基于不同干旱分區(qū)的土壤墑情自動監(jiān)測站精度改進(jìn)探究

張 敏

(法庫縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110400)

近些年來，土壤墑情自動監(jiān)測技術(shù)逐步在國內(nèi)得到應(yīng)用，其技術(shù)的發(fā)展對于區(qū)域旱情的自動監(jiān)測和預(yù)警十分重要[1]。但是由于土壤含水量影響因素較多，使得土壤墑情自動監(jiān)測精度一直不高，很難在區(qū)域?qū)嶋H旱情監(jiān)測中得到應(yīng)用和推廣[2]。為提高土壤自動墑情監(jiān)測的精度，許多學(xué)者展開其誤差修正的探討[3- 9]，通過建立土壤自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工測定的土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，基于回歸方程對墑情進(jìn)行修正和改進(jìn)，被許多旱情研究的學(xué)者認(rèn)為是當(dāng)前行之有效的方法，并在一些地區(qū)得到應(yīng)用[10- 15]，但是該方法在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，遼寧省屬于全國典型的干旱區(qū)域，旱情對區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)影響程度較大，為此需要建立精度較高的土壤墑情自動監(jiān)測方法，提高區(qū)域旱情監(jiān)測預(yù)警的時(shí)效性。為此本文主要以遼寧地區(qū)為研究實(shí)例，對遼寧省不同干旱分區(qū)的土壤墑情自動監(jiān)測站精度改進(jìn)對策進(jìn)行分析，研究成果可為遼寧省自動墑情監(jiān)測提供重要的誤差修正方法。

1 土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)修正方法

應(yīng)用最小二乘法對土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸修正，建立的回歸方程主要表達(dá)式為：

θv=av2+bv+c

(1)

式中，θv—土壤墑情監(jiān)測值，%；v—傳感器輸出電壓，V；a，b，c—回歸方程的變量系數(shù)。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)修正后，通過對比人工測定土壤含水率數(shù)據(jù)，分析修正誤差，從而分析其修正后的土壤墑情自動監(jiān)測的精度，當(dāng)誤差絕對值小于5%，符合測定要求，誤差計(jì)算方程為：

(2)

式中，xi—土壤墑情自動監(jiān)測的含水率，%；ai—人工測定的土壤含水率，%；N—對比試驗(yàn)的次數(shù)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼寧省干旱概況

遼寧省干旱主要分為3個分區(qū)，分別為遼寧西部、遼寧中部以及遼寧南部地區(qū)，遼寧西部地區(qū)年降水量在400～600mm之間屬于水資源相對貧乏的區(qū)域，農(nóng)作物產(chǎn)量相對較低，一般較易發(fā)生春旱，農(nóng)作物正常需水量維持在300～450mm之間。遼寧中部屬于平原地區(qū)，年降水量在500～650mm之間，由于地勢較為平坦，因此其土壤較為肥沃，地下水量補(bǔ)給也較為充足。該區(qū)域?yàn)檫|寧省的主要糧食產(chǎn)區(qū)，也是城市工業(yè)集聚地，用水量較為緊張，一旦出現(xiàn)旱情，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失程度較大。遼寧南部較易出現(xiàn)干旱的主要為大連區(qū)域，位于遼東半島的南部，年降水量在550～750mm之間，年降水量較為充沛，但徑流深一般在150～250mm之間，水資源量較為緊張，而大連作為遼寧南部沿海重要的工業(yè)型大城市，其農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及城市生活用水矛盾日益突出，一旦發(fā)生干旱，對于大連區(qū)域影響也較為明顯。

2.2 相關(guān)性分析

結(jié)合3個分區(qū)典型干旱監(jiān)測站點(diǎn)的自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各數(shù)據(jù)類型，結(jié)果見表1—3。

從表1中可看出，不同深度下的自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性總體低于0.5，隨著深度的增加，其相關(guān)系數(shù)有所增加，表中20cm自動B以及30cm自動B為采用日均值處理后的土壤自動墑情觀測值與人工觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析結(jié)果，從表1中可以看出，通過日均值處理后，其相關(guān)系數(shù)相比于處理前有所增加，這是因?yàn)椴捎萌站堤幚砗?，其誤差得到一定程度的均化，使得其相關(guān)系數(shù)有所增加。表2為遼寧中部地區(qū)土壤自動監(jiān)測墑情與人工土壤含水量的相關(guān)性分析結(jié)果，相比于遼寧西部地區(qū)，其相關(guān)系數(shù)有所減小，這主要是因?yàn)檫|寧中部地區(qū)土壤含水量變化影響因素較多，因此其相關(guān)系數(shù)有所減小。而對于遼寧南部地區(qū)而言，其相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步降低，這是因?yàn)檫|寧南部受氣候變化影響較大，干旱發(fā)生程度有時(shí)高于遼寧西部及中部地區(qū)，土壤含水量影響因素更為復(fù)雜，使得其相關(guān)系數(shù)相比于其他2個地區(qū)更有所減少。

2.3 自動墑情數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié)合墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各干旱分區(qū)其與人工觀測數(shù)據(jù)之間的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4—6，并對其誤差直方分布進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

表1 遼寧西部地區(qū)自動土壤含水率與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

表2 遼寧中部地區(qū)自動土壤含水率與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

表3 遼寧南部地區(qū)自動土壤含水率與人工觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果

表4 遼寧西部地區(qū)土壤墑情自動監(jiān)測的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

