自动站土壤水分资料与人工观测土壤水分资料的对比分析

摘要 以定西农试站为例，对其自动站观测土壤水分资料和人工观测的土壤水分资料进行对比分析。分析发现：从春季解冻开始，各层土壤水分各要素数值随着时间开始增大，在汛期前后达到最大值，汛期过后，由于降水减少和植被覆盖率降低，各要素的数值均随着时间有波动减弱的趋势。总体而言，人工观测土壤水分资料的各要素值比自动观测的要素值偏大，可能是由于人工观测的地段有植被覆盖，本身蓄水能力比自动观测站所在的地段强，并且有作物种植，有额外的灌溉，这也是造成人工观测土壤水分比自动观测土壤水分资料数值偏大的主要原因之一。

关键词 土壤水分观测；相对湿度；重量含水率；有效水分贮存量

中图分类号：S152.7 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）02–0019-03

土壤水分对农业至关重要，植物生长在土壤中，时刻需要土壤水分的供给。因此，了解土壤水分的意义及其测定方法非常必要。土壤水分含量的多少影响着植物对土壤养分的吸收。对人工与自动土壤水分观测资料数据进行分析研究，不断总结经验，以便进一步提高土壤水分测定的准确性。水分是天然土壤的一个重要组成部分，是构成土壤肥力的一个重要因素，而且其本身是一切植物赖以生存的基本条件[1]。

保持在土壤孔隙中的水分，又称土壤湿度。通常是将土样放在电烘箱内烘干（温度控制在105～110 ℃之间）后，能从土壤孔隙中释放的水量作为土壤含水量。土壤水分并非纯水，而是稀薄溶液，含有胶体颗粒。土壤水分主要来源大气降水和灌溉水，此外，尚有近地面水汽的凝结、地下水位上升及土壤矿物质中的水分。土壤水分依其物理形态可分为固态、气态及液态3种。固态水仅在低温冻结时才存在，气态水常存在于土壤孔隙中，液态水存在于土粒比面和粒间孔隙中[2]。在一定条件下，三者可以相互转化，以液态土壤水分数量较多。土壤水分是植物耗水的主要直接来源，对植物的生理活动有重大影响。土壤水分的测定方法除烘干法外，还有电阻、热扩散、负压计、电容、谐振电容、γ射线衰减、β射线衰减、中子扩散、压力膜等方法。

目前，甘肃省有67个自动观测土壤水分的站点，土壤水分是由土壤水分采集器采集处理后自动上传，自动土壤水分观测仪可以方便、快速地观测同一地点不同层次的土壤水分，能获取具有代表性、准确性、可比性的土壤水分连续观测资料，减轻人工观测劳动量。但在此过程中，难免会存在因为仪器故障或误操作导致的错误。而人工观测靠观测员逐项进行，观测时间跨度较大，由于近地面气象要素随时间而发生变化，人工观测和自动观测时间上的不同步导致2种观测结果出现差异，而这种差异随气象要素的时间变化速率和变化幅度大小而有所不同[3]。一般而言，气象要素随时间的变率越大，则自动站与人工观测数据间的差异越大。通过对定西农试站土壤水分的自动观测和人工观测资料进行对比分析，得出自动观测与人工观测土壤水分资料之间主要存在的差异及其成因，旨在为自动站土壤水分资料在业务方面的应用提供建议，以提高土壤水分自动观测设备在气象领域的可用性。

1 资料和方法

采用定西（站号W4180）2011年12月1日00：00（国际时）至2012年11月30日23：00（国际时）的小时自动站土壤水分资料，随机选取定西农试站烘干称重法测得的2012年全年逢8人工观测土壤水分资料［烘干称重法：用于测定除石膏性土壤和有机土（含有机质20％以上的土壤）以外的各类土壤的水分含量，土壤样品在105±2 ℃烘至恒重时的失重，即为土壤样品所含水分的质量］。

