DZN2型自動土壤水分監測站與人工觀測數據對比分析

解彥維　李澤　楊鶴

摘要 2014年6月農安縣根據吉林省人影工程建設要求進行自動土壤水分站建設，為評價DZN2型土壤水分監測站監測能力、服務效益和推廣使用提供參考依據，對2014年8月至2015年7月農安縣東方紅村土壤水分觀測站自動站與人工實際觀測的土壤體積含水量進行對比評估分析。結果表明：盡管差值對比存在一定誤差，但DZN2型自動土壤水分觀測站運行良好，自動與人工觀測數據的變化規律全部通過相關性檢驗，一致性表現較好。自動觀測資料基本能夠代替人工觀測的資料。

關鍵詞 DZN2型土壤水分自動站；人工觀測；土壤體積含水率；數據對比

中圖分類號 P415.12；S152.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）07-0254-01

土壤水分是植物耗水的主要直接來源，對植物的生理活動有重大影響。掌握土壤水分規律，對農業生產理論研究和實時服務都具有重要意義[1]。目前，我國氣象部門在各省級部門都建設了自動土壤水分觀測網絡，其中DZN2型土壤水分觀測儀在我國河南、安徽、吉林等12個省共布設了1 000余套[2]。

1 試驗原理與方法

DZN2型自動土壤水分傳感器利用頻域反射法原理（FDR）由傳感器發出100 MHz高頻信號，當土壤中的水分變化時，其介電常數相應變化，測量時傳感器給出的電容（壓）值也隨之變化，這種變化量數經過處理得出土壤水分觀測值。從而利用DZN2型土壤水分監測站自動監測土壤水分含量。

人工觀測數據根據氣測函〔2010〕170號《自動土壤水分觀測儀對比觀測規定》（試行）執行，測定時間為每旬逢3日、8日上午定期人工取土，取土深度與自動土壤水分觀測深度相同，每層4個重復，烘干稱重并計算。

2 結果與分析

2.1 自動與人工土壤體積含水率差值對比分析

將2014年8月26日至2015年7月28日（共8層、24次）人工和自動站土壤體積含水量對比觀測數據資料進行分層對比和差值分析。將每層數據在坐標軸中以時間先后繪成圖表。經分析可知，自動與人工觀測土壤體積含水率變化趨勢基本一致，說明2種觀測對土壤水分感應相同。

2.1.1 10 cm深度土壤體積含水率。人工觀測數據較自動站觀測數據變化波動更大，而自動站相對平緩，根據土壤各層土壤水分體積含水率差值分析，10 cm是各層中平均差值最大的土層。分析原因：10 cm深度土壤水分受環境氣候影響的因子較多，地表的土壤水分受地溫、降水、灌溉等因素的影響較大。結合本地實際，取土分析時段為農作物生長季，地表覆蓋也會對測量數據產生影響。

2.1.2 20 cm深度土壤體積含水率。人工與自動站的數據隨時間的變化趨勢基本一致，數據波動幅度較10 cm深度小，但波動明顯。說明20 cm土層的土壤水分受地溫、降水、灌溉等因素的影響也較大。觀測環境實際情況，20 cm為玉米生長有效深度，雖然對土壤水分站所在作物地段做相同的田間管理，但是自動站和人工采樣仍然存在微小差異。通過對20 cm土壤體積含水率的差值對比分析可知，人工與自動觀測的平均差值為1.6%，最大差異出現在2014年9月28日，差值為7.2%，最小差異出現在9月8日，差值為0。

2.1.3 30 cm深度土壤體積含水率。人工與自動站的數據隨時間的變化趨勢基本一致，人工觀測的數據比自動站數據偏大。根據30 cm土壤體積含水率的差值對比分析，人工與自動站觀測的平均差值為1.0%，最大差異出現在2014年9月3日，差值為3.6%，最小差異出現在10月18日，差值為0.1%。

