陜西省2016年自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量分析

王雯燕，唐文哲，吳東麗，李曉冬，徐軍昶

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081 )

土壤水分是表征地表土壤干濕程度的物理量，是政府部門進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和作物布局決策的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)也是生態(tài)系統(tǒng)研究、干旱預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)。路興花[1]、王克勤[2]、黃志剛[3]等分別開(kāi)展了土壤水分對(duì)水稻、蘋果、杜仲生長(zhǎng)的影響研究；王春娟等[4]分析了寶雞地區(qū)農(nóng)田土壤水分周年變化特征及冬小麥干旱指標(biāo)。土壤水分觀測(cè)是氣象部門較早開(kāi)展的業(yè)務(wù)化運(yùn)行項(xiàng)目之一。胡偉等[5]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定江西各站不同土層土壤水分界定質(zhì)量的閾值。吳冬麗等[6]用范圍檢查、時(shí)變檢查和持續(xù)性檢查等方法對(duì)全國(guó)2012、2013、2014年10 cm層的土壤水分進(jìn)行質(zhì)量控制。許偉峰等[7]嘗試通過(guò)分析渭南8個(gè)土壤水分觀測(cè)站的土壤、儀器、環(huán)境誤差，以期得到提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法和建議。準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)是從事科學(xué)研究的基礎(chǔ)，對(duì)自然狀態(tài)下土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施質(zhì)量控制，并對(duì)異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為促進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量提高和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供理論指導(dǎo)。

1 資料和方法

陜西土壤水分觀測(cè)站全部使用河南省氣象科學(xué)研究所與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所共同研制生產(chǎn)的GStar-Ⅰ(DZN2)型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀，主要觀測(cè)地表至100 cm土層深度每隔10 cm的不同層次土壤含水情況，獲取的數(shù)據(jù)有：土壤體積含水量(SWC)、土壤相對(duì)濕度(SRH)、土壤質(zhì)量含水率(SMC)、土壤有效水分貯存量(SWA)等。其中，土壤體積含水量是直接測(cè)量得到，其余三個(gè)數(shù)據(jù)是利用土壤體積含水量計(jì)算反演獲得。測(cè)站布設(shè)位置根據(jù)業(yè)務(wù)需要分為兩種：一是固定地段，安裝在氣象觀測(cè)場(chǎng)，觀測(cè)自然狀態(tài)下地表土壤含水狀況，全省建設(shè)53套；二是作物地段，安裝在農(nóng)業(yè)大田，用于觀測(cè)農(nóng)作物各個(gè)生長(zhǎng)階段的土壤含水量，全省建設(shè)21套。0～30 cm土層是決定地表反照率、輻射、地表植被生長(zhǎng)狀況的關(guān)鍵層次，以2016年陜西省固定地段10～30 cm土壤體積含水量資料為對(duì)象進(jìn)行質(zhì)量控制和分析研究，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境(CIMISS)。

質(zhì)量控制方法依據(jù)土壤濕度變化規(guī)律和不同土壤類型飽和含水量的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)缺測(cè)檢查、范圍(極值)檢查、數(shù)據(jù)時(shí)變檢查、物理常數(shù)檢查和僵尸數(shù)據(jù)檢查等，統(tǒng)計(jì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)存在的問(wèn)題，問(wèn)題數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 問(wèn)題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法及具體標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)缺測(cè)檢查

以h為單位，每站全年記錄數(shù)共8 784 h。對(duì)全省53個(gè)固定地段土壤水分站缺測(cè)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，各站土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)率均小于0.5%，各站缺測(cè)情況如圖1所示。最大為0.33%，為57037站，全年缺測(cè)累計(jì)29 h；最小為0.03%，為57055站，缺測(cè)3 h。缺測(cè)時(shí)長(zhǎng)中，最多的是1 h，占缺測(cè)總時(shí)長(zhǎng)的64.4%；其次為2 h，占比為26%；其余為3 h及以上時(shí)長(zhǎng)缺測(cè)。

圖1 2016年陜西53個(gè)固定地段10～30 cm土壤水分缺測(cè)率/%

分析造成數(shù)據(jù)缺測(cè)的原因，主要有四種情況：一是設(shè)備供電系統(tǒng)故障，斷電造成數(shù)據(jù)缺失；二是采集器故障，如采集器的接線端子松動(dòng)或主機(jī)板故障；三是通訊問(wèn)題，如采集器串口與電腦連線斷開(kāi)，采集器與傳感器聯(lián)系斷開(kāi)，或者電腦與中心站網(wǎng)絡(luò)傳輸故障；四是傳感器故障。其中，通信問(wèn)題是短時(shí)間缺測(cè)主要原因，供電系統(tǒng)故障和設(shè)備傳感器故障是造成較長(zhǎng)時(shí)間缺測(cè)的主要原因。

2.2 范圍(極值)檢查

陜西土壤類型有砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土。以10 cm土壤為例，壤土最多，約占80%；砂質(zhì)土最少，只有三站。不同類型土壤的體積含水量不同，其中砂質(zhì)土含水量最低；黏質(zhì)土含水量最高，飽和含水量為51%～55%。以土壤體積含水量≤0或>55%作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)2016年土壤水分小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行范圍(極值)檢查，共檢出數(shù)據(jù)為0的異常記錄131 h，詳情見(jiàn)表2，沒(méi)有檢出<0或>55%的記錄。

由表2可知，57032站10 cm層、53950站30 cm層數(shù)據(jù)為0的記錄持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，均為26 h；其次是57034站30 cm層，有23 h。出現(xiàn)這種情況主要是由該層傳感器發(fā)生故障，或連接線松動(dòng)、脫落造成。也有三層土壤體積含水量數(shù)據(jù)同時(shí)為0的情況，如57128等3站，這是由于傳感器更換后繼續(xù)沿用原來(lái)的標(biāo)定參數(shù)，沒(méi)有及時(shí)導(dǎo)入原配置文件或重新標(biāo)定該參數(shù)導(dǎo)致。

