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(guān)系數(shù)。結(jié)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(guān)性最好；在20 cm土層的平均差值最大，40 cm土層的相關(guān)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(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)精準(zhǔn)性及可用性。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）02–00-03

土壤水分是植物生長發(fā)育的必要條件，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要，氣象部門開展土壤水分的觀測可以準(zhǔn)確了解每個(gè)區(qū)域內(nèi)的土壤水分狀況，并根據(jù)實(shí)時(shí)獲取到的數(shù)據(jù)制作各類相關(guān)的服務(wù)產(chǎn)品，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供氣象服務(wù)，幫助農(nóng)民合理調(diào)整灌溉計(jì)劃，最大程度地提高水資源利用率，避免水分浪費(fèi)和土壤鹽堿化等問題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)豐產(chǎn)[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(gè)地點(diǎn)快速對不同層次的土壤水分進(jìn)行連續(xù)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?jǐn)?shù)據(jù)具有較高的連續(xù)性、代表性、準(zhǔn)確性及可比性，且人工觀測勞動強(qiáng)度較低[2]。然而，在自動觀測的過程中，儀器設(shè)備故障或不當(dāng)操作等情況均可導(dǎo)致數(shù)據(jù)異?；蛉睖y。同時(shí)，依靠觀測員開展的人工觀測需要逐項(xiàng)進(jìn)行，觀測時(shí)間跨度大，且會受到近地面氣象要素隨時(shí)間變化而變化的影響。因此，人工觀測和自動觀測在時(shí)間上會發(fā)生不同步，導(dǎo)致觀測結(jié)果出現(xiàn)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(gè)層次，共4個(gè)土層的土壤相對濕度，觀測地段為非灌溉自然狀態(tài)下的同一地塊。其中自動站土壤水分資料觀測時(shí)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(shí)段為2017年3月8日至2021年3月8日的00：00，隨機(jī)選取出小時(shí)自動觀測土壤水分資料與人工觀測時(shí)次相一致的資料。采用對比法、相關(guān)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(fā)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(guān)性。

2 結(jié)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(gè)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(shù)據(jù)的平均差值為1.9%，最大差值為8.1%，出現(xiàn)在2020年5月8日，最小差值為0，2020年6月4日00：00時(shí)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(shù)據(jù)的平均差值為12.8%，最大差值為15.5%，出現(xiàn)在2020年6月4日，最小差值為9.7%，出現(xiàn)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(shù)據(jù)的平均差值為8.4%，最大差值為10.7%，出現(xiàn)在2020年6月4日，最小差值為4.9%，出現(xiàn)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(shù)據(jù)的平均差值為5.7%，最大差值為17.2%，出現(xiàn)在2020年5月8日，最小差值為3.4%，出現(xiàn)在2020年5月3日。

4個(gè)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(guān)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(shí)出現(xiàn)低于人工觀測值的現(xiàn)象。10 cm土層差值相對較小，其中差值在0%～1.0%的出現(xiàn)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(guān)系數(shù)為0.935 1，通過置信水平0.001的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著相關(guān)，其中2020年4月的相關(guān)系數(shù)幾乎達(dá)到1，相關(guān)性最高，2020年5月的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.916 5，相關(guān)性均較高。

2.2.2 20 cm土層

根據(jù)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(shù)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(xiàn)概率為11.1%，差值在10.0%～15.0%的出現(xiàn)概率為77.8%，差值在15.0%以上的出現(xiàn)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(guān)系數(shù)為0.986 4，通過置信水平0.001的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著相關(guān)；其中2020年4月的相關(guān)系數(shù)為1，相關(guān)性最高，2020年5月的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.986 3，相關(guān)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(xiàn)概率為11.1%，差值在5.0%～9.0%的出現(xiàn)概率為55.6%，差值在9.0%～13.0%的出現(xiàn)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(guān)系數(shù)為0.981 8，通過置信水平0.001的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著相關(guān)；其中2020年4月的相關(guān)系數(shù)為1，相關(guān)性最高，2020年5月的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.964 5，相關(guān)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(gè)時(shí)段中有8個(gè)時(shí)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(shí)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(xiàn)概率為44.4%，差值在4.0%～9.0%的出現(xiàn)概率也為44.4%，差值在9.0以上的出現(xiàn)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(guān)系數(shù)為0.779 8，通過置信水平0.001的檢驗(yàn)，表現(xiàn)為顯著相關(guān)；其中2020年4月的相關(guān)系數(shù)為1，相關(guān)性最好，2020年5月的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到0.758 4，為顯著相關(guān)。

索倫站土壤相對濕度的自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性較高，其中淺層的相關(guān)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(guān)性要小于20 cm淺層。

3 自動與人工觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)得較好，20 cm土層相對較差；但相關(guān)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(yè)務(wù)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(gòu)成，硬件分為傳感器、采集器和外圍設(shè)備，軟件分為采集軟件和業(yè)務(wù)軟件。自動土壤水分觀測儀器運(yùn)行過程中，會由于安裝、儀器設(shè)備自身損耗、日常維護(hù)不到位或操作不當(dāng)?shù)瘸霈F(xiàn)數(shù)據(jù)異常、缺失等問題。

（2）索倫鎮(zhèn)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(fā)量高達(dá)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(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水分收入，3月蒸發(fā)量可達(dá)到降水量的20多倍。進(jìn)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(fā)卻出現(xiàn)顯著的減少。對應(yīng)的，汛期前后各層土壤水分要素也隨之增大，并會在汛期達(dá)到最大值，汛期過后土壤水分又會出現(xiàn)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(xiàn)差異。

4 結(jié)論

索倫站土壤相對濕度的自動觀測和人工觀測數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)方面有一定的差異，但整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)自動觀測數(shù)據(jù)與人工觀測數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性在這4個(gè)土層均表現(xiàn)較高，然而相關(guān)性最好的為20 cm，并未對應(yīng)一致性最好的10 cm，這可能受到不同土層間的數(shù)據(jù)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(guān)系。在降水量偏少的時(shí)段，自動觀測與人工觀測數(shù)據(jù)在淺層的偏差較小，如2020年4月索倫鎮(zhèn)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(shù)據(jù)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(jìn)一步提高觀測數(shù)據(jù)精確性[4]。首先，要做好土壤濕度自動觀測場地的選址，設(shè)置的觀測點(diǎn)必須是長期固定的，可以反映當(dāng)?shù)刈匀幌聣|面、無灌溉自然狀態(tài)下土壤濕度的地段，對所在地區(qū)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(qū)，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(shí)，以20：00為日界，以自動土壤水分觀測儀采集器內(nèi)部時(shí)鐘為觀測時(shí)鐘，需要實(shí)現(xiàn)1次/h對采集器與計(jì)算機(jī)自動對時(shí)，以保證兩者在時(shí)間上保持一致，確保自動觀測儀器獲取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

參考文獻(xiàn)

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