土壤水分監測保障體系的構建

　　糧食生產與土壤狀況密切相關，土壤水分變化與土壤質量密切相關，本文主要探討土壤水分監測保障體系的構建與完善。

　　《土壤與作物》(季刊)創刊于2012年3月，黑龍江省科學院主管，中國科學院東北地理與農業生態研究所主辦，是我國又一個有關土壤學、農業生態學及其相關基礎學科的綜合性學術期刊。將認真貫徹“雙百”方針，面向國際科技前沿和國家需求，旨在介紹土壤與作物系統研究的最新成果，促進土壤管理的優化和農田生產力的持續提升，為相關學科的人才培養和國內外學術交流提供交流平臺，推動區域農業可持續性發展，在科學性、規范性、嚴謹性和實用性上體現出刊物的特色。

　　依據自動土壤水分觀測所得到的數據，臺站人員可以實時面向該省氣象局匯報土壤水分狀況。在強力推進自動土壤水分觀測站建設的同時，該省氣象局積極推出相關的政策規定，大力推廣相關的標準體系，在制度層面上為自動土壤水分的觀測提供了保障，就目前的情況來看，該省實施的業務管理辦法主要有：儀式在觀測地址的選取上要有代表性，要能夠代表區域性土壤的狀況;二是對監測站點建設提出了參考標準，在建設材料以及建設標準上面有了保障;三是制定了一些列的運行管理制度以及對監測過程中的管理辦法。

　　一、土壤水分監測體系的維修制度保障

　　1)利用全省自動土壤水分運行監控系統24小時監測全省73個臺站自動土壤水分含量監測臺站的運行狀態、參數狀態;通過24小時故障熱線電話及時受理自動站故障、疑難問題等業務。

　　2)當發現某臺站出現數據異常、無法直接連接臺站或故障報警時，立即通知臺站負責人進行儀器檢測或儀器維護。

　　3)對于一般性故障，臺站負責人員能獨立排除的則自行排除;不能排除的故障，省大氣探測技術保障中心通過故障熱線電話為臺站的維修提供遠程技術支持，隨時指導臺站負責人排除故障，并通過檢測系統對故障處理結果進行跟蹤監測。

　　4)對于嚴重的故障，臺站負責人通過遠程指導依然不能排除時，省大氣探測技術保障中心要以最快速度組織維修人員趕赴現場，進行現場維修。維修組人員原則上由當天兩名值班人員組成，并由次日值班人員完成當日值班任務。

　　5)對于特別嚴重的故障，在省內相關維修手段或維修工具不足的情況下，省大氣探測技術保障中心要及時與相關儀器生產廠家售后服務人員取得聯系，申請技術或設備的支持，保證國家局規定的自動土壤水分含量監測臺站儀器故障排除時限內排除故障，同時省大氣探測技術保障中心的自動土壤水分含量監測臺站維修人員和臺站的負責人要做好廠家維修的現場配合工作。

　　6)省大氣探測技術保障中心的自動土壤水分含量監測臺站維修人員在臺站解決故障時本著盡快解決儀器故障的思路，其維修工作以更換器件為主，并在解決故障后在此地觀察儀器運行至少兩小時后方可離開此站，在離開前，省大氣探測技術保障中心的自動土壤水分含量監測臺站維修人員以及臺站負責人要雙方確認儀器運行正常，并要求臺站自動土壤水分含量監測臺站負責人在故障登記本上簽字、蓋章。

　　7)一次維修工作完全結束后，要盡快趕回單位，并利用自動土壤水分含量監測臺站維修工作室內的自動土壤水分含量監測臺站模擬環境一周內修復故障器件，并在器件標志欄的記錄簿做好維修記錄，如遇到特殊情況要向科長匯報情況。如有需返廠的故障器件要及時與廠家售后服務人員聯系，并做好郵寄和登記等工作。

　　8)對于處理的各類故障要有詳細記錄和統計，對故障原因和處理結果要有事后歸納、總結。

　　二、土壤水分監測體系的設備校準保障

　　1、土壤水分監測儀器的傳感器標定

　　對于自動土壤水分傳感器來講，土壤土質等因素都會在其實際測量過程中對其造成很大的影響，進而知識讀數誤差情況的發生，所以，為了避免上述情況的發生，還需要在測量前對樣本進行標定。通常來講，土壤水分值用傳統的烘干法可以測的較為準確的數據，因此可以將其作為校準值對其他測量方法結果予以校準。

　　標定通常由兩個步驟組成，一是實驗室標定，二是田間標定。在實驗室的標定中，其測定樣本主要是在田間取回的圖樣，進而按照實驗室的相關測定步驟，進行樣本的標定。而田間的標定則相對簡單，只需要在測量地區安裝自動土壤水分傳感器，利用人工觀測數據與其測量數據進行標定。待測量儀器已經安裝三個月后，可進行在此標定。