主要就农试站2012年土壤水分自动站资料变化趋势进行了分析，将相应站点的小时自动观测土壤水分资料处理成与人工观测时次一致的资料，并进行对比分析，同时分析了自动土壤水分资料和人工土壤水分资料的相关性。由于浅层土壤的水分对大气的影响是造成天气现象的重要原因之一，还有研究表明，土壤湿度在气候变化过程中的作用仅次于海表温度，它对于区域气候模拟结果有着重要的影响，因此，对浅层土壤的各要素，重量含水率（指土壤中水分的重量与相应固相物质重量的比值）、相对湿度（指在特定温度下的水汽分压和饱和水汽压之比）和有效水分贮存量（单位面积的水层的厚度，即土壤水分总贮存量除去凋萎湿度所占的无效水）重点进行了分析[4]。

2 自动站土壤水分与人工观测土壤水分的变化趋势

图1为2012年定西农试站人工观测和自动观测土壤水分的土壤重量含水率、土壤相對湿度、土壤有效水分贮存量在土壤不同深度随时间的变化情况。可以看出，不论是人工观测还是自动观测，土壤的重量含水率随时间的波动情况是随着土壤深度的加深而趋于平缓的，而且其数值是随着深度增大的。即10 cm土层的重量含水率随着时间的变化波动最为明显，而且其数值相对于20和30 cm土层也是最小的。相对湿度在各层随时间的变化比重量含水率的变化要平缓一些，并且相对湿度的数值在20 cm的浅层是最小的，而在30 cm的浅层是最大的[5]。

就有效水分贮存量而言，人工观测的部分和自动观测的部分同样表明，10和20 cm土层的有效水分贮存量随时间的变化不是很明显，而30 cm的有效水分贮存量随时间的变化而波动非常明显。综合来看，定西人工和自动观测土壤水分各要素在各层次的数值在7月之前都是随着时间波动上升的，并且10 cm的土壤质量含水率和土壤相对湿度在6月28日左右出现了一个峰值。在9月之后各要素在各层次的数值都又随时间波动减小，分析其主要原因可能是汛期降水增多，并且地表植被的覆盖较多，而汛期之后降水减少并且植被覆盖减少。

左侧三幅依次为定西人工观测各层次重量含水率随时间的变化、定西人工观测各层次相对湿度随时间的变化，以及定西人工观测各层次有效水分贮存量随时间的变化；右侧三幅依次为定西自动观测各层次重量含水率随时间的变化、定西自动观测各层次相对湿度随时间的变化、定西自动观测各层次有效水分贮存量随时间的变化。

此外，根据对定西土壤浅层各层（10、20和30 cm）各要素的人工观测和自动观测数值进行对比可知，在土壤解冻的初期（4月之前），人工观测要素和自动观测各要素在各层次的数值差距较大，随着时间的向后推移其差距逐渐减小，并且人工观测的数值总体较自动观测的数值较高。但就变化趋势来看，人工观测的各层各要素与自动观测各层各要素的变化趋势基本一致，只是变化幅度有所不同[6-8]。

3 自动站与人工观测土壤水分的关系

将自动观测土壤水分资料的各层各要素与人工观测土壤水分资料的相关性进行分析，其中纵坐标为相关性系数（图2）。

自动观测土壤水分资料与人工观测土壤水分资料的相关系数为0.82，其中，浅层相关系数为0.942，深层相关系数为0.784。就各要素而言，土壤相对湿度的相关系数为0.957，其在浅层的相关系数为0.797，深层的相关系数为0.957；土壤重量含水率的相关系数为0.954，浅层相关系数为0.604，深层相关系数为0.939；有效水分贮存量的相关系数为0.619，浅层相关系数为0.947，深层相关系数为0.535。总体来说，浅层的相关性要比深层高，并且定西自动观测土壤相对湿度与人工观测数值相关性较高。但就浅层来说，土壤重量含水率与土壤相对湿度的自动观测和人工观测相关深层要比浅层明显得多，有效水分贮存量则是浅层比深层明显。

