抚顺地区自动土壤水分站的布局与应用

赵超+李炳昆++米雷++吴佳丽++赵刚++乔延艳++范存飞++张鹏++肇振国++殷宇飞++宁大可++郑国伟++胡玉++张茗郡

摘要 自动土壤水分站是近些年普遍投入使用的测量土壤各参数的精密气象仪器。介绍了抚顺地区自动土壤水分站的布局，从土壤水分传感器工作原理、仪器标定与数据订正、野外实地标定与实验室标定结合方法等方面介绍了自动土壤水分站的应用情况，以期为气象部门提供更准确的基础数据服务。

关键词 土壤水分站；仪器标定；布局；应用；辽宁抚顺

中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）20-0178-02

农业气象及环境监测的基础性工作之一是土壤水分监测，即测定土壤水分存量及其动态变化。掌握土壤水分变化情况可以为农业生产提供基础数据，有利于干旱的预测，并对相关生态环境监测和理论研究提供帮助。通过自动土壤水分站与人工测墒数值进行比对后，正式投入业务运行。通过全市范围内的合理布局，可以实时监测本区域内的土壤水分变化，进而为气象部门提供更好的气象为农服务提供理论依据。

1 抚顺地区自动土壤水分站的布局

抚顺地处辽宁东部山区，历年来每逢2月28日至5月28日监测土壤水分情况，各地采取人工测墒的方式其测量深度有所差异。自2010年秋季以来，全省开始购置自动土壤水分站分区域安装，其中抚顺地区分配2台仪器，分别在抚顺县石文镇和新宾县红升乡。安装之后运行稳定，每分钟都会采集10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 cm的土壤水分数据。但是第一批设备的传感器是针始传感器，需要挖表面积2 m2、深度1 m的深坑，将各层的测量探针排序插入土中，将土掩埋后再进行人工对比观测6个月，最终投入使用。2011—2016年6年中，2套设备运行稳定、数据可靠，为农事生产提供各方面的土壤水分数据。

抚顺县石文镇和新宾县红升乡分别在抚顺西南部和抚顺东部，土壤水分监测不能完全覆盖整个城市，2016年底抚顺市气象局购置4套新型自动土壤水分站，分别建在抚顺县后安镇、新宾县永陵镇、清原县清原镇和清原县大孤家镇，分别地处抚顺的南部、东南部、东北部和北部。如此一来，6套自动土壤水分站同时业务运行，数据的使用基本可以代表整个抚顺地区。从表1可以看出，抚顺县、清原满族自治县及新宾满族自治县播种面积和总产量占抚顺地区总产量很大比重，因而土壤水分站的布局具有地域合理性。

2 自动土壤水分站的应用

2.1 土壤水分传感器工作原理

土壤水分传感器是基于频域反射法（frequency domain reflectometry，FDR）工作的。传感器的构成主要包括一个电容，其周围土壤水分的变化引起电容值发生相应改变，从而使LC振荡器频率变化，振荡回路产生的频率大小随土壤介电常数而改变，通过信号转换和修正处理以后，可以计算出土壤水分的数值。

整体的土壤视为由3种物质组成，即水、空气及固态土，其中，把空氣的介电常数设为1；水、固态土的介电常数分别为80.4、3.0～7.0。

2.2 自动土壤水分观测仪标定以及数据订正

自动土壤水分观测仪测定的土壤电导率受到安装处植被覆盖度及类型、土壤剖面组织层、土壤类型等的影响，其中，土壤水（或孔隙水）电导率、土壤孔隙的数量及大小是主要的决定因素[1-2]。由于土壤质地、密度各不相同，因而土壤各粒径含量比例不同，砂粒、粉粒和黏粒中，黏粒含量的多少对土壤的介电特性有一定的作用。对于不同的土壤，由于电导率的影响，特别是土壤的酸碱度影响，不能使用通用的标校公式，需要对具体的土壤类型进行标定及数据订正，以获得正确的土壤含水量。

主要标定仪器及材料：烘箱为（105 ℃）自动控温烘箱；铝盒直径70、100 mm；环刀体积100 cm3；天平为电子天平，最小感量0.01 g、满量程500 g，用于测量环刀土样；试验容器材质为雅克力，厚度5 mm、高度18 cm、直径30 cm；土筛为200目孔筛；喷壶；试验用水为蒸馏水或纯净水。

2.3 野外实地标定与实验室标定结合方法

2.3.1 新型标定方法主要内容。合适尺寸的带刃口钢制试验容器用于从田间分层次取回土样，通过试验获得烘烤试验容器中大量土样的时间，使得标准土柱中土壤体积含水量人为控制成5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等，分别测量各传感器在标准土柱中的频率，用烘干法获得标准土柱中实际土壤体积含水量，在传感器电信号（归一化频率，SF）与土壤体积含水量关系（SF=A×θVB）基础上确定人工与仪器观测数据的拟合方程，获得传感器电信号（频率）与土壤体积含水量之间关系新的参数。

2.3.2 实验室标定方法、人工对比观测的缺点。实验室标定时因为除去土样中根系、杂草、砾石等，风干（烘干），过孔筛，逐层夯实湿土样到试验容器中，得到的土样其土壤质地、容重、土壤孔隙的数量及大小、土壤的粒径即砂粒、粉粒和黏粒含量与实际的土壤环境不符。采用人工对比观测时，因受到当地气候的影响而无法获得跨越干湿季、样本分布均匀、能够代表当地土壤水分含量范围的对比观测数据。此外，人工对比观测人员素质参差不齐、观测时间长、取土劳动强度大，导致观测数据误差大[3-4]。

2.3.3 新型标定方法优点。获得土样时保留了原来的土壤质地、容重、土壤孔隙的数量及大小、土壤不同粒径（砂粒、粉粒和黏粒）含量。保留了野外实地标定在实际的土壤环境中进行，取得的数据能够更客观地反映土壤的实际情况，得到的传感器标定参数更准确。避免了野外标定方法在野外营造低湿环境通常需要3个月（特别是在南方地区，需要的时间会更长）因而不太适合实际应用的缺点。保留了实验室标定可以人为控制土样含水量区间，获得土壤体积含水量分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%等的标准土样的优点。如果土壤的均匀性比较好，利用该新型标定方法完全可以替代人工对比观测[5]。

3 结语

自动土壤水分站从选址安装到投入使用需要3～5个月的时间，在此期间内的各种参数设定和计算也尤为关键，具体步骤可以参详观测规范。各地可根据自身地理位置合理布局、正确使用，以确保土壤水分站发挥其最大效能。

4 参考文献

[1] 单新兰，张吉周，李新庆，等.自动土壤水分站资料质量控制及其相关关系分析[J].安徽农业科学，2015，43（3）：236-237.

[2] 王海英，黄中雄，阳擎.南宁土壤水分站自动监测土壤湿度数据质量分析[J].气象研究与应用，2008（1）：78-79.

[3] 郭旭，龙柯吉，赵旋，等.四川地区自动土壤水分站数据质量控制方法研究[J].高原山地气象研究，2017，37（2）：90-95.

[4] 周旭辉，王黎明，王建波，等.FDR自动土壤水分数据标定问题及解决方法[J].气象科技，2016，44（4）：535-541.

[5] 王建荣，江双伍，董得保.自动观测土壤体积含水量实时资料自动质量控制方法[J].计算技术与自动化，2013，32（4）：134-137.endprint