改進(jìn)后的探針式土壤水分采集儀應(yīng)用試驗(yàn)

馬繼坤　辛玉琛

摘 要：吉林省是旱災(zāi)頻發(fā)的省份之一，隨著近幾年的氣候變化，旱情在吉林省幾乎年年發(fā)生。土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)是開展旱情監(jiān)測(cè)的有效手段，而目前的監(jiān)測(cè)方式很難應(yīng)用到應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，針對(duì)以往工作中存在的問題，對(duì)某型號(hào)探針式采集儀在吉林省中西部進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)。本次對(duì)某型號(hào)土壤水分采集儀探針的長(zhǎng)度和傳感器手柄進(jìn)行了改進(jìn)，采用改進(jìn)后的探針式土壤水分采集儀采集的數(shù)據(jù)與人工取土烘干法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果是相對(duì)誤差合格率為96.4%，符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364—2015）準(zhǔn)確性評(píng)估其值不應(yīng)小于80%的規(guī)定。通過本次應(yīng)用試驗(yàn)，得出了改進(jìn)后的某型號(hào)探針式土壤水分采集儀應(yīng)用在土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)中不僅滿足時(shí)效性，高效性的要求，而且也滿足監(jiān)測(cè)精度要求，能夠科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估旱災(zāi)損失，提高了抗旱減災(zāi)指揮決策能力，具有推廣使用的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)；改進(jìn)后的探針式土壤水分采集儀；對(duì)比監(jiān)測(cè)；旱情

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180532006

吉林省是農(nóng)業(yè)大省，中西部又是糧食主產(chǎn)區(qū)，旱災(zāi)是吉林省主要自然災(zāi)害之一，全省中西部發(fā)生頻率較高，幾乎是年年有旱，區(qū)域性中度以上（含中度）干旱時(shí)有發(fā)生。旱災(zāi)不僅對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響，同時(shí)對(duì)全省城鄉(xiāng)人民生活和城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也構(gòu)成了一定的威脅。土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)是開展旱情監(jiān)測(cè)的有效手段，也是對(duì)固定墑情監(jiān)測(cè)站的必要補(bǔ)充，可以有效掌握受旱區(qū)域的發(fā)展變化，科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估旱災(zāi)損失，而且機(jī)動(dòng)靈活，投資少，成本低，是旱情監(jiān)測(cè)優(yōu)先選用方法之一。目前，探針式土壤水分采集儀是應(yīng)急監(jiān)測(cè)的手段之一，它應(yīng)用的準(zhǔn)確性和適用性顯得尤為關(guān)鍵。

1 基本情況

土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)站是根據(jù)抗旱工作需要，臨時(shí)布設(shè)在非固定地塊、不連續(xù)觀測(cè)的監(jiān)測(cè)站，也稱臨時(shí)土壤墑情監(jiān)測(cè)站。目前，吉林省旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)站共布設(shè)129處，覆蓋全省9個(gè)市（州），其中中西部地區(qū)布設(shè)93處，占全省72.1%。2014年，吉林省中西部發(fā)生了較為嚴(yán)重的伏旱，啟動(dòng)了旱情應(yīng)急監(jiān)測(cè)響應(yīng)。采用人工取土烘干法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，投入了大量的人力物力，也不能為政府提供及時(shí)的旱情信息，滿足不了數(shù)據(jù)的時(shí)效性。近2a由于科技的發(fā)展，土壤水分采集儀廣泛應(yīng)用到了土壤墑情監(jiān)測(cè)中，但在監(jiān)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1.1 勞動(dòng)強(qiáng)度大，用時(shí)長(zhǎng)

探針式土壤水分采集儀有水平和垂直2種插入方式，2種插入方式安裝儀器時(shí)都需要開挖安裝剖面。水平插入方式需用挖土鍬開挖一個(gè)土槽，開挖尺寸為0.7m（長(zhǎng)）×0.4m（寬）×0.5m（深）。垂直插入方式用取土打孔鉆（帶有刻度的圓鋼管/洛陽鏟等）在壟臺(tái)（地表面）打孔。當(dāng)發(fā)生中度以上（含中度）干旱時(shí)，干土層較厚，土壤板結(jié)，水平插入方式需要用鎬開挖才能完成安裝剖面，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，用時(shí)較長(zhǎng)；垂直插入方式打孔鉆打孔需要夯擊才能完成，同樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.2 探針插入困難，影響監(jiān)測(cè)精度

旱情發(fā)生時(shí)水平和垂直插入探針都非常吃力，插入時(shí)會(huì)出現(xiàn)上下或左右搖晃的現(xiàn)象，使得探針與原狀土接觸不實(shí)，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)精度受到影響。

可見以往探針式土壤水分采集儀應(yīng)用到應(yīng)急監(jiān)測(cè)中費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還影響數(shù)據(jù)精度，給實(shí)際工作造成很大困難，需要做一定的改進(jìn)。

2 改進(jìn)的方法

本次應(yīng)用試驗(yàn)，主要是為了滿足土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要，對(duì)某型號(hào)探針式土壤水分采集儀進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)采用垂直插入方式進(jìn)行。