4 结束语

从定西农试站3个站的自动站观测土壤水分资料和人工观测的土壤水分资料进行对比和分析可知，在汛期前后3个地区的各层（10、20、30 cm）土壤水分要素开始增大，达到最大值，汛期过后各要素有减弱的趋势。这与自然环境的影响密不可分，同时也造成了自动观测和人工观测的差异，但总体来说，根据数据的分析和对比，这种差异并不明显，只是在汛期前后水分含量有明显的变化，其他变化趋势均一致。因此，人工观测和自动站观测的差距主要体现在汛期前后多雨或少雨的季节段。

因此，为了确保数据的精确性，在选择土壤湿度自动观测的场地时应注意，所设置的长期固定的、反映当地自然下垫面、无灌溉状态下的土壤湿度观测地段，地段对所在地区的自然土壤水分状况应具有代表性，所选地区尽量选择在地势平坦的地块，山丘地区应避免选取沟底、山顶、斜坡和积水洼地等地块。在观测上，因土壤水分自动观测采用国际时，以国际时20：00为日界。以自动土壤水分观测仪采集器的内部时钟为观测时钟，采集器与计算机应每小时自动对时1次，以保证两者时钟同步，确保自动站仪器观测数据的精准性。同时，利用定西（站号W4180）基本气象站的人工、自动土壤水分观测资料，通过对人工、自动土壤水分观测方法及资料的对比分析，得出可能影响土壤水分观测精确度的原因及观测注意事项，这对提高土壤水分观测质量及土壤水分自动站的推广和应用具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 胡玉峰.自动与人工观测数据的差异[J].应用气象学报，2004，15（6）：719-726.

[2] 华晓白，陈言照.地温自动站观测与人工观测的数据差异分析[J].福建气象，2007（5）：35-36.

[3] 刘小宁，任芝花，王颖.自动观测与人工观测地面温度的差异及其分析[J].应用气象学报，2008，19（5）：554-563.

[4] 史晓霞.自动站与人工站观测数据的差异对比分析[J].甘肃农业，2012（11）：48-50.

[5] 胡新华，杜筱玲，全根元.人工与自动土壤水分平行观测资料对比分析[J].气象科技，2010，38（2）：239-242.

[6] 张有菊，张晓平，张春，等.济阳自动与人工土壤水分观测数据对比分析[J].山东气象，2012，32（1）：81-83.

[7] 智永明，邵军，张松明，等.土壤水分自动监测与人工测试数据对比分析[J].水利信息化，2013（5）：33-39，44.

[8] 成兆金，徐法彬，马品印，等.农业气象自动站与人工站观测值对比分析[J].气象科技，2008，36（2）：249-252.

责任编辑：黄艳飞

Comparison and Analysis of Soil Moisture Data Between Automatic Station and Manual Observation

Wang Yu-di （Gansu Meteorological Equipment Company， Lanzhou， Gansu 730030）

Abstract Took Dingxi Agricultural Test Station as an example，maked a comparative analysis of the soil moisture data observed by its automatic station and manually. It was found that since spring thawing， the values of each element of soil moisture in each layer begin to increase with time and reach the maximum value around the flood season. After the flood season， due to the reduction of precipitation and the reduction of vegetation coverage， the values of each element have a trend of fluctuation and weakening with time. In general， the element values of manually observed soil moisture data were larger than those of automatically observed data. On the one hand， it may be that the manually observed section is covered by vegetation， its own water storage capacity is stronger than that of the section where the automatic observation station is located， and there is crop planting and additional irrigation， which is one of the main reasons why the manually observed soil moisture data is larger than that of automatically observed soil moisture data.

Key words Soil moisture observation; Relative humidity; Moisture content by weight; Effective moisture storage

作者簡介 王煜迪（1991—），女，甘肃兰州人，助理工程师，主要从事综合气象观测研究。

收稿日期 2022-11-22