2.3 數(shù)據(jù)時(shí)變檢查

自然狀態(tài)下土壤含水量具有連續(xù)性的變化特征，數(shù)據(jù)時(shí)變檢查就是根據(jù)事物發(fā)展規(guī)律，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的趨勢(shì)和一致性對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行研判的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。影響土壤含水量變化的主要天氣過(guò)程有降雨和干旱，不同量級(jí)的降水對(duì)土壤含水量影響不同，持續(xù)性強(qiáng)降水會(huì)造成土壤表層水分?jǐn)?shù)據(jù)增大，但變化規(guī)律較難把握，因此，時(shí)變檢查以觀測(cè)較為平穩(wěn)的突降序列作為量化指標(biāo)，規(guī)定體積含水量小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)突降20%作為檢測(cè)異常記錄的標(biāo)準(zhǔn)。2016年10、20、30 cm土層檢出異常記錄分別為41、22、26 h，小時(shí)突降率最大值出現(xiàn)在20 cm層。

表2 2016年陜西固定地段10～30 cm土壤體積含水量為0的臺(tái)站和發(fā)生時(shí)間

突降通常是由于傳感器防護(hù)管周圍的土壤發(fā)生龜裂或下陷，導(dǎo)致傳感器防護(hù)管與土壤之間產(chǎn)生縫隙，縫隙的大小、深度和長(zhǎng)度的發(fā)展影響著不同土層觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化。異常記錄中，單層突降10 cm層檢出率最高，這是由于10 cm層靠近地表，受天氣影響較大，故而檢出時(shí)次較多。任意兩相鄰?fù)翆油瑫r(shí)檢出異常記錄10 h，占比22.5%，多為更換故障傳感器引起。10～30 cm層同時(shí)檢出異常9 h，占比30%。其中，53725站7月25日02時(shí)，3個(gè)土層小時(shí)突降率均較大，分別為75%、70%、73%，說(shuō)明觀測(cè)設(shè)備和土壤裂隙自表層開(kāi)始，裂隙向下延伸，影響至更深土層觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.4 物理常數(shù)檢查

土壤的物理變化包括土壤結(jié)構(gòu)、容重、水分狀況等物理性質(zhì)的變化[8]，凋萎濕度和容重是反映土壤性質(zhì)的重要物理常數(shù)，利用這兩個(gè)典型常數(shù)計(jì)算值作為物理檢查的標(biāo)準(zhǔn)，即

物理常數(shù)=凋萎濕度×容重/2。

(1)

土壤體積含水量小于物理常數(shù)即定義為異常。物理常數(shù)檢查結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，53站中共有17站檢出異常。其中，單層異常的臺(tái)站最多，也有臺(tái)站出現(xiàn)兩層甚至三層異常。如57030、57143、53735等三站，不但三層全部檢出異常，并且異常記錄較多，53735站異常記錄累計(jì)達(dá)到11 348 h，57143站為8 630 h。各層中，10 cm層有11站記錄異常，20 cm層有8站，30 cm層有6站，異常站點(diǎn)數(shù)隨著土層加深而減少。

2.5 僵尸數(shù)據(jù)檢查

土壤體積含水量監(jiān)測(cè)值連續(xù)5 d沒(méi)有發(fā)生變化稱之為僵尸數(shù)據(jù)，2016年數(shù)據(jù)質(zhì)量控制沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)題。

表3 2016年陜西固定地段物理常數(shù)檢查異常臺(tái)站0～30 cm異常記錄累計(jì)時(shí)間 h

3 結(jié)論與討論

(1)2016年土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)全年缺測(cè)率均小于0.5%，最大為0.33%，最小為0.04%；1 h缺測(cè)時(shí)長(zhǎng)最多，占比為64.4%。通信問(wèn)題是短時(shí)缺測(cè)主要原因，供電系統(tǒng)或設(shè)備傳感器故障是造成較長(zhǎng)時(shí)間缺測(cè)的主要原因。

(2)范圍(極值)檢查檢出土壤體積含水量為0的異常記錄131 h，主要由傳感器故障，或連接線松動(dòng)、脫落造成。沒(méi)有檢出土壤體積含水量小于0或大于55%的記錄。

(3)數(shù)據(jù)時(shí)變檢查10、20、30 cm土層，分別檢出異常記錄41、22、26 h，其中，10 cm土層檢出率最高；突變主要是由于傳感器防護(hù)管周圍土壤發(fā)生龜裂或下陷。

(4)物理常數(shù)檢查有17站出現(xiàn)一層或多層數(shù)據(jù)異常； 53735等站三個(gè)土層全部異常，且異常記錄較多；異常站點(diǎn)隨土層加深而減少。僵尸數(shù)據(jù)檢查未發(fā)現(xiàn)異常。

(5)所用質(zhì)控方法中，數(shù)據(jù)缺測(cè)、范圍極值、數(shù)據(jù)時(shí)變和僵尸檢查等操作較為簡(jiǎn)單，臺(tái)站實(shí)時(shí)監(jiān)控易于實(shí)施，異常記錄容易得到及時(shí)處理；物理常數(shù)檢查很少使用，但非常重要。近年來(lái)，由于人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響，有些地方的土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能發(fā)生了變化，物理常數(shù)異常的臺(tái)站需要進(jìn)一步加強(qiáng)土壤水分監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合其他數(shù)據(jù)深入分析研究，為地方作物布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。