自動站土壤水分資料與人工觀測土壤水分資料的對比分析

摘要 以定西農(nóng)試站為例，對其自動站觀測土壤水分資料和人工觀測的土壤水分資料進(jìn)行對比分析。分析發(fā)現(xiàn)：從春季解凍開始，各層土壤水分各要素數(shù)值隨著時間開始增大，在汛期前后達(dá)到最大值，汛期過后，由于降水減少和植被覆蓋率降低，各要素的數(shù)值均隨著時間有波動減弱的趨勢。總體而言，人工觀測土壤水分資料的各要素值比自動觀測的要素值偏大，可能是由于人工觀測的地段有植被覆蓋，本身蓄水能力比自動觀測站所在的地段強(qiáng)，并且有作物種植，有額外的灌溉，這也是造成人工觀測土壤水分比自動觀測土壤水分資料數(shù)值偏大的主要原因之一。

關(guān)鍵詞 土壤水分觀測；相對濕度；重量含水率；有效水分貯存量

中圖分類號：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）02–0019-03

土壤水分對農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，植物生長在土壤中，時刻需要土壤水分的供給。因此，了解土壤水分的意義及其測定方法非常必要。土壤水分含量的多少影響著植物對土壤養(yǎng)分的吸收。對人工與自動土壤水分觀測資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，不斷總結(jié)經(jīng)驗，以便進(jìn)一步提高土壤水分測定的準(zhǔn)確性。水分是天然土壤的一個重要組成部分，是構(gòu)成土壤肥力的一個重要因素，而且其本身是一切植物賴以生存的基本條件[1]。

保持在土壤孔隙中的水分，又稱土壤濕度。通常是將土樣放在電烘箱內(nèi)烘干（溫度控制在105～110 ℃之間）后，能從土壤孔隙中釋放的水量作為土壤含水量。土壤水分并非純水，而是稀薄溶液，含有膠體顆粒。土壤水分主要來源大氣降水和灌溉水，此外，尚有近地面水汽的凝結(jié)、地下水位上升及土壤礦物質(zhì)中的水分。土壤水分依其物理形態(tài)可分為固態(tài)、氣態(tài)及液態(tài)3種。固態(tài)水僅在低溫凍結(jié)時才存在，氣態(tài)水常存在于土壤孔隙中，液態(tài)水存在于土粒比面和粒間孔隙中[2]。在一定條件下，三者可以相互轉(zhuǎn)化，以液態(tài)土壤水分?jǐn)?shù)量較多。土壤水分是植物耗水的主要直接來源，對植物的生理活動有重大影響。土壤水分的測定方法除烘干法外，還有電阻、熱擴(kuò)散、負(fù)壓計、電容、諧振電容、γ射線衰減、β射線衰減、中子擴(kuò)散、壓力膜等方法。

目前，甘肅省有67個自動觀測土壤水分的站點，土壤水分是由土壤水分采集器采集處理后自動上傳，自動土壤水分觀測儀可以方便、快速地觀測同一地點不同層次的土壤水分，能獲取具有代表性、準(zhǔn)確性、可比性的土壤水分連續(xù)觀測資料，減輕人工觀測勞動量。但在此過程中，難免會存在因為儀器故障或誤操作導(dǎo)致的錯誤。而人工觀測靠觀測員逐項進(jìn)行，觀測時間跨度較大，由于近地面氣象要素隨時間而發(fā)生變化，人工觀測和自動觀測時間上的不同步導(dǎo)致2種觀測結(jié)果出現(xiàn)差異，而這種差異隨氣象要素的時間變化速率和變化幅度大小而有所不同[3]。一般而言，氣象要素隨時間的變率越大，則自動站與人工觀測數(shù)據(jù)間的差異越大。通過對定西農(nóng)試站土壤水分的自動觀測和人工觀測資料進(jìn)行對比分析，得出自動觀測與人工觀測土壤水分資料之間主要存在的差異及其成因，旨在為自動站土壤水分資料在業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用提供建議，以提高土壤水分自動觀測設(shè)備在氣象領(lǐng)域的可用性。

1 資料和方法

采用定西（站號W4180）2011年12月1日00：00（國際時）至2012年11月30日23：00（國際時）的小時自動站土壤水分資料，隨機(jī)選取定西農(nóng)試站烘干稱重法測得的2012年全年逢8人工觀測土壤水分資料［烘干稱重法：用于測定除石膏性土壤和有機(jī)土（含有機(jī)質(zhì)20％以上的土壤）以外的各類土壤的水分含量，土壤樣品在105±2 ℃烘至恒重時的失重，即為土壤樣品所含水分的質(zhì)量］。

