土壤水分自動觀測與人工觀測資料對比分析

摘 要：利用索倫氣象站土壤水分的自動觀測與人工觀測資料，分析了自動觀測與人工觀測值之間的差值以及相關系數。結果表明：索倫站土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值存在一定偏差，總體自動觀測高于人工觀測，整體一致性較高，兩者在淺層10 cm土層的平均差值最小，在20 cm土層的相關性最好；在20 cm土層的平均差值最大，40 cm土層的相關性相對最差。自動觀測和人工觀測的偏差受儀器故障等問題影響，隨著降水增多也會出現變化。對比分析了興安盟索倫氣象站自動土壤水分觀測資料及人工觀測土壤水分資料，總結兩者之間存在的差異以及引起差異的可能原因，旨在提高土壤水分自動觀測數據精準性及可用性。

關鍵詞：土壤水分；自動觀測；人工觀測；資料對比分析

中圖分類號：S152.7 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–00-03

土壤水分是植物生長發育的必要條件，對于農業生產中至關重要，氣象部門開展土壤水分的觀測可以準確了解每個區域內的土壤水分狀況，并根據實時獲取到的數據制作各類相關的服務產品，為農業生產提供氣象服務，幫助農民合理調整灌溉計劃，最大程度地提高水資源利用率，避免水分浪費和土壤鹽堿化等問題，實現農業豐產[1]。

目前，興安盟索倫氣象站主要采用自動土壤水分觀測儀完成對土壤水分的觀測，該儀器可在同一個地點快速對不同層次的土壤水分進行連續觀測，由土壤水分采集器采集處理然后自動上傳，相較于人工觀測，其獲取的土壤水分數據具有較高的連續性、代表性、準確性及可比性，且人工觀測勞動強度較低[2]。然而，在自動觀測的過程中，儀器設備故障或不當操作等情況均可導致數據異常或缺測。同時，依靠觀測員開展的人工觀測需要逐項進行，觀測時間跨度大，且會受到近地面氣象要素隨時間變化而變化的影響。因此，人工觀測和自動觀測在時間上會發生不同步，導致觀測結果出現偏差[3]。

1 資料與方法

以索倫觀測站（站號50834）的土壤水分資料為研究對象，觀測資料為地表至40 cm處每10 cm為1個層次，共4個土層的土壤相對濕度，觀測地段為非灌溉自然狀態下的同一地塊。其中自動站土壤水分資料觀測時段為2020年4月1日00：00至2023年7月31日23：00，人工觀測土壤水分資料觀測時段為2017年3月8日至2021年3月8日的00：00，隨機選取出小時自動觀測土壤水分資料與人工觀測時次相一致的資料。采用對比法、相關性分析法等在不考慮其他因素影響的前提下，對比分析自動觀測土壤水分資料與人工觀測土壤水分資料的差值及發生概率，并討論索倫站自動土壤水分資料和人工土壤水分資料的相關性。

2 結果與分析

2.1 土壤水分的自動觀測與人工觀測差值

分析10、20、30和40 cm這4個土層土壤相對濕度的自動觀測值和人工觀測值之間的差值，由表1可以看出，不同的土層存在著不同情況。對于10 cm土層的土壤相對濕度，自動觀測和人工觀測數據的平均差值為1.9%，最大差值為8.1%，出現在2020年5月8日，最小差值為0，2020年6月4日00：00時的自動觀測與人工觀測值一致；20 cm土層的土壤相對濕度，自動觀測和人工觀測數據的平均差值為12.8%，最大差值為15.5%，出現在2020年6月4日，最小差值為9.7%，出現在2020年4月23日；對于30 cm土層的土壤相對濕度，自動觀測和人工觀測數據的平均差值為8.4%，最大差值為10.7%，出現在2020年6月4日，最小差值為4.9%，出現在2020年5月8日；40 cm土層的土壤相對濕度中，自動觀測和人工觀測數據的平均差值為5.7%，最大差值為17.2%，出現在2020年5月8日，最小差值為3.4%，出現在2020年5月3日。

