遼西地區春季土壤相對濕度變化特征及預測方法研究

王 瑩，張曉月，張 琪，焦 敏，黃 巖，馬 林，王若男

(1.遼寧省氣象科學研究所，沈陽 110166；2.遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽 110166)

遼寧省地處歐亞大陸東岸，中緯度地區。由于受長白山脈的遼東半島和山東半島山地相隔，東南濕潤季風不易深入，遼寧東部和中部地區呈溫帶大陸季風氣候。遼寧西部與蒙古高原相接，受西風環流和西伯利亞大陸性氣候影響，西部地區呈大陸性氣候。遼寧省是東北地區重要的糧食主產區，受氣候和復雜地貌影響，干旱災害頻繁發生制約著糧食產業的發展[1,2]。有關研究表明[3-5]，從空間角度來看遼西地區是遼寧省干旱災害的頻發、重發區；從時間角度上，遼寧省春旱發生頻率遠遠大于夏旱和秋旱，春旱對農業的影響也最為嚴重。因此，掌握遼西地區春季農業干旱的發生規律，做好春旱預測服務工作，對于預防和減輕春旱危害以及合理安排春耕生產具有重要意義。

進入21世紀，由于頻繁的干旱災害給農業生產帶來嚴重影響，開展農業干旱監測、預報及預警研究成為農業氣象服務與研究的熱點[6]。學者一般采用降水量指標、土壤含水量指標、作物旱情指標及綜合類指標等來做評價和研究[7-9]，考慮到農作物生長發育需要的水分絕大部分來自于土壤，因此以土壤濕度作為評價農業氣象干旱的指標，可以直觀的表現出農田干旱程度。李輯等[10]通過研究土壤相對濕度與氣象因子、環流指數等的關系，建立了月尺度的土壤相對濕度動態預測模型，預報農業干旱。李潤春等[11]分析了土壤相對濕度變化的影響因子，運用統計學方法得到不同土層逐旬土壤相對濕度預報模型，預報效果較好。還有一些學者[12-13]以土壤水分平衡原理為出發點，計算土壤水分變化的各影響參數，預報農田土壤水分含量。然而，季節尺度上的土壤相對濕度的預測方法卻鮮見報道，相應地關于季節尺度上的定量化農業干旱預測也少有研究。

本文通過分析遼西地區土壤相對濕度變化特征，揭示遼西地區春季農業干旱發生發展規律。選取遼西地區具有完整觀測資料的錦州作為代表站，利用相關性分析各影響要素與土壤相對濕度的關系，從中尋找影響土壤相對濕度的主要因子，建立錦州春季(3-5月)土壤相對濕度預測模型，實現定量化的春季農業干旱預測，為該地區有效應對春旱發生、合理安排灌溉提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資 料

選取遼西地區具有完整資料的錦州、朝陽、阜新、建平為代表站點，所用資料包括土壤相對濕度資料、地溫資料和氣象資料。

(1)土壤相對濕度。土壤相對濕度采用人工土壤水分觀測站1980-2015年每旬逢3、8觀測數據。

(2)地溫。地溫采用遼寧省氣象局提供的1980-2015年80 cm地溫的歷史資料。

(3)氣象資料。氣象資料為1980-2015 年逐日平均氣溫和日降水量的觀測數據。

1.2 方 法

1.2.1 標準差標準化[14]

由于土壤相對濕度與氣象因子、地溫等數據單位相差較大，因此利用以下公式對本文涉及的數據資料，為相關性分析及回歸模型的建立做數據準備。

序列Xi(i=1,2,…,n)的標準差為：

(1)

距平變量除以標準差后得到標準化變量序列，即為標準差標準化。

(2)

1.2.2 多元回歸方程[14]

設因變量y隨m個子自變量x1，x2，…，xm的變化而變化，且有線性關系：

y=β0+β1x1+β2x2+…+βmxm+ε

(3)

