全國秸稈產生量抽樣調查草谷比測定誤差分析

張恒敢 顧克軍 許博

摘要?基于第二次全國污染源普查中秸稈產生量抽樣調查的流程和試驗方法，分析了樣品在不同階段的干物質質量變化和含水率變化情況，以及這些變化對草谷比計算誤差的影響，推導出基于調查流程的草谷比計算公式，分析了草谷比計算誤差的來源，并據此提出減小誤差的改進方案。試驗結果表明，調查流程中草谷比測定誤差影響因素多，來源復雜，對誤差影響較大的是樣品運輸儲藏階段和最后的烘干階段。運輸儲藏階段可通過嚴格的保水措施減小誤差，烘干測試階段，水稻、小麥的誤差較小，大豆、油菜的誤差較大。根據理論推導和試驗測定結果，提出基于干物質重量的調查方法（干物質法），通過增加2次精確的稱量過程直接計算出草谷比。這種方法不僅能夠減少誤差，還因為不需要保持全水分，可以降低包裝、運輸、儲藏成本。

關鍵詞?污染源普查; 草谷比; 干燥模型

中圖分類號?C81?文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）14-0048-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.14.014

Abstract?Based on the process and test method of straw production sampling survey in the second national pollution source survey， the dry matter quality change and moisture content change of straw and grain samples in different stages， as well as the influence of these changes on the calculation error of straw to grain ratio were?analyzed. The calculation formula of straw to grain ratio was derived， and error sources were analyzed， and the error reduction solution was also proposed.There are many factors influencing the error of straw to grain ratio in the investigation process， and the error sources are complex. The most important factors contributing to the error are the sample transportation stage，?storage stage and the final drying stage. In the transportation and storage stage， the error can be reduced by water conservation. In the drying stage， the error for rice and wheat can be ignored， while that of soybean and rape cant be. According to theoretical derivation and the experimental measurement， an investigation method （dry matter method） based on the weight of dry matter was proposed in this paper， which can calculate the straw to grain ratio by adding two accurate weighing operations. This method can not only reduce the error， but also reduce the cost of packaging， transportation and storage，?because of that there is no need to keep full moisture in the flow.

Key words?Polution source survey;Straw to grain ratio;Drying model

2016年10月26日，國務院印發《關于開展第二次全國污染源普查的通知》，決定于2017年12月31日起開展第二次全國污染源普查[1]。根據《全國污染源普查技術規定》，秸稈產生量抽樣調查是第二次全國污染源普查的內容之一。秸稈產生量調查方法是通過對不同作物種類、不同區域的秸稈草谷比進行測定，結合普查和統計數據，測算農作物秸稈產量[2-3]。農業農村部組織全國多地農業行政、生產單位、科研部門進行了大規模的秸稈資源調查，秸稈產生量抽樣調查為主要任務。

這次秸稈產量抽樣調查有以下幾個特點：①地域范圍廣，除上海、天津、寧夏、臺灣以外的28個省區市100多個縣區被選定為普查縣區，每個縣區5個普查區，每個普查區2個調查地塊，全國總計調查地塊1 000個以上。②作物種類多，包括小麥、水稻、花生、油菜、大豆、甘蔗、玉米、棉花、花生、甘薯等主要農作物。③質量要求高，這次是全國性的普查，對采集數據的質量要求高，有嚴格的數據質量控制。

因任務重、工作量大，此次調查開展了全國范圍的大協作。根據調查項目的需求，聯合多家農業生產、科研單位形成協作組，科學分配任務。各縣區負責種植管理、樣品采集、前期處理稱量，由高校和科研單位組成的4個分區實驗室負責含水率測定，中心實驗室負責監督管理、數據匯總和分析。這是一種分布式的調查模式，實踐證明這種模式是可行的、有效的。然而，和傳統的集中調查方式相比，誤差形成也表現出不同的特點，需要研究其誤差形成規律，以最大限度地減少誤差，提高調查結果的準確性、可靠性。

