抚顺市土壤水分自动站观测数据差异性检验及原因分析

摘要 按照《自动土壤水分观测规范》的检验标准对抚顺市3个土壤水分观测站点的观测数据差异性进行检验，通过检验发现抚顺市3个站均通过一、二次检验后，正式投入业务运行。自动观测的土壤体积含水量受时段较差、空间距离、气象自然因素和仪器稳定性影响较大。

关键词 土壤水分自动站；观测数据；差异检验；原因分析；辽宁抚顺

中图分类号 P415.1+2 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0203-02

旱涝灾害能给农业生产造成严重的影响，抚顺市雨量充沛，但雨量分布并不十分协调，即使在正常年份，作物生长季内季节性旱涝也经常发生[1]。为做好全市抗旱工作，2010年9月至2011年9月，中国气象局为抚顺市安装了3套DZN1型自动土壤水分观测站，分别安装在抚顺县、新宾县、清原县。与传统的人工土钻取土、烘干法测定土壤湿度相比，DZN1型自动土壤水分观测系统遵循的观测方法、观测时限均发生了很大的变化，导致测量结果存在一定的差异。因此，对设备投入业务运行的差异性检验和形成原因分析是非常必要的。

国内一些相关方面的专家对土壤水分自动站观测数据的检验研究较多[2]。本文选取自动站数据和人工测定土壤湿度对比差异因子，对自动站观测数值与人工对比观测的差异性进行检验，并对形成的原因进行分析探讨。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文资料选取抚顺地区新宾、章党、清原3个土壤水分自动站的6个月内的0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm土层的土壤体积含水量和距离传感器2～10 m内对应层次的人工土钻取土、烘干法测定的土壤体积含水量数值。

1.2 研究方法

按照《自动土壤水分观测规范》[3]（以下简称《规范》）中对自动站观测数值的业务化检验标准的评价指标：人工观测土壤体积含水量值与器测土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差σ≤5%。

式中：xi为仪器土壤体积含水量观测值（g/cm3）；ai为人工土壤体积含水量观测值（g/cm3）；N为对比观测次数；设备田间标定后连续人工对比观测1个月不少于6次。σ为人工对比观测土壤体积含水量多次平均值的绝对误差（g/cm3）。

1.3 自动土壤水分站数据采集原理

仪器利用频域反射法原理（FDR）来测定土壤体积含水量，它由传感器发出100 MHz高频信号，当土壤中的水分变化时，其介电常数相应变化，测量时传感器给出的电容（压）值也随之变化，这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集[3]，经过线性化和定量化处理，得出土壤水分观测值，并按一定的格式存储在采集器中。计算机处理后每1 h形成一个长Z文件，根据土壤水文、物理常数和相关公式计算出土壤相对湿度（%）。

2 结果与分析

2.1 数据差异性检验

抚顺市3个土壤水分自动站与人工观测土层体积含水量对比结果见表1，通过对近半年的干、湿季节的交替时间进行对比观测后发现，抚顺地区3个土壤水分自动站观测土壤体积含水量与人工值基本一致。除新宾县由于土壤90～100 cm土层土壤质地为砂石土不进行土壤体积含水量测定外，新宾站的70～80 cm、章党站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土层因为仪器校验和地下水位较高等原因未通过业务化检验，其余各土层土壤含水量与人工值比较均控制在5%的差异范围内，可以投入业务运行。根据不同层次的业务不达标情况，更换了土壤新宾站的70～80 cm、章党站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土层的湿度传感器，对相应土层的土质进行分析检查、维护，根据需要进行了为期3～6个月的该层次的二次业务检验，在二次检验后达到合格标准，均可投入到业务运行（表2）。

2.2 数据差异原因分析

2.2.1 业务化检验存在时段较差。自动土壤水分观测站投入到业务化检验，按照《规范》要求，应跨越干、湿两季进行人工取土观测对比，第1次对比观测检验主要在6―9月等多雨季节，人工对比观测时间比较集中在湿季，各土层的平均土壤体积含水量变化幅度较快。人工取土在采样、整理和传输时效方面要1 h左右，自动观测站数据采集、传输可以精确到分钟，用平均值代替，存在数据采集的时段内虽然大部分单层样本数据的标准差都偏小，但个别站点标准差平均值仍较大。

2.2.2 仪器布设空间距离差异。自动土壤水分自动观测站传感器布设采取0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm等多层纵向排列布设（图1），人工下钻深度去除土钻本身带来的深度误差，仍存在3～5 cm的取样误差。而横向上，人工取土范围按照《规范》要求取土钻孔的位置应分布在传感器埋O位置四周半径2～10 m之间的范围内（图2），距离内土壤水分分布不均可以导致测量结果存在一定差异。

2.2.3 气象和自然因素影响。DZN1型自动土壤水分设备受东部山区气候条件制约，在温度过高、出现地表结冰、连续降雨和深层土壤冻结时，土壤水分传感器观测土壤体积含水量数值变化较缓慢。特别在土壤冻结后，土壤湿度无变化。土壤体积含水量变化受附近水库、水体和生长季节植物蒸腾作用[4]等自然因素影响，仪器灵敏度较高，与人工观测产生误差。深层土壤体积含水易饱和，受土壤含砂质地影响，采集数值变化较小，与人工观测存在较大差距，也是深层差异较大而需重复对比观测的原因。

2.2.4 仪器设备稳定性。自动观测的土壤体积含水量是通过计算而来，仪器指定的观测数据处理方法对不同层次设定了订正系数，订正系数的大小直接影响测量结果和人工值的差异。

3 结论与讨论

（1）按照《规范》中的业务化检验标准，抚顺地区3个土壤水分观测站点的个别层次均通过一次性检验达到标准，而新宾站的70～80 cm、章党站的90～100 cm、清原站的30～40、60～80 cm土层在更换传感器、维护土层和设备后通过二次检验达到标准。

（2）土壤水分观测的业务化检验受观测仪器的时间较差和空间距离限制，在进行业务化检验的同时应平均分配干、湿季节的时间段，在对比观测的空间距离上应控制在2 m左右较好。

（3）仪器设备受东部山区气候条件制约较大，自然地大型水体、生长季节作物蒸腾作用均能影响土壤体积含水量的变化数值。

（4）仪器设备受订正系数影响直接影响测量结果，厂家应在订正系数方面进一步细化。

4 参考文献

[1] 张昱，李亮，吴春英，等.抚顺市旱涝演变规律及其对农业的影响和对策[J].江苏农业科学，2013，41（增刊1）：194-195.

[2] 鲁韦坤，李湘，朱斌.云南土壤水分自动站观测值的业务化检验及其标准[J].气象科技，2015（43）：202-206.

[3] 中国气象局综合观测司.自动土壤水分观测规范（试行）[S/OL].[2012-04-17].http：///link？url=LNuU0gsRwLwhaG2yY s6iI5TvewHcM-gaC0OlTQAlDM7eYCxvJw-CP6q0B5sXaR5B-BS4u86g MNto6HxLhz8rBVueMnCmHoopsbpoHmDVTYy.

[4] 朱清，朱保美.DZN1型自动站与人工测定土壤湿度对比分析[J].中国农学通报，2013，29（6）：108-110.