全國(guó)秸稈產(chǎn)生量抽樣調(diào)查草谷比測(cè)定誤差分析

張恒敢 顧克軍 許博

摘要?基于第二次全國(guó)污染源普查中秸稈產(chǎn)生量抽樣調(diào)查的流程和試驗(yàn)方法，分析了樣品在不同階段的干物質(zhì)質(zhì)量變化和含水率變化情況，以及這些變化對(duì)草谷比計(jì)算誤差的影響，推導(dǎo)出基于調(diào)查流程的草谷比計(jì)算公式，分析了草谷比計(jì)算誤差的來(lái)源，并據(jù)此提出減小誤差的改進(jìn)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)查流程中草谷比測(cè)定誤差影響因素多，來(lái)源復(fù)雜，對(duì)誤差影響較大的是樣品運(yùn)輸儲(chǔ)藏階段和最后的烘干階段。運(yùn)輸儲(chǔ)藏階段可通過(guò)嚴(yán)格的保水措施減小誤差，烘干測(cè)試階段，水稻、小麥的誤差較小，大豆、油菜的誤差較大。根據(jù)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，提出基于干物質(zhì)重量的調(diào)查方法（干物質(zhì)法），通過(guò)增加2次精確的稱量過(guò)程直接計(jì)算出草谷比。這種方法不僅能夠減少誤差，還因?yàn)椴恍枰３秩郑梢越档桶b、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏成本。

關(guān)鍵詞?污染源普查; 草谷比; 干燥模型

中圖分類號(hào)?C81?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2020）14-0048-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.014

Abstract?Based on the process and test method of straw production sampling survey in the second national pollution source survey， the dry matter quality change and moisture content change of straw and grain samples in different stages， as well as the influence of these changes on the calculation error of straw to grain ratio were?analyzed. The calculation formula of straw to grain ratio was derived， and error sources were analyzed， and the error reduction solution was also proposed.There are many factors influencing the error of straw to grain ratio in the investigation process， and the error sources are complex. The most important factors contributing to the error are the sample transportation stage，?storage stage and the final drying stage. In the transportation and storage stage， the error can be reduced by water conservation. In the drying stage， the error for rice and wheat can be ignored， while that of soybean and rape cant be. According to theoretical derivation and the experimental measurement， an investigation method （dry matter method） based on the weight of dry matter was proposed in this paper， which can calculate the straw to grain ratio by adding two accurate weighing operations. This method can not only reduce the error， but also reduce the cost of packaging， transportation and storage，?because of that there is no need to keep full moisture in the flow.

Key words?Polution source survey;Straw to grain ratio;Drying model

2016年10月26日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展第二次全國(guó)污染源普查的通知》，決定于2017年12月31日起開(kāi)展第二次全國(guó)污染源普查[1]。根據(jù)《全國(guó)污染源普查技術(shù)規(guī)定》，秸稈產(chǎn)生量抽樣調(diào)查是第二次全國(guó)污染源普查的內(nèi)容之一。秸稈產(chǎn)生量調(diào)查方法是通過(guò)對(duì)不同作物種類、不同區(qū)域的秸稈草谷比進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合普查和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，測(cè)算農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量[2-3]。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織全國(guó)多地農(nóng)業(yè)行政、生產(chǎn)單位、科研部門進(jìn)行了大規(guī)模的秸稈資源調(diào)查，秸稈產(chǎn)生量抽樣調(diào)查為主要任務(wù)。

這次秸稈產(chǎn)量抽樣調(diào)查有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①地域范圍廣，除上海、天津、寧夏、臺(tái)灣以外的28個(gè)省區(qū)市100多個(gè)縣區(qū)被選定為普查縣區(qū)，每個(gè)縣區(qū)5個(gè)普查區(qū)，每個(gè)普查區(qū)2個(gè)調(diào)查地塊，全國(guó)總計(jì)調(diào)查地塊1 000個(gè)以上。②作物種類多，包括小麥、水稻、花生、油菜、大豆、甘蔗、玉米、棉花、花生、甘薯等主要農(nóng)作物。③質(zhì)量要求高，這次是全國(guó)性的普查，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求高，有嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

因任務(wù)重、工作量大，此次調(diào)查開(kāi)展了全國(guó)范圍的大協(xié)作。根據(jù)調(diào)查項(xiàng)目的需求，聯(lián)合多家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研單位形成協(xié)作組，科學(xué)分配任務(wù)。各縣區(qū)負(fù)責(zé)種植管理、樣品采集、前期處理稱量，由高校和科研單位組成的4個(gè)分區(qū)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)含水率測(cè)定，中心實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)監(jiān)督管理、數(shù)據(jù)匯總和分析。這是一種分布式的調(diào)查模式，實(shí)踐證明這種模式是可行的、有效的。然而，和傳統(tǒng)的集中調(diào)查方式相比，誤差形成也表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，需要研究其誤差形成規(guī)律，以最大限度地減少誤差，提高調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。

