GStarDZN2型自动站与人工测定土壤湿度对比分析

0引言土壤水分的观测，是农业气象、生态环境及水文环境观测的基础性工作之一，掌握土壤水分变化规律，对农业生产、干旱监测预测和其他相关生态环境监测预基金项目：科技部行业（气象）专项“西北地区旱作农业对气候变暖的响应特征及其预警和应对技术研究”(GYHY200806021-01)、“农田土壤水分利用效率对气候变化的响应及适应技术”(GYHY201106029)。

第一作者简介：张弢，男，1971年出生，甘肃武威人，工程师，本科，主要从事应用气象领域的研究工作。

通信地址：737200甘肃省永昌县气象局，E-mail ：ycxnw@ 。

收高日期：2013-08-20，修回日期：2013-09-18。

GStarDZN2型自动站与人工测定土壤湿度对比分析张弢1,3，王润元1，丁文魁2，李光明2，毛竹馨3（1中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾开放实验室，兰州730020；2甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000；3甘肃省永昌县气象局，甘肃永昌737200）摘要：为了评价GStarDZN2型自动土壤水站的准确性与代表性，为替代人工测定土壤湿度并推广使用提供参考依据，采用对比差值、差值概率和相关分析等方法，对永昌县2012年5月3日—10月28日期间GStarDZN2型自动土壤水分观测站与人工平行对比观测的土壤相对湿度资料进行统计分析。

结果表明，自动站取得的数据与人工观测的数据随时间的变化趋势基本一致，20~30cm 土层差值概率分布范围最小，数据一致性最好，30~40cm 、10~20cm 次之，在70~80cm 和90~100cm 2个土层次表现较差。

对比观测时段内自动与人工站观测数据的相关性在各层均表现显著，认为GStarDZN2型自动站观测的资料可以代替人工观测的资料。

关键词：GStarDZN2型自动站；土壤湿度；对比分析中图分类号：S1文献标志码：A论文编号：2013-0606Comparative Analysis on Soil Moisture Measured by GStarDZN2Automatic Stations and ArtificialZhang Tao 1,3,Wang Runyuan 1,DingWenkui 2,Li Guangming 2,Mao Zhuxin 3(1Institute of Arid-Meteorology CMA/Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster /Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction CMA ,Lanzhou 730020,Gansu,China;2Wuwei City Bureau of Meteorology ,Wuwei 733000,Gansu,China;3Yongchang County Bureau of Meteorology ,Yongchang 737200,Gansu,China)Abstract:In order to evaluate the accuracy and representativeness of GStarDZN2automatic soil water station,provide a reference for alternative artificial soil moisture and promote the use of it.With contrasting difference,the difference probability and correlation analysis methods,the author statistically analyzed the GStarDZN2automatic soil moisture stations and the parallel artificial soil relative humidity contrast observation datum of Yongchang County on May 3,2012to October 28periods.The results showed that,the trend of automatic station data and manual observation over time was consistent.20-30cm soil layer probability difference was minimum distribution,data consistency was the best,30-40cm,10-20cm,followed by it.The 70-80cm and 90-100cm soil layers were poorer performance.Contrasting the correlation of automatic datum and manualobserved datum in each layer showed significant.As a result,GStarDZN2automatic observation station data could replace manual observation data.Ker words:GStarDZN2Automatic Station;Soil Moisture;Comparative Analysis··1测服务及理论研究都具有重要意义[1]。

近年来，国内的专家学者对自动土壤水分观测与人工观测资料的对比方面进行了大量的研究，涉及到的型号有ZQZ-DS1型[2-3]、HYA-SF 型[4-5]和DZN1型[6-8]自动土壤水分观测仪，对于使用GStarDZN2型自动土壤水分仪与人工观测资料进行分析的报道还较少。

为比较自动仪器与人工观测资料结果的差异，本研究利用甘肃省永昌县气象站的GStarDZN2型自动土壤水分观测仪2012年5月3日—10月28日的观测资料，与同期人工对比观测资料采用对比差值、差值概率和相关系数分析等方法进行统计分析[3]，寻找二者形成差异的原因，以期为评价GStarDZN2型自动站的监测效果、发挥资料的应用价值与服务效益提供参考依据。