4個土層的土壤相對濕度中，以20 cm土層土壤相對濕度的平均差值最大，其次是30 cm土層，最小的是10 cm土層；而最大差值則以40 cm土層相對濕度的平均差值最大，其次才是20 cm土層，最小的是10 cm土層；最小差值中，以20 cm土層為最大，其次是30 cm土層，最小為10 cm土層。

2.2 土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值的相關性分析

2.2.1 10 cm土層

由圖1可以看出，10 cm土層的土壤相對濕度，自動觀測值總體上高于人工觀測值，但在2020年5月23和28日時出現低于人工觀測值的現象。10 cm土層差值相對較小，其中差值在0%～1.0%的出現概率為66.7%，差值在1.0%～5.0%的概率為11.1%，差值在5.0%～10.0%的概率為22.2%。自動觀測值與人工觀測值的相關系數為0.935 1，通過置信水平0.001的檢驗，表現為顯著相關，其中2020年4月的相關系數幾乎達到1，相關性最高，2020年5月的相關系數也達到0.916 5，相關性均較高。

2.2.2 20 cm土層

根據索倫站20 cm土壤相對濕度的自動與人工觀測值曲線圖（圖2）可以看出，20 cm土層的土壤相對濕度觀測值，自動觀測均高于人工觀測的數值。20 cm土層的2種觀測值差值明顯高于10 cm土層，其中差值在10.0%以下的出現概率為11.1%，差值在10.0%～15.0%的出現概率為77.8%，差值在15.0%以上的出現概率也為11.1%。20 cm土層土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值的相關系數為0.986 4，通過置信水平0.001的檢驗，表現為顯著相關；其中2020年4月的相關系數為1，相關性最高，2020年5月的相關系數也達到0.986 3，相關性均較高。

2.2.3 30 cm土層

由索倫站30 cm土壤相對濕度的自動與人工觀測值曲線圖（圖3）可以看出，30 cm土層的土壤相對濕度觀測值對比與20 cm基本一致，自動觀測也均高于人工觀測。30 cm土層的2種觀測值差值明顯高于20 cm土層，其中差值在5.0%以下的出現概率為11.1%，差值在5.0%～9.0%的出現概率為55.6%，差值在9.0%～13.0%的出現概率也為33.3%。30 cm土層土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值的相關系數為0.981 8，通過置信水平0.001的檢驗，表現為顯著相關；其中2020年4月的相關系數為1，相關性最高，2020年5月的相關系數也達到0.964 5，相關性也較高。

通過索倫站40 cm土壤相對濕度的自動與人工觀測值曲線圖（圖4）可以看出，40 cm土層的土壤相對濕度觀測值的差值與20 cm土層、30 cm土層的土壤相對濕度自動觀測值均高于人工觀測值不同，40 cm土層的土壤相對濕度自動觀測值，9個時段中有8個時段低于人工觀測值，僅在2020年5月8日高于人工觀測值，也是這4組序列中自動與人工觀測差值最大的時段。40 cm土層的2種觀測值差值總體上低于20、30 cm土層，其中差值在4.0%以下的出現概率為44.4%，差值在4.0%～9.0%的出現概率也為44.4%，差值在9.0以上的出現概率為11.1%。40 cm土層土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值的相關系數為0.779 8，通過置信水平0.001的檢驗，表現為顯著相關；其中2020年4月的相關系數為1，相關性最好，2020年5月的相關系數也達到0.758 4，為顯著相關。

索倫站土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測數據相關性較高，其中淺層的相關性高于深層，但對于

10 cm土層來說，土壤相對濕度的自動觀測和人工觀測相關性要小于20 cm淺層。

3 自動與人工觀測數據差異的原因分析

從上述分析可以得出，0～40 cm土層的土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測值的一致性10、40 cm土層均表現得較好，20 cm土層相對較差；但相關性最好的則為20 cm土層，40 cm土層相對最差。在開展土壤水分觀測業務過程中，自動觀測與人工觀測存在一定的差異，究其原因主要有以下幾方面的影響。

