撫順市土壤水分自動站觀測數據差異性檢驗及原因分析

吳佳麗　喬延艷　李若楠

摘要 按照《自動土壤水分觀測規范》的檢驗標準對撫順市3個土壤水分觀測站點的觀測數據差異性進行檢驗，通過檢驗發現撫順市3個站均通過一、二次檢驗后，正式投入業務運行。自動觀測的土壤體積含水量受時段較差、空間距離、氣象自然因素和儀器穩定性影響較大。

關鍵詞 土壤水分自動站；觀測數據；差異檢驗；原因分析；遼寧撫順

中圖分類號 P415.1+2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）03-0203-02

旱澇災害能給農業生產造成嚴重的影響，撫順市雨量充沛，但雨量分布并不十分協調，即使在正常年份，作物生長季內季節性旱澇也經常發生[1]。為做好全市抗旱工作，2010年9月至2011年9月，中國氣象局為撫順市安裝了3套DZN1型自動土壤水分觀測站，分別安裝在撫順縣、新賓縣、清原縣。與傳統的人工土鉆取土、烘干法測定土壤濕度相比，DZN1型自動土壤水分觀測系統遵循的觀測方法、觀測時限均發生了很大的變化，導致測量結果存在一定的差異。因此，對設備投入業務運行的差異性檢驗和形成原因分析是非常必要的。

國內一些相關方面的專家對土壤水分自動站觀測數據的檢驗研究較多[2]。本文選取自動站數據和人工測定土壤濕度對比差異因子，對自動站觀測數值與人工對比觀測的差異性進行檢驗，并對形成的原因進行分析探討。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文資料選取撫順地區新賓、章黨、清原3個土壤水分自動站的6個月內的0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm土層的土壤體積含水量和距離傳感器2～10 m內對應層次的人工土鉆取土、烘干法測定的土壤體積含水量數值。

1.2 研究方法

按照《自動土壤水分觀測規范》[3]（以下簡稱《規范》）中對自動站觀測數值的業務化檢驗標準的評價指標：人工觀測土壤體積含水量值與器測土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對誤差σ≤5%。

式中：xi為儀器土壤體積含水量觀測值（g/cm3）；ai為人工土壤體積含水量觀測值（g/cm3）；N為對比觀測次數；設備田間標定后連續人工對比觀測1個月不少于6次。σ為人工對比觀測土壤體積含水量多次平均值的絕對誤差（g/cm3）。

1.3 自動土壤水分站數據采集原理

儀器利用頻域反射法原理（FDR）來測定土壤體積含水量，它由傳感器發出100 MHz高頻信號，當土壤中的水分變化時，其介電常數相應變化，測量時傳感器給出的電容（壓）值也隨之變化，這種變化量被CPU實時控制的數據采集器所采集[3]，經過線性化和定量化處理，得出土壤水分觀測值，并按一定的格式存儲在采集器中。計算機處理后每1 h形成一個長Z文件，根據土壤水文、物理常數和相關公式計算出土壤相對濕度（%）。

2 結果與分析

2.1 數據差異性檢驗

撫順市3個土壤水分自動站與人工觀測土層體積含水量對比結果見表1，通過對近半年的干、濕季節的交替時間進行對比觀測后發現，撫順地區3個土壤水分自動站觀測土壤體積含水量與人工值基本一致。除新賓縣由于土壤90～100 cm土層土壤質地為砂石土不進行土壤體積含水量測定外，新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層因為儀器校驗和地下水位較高等原因未通過業務化檢驗，其余各土層土壤含水量與人工值比較均控制在5%的差異范圍內，可以投入業務運行。根據不同層次的業務不達標情況，更換了土壤新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層的濕度傳感器，對相應土層的土質進行分析檢查、維護，根據需要進行了為期3～6個月的該層次的二次業務檢驗，在二次檢驗后達到合格標準，均可投入到業務運行（表2）。

2.2 數據差異原因分析

2.2.1 業務化檢驗存在時段較差。自動土壤水分觀測站投入到業務化檢驗，按照《規范》要求，應跨越干、濕兩季進行人工取土觀測對比，第1次對比觀測檢驗主要在6—9月等多雨季節，人工對比觀測時間比較集中在濕季，各土層的平均土壤體積含水量變化幅度較快。人工取土在采樣、整理和傳輸時效方面要1 h左右，自動觀測站數據采集、傳輸可以精確到分鐘，用平均值代替，存在數據采集的時段內雖然大部分單層樣本數據的標準差都偏小，但個別站點標準差平均值仍較大。

2.2.2 儀器布設空間距離差異。自動土壤水分自動觀測站傳感器布設采取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm等多層縱向排列布設（圖1），人工下鉆深度去除土鉆本身帶來的深度誤差，仍存在3～5 cm的取樣誤差。而橫向上，人工取土范圍按照《規范》要求取土鉆孔的位置應分布在傳感器埋設位置四周半徑2～10 m之間的范圍內（圖2），距離內土壤水分分布不均可以導致測量結果存在一定差異。

2.2.3 氣象和自然因素影響。DZN1型自動土壤水分設備受東部山區氣候條件制約，在溫度過高、出現地表結冰、連續降雨和深層土壤凍結時，土壤水分傳感器觀測土壤體積含水量數值變化較緩慢。特別在土壤凍結后，土壤濕度無變化。土壤體積含水量變化受附近水庫、水體和生長季節植物蒸騰作用[4]等自然因素影響，儀器靈敏度較高，與人工觀測產生誤差。深層土壤體積含水易飽和，受土壤含砂質地影響，采集數值變化較小，與人工觀測存在較大差距，也是深層差異較大而需重復對比觀測的原因。

2.2.4 儀器設備穩定性。自動觀測的土壤體積含水量是通過計算而來，儀器指定的觀測數據處理方法對不同層次設定了訂正系數，訂正系數的大小直接影響測量結果和人工值的差異。

3 結論與討論

（1）按照《規范》中的業務化檢驗標準，撫順地區3個土壤水分觀測站點的個別層次均通過一次性檢驗達到標準，而新賓站的70～80 cm、章黨站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土層在更換傳感器、維護土層和設備后通過二次檢驗達到標準。

（2）土壤水分觀測的業務化檢驗受觀測儀器的時間較差和空間距離限制，在進行業務化檢驗的同時應平均分配干、濕季節的時間段，在對比觀測的空間距離上應控制在2 m左右較好。

（3）儀器設備受東部山區氣候條件制約較大，自然地大型水體、生長季節作物蒸騰作用均能影響土壤體積含水量的變化數值。

（4）儀器設備受訂正系數影響直接影響測量結果，廠家應在訂正系數方面進一步細化。

4 參考文獻

[1] 張昱，李亮，吳春英，等.撫順市旱澇演變規律及其對農業的影響和對策[J].江蘇農業科學，2013，41（增刊1）：194-195.

[2] 魯韋坤，李湘，朱斌.云南土壤水分自動站觀測值的業務化檢驗及其標準[J].氣象科技，2015（43）：202-206.

[3] 中國氣象局綜合觀測司.自動土壤水分觀測規范（試行）[S/OL].[2012-04-17].http：//wenku.baidu.com/link？url=LNuU0gsRwLwhaG2yY s6iI5TvewHcM-gaC0OlTQAlDM7eYCxvJw-CP6q0B5sXaR5B-BS4u86g MNto6HxLhz8rBVueMnCmHoopsbpoHmDVTYy.

[4] 朱清，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）：108-110.