改進后的探針式土壤水分采集儀應用試驗

馬繼坤　辛玉琛

摘 要：吉林省是旱災頻發的省份之一，隨著近幾年的氣候變化，旱情在吉林省幾乎年年發生。土壤墑情應急監測是開展旱情監測的有效手段，而目前的監測方式很難應用到應急監測中，針對以往工作中存在的問題，對某型號探針式采集儀在吉林省中西部進行改進試驗。本次對某型號土壤水分采集儀探針的長度和傳感器手柄進行了改進，采用改進后的探針式土壤水分采集儀采集的數據與人工取土烘干法監測數據進行了對比分析，分析結果是相對誤差合格率為96.4%，符合《土壤墑情監測規范》（SL364—2015）準確性評估其值不應小于80%的規定。通過本次應用試驗，得出了改進后的某型號探針式土壤水分采集儀應用在土壤墑情應急監測中不僅滿足時效性，高效性的要求，而且也滿足監測精度要求，能夠科學準確評估旱災損失，提高了抗旱減災指揮決策能力，具有推廣使用的價值。

關鍵詞：土壤墑情應急監測；改進后的探針式土壤水分采集儀；對比監測；旱情

中圖分類號：S-3 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180532006

吉林省是農業大省，中西部又是糧食主產區，旱災是吉林省主要自然災害之一，全省中西部發生頻率較高，幾乎是年年有旱，區域性中度以上（含中度）干旱時有發生。旱災不僅對農業生產和農村經濟發展產生了不利影響，同時對全省城鄉人民生活和城鄉經濟發展也構成了一定的威脅。土壤墑情應急監測是開展旱情監測的有效手段，也是對固定墑情監測站的必要補充，可以有效掌握受旱區域的發展變化，科學準確評估旱災損失，而且機動靈活，投資少，成本低，是旱情監測優先選用方法之一。目前，探針式土壤水分采集儀是應急監測的手段之一，它應用的準確性和適用性顯得尤為關鍵。

1 基本情況

土壤墑情應急監測站是根據抗旱工作需要，臨時布設在非固定地塊、不連續觀測的監測站，也稱臨時土壤墑情監測站。目前，吉林省旱情應急監測站共布設129處，覆蓋全省9個市（州），其中中西部地區布設93處，占全省72.1%。2014年，吉林省中西部發生了較為嚴重的伏旱，啟動了旱情應急監測響應。采用人工取土烘干法進行監測，投入了大量的人力物力，也不能為政府提供及時的旱情信息，滿足不了數據的時效性。近2a由于科技的發展，土壤水分采集儀廣泛應用到了土壤墑情監測中，但在監測過程中發現存在以下問題。

1.1 勞動強度大，用時長

探針式土壤水分采集儀有水平和垂直2種插入方式，2種插入方式安裝儀器時都需要開挖安裝剖面。水平插入方式需用挖土鍬開挖一個土槽，開挖尺寸為0.7m（長）×0.4m（寬）×0.5m（深）。垂直插入方式用取土打孔鉆（帶有刻度的圓鋼管/洛陽鏟等）在壟臺（地表面）打孔。當發生中度以上（含中度）干旱時，干土層較厚，土壤板結，水平插入方式需要用鎬開挖才能完成安裝剖面，勞動強度很大，用時較長；垂直插入方式打孔鉆打孔需要夯擊才能完成，同樣費時費力。

1.2 探針插入困難，影響監測精度

旱情發生時水平和垂直插入探針都非常吃力，插入時會出現上下或左右搖晃的現象，使得探針與原狀土接觸不實，監測到的數據精度受到影響。

可見以往探針式土壤水分采集儀應用到應急監測中費時費力，還影響數據精度，給實際工作造成很大困難，需要做一定的改進。

2 改進的方法

本次應用試驗，主要是為了滿足土壤墑情應急監測的需要，對某型號探針式土壤水分采集儀進行改進，試驗采用垂直插入方式進行。

2.1 改變探針長度

將等長度的探針分別制作成10cm、20cm、40cm的長度。用10cm、20cm、40cm的探針分別監測《土壤墑情監測規范》（SL364—2015）三點法10cm、20cm、40cm深度的數值。這樣在監測時無需開挖安裝剖面和打孔，安裝簡單易行，從而減輕了勞動強度，節省了時間。改進前后不同探針長度傳感器對比圖，見圖1。

