新疆土壤水分自动与人工观测资料对比分析

2022-09-11

土壤水分含量及其变化规律的监测是农业气象生态环境及水文环境监测的基础性工作之一, 掌握土壤水分变化规律, 对农业灌溉、土壤墒情与农业干旱的监测预测及相关理论研究具有重要意义[1]。本文运用对比差值、差值概率、相关分析、箱式图分析等方法对新疆4个农业气象试验站固定地段DZN2型土壤水分自动监测与人工平行对比观测的土壤湿度资料进行了统计和一致性分析, 旨在为土壤水分自动站的监测能力、发挥资料应用价值与服务效益提供客观依据[2]。

1 资料与方法

文章选取了全疆仅有的4个固定观测站作为研究对象, 自动观测资料为地表至50 cm (或为地表至100 cm) 处每10 cm一个层次。人工观测资料为同期进行的湿度观测数据, 观测地段属非灌溉自然状态下的同一地块。

人工对比观测方法为每旬逢8日 (即每月的8日、18日、28日) , 定期进行人工取土, 如遇降水大时则取土延迟至第2 d进行。测定方法采用中国气象局《农业气象观测规范》规定的烘干称质量法, 利用公式计算土壤重量含水率。其中w为土壤质量含水率/%;g1:盒质量/g;g2:盒与湿土总质量/g;g3:盒与干土总质量/g。

自动土壤水分传感器直接测得的数据是土壤体积含水量, 以土壤体积含水量与土壤容重的比值换算成土壤质量含水率。

分析方法采用对比差值、差值概率、相关统计法和箱式图分析, 用于分析人工与自动站差值的平均、极大、极小分布, 以及差值在不同数据段出现的概率、两种数据的相关等。

2 数据分析

2.1 自动与人工观测土壤水分对比分析

牧试站位于山区, 地形相对复杂, 因此人为取土时产生了一定的误差, 造成了人工观测数据波动较大, 而自动数据则相对平缓。乌兰乌苏、莎车、东坎3站均处于平原地区, 人工观测取土比较容易, 误差相对较小。

乌兰乌苏站自动观测数据以7月18日为分界点, 之前所有的数据明显比之后所有的数据均大了1倍左右, 但是人工数据则所有的数据均比较平稳, 没有大幅度的变化。表明自动观测由于仪器调整不当会造成非常大的误差。

2.2 差值统计描述

莎车站自动站数据小于人工站, 其他三站基本上是自动站数据大于人工站。从4站的合计看, 40 cm差值均值最小, 牧试站由于是山区站, 可能是因为局地地形对土壤湿度的影响较大, 所以差值均值相对其他3站偏大。从差值均值、标准差、一致率上看, 40~50 cm表现最好。

2.3 差值分析

对自动站与人工站土壤水分数据进行差值分析, 发现各土层的差值表现不同。

牧试站10~20 cm差值自动站明显大于人工站, 波动也很大, 这可能是由于牧试站是山区站, 而山区的水分分布有很强的局地性造成的。其余3个平原站则明显平稳很多。40~50 cm差值变化均相对较小。60~100 cm差值波动呈现相似的趋势。从时间上看, 春季波动相对较大, 夏秋季波动则相对较小。

由4站自动与人工观测数据 (体积含水量) 的差值在不同数据段出现的概率分布来看, 东坎站差值最小, 0~50 cm差值均在5%以内;其次是莎车站, 10、40~60、100 cm差值均在5%以内, 20 cm相对较小, 差值在5%以内的概率为75%;差值最大的是牧试站, 20、30cm差值在5%以内的概率分别为45%和50%, 差值在10%以内的概率均为90%。

从土层深度来看, 10、40、100 cm土层差值较小, 差值在5%以内的概率均在90%以上, 其次是50 cm, 差值在5%以内的概率为88.75%;差值最大的是80cm, 在5%以内的概率为70%。