4?誤差分析

誤差是草谷比測定計算結果與真實值之間的差異。除隨機誤差外，誤差有采樣誤差、稱量誤差、樣品損失、水分交換等幾個方面的來源。此次調查取樣采用統一的平衡取樣法，根據取樣目標的種植面積加權取樣。每個鄉鎮選取5個村，每個村選2個地塊，每個地塊用五點取樣法取樣，能夠盡量降低取樣誤差。這里僅討論各階段由水分交換造成的誤差。

4.1?樣品制備階段

樣品制備階段，如有些采樣單位在樣品晾干之后就稱量樣品的總質量，然后再取樣切碎制作送驗樣品，這中間如果因天氣或時間安排相隔較長時間，秸稈樣品暴露在空氣中，秸稈可能會吸濕，?a0，s和a0，g?不為0，就會產生誤差。全水分條件下，送驗樣品稱重可以忽略，但要求稱量以后迅速包裝密封，防止水分損失。全水分不能保證的情況下，可事先并不稱量全部樣品的質量，而是在切碎之后同時稱量送驗樣品和余下樣品的質量，全樣品的質量由兩部分相加得到。這樣就保證了2次稱量之間含水率一致，使得?a0，s和a0，g?的值都為0。

4.2?運輸儲存階段

從送驗樣品稱量到實驗室開始烘干稱量這段時間較長，如果不采用全水分方法，或者使用網袋、布袋等包裝，則樣品會和周圍的空氣發生水分交換，將會造成測定結果誤差。根據現有對秸稈和籽粒樣品在空氣中的吸水規律研究結果看，這個階段的水分交換不能忽略。

這個誤差是式（12）中的第5項，由此造成的相對誤差（偏相對誤差）為

可以看出，當秸稈和籽粒樣品的吸水率不同時會產生誤差，其秸稈和籽粒的吸水率相差越大，則誤差越大。樣品過于干燥，吸水率為正，樣品過于潮濕，吸水率為負。有的采樣單位用烘箱把樣品烘很干，這樣反而會增大誤差。所以，樣品經晾曬干燥不至于發霉即可。

4.3?烘干測試階段

烘干測試階段的誤差主要在于烘干后的殘余水分，即式（12）中的第6項。由殘余水分造成的相對誤差為

此次試驗中大量測定結果表明，水稻秸稈的干燥速率更快，3 h烘干后殘留含水率接近于0。因此，3 h干燥時間對測定水稻草谷比是足夠的，這可以大幅度減少干燥時間，提高測定效率。

然而，對于大豆來說，其干燥曲線明顯不同。大豆籽粒在105 ℃下烘干3 h，籽粒濕基含水率降為7.6%;烘干6 h，含水率降為6.1%。與水稻籽粒相比，大豆更加難以烘干，如果以與水稻同樣的方法以3 h烘干的數據計算草谷比，誤差較大。

5?誤差控制

5.1?操作控制

嚴格按照《技術規定》執行，減少因操作不規范帶來的誤差，每個階段的過程都要求認真仔細，一絲不茍。采集的樣品要分開包裝，防止混雜。運輸時防止掉落，切碎、晾曬時在下面鋪上塑料布或編織布，減少樣品損失，防止碎石、泥塊混入。脫粒要干凈，去除穎殼、秸稈。關鍵步驟動作要快，盡量縮短時間，減少水分損失。盡快運輸和試驗，對包裝不好的先進行水分測定，測定后留樣用自封袋重新封裝。

5.2?包裝控制

此次調查采用全水分方案，保持樣品水分不變是獲得準確草谷比計算結果的關鍵。最好用密封袋包裝，厚度在12絲以上，秸稈要切碎，長度不要超過3 cm。切碎樣品可降低采樣誤差，也易于包裝運輸。水稻、小麥等秸稈樣品使用1個13號密封袋（40 cm×60 cm或45 cm×55 cm，因廠家略有不同）或2個12號密封袋（35 cm×45 cm）封裝。籽粒樣品推薦使用10號密封袋（25 cm×35 cm）封裝，捏緊封口，勿使漏氣。網袋、布袋、編織袋透水透氣，會造成誤差，杜絕使用。方便袋、垃圾袋質量較差，容易破裂，且不好密封，也不能使用。

