新疆土壤水分自動與人工觀測資料對比分析

劉靜　楊華

摘 要 運用對比差值、差值概率、相關分析、箱式圖分析等方法對新疆4個農氣觀測一級站固定地段DZN2 型土壤水分自動監測與人工平行對比觀測的土壤濕度資料進行了對比分析。結果表明，自動與人工觀測數據在40～50 cm土層一致性最好；春季差值波動較大，夏秋季波動相對較小；地形較復雜的地段，人工觀測數據波動較大；淺土層相關性要好于深土層；自動觀測由于儀器調整不當會造成非常大的誤差；自動傳感器采集的土壤水分數據雖然有一定的偏差，但基本符合實際情況和土壤水分變化規律。

關鍵詞 土壤水分；自動觀測；人工觀測；對比分析

中圖分類號：P414.8 文獻標志碼：A 文章編號：1673-890X（2015）09-192-02

土壤水分含量及其變化規律的監測是農業氣象生態環境及水文環境監測的基礎性工作之一，掌握土壤水分變化規律，對農業灌溉、土壤墑情與農業干旱的監測預測及相關理論研究具有重要意義[1]。本文運用對比差值、差值概率、相關分析、箱式圖分析等方法對新疆4個農業氣象試驗站固定地段DZN2 型土壤水分自動監測與人工平行對比觀測的土壤濕度資料進行了統計和一致性分析，旨在為土壤水分自動站的監測能力、發揮資料應用價值與服務效益提供客觀依據[2]。

1 資料與方法

文章選取了全疆僅有的4個固定觀測站作為研究對象，自動觀測資料為地表至50 cm（或為地表至100 cm）處每10 cm一個層次。人工觀測資料為同期進行的濕度觀測數據，觀測地段屬非灌溉自然狀態下的同一地塊。

人工對比觀測方法為每旬逢8日（即每月的8日、18日、28日），定期進行人工取土，如遇降水大時則取土延遲至第2 d進行。測定方法采用中國氣象局《農業氣象觀測規范》規定的烘干稱質量法，利用公式計算土壤重量含水率。其中w為土壤質量含水率/%；g1：盒質量/g；g2：盒與濕土總質量/g；g3：盒與干土總質量/g。

自動土壤水分傳感器直接測得的數據是土壤體積含水量，以土壤體積含水量與土壤容重的比值換算成土壤質量含水率。

分析方法采用對比差值、差值概率、相關統計法和箱式圖分析，用于分析人工與自動站差值的平均、極大、極小分布，以及差值在不同數據段出現的概率、兩種數據的相關等。

2 數據分析

2.1 自動與人工觀測土壤水分對比分析

牧試站位于山區，地形相對復雜，因此人為取土時產生了一定的誤差，造成了人工觀測數據波動較大，而自動數據則相對平緩。烏蘭烏蘇、莎車、東坎3站均處于平原地區，人工觀測取土比較容易，誤差相對較小。

烏蘭烏蘇站自動觀測數據以7月18日為分界點，之前所有的數據明顯比之后所有的數據均大了1倍左右，但是人工數據則所有的數據均比較平穩，沒有大幅度的變化。表明自動觀測由于儀器調整不當會造成非常大的誤差。

2.2 差值統計描述

莎車站自動站數據小于人工站，其他三站基本上是自動站數據大于人工站。從4站的合計看，40 cm差值均值最小，牧試站由于是山區站，可能是因為局地地形對土壤濕度的影響較大，所以差值均值相對其他3站偏大。從差值均值、標準差、一致率上看，40～50 cm表現最好。

2.3 差值分析

對自動站與人工站土壤水分數據進行差值分析，發現各土層的差值表現不同。

牧試站10～20 cm差值自動站明顯大于人工站，波動也很大，這可能是由于牧試站是山區站，而山區的水分分布有很強的局地性造成的。其余3個平原站則明顯平穩很多。40～50 cm差值變化均相對較小。60～100 cm差值波動呈現相似的趨勢。從時間上看，春季波動相對較大，夏秋季波動則相對較小。