1材料与方法1.1试验时间、地点研究田间试验于2012年5月3日—10月28日在永昌县城关镇黄家学村大麦作物观测地段进行，观测地段面积为0.11hm 3，灌溉条件为河水灌溉，保证程度1年3次，地下水位深度>2m ，土壤质地为砂壤土，土壤水文、物理特性值见表1。

1.2资料来源与方法自动观测资料为该站点2012年5月3日—10月28日对比观测期间0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、70~80、90~100cm 共8个土层自动形成的土壤相对湿度资料。

人工观测根据甘肃省气象局气测函(2012)10号文“关于开展自动土壤水分观测站与人工对比观测的通知”，永昌站于2012年5月3日起正式进行对比观测。

测定时间为每旬逢3、逢8日，如遇降水大时则延迟至第2天取土。

观测地段与自动观测地段相同，取土深度与自动土壤水分观测深度相同，各层均取4个重复，钻孔的位置应尽量均匀分布在传感器埋设位置四周，半径在2~10m 之间的范围内。

观测后应注意及时将取土孔回填，同时应避免在回填孔中取土。

取土时记录每个钻孔取不同深度土样时的详细时间（精确到日、时、分）。

测定方法采用中国气象局《农业气象观测规范》[1]规定的烘干称重法，测量数据为土壤相对湿度。

所使用的自动土壤水分观测仪——GStarDZN2型是由河南省气象科学研究所和中国电子科技集团公司第27研究所和共同研制开发。

该仪器是利用频域反射FDR(FrequancyDomainReflection ）)原理，根据探测器发出的电磁波在不同介电系数物质中的频率变化，计算出被测物含水量[9]。

1.3分析方法分析方法采用对比差值、差值概率和相关统计法，用于分析自动与人工站差值的平均、极大、极小分布，以及差值在不同数据段出现的概率，2种数据的相关等[10-11]。

其中，对比差值法采取计算自动站的数据减人工观测的数据，求取二者的最大正负差值；差值概率法采取自动减人工数据差值的绝对值在不同差值段出现的概率进行分析；相关系数法[12]计算不同深度土层自动与人工数据的相关系数进行对比分析。

其中，土壤相对湿度由(1)~(2)式进行计算，相关系数由(3)式求得。

式中：W —土壤重量含水率(%)；g 1—盒重(g)；g 2—盒与湿土共重(g)；g 3—盒与干土共重(g)。

式中：R —土壤相对湿度(%)；w —土壤重量含水率(%)；f c —田间持水量（用重量含水率表示）。

…………………………………………………(3)式中：N —为样本量；X —代表人工观测土壤湿度数据；Y —代表自动站土壤湿度数据；r —相关系数。

r 描述的是2个变量间线性相关强弱的程度。

r 的取值在-1与+1之间，若r >0，表明2个变量是正相关，即1个变量的值越大，另1个变量的值也越大；若r <0，表明2个变量是负相关，即1个变量的值越大，另1个变量的值反而越小。

r 的绝对值越大，表明相关性越强。

表1永昌站大麦观测地段土壤水文、物理特性值 (1) (2)··22.1自动与人工观测土壤相对湿度值对比分析利用2012年5月3日—10月28日对比观测期间，0~10、10~20、20~30、30~40、40~50、50~60、70~80、90~ 100cm共8个土层36个自动与人工观测土壤相对湿度值按照不同深度土层以观测时间先后点绘成图，形成不同时段自动、人工观测2条土壤相对湿度变化曲线（见图1）。

由图1可以看出，自动与人工观测土壤相对湿度的变化趋势基本一致，说明2种观测对土壤中水分的感应相同[3]。

同一观测地段、同一土层深度人工观测数据波动相对较大，自动观测数据波动相对平缓；自动与人工观测数据随着土层深度的增加变化幅度逐渐变小，表层(0~10cm)振幅最大，深层(90~100cm)振幅最小。

这是由于：表层(0~10cm)易受日照、气温、风速、降水、灌溉等因素的影响，土壤水分变化较大，但随着··3土层深度的增加，土壤水分受以上因素的影响逐渐变小，因此土层越深(70~80cm 、90~100cm)曲线变化越平缓。