摘要：应用2011年2-7月32次土壤水分自动观测数据与同时期用烘干称重法人工测得的土壤水分数据进行对比分析，以人工测定数据为准确值，先用前期2-5月20次对比观测数据进行逐步回归分析，得到器测值的订正方程；再用6-7月12次对比观测数据对订正方程进行试用验证。结果表明，DZN1型土壤水分自动观测仪的部分土层未经订正即达标，其他层订正后可达标，订正效果明显。此项工作可为该型仪器的厂家订正及日常业务订正提供参考。
关键词：DZN1型；土壤水分；自动观测数据；订正
中图分类号：S152.7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）12-2920-03
Correction of DZN1 Soil Moisture Automatic Observation Data
CHEN Li-chun1，WU Ai-xia1，GUO Lei1，FAN Qing-dong1，WANG Shao-yu2，LIU Jian-zhong2
（1.Laiyang Meteorological Bureau of Shandong Province， Laiyang 265200， Shandong， China；
2. Meteorological Bureau of Fushan Region in Yantai City， Yantai 264002， Shandong， China）
Abstract： The 32 soil moisture data from Feb. to Jul. of 2011 collected by automatic soil moisture observation and artificial drying and weighting method was comparatively analyzed. Taking the artificial data as accurate value， the first 20 comparative observation data in Feb. to May was applied for stepwise regression analysis to obtain correction equation of measured value. Then the 12 comparative observational data in June and July was applied to verify the correction equation. The results showed that the data of some soil layer observed by DZN1 soil moisture automatic observation instrument was standard without correction， while of other layers could achieve the standard by correction； the correction effect was obvious. This work could provide reference for equipment manufacturers and daily business to revise this type of instrument.
Key words： type DZN1； soil moisture； automatic observation data； correction
土壤水分自动观测仪正逐步应用到土壤湿度日常监测业务，为获得满意的探测数据，近年来人们对土壤水分自动观测方法和仪器进行了深入研究，比如张力计、射线法、电阻法、热扩散法、探针式电容测量法、时域反射法及此次对比观测使用的频域反射技术[1]，这些方法各具优缺点，就目前情况看各型自动仪都存在一定误差[2-4]。山东省莱阳市气象局安装的DZN1型土壤水分自动观测仪是一种性能优良的观测仪器，该仪器安装后经过2011年上半年的自动与人工对比观测可以看出：自动观测数据一直较大，在土壤含水量明显下降时，自动观测数据下降的幅度也很小；在土壤含水量较大时，人工测值与器测值接近。在土壤水分观测中，干旱的监测对于农业生产意义重大，不进行器测值的订正达不到监测干旱的目的，因此，订正是非常必要的。
1 材料与方法
1.1 资料来源
研究所采用的资料为2011年2月23日至2011年7月28日土壤未冻结时期，每旬逢三、逢八（每月3日、8日、13日、18日、23日、28日）8：00人工测得的各土层[（0～10）、（10～20）、（20～30）、（30～40）、（40～50）、（50～60）、（70～80）、（90～100） cm]的土壤体积含水量及同时段对应土层自动站获得的土壤体积含水量数据（各土层分别简称为10、20、30、40、50、60、80、100 cm土层）及山东省莱阳市气象局测得的10、20、40、80 cm地温数据（10 cm土层用10 cm地温，20 cm土层用20 cm地温，30 cm土层用20 cm及40 cm土层的平均地温，50 cm土层用40 cm地温，60 cm土层用40 cm及80 cm土层的平均地温，100 cm土层用80 cm地温）。共进行32次对比观测。
1.2 分析方法