2.2 安裝加力手柄

由于40cm深度的土壤為心土層，土壤結構密實，插入探針非常困難，所以本次試驗只在40cm探針長的手柄上安裝了加力裝置，這樣也同時避免了探針插入時出現上下或左右搖晃的現象，提高了監測精度。加力手柄裝置，見圖1中40cm探針長的傳感器。

3 應用試驗及分析

3.1 對比監測

采用改進后的某型號探針式土壤水分采集儀進行監測試驗，稱為儀器法。為了驗證改進后的儀器效果，儀器法與人工取土烘干法進行對比監測。

監測時間：監測時間為2016年8—11月份，共獲得了28組數據。

監測地點：監測地點為吉林省易旱區，分別為長春地區、松原地區、白城地區、吉林地區的土壤墑情自動站附近進行對比監測，基本覆蓋了吉林省中西部地區。

監測深度：儀器法監測的深度分別為0～10cm、0～20cm、0～40cm；人工取土烘干法監測的深度為10cm、20cm、40cm。對應關系為儀器法0～10cm與人工取土烘干法10cm、儀器法0～20cm與人工取土烘干法20cm、儀器法0～40cm與人工取土烘干法40cm。

監測方法：采用人工取土烘干法與儀器法同步進行，儀器法是將監測深度相應長度的探針直接從地表面垂直方式插入采集數據；人工取土烘干法取樣方法是以儀器為中心，距儀器40～50cm范圍內，在儀器周圍呈三角形取不同監測深度的土樣，相同深度取3個土樣，取3個土樣的平均值為該深度的平均重量含水量。對比監測成果見表1。

3.2 誤差分析

本次應用試驗監測數據共28組，相對誤差絕對值最大值18.2%，最小值0.2%，平均值5.0%。依據水利部水文局“土壤墑情監測與信息服務關鍵技術應用研究”課題成果，儀器法監測的土壤含水量與人工取土烘干法測得的土壤含水量相對誤差不超過±15%，將±15%作為控制值，由成果統計表1中的相對誤差，繪制相對誤差控制圖，見圖2。

從圖2可見只有1組監測數據超出相對誤差±15%控制范圍內，只超3%，其他27組都在相對誤差控制范圍內，合格率為96.4%，符合《土壤墑情監測規范》（SL364—2015）準確性評估其值不應小于80%的規定，本次試驗數據滿足精度要求。

4 結論與建議

本次應用為了滿足土壤墑情應急監測的需要及土壤水分采集儀在應用中存在的問題進行了改進和試驗。改進后的土壤水分采集儀，通過本次試驗和對比分析取得了以下結論和建議：

儀器法監測的數據合格率96.4%，滿足規范監測精度要求，所以儀器法監測的0～10cm、0～20cm、0～40cm深度可以替代人工法監測的10cm、20cm、40cm深度；

省時省力，在土壤墑情應急監測中可以實現一天多個土壤墑情應急監測站的監測任務，滿足了應急監測時效性，高效性的要求；

應用到應急監測中，為科學準確評估旱災損失，提供了技術支撐，提高了抗旱減災指揮決策能力，具有推廣使用的價值；

不需要開挖儀器安裝剖面，減少了破壞耕地的面積；

建議探針的直徑至少6mm，以適應干旱時期的土壤板結，保證監測數據的精度；

建議在傳感器的手柄上安裝機械加力裝置，更加省力省時。

作者簡介：馬繼坤（1972-），女，本科，副高級工程師，研究方向：土壤墑情分析與評價。