土壤水分自动观测与人工观测资料对比分析

刘立斌 刘晓凤

摘 要：利用索伦气象站土壤水分的自动观测与人工观测资料，分析了自动观测与人工观测值之间的差值以及相关系数。结果表明：索伦站土壤相对湿度的自动观测与人工观测值存在一定偏差，总体自动观测高于人工观测，整体一致性较高，两者在浅层10 cm土层的平均差值最小，在20 cm土层的相关性最好；在20 cm土层的平均差值最大，40 cm土层的相关性相对最差。自动观测和人工观测的偏差受仪器故障等问题影响，随着降水增多也会出现变化。对比分析了兴安盟索伦气象站自动土壤水分观测资料及人工观测土壤水分资料，总结两者之间存在的差异以及引起差异的可能原因，旨在提高土壤水分自动观测数据精准性及可用性。

关键词：土壤水分；自动观测；人工观测；资料对比分析

中图分类号：S152.7 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）02–00-03

土壤水分是植物生长发育的必要条件，对于农业生产中至关重要，气象部门开展土壤水分的观测可以准确了解每个区域内的土壤水分状况，并根据实时获取到的数据制作各类相关的服务产品，为农业生产提供气象服务，帮助农民合理调整灌溉计划，最大程度地提高水资源利用率，避免水分浪费和土壤盐碱化等问题，实现农业丰产[1]。

目前，兴安盟索伦气象站主要采用自动土壤水分观测仪完成对土壤水分的观测，该仪器可在同一个地点快速对不同层次的土壤水分进行连续观测，由土壤水分采集器采集处理然后自动上传，相较于人工观测，其获取的土壤水分数据具有较高的连续性、代表性、准确性及可比性，且人工观测劳动强度较低[2]。然而，在自动观测的过程中，仪器设备故障或不当操作等情况均可导致数据异常或缺测。同时，依靠观测员开展的人工观测需要逐项进行，观测时间跨度大，且会受到近地面气象要素随时间变化而变化的影响。因此，人工观测和自动观测在时间上会发生不同步，导致观测结果出现偏差[3]。

1 资料与方法

以索伦观测站（站号50834）的土壤水分资料为研究对象，观测资料为地表至40 cm处每10 cm为1个层次，共4个土层的土壤相对湿度，观测地段为非灌溉自然状态下的同一地块。其中自动站土壤水分资料观测时段为2020年4月1日00：00至2023年7月31日23：00，人工观测土壤水分资料观测时段为2017年3月8日至2021年3月8日的00：00，随机选取出小时自动观测土壤水分资料与人工观测时次相一致的资料。采用对比法、相关性分析法等在不考虑其他因素影响的前提下，对比分析自动观测土壤水分资料与人工观测土壤水分资料的差值及发生概率，并讨论索伦站自动土壤水分资料和人工土壤水分资料的相关性。

2 结果与分析

2.1 土壤水分的自动观测与人工观测差值

分析10、20、30和40 cm这4个土层土壤相对湿度的自动观测值和人工观测值之间的差值，由表1可以看出，不同的土层存在着不同情况。对于10 cm土层的土壤相对湿度，自动观测和人工观测数据的平均差值为1.9%，最大差值为8.1%，出现在2020年5月8日，最小差值为0，2020年6月4日00：00时的自动观测与人工观测值一致；20 cm土层的土壤相对湿度，自动观测和人工观测数据的平均差值为12.8%，最大差值为15.5%，出现在2020年6月4日，最小差值为9.7%，出现在2020年4月23日；对于30 cm土层的土壤相对湿度，自动观测和人工观测数据的平均差值为8.4%，最大差值为10.7%，出现在2020年6月4日，最小差值為4.9%，出现在2020年5月8日；40 cm土层的土壤相对湿度中，自动观测和人工观测数据的平均差值为5.7%，最大差值为17.2%，出现在2020年5月8日，最小差值为3.4%，出现在2020年5月3日。

