撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局與應用

趙超+李炳昆++米雷++吳佳麗++趙剛++喬延艷++范存飛++張鵬++肇振國++殷宇飛++寧大可++鄭國偉++胡玉++張茗郡

摘要 自動土壤水分站是近些年普遍投入使用的測量土壤各參數(shù)的精密氣象儀器。介紹了撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局，從土壤水分傳感器工作原理、儀器標定與數(shù)據(jù)訂正、野外實地標定與實驗室標定結(jié)合方法等方面介紹了自動土壤水分站的應用情況，以期為氣象部門提供更準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務。

關(guān)鍵詞 土壤水分站；儀器標定；布局；應用；遼寧撫順

中圖分類號 S152.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）20-0178-02

農(nóng)業(yè)氣象及環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作之一是土壤水分監(jiān)測，即測定土壤水分存量及其動態(tài)變化。掌握土壤水分變化情況可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于干旱的預測，并對相關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和理論研究提供幫助。通過自動土壤水分站與人工測墑數(shù)值進行比對后，正式投入業(yè)務運行。通過全市范圍內(nèi)的合理布局，可以實時監(jiān)測本區(qū)域內(nèi)的土壤水分變化，進而為氣象部門提供更好的氣象為農(nóng)服務提供理論依據(jù)。

1 撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局

撫順地處遼寧東部山區(qū)，歷年來每逢2月28日至5月28日監(jiān)測土壤水分情況，各地采取人工測墑的方式其測量深度有所差異。自2010年秋季以來，全省開始購置自動土壤水分站分區(qū)域安裝，其中撫順地區(qū)分配2臺儀器，分別在撫順縣石文鎮(zhèn)和新賓縣紅升鄉(xiāng)。安裝之后運行穩(wěn)定，每分鐘都會采集10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm的土壤水分數(shù)據(jù)。但是第一批設(shè)備的傳感器是針始傳感器，需要挖表面積2 m2、深度1 m的深坑，將各層的測量探針排序插入土中，將土掩埋后再進行人工對比觀測6個月，最終投入使用。2011—2016年6年中，2套設(shè)備運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，為農(nóng)事生產(chǎn)提供各方面的土壤水分數(shù)據(jù)。

撫順縣石文鎮(zhèn)和新賓縣紅升鄉(xiāng)分別在撫順西南部和撫順東部，土壤水分監(jiān)測不能完全覆蓋整個城市，2016年底撫順市氣象局購置4套新型自動土壤水分站，分別建在撫順縣后安鎮(zhèn)、新賓縣永陵鎮(zhèn)、清原縣清原鎮(zhèn)和清原縣大孤家鎮(zhèn)，分別地處撫順的南部、東南部、東北部和北部。如此一來，6套自動土壤水分站同時業(yè)務運行，數(shù)據(jù)的使用基本可以代表整個撫順地區(qū)。從表1可以看出，撫順縣、清原滿族自治縣及新賓滿族自治縣播種面積和總產(chǎn)量占撫順地區(qū)總產(chǎn)量很大比重，因而土壤水分站的布局具有地域合理性。

2 自動土壤水分站的應用

2.1 土壤水分傳感器工作原理

土壤水分傳感器是基于頻域反射法（frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）工作的。傳感器的構(gòu)成主要包括一個電容，其周圍土壤水分的變化引起電容值發(fā)生相應改變，從而使LC振蕩器頻率變化，振蕩回路產(chǎn)生的頻率大小隨土壤介電常數(shù)而改變，通過信號轉(zhuǎn)換和修正處理以后，可以計算出土壤水分的數(shù)值。

整體的土壤視為由3種物質(zhì)組成，即水、空氣及固態(tài)土，其中，把空氣的介電常數(shù)設(shè)為1；水、固態(tài)土的介電常數(shù)分別為80.4、3.0～7.0。

2.2 自動土壤水分觀測儀標定以及數(shù)據(jù)訂正

自動土壤水分觀測儀測定的土壤電導率受到安裝處植被覆蓋度及類型、土壤剖面組織層、土壤類型等的影響，其中，土壤水（或孔隙水）電導率、土壤孔隙的數(shù)量及大小是主要的決定因素[1-2]。由于土壤質(zhì)地、密度各不相同，因而土壤各粒徑含量比例不同，砂粒、粉粒和黏粒中，黏粒含量的多少對土壤的介電特性有一定的作用。對于不同的土壤，由于電導率的影響，特別是土壤的酸堿度影響，不能使用通用的標校公式，需要對具體的土壤類型進行標定及數(shù)據(jù)訂正，以獲得正確的土壤含水量。