表5 遼寧中部地區(qū)土壤墑情自動監(jiān)測的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

表6 遼寧南部地區(qū)土壤墑情自動監(jiān)測的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 單位：%

圖1 各干旱分布不同土壤深度下的誤差直方分布結(jié)果

從誤差統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，20、30cm深度下自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的絕對誤差均在20%以上，且各干旱誤差最大值在33.08%～84.71%之間，最低值在-24.60%～-47.36%之間，可見各干旱分區(qū)不同深度下的誤差均較大，且不能有效滿足土壤墑情監(jiān)測的規(guī)范要求。分析其誤差來源，主要受到土壤不同深度含水量的變化影響，在深度20和30cm處的土壤含水量縱向及側(cè)向變化較大，使得其土壤含水量自動監(jiān)測難度較大，此外土壤自動墑情監(jiān)測頻數(shù)及頻率對誤差均值影響也較大。從遼寧西部地區(qū)誤差直方分布結(jié)果可看出，當(dāng)頻數(shù)為25，概率為0.3時(shí)20cm深度下誤差直方最小，30cm深度下頻數(shù)為28，概率為0.45時(shí)誤差直方最小。而對于遼寧中部地區(qū)，當(dāng)頻數(shù)為18，概率為0.3時(shí)20cm深度下誤差直方最小，30cm深度下頻數(shù)為22，概率為0.50時(shí)誤差直方最小。在遼寧南部地區(qū)，當(dāng)頻數(shù)為15，概率為0.5時(shí)20、30cm深度下誤差直方均最小。

2.4 誤差修定曲線

結(jié)合各干旱分布典型土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立不同分區(qū)各干旱深度下的回歸方程，見表7，并制定不同分區(qū)的誤差修訂曲線，結(jié)果如圖2所示。

表7 各干旱分區(qū)誤差修訂回歸方程

圖2 各干旱分區(qū)自動土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差修訂曲線

表7為通過回歸分析得到的各干旱分區(qū)不同土壤深度下的土壤自動墑情數(shù)據(jù)和人工觀測數(shù)據(jù)之間的回歸方程，為對各回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn)，繪制了各干旱分區(qū)的誤差修訂曲線。從圖2中可以看出，采用回歸方程對自動墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后，各深度下自動墑情數(shù)據(jù)和人工測定數(shù)據(jù)之間的吻合度均較好。通過前面的誤差分析可以看出，自動墑情誤差較大的原因主要為各時(shí)間段測定誤差及儀器的頻數(shù)設(shè)置的誤差，通過建立回歸方程，可以對土壤墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差部分消除，提高自動墑情測定的精度，且結(jié)合各分區(qū)不同深度下的誤差修訂曲線，可以對區(qū)域內(nèi)其他墑情站點(diǎn)進(jìn)行誤差消除，提高其自動墑情監(jiān)測精度，從精度評定結(jié)果可看出，相比于修正前，采用誤差修訂曲線進(jìn)行修正后，土壤自動墑情站點(diǎn)監(jiān)測精度提高15%～30%，基本可滿足墑情監(jiān)測的精度要求。

2.5 誤差修正方程對比

結(jié)合不同回歸方程對各自動墑情類型下的誤差精度進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表8—10。其中，BZC為標(biāo)準(zhǔn)差，MAX為最大誤差，MIN為最小誤差，JDWC為絕對誤差。

從不同回歸方程的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果均可看出，隨著回歸次數(shù)的增加，不同類別的誤差均有所減小，這主要是因?yàn)榛貧w次數(shù)的增加，使得各類誤差得到一定程度的均化，但是回歸次數(shù)的不斷增加，也不能完全提高自動墑情的誤差測定精度。從分析結(jié)果可看出，對于遼寧省各干旱分區(qū)而言，采用一元三次回歸方程進(jìn)行誤差修正后，其精度可得到有效提高，可滿足旱情監(jiān)測的精度規(guī)范需求。因此建議在各干旱分區(qū)，隨著自動墑情監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)系列的不斷增加，逐步采用一元三次回歸方程進(jìn)行土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)的修正，提高各區(qū)域墑情監(jiān)測的精度。

3 結(jié)論

(1)在土壤墑情站點(diǎn)建立的初期，由于墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，很難構(gòu)建誤差修正方程，建議可采用日均值的方式，對不同深度下的土壤墑情進(jìn)行誤差修正。

表8 遼寧西部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位：%

表9 遼寧中部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位：%

表10 遼寧南部地區(qū)不同回歸方程修正后各自動墑情數(shù)據(jù)類型下的誤差修正結(jié)果 單位：%

(2)由于建立回歸方程需要的土壤墑情自動監(jiān)測數(shù)據(jù)以及人工觀測數(shù)據(jù)較多，因此可以通過相鄰?fù)寥雷詣訅勄楸O(jiān)測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元數(shù)據(jù)差分，構(gòu)建自回歸方程。

(3)遼寧西部地區(qū)土壤墑情自動監(jiān)測站點(diǎn)頻數(shù)應(yīng)調(diào)節(jié)在25～28之間，遼寧中部地區(qū)應(yīng)在18～22之間，遼寧南部地區(qū)應(yīng)在15～18之間。

(4)本文未對影響土壤墑情自動監(jiān)測精度主要影響因子進(jìn)行分析，在以后研究中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其主要影響因子，從而更有效降低墑情自動監(jiān)測誤差。