4个土层的土壤相对湿度中，以20 cm土层土壤相对湿度的平均差值最大，其次是30 cm土层，最小的是10 cm土层；而最大差值则以40 cm土层相对湿度的平均差值最大，其次才是20 cm土层，最小的是10 cm土层；最小差值中，以20 cm土层为最大，其次是30 cm土层，最小为10 cm土层。

2.2 土壤相对湿度的自动观测与人工观测值的相关性分析

2.2.1 10 cm土层

由图1可以看出，10 cm土层的土壤相对湿度，自动观测值总体上高于人工观测值，但在2020年5月23和28日时出现低于人工观测值的现象。10 cm土层差值相对较小，其中差值在0%～1.0%的出现概率为66.7%，差值在1.0%～5.0%的概率为11.1%，差值在5.0%～10.0%的概率为22.2%。自动观测值与人工观测值的相关系数为0.935 1，通过置信水平0.001的检验，表现为显著相关，其中2020年4月的相关系数几乎达到1，相关性最高，2020年5月的相关系数也达到0.916 5，相关性均较高。

2.2.2 20 cm土层

根据索伦站20 cm土壤相对湿度的自动与人工观测值曲线图（图2）可以看出，20 cm土层的土壤相对湿度观测值，自动观测均高于人工观测的数值。20 cm土层的2种观测值差值明显高于10 cm土层，其中差值在10.0%以下的出现概率为11.1%，差值在10.0%～15.0%的出现概率为77.8%，差值在15.0%以上的出现概率也为11.1%。20 cm土层土壤相对湿度的自动观测与人工观测值的相关系数为0.986 4，通过置信水平0.001的检验，表现为显著相关；其中2020年4月的相关系数为1，相关性最高，2020年5月的相关系数也达到0.986 3，相关性均较高。

2.2.3 30 cm土层

由索伦站30 cm土壤相对湿度的自动与人工观测值曲线图（图3）可以看出，30 cm土层的土壤相对湿度观测值对比与20 cm基本一致，自动观测也均高于人工观测。30 cm土层的2种观测值差值明显高于20 cm土层，其中差值在5.0%以下的出现概率为11.1%，差值在5.0%～9.0%的出现概率为55.6%，差值在9.0%～13.0%的出现概率也为33.3%。30 cm土层土壤相对湿度的自动观测与人工观测值的相关系数为0.981 8，通过置信水平0.001的检验，表现为显著相关；其中2020年4月的相关系数为1，相关性最高，2020年5月的相关系数也达到0.964 5，相关性也较高。

通过索伦站40 cm土壤相对湿度的自动与人工观测值曲线图（图4）可以看出，40 cm土层的土壤相对湿度观测值的差值与20 cm土层、30 cm土层的土壤相对湿度自动观测值均高于人工观测值不同，40 cm土层的土壤相对湿度自动观测值，9个时段中有8个时段低于人工观测值，仅在2020年5月8日高于人工观测值，也是这4组序列中自动与人工观测差值最大的时段。40 cm土层的2种观测值差值总体上低于20、30 cm土层，其中差值在4.0%以下的出现概率为44.4%，差值在4.0%～9.0%的出现概率也为44.4%，差值在9.0以上的出现概率为11.1%。40 cm土层土壤相对湿度的自动观测与人工观测值的相关系数为0.779 8，通过置信水平0.001的检验，表现为显著相关；其中2020年4月的相关系数为1，相关性最好，2020年5月的相关系数也达到0.758 4，为显著相关。

索伦站土壤相对湿度的自动观测与人工观测数据相关性较高，其中浅层的相关性高于深层，但对于

10 cm土层来说，土壤相对湿度的自动观测和人工观测相关性要小于20 cm浅层。

3 自动与人工观测数据差异的原因分析

从上述分析可以得出，0～40 cm土层的土壤相对湿度的自动观测与人工观测值的一致性10、40 cm土层均表现得较好，20 cm土层相对较差；但相关性最好的则为20 cm土层，40 cm土层相对最差。在开展土壤水分观测业务过程中，自动观测与人工观测存在一定的差异，究其原因主要有以下几方面的影响。