2.1.4 深層（40～100 cm）土壤體積含水率。人工觀測的數據接近自動站數據或略偏低。本地地下水位大于2 m，地表徑流、土壤溫度等對深層影響較小。其中40 cm土層9月18日數據差值對比為8.5，考慮40 cm土壤濕度隨深度和連續取樣數據變化量，分析應為取樣錯誤數據，但是為了保證數據的完整性，未將數據進行刪除。根據土壤體積含水率的差值對比分析，50 cm的平均差值為1.1%，60～100 cm平均差值均為1.0%，說明在深層人工與自動站觀測數據一致性相對較好。

2.2 概率分析

由農安東方紅村人工與自動站觀測土壤體積含水率絕對差值在不同數據段出現的概率統計分析：絕對差值的分布規律基本在5%以內，2.5%以內的分布10、20、50 cm分別為54.2%、79.1%、87.5%，在90%以下。其余層次均在90%以上，其中60 cm土層深度，差值在2.5%以內的概率達到了100%。30～100 cm人工與自動土壤體積含水率在1.0%以內均超過了50%，誤差較小。差值超過5.0%的土層深度為10、20、40 cm，誤差較大，10 cm深度差值在5.0%以上概率為25%，誤差最大。結合含水率差值平均值分析，30～60 cm人工與自動觀測數據一致性較好，20 cm次之，10 cm相對最差。

2.3 相關性分析

利用Excel軟件計算人工與自動站觀測數據8個層次的相關系數，其均通過置信水平0.01的檢驗，都為顯著相關。相關系數最小出現在20 cm土層，為0.215，最大出現在60 cm土層，為0.859，這也說明人工與自動觀測數據一致性在60 cm土層表現最好。

3 結論與討論

試驗結果表明，不同層次土壤深度，自動站觀測數據波動相對平緩，人工觀測數據波動相對較大，自動站與人工觀測數據的變化幅度隨著土層深度增加有變小趨勢。其中60～100 cm深度平均差值較小，而表層10～20 cm深度平均差值較大，并且差值超過5%的概率較大，誤差稍大。盡管差值對比存在一定誤差，DZN2型自動土壤水分觀測站運行良好，自動站與人工觀測數據的變化規律全部通過相關性檢驗，一致性表現較好。自動站觀測資料基本能代替人工觀測的資料。

分析對比觀測數據資料，數據偏差原因主要有以下幾點。一是土壤濕度觀測數據變化受到降水、溫度、灌溉、地表覆蓋物的影響，作物生長季內，地溫高，降水多，觀測數據變幅相對較大，誤差較明顯[3]。二是自動和人工觀測的原理不同，儀器探測和人工取土的位置、深度、時間都存在差異，可能造成數據的偏差[4-5]。三是安裝自動站前，對大田的土壤常數（土壤容重、田間持水量、凋萎系數）進行準確測定，才能減小人工與自動站觀測的數據誤差[6-7]。

4 參考文獻

[1] 國家氣象局.農業氣象觀測規范：上卷[M].北京：氣象出版社，1993：76.

[2] 陳家宙，陳明亮，何圓球.各具特色的當代土壤水分測量技術[J].湖北農業科學，2001（3）：25-28.

[3] 周清，朱保美.DZN1型自動站與人工測定土壤濕度對比分析[J].中國農學通報，2013，29（6）：108-112.

[4] 成兆金，鄭美琴，馬品印，等.自動土壤水分觀測站建設現狀及資料分析[J].氣象軟科學，2007（3）：108-110.

[5] 胡新華，杜筱玲，全根元.人工與自動土壤水分平行觀測資料對比分析[J].氣象科技，2010，38（2）：239-242.

[6] 買買提.阿布來提，沙比提，歡樂希，等.人工取土烘干稱重法觀測數據與自動站觀測資料差異探討[J].科研，2015（16）：166.

[7] 鐘超.自動氣象站與人工站觀測結果差異及原因分析[J].陜西水利，2015（6）：208-210.