楊 威

（遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003）

土壤墑情監(jiān)測(cè)是抗旱的重要基礎(chǔ)工作，土壤水分含量是表達(dá)旱情的最直接指標(biāo)[1]。近年來，各省依據(jù)國家防汛抗旱指揮部辦公室公布的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)合格產(chǎn)品目錄，相繼建成了一批自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站[2]，從運(yùn)行情況看，一些自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)的墑情數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)）精度較低[3]， 可靠性較差，不能直接用于旱情分析評(píng)價(jià)。經(jīng)過檢測(cè)合格的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器在實(shí)際應(yīng)用中數(shù)據(jù)不理想，值得思考研究，找出問題所在和提出解決辦法。

1 自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)誤差成因

評(píng)判土壤水分監(jiān)測(cè)儀器數(shù)據(jù)精度是通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)[4]，與人工監(jiān)測(cè)的墑情數(shù)據(jù)（以下簡(jiǎn)稱人工墑情數(shù)據(jù)）進(jìn)行比較獲得的。在實(shí)驗(yàn)條件下（包括實(shí)驗(yàn)室和野外現(xiàn)場(chǎng)圍欄內(nèi)實(shí)驗(yàn)），土壤水分監(jiān)測(cè)儀器和人工監(jiān)測(cè)墑情的檢測(cè)環(huán)境一致，土壤結(jié)構(gòu)一致，檢測(cè)人員的專業(yè)水平和操作能力較高，操作步驟統(tǒng)一，監(jiān)測(cè)儀器和人工墑情數(shù)據(jù)可靠，誤差影響因素以監(jiān)測(cè)儀器精度為主，受環(huán)境和人為影響較小，得到的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器精度較高。

在野外現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)條件下，人工監(jiān)測(cè)墑情是在實(shí)際耕作的大田中取樣，取樣人員的操作方法、使用的儀器設(shè)備、計(jì)算結(jié)果取舍等各環(huán)節(jié)很難保持一致，造成人工墑情數(shù)據(jù)本身誤差較大。而自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)儀器置于圍欄保護(hù)下，受耕作、除草、施肥等各種條件影響，監(jiān)測(cè)站即便建立在大田，圍欄內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)與大田內(nèi)土壤結(jié)構(gòu)也不能保持同步變化，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)的墑情數(shù)據(jù)只能代表無耕作的圍欄內(nèi)含水量，不能真實(shí)代表大田含水量。此時(shí)得到的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器精度較差，說明在實(shí)驗(yàn)條件下得到的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器精度，與野外實(shí)際生產(chǎn)條件下的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的精度是 2 個(gè)不同的概念。

因此，使用檢測(cè)合格的土壤水分監(jiān)測(cè)儀器建立自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站后，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的誤差除了監(jiān)測(cè)儀器本身誤差外，還包括監(jiān)測(cè)站圍欄內(nèi)土壤環(huán)境和人工墑情監(jiān)測(cè)等誤差，只有將這 2 個(gè)誤差降到最低，才能將自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)通過人工墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，達(dá)到可以直接使用的水平，滿足旱情分析評(píng)價(jià)的需要。

2 減小自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站環(huán)境誤差的方法

自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站環(huán)境誤差主要體現(xiàn)在圍欄結(jié)構(gòu)、作物種植和環(huán)境管理 3 個(gè)方面。

2.1 圍欄結(jié)構(gòu)建設(shè)方面

自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站圍欄可使用塑鋼、不銹鋼等材質(zhì)制作，欄桿疏密程度應(yīng)在防止人畜進(jìn)入的基礎(chǔ)上做到通風(fēng)透光，減少對(duì)傳感器埋設(shè)地點(diǎn)土壤的遮擋。圍欄基礎(chǔ)應(yīng)避免破壞天然地表環(huán)境，保證地表水可自由流動(dòng)，土壤水分自由滲透[5]，確保自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站通風(fēng)透光和地表水流動(dòng)情況不受圍欄影響。

