樊 超，劉 名，趙 娜*，陳 卓

（1.西安市長(zhǎng)安區(qū)氣象局，陜西 西安 710100；2.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，陜西 西安 710016）

土壤水分測(cè)值差異性分析與探討

樊 超1，劉 名2，趙 娜1*，陳 卓1

（1.西安市長(zhǎng)安區(qū)氣象局，陜西 西安 710100；2.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，陜西 西安 710016）

土壤水分是土壤成分之一，嚴(yán)重影響著植物的生理活動(dòng)。將西安市長(zhǎng)安區(qū)國(guó)家一般氣象站2012年1月8日到2012年5月28日的Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀和人工測(cè)墑數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，Gstar-I型自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)儀能夠相對(duì)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出土壤水分變化的規(guī)律，但與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間存在一定的差值，且該差值在表層最大，之后隨著土層加深而減小。

關(guān)中平原；土壤水分；差異性分析

土壤水分狀況是指組成土壤水分的各類型水在土壤中的動(dòng)態(tài)變化以及在各層次中量級(jí)的變化。土壤水分是組成土壤的成分之一，影響著植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收等一系列生理活動(dòng)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有至關(guān)重要的影響。定時(shí)測(cè)定土壤水分狀況，及時(shí)總結(jié)掌握土壤水分變化規(guī)律，有益于更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者在土壤水分自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)資料對(duì)比分析方面開展了許多研究工作。黃文杰等［1］分析了人工與自動(dòng)土壤水分觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)資料，并重點(diǎn)對(duì)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大的臺(tái)站進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研和分析；劉芳等［2］對(duì)比分析了DZN1型土壤水分測(cè)量?jī)x的土壤相對(duì)濕度資料與人工平行觀測(cè)資料；舒素芳等［3-7］分析了DZN3型土壤水分自動(dòng)站的測(cè)墑質(zhì)量對(duì)比。

陜西省于2011-2012年間建設(shè)了72個(gè)自動(dòng)土壤水分站，設(shè)備全部采用河南省氣象科學(xué)研究所與中電集團(tuán)第二十七研究所聯(lián)合研發(fā)的Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀。西安市長(zhǎng)安區(qū)地處關(guān)中平原腹地，南依秦嶺，北跨平原，由于地處內(nèi)陸季風(fēng)區(qū)，季節(jié)降水不均以及降水變化率較大的特點(diǎn)鮮明，干旱較為頻繁。自動(dòng)土壤水分儀觀測(cè)站的建成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水分變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于及時(shí)提供預(yù)報(bào)預(yù)警，能夠更好地服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。長(zhǎng)安區(qū)氣象局從2012年起開始進(jìn)行人工與自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。本文擬應(yīng)用曲線對(duì)比、差值、相關(guān)性等分析方法，對(duì)Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，以期為判斷Gstar-I型土壤水分儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供可靠依據(jù)，以充分發(fā)揮自動(dòng)監(jiān)測(cè)服務(wù)時(shí)效性和連續(xù)性的優(yōu)勢(shì)［8-9］。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 資料來源

研究資料來源于長(zhǎng)安區(qū)自動(dòng)觀測(cè)和人工觀測(cè)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。根據(jù)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值的可用性，選取長(zhǎng)安區(qū)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站2012年1月8日-5月28日期間8個(gè)土層 （10，20，30，40，50，60，80，100 cm）的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀測(cè)墑結(jié)果和同期人工測(cè)墑結(jié)果。數(shù)據(jù)資料嚴(yán)格按照規(guī)范操作獲取，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，符合自然狀態(tài)下各層次土壤濕度的變化規(guī)律。

西安市長(zhǎng)安區(qū)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站位于長(zhǎng)安區(qū)黃良鎮(zhèn)西固城村，于2010年10月嚴(yán)格按照規(guī)范要求建成，設(shè)備采用河南省氣象科學(xué)研究所與中電集團(tuán)第二十七研究所聯(lián)合研發(fā)的Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀。該土壤水分監(jiān)測(cè)儀采用頻域反射法（FDR，F(xiàn)requency Domain Reflectometry）原理，基于電容傳感器和嵌入式單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)，測(cè)量得到土壤的體積含水率。人工測(cè)墑?dòng)^測(cè)地段選取在自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)地段外臨近自動(dòng)觀測(cè)地段的農(nóng)田內(nèi)，地形為平原，地勢(shì)平坦，種植制度為小麥-玉米，產(chǎn)量中等，地下水位深度大于2 m，無灌溉條件，按照農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范采取烘干稱重法測(cè)取土壤重量含水率。

1.2 研究方法

人工土壤水分觀測(cè)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，測(cè)定時(shí)間為逢3、逢8日上午定期人工取土，于選定地段用土鉆在各層 （10，20，30，40，50，60，80，100 cm）分別重復(fù)取4個(gè)土樣，如遇強(qiáng)降水影響取土?xí)r，在降水停止后及時(shí)補(bǔ)測(cè)。測(cè)定方法采用中國(guó)氣象局 《農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范》規(guī)定的烘干稱重法，運(yùn)用公式進(jìn)一步分析得出人工土壤相對(duì)濕度。

式中，W為土壤質(zhì)量含水率，G1為盒的質(zhì)量，G2為盒與濕土的總質(zhì)量，G3為盒與干土的總質(zhì)量。

式中，R為土壤相對(duì)濕度 （%），取整數(shù)記錄；W為土壤質(zhì)量含水率 （%）；fc為田間持水量。

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)運(yùn)用Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，其觀測(cè)深度與人工取土深度相同，采集到的數(shù)據(jù)為容積含水量 （體積含水量），結(jié)合公式計(jì)算分析得出自動(dòng)土壤相對(duì)濕度值。