4?誤差分析

誤差是草谷比測(cè)定計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值之間的差異。除隨機(jī)誤差外，誤差有采樣誤差、稱量誤差、樣品損失、水分交換等幾個(gè)方面的來(lái)源。此次調(diào)查取樣采用統(tǒng)一的平衡取樣法，根據(jù)取樣目標(biāo)的種植面積加權(quán)取樣。每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)選取5個(gè)村，每個(gè)村選2個(gè)地塊，每個(gè)地塊用五點(diǎn)取樣法取樣，能夠盡量降低取樣誤差。這里僅討論各階段由水分交換造成的誤差。

4.1?樣品制備階段

樣品制備階段，如有些采樣單位在樣品晾干之后就稱量樣品的總質(zhì)量，然后再取樣切碎制作送驗(yàn)樣品，這中間如果因天氣或時(shí)間安排相隔較長(zhǎng)時(shí)間，秸稈樣品暴露在空氣中，秸稈可能會(huì)吸濕，?a0，s和a0，g?不為0，就會(huì)產(chǎn)生誤差。全水分條件下，送驗(yàn)樣品稱重可以忽略，但要求稱量以后迅速包裝密封，防止水分損失。全水分不能保證的情況下，可事先并不稱量全部樣品的質(zhì)量，而是在切碎之后同時(shí)稱量送驗(yàn)樣品和余下樣品的質(zhì)量，全樣品的質(zhì)量由兩部分相加得到。這樣就保證了2次稱量之間含水率一致，使得?a0，s和a0，g?的值都為0。

4.2?運(yùn)輸儲(chǔ)存階段

從送驗(yàn)樣品稱量到實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始烘干稱量這段時(shí)間較長(zhǎng)，如果不采用全水分方法，或者使用網(wǎng)袋、布袋等包裝，則樣品會(huì)和周圍的空氣發(fā)生水分交換，將會(huì)造成測(cè)定結(jié)果誤差。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)秸稈和籽粒樣品在空氣中的吸水規(guī)律研究結(jié)果看，這個(gè)階段的水分交換不能忽略。

這個(gè)誤差是式（12）中的第5項(xiàng)，由此造成的相對(duì)誤差（偏相對(duì)誤差）為

可以看出，當(dāng)秸稈和籽粒樣品的吸水率不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差，其秸稈和籽粒的吸水率相差越大，則誤差越大。樣品過(guò)于干燥，吸水率為正，樣品過(guò)于潮濕，吸水率為負(fù)。有的采樣單位用烘箱把樣品烘很干，這樣反而會(huì)增大誤差。所以，樣品經(jīng)晾曬干燥不至于發(fā)霉即可。

4.3?烘干測(cè)試階段

烘干測(cè)試階段的誤差主要在于烘干后的殘余水分，即式（12）中的第6項(xiàng)。由殘余水分造成的相對(duì)誤差為

此次試驗(yàn)中大量測(cè)定結(jié)果表明，水稻秸稈的干燥速率更快，3 h烘干后殘留含水率接近于0。因此，3 h干燥時(shí)間對(duì)測(cè)定水稻草谷比是足夠的，這可以大幅度減少干燥時(shí)間，提高測(cè)定效率。

然而，對(duì)于大豆來(lái)說(shuō)，其干燥曲線明顯不同。大豆籽粒在105 ℃下烘干3 h，籽粒濕基含水率降為7.6%;烘干6 h，含水率降為6.1%。與水稻籽粒相比，大豆更加難以烘干，如果以與水稻同樣的方法以3 h烘干的數(shù)據(jù)計(jì)算草谷比，誤差較大。

5?誤差控制

5.1?操作控制

嚴(yán)格按照《技術(shù)規(guī)定》執(zhí)行，減少因操作不規(guī)范帶來(lái)的誤差，每個(gè)階段的過(guò)程都要求認(rèn)真仔細(xì)，一絲不茍。采集的樣品要分開(kāi)包裝，防止混雜。運(yùn)輸時(shí)防止掉落，切碎、晾曬時(shí)在下面鋪上塑料布或編織布，減少樣品損失，防止碎石、泥塊混入。脫粒要干凈，去除穎殼、秸稈。關(guān)鍵步驟動(dòng)作要快，盡量縮短時(shí)間，減少水分損失。盡快運(yùn)輸和試驗(yàn)，對(duì)包裝不好的先進(jìn)行水分測(cè)定，測(cè)定后留樣用自封袋重新封裝。

5.2?包裝控制

此次調(diào)查采用全水分方案，保持樣品水分不變是獲得準(zhǔn)確草谷比計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。最好用密封袋包裝，厚度在12絲以上，秸稈要切碎，長(zhǎng)度不要超過(guò)3 cm。切碎樣品可降低采樣誤差，也易于包裝運(yùn)輸。水稻、小麥等秸稈樣品使用1個(gè)13號(hào)密封袋（40 cm×60 cm或45 cm×55 cm，因廠家略有不同）或2個(gè)12號(hào)密封袋（35 cm×45 cm）封裝。籽粒樣品推薦使用10號(hào)密封袋（25 cm×35 cm）封裝，捏緊封口，勿使漏氣。網(wǎng)袋、布袋、編織袋透水透氣，會(huì)造成誤差，杜絕使用。方便袋、垃圾袋質(zhì)量較差，容易破裂，且不好密封，也不能使用。