（1）自動土壤水分觀測儀由硬件和軟件2部分構成，硬件分為傳感器、采集器和外圍設備，軟件分為采集軟件和業務軟件。自動土壤水分觀測儀器運行過程中，會由于安裝、儀器設備自身損耗、日常維護不到位或操作不當等出現數據異常、缺失等問題。

（2）索倫鎮所處地理緯度較高，屬于降水偏少的地帶，近10年平均年降水量565.4 mm，年平均蒸發量高達1 000 mm，特別是冬春季氣候寒冷干燥。春季氣溫回升土壤解凍之后，地表植被覆蓋率較低，在植被返青覆蓋前，地表水分蒸發遠遠高于水分收入，3月蒸發量可達到降水量的20多倍。進入5月份，氣溫快速升高，月平均氣溫升至13.9 ℃，降水量明顯增多，月平均降水量為43.2 mm，植被覆蓋增大，水分蒸發卻出現顯著的減少。對應的，汛期前后各層土壤水分要素也隨之增大，并會在汛期達到最大值，汛期過后土壤水分又會出現減少趨勢。隨著索倫站汛期前后多雨或少雨變化，也會造成自動觀測和人工觀測出現差異。

4 結論

索倫站土壤相對濕度的自動觀測和人工觀測數據存在著一定的偏差，總體上自動觀測高于人工觀測，而且兩者的一致性較高，主要表現在10 cm土層最好，其次是40 cm土層，20 cm土層相對最差。盡管索倫站土壤相對濕度在自動觀測和人工觀測數據方面有一定的差異，但整個研究時段內自動觀測數據與人工觀測數據序列的相關性在這4個土層均表現較高，然而相關性最好的為20 cm，并未對應一致性最好的10 cm，這可能受到不同土層間的數據差異問題影響，也跟自動觀測儀器性能存在著差異有很大的關系。在降水量偏少的時段，自動觀測與人工觀測數據在淺層的偏差較小，如2020年4月索倫鎮降雨量29.1 mm，2020年4月23、28日的10 cm土層土壤相對濕度自動與人工觀測的偏差為0.2%～0.3%。

通過對土壤水分自動觀測與人工觀測數據的對比分析，掌握存在的偏差以及引起偏差的可能原因，可進一步提高觀測數據精確性[4]。首先，要做好土壤濕度自動觀測場地的選址，設置的觀測點必須是長期固定的，可以反映當地自然下墊面、無灌溉自然狀態下土壤濕度的地段，對所在地區的自然土壤水分狀況的反映要具有代表性，通常選擇在地勢平坦的地塊，如果是山丘地區，要避開溝底、山頂、斜坡和積水洼地等[5]。

土壤水分自動觀測儀器采用的是國際時，以20：00為日界，以自動土壤水分觀測儀采集器內部時鐘為觀測時鐘，需要實現1次/h對采集器與計算機自動對時，以保證兩者在時間上保持一致，確保自動觀測儀器獲取數據的精準性。

參考文獻

[1] 周澤民.對《農業氣象觀測規范》（上卷）中若干技術問題的商榷[J].湖北氣象，1998（2）：35-37.

[2] 費啟瓅，袁慧玲，阿不都外力·阿不力克木，等.江蘇省自動土壤水分觀測與人工觀測對比分析及應用[J].氣象科學，2013，33（3）：302-307.

[3] 李宇光.基于明水縣的自動與人工土壤水分觀測數據對比分析[J].中國農學通報，2018，34（21）：115-120.

[4] 劉灝.芻議影響土壤水分觀測精確度的原因及觀測注意事項[J].科技展望，2015，25（5）：135.

[5] 成兆金，鄭美琴，馬品印，等.自動土壤水分觀測站建設現狀及資料分析[J].氣象軟科學，2007（3）：108-110.