土壤水分监测保障体系的构建

　　粮食生产与土壤状况密切相关，土壤水分变化与土壤质量密切相关，本文主要探讨土壤水分监测保障体系的构建与完善。

　　《土壤与作物》(季刊)创刊于2012年3月，黑龙江省科学院主管，中国科学院东北地理与农业生态研究所主办，是我国又一个有关土壤学、农业生态学及其相关基础学科的综合性学术期刊。将认真贯彻“双百”方针，面向国际科技前沿和国家需求，旨在介绍土壤与作物系统研究的最新成果，促进土壤管理的优化和农田生产力的持续提升，为相关学科的人才培养和国内外学术交流提供交流平台，推动区域农业可持续性发展，在科学性、规范性、严谨性和实用性上体现出刊物的特色。

　　依据自动土壤水分观测所得到的数据，台站人员可以实时面向该省气象局汇报土壤水分状况。在强力推进自动土壤水分观测站建设的同时，该省气象局积极推出相关的政策规定，大力推广相关的标准体系，在制度层面上为自动土壤水分的观测提供了保障，就目前的情况来看，该省实施的业务管理办法主要有：仪式在观测地址的选取上要有代表性，要能够代表区域性土壤的状况;二是对监测站点建设提出了参考标准，在建设材料以及建设标准上面有了保障;三是制定了一些列的运行管理制度以及对监测过程中的管理办法。

　　一、土壤水分监测体系的维修制度保障

　　1)利用全省自动土壤水分运行监控系统24小时监测全省73个台站自动土壤水分含量监测台站的运行状态、参数状态;通过24小时故障热线电话及时受理自动站故障、疑难问题等业务。

　　2)当发现某台站出现数据异常、无法直接连接台站或故障报警时，立即通知台站负责人进行仪器检测或仪器维护。

　　3)对于一般性故障，台站负责人员能独立排除的则自行排除;不能排除的故障，省大气探测技术保障中心通过故障热线电话为台站的维修提供远程技术支持，随时指导台站负责人排除故障，并通过检测系统对故障处理结果进行跟踪监测。

　　4)对于严重的故障，台站负责人通过远程指导依然不能排除时，省大气探测技术保障中心要以最快速度组织维修人员赶赴现场，进行现场维修。维修组人员原则上由当天两名值班人员组成，并由次日值班人员完成当日值班任务。

　　5)对于特别严重的故障，在省内相关维修手段或维修工具不足的情况下，省大气探测技术保障中心要及时与相关仪器生产厂家售后服务人员取得联系，申请技术或设备的支持，保证国家局规定的自动土壤水分含量监测台站仪器故障排除时限内排除故障，同时省大气探测技术保障中心的自动土壤水分含量监测台站维修人员和台站的负责人要做好厂家维修的现场配合工作。

　　6)省大气探测技术保障中心的自动土壤水分含量监测台站维修人员在台站解决故障时本着尽快解决仪器故障的思路，其维修工作以更换器件为主，并在解决故障后在此地观察仪器运行至少两小时后方可离开此站，在离开前，省大气探测技术保障中心的自动土壤水分含量监测台站维修人员以及台站负责人要双方确认仪器运行正常，并要求台站自动土壤水分含量监测台站负责人在故障登记本上签字、盖章。

　　7)一次维修工作完全结束后，要尽快赶回单位，并利用自动土壤水分含量监测台站维修工作室内的自动土壤水分含量监测台站模拟环境一周内修复故障器件，并在器件标志栏的记录簿做好维修记录，如遇到特殊情况要向科长汇报情况。如有需返厂的故障器件要及时与厂家售后服务人员联系，并做好邮寄和登记等工作。

　　8)对于处理的各类故障要有详细记录和统计，对故障原因和处理结果要有事后归纳、总结。

　　二、土壤水分监测体系的设备校准保障

　　1、土壤水分监测仪器的传感器标定

　　对于自动土壤水分传感器来讲，土壤土质等因素都会在其实际测量过程中对其造成很大的影响，进而知识读数误差情况的发生，所以，为了避免上述情况的发生，还需要在测量前对样本进行标定。通常来讲，土壤水分值用传统的烘干法可以测的较为准确的数据，因此可以将其作为校准值对其他测量方法结果予以校准。

　　标定通常由两个步骤组成，一是实验室标定，二是田间标定。在实验室的标定中，其测定样本主要是在田间取回的图样，进而按照实验室的相关测定步骤，进行样本的标定。而田间的标定则相对简单，只需要在测量地区安装自动土壤水分传感器，利用人工观测数据与其测量数据进行标定。待测量仪器已经安装三个月后，可进行在此标定。

