常德地區土壤水分自動站數據質量控制的閾值確定

張喜英　羅敏　李德華

摘要統計分析常德地區9個土壤水分自動站關于土壤體積含水量、土壤相對濕度、土壤重量含水率、土壤有效水分貯存量逐小時資料，得到各層土壤水分分布特征。根據9個站點地理環境以及四要素分布、變化特點，針對作物地段和固定地段兩種不同自動站，分汛期和非汛期兩時段得到適合當地條件的各層土壤水分閾值和質量控制方案。通過質量評估結果的分析，發現有必要分別對固定地段和作物地段站點進行質量控制。土壤水分自動站小時資料的質量控制方案具有很好的適用性。各個要素各層在汛期和非汛期時段可用率很高，均超過95%。

關鍵詞土壤水分自動站；質量控制；閾值

中圖分類號S152.7文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）28-109-03

The Threshold Determination for Data Quality Control of Soil Moisture Automatic Stations in Changde Area

ZHANG Xiying， LUO Min*， LI Dehua（Changde Meteorological Bureau， Changde， Hunan 415000）

Abstract By analyzing nine soil moisture automatic stations of Changde about the volume of soil moisture， soil humidity， soil moisture by weight， available soil moisture storage capacity of hourly data， the distribution characteristics of each layer soil moisture were obtained. According to the site geography， the distribution of elements， changes in the characteristics of the crop site and fixed site for two different automatic stations， during flood and nonflood periods， to give water thresholds and quality control programs layers of soil suited to local conditions. It was found that soil moisture quality control scheme has good applicability， the various elements of the layers in the flood season and nonflood periods available rate is high， more than 95%.

Key words Soil moisture automatic stations； Quality control； Threshold

常德市于2010年11月建設完成9個土壤水分自動觀測站，投入業務化應用，并且獲取土壤水分數據。9個自動站包含2個作物地段土壤水分站和7個固定地段土壤水分站，實現每小時上傳數據，分 20層。常德市土壤水分自動站分布較多，觀測得到大量的土壤水分資料。為了能有效利用土壤水分資料和實現土壤水分質量自動化監控、數據異常分析，需要對土壤水分資料進行統計分析，確定其閾值。土壤水分制約著土壤養分的溶解、轉移和吸收，是植物耗水的主要來源，也是聯系地表水和地下水的紐帶，具有重要的物理意義，對農業生產具有重要的實際意義[1]。土壤水分資料對掌握土壤水分變化規律、氣象防災減災都具有重要意義[2]。隨著土壤水分自動站的普及以及業務工作對土壤水分資料要求的提高，自動站土壤水分數據的準確性顯得格外重要。筆者將對常德作物地段和固定地段土壤水分自動站數據進行分析，統計得到自動觀測站水分數據的閾值，以便規范土壤水分數據，得到正確、合理的土壤水分數據。

1材料與方法

土壤水分物理量包括土壤體積含水量、土壤相對濕度、土壤重量含水率、土壤有效水分貯存量，主要采用變量8個層次逐小時數據。8層分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm。時段為2010年11月～2014年6月。該資料嚴格按照規范操作而取得的土壤濕度數據。

為了訂正自動站水分資料，將資料分為正常值、可疑值、錯誤值3個級別。當土壤濕度值處于正常值范圍內，則認定為正常值；當土壤濕度值在可疑閾值內，則認定為可疑值；其余均為錯誤或缺測值。通過初始閾值，可得到以上3個級別范圍。為了得到閾值，首先用數學統計方法分析不同深度土壤水分的極值，進而確定各層土壤水分標準差，用各層的極值，結合標準差得出各層的初始判別閾值。已有研究表明，初始閾值可用極值加減n倍標準差得到，其中n的取值為1、3、5等，即極大值加n倍標準差，極小值減n倍標準差。標準差（σ）計算公式為：σ=（1n-1ni=1（xi-x）2））1/2。分析不同n值的初始閾值條件下數據可疑率、錯誤率統計結果，當n為3時，閾值能準確且客觀地反映數據的正常分布情況[3-5]。如果判定數據為錯誤，則取錯誤值所在站點周圍4個站點的非錯誤值，通過反距離加權平均進行插值計算得到新值代替錯誤值。

