自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)誤差成因及解決方法探討

楊 威

（遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003）

土壤墑情監(jiān)測是抗旱的重要基礎工作，土壤水分含量是表達旱情的最直接指標[1]。近年來，各省依據(jù)國家防汛抗旱指揮部辦公室公布的土壤水分監(jiān)測儀器檢測合格產(chǎn)品目錄，相繼建成了一批自動墑情監(jiān)測站[2]，從運行情況看，一些自動墑情監(jiān)測站監(jiān)測的墑情數(shù)據(jù)（以下簡稱自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)）精度較低[3]， 可靠性較差，不能直接用于旱情分析評價。經(jīng)過檢測合格的土壤水分監(jiān)測儀器在實際應用中數(shù)據(jù)不理想，值得思考研究，找出問題所在和提出解決辦法。

1 自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)誤差成因

評判土壤水分監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)精度是通過實驗室檢測[4]，與人工監(jiān)測的墑情數(shù)據(jù)（以下簡稱人工墑情數(shù)據(jù)）進行比較獲得的。在實驗條件下（包括實驗室和野外現(xiàn)場圍欄內(nèi)實驗），土壤水分監(jiān)測儀器和人工監(jiān)測墑情的檢測環(huán)境一致，土壤結(jié)構一致，檢測人員的專業(yè)水平和操作能力較高，操作步驟統(tǒng)一，監(jiān)測儀器和人工墑情數(shù)據(jù)可靠，誤差影響因素以監(jiān)測儀器精度為主，受環(huán)境和人為影響較小，得到的土壤水分監(jiān)測儀器精度較高。

在野外現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件下，人工監(jiān)測墑情是在實際耕作的大田中取樣，取樣人員的操作方法、使用的儀器設備、計算結(jié)果取舍等各環(huán)節(jié)很難保持一致，造成人工墑情數(shù)據(jù)本身誤差較大。而自動墑情監(jiān)測站的監(jiān)測儀器置于圍欄保護下，受耕作、除草、施肥等各種條件影響，監(jiān)測站即便建立在大田，圍欄內(nèi)土壤結(jié)構與大田內(nèi)土壤結(jié)構也不能保持同步變化，自動墑情監(jiān)測儀器監(jiān)測的墑情數(shù)據(jù)只能代表無耕作的圍欄內(nèi)含水量，不能真實代表大田含水量。此時得到的土壤水分監(jiān)測儀器精度較差，說明在實驗條件下得到的土壤水分監(jiān)測儀器精度，與野外實際生產(chǎn)條件下的自動墑情監(jiān)測站的精度是 2 個不同的概念。

因此，使用檢測合格的土壤水分監(jiān)測儀器建立自動墑情監(jiān)測站后，自動墑情監(jiān)測站的誤差除了監(jiān)測儀器本身誤差外，還包括監(jiān)測站圍欄內(nèi)土壤環(huán)境和人工墑情監(jiān)測等誤差，只有將這 2 個誤差降到最低，才能將自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)通過人工墑情數(shù)據(jù)進行修正，達到可以直接使用的水平，滿足旱情分析評價的需要。

2 減小自動墑情監(jiān)測站環(huán)境誤差的方法

自動墑情監(jiān)測站環(huán)境誤差主要體現(xiàn)在圍欄結(jié)構、作物種植和環(huán)境管理 3 個方面。

2.1 圍欄結(jié)構建設方面

自動墑情監(jiān)測站圍欄可使用塑鋼、不銹鋼等材質(zhì)制作，欄桿疏密程度應在防止人畜進入的基礎上做到通風透光，減少對傳感器埋設地點土壤的遮擋。圍欄基礎應避免破壞天然地表環(huán)境，保證地表水可自由流動，土壤水分自由滲透[5]，確保自動墑情監(jiān)測站通風透光和地表水流動情況不受圍欄影響。