有n組觀測資料 (x1t，x2t，…,xmt;yt)它們滿足回歸方程，即滿足下面n個等式：

yt=β0+β1x1t+β2x2t+…+βmxmt+εt

(4)

t=1,2，…，n，εt是隨機誤差，它仍需滿足一元回歸中所述的三個假定，即“誤差εt相互獨立地服從正態分布N(0σ2)”。

本文采用此方法，建立春季(3-5月)土壤相對濕度預測模型，實現定量化的春季農業干旱預測。

1.2.3 農業干旱等級劃分

根據遼寧省多年研究和業務實際應用，以土壤相對濕度劃分農業干旱等級(表1)，可以直觀的表現旱澇狀況。

表1 土壤相對濕度劃分農業干旱等級Tab.1 Different grades of agricultural drought disaster by soil relative humidity

2 結果與分析

2.1 遼西地區春季土壤相對濕度變化特征

分析遼西地區春季土壤相對濕度變化的時間特征(如圖1)，可以看出：遼西地區土壤相對濕度年際變化存在很大的波動性。總體上，土壤相對濕度呈波動下降趨勢，下降幅度較小，傾向率為-0.23%/a。結合表1發現，2000年以后伴隨著土壤相對濕度減少，農業干旱年份頻現。土壤濕度的時間變化規律揭示了遼西地區春季農業干旱越來越重的現象，這主要與遼西地區春季氣候變化特征相關。孫鳳華等[15]研究發現，遼西地區總體氣候變化趨勢為氣溫升高、降水減少。暖干的氣候有利于干旱趨勢的發展，加之春季風大，土壤水分蒸發加快，從而出現了遼西地區春季土壤相對濕度減少的現象，農業干旱增加。

圖1 遼西地區春季土壤相對濕度年際變化曲線Fig.1 Inter-annual variation of soil relative humidity in spring in western Liaoning Province

2.2 土壤相對濕度預測方法研究

本文選取遼西地區具有完整觀測資料的錦州作為代表站點，建立春季(3-5月)土壤相對濕度預測模型，結合農業干旱等級劃分(表1)，實現春季農業干旱定量化預測。

2.2.1 預測因子分析

有研究表明[16]，土壤相對濕度的變化不僅與降水有關，還與同期各氣象要素、前期的降水多少、土壤底墑狀況、灌溉條件、地形、土質等諸多因素有關。本文綜合前人研究成果，通過分析遼西地區春旱發生特點及可能影響因子，計算了錦州地區春季土壤相對濕度與前一年秋季降水、封凍前底墑、前一年冬季80 cm地溫及同期降水、氣溫等要素之間的相關性，尋找相關顯著的因子，進一步分析高相關因子如何影響土壤濕度，從而篩選出預測因子。

計算錦州地區春季土壤相對濕度與影響因子的相關性(表2)，從結果中可以看出，錦州地區春季土壤相對濕度與前一年秋季降水呈顯著正相關，通過α=0.01(rc=0.449)的顯著性檢驗。這說明，前秋降水偏多時，來年春季土壤水分含量多，土壤濕潤減少春旱發生，有利于進行春耕春播；反之，前秋降水偏少時，第二年春季土壤偏干，容易發生春旱。前秋降水是北方特有的土壤相對濕度影響因子，是指上一年9-11月份的降水量，在北方將其稱為封凍雨。秋季降水儲存在土壤里，隨著冬季到來，氣溫下降到冰點以下，水分被封凍在土壤里，當第二年春季到來，伴隨著氣溫升高，土壤開始解凍，便會形成明顯的返漿現象，土壤變得濕潤，從而減輕春旱發生的程度。

底墑是指前一年土壤封凍前最后一次測墑的平均土壤相對濕度。本文分析了土壤相對濕度與底墑的相關性(表2)，可以看出二者之間存在明顯的正相關關系，通過了α=0.01(rc=0.449)的顯著性檢驗。在所有前期影響因子中，底墑與春季土壤相對濕度的相關系數明顯高于其他因子，這說明了底墑所體現的土壤相對濕度是最終封凍在土壤里影響第二年春季土壤干旱與否最重要的因子，春季土壤濕度與底墑的關系更為直接。底墑大，則代表封凍在土壤里的水分多，第二年春季土壤解凍，土壤相對濕潤濕度大，不易發生春旱，反之亦然。