由4站自動與人工觀測數據（體積含水量）的差值在不同數據段出現的概率分布來看，東坎站差值最小，0～50 cm差值均在5%以內；其次是莎車站，10、40～60、100 cm差值均在5%以內，20 cm相對較小，差值在5%以內的概率為75%；差值最大的是牧試站，20、30 cm差值在5%以內的概率分別為45%和50%，差值在10%以內的概率均為90%。

從土層深度來看，10、40、100 cm土層差值較小，差值在5%以內的概率均在90%以上，其次是50 cm，差值在5%以內的概率為88.75%；差值最大的是80cm，在5%以內的概率為70%。

從各站極值來看，莎車和東坎數據沒有出現在極值中，極值均是由烏蘭烏蘇和牧試站兩站產生的。在極大差值中最大的差值是烏蘭烏蘇60 cm土層，為17.6；在極小差值中最小的差值是牧試站10 cm土層，為-12.2。

從各土層極值來看，40 cm土層極大值范圍最窄，在0～6之間；80 cm土層極小值范圍最窄，在-5～-2之間。

2.4 概率分析

從各土層差值出現的概率看，各層次差值范圍比較大，在-13.3～17.6之間。差值中心雖然在0.0附近，但分布比較分散，差值在-1～1之間的概率僅為34%，在-2～2之間的概率僅為58%。其中0～50 cm各層差值相對集中，尤其是40 cm和50 cm在-2～2之間的概率分別為75%和70%，而60、80、100 cm差值分布則比較分散，尤其是80 cm在-2～2之間的概率僅為58%。

2.5 相關性分析

對4個站各層次自動與人工觀測的土壤水分數據進行相關分析，結果如表2所示。從表可知，烏蘭烏蘇和莎車站10～50 cm數據顯著相關，尤其是莎車10 cm、烏蘭烏蘇20 cm和40 cm深度數據的相關系數均超過了0.9，相關性非常好。

牧試站與東坎的相關性略差于烏蘭烏蘇和莎車，其中兩站40～50 cm相關性最好，均為顯著相關，其次是20～30 cm，而10 cm數據均沒有相關性。

深層，尤其是80～100 cm，數據顯示相關系數非常小。

2.6 箱式圖分析

對4站人工與自動數據差值用箱式圖進行表示。由圖可知，莎車與東坎的變異程度較小，烏蘭烏蘇和牧試站變異程度較大，其中最大的是牧試站。

從土層深度來看，0～50 cm土層的變異程度要小于60～100 cm土層。其中30～50 cm土層深度變異度最小。

從異常值分布來看，牧試站共有7個異常值，其中有5個均產生在4月18日，占異常值的70%以上；莎車站也有7個異常值，其中有5個均產生在7月28日，占異常值的70%以上。這兩個站70%以上的異常值都是產生在一次取土過程中，而其他時間的測定數據則沒有這么明顯的變異，表明人工觀測過程中，由于人為的操作不規范會對數據產生一定的誤差。

另外，從烏蘭烏蘇站異常值的分布看，該站共有12個異常值，其中11個均產生在5月28日到7月18日，占異常值總數的90%以上，表明季節也是產生誤差的一個原因。

3 結論

通過分析，得出自動與人工土壤水分觀測結果還是存在一定的差異，這些差異有的可以盡可能的避免，有的則是無法避免的。產生差異的原因可能是以下幾點：一是自動站與人工站雖然地處同一觀測地段，但布點位置還是有一些距離，而土壤水分分布具有很強的局地性，因此造成了局地差異；二是人工操作過程中出現的不可避免的誤差；三是自動監測站儀器存在的系統偏差造成的差異。以上這3種情況造成的誤差都是不可避免的。另外，還有一種是由于自動觀測儀器調整不當造成的非常大的誤差，這就要求技術人員在儀器的操作、維護過程中要按照要求操作，在一定范圍內保證儀器觀測的準確性。

參考文獻

[1]周清，朱保美.DZN1型自動站與人工測定土壤濕度對比分析[J].中國農學通報，2013，29（6）：108-112.

[2]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.

（責任編輯：趙中正）