2.2 圍欄內(nèi)作物種植方面

圍欄內(nèi)傳感器周邊應同步種植與大田相同的作物，在不破壞傳感器正常工作條件下，滿足作物對地表的遮擋與圍欄外大田一致，作物對土壤水分的吸收程度與圍欄外大田一致，確保自動墑情監(jiān)測站圍欄內(nèi)外的土壤水分損失不受有無作物和種植結(jié)構影響。

2.3 圍欄內(nèi)環(huán)境管理方面

自動墑情監(jiān)測站歷來重建設，輕管理，造成監(jiān)測環(huán)境后期與建站初期相比差異較大。應安排專人對自動墑情監(jiān)測站環(huán)境進行維護和管理，避免監(jiān)測站成為堆積石塊、雜草的垃圾場。在保證監(jiān)測儀器正常工作的前提下，大田除草時圍欄內(nèi)應隨之除草，大田松土時圍欄內(nèi)也應隨之松土，確保圍欄內(nèi)外土壤結(jié)構變化同步。

3 減小人工墑情監(jiān)測誤差的方法

人工墑情監(jiān)測是直接測量土壤水分的方法[6]，誤差主要體現(xiàn)在儀器設備、操作方法、計算取舍 3 個方面。

3.1 儀器設備配置方面

人工墑情監(jiān)測使用的儀器設備主要有天平、烘干箱、取土鉆、鋁盒、干燥器等，應在全省水文部門統(tǒng)一技術標準、采購條件下進行，避免各站儀器設備參差不齊。

電子天平要求使用感量為 0.01 g，最大量程為3000g 的電子天平，并配置校正砝碼，便于及時校正天平。烘干箱采用電加熱恒溫干燥箱，工作溫度為 105 ℃，誤差為 ± 1℃。取土鉆外表應有刻度，便于控制取樣深度。為盡量減小土壤含水量深度差異，取土管內(nèi)徑一般不小于 30 mm，確保在土柱高度較小情況下取得規(guī)范要求的土壤質(zhì)量。

3.2 操作方法方面

人工墑情監(jiān)測應在有代表性的大田中固定一個取樣區(qū)域，采用取土鉆鉆取土柱，以減少對取樣區(qū)域土壤結(jié)構和作物的破壞，土柱中心對應監(jiān)測深度，在保證取土量的同時盡量減小土柱高度，相當于點對點取樣，土柱代表性好，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度較高。

鋁盒稱量采用電子天平，每次稱量要進行校正。烘干應嚴格按照規(guī)范要求的溫度和時間進行，一般情況下，沙土烘干 6 h，壤土烘干 7 h，粘土烘干 8 h。烘干結(jié)束將鋁盒放入干燥器中冷卻至常溫時稱重，也可直接在烘箱中冷卻（烘箱斷電暫不開門）至常溫后再稱量[7]。

3.3 計算數(shù)據(jù)取舍方面

規(guī)范要求同一監(jiān)測深度的 3 次土壤質(zhì)量含水量數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差值應 ≤ 1.5%[8]。計算時要對同一深度 3 個數(shù)據(jù)進行判斷和取舍，如最大最小值之差 ＞1.5%，用最大和最小數(shù)據(jù)分別與中間數(shù)比較，舍去偏差較大的；如剩余 2 個數(shù)據(jù)之差≤ 1.5%，可以直接計算；如剩余 2 個數(shù)據(jù)之差還 ＞1.5%，應重新取樣補測，不可無判斷取舍步驟直接進行算數(shù)平均計算。

4 自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)修正方法

遼寧省人工墑情監(jiān)測站每年自 3 月 21 日到 9 月21 日，每月逢 1，11，21 日 8 時在大田進行人工墑情監(jiān)測，干旱時期每月逢 6，16，26 日進行加測。自動墑情監(jiān)測站每整點進行一次自動監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動發(fā)送到省級信息接收平臺。當人工墑情監(jiān)測在儀器設備、監(jiān)測方法及數(shù)據(jù)取舍等方面均符合規(guī)范要求，自動墑情監(jiān)測站圍欄內(nèi)環(huán)境與大田環(huán)境一致，即人工和自動墑情監(jiān)測站的墑情數(shù)據(jù)均準確可靠時，可將監(jiān)測日 8 時的人工墑情數(shù)據(jù)，與同一時間墑情信息接收平臺接收到的同一站點自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)列入電子表格，生成各監(jiān)測深度的含水量過程線并進行對比分析，得到自動監(jiān)測儀器各深度的系統(tǒng)偏差，對自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)進行修正。