　　2、土壤水分监测仪器的实验室标定

　　为确保自动土壤水分观测仪器的准确性，仪器的制造商需要对全国范围内的土壤质地进行采样，通过多重分析与对比，对不同土壤的标定参数进行实验与确定。

　　根据相同土壤之地合并的原则，我们可以将土壤分为三层，第一层为十到三十厘米，第二层为四十到六十厘米，第三层为八十到一百厘米。基于合并土层来讲，可以根据不同层次的土壤推行差异化土壤水分数据采样标准，从10cm~100cm制作样本的土壤体积含水量分别为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。等采样完毕后，可以将传感器分别放入到前面的全部样本中，进行土壤水分的测量。在测量进程中，也要用专用的环刀，在其它的样本中取样、烘干、称重，得出样本土壤的实际水分值。最后将仪器测量的数据与烘干法得出数据相比较，构建不同土壤所对应的线性曲线，利用数学方法确定所有样本的参数方程。

　　3 、土壤水分监测仪器的田间标定

　　判断田间标定以仪器观测的10cm土层体积含水量变化标准是，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这7个土壤样本中，对不同含水量土壤进行不同的人工对比观测，基于观测原则角度来讲，在土壤提及含水量中，原则上总样本数应当大于或等于三十个，等级样本数应当大于或等于四个。最后将仪器测量的数据与人工观测法得出数据相比较，构建不同土壤所对应的线性曲线，利用数学方法确定所有样本的参数方程。有关人工取土观测的对比分析，必须在干湿两季分别进行，这样才能确保所采样样本的均衡性与代表性。确定土钻孔的位置，必须在传感器建设位置附近，半径十米的范围。

　　利用相关观测员所观测的数据与土壤水分观测仪测量到的数据分析计算，对所有层次的样本标定参数来确定，从而完成传感器现场检定工作。

　　4、土壤水分监测仪器的业务化检验标准

　　在上述所有工作完成以后，想要将其投入到业务使用中，还需对其进行业务化检验标准。

　　业务化检定标准的测评指标：人工测量土壤体积含水量值与仪器测量所得到的土壤体积含水量之差的多次平均值的绝对误差 小于等于5%。

　　式中：

　　--仪器测量值;

　　--人工测量值;

　　N--对比测量次数;

　　--人工对比观测土壤体积含水量多次平均值的绝对误差。

　　在设备田间标定工作完成以后，还需要进行为期一个月的人工观测，并由所在区域的相关单位对自动土壤水分观测仪一起组织进行检验。

　　如果在观测过程中，地下水位非常高，那么在取样过程中，取土的工作人员一旦发现某采样层出现渗水情况，那么就无需对该层及其下层土壤的测量所有数据展开调研，值得注意的是，在人工观测过程中，需要对土层发生的各种情况予以记录。

　　如果仪器没有通过业务化检验，那么则需要立即分析其中所存在的问题，及时解决仪器故障，此外，有关标定方程参数的完善，还需要进为期一个月的观测检验，如果再次检测数据不符合相关检验标准要求，那么就需要更换现有使用仪器。

　　在业务化检验过程中，所有对比观测实验时间必须大于半年，所管观测、标定与检验工作的完成期间最慢不超过一年。

　　5、三步标定法

　　三步标定法，一是出厂标定，二是现场标定，四是业务标定。在站点建设过程中，技术人员首要知道该地区的土壤类型，然后将设备现场的标定，对传感器的最开始参数加以设定;待检测设备稳定运行1年以后，在进行平行观测，再根据平行观测数据实现最终的业务标定，最后把仪器的测量值达到业务化要求。

　　6 、两步质量控制法

　　第一步在仪器出厂之前，需要受到生产厂商的严格质量检查与认真，通过多种方法测验，对测验仪器各项参数等内容予以登记入库。接着有气象科技相关工作人员利用各种石英砂(含水量不同)对引进设备进行质量认证，如果通过，则给予其相应的合格验收证书，不合格则返回原厂。

　　三、土壤水分运行监控平台保障

　　该省土壤水分运行监控平台用于接收全省已建立的73个自动土壤水分含量监测台站的监测数据、传感器状态信息等数据文件。文件入库后进行数据质量监控，当出现网络断开、数据出错、一小时未能正常接收资料、设备故障等现象时，能够自动生成故障警报，通过手机短信的形式发到设备保障人员的手中，同时在监控平台主界面上以频率值为负数的形式表现出来。并且，通过该运行监控平台可以对各个监测台站所发送出来的所有数据按日期、月份、年限进行查询。