2.2 圍欄內(nèi)作物種植方面

圍欄內(nèi)傳感器周邊應(yīng)同步種植與大田相同的作物，在不破壞傳感器正常工作條件下，滿足作物對(duì)地表的遮擋與圍欄外大田一致，作物對(duì)土壤水分的吸收程度與圍欄外大田一致，確保自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站圍欄內(nèi)外的土壤水分損失不受有無作物和種植結(jié)構(gòu)影響。

2.3 圍欄內(nèi)環(huán)境管理方面

自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站歷來重建設(shè)，輕管理，造成監(jiān)測(cè)環(huán)境后期與建站初期相比差異較大。應(yīng)安排專人對(duì)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站環(huán)境進(jìn)行維護(hù)和管理，避免監(jiān)測(cè)站成為堆積石塊、雜草的垃圾場(chǎng)。在保證監(jiān)測(cè)儀器正常工作的前提下，大田除草時(shí)圍欄內(nèi)應(yīng)隨之除草，大田松土?xí)r圍欄內(nèi)也應(yīng)隨之松土，確保圍欄內(nèi)外土壤結(jié)構(gòu)變化同步。

3 減小人工墑情監(jiān)測(cè)誤差的方法

人工墑情監(jiān)測(cè)是直接測(cè)量土壤水分的方法[6]，誤差主要體現(xiàn)在儀器設(shè)備、操作方法、計(jì)算取舍 3 個(gè)方面。

3.1 儀器設(shè)備配置方面

人工墑情監(jiān)測(cè)使用的儀器設(shè)備主要有天平、烘干箱、取土鉆、鋁盒、干燥器等，應(yīng)在全省水文部門統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、采購條件下進(jìn)行，避免各站儀器設(shè)備參差不齊。

電子天平要求使用感量為 0.01 g，最大量程為3000g 的電子天平，并配置校正砝碼，便于及時(shí)校正天平。烘干箱采用電加熱恒溫干燥箱，工作溫度為 105 ℃，誤差為 ± 1℃。取土鉆外表應(yīng)有刻度，便于控制取樣深度。為盡量減小土壤含水量深度差異，取土管內(nèi)徑一般不小于 30 mm，確保在土柱高度較小情況下取得規(guī)范要求的土壤質(zhì)量。

3.2 操作方法方面

人工墑情監(jiān)測(cè)應(yīng)在有代表性的大田中固定一個(gè)取樣區(qū)域，采用取土鉆鉆取土柱，以減少對(duì)取樣區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)和作物的破壞，土柱中心對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)深度，在保證取土量的同時(shí)盡量減小土柱高度，相當(dāng)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)取樣，土柱代表性好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度較高。

鋁盒稱量采用電子天平，每次稱量要進(jìn)行校正。烘干應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求的溫度和時(shí)間進(jìn)行，一般情況下，沙土烘干 6 h，壤土烘干 7 h，粘土烘干 8 h。烘干結(jié)束將鋁盒放入干燥器中冷卻至常溫時(shí)稱重，也可直接在烘箱中冷卻（烘箱斷電暫不開門）至常溫后再稱量[7]。

3.3 計(jì)算數(shù)據(jù)取舍方面

規(guī)范要求同一監(jiān)測(cè)深度的 3 次土壤質(zhì)量含水量數(shù)據(jù)中最大值與最小值的差值應(yīng) ≤ 1.5%[8]。計(jì)算時(shí)要對(duì)同一深度 3 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和取舍，如最大最小值之差 ＞1.5%，用最大和最小數(shù)據(jù)分別與中間數(shù)比較，舍去偏差較大的；如剩余 2 個(gè)數(shù)據(jù)之差≤ 1.5%，可以直接計(jì)算；如剩余 2 個(gè)數(shù)據(jù)之差還 ＞1.5%，應(yīng)重新取樣補(bǔ)測(cè)，不可無判斷取舍步驟直接進(jìn)行算數(shù)平均計(jì)算。