草河站人工和自動墑情站的監(jiān)測環(huán)境均符合要求，有一定的代表性，具備對比分析的條件。草河站 10 cm 數(shù)據(jù)統(tǒng)計表如表 1 所示。

表 1 中使用的監(jiān)測儀器直接顯示體積含水量，通過干密度換算成質(zhì)量含水量，6 月 1 日后與人工墑情監(jiān)測進行對比分析，發(fā)現(xiàn) 2016 年 3 月 21 日到6 月 1 日，10 cm 深度自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)趨勢一致，自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)偏小，系統(tǒng)偏差大約為 9%。在下一個人工墑情監(jiān)測日 6 月11 日之前，在數(shù)據(jù)接收平臺加入修正值 9% 進行修正，6 月 11 日到 9 月 21 日自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)吻合度較高，誤差符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)在 6 月 1 日前和修正后的過程線如圖 1 所示，自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)修正后可直接用于旱情分析。

表 1 草河站 10 cm 人工墑情與自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖 1 草河站 10 cm 人工與自動墑情監(jiān)測過程線圖（修正時間為 6 月 2—10 日）

對于自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)關聯(lián)性較差的測站，可能是監(jiān)測儀器本身精度較低，或者自動墑情監(jiān)測站與人工墑情監(jiān)測地點土壤質(zhì)地差異較大，可采用更換監(jiān)測儀器或遷移自動墑情監(jiān)測站的方法解決，直到兩者數(shù)據(jù)關聯(lián)性良好為止。

修正方法有以下 2 種：1）對于可遠程修改監(jiān)測儀器參數(shù)的自動墑情監(jiān)測站，將監(jiān)測儀器率定公式常數(shù)項按照偏差大小進行修正；2）對于不能遠程修改監(jiān)測儀器參數(shù)的自動墑情監(jiān)測站，在數(shù)據(jù)接收平臺上增加修正系數(shù)選項，按照偏差大小輸入修正值。

注意系統(tǒng)偏差會隨著溫度、時間等要素的變化而改變，應安排專人定期監(jiān)控自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)的偏差，及時調(diào)整修正值，確保自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)的誤差符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過草河站人工墑情和自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)可以看出，修正數(shù)據(jù)的前提條件是人工墑情監(jiān)測和自動墑情監(jiān)測站環(huán)境都要符合要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確且可靠，有明顯系統(tǒng)偏差，修正后才有效果。因此，人工墑情監(jiān)測要有統(tǒng)一的儀器設備、操作步驟和數(shù)據(jù)取舍方法，自動墑情監(jiān)測站要在建設時和后期管理上有明確的要求，確保監(jiān)測環(huán)境與實際耕作的大田同步變化。對于人工與自動均符合要求但無明顯系統(tǒng)偏差的站點，要分析監(jiān)測環(huán)境土質(zhì)差異和自動墑情監(jiān)測儀器質(zhì)量問題，可采用遷站或更換設備的方法解決。

特定的專業(yè)人員在環(huán)境一致的實驗條件下進行對比分析，只能解決監(jiān)測儀器本身精度問題，在實際生產(chǎn)中不具備代表性。將自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)與水文站日常監(jiān)測的人工墑情數(shù)據(jù)進行對比分析，可從根本上解決自動墑情監(jiān)測站數(shù)據(jù)準確度問題，既提高基層測站人工墑情監(jiān)測的技術水平，也為今后自動墑情監(jiān)測站的建設和管理提供依據(jù)。