GStar-I型自動(dòng)土壤水分儀誤差原因分析

許偉峰,尹貞鈐,張麗娟,馬耀絨

(渭南市氣象局,陜西渭南 714000)

GStar-I型自動(dòng)土壤水分儀誤差原因分析

許偉峰,尹貞鈐,張麗娟,馬耀絨

(渭南市氣象局,陜西渭南 714000)

為提高GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀數(shù)據(jù)質(zhì)量,利用2012—2013年渭南市8個(gè)氣象站土壤水分觀測(cè)固定段自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,并從標(biāo)定區(qū)間及方法、土壤凍結(jié)、儀器跳變、觀測(cè)環(huán)境、人工取土等6個(gè)方面分析誤差原因,得出提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法與建議。

GStar-I型自動(dòng)土壤水分儀；誤差原因；建議

GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀是利用頻域反射法原理測(cè)定土壤體積含水率的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器,可以方便、快速地在同一地點(diǎn)進(jìn)行不同層次土壤水分觀測(cè)。目前,渭南市投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行的GStar-I自動(dòng)土壤水分儀13套,利用2012—2013年全市8個(gè)氣象站土壤水分觀測(cè)固定段自動(dòng)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)兩者誤差較大,自動(dòng)土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)存在部分?jǐn)?shù)據(jù)失真的現(xiàn)象,不能滿足干旱監(jiān)測(cè)需求。因此,分析研究自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)誤差原因,找出解決方法,以獲取具有代表性、準(zhǔn)確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測(cè)資料,為干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 誤差原因分析

1.1 標(biāo)定區(qū)間誤差

自動(dòng)土壤水分儀采集器標(biāo)定由臺(tái)站和廠家共同完成。 《自動(dòng)土壤水分觀測(cè)規(guī)范 (試行)》規(guī)定[1],自動(dòng)土壤水分儀傳感器在進(jìn)行田間標(biāo)定時(shí),以儀器觀測(cè)的10cm土壤體積含水率(Q)變化為判斷標(biāo)準(zhǔn),在Q＜10%、10%≤Q＜15%、15%≤ Q＜20%、20%≤Q＜25%、25%≤Q＜30%、30%≤Q＜35%和Q＞35%等7個(gè)不同區(qū)間進(jìn)行相應(yīng)的人工對(duì)比觀測(cè),原則上每一個(gè)土壤體積含水率等級(jí)樣本數(shù)不少于4個(gè),總樣本數(shù)不少于30個(gè)。但在實(shí)際對(duì)比觀測(cè)中,由于受到業(yè)務(wù)管理部門(mén)規(guī)格的對(duì)比觀測(cè)時(shí)段的限制,對(duì)比觀測(cè)未跨越干濕兩季,樣本分布集中,部分區(qū)間未涉及或樣本數(shù)少于4個(gè),未滿足標(biāo)定要求,造成標(biāo)定后數(shù)據(jù)在此區(qū)間誤差較大,部分失真。如蒲城站2009年12月—2010年7月標(biāo)定時(shí)段對(duì)比觀測(cè)期間,自動(dòng)土壤體積含水率2.5%～21.7%,數(shù)據(jù)集中在4%～20%,包含4個(gè)土壤體積含水率區(qū)間(表1), 20%～25%區(qū)間樣本數(shù)2個(gè),25%以上無(wú)對(duì)比樣本。

表1 蒲城站2009年12月—2010年7月標(biāo)定時(shí)段對(duì)比觀測(cè)樣本區(qū)間分布

1.2 標(biāo)定方法誤差

自動(dòng)土壤水分儀采集器由廠家采用D值標(biāo)定法 (即平移法)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定。D值法是建立在相同土壤性質(zhì)具有相同標(biāo)定曲線的基礎(chǔ)上,人工數(shù)據(jù)與自動(dòng)數(shù)據(jù)誤差在不同土壤含水率區(qū)間均勻分布,標(biāo)定效果較好,誤差分布不均標(biāo)定效果較差。如蒲城站2013年3月8日—9月18日(土壤水分逢8觀測(cè),共20組數(shù)據(jù))、白水站2013年3月8日—8月8日(共16組數(shù)據(jù))0～10cm人工和自動(dòng)土壤體積含水率曲線趨勢(shì)一致(圖1、圖2),蒲城站差值均勻,白水站差值分布不均。依據(jù)文獻(xiàn) [2]中干旱指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)(輕旱、中旱、重旱三個(gè)等級(jí)土壤相對(duì)濕度各相差10%),將D值標(biāo)定后自動(dòng)站土壤相對(duì)濕度與人工觀測(cè)的誤差≤10%作為達(dá)到標(biāo)定效果的判定標(biāo)準(zhǔn),蒲城站標(biāo)定后誤差≤10%的數(shù)據(jù)占75%,標(biāo)定效果良好；白水站標(biāo)定后誤差≤10%的數(shù)據(jù)占25%,標(biāo)定效果較差。