5.3?稱量控制

保證稱量結果的準確性是基本的誤差控制手段。根據《技術規定》要求，稱量樣品使用臺秤和天平，因秸稈及容器體積較大，使用臺秤更方便。臺秤的測量范圍為0～10 kg，感量0.005 kg。試驗開始前按操作規程校準，防止稱量帶來的系統誤差。秸稈樣品有吸濕性，稱量過程必須在10～15 s內完成，操作臺與干燥設備（烘箱）距離不能太遠。干燥容器建議使用較大較深的托盤（建議規格50 cm×30 cm×10 cm，用于秸稈樣品）和鋁盒（建議規格22 mm×13 mm×6 mm，用于籽粒樣品）。大容器不僅能夠容納較多的樣品，減小誤差，還能保證薄層干燥，提高試驗效率，節約用電成本。秸稈樣品要在無風環境下稱量，干燥后的秸稈容器下墊隔熱墊（如泡沫板），防止臺秤受熱，影響精度。秸稈稱量讀數會有波動，有條件的可以使用帶自動記錄功能的天平，或外加圖像讀數設備，統計計算最佳稱量結果。

5.4?統計控制

從前面的誤差分析可知，在樣品的運輸儲存階段，由于水分交換會產生誤差，在烘干測試階段，由于不能烘干到恒重會產生誤差，對于不同作物的樣品，2項誤差的大小均可通過標準曲線獲得的干燥模型計算出來，可以用這個誤差值對實測結果進行矯正。調查實測結果因相關規定這里略過[4]。

5.5?反饋控制

此次調查不僅采樣區域范圍廣、作物種類豐富、時間長，各參與單位、功能模塊之間通信和協調的好壞也在很大程度上影響調查結果的準確性。有些樣品的有效性在其后續的處理階段才能確定，后一階段的信息需要反饋到前一個階段以促進其作出調整，從而實現反饋控制。網絡技術的應用不僅能加快數據采集、數據交換、分析計算的速度，還能實時交換數據、實時檢驗、實時分析處理、實時反饋中間結果，實現整個系統的自調節、自進化。比如，一個地區的結果可以作為另一個地區的參考甚至臨時標準樣，計算置信區間。隨著數據量的增加，精度會越來越高，誤差越來越小。比如，使用自動記錄設備輸入數據，對結果數據進行實時檢驗，剔除不合格樣品和試驗結果，及時重新試驗或反饋到采樣部門重采復測。比如，應用計算機視覺、人工智能技術，對采樣樣品的真實性和有效性進行實時檢驗，及時剔除虛假樣品。

6?討論

全水分法的核心是保持樣品含水率不變，這也是誤差控制的關鍵。然而，由于全國性調查牽涉的地區、部門多，各地的人員配備、試驗條件參差不齊，一些地方對調查規范、方法的宣傳、學習、理解不能完全到位，樣品運輸過程中會有難以避免的包裝破損等原因，實際操作過程中有些樣品不能達到完全保持水分的要求，從而引入較大誤差，且誤差大小不可知。

根據前面的推導，如果采用基于干物質重量的調查方法（簡稱干物質法），增加2次精確的稱量過程：采樣階段精確稱量1次送驗樣品，烘干測試之前再作1次精確稱量，通過式（13）直接計算出草谷比。采用這種方法，不僅從送樣到試驗之間的不可控誤差變得可以統計，而且保持水分的要求也不再需要，從而降低包裝、運輸、儲藏的成本。采樣部門的工作量增加不多，只是送驗樣品稱量精度增加，檢測部門多1次全樣品稱量步驟。

建議第三次全國污染源普查時把干物質法作為一個選項。

參考文獻

[1]國務院辦公廳.國務院關于開展第二次全國污染源普查的通知：國發〔2016〕59號[A].北京：國務院辦公廳，2016.

[2]國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公室.關于印發《第二次全國污染源普查清查技術規定》的通知：國污普[2018]3號[A].國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公 室，2016.

[3]國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公室. 秸稈產生量抽樣調查與測定技術規定[A]. 國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公室，2018.

[4]國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公室.關于加強第二次污染源普查數據安全管理工作的通知：國污普[2019]1號[A].國務院第二次全國污染源普查領導小組辦公室，2019.