表2 春季土壤相對濕度與影響因子相關統計表Tab.2 Correlation coefficients between soil relative humidity and influencing factors

注:**表示通過α=0.01的顯著性檢驗，*表示通過α=0.05的顯著性檢驗。

地溫是衡量地表土壤熱能的物理量，在時間演變過程中，地溫的變化會對大氣中天氣氣候變化產生反饋作用。深層地溫的時空演變具有大尺度特征，與大氣環流之間有很好的相互對應關系。因此有學者[17]對深層地溫與長期降水趨勢的相關性進行研究，并將深層地溫作為降水長期預測的一個因子，編制預報方程，得到了很好的預報效果。據統計，80 cm深處地溫振動持續期大致為3個月左右。因此從時間尺度上的對應來說，前一年冬季80 cm地溫可作為第二年春季干旱的預報因子。通過計算前冬80 cm地溫與春季土壤相對濕度的相關性可知(表2)，二者之間存在較好的正相關性，通過α=0.01(rc=0.449)的顯著性檢驗。這表明，前冬80 cm地溫越高，則第二年春季土壤相對濕度越大，春旱發生的可能性越小；反之前冬80 cm地溫越小，則發生春旱的可能性越大。

春季土壤相對濕度與同期平均氣溫相關性不顯著。一方面因為北方地區春季回暖慢，錦州地區土壤化通時間一般在3月中旬至4月中旬，對于還沒有完全解凍的土壤，氣溫并不能造成明顯的蒸發失墑現象；另一原因是，錦州地區春季氣溫相對較低且年際變化較小，不會對土壤造成明顯的失墑影響，所以不能作為土壤相對濕度變化的影響因子。

春季土壤相對濕度與同期降雨量具有顯著正相關，即春季降水偏多時，同期土壤相對濕度偏大，會減少春旱的發生；反之，春季降水偏少，同期土壤偏干，易發生春旱，不利于進行春播春耕等農事活動。值得注意的是，同期降水與土壤濕度的正相關性小于底墑與土壤濕度的正相關性，即同期降水對土壤濕度的影響仍未超過底墑對土壤濕度的影響，這也說明了同期降水并不能對土壤相對濕度起決定性作用，農業干旱還是要以土壤相對濕度作為定量評估指標才更具有實際意義，對春播農業生產更具有指導價值，這也是本文選用土壤相對濕度作為春旱預測指標的意義所在。

通過上述分析發現，春季土壤濕度的主要影響因子是底墑、前秋降水、前冬80 cm地溫和同期降水。因此，選用以上具有預測意義的4個因子，可為春旱預測提供有力的參考。

2.2.2 預測模型建立

根據以上分析，選取相關性較高的底墑、前秋降水、前冬80 cm地溫和春季降水作為預測因子(表3)。

表3 預報春季土壤相對濕度關鍵因子Tab.3 The key factors for forecasting of soil relative humidiy in spring

選取1981-2012年32各樣本，利用多元線性回歸分析得到錦州地區春季土壤相對濕度的預測方程：

Y=-3.36×10-16+0.201X1+0.203X2+

0.222X3+0.446X4

方程通過α=0.01顯著性檢驗，復相關系數達到0.78。預測模型中，春季降水可用預報值，前冬80 cm地溫、前秋降雨量和底墑可用實測值。這種方法當土壤相對濕度觀測資料比較系統完整，且資料年代較長時，是比較實用的方法。模型中的因子物理意義明確，所以預報結果比較穩定。

根據上述回歸模型得到春季土壤相對濕度預測值，找到相應干旱等級(表1)，便可預測春旱的發生。

2.2.3 預測結果檢驗與應用分析

為驗證錦州地區春季土壤相對濕度回歸模型的準確性，選取未參加計算的錦州地區2013-2015年春季土壤相對濕度數據進行驗證。采用統計相對誤差的方法進行預測結果檢驗，令相對誤差為：