　　2、土壤水分監測儀器的實驗室標定

　　為確保自動土壤水分觀測儀器的準確性，儀器的制造商需要對全國范圍內的土壤質地進行采樣，通過多重分析與對比，對不同土壤的標定參數進行實驗與確定。

　　根據相同土壤之地合并的原則，我們可以將土壤分為三層，第一層為十到三十厘米，第二層為四十到六十厘米，第三層為八十到一百厘米。基于合并土層來講，可以根據不同層次的土壤推行差異化土壤水分數據采樣標準，從10cm~100cm制作樣本的土壤體積含水量分別為小于百分之十，百分之十到百分之十五，百分之十五到百分之二十，百分之二十到百分之二十五，百分之二十五到百分之三十，百分之三十到百分之三十五，最后是大于百分之三十五。等采樣完畢后，可以將傳感器分別放入到前面的全部樣本中，進行土壤水分的測量。在測量進程中，也要用專用的環刀，在其它的樣本中取樣、烘干、稱重，得出樣本土壤的實際水分值。最后將儀器測量的數據與烘干法得出數據相比較，構建不同土壤所對應的線性曲線，利用數學方法確定所有樣本的參數方程。

　　3 、土壤水分監測儀器的田間標定

　　判斷田間標定以儀器觀測的10cm土層體積含水量變化標準是，在小于百分之十，百分之十到百分之十五，百分之十五到百分之二十，百分之二十到百分之二十五，百分之二十五到百分之三十，百分之三十到百分之三十五，最后是大于百分之三十五這7個土壤樣本中，對不同含水量土壤進行不同的人工對比觀測，基于觀測原則角度來講，在土壤提及含水量中，原則上總樣本數應當大于或等于三十個，等級樣本數應當大于或等于四個。最后將儀器測量的數據與人工觀測法得出數據相比較，構建不同土壤所對應的線性曲線，利用數學方法確定所有樣本的參數方程。有關人工取土觀測的對比分析，必須在干濕兩季分別進行，這樣才能確保所采樣樣本的均衡性與代表性。確定土鉆孔的位置，必須在傳感器建設位置附近，半徑十米的范圍。

　　利用相關觀測員所觀測的數據與土壤水分觀測儀測量到的數據分析計算，對所有層次的樣本標定參數來確定，從而完成傳感器現場檢定工作。

　　4、土壤水分監測儀器的業務化檢驗標準

　　在上述所有工作完成以后，想要將其投入到業務使用中，還需對其進行業務化檢驗標準。

　　業務化檢定標準的測評指標：人工測量土壤體積含水量值與儀器測量所得到的土壤體積含水量之差的多次平均值的絕對誤差 小于等于5%。

　　式中：

　　--儀器測量值;

　　--人工測量值;

　　N--對比測量次數;

　　--人工對比觀測土壤體積含水量多次平均值的絕對誤差。

　　在設備田間標定工作完成以后，還需要進行為期一個月的人工觀測，并由所在區域的相關單位對自動土壤水分觀測儀一起組織進行檢驗。

　　如果在觀測過程中，地下水位非常高，那么在取樣過程中，取土的工作人員一旦發現某采樣層出現滲水情況，那么就無需對該層及其下層土壤的測量所有數據展開調研，值得注意的是，在人工觀測過程中，需要對土層發生的各種情況予以記錄。

　　如果儀器沒有通過業務化檢驗，那么則需要立即分析其中所存在的問題，及時解決儀器故障，此外，有關標定方程參數的完善，還需要進為期一個月的觀測檢驗，如果再次檢測數據不符合相關檢驗標準要求，那么就需要更換現有使用儀器。

　　在業務化檢驗過程中，所有對比觀測實驗時間必須大于半年，所管觀測、標定與檢驗工作的完成期間最慢不超過一年。

　　5、三步標定法

　　三步標定法，一是出廠標定，二是現場標定，四是業務標定。在站點建設過程中，技術人員首要知道該地區的土壤類型，然后將設備現場的標定，對傳感器的最開始參數加以設定;待檢測設備穩定運行1年以后，在進行平行觀測，再根據平行觀測數據實現最終的業務標定，最后把儀器的測量值達到業務化要求。

　　6 、兩步質量控制法

　　第一步在儀器出廠之前，需要受到生產廠商的嚴格質量檢查與認真，通過多種方法測驗，對測驗儀器各項參數等內容予以登記入庫。接著有氣象科技相關工作人員利用各種石英砂(含水量不同)對引進設備進行質量認證，如果通過，則給予其相應的合格驗收證書，不合格則返回原廠。

　　三、土壤水分運行監控平臺保障

　　該省土壤水分運行監控平臺用于接收全省已建立的73個自動土壤水分含量監測臺站的監測數據、傳感器狀態信息等數據文件。文件入庫后進行數據質量監控，當出現網絡斷開、數據出錯、一小時未能正常接收資料、設備故障等現象時，能夠自動生成故障警報，通過手機短信的形式發到設備保障人員的手中，同時在監控平臺主界面上以頻率值為負數的形式表現出來。并且，通過該運行監控平臺可以對各個監測臺站所發送出來的所有數據按日期、月份、年限進行查詢。