圖1 蒲城站2013-03-08—09-18人工、自動(dòng)觀測(cè)及D值標(biāo)定的體積含水率序列

圖2 白水站2013-03-08—08-18人工、自動(dòng)觀測(cè)及D值標(biāo)定的體積含水率序列

1.3 土壤凍結(jié)誤差

基于FDR頻域反射原理的土壤水分傳感器利用LC振蕩電路產(chǎn)生的高頻電磁波,在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),進(jìn)而通過(guò)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系反演土壤水分[3],由于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于冰的介電常數(shù)[4](水的介電常數(shù)為81,冰為3.2),根據(jù)土壤介電常數(shù)Dobson半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚5],土壤介電常數(shù)的公式為

式中,εs為土壤中固態(tài)物質(zhì)介電常數(shù),ε′fw為自由水介電常數(shù)實(shí)部,ρb為土壤體積質(zhì)量,ρs為土壤中固態(tài)物質(zhì)密度,mv為土壤體積含水率,α為常數(shù),β′為參數(shù)。冬季土壤凍結(jié)后,土壤中水分由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),冰的介電常數(shù)小,測(cè)量到的土壤體積含水率也變小。土壤解凍后,土壤中冰融化為水,水的介電常數(shù)大,測(cè)量到的土壤體積含水率也變大。因此,在土壤開(kāi)始凍結(jié)至完全解凍這一區(qū)間,土壤水分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較土壤實(shí)際含水率明顯偏小,土壤完全凍結(jié)時(shí)誤差最大。從華陰站2013年冬季0～40cm土壤水分變化曲線 (圖3)可看出,曲線受土壤凍結(jié)變化影響,溫度降低曲線下降；土壤完全凍結(jié),曲線維持在固定范圍；溫度升高曲線上升；土壤融化,曲線恢復(fù)正常。

圖3 華陰站2012-12-15—2013-02-13自動(dòng)觀測(cè)0～40cm土壤水分變化

1.4 儀器跳變誤差

自動(dòng)土壤水分儀在業(yè)務(wù)運(yùn)行中,數(shù)據(jù)常出現(xiàn)跳變,跳變幅度較大時(shí),影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。一是更換儀器造成數(shù)據(jù)跳變。2015年1月5日14—15時(shí),白水站更換自動(dòng)土壤水分儀新型傳感器一套,由于新舊傳感器標(biāo)定參數(shù)不同,造成數(shù)據(jù)跳變,其中10～20cm土層,體積含水率變化8.3%,土壤墑情2h內(nèi)由輕旱變?yōu)闈駶?rùn)(圖4)。二是儀器故障造成跳變。2012年7月31日00—02時(shí),蒲城站自動(dòng)土壤水分儀遭受雷擊,0～100cm8個(gè)層次土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)均出現(xiàn)跳變,0～10cm數(shù)據(jù)跳變幅度最大,跳增12.5%。三是跳變?cè)虿幻鳌?012年10月1日10—11時(shí),白水站0～20cm自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度跳變,0～10cm跳變1.3%、10～20cm跳變-0.6%,由于臺(tái)站未建立儀器更換、故障、維修,維護(hù)等記錄檔案,儀器跳變?cè)驘o(wú)法查明。