主要標定儀器及材料：烘箱為（105 ℃）自動控溫烘箱；鋁盒直徑70、100 mm；環(huán)刀體積100 cm3；天平為電子天平，最小感量0.01 g、滿量程500 g，用于測量環(huán)刀土樣；試驗容器材質(zhì)為雅克力，厚度5 mm、高度18 cm、直徑30 cm；土篩為200目孔篩；噴壺；試驗用水為蒸餾水或純凈水。

2.3 野外實地標定與實驗室標定結(jié)合方法

2.3.1 新型標定方法主要內(nèi)容。合適尺寸的帶刃口鋼制試驗容器用于從田間分層次取回土樣，通過試驗獲得烘烤試驗容器中大量土樣的時間，使得標準土柱中土壤體積含水量人為控制成5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等，分別測量各傳感器在標準土柱中的頻率，用烘干法獲得標準土柱中實際土壤體積含水量，在傳感器電信號（歸一化頻率，SF）與土壤體積含水量關(guān)系（SF=A×θVB）基礎(chǔ)上確定人工與儀器觀測數(shù)據(jù)的擬合方程，獲得傳感器電信號（頻率）與土壤體積含水量之間關(guān)系新的參數(shù)。

2.3.2 實驗室標定方法、人工對比觀測的缺點。實驗室標定時因為除去土樣中根系、雜草、礫石等，風干（烘干），過孔篩，逐層夯實濕土樣到試驗容器中，得到的土樣其土壤質(zhì)地、容重、土壤孔隙的數(shù)量及大小、土壤的粒徑即砂粒、粉粒和黏粒含量與實際的土壤環(huán)境不符。采用人工對比觀測時，因受到當?shù)貧夂虻挠绊懚鵁o法獲得跨越干濕季、樣本分布均勻、能夠代表當?shù)赝寥浪趾糠秶膶Ρ扔^測數(shù)據(jù)。此外，人工對比觀測人員素質(zhì)參差不齊、觀測時間長、取土勞動強度大，導致觀測數(shù)據(jù)誤差大[3-4]。

2.3.3 新型標定方法優(yōu)點。獲得土樣時保留了原來的土壤質(zhì)地、容重、土壤孔隙的數(shù)量及大小、土壤不同粒徑（砂粒、粉粒和黏粒）含量。保留了野外實地標定在實際的土壤環(huán)境中進行，取得的數(shù)據(jù)能夠更客觀地反映土壤的實際情況，得到的傳感器標定參數(shù)更準確。避免了野外標定方法在野外營造低濕環(huán)境通常需要3個月（特別是在南方地區(qū)，需要的時間會更長）因而不太適合實際應用的缺點。保留了實驗室標定可以人為控制土樣含水量區(qū)間，獲得土壤體積含水量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等的標準土樣的優(yōu)點。如果土壤的均勻性比較好，利用該新型標定方法完全可以替代人工對比觀測[5]。

3 結(jié)語

自動土壤水分站從選址安裝到投入使用需要3～5個月的時間，在此期間內(nèi)的各種參數(shù)設(shè)定和計算也尤為關(guān)鍵，具體步驟可以參詳觀測規(guī)范。各地可根據(jù)自身地理位置合理布局、正確使用，以確保土壤水分站發(fā)揮其最大效能。

4 參考文獻

[1] 單新蘭，張吉周，李新慶，等.自動土壤水分站資料質(zhì)量控制及其相關(guān)關(guān)系分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2015，43（3）：236-237.

[2] 王海英，黃中雄，陽擎.南寧土壤水分站自動監(jiān)測土壤濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].氣象研究與應用，2008（1）：78-79.

[3] 郭旭，龍柯吉，趙旋，等.四川地區(qū)自動土壤水分站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究[J].高原山地氣象研究，2017，37（2）：90-95.

[4] 周旭輝，王黎明，王建波，等.FDR自動土壤水分數(shù)據(jù)標定問題及解決方法[J].氣象科技，2016，44（4）：535-541.

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