常德市土壤水分自動站點分布如圖1所示。9個站點分別為石門站（57562）、臨澧站（57566）、澧縣固定地段（57565）、澧縣作物地段（P2155）、安鄉站（57577）、漢壽站（57663）、常德鼎城區固定地段（57662）、常德鼎城區作物地段（P2154）、桃源站（57661）。由圖可知，自動站海拔高度均處于第一階梯中，差別不大，且各站點間距最小為30 km左右。根據各站點的地理環境以及地下水位、土壤質地等因素，將澧縣固定地段和作物地段2個站閾值應用于全市其余7個土壤水分站，實現土壤水分質量自動化檢測和數據質量控制。自動站分布于澧水流域和沅水流域，地下水位普遍較高，50 cm以下土層土壤水分含量變化小，因此50～100 cm均考慮使用50 cm 閾值。據統計，常德市汛期和非汛期土壤水分差異較明顯，故分汛期（3～9月）和非汛期（10月～次年2月）2個時段研究土壤水分閾值。

2結果與分析

2.1各層土壤水分數據變化趨勢分析

采用澧縣固定和作物地段作為代表個例，分析土壤水分數據的變化。由圖1可知，澧縣（57565/P2155）處在常德市北部，相比于常德鼎城區站點，澧縣緯度較高，處于澧水流域平原，氣候背景、地貌、海拔和地下水水位等因素基本能代表常德各站的情況，故著重分析澧縣固定和作物地段土壤水分信息。

由圖2可知，固定地段各層數據較接近，波動變化，一、二層變化幅度大，中低層土壤濕度變化較平緩。在降水較少的兩個時段（8～9月、9～10月）內，土壤濕度的降至極小值，各層土壤濕度以不同的速度流失水分，表層土壤濕度的下降速度快。作物地段相對于固定地段，第一層濕度小，其他各層濕度均大于固定地段，尤其在降水較多時段作物能吸收更多的水，保水能力更強，在干旱時段，土壤表層更易失去水分，深層土壤變化幅度小，深層土壤保水能力強。由此可知固定地段和作物地段土壤水分數據的異同。由于作物地段資料包含作物對土壤濕度的影響，與實際情況也更接近，因此需將二者分別進行質量控制，確定不同的閾值范圍。

2.2統計分析土壤水分閾值

土壤水分物理量中的土壤體

積含水量（Q）、土壤重量含水率（W）、土壤相對濕度（R）、土壤有效水分儲存量（U）之間可相互影響，相互轉化。通過先求得Q的閾值，再根據關系式求得其他3個要素的閾值，關系式如下：

W=Q/P （1）

R=W/F×100%=Q/（P×F）×100%（2）

U=P×H×（W-K）×10=P×H×（Q/P-K）×10 （3）

式中，P為土壤容重；F為田間持水量；K為凋萎濕度均為土壤參數；H為固定值10 cm。常用的各層土壤參數見表1。

文中將常德澧縣固定（57565）和作物地段（P2155）土壤閾值應用于全市土壤水分資料質量控制。在質量控制過程中，0～50 cm土層土壤水分變化較明顯，應分層計算其閾值，但常德市地下水較高，50 cm以下土層水分含量變化較小，故均采用50 cm土壤層的閾值代替。經統計分析，得到澧縣汛期、非汛期各層土壤水分閾值（表2、表3）。由表4可知，該閾值在固定地段汛期和非汛期的第一層、第二層的正常率達到100%，第三層的正常率值相對有所減小，錯誤為0，第四層、第五層正常率和可疑率之和幾乎為100%。由表5可知，作物地段0～30 cm的正常率很高，可疑率較低，錯誤率低于1%；40～50 cm土壤層正確率和可疑率之和依然占95%以上，錯誤率相當低。所以，該閾值適用，可用來對該站點自動土壤水分資料進行質量訂正。

3總結

對土壤水分自動站資料進行質量控制，得知土壤0～50 cm土層水分變化較大。由于地下水位較高，50 cm以下土層水分變化較小。0～50 cm土層分層計算閾值，其余各層均采用50 cm閾值進行質量訂正。對該質量控制方案進行統計檢驗，檢驗得出的錯誤值相當低，幾乎為0，正常率很高，故該閾值能滿足土壤水分自動站資料的質量訂正。

參考文獻

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