圖4 白水站2015-01-05T20—06T08自動(dòng)觀測(cè)土壤水分變化

1.5 觀測(cè)環(huán)境誤差

自動(dòng)土壤水分固定觀測(cè)場(chǎng)地應(yīng)選擇在長(zhǎng)期固定的、反映當(dāng)?shù)刈匀幌聣|面、無(wú)灌溉狀態(tài)[1]下的地段,土層應(yīng)均勻,無(wú)爐渣、石塊、磚塊等雜質(zhì)。大荔自動(dòng)土壤水分儀安裝在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)外圍欄之間,滿足長(zhǎng)期固定和無(wú)灌溉要求,但下墊面存在小石塊、樓板碎塊墊層,造成自動(dòng)土壤水分曲線常年在固定范圍內(nèi)變化,土壤過(guò)濕和干旱時(shí)段數(shù)據(jù)誤差大(圖5)。2012年3月8日—2013年9月18日,30～40cm人工觀測(cè)體積含水率變化范圍為10.3%～28.0%,數(shù)據(jù)跨度達(dá)17.7%,自動(dòng)觀測(cè)體積含水率為13.4%～18.9%,數(shù)據(jù)跨度5.5%,跨度相差12.2%；40～50cm人工測(cè)值變化范圍為9.2%～24.5%,數(shù)據(jù)跨度

圖5 大荔站2012-03-08—2013-09-08人工和自動(dòng)站

土壤體積含水率曲線(a30～40cm；b40～50cm) 15.3%,自動(dòng)測(cè)值為12.2%～17.1%,數(shù)據(jù)跨度4.9%,跨度相差10.4%?？梢?jiàn),觀測(cè)環(huán)境對(duì)自動(dòng)土壤水分儀器的靈敏度影響較大。

1.6 人工取土誤差

農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)規(guī)范規(guī)定[6],人工取土?xí)r提出土鉆,應(yīng)將鉆頭零刻度以下和土鉆開(kāi)口處的土壤及鉆頭口外表的浮土去掉,然后將土鉆放平,采用剖面取土的方法,迅速刮取土樣40～60g,放入盒內(nèi)。實(shí)際工作中部分業(yè)務(wù)人員取土方法不正確,造成人工與自動(dòng)數(shù)據(jù)誤差。一是提出土鉆時(shí)將鉆孔周圍土壤碰落孔內(nèi)；二是未去掉鉆頭零刻度以下和土鉆開(kāi)口處土壤及鉆頭口外表的浮土；三是將土鉆直立或傾斜,用小刀從上至下刮取土樣,未采用刨面取土；四是土樣重量大于60g,個(gè)別達(dá)90～100g。

2 對(duì)策及建議

(1)針對(duì)人工對(duì)比觀測(cè)未跨越干濕兩季,樣本分布集中的問(wèn)題,必要時(shí)可采用人工造墑方法,使樣本滿足標(biāo)定需求。

(2)土壤水分受土壤容重、類型、質(zhì)地、田間持水量及植物根系等影響較大,同一土壤類型同一田塊不同地點(diǎn)測(cè)量的土壤水分均有差異。因此,采集器標(biāo)定宜采用多項(xiàng)式擬合方法效果更優(yōu)。

(3)自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)受土壤凍結(jié)影響較大,因此在使用冬季土壤凍結(jié)時(shí)段自動(dòng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí),應(yīng)結(jié)合土壤溫度、凍土、降水等資料鑒別使用,土壤完全凍結(jié)后,停止使用,以提高監(jiān)測(cè)和服務(wù)準(zhǔn)確率。

(4)新舊傳感器標(biāo)定參數(shù)差異大,更換后應(yīng)重新進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)和標(biāo)定。

(5)自動(dòng)土壤水分儀安裝地段土壤質(zhì)地不均勻,嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)質(zhì)量時(shí),應(yīng)重新選址安裝。

(6)加強(qiáng)人工取土方法的學(xué)習(xí)與培訓(xùn),嚴(yán)格按照農(nóng)氣觀測(cè)規(guī)范要求取土、稱量和計(jì)算。

(7)加強(qiáng)自動(dòng)土壤水分儀日常維護(hù)。一是建立儀器更換、故障、維修以及數(shù)據(jù)跳變、異常記錄檔案。二是加強(qiáng)日常儀器巡視,注意檢查儀器周圍土壤覆蓋情況,排除干旱時(shí)土壤龜裂和雨澇時(shí)土壤下陷造成數(shù)據(jù)誤差。

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1006-4354(2015)04-0042-04

2015-04-13

許偉鋒(1977—),男,陜西韓城人,漢族,學(xué)士,工程師,從事農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。