（1）自动土壤水分观测仪由硬件和软件2部分构成，硬件分为传感器、采集器和外围设备，软件分为采集软件和业务软件。自动土壤水分观测仪器运行过程中，会由于安装、仪器设备自身损耗、日常维护不到位或操作不当等出现数据异常、缺失等问题。

（2）索伦镇所处地理纬度较高，属于降水偏少的地带，近10年平均年降水量565.4 mm，年平均蒸发量高达1 000 mm，特别是冬春季气候寒冷干燥。春季气温回升土壤解冻之后，地表植被覆盖率较低，在植被返青覆盖前，地表水分蒸发远远高于水分收入，3月蒸发量可达到降水量的20多倍。进入5月份，气温快速升高，月平均气温升至13.9 ℃，降水量明显增多，月平均降水量为43.2 mm，植被覆盖增大，水分蒸发却出现显著的减少。对应的，汛期前后各层土壤水分要素也随之增大，并会在汛期达到最大值，汛期过后土壤水分又会出现减少趋势。随着索伦站汛期前后多雨或少雨变化，也会造成自动观测和人工观测出现差异。

4 结论

索伦站土壤相对湿度的自动观测和人工观测数据存在着一定的偏差，总体上自动观测高于人工观测，而且两者的一致性较高，主要表现在10 cm土層最好，其次是40 cm土层，20 cm土层相对最差。尽管索伦站土壤相对湿度在自动观测和人工观测数据方面有一定的差异，但整个研究时段内自动观测数据与人工观测数据序列的相关性在这4个土层均表现较高，然而相关性最好的为20 cm，并未对应一致性最好的10 cm，这可能受到不同土层间的数据差异问题影响，也跟自动观测仪器性能存在着差异有很大的关系。在降水量偏少的时段，自动观测与人工观测数据在浅层的偏差较小，如2020年4月索伦镇降雨量29.1 mm，2020年4月23、28日的10 cm土层土壤相对湿度自动与人工观测的偏差为0.2%～0.3%。

通过对土壤水分自动观测与人工观测数据的对比分析，掌握存在的偏差以及引起偏差的可能原因，可进一步提高观测数据精确性[4]。首先，要做好土壤湿度自动观测场地的选址，设置的观测点必须是长期固定的，可以反映当地自然下垫面、无灌溉自然状态下土壤湿度的地段，对所在地区的自然土壤水分状况的反映要具有代表性，通常选择在地势平坦的地块，如果是山丘地区，要避开沟底、山顶、斜坡和积水洼地等[5]。

土壤水分自动观测仪器采用的是国际时，以20：00为日界，以自动土壤水分观测仪采集器内部时钟为观测时钟，需要实现1次/h对采集器与计算机自动对时，以保证两者在时间上保持一致，确保自动观测仪器获取数据的精准性。

参考文献

[1] 周泽民.对《农业气象观测规范》（上卷）中若干技术问题的商榷[J].湖北气象，1998（2）：35-37.

[2] 费启瓅，袁慧玲，阿不都外力·阿不力克木，等.江苏省自动土壤水分观测与人工观测对比分析及应用[J].气象科学，2013，33（3）：302-307.

[3] 李宇光.基于明水县的自动与人工土壤水分观测数据对比分析[J].中国农学通报，2018，34（21）：115-120.

[4] 刘灏.刍议影响土壤水分观测精确度的原因及观测注意事项[J].科技展望，2015，25（5）：135.

[5] 成兆金，郑美琴，马品印，等.自动土壤水分观测站建设现状及资料分析[J].气象软科学，2007（3）：108-110.