5.3?稱量控制

保證稱量結(jié)果的準(zhǔn)確性是基本的誤差控制手段。根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》要求，稱量樣品使用臺(tái)秤和天平，因秸稈及容器體積較大，使用臺(tái)秤更方便。臺(tái)秤的測(cè)量范圍為0～10 kg，感量0.005 kg。試驗(yàn)開(kāi)始前按操作規(guī)程校準(zhǔn)，防止稱量帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。秸稈樣品有吸濕性，稱量過(guò)程必須在10～15 s內(nèi)完成，操作臺(tái)與干燥設(shè)備（烘箱）距離不能太遠(yuǎn)。干燥容器建議使用較大較深的托盤（建議規(guī)格50 cm×30 cm×10 cm，用于秸稈樣品）和鋁盒（建議規(guī)格22 mm×13 mm×6 mm，用于籽粒樣品）。大容器不僅能夠容納較多的樣品，減小誤差，還能保證薄層干燥，提高試驗(yàn)效率，節(jié)約用電成本。秸稈樣品要在無(wú)風(fēng)環(huán)境下稱量，干燥后的秸稈容器下墊隔熱墊（如泡沫板），防止臺(tái)秤受熱，影響精度。秸稈稱量讀數(shù)會(huì)有波動(dòng)，有條件的可以使用帶自動(dòng)記錄功能的天平，或外加圖像讀數(shù)設(shè)備，統(tǒng)計(jì)計(jì)算最佳稱量結(jié)果。

5.4?統(tǒng)計(jì)控制

從前面的誤差分析可知，在樣品的運(yùn)輸儲(chǔ)存階段，由于水分交換會(huì)產(chǎn)生誤差，在烘干測(cè)試階段，由于不能烘干到恒重會(huì)產(chǎn)生誤差，對(duì)于不同作物的樣品，2項(xiàng)誤差的大小均可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得的干燥模型計(jì)算出來(lái)，可以用這個(gè)誤差值對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行矯正。調(diào)查實(shí)測(cè)結(jié)果因相關(guān)規(guī)定這里略過(guò)[4]。

5.5?反饋控制

此次調(diào)查不僅采樣區(qū)域范圍廣、作物種類豐富、時(shí)間長(zhǎng)，各參與單位、功能模塊之間通信和協(xié)調(diào)的好壞也在很大程度上影響調(diào)查結(jié)果的準(zhǔn)確性。有些樣品的有效性在其后續(xù)的處理階段才能確定，后一階段的信息需要反饋到前一個(gè)階段以促進(jìn)其作出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)反饋控制。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用不僅能加快數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交換、分析計(jì)算的速度，還能實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)分析處理、實(shí)時(shí)反饋中間結(jié)果，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)、自進(jìn)化。比如，一個(gè)地區(qū)的結(jié)果可以作為另一個(gè)地區(qū)的參考甚至臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)樣，計(jì)算置信區(qū)間。隨著數(shù)據(jù)量的增加，精度會(huì)越來(lái)越高，誤差越來(lái)越小。比如，使用自動(dòng)記錄設(shè)備輸入數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，剔除不合格樣品和試驗(yàn)結(jié)果，及時(shí)重新試驗(yàn)或反饋到采樣部門重采復(fù)測(cè)。比如，應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能技術(shù)，對(duì)采樣樣品的真實(shí)性和有效性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，及時(shí)剔除虛假樣品。

6?討論

全水分法的核心是保持樣品含水率不變，這也是誤差控制的關(guān)鍵。然而，由于全國(guó)性調(diào)查牽涉的地區(qū)、部門多，各地的人員配備、試驗(yàn)條件參差不齊，一些地方對(duì)調(diào)查規(guī)范、方法的宣傳、學(xué)習(xí)、理解不能完全到位，樣品運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)有難以避免的包裝破損等原因，實(shí)際操作過(guò)程中有些樣品不能達(dá)到完全保持水分的要求，從而引入較大誤差，且誤差大小不可知。

根據(jù)前面的推導(dǎo)，如果采用基于干物質(zhì)重量的調(diào)查方法（簡(jiǎn)稱干物質(zhì)法），增加2次精確的稱量過(guò)程：采樣階段精確稱量1次送驗(yàn)樣品，烘干測(cè)試之前再作1次精確稱量，通過(guò)式（13）直接計(jì)算出草谷比。采用這種方法，不僅從送樣到試驗(yàn)之間的不可控誤差變得可以統(tǒng)計(jì)，而且保持水分的要求也不再需要，從而降低包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏的成本。采樣部門的工作量增加不多，只是送驗(yàn)樣品稱量精度增加，檢測(cè)部門多1次全樣品稱量步驟。

建議第三次全國(guó)污染源普查時(shí)把干物質(zhì)法作為一個(gè)選項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)

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