R=|Y1-Y|/Y×100%

式中:Y1為模擬的土壤相對濕度；Y為實測土壤相對濕度。根據公式得到的春季土壤相對濕度相對誤差結果見表4。結果可以看出，春季土壤相對濕度預測結果較好，準確率達到93.3%以上，模擬精度較高。

應用春季土壤相對濕度預測模型對錦州地區1981-2015年春季土壤相對濕度進行擬合，等到的數據與實測值進行對比(圖2)，可以看出模型的擬合效果較好，擬合值與實測值相差不大。根據農業干旱等級劃分(表1)，分析模型在預測春旱發生上的應用效果。從整體上看，錦州地區常年春季土壤相對濕度實測值多集中在60%～90%，土壤表現為適宜；在這一區域內，回歸模型得到的擬合值與實測值差別不大，同樣土壤濕度為適宜。

表4 模擬春季土壤相對濕度相對誤差Tab.4 Relative error of simulated soil relative humidiy in spring

圖2 春季土壤相對濕度模擬值與觀測值比較Fig.2 The comparison of simulation and observation of soil relative humidiy in spring in Jinzhou

應用模型模擬春旱發生，漏報1年(1983年)、正確5年(1981、1982、1984、2003、2014年)、錯報1年(2001年)。其中， 1983年模擬結果為土壤適宜，而實測結果為土壤輕旱，分析預報影響因子發現：底墑輕旱，同期降水偏多；2001年模擬結果為土壤輕旱，而實測結果為土壤適宜，分析預報影響因子發現：底墑適宜，同期降水偏少。由此可見，相比同期降水量而言，底墑是最具有預測意義的因子，與春季土壤濕度相關尤為顯著，這同樣驗證了前文分析中提到的底墑與春季土壤相對濕度相關性最為顯著的結論。底墑是春旱預測的主要持續性影響因子，對于春旱的發生具有指示意義。綜上所述，應用該模型對春旱進行預報時，要綜合考慮土壤相對濕度預測值和底墑的情況，即當春季土壤相對濕度模擬結果在50%～60%左右，則要參考底墑情況，若底墑為旱，則考慮關注春旱的發生情況。

圖2中可以看出，對于土壤相對濕度實測值大于90%的年份(1994、2005年)，預測模型的擬合值均在85%以上。鑒于底墑對春季土壤相對濕度影響的顯著性和持續性，分析這兩年的底墑情況發現：1994年底墑為90%，土壤飽和；2005年底墑為88%，土壤相對濕度接近飽和。綜合分析可知，當模擬值接近飽和時，若底墑值接近飽和或已達到飽和，則錦州地區的春季土壤飽和的可能性較大。

3 結 語

(1)分析遼西地區春季土壤相對濕度年際變化特征發現，近35年土壤相對濕度呈遞減趨勢，這揭示了遼西地區春季農業干旱越來越重的現象，特別是2000年以后，春季農業干旱年份頻現。

(2)遼西地區春季土壤濕度主要與底墑、前秋降水、前冬80 cm地溫和同期降水呈顯著正相關，且與底墑相關性最為顯著。

(3)選取相關性顯著的各因子作為預報因子，基于多元線性回歸建立錦州春季土壤相對濕度預報模型，復相關系數達到0.78，擬合準確率在93.3%以上，預報模型模擬準確度較高。根據回歸模型得到的春季土壤相對濕度預測值，結合農業干旱等級劃分，實現對春旱發生的預測。

(4)鑒于底墑與土壤相對濕度的相關性最為顯著，在應用預測模型對春季干旱進行預報時，要綜合考慮土壤相對濕度預測值和底墑的情況，即當春季土壤相對濕度模擬結果在50%～60%左右，則要參考底墑情況，若底墑為旱，則可能發生春旱。

(5)春季土壤墑情預測模型，作為一種定量化春旱預測方法，可以推廣到遼寧省其他站點和地區進行春季干旱預測，為有效應對春旱發生、合理安排灌溉提供科學依據。應該注意的是，影響因子的選擇及模型的實際應用要做本地化分析及處理。