从各站极值来看, 莎车和东坎数据没有出现在极值中, 极值均是由乌兰乌苏和牧试站两站产生的。在极大差值中最大的差值是乌兰乌苏60 cm土层, 为17.6;在极小差值中最小的差值是牧试站10 cm土层, 为-12.2。

从各土层极值来看, 40 cm土层极大值范围最窄, 在0~6之间;80 cm土层极小值范围最窄, 在-5~-2之间。

2.4 概率分析

从各土层差值出现的概率看, 各层次差值范围比较大, 在-13.3~17.6之间。差值中心虽然在0.0附近, 但分布比较分散, 差值在-1~1之间的概率仅为34%, 在-2~2之间的概率仅为58%。其中0~50 cm各层差值相对集中, 尤其是40 cm和50 cm在-2~2之间的概率分别为75%和70%, 而60、80、100 cm差值分布则比较分散, 尤其是80cm在-2~2之间的概率仅为58%。

2.5 相关性分析

对4个站各层次自动与人工观测的土壤水分数据进行相关分析, 结果如表2所示。从表可知, 乌兰乌苏和莎车站10~50 cm数据显著相关, 尤其是莎车10 cm、乌兰乌苏20 cm和40 cm深度数据的相关系数均超过了0.9, 相关性非常好。

牧试站与东坎的相关性略差于乌兰乌苏和莎车, 其中两站40~50 cm相关性最好, 均为显著相关, 其次是20~30 cm, 而10 cm数据均没有相关性。

深层, 尤其是80~100 cm, 数据显示相关系数非常小。

2.6 箱式图分析

对4站人工与自动数据差值用箱式图进行表示。由图可知, 莎车与东坎的变异程度较小, 乌兰乌苏和牧试站变异程度较大, 其中最大的是牧试站。

从土层深度来看, 0~50 cm土层的变异程度要小于60~100 cm土层。其中30~50 cm土层深度变异度最小。

从异常值分布来看, 牧试站共有7个异常值, 其中有5个均产生在4月18日, 占异常值的70%以上;莎车站也有7个异常值, 其中有5个均产生在7月28日, 占异常值的70%以上。这两个站70%以上的异常值都是产生在一次取土过程中, 而其他时间的测定数据则没有这么明显的变异, 表明人工观测过程中, 由于人为的操作不规范会对数据产生一定的误差。

另外, 从乌兰乌苏站异常值的分布看, 该站共有12个异常值, 其中11个均产生在5月28日到7月18日, 占异常值总数的90%以上, 表明季节也是产生误差的一个原因。

3 结论

通过分析, 得出自动与人工土壤水分观测结果还是存在一定的差异, 这些差异有的可以尽可能的避免, 有的则是无法避免的。产生差异的原因可能是以下几点:一是自动站与人工站虽然地处同一观测地段, 但布点位置还是有一些距离, 而土壤水分分布具有很强的局地性, 因此造成了局地差异;二是人工操作过程中出现的不可避免的误差;三是自动监测站仪器存在的系统偏差造成的差异。以上这3种情况造成的误差都是不可避免的。另外, 还有一种是由于自动观测仪器调整不当造成的非常大的误差, 这就要求技术人员在仪器的操作、维护过程中要按照要求操作, 在一定范围内保证仪器观测的准确性。

摘要：运用对比差值、差值概率、相关分析、箱式图分析等方法对新疆4个农气观测一级站固定地段DZN2型土壤水分自动监测与人工平行对比观测的土壤湿度资料进行了对比分析。结果表明, 自动与人工观测数据在4050 cm土层一致性最好;春季差值波动较大, 夏秋季波动相对较小;地形较复杂的地段, 人工观测数据波动较大;浅土层相关性要好于深土层;自动观测由于仪器调整不当会造成非常大的误差;自动传感器采集的土壤水分数据虽然有一定的偏差, 但基本符合实际情况和土壤水分变化规律。

关键词：土壤水分,自动观测,人工观测,对比分析