改进后的探针式土壤水分采集仪应用试验

马继坤　辛玉琛

摘 要：吉林省是旱灾频发的省份之一，随着近几年的气候变化，旱情在吉林省几乎年年发生。土壤墒情应急监测是开展旱情监测的有效手段，而目前的监测方式很难应用到应急监测中，针对以往工作中存在的问题，对某型号探针式采集仪在吉林省中西部进行改进试验。本次对某型号土壤水分采集仪探针的长度和传感器手柄进行了改进，采用改进后的探针式土壤水分采集仪采集的数据与人工取土烘干法监测数据进行了对比分析，分析结果是相对误差合格率为96.4%，符合《土壤墒情监测规范》（SL364—2015）准确性评估其值不应小于80%的规定。通过本次应用试验，得出了改进后的某型号探针式土壤水分采集仪应用在土壤墒情应急监测中不仅满足时效性，高效性的要求，而且也满足监测精度要求，能够科学准确评估旱灾损失，提高了抗旱减灾指挥决策能力，具有推广使用的价值。

关键词：土壤墒情应急监测；改进后的探针式土壤水分采集仪；对比监测；旱情

中图分类号：S-3 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180532006

吉林省是农业大省，中西部又是粮食主产区，旱灾是吉林省主要自然灾害之一，全省中西部发生频率较高，几乎是年年有旱，区域性中度以上（含中度）干旱时有发生。旱灾不仅对农业生产和农村经济发展产生了不利影响，同时对全省城乡人民生活和城乡经济发展也构成了一定的威胁。土壤墒情应急监测是开展旱情监测的有效手段，也是对固定墒情监测站的必要补充，可以有效掌握受旱区域的发展变化，科学准确评估旱灾损失，而且机动灵活，投资少，成本低，是旱情监测优先选用方法之一。目前，探针式土壤水分采集仪是应急监测的手段之一，它应用的准确性和适用性显得尤为关键。

1 基本情况

土壤墒情应急监测站是根据抗旱工作需要，临时布设在非固定地块、不连续观测的监测站，也称临时土壤墒情监测站。目前，吉林省旱情应急监测站共布设129处，覆盖全省9个市（州），其中中西部地区布设93处，占全省72.1%。2014年，吉林省中西部发生了较为严重的伏旱，启动了旱情应急监测响应。采用人工取土烘干法进行监测，投入了大量的人力物力，也不能为政府提供及时的旱情信息，满足不了数据的时效性。近2a由于科技的发展，土壤水分采集仪广泛应用到了土壤墒情监测中，但在监测过程中发现存在以下问题。

1.1 劳动强度大，用时长

探针式土壤水分采集仪有水平和垂直2种插入方式，2种插入方式安装仪器时都需要开挖安装剖面。水平插入方式需用挖土锹开挖一个土槽，开挖尺寸为0.7m（长）×0.4m（宽）×0.5m（深）。垂直插入方式用取土打孔钻（带有刻度的圆钢管/洛阳铲等）在垄台（地表面）打孔。当发生中度以上（含中度）干旱时，干土层较厚，土壤板结，水平插入方式需要用镐开挖才能完成安装剖面，劳动强度很大，用时较长；垂直插入方式打孔钻打孔需要夯击才能完成，同样费时费力。

1.2 探针插入困难，影响监测精度

旱情发生时水平和垂直插入探针都非常吃力，插入时会出现上下或左右摇晃的现象，使得探针与原状土接触不实，监测到的数据精度受到影响。

可见以往探针式土壤水分采集仪应用到应急监测中费时费力，还影响数据精度，给实际工作造成很大困难，需要做一定的改进。

2 改进的方法

本次应用试验，主要是为了满足土壤墒情应急监测的需要，对某型号探针式土壤水分采集仪进行改进，试验采用垂直插入方式进行。

2.1 改变探针长度

将等长度的探针分别制作成10cm、20cm、40cm的长度。用10cm、20cm、40cm的探针分别监测《土壤墒情监测规范》（SL364—2015）三点法10cm、20cm、40cm深度的数值。这样在监测时无需开挖安装剖面和打孔，安装简单易行，从而减轻了劳动强度，节省了时间。改进前后不同探针长度传感器对比图，见图1。

2.2 安装加力手柄

由于40cm深度的土壤为心土层，土壤结构密实，插入探针非常困难，所以本次试验只在40cm探针长的手柄上安装了加力装置，这样也同时避免了探针插入时出现上下或左右摇晃的现象，提高了监测精度。加力手柄装置，见图1中40cm探针长的传感器。

3 应用试验及分析

3.1 对比监测

采用改进后的某型号探针式土壤水分采集仪进行监测试验，称为仪器法。为了验证改进后的仪器效果，仪器法与人工取土烘干法进行对比监测。

监测时间：监测时间为2016年8—11月份，共获得了28组数据。

监测地点：监测地点为吉林省易旱区，分别为长春地区、松原地区、白城地区、吉林地区的土壤墒情自动站附近进行对比监测，基本覆盖了吉林省中西部地区。

监测深度：仪器法监测的深度分别为0～10cm、0～20cm、0～40cm；人工取土烘干法监测的深度为10cm、20cm、40cm。对应关系为仪器法0～10cm与人工取土烘干法10cm、仪器法0～20cm与人工取土烘干法20cm、仪器法0～40cm与人工取土烘干法40cm。

监测方法：采用人工取土烘干法与仪器法同步进行，仪器法是将监测深度相应长度的探针直接从地表面垂直方式插入采集数据；人工取土烘干法取样方法是以仪器为中心，距仪器40～50cm范围内，在仪器周围呈三角形取不同监测深度的土样，相同深度取3个土样，取3个土样的平均值为该深度的平均重量含水量。对比监测成果见表1。

3.2 误差分析

本次应用试验监测数据共28组，相对误差绝对值最大值18.2%，最小值0.2%，平均值5.0%。依据水利部水文局“土壤墒情监测与信息服务关键技术应用研究”课题成果，仪器法监测的土壤含水量与人工取土烘干法测得的土壤含水量相对误差不超过±15%，将±15%作为控制值，由成果统计表1中的相对误差，绘制相对误差控制图，见图2。

从图2可见只有1组监测数据超出相对误差±15%控制范围内，只超3%，其他27组都在相对误差控制范围内，合格率为96.4%，符合《土壤墒情监测规范》（SL364—2015）准确性评估其值不应小于80%的规定，本次试验数据满足精度要求。

4 结论与建议

本次应用为了满足土壤墒情应急监测的需要及土壤水分采集仪在应用中存在的问题进行了改进和试验。改进后的土壤水分采集仪，通过本次试验和对比分析取得了以下结论和建议：

仪器法监测的数据合格率96.4%，满足规范监测精度要求，所以仪器法监测的0～10cm、0～20cm、0～40cm深度可以替代人工法监测的10cm、20cm、40cm深度；

省时省力，在土壤墒情应急监测中可以实现一天多个土壤墒情應急监测站的监测任务，满足了应急监测时效性，高效性的要求；

应用到应急监测中，为科学准确评估旱灾损失，提供了技术支撑，提高了抗旱减灾指挥决策能力，具有推广使用的价值；

不需要开挖仪器安装剖面，减少了破坏耕地的面积；

建议探针的直径至少6mm，以适应干旱时期的土壤板结，保证监测数据的精度；

建议在传感器的手柄上安装机械加力装置，更加省力省时。

作者简介：马继坤（1972-），女，本科，副高级工程师，研究方向：土壤墒情分析与评价。