假定采用烘干称重法人工所测的土壤体积含水量为准确值，用前期2-5月测得的20个对比观测样本，计算各层人工观测数据与器测数据x、x1/3、x1/2、x2、x3、x上、x下、地温t、组合因素x/1.012t[5]、x下/1.012t的相关系数（x上、x下为某层土壤的相邻上一层、相邻下一层土壤的体积含水量器测值，x/1.012t是考虑到土壤电导率与地温成指数函数关系，即地温每升高1 ℃土壤电导率约增大1.2%而建立的组合因素），目的是发现与某层土壤体积含水量密切的因素。用前期20个样本建立各层土壤体积含水量与同层器测数据x的线性订正方程；以及用x、x1/3、x1/2、x2、x3、x上、x下、地温t、组合因素x/1.012t、x下/1.012t等因素，采用逐步回归分析建立土壤体积含水量的非线性订正方程。用另外2个月（6、7月）的12次对比观测样本，对未经订正、经同层器测值x线性订正、多因素非线性订正的订正效果进行检验。检验指标是：平均绝对误差、最大误差、订正后的值与人工测值之间相差≤5、≤10、≤15的次数占总次数的比率[以平均绝对误差（多次观测误差绝对值的平均值）≤6为达标]。对各种指标进行综合分析，得到最佳订正方程。
2 结果与分析
2.1 相关分析
用32个对比观测样本计算每个土层人工观测数据与同层器测数据x、上下层器测数据x上、x下及x1/3、x1/2、x2、x3、地温t、组合因素x/1.012t、x下/1.012t的相关系数。由表1可知，各土层人工测值与同层器测值x、x1/3、x1/2、x2、x3的相关系数都较大，与地温t的相关系数都较小，30、40、50 cm土层与x/1.012t、x下/1.012t的相关系数较大。
2.2 土壤水分自动观测数据订正效果的分析
用前20个样本建立了同层器测值的线性订正方程和非线性订正方程，再用后12个对比观测样本对各方程进行效果验证。由表2可知，10 cm探头性能较好，同层土壤体积含水量器测值x的线性订正效果最好；其次是非线性订正（因素有10 cm器测值x上和同层器测值x3，相关系数0.881，剩余方差为1）；未订正效果最差。三者都能达标，满足了业务服务使用要求。
由表3可知，20 cm探头性能较好。该层器测值的线性订正及非线性订正效果相仿，都好于未订正（非线性方程的因素是x1/3、x上，相关系数为0.792，剩余方差为2），订正后都达标，未订正时不达标，线性订正较稳定，非线性订正有一次明显错误。
由表4及资料分析可知，30 cm土层未经订正已达标。该层器测值不经订正不适用于干旱时期，在干旱时段误差太大。该层器测值的线性订正效果最差，不达标；非线性订正达标，在干旱时段较适用，土壤湿度较大时，误差较大（非线性方程的因素是x/1.012t，相关系数为0.792，剩余方差为2）。如果先用非线性方程进行订正，把计算值小于21作为干旱时期，大于21作为非干旱时期，干旱时期用非线性方程订正，非干旱时期直接用器测值，则平均绝对误差为3.5，这种处理效果更好。
由表5及资料分析可知，40 cm土层器测值未经订正不达标，且干旱时期误差最大，该层器测值的线性订正达标，干旱时误差较大，非线性订正误差较大、不达标，但干旱时期误差较小（非线性方程的因素是x/1.012t，相关系数为0.699，剩余方差为3）。未订正及线性订正较适用于非干旱时期，非线性订正较适用于干旱时期。如果先用非线性方程进行订正，把计算值小于21作为干旱时期，大于21作为非干旱时期，干旱时期用非线性方程订正，非干旱时期直接用器测值，则平均绝对误差为3.6，效果更好。
由表6及资料分析可知，50 cm土层与40 cm土层的情况相似，未订正时不达标，线性订正达标，非线性订正不达标（非线性方程的因素是x/1.012t，相关系数为0.729，剩余方差为3），未订正及线性订正较适用于非干旱时期，非线性订正较适用于干旱时期。和40 cm土层一样，如果先用非线性方程进行订正，把订正值小于21作为干旱时期，大于21作为非干旱时期，干旱时期用非线性方程订正，非干旱时期直接用器测值，则平均绝对误差为3.6，效果更好。
由表7及资料分析可知，60 cm土层与50 cm土层、40 cm土层的情况相似，未订正时不达标，线性订正达标，非线性订正不达标（非线性方程的因素是x/1.012t，相关系数为0.746，剩余方差为3），未订正及线性订正较适用于非干旱时期，非线性订正较适用于干旱时期。如果以器测值小于35作为干旱时期，大于35作为非干旱时期，干旱时期用非线性方程订正，非干旱时期直接用器测值，则平均绝对误差为3.4，效果更好。
由表8可知，80 cm土层未订正不达标，线性订正及非线性订正达标，两者订正效果相近，都较好。
100 cm土层土壤湿度一直较大，未订正及线性订正效果都较好，平均绝对误差都小于2.5，最大误差小于6。但是出现干旱时，使用效果可能较差。
3 小结与讨论
由上述分析可知，10、30、100 cm土层未经订正即可达标，10、20、40、50、60、80 cm土层土壤体积含水量的线性订正优于未订正，所有土层经订正后均达标。自动观测数据一直较大，在土壤含水量明显下降时，自动观测数据下降的幅度也较小，因此，在土壤含水量较大时，人工测值与器测值接近；在干旱期人工测值与器测值相差较大，此间非线性订正效果较好。该订正方法尚处于试用阶段，低湿度样本较少，非线性订正的优势未能表现。
上述对比观测样本都是在土壤未冻结的情况下获得的，在土壤冻结时订正方程不适用。观测表明，当土层冻结时，器测值较未冻结时下降。研究以人工测值为准确值进行分析计算，观测表明，在该地块同层次不同测点的土壤质地不同，使得土壤湿度与探头处不尽相同，造成体积含水量有一定差别，因此对计算分析有一定影响。由于样本较少，特别是无极端旱、涝样本，影响了订正方程的可靠性、稳定性。对于订正方式的改进设想为：针对器测值与土壤湿度值之间的非线性关系，待对比观测样本增加后，可将器测值按高、中、低分段建立线性订正方程，以适用于旱、涝等不同情况。
目前业务中采用一元线性方程进行标定，已经取得了较好的效果，但有时误差仍较大，为得到更可靠的数据，建议针对不同探头、不同的对比观测数据，分类建立线性、非线性或分段线性等不同的订正方法。
参考文献：
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