2.1 改變探針長(zhǎng)度

將等長(zhǎng)度的探針分別制作成10cm、20cm、40cm的長(zhǎng)度。用10cm、20cm、40cm的探針分別監(jiān)測(cè)《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364—2015）三點(diǎn)法10cm、20cm、40cm深度的數(shù)值。這樣在監(jiān)測(cè)時(shí)無需開挖安裝剖面和打孔，安裝簡(jiǎn)單易行，從而減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了時(shí)間。改進(jìn)前后不同探針長(zhǎng)度傳感器對(duì)比圖，見圖1。

2.2 安裝加力手柄

由于40cm深度的土壤為心土層，土壤結(jié)構(gòu)密實(shí)，插入探針非常困難，所以本次試驗(yàn)只在40cm探針長(zhǎng)的手柄上安裝了加力裝置，這樣也同時(shí)避免了探針插入時(shí)出現(xiàn)上下或左右搖晃的現(xiàn)象，提高了監(jiān)測(cè)精度。加力手柄裝置，見圖1中40cm探針長(zhǎng)的傳感器。

3 應(yīng)用試驗(yàn)及分析

3.1 對(duì)比監(jiān)測(cè)

采用改進(jìn)后的某型號(hào)探針式土壤水分采集儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，稱為儀器法。為了驗(yàn)證改進(jìn)后的儀器效果，儀器法與人工取土烘干法進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)時(shí)間：監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016年8—11月份，共獲得了28組數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)地點(diǎn)：監(jiān)測(cè)地點(diǎn)為吉林省易旱區(qū)，分別為長(zhǎng)春地區(qū)、松原地區(qū)、白城地區(qū)、吉林地區(qū)的土壤墑情自動(dòng)站附近進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)，基本覆蓋了吉林省中西部地區(qū)。

監(jiān)測(cè)深度：儀器法監(jiān)測(cè)的深度分別為0～10cm、0～20cm、0～40cm；人工取土烘干法監(jiān)測(cè)的深度為10cm、20cm、40cm。對(duì)應(yīng)關(guān)系為儀器法0～10cm與人工取土烘干法10cm、儀器法0～20cm與人工取土烘干法20cm、儀器法0～40cm與人工取土烘干法40cm。

監(jiān)測(cè)方法：采用人工取土烘干法與儀器法同步進(jìn)行，儀器法是將監(jiān)測(cè)深度相應(yīng)長(zhǎng)度的探針直接從地表面垂直方式插入采集數(shù)據(jù)；人工取土烘干法取樣方法是以儀器為中心，距儀器40～50cm范圍內(nèi)，在儀器周圍呈三角形取不同監(jiān)測(cè)深度的土樣，相同深度取3個(gè)土樣，取3個(gè)土樣的平均值為該深度的平均重量含水量。對(duì)比監(jiān)測(cè)成果見表1。

3.2 誤差分析

本次應(yīng)用試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共28組，相對(duì)誤差絕對(duì)值最大值18.2%，最小值0.2%，平均值5.0%。依據(jù)水利部水文局“土壤墑情監(jiān)測(cè)與信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究”課題成果，儀器法監(jiān)測(cè)的土壤含水量與人工取土烘干法測(cè)得的土壤含水量相對(duì)誤差不超過±15%，將±15%作為控制值，由成果統(tǒng)計(jì)表1中的相對(duì)誤差，繪制相對(duì)誤差控制圖，見圖2。

從圖2可見只有1組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出相對(duì)誤差±15%控制范圍內(nèi)，只超3%，其他27組都在相對(duì)誤差控制范圍內(nèi)，合格率為96.4%，符合《土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范》（SL364—2015）準(zhǔn)確性評(píng)估其值不應(yīng)小于80%的規(guī)定，本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足精度要求。

4 結(jié)論與建議

本次應(yīng)用為了滿足土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)的需要及土壤水分采集儀在應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)和試驗(yàn)。改進(jìn)后的土壤水分采集儀，通過本次試驗(yàn)和對(duì)比分析取得了以下結(jié)論和建議：

儀器法監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)合格率96.4%，滿足規(guī)范監(jiān)測(cè)精度要求，所以儀器法監(jiān)測(cè)的0～10cm、0～20cm、0～40cm深度可以替代人工法監(jiān)測(cè)的10cm、20cm、40cm深度；

省時(shí)省力，在土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)一天多個(gè)土壤墑情應(yīng)急監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)任務(wù)，滿足了應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)效性，高效性的要求；

應(yīng)用到應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，為科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估旱災(zāi)損失，提供了技術(shù)支撐，提高了抗旱減災(zāi)指揮決策能力，具有推廣使用的價(jià)值；

不需要開挖儀器安裝剖面，減少了破壞耕地的面積；

建議探針的直徑至少6mm，以適應(yīng)干旱時(shí)期的土壤板結(jié)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精度；

建議在傳感器的手柄上安裝機(jī)械加力裝置，更加省力省時(shí)。

作者簡(jiǎn)介：馬繼坤（1972-），女，本科，副高級(jí)工程師，研究方向：土壤墑情分析與評(píng)價(jià)。