DZN2型自动土壤水分监测站与人工观测数据对比分析

解彦维　李泽　杨鹤

摘要 2014年6月农安县根据吉林省人影工程建设要求进行自动土壤水分站建设，为评价DZN2型土壤水分监测站监测能力、服务效益和推广使用提供参考依据，对2014年8月至2015年7月农安县东方红村土壤水分观测站自动站与人工实际观测的土壤体积含水量进行对比评估分析。结果表明：尽管差值对比存在一定误差，但DZN2型自动土壤水分观测站运行良好，自动与人工观测数据的变化规律全部通过相关性检验，一致性表现较好。自动观测资料基本能够代替人工观测的资料。

关键词 DZN2型土壤水分自动站；人工观测；土壤体积含水率；数据对比

中图分类号 P415.12；S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）07-0254-01

土壤水分是植物耗水的主要直接来源，对植物的生理活动有重大影响。掌握土壤水分规律，对农业生产理论研究和实时服务都具有重要意义[1]。目前，我国气象部门在各省级部门都建设了自动土壤水分观测网络，其中DZN2型土壤水分观测仪在我国河南、安徽、吉林等12个省共布设了1 000余套[2]。

1 试验原理与方法

DZN2型自动土壤水分传感器利用频域反射法原理（FDR）由传感器发出100 MHz高频信号，当土壤中的水分变化时，其介电常数相应变化，测量时传感器给出的电容（压）值也随之变化，这种变化量数经过处理得出土壤水分观测值。从而利用DZN2型土壤水分监测站自动监测土壤水分含量。

人工观测数据根据气测函〔2010〕170号《自动土壤水分观测仪对比观测规定》（试行）执行，测定时间为每旬逢3日、8日上午定期人工取土，取土深度与自动土壤水分观测深度相同，每层4个重复，烘干称重并计算。

2 结果与分析

2.1 自动与人工土壤体积含水率差值对比分析

将2014年8月26日至2015年7月28日（共8层、24次）人工和自动站土壤体积含水量对比观测数据资料进行分层对比和差值分析。将每层数据在坐标轴中以时间先后绘成图表。经分析可知，自动与人工观测土壤体积含水率变化趋势基本一致，说明2种观测对土壤水分感应相同。

2.1.1 10 cm深度土壤体积含水率。人工观测数据较自动站观测数据变化波动更大，而自动站相对平缓，根据土壤各层土壤水分体积含水率差值分析，10 cm是各层中平均差值最大的土层。分析原因：10 cm深度土壤水分受环境气候影响的因子较多，地表的土壤水分受地温、降水、灌溉等因素的影响较大。结合本地实际，取土分析时段为农作物生长季，地表覆盖也会对测量数据产生影响。

2.1.2 20 cm深度土壤体积含水率。人工与自动站的数据随时间的变化趋势基本一致，数据波动幅度较10 cm深度小，但波动明显。说明20 cm土层的土壤水分受地温、降水、灌溉等因素的影响也较大。观测环境实际情况，20 cm为玉米生长有效深度，虽然对土壤水分站所在作物地段做相同的田间管理，但是自动站和人工采样仍然存在微小差异。通过对20 cm土壤体积含水率的差值对比分析可知，人工与自动观测的平均差值为1.6%，最大差异出现在2014年9月28日，差值为7.2%，最小差异出现在9月8日，差值为0。

2.1.3 30 cm深度土壤体积含水率。人工与自动站的数据随时间的变化趋势基本一致，人工观测的数据比自动站数据偏大。根据30 cm土壤体积含水率的差值对比分析，人工与自动站观测的平均差值为1.0%，最大差异出现在2014年9月3日，差值为3.6%，最小差异出现在10月18日，差值为0.1%。

2.1.4 深层（40～100 cm）土壤体积含水率。人工观测的数据接近自动站数据或略偏低。本地地下水位大于2 m，地表径流、土壤温度等对深层影响较小。其中40 cm土层9月18日数据差值对比为8.5，考虑40 cm土壤湿度随深度和连续取样数据变化量，分析应为取样错误数据，但是为了保证数据的完整性，未将数据进行删除。根据土壤体积含水率的差值对比分析，50 cm的平均差值为1.1%，60～100 cm平均差值均为1.0%，说明在深层人工与自动站观测数据一致性相对较好。

2.2 概率分析

由农安东方红村人工与自动站观测土壤体积含水率绝对差值在不同数据段出现的概率统计分析：绝对差值的分布规律基本在5%以内，2.5%以内的分布10、20、50 cm分别为54.2%、79.1%、87.5%，在90%以下。其余层次均在90%以上，其中60 cm土层深度，差值在2.5%以内的概率达到了100%。30～100 cm人工与自动土壤体积含水率在1.0%以内均超过了50%，误差较小。差值超过5.0%的土层深度为10、20、40 cm，误差较大，10 cm深度差值在5.0%以上概率为25%，误差最大。结合含水率差值平均值分析，30～60 cm人工与自动观测数据一致性较好，20 cm次之，10 cm相对最差。

2.3 相关性分析

利用Excel软件计算人工与自动站观测数据8个层次的相关系数，其均通过置信水平0.01的检验，都为显著相关。相关系数最小出现在20 cm土层，为0.215，最大出现在60 cm土层，为0.859，这也说明人工与自动观测数据一致性在60 cm土层表现最好。

3 结论与讨论

试验结果表明，不同层次土壤深度，自动站观测数据波动相对平缓，人工观测数据波动相对较大，自动站与人工观测数据的变化幅度随着土层深度增加有变小趋势。其中60～100 cm深度平均差值较小，而表层10～20 cm深度平均差值较大，并且差值超过5%的概率较大，误差稍大。尽管差值对比存在一定误差，DZN2型自动土壤水分观测站运行良好，自动站与人工观测数据的变化规律全部通过相关性检验，一致性表现较好。自动站观测资料基本能代替人工观测的资料。

分析对比观测数据资料，数据偏差原因主要有以下几点。一是土壤湿度观测数据变化受到降水、温度、灌溉、地表覆盖物的影响，作物生长季内，地温高，降水多，观测数据变幅相对较大，误差较明显[3]。二是自动和人工观测的原理不同，仪器探测和人工取土的位置、深度、时间都存在差异，可能造成数据的偏差[4-5]。三是安装自动站前，对大田的土壤常数（土壤容重、田间持水量、凋萎系数）进行准确测定，才能减小人工与自动站观测的数据误差[6-7]。

4 参考文献

[1] 国家气象局.农业气象观测规范：上卷[M].北京：气象出版社，1993：76.

[2] 陈家宙，陈明亮，何圆球.各具特色的当代土壤水分测量技术[J].湖北农业科学，2001（3）：25-28.

[3] 周清，朱保美.DZN1型自动站与人工测定土壤湿度对比分析[J].中国农学通报，2013，29（6）：108-112.

[4] 成兆金，郑美琴，马品印，等.自动土壤水分观测站建设现状及资料分析[J].气象软科学，2007（3）：108-110.

[5] 胡新华，杜筱玲，全根元.人工与自动土壤水分平行观测资料对比分析[J].气象科技，2010，38（2）：239-242.

[6] 买买提.阿布来提，沙比提，欢乐希，等.人工取土烘干称重法观测数据与自动站观测资料差异探讨[J].科研，2015（16）：166.

[7] 钟超.自动气象站与人工站观测结果差异及原因分析[J].陕西水利，2015（6）：208-210.