式中，W為土壤質(zhì)量含水率 （%）；W容為土壤容積含水量 （%）；P為土壤容重。

對(duì)計(jì)算得出的自動(dòng)觀測(cè)與人工觀測(cè)土壤相對(duì)濕度值，采用數(shù)據(jù)質(zhì)控、相關(guān)性和對(duì)比差值分析法對(duì)所選對(duì)比分析數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將2011年2月3日至5月28日各土層土壤相對(duì)濕度的自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值依時(shí)間序列作圖（圖1）。可以看出，在0～10 cm土層，人工觀測(cè)值與自動(dòng)觀測(cè)值隨時(shí)間變化的曲線具有很高的趨向一致性。在4月3-28日，各土層2組數(shù)據(jù)均呈下降趨勢(shì)，而之后2組數(shù)據(jù)均波動(dòng)上升。對(duì)比同期氣象資料可知，2011年4月中下旬只出現(xiàn)過一次大于0.5 mm的降水，且4月8-19日均無有效降水。從5月1日起，一直到5月28日止，氣象資料顯示這一時(shí)期共出現(xiàn)7次日降水量大于0.5 mm的降水過程，降水量合計(jì)115.6 mm。以上結(jié)果表明，在相同的氣象條件下，自動(dòng)觀測(cè)值與人工觀測(cè)值隨時(shí)間推移，變化趨勢(shì)具有較高的一致性。對(duì)比各土層數(shù)據(jù)波動(dòng)情況可知，淺層由于距地面較近，容易受到地面干旱、降水等天氣現(xiàn)象的影響，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。隨著土層加深，土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)漸緩?？傮w來看，10與 20 cm土層數(shù)據(jù)變化較大，50，60，100 cm土層數(shù)據(jù)變化較小。

2.2 自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比差值分析

由表1可以看出，0～100 cm各土層相對(duì)濕度自動(dòng)觀測(cè)站數(shù)值與人工數(shù)值的差值特征差異較大。從平均差值看，最低值出現(xiàn)在90～100 cm土層，只有5百分點(diǎn)。30～80 cm各土層平均差值均在15百分點(diǎn)以內(nèi)，越靠近表層，數(shù)值差異越大，0～20 cm各層土壤相對(duì)濕度平均差值達(dá)24百分點(diǎn)以上。從極大差值及其分布概率來看，40～50，50～60和90～100 cm土層的極大差值均在20百分點(diǎn)以內(nèi)。0～10 cm土層極大差值最大，達(dá)49百分點(diǎn)?？傮w來看，在30～80 cm土層，自動(dòng)觀測(cè)站與人工記錄的數(shù)據(jù)較為一致，而其余土層的數(shù)據(jù)之間相差較大。

表1 各土層土壤相對(duì)濕度自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差值

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比概率統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)各層次土壤相對(duì)濕度自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)差值范圍的概率分布表 （表2）可知，在0～10 cm土層自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)差值出現(xiàn)概率較高；在20～30，30～40和70～80 cm土層，自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與人工記錄數(shù)據(jù)差值在30百分點(diǎn)以內(nèi)的情況都有發(fā)生的概率，但不會(huì)產(chǎn)生更大的差值。在90～100 cm土層，相對(duì)濕度差值范圍在10百分點(diǎn)以內(nèi)的發(fā)生概率最高，為79.2%。

表2 自動(dòng)與人工觀測(cè)土壤相對(duì)濕度不同差值范圍出現(xiàn)概率

圖1 各層土壤的濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 小結(jié)與討論

本研究通過對(duì)比2012年1月8日至2012年5月28日的Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀和人工測(cè)墑的數(shù)據(jù)資料，結(jié)果表明，Gstar-I型自動(dòng)土壤水分監(jiān)測(cè)儀能夠基本相對(duì)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)出土壤水分變化的規(guī)律，但與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間存在一定的差值，且該差值在表層最大，之后隨著土層加深而減小。

Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀與人工測(cè)墑數(shù)據(jù)之所以存在較大的差距，究其原因，一方面，自動(dòng)土壤水分傳感器在實(shí)際的測(cè)量過程當(dāng)中會(huì)受到土壤質(zhì)地、容重以及安裝時(shí)緊密度等諸多因素的影響，因此需要在正式投入使用前進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定，以確保誤差盡可能??；另一方面，由于土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備固定在一個(gè)位置，而人工取樣時(shí)取土點(diǎn)并不固定，且人工取土?xí)r每次的深度及稱重、烘干等操作過程都難以保持一致，這就使得二者間不可避免地存在一定的誤差。由于Gstar-I型自動(dòng)土壤水分檢測(cè)儀的應(yīng)用時(shí)間尚短，且本研究?jī)H對(duì)比了單站Gstar-I型土壤水分監(jiān)測(cè)儀與人工測(cè)墑的數(shù)據(jù)。若要更加客觀、全面進(jìn)行分析，還要積累更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以深入進(jìn)行研究。

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（責(zé)任編輯：高 峻）

S 152.7；P 41

A

0528-9017（2015）04-0505-03

10.16178/j.issn.0528-9017.20150421

2014-12-17

樊 超 （1978-），男，陜西西安人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象設(shè)備維護(hù)工作。E-mail：fanchao0119@163.com。

趙 娜 （1987-），女，陜西西安人，助理工程師，主要主要從事農(nóng)業(yè)氣象設(shè)備維護(hù)工作。E-mail：514285818@qq.com。

文獻(xiàn)著錄格式：樊超，劉名，趙娜，等.土壤水分測(cè)值差異性分析與探討 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（4）：505-507，529.