　　该省土壤水分运行监控平台于2012年研制成功，并立即投入业务试运行以来，实现了对全省土壤水分观测站的远程实时有效的运行监控，创新了技术保障手段，提高了保障效率，大大增强了保障能力。为省、市、县各级的业务管理人员和装备保障人员提供一种科学、实用、方便、快捷、高效的土壤水分观测站业务管理和技术保障的综合应用平台。

　　1、土壤水分监测仪器工作正常

　　在按日期查询界面中，选择显示范围为全部范围，正常接收到的数据由绿色标志显示。

　　2土壤水分监测仪器传输文件丢失

　　在按日期查询界面中，选择显示范围为丢失范围，可以显示土壤水分站没有正常运行的时次，用灰色标志显示。

　　3、土壤水分监测仪器数据出错

　　在按日期查询界面中，选择显示范围为全部范围，其中出现的-1、-2、-3则分别表示该土壤水分监测仪器未安装或设备故障、传感器数据超出测量范围、采集箱线缆破损。提示设备保障人员及时进行维修。

　　4、土壤水分监测仪器历史数据查询

　　在监控平台中选择按日或按年查询，相应的界面中会显示该台站当月或当年的运行情况，并显示月接收率、年接收率，帮助设备保障工作人员及时了解当前台站设备的运行情况，以便对设备的整体运行情况进行统计，为仪器设备的可用性评估提供有效的数据资料。

　　建立全省土壤水分监测档案

　　为确保该省大气探测技术保障中心对全省的自动土壤水分监测仪器设备有效的运行。达到保障有力，迅速快捷，应急高效的原则。确保在各类突发自然灾害和应急公共事件发生时全省被算坏的自动土壤水分监测仪器设备及时修复，各种备用元件的快速供应。确保在开展气象服务工作所需的自动土壤水分监测仪器快速提供技术支持。建立全省自动土壤水分监测仪器的档案。

　　自动土壤水分监测仪器档案应包括自动土壤水分监测仪器的基本资料档案、维修维护应急联络档案和自动土壤水分监测仪器历史故障维修档案三部分组成。

　　其中自动土壤水分监测仪器的基本资料档案部分应包括：自动土壤水分监测仪器台站的建站时间、该自动土壤水分监测仪器台站的业务等级、使用仪器厂家及台站的备件情况。通过建立这个自动土壤水分监测仪器台站的基本资料档案，可以更好的了解自动土壤水分监测仪器运行年限，方便仪器的因老化的更换，方便对自动土壤水分监测仪器的维护保养。

　　维修维护应急联络档案应包括：自动土壤水分监测仪器台站负责人联系电话、台站业务值班联系电话、仪器维护技术员联系电话、台站的IP地址、并了解运输仪器方式及最快最方便到达台站的交通线路。建立维修维护应急联络档案，可以更便捷的为自动土壤水分监测仪器台站提供良好的日常维护方面的技术指导，为业务数据完整准确提供技术支持。当遇到应急故障或突发事件的时候能及时与台站负责人取得联系，并与仪器维护技术人员了解故障原因做出远程技术指导。当台站人员需要备用仪器时能够及时的通过邮寄、快递、配货等方式将仪器运输到台站。在需要到台站完成维修任务的时候能够在最短的时间内到达台站缩短维修时效。

　　自动土壤水分监测仪器台站历史维修档案应包括：自动土壤水分监测仪器台站出现的故障的时间、维修时间、故障现象、故障原因、更换的仪器备件。通过对自动土壤水分监测仪器台站历史维修档案的建立，可以总结故障原因，积累维修经验，并能通过历史的维修记录分析各个台站存在的仪器故障隐患，做出有针对性的日常维护。将能出现的故障的几率降低到最小，更好的提高维修效率。

　　通过建立全省自动土壤水分监测仪器台站的档案，可以使大探中心更好的了解全省各台站的基本情况，台站仪器储备情况。方便联系台站人员做好沟通交流准确地提供技术支持，快捷的运输仪器。提高维修效率，降低故障发生的几率。

　　总结与展望：

　　土壤水分监控和保障体系的建立，使得从土壤水分的测量到数据传输，再到运行监控和设备保障维护形成了一个完整的系统、规范的观测、完美管理体系。为自动土壤水分含量监测工作的发展提供有强有力的技术保和制度保障，从而大幅度的提高了自动土壤水分含量监测工作的实时性、有效性和准确性。