4 自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)修正方法

遼寧省人工墑情監(jiān)測(cè)站每年自 3 月 21 日到 9 月21 日，每月逢 1，11，21 日 8 時(shí)在大田進(jìn)行人工墑情監(jiān)測(cè)，干旱時(shí)期每月逢 6，16，26 日進(jìn)行加測(cè)。自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站每整點(diǎn)進(jìn)行一次自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到省級(jí)信息接收平臺(tái)。當(dāng)人工墑情監(jiān)測(cè)在儀器設(shè)備、監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)取舍等方面均符合規(guī)范要求，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站圍欄內(nèi)環(huán)境與大田環(huán)境一致，即人工和自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的墑情數(shù)據(jù)均準(zhǔn)確可靠時(shí)，可將監(jiān)測(cè)日 8 時(shí)的人工墑情數(shù)據(jù)，與同一時(shí)間墑情信息接收平臺(tái)接收到的同一站點(diǎn)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)列入電子表格，生成各監(jiān)測(cè)深度的含水量過程線并進(jìn)行對(duì)比分析，得到自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器各深度的系統(tǒng)偏差，對(duì)自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

草河站人工和自動(dòng)墑情站的監(jiān)測(cè)環(huán)境均符合要求，有一定的代表性，具備對(duì)比分析的條件。草河站 10 cm 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表 1 所示。

表 1 中使用的監(jiān)測(cè)儀器直接顯示體積含水量，通過干密度換算成質(zhì)量含水量，6 月 1 日后與人工墑情監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn) 2016 年 3 月 21 日到6 月 1 日，10 cm 深度自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)偏小，系統(tǒng)偏差大約為 9%。在下一個(gè)人工墑情監(jiān)測(cè)日 6 月11 日之前，在數(shù)據(jù)接收平臺(tái)加入修正值 9% 進(jìn)行修正，6 月 11 日到 9 月 21 日自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)吻合度較高，誤差符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)在 6 月 1 日前和修正后的過程線如圖 1 所示，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)修正后可直接用于旱情分析。

表 1 草河站 10 cm 人工墑情與自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖 1 草河站 10 cm 人工與自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)過程線圖（修正時(shí)間為 6 月 2—10 日）

對(duì)于自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較差的測(cè)站，可能是監(jiān)測(cè)儀器本身精度較低，或者自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站與人工墑情監(jiān)測(cè)地點(diǎn)土壤質(zhì)地差異較大，可采用更換監(jiān)測(cè)儀器或遷移自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的方法解決，直到兩者數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性良好為止。

修正方法有以下 2 種：1）對(duì)于可遠(yuǎn)程修改監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站，將監(jiān)測(cè)儀器率定公式常數(shù)項(xiàng)按照偏差大小進(jìn)行修正；2）對(duì)于不能遠(yuǎn)程修改監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)的自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站，在數(shù)據(jù)接收平臺(tái)上增加修正系數(shù)選項(xiàng)，按照偏差大小輸入修正值。

注意系統(tǒng)偏差會(huì)隨著溫度、時(shí)間等要素的變化而改變，應(yīng)安排專人定期監(jiān)控自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)的偏差，及時(shí)調(diào)整修正值，確保自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與人工墑情數(shù)據(jù)的誤差符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過草河站人工墑情和自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)可以看出，修正數(shù)據(jù)的前提條件是人工墑情監(jiān)測(cè)和自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站環(huán)境都要符合要求，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且可靠，有明顯系統(tǒng)偏差，修正后才有效果。因此，人工墑情監(jiān)測(cè)要有統(tǒng)一的儀器設(shè)備、操作步驟和數(shù)據(jù)取舍方法，自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站要在建設(shè)時(shí)和后期管理上有明確的要求，確保監(jiān)測(cè)環(huán)境與實(shí)際耕作的大田同步變化。對(duì)于人工與自動(dòng)均符合要求但無明顯系統(tǒng)偏差的站點(diǎn)，要分析監(jiān)測(cè)環(huán)境土質(zhì)差異和自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)儀器質(zhì)量問題，可采用遷站或更換設(shè)備的方法解決。

特定的專業(yè)人員在環(huán)境一致的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行對(duì)比分析，只能解決監(jiān)測(cè)儀器本身精度問題，在實(shí)際生產(chǎn)中不具備代表性。將自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)與水文站日常監(jiān)測(cè)的人工墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可從根本上解決自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度問題，既提高基層測(cè)站人工墑情監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平，也為今后自動(dòng)墑情監(jiān)測(cè)站的建設(shè)和管理提供依據(jù)。