　　該省土壤水分運行監控平臺于2012年研制成功，并立即投入業務試運行以來，實現了對全省土壤水分觀測站的遠程實時有效的運行監控，創新了技術保障手段，提高了保障效率，大大增強了保障能力。為省、市、縣各級的業務管理人員和裝備保障人員提供一種科學、實用、方便、快捷、高效的土壤水分觀測站業務管理和技術保障的綜合應用平臺。

　　1、土壤水分監測儀器工作正常

　　在按日期查詢界面中，選擇顯示范圍為全部范圍，正常接收到的數據由綠色標志顯示。

　　2土壤水分監測儀器傳輸文件丟失

　　在按日期查詢界面中，選擇顯示范圍為丟失范圍，可以顯示土壤水分站沒有正常運行的時次，用灰色標志顯示。

　　3、土壤水分監測儀器數據出錯

　　在按日期查詢界面中，選擇顯示范圍為全部范圍，其中出現的-1、-2、-3則分別表示該土壤水分監測儀器未安裝或設備故障、傳感器數據超出測量范圍、采集箱線纜破損。提示設備保障人員及時進行維修。

　　4、土壤水分監測儀器歷史數據查詢

　　在監控平臺中選擇按日或按年查詢，相應的界面中會顯示該臺站當月或當年的運行情況，并顯示月接收率、年接收率，幫助設備保障工作人員及時了解當前臺站設備的運行情況，以便對設備的整體運行情況進行統計，為儀器設備的可用性評估提供有效的數據資料。

　　建立全省土壤水分監測檔案

　　為確保該省大氣探測技術保障中心對全省的自動土壤水分監測儀器設備有效的運行。達到保障有力，迅速快捷，應急高效的原則。確保在各類突發自然災害和應急公共事件發生時全省被算壞的自動土壤水分監測儀器設備及時修復，各種備用元件的快速供應。確保在開展氣象服務工作所需的自動土壤水分監測儀器快速提供技術支持。建立全省自動土壤水分監測儀器的檔案。

　　自動土壤水分監測儀器檔案應包括自動土壤水分監測儀器的基本資料檔案、維修維護應急聯絡檔案和自動土壤水分監測儀器歷史故障維修檔案三部分組成。

　　其中自動土壤水分監測儀器的基本資料檔案部分應包括：自動土壤水分監測儀器臺站的建站時間、該自動土壤水分監測儀器臺站的業務等級、使用儀器廠家及臺站的備件情況。通過建立這個自動土壤水分監測儀器臺站的基本資料檔案，可以更好的了解自動土壤水分監測儀器運行年限，方便儀器的因老化的更換，方便對自動土壤水分監測儀器的維護保養。

　　維修維護應急聯絡檔案應包括：自動土壤水分監測儀器臺站負責人聯系電話、臺站業務值班聯系電話、儀器維護技術員聯系電話、臺站的IP地址、并了解運輸儀器方式及最快最方便到達臺站的交通線路。建立維修維護應急聯絡檔案，可以更便捷的為自動土壤水分監測儀器臺站提供良好的日常維護方面的技術指導，為業務數據完整準確提供技術支持。當遇到應急故障或突發事件的時候能及時與臺站負責人取得聯系，并與儀器維護技術人員了解故障原因做出遠程技術指導。當臺站人員需要備用儀器時能夠及時的通過郵寄、快遞、配貨等方式將儀器運輸到臺站。在需要到臺站完成維修任務的時候能夠在最短的時間內到達臺站縮短維修時效。

　　自動土壤水分監測儀器臺站歷史維修檔案應包括：自動土壤水分監測儀器臺站出現的故障的時間、維修時間、故障現象、故障原因、更換的儀器備件。通過對自動土壤水分監測儀器臺站歷史維修檔案的建立，可以總結故障原因，積累維修經驗，并能通過歷史的維修記錄分析各個臺站存在的儀器故障隱患，做出有針對性的日常維護。將能出現的故障的幾率降低到最小，更好的提高維修效率。

　　通過建立全省自動土壤水分監測儀器臺站的檔案，可以使大探中心更好的了解全省各臺站的基本情況，臺站儀器儲備情況。方便聯系臺站人員做好溝通交流準確地提供技術支持，快捷的運輸儀器。提高維修效率，降低故障發生的幾率。

　　總結與展望：

　　土壤水分監控和保障體系的建立，使得從土壤水分的測量到數據傳輸，再到運行監控和設備保障維護形成了一個完整的系統、規范的觀測、完美管理體系。為自動土壤水分含量監測工作的發展提供有強有力的技術保和制度保障，從而大幅度的提高了自動土壤水分含量監測工作的實時性、有效性和準確性。