013，29（6）：108-110.