撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局與應(yīng)用

趙超+李炳昆++米雷++吳佳麗++趙剛++喬延艷++范存飛++張鵬++肇振國++殷宇飛++寧大可++鄭國偉++胡玉++張茗郡

摘要 自動土壤水分站是近些年普遍投入使用的測量土壤各參數(shù)的精密氣象儀器。介紹了撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局，從土壤水分傳感器工作原理、儀器標(biāo)定與數(shù)據(jù)訂正、野外實(shí)地標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)合方法等方面介紹了自動土壤水分站的應(yīng)用情況，以期為氣象部門提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

關(guān)鍵詞 土壤水分站；儀器標(biāo)定；布局；應(yīng)用；遼寧撫順

中圖分類號 S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）20-0178-02

農(nóng)業(yè)氣象及環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作之一是土壤水分監(jiān)測，即測定土壤水分存量及其動態(tài)變化。掌握土壤水分變化情況可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有利于干旱的預(yù)測，并對相關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和理論研究提供幫助。通過自動土壤水分站與人工測墑數(shù)值進(jìn)行比對后，正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。通過全市范圍內(nèi)的合理布局，可以實(shí)時監(jiān)測本區(qū)域內(nèi)的土壤水分變化，進(jìn)而為氣象部門提供更好的氣象為農(nóng)服務(wù)提供理論依據(jù)。

1 撫順地區(qū)自動土壤水分站的布局

撫順地處遼寧東部山區(qū)，歷年來每逢2月28日至5月28日監(jiān)測土壤水分情況，各地采取人工測墑的方式其測量深度有所差異。自2010年秋季以來，全省開始購置自動土壤水分站分區(qū)域安裝，其中撫順地區(qū)分配2臺儀器，分別在撫順縣石文鎮(zhèn)和新賓縣紅升鄉(xiāng)。安裝之后運(yùn)行穩(wěn)定，每分鐘都會采集10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。但是第一批設(shè)備的傳感器是針始傳感器，需要挖表面積2 m2、深度1 m的深坑，將各層的測量探針排序插入土中，將土掩埋后再進(jìn)行人工對比觀測6個月，最終投入使用。2011—2016年6年中，2套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)可靠，為農(nóng)事生產(chǎn)提供各方面的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

撫順縣石文鎮(zhèn)和新賓縣紅升鄉(xiāng)分別在撫順西南部和撫順東部，土壤水分監(jiān)測不能完全覆蓋整個城市，2016年底撫順市氣象局購置4套新型自動土壤水分站，分別建在撫順縣后安鎮(zhèn)、新賓縣永陵鎮(zhèn)、清原縣清原鎮(zhèn)和清原縣大孤家鎮(zhèn)，分別地處撫順的南部、東南部、東北部和北部。如此一來，6套自動土壤水分站同時業(yè)務(wù)運(yùn)行，數(shù)據(jù)的使用基本可以代表整個撫順地區(qū)。從表1可以看出，撫順縣、清原滿族自治縣及新賓滿族自治縣播種面積和總產(chǎn)量占撫順地區(qū)總產(chǎn)量很大比重，因而土壤水分站的布局具有地域合理性。

2 自動土壤水分站的應(yīng)用

2.1 土壤水分傳感器工作原理

土壤水分傳感器是基于頻域反射法（frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）工作的。傳感器的構(gòu)成主要包括一個電容，其周圍土壤水分的變化引起電容值發(fā)生相應(yīng)改變，從而使LC振蕩器頻率變化，振蕩回路產(chǎn)生的頻率大小隨土壤介電常數(shù)而改變，通過信號轉(zhuǎn)換和修正處理以后，可以計(jì)算出土壤水分的數(shù)值。

整體的土壤視為由3種物質(zhì)組成，即水、空氣及固態(tài)土，其中，把空氣的介電常數(shù)設(shè)為1；水、固態(tài)土的介電常數(shù)分別為80.4、3.0～7.0。

2.2 自動土壤水分觀測儀標(biāo)定以及數(shù)據(jù)訂正

自動土壤水分觀測儀測定的土壤電導(dǎo)率受到安裝處植被覆蓋度及類型、土壤剖面組織層、土壤類型等的影響，其中，土壤水（或孔隙水）電導(dǎo)率、土壤孔隙的數(shù)量及大小是主要的決定因素[1-2]。由于土壤質(zhì)地、密度各不相同，因而土壤各粒徑含量比例不同，砂粒、粉粒和黏粒中，黏粒含量的多少對土壤的介電特性有一定的作用。對于不同的土壤，由于電導(dǎo)率的影響，特別是土壤的酸堿度影響，不能使用通用的標(biāo)校公式，需要對具體的土壤類型進(jìn)行標(biāo)定及數(shù)據(jù)訂正，以獲得正確的土壤含水量。