主要就農(nóng)試站2012年土壤水分自動站資料變化趨勢進(jìn)行了分析，將相應(yīng)站點的小時自動觀測土壤水分資料處理成與人工觀測時次一致的資料，并進(jìn)行對比分析，同時分析了自動土壤水分資料和人工土壤水分資料的相關(guān)性。由于淺層土壤的水分對大氣的影響是造成天氣現(xiàn)象的重要原因之一，還有研究表明，土壤濕度在氣候變化過程中的作用僅次于海表溫度，它對于區(qū)域氣候模擬結(jié)果有著重要的影響，因此，對淺層土壤的各要素，重量含水率（指土壤中水分的重量與相應(yīng)固相物質(zhì)重量的比值）、相對濕度（指在特定溫度下的水汽分壓和飽和水汽壓之比）和有效水分貯存量（單位面積的水層的厚度，即土壤水分總貯存量除去凋萎濕度所占的無效水）重點進(jìn)行了分析[4]。

2 自動站土壤水分與人工觀測土壤水分的變化趨勢

圖1為2012年定西農(nóng)試站人工觀測和自動觀測土壤水分的土壤重量含水率、土壤相對濕度、土壤有效水分貯存量在土壤不同深度隨時間的變化情況。可以看出，不論是人工觀測還是自動觀測，土壤的重量含水率隨時間的波動情況是隨著土壤深度的加深而趨于平緩的，而且其數(shù)值是隨著深度增大的。即10 cm土層的重量含水率隨著時間的變化波動最為明顯，而且其數(shù)值相對于20和30 cm土層也是最小的。相對濕度在各層隨時間的變化比重量含水率的變化要平緩一些，并且相對濕度的數(shù)值在20 cm的淺層是最小的，而在30 cm的淺層是最大的[5]。

就有效水分貯存量而言，人工觀測的部分和自動觀測的部分同樣表明，10和20 cm土層的有效水分貯存量隨時間的變化不是很明顯，而30 cm的有效水分貯存量隨時間的變化而波動非常明顯。綜合來看，定西人工和自動觀測土壤水分各要素在各層次的數(shù)值在7月之前都是隨著時間波動上升的，并且10 cm的土壤質(zhì)量含水率和土壤相對濕度在6月28日左右出現(xiàn)了一個峰值。在9月之后各要素在各層次的數(shù)值都又隨時間波動減小，分析其主要原因可能是汛期降水增多，并且地表植被的覆蓋較多，而汛期之后降水減少并且植被覆蓋減少。

左側(cè)三幅依次為定西人工觀測各層次重量含水率隨時間的變化、定西人工觀測各層次相對濕度隨時間的變化，以及定西人工觀測各層次有效水分貯存量隨時間的變化；右側(cè)三幅依次為定西自動觀測各層次重量含水率隨時間的變化、定西自動觀測各層次相對濕度隨時間的變化、定西自動觀測各層次有效水分貯存量隨時間的變化。

此外，根據(jù)對定西土壤淺層各層（10、20和30 cm）各要素的人工觀測和自動觀測數(shù)值進(jìn)行對比可知，在土壤解凍的初期（4月之前），人工觀測要素和自動觀測各要素在各層次的數(shù)值差距較大，隨著時間的向后推移其差距逐漸減小，并且人工觀測的數(shù)值總體較自動觀測的數(shù)值較高。但就變化趨勢來看，人工觀測的各層各要素與自動觀測各層各要素的變化趨勢基本一致，只是變化幅度有所不同[6-8]。

3 自動站與人工觀測土壤水分的關(guān)系

將自動觀測土壤水分資料的各層各要素與人工觀測土壤水分資料的相關(guān)性進(jìn)行分析，其中縱坐標(biāo)為相關(guān)性系數(shù)（圖2）。

自動觀測土壤水分資料與人工觀測土壤水分資料的相關(guān)系數(shù)為0.82，其中，淺層相關(guān)系數(shù)為0.942，深層相關(guān)系數(shù)為0.784。就各要素而言，土壤相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.957，其在淺層的相關(guān)系數(shù)為0.797，深層的相關(guān)系數(shù)為0.957；土壤重量含水率的相關(guān)系數(shù)為0.954，淺層相關(guān)系數(shù)為0.604，深層相關(guān)系數(shù)為0.939；有效水分貯存量的相關(guān)系數(shù)為0.619，淺層相關(guān)系數(shù)為0.947，深層相關(guān)系數(shù)為0.535?？傮w來說，淺層的相關(guān)性要比深層高，并且定西自動觀測土壤相對濕度與人工觀測數(shù)值相關(guān)性較高。但就淺層來說，土壤重量含水率與土壤相對濕度的自動觀測和人工觀測相關(guān)深層要比淺層明顯得多，有效水分貯存量則是淺層比深層明顯。