主要標(biāo)定儀器及材料：烘箱為（105 ℃）自動控溫烘箱；鋁盒直徑70、100 mm；環(huán)刀體積100 cm3；天平為電子天平，最小感量0.01 g、滿量程500 g，用于測量環(huán)刀土樣；試驗(yàn)容器材質(zhì)為雅克力，厚度5 mm、高度18 cm、直徑30 cm；土篩為200目孔篩；噴壺；試驗(yàn)用水為蒸餾水或純凈水。

2.3 野外實(shí)地標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)合方法

2.3.1 新型標(biāo)定方法主要內(nèi)容。合適尺寸的帶刃口鋼制試驗(yàn)容器用于從田間分層次取回土樣，通過試驗(yàn)獲得烘烤試驗(yàn)容器中大量土樣的時間，使得標(biāo)準(zhǔn)土柱中土壤體積含水量人為控制成5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等，分別測量各傳感器在標(biāo)準(zhǔn)土柱中的頻率，用烘干法獲得標(biāo)準(zhǔn)土柱中實(shí)際土壤體積含水量，在傳感器電信號（歸一化頻率，SF）與土壤體積含水量關(guān)系（SF=A×θVB）基礎(chǔ)上確定人工與儀器觀測數(shù)據(jù)的擬合方程，獲得傳感器電信號（頻率）與土壤體積含水量之間關(guān)系新的參數(shù)。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定方法、人工對比觀測的缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定時因?yàn)槌ネ翗又懈怠㈦s草、礫石等，風(fēng)干（烘干），過孔篩，逐層夯實(shí)濕土樣到試驗(yàn)容器中，得到的土樣其土壤質(zhì)地、容重、土壤孔隙的數(shù)量及大小、土壤的粒徑即砂粒、粉粒和黏粒含量與實(shí)際的土壤環(huán)境不符。采用人工對比觀測時，因受到當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懚鵁o法獲得跨越干濕季、樣本分布均勻、能夠代表當(dāng)?shù)赝寥浪趾糠秶膶Ρ扔^測數(shù)據(jù)。此外，人工對比觀測人員素質(zhì)參差不齊、觀測時間長、取土勞動強(qiáng)度大，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)誤差大[3-4]。

2.3.3 新型標(biāo)定方法優(yōu)點(diǎn)。獲得土樣時保留了原來的土壤質(zhì)地、容重、土壤孔隙的數(shù)量及大小、土壤不同粒徑（砂粒、粉粒和黏粒）含量。保留了野外實(shí)地標(biāo)定在實(shí)際的土壤環(huán)境中進(jìn)行，取得的數(shù)據(jù)能夠更客觀地反映土壤的實(shí)際情況，得到的傳感器標(biāo)定參數(shù)更準(zhǔn)確。避免了野外標(biāo)定方法在野外營造低濕環(huán)境通常需要3個月（特別是在南方地區(qū)，需要的時間會更長）因而不太適合實(shí)際應(yīng)用的缺點(diǎn)。保留了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定可以人為控制土樣含水量區(qū)間，獲得土壤體積含水量分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等的標(biāo)準(zhǔn)土樣的優(yōu)點(diǎn)。如果土壤的均勻性比較好，利用該新型標(biāo)定方法完全可以替代人工對比觀測[5]。

3 結(jié)語

自動土壤水分站從選址安裝到投入使用需要3～5個月的時間，在此期間內(nèi)的各種參數(shù)設(shè)定和計(jì)算也尤為關(guān)鍵，具體步驟可以參詳觀測規(guī)范。各地可根據(jù)自身地理位置合理布局、正確使用，以確保土壤水分站發(fā)揮其最大效能。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 單新蘭，張吉周，李新慶，等.自動土壤水分站資料質(zhì)量控制及其相關(guān)關(guān)系分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：236-237.

[2] 王海英，黃中雄，陽擎.南寧土壤水分站自動監(jiān)測土壤濕度數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2008（1）：78-79.

[3] 郭旭，龍柯吉，趙旋，等.四川地區(qū)自動土壤水分站數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法研究[J].高原山地氣象研究，2017，37（2）：90-95.

[4] 周旭輝，王黎明，王建波，等.FDR自動土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)標(biāo)定問題及解決方法[J].氣象科技，2016，44（4）：535-541.

[5] 王建榮，江雙伍，董得保.自動觀測土壤體積含水量實(shí)時資料自動質(zhì)量控制方法[J].計(jì)算技術(shù)與自動化，2013，32（4）：134-137.endprint