4 結(jié)束語

從定西農(nóng)試站3個站的自動站觀測土壤水分資料和人工觀測的土壤水分資料進(jìn)行對比和分析可知，在汛期前后3個地區(qū)的各層（10、20、30 cm）土壤水分要素開始增大，達(dá)到最大值，汛期過后各要素有減弱的趨勢。這與自然環(huán)境的影響密不可分，同時也造成了自動觀測和人工觀測的差異，但總體來說，根據(jù)數(shù)據(jù)的分析和對比，這種差異并不明顯，只是在汛期前后水分含量有明顯的變化，其他變化趨勢均一致。因此，人工觀測和自動站觀測的差距主要體現(xiàn)在汛期前后多雨或少雨的季節(jié)段。

因此，為了確保數(shù)據(jù)的精確性，在選擇土壤濕度自動觀測的場地時應(yīng)注意，所設(shè)置的長期固定的、反映當(dāng)?shù)刈匀幌聣|面、無灌溉狀態(tài)下的土壤濕度觀測地段，地段對所在地區(qū)的自然土壤水分狀況應(yīng)具有代表性，所選地區(qū)盡量選擇在地勢平坦的地塊，山丘地區(qū)應(yīng)避免選取溝底、山頂、斜坡和積水洼地等地塊。在觀測上，因土壤水分自動觀測采用國際時，以國際時20：00為日界。以自動土壤水分觀測儀采集器的內(nèi)部時鐘為觀測時鐘，采集器與計算機(jī)應(yīng)每小時自動對時1次，以保證兩者時鐘同步，確保自動站儀器觀測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。同時，利用定西（站號W4180）基本氣象站的人工、自動土壤水分觀測資料，通過對人工、自動土壤水分觀測方法及資料的對比分析，得出可能影響土壤水分觀測精確度的原因及觀測注意事項，這對提高土壤水分觀測質(zhì)量及土壤水分自動站的推廣和應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡玉峰.自動與人工觀測數(shù)據(jù)的差異[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2004，15（6）：719-726.

[2] 華曉白，陳言照.地溫自動站觀測與人工觀測的數(shù)據(jù)差異分析[J].福建氣象，2007（5）：35-36.

[3] 劉小寧，任芝花，王穎.自動觀測與人工觀測地面溫度的差異及其分析[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2008，19（5）：554-563.

[4] 史曉霞.自動站與人工站觀測數(shù)據(jù)的差異對比分析[J].甘肅農(nóng)業(yè)，2012（11）：48-50.

[5] 胡新華，杜筱玲，全根元.人工與自動土壤水分平行觀測資料對比分析[J].氣象科技，2010，38（2）：239-242.

[6] 張有菊，張曉平，張春，等.濟(jì)陽自動與人工土壤水分觀測數(shù)據(jù)對比分析[J].山東氣象，2012，32（1）：81-83.

[7] 智永明，邵軍，張松明，等.土壤水分自動監(jiān)測與人工測試數(shù)據(jù)對比分析[J].水利信息化，2013（5）：33-39，44.

[8] 成兆金，徐法彬，馬品印，等.農(nóng)業(yè)氣象自動站與人工站觀測值對比分析[J].氣象科技，2008，36（2）：249-252.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Comparison and Analysis of Soil Moisture Data Between Automatic Station and Manual Observation

Wang Yu-di （Gansu Meteorological Equipment Company， Lanzhou， Gansu 730030）

Abstract Took Dingxi Agricultural Test Station as an example，maked a comparative analysis of the soil moisture data observed by its automatic station and manually. It was found that since spring thawing， the values of each element of soil moisture in each layer begin to increase with time and reach the maximum value around the flood season. After the flood season， due to the reduction of precipitation and the reduction of vegetation coverage， the values of each element have a trend of fluctuation and weakening with time. In general， the element values of manually observed soil moisture data were larger than those of automatically observed data. On the one hand， it may be that the manually observed section is covered by vegetation， its own water storage capacity is stronger than that of the section where the automatic observation station is located， and there is crop planting and additional irrigation， which is one of the main reasons why the manually observed soil moisture data is larger than that of automatically observed soil moisture data.

Key words Soil moisture observation; Relative humidity; Moisture content by weight; Effective moisture storage

作者簡介 王煜迪（1991—），女，甘肅蘭州人，助理工程師，主要從事綜合氣象觀測研究。

收稿日期 2022-11-22