李 穎，劉 佳

（通遼市氣象局，內(nèi)蒙古通遼 028000）

土壤水分研究一直是當(dāng)今土壤物理學(xué)中最為活躍的研究領(lǐng)域[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們僅能夠通過(guò)Darcy定律對(duì)飽和土壤水分做定量研究。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著測(cè)試手段和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，以及學(xué)科間的相互滲透，土壤水分的研究由經(jīng)驗(yàn)到理論、定性到定量發(fā)生了質(zhì)的轉(zhuǎn)變，并為相關(guān)應(yīng)用學(xué)科的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)[2]。計(jì)算機(jī)模擬是當(dāng)今土壤水分運(yùn)動(dòng)最感興趣的方法。如德國(guó)格廷根大學(xué)林業(yè)系土壤研究所利用電腦模擬該所森林生態(tài)站的土壤水分運(yùn)動(dòng)狀況，數(shù)值模擬的結(jié)果既建立于嚴(yán)格的科學(xué)基礎(chǔ)上，又比較接近田間實(shí)際[3]。在我國(guó)，20世紀(jì)50年代中期至20世紀(jì)60年代中期土壤水分研究的學(xué)術(shù)界主要以前蘇聯(lián)為代表的形態(tài)水分研究觀點(diǎn)和方法支配著，一些術(shù)語(yǔ)和概念一直沿用到今天。1977年在杭州舉行的第一次土壤物理學(xué)術(shù)討論會(huì)上，首次將土壤水分的能量概念介紹到國(guó)內(nèi)[4]，使得我國(guó)土壤水分研究步入一個(gè)嶄新的階段。

通遼市是內(nèi)蒙古重要的糧食生產(chǎn)儲(chǔ)備基地，春季農(nóng)業(yè)氣象條件較差，土壤水分條件是影響春播生產(chǎn)的重要農(nóng)業(yè)指標(biāo)。為了更好地服務(wù)通遼市玉米春播生產(chǎn)，滿(mǎn)足農(nóng)戶(hù)需求，在掌握通遼市各地區(qū)氣候資料和土壤水分資料的基礎(chǔ)上，查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，研究開(kāi)發(fā)通遼市玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型，以便提前預(yù)測(cè)春播期土壤水分條件，從而使涉農(nóng)部門(mén)根據(jù)預(yù)報(bào)信息，指導(dǎo)農(nóng)戶(hù)提前采取相應(yīng)的保墑、增墑措施，保證玉米適期播種和正常出苗，對(duì)提高氣象為農(nóng)服務(wù)能力，以及全市糧食穩(wěn)產(chǎn)增收、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)具有重大意義。

1 資料來(lái)源和分析方法

選取通遼市8個(gè)旗縣站氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行研究分析。其中奈曼旗、科爾沁區(qū)采用1980—2015年數(shù)據(jù)，開(kāi)魯縣采用1982—2015年數(shù)據(jù)，巴雅爾鎮(zhèn)、扎魯特旗、科左中旗、科左后旗與庫(kù)倫旗采用2006—2015年數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括各臺(tái)站本年度夏季、秋季、冬季的平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量與土表地溫，封凍前土壤水分（11月中旬），以及下一年3月份的平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、蒸發(fā)量與土表地溫，玉米春播期土壤水分（4月中旬）等26個(gè)氣象觀測(cè)要素值，其中土壤水分大小用0～30 cm土壤平均相對(duì)濕度表示。

采用主成分分析法和相關(guān)性分析法挑選出影響通遼市各地區(qū)玉米春播期土壤水分條件的顯著氣象因子，運(yùn)用多元回歸方程建立該地區(qū)玉米春播期土壤水分與氣象因子間的數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型方程，并對(duì)其進(jìn)行回代檢驗(yàn)，確定擬合度。同時(shí)用2016年玉米春播期土壤水分實(shí)測(cè)值對(duì)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯著氣象因子的篩選

在SPSS數(shù)據(jù)窗口中輸入通遼市8個(gè)旗縣站26個(gè)氣象要素歷年值，并對(duì)除春播期土壤水分之外的其他25個(gè)要素值進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)名前加“Z”表示。將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，通過(guò)降維，抽取特征值＞1或累計(jì)貢獻(xiàn)率＞80%的主成分，所得結(jié)果如表1所示。從表1可見(jiàn)，科爾沁區(qū)前7個(gè)主成分特征值＞1，同時(shí)，前7個(gè)成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到83.358%，也符合累計(jì)貢獻(xiàn)率＞80%的原則，所以決定用7個(gè)氣象因子來(lái)代替原來(lái)的25個(gè)氣象因子。其他7個(gè)旗縣站也采用同樣的主成分分析法來(lái)確定顯著因子個(gè)數(shù)。

表1 各旗縣站顯著氣象因子個(gè)數(shù)和累計(jì)貢獻(xiàn)率

成分矩陣即因子載荷矩陣，每一個(gè)載荷量表示主成分與對(duì)應(yīng)變量的相關(guān)系數(shù)，該系數(shù)表示該因子對(duì)變量的影響程度，也稱(chēng)為變量在因子上的載荷。但在成分矩陣中每個(gè)因子（主成分）的系數(shù)（載荷）沒(méi)有很明顯的差別，所以不好命名。因此，為了對(duì)因子進(jìn)行命名，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使系數(shù)向0和1兩極分化，從旋轉(zhuǎn)載荷矩陣可以看出每一個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的氣象因子的載荷量[5]。之后結(jié)合相關(guān)性分析結(jié)果，得出每個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的顯著氣象因子，結(jié)果如表2所示。通遼市南北、東西各地區(qū)氣象條件差異明顯，對(duì)玉米春播期土壤水分影響也略有不同，因此，各地區(qū)選取的顯著氣象因子也略有差異，但總的影響的關(guān)鍵氣象因子是相同的。

2.2 玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型的建立

采用多元回歸分析法，確立通遼市8個(gè)旗縣站點(diǎn)玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)的數(shù)學(xué)模型方程，并運(yùn)用回代檢驗(yàn)進(jìn)一步確定每個(gè)預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確率。從表3可以看出，全市8個(gè)旗縣站的預(yù)報(bào)模型擬合度均在81%以上，說(shuō)明模型擬合度非常好。

2.3 2016年通遼市玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型驗(yàn)證

將通遼市8個(gè)旗縣站2015—2016年相應(yīng)氣象要素值分別代入各自預(yù)報(bào)模型方程中，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4結(jié)果來(lái)看，全市8個(gè)旗縣站中，僅巴雅爾鎮(zhèn)的方程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不到60%，其余7個(gè)旗縣站的方程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率均在60%以上。全市8個(gè)旗縣站春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型總體準(zhǔn)確率為78%，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表2 影響各旗縣玉米春播期土壤水分的顯著氣象因子

表3 玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型及擬合度 %

表4 2016年玉米春播期土壤水分預(yù)報(bào)模型驗(yàn)證 %

3 關(guān)于土壤水分預(yù)報(bào)模型的一些問(wèn)題

有關(guān)土壤的監(jiān)測(cè)、模擬和評(píng)估還存在不少問(wèn)題，特別是監(jiān)測(cè)方法和模擬方法不規(guī)范，使研究結(jié)果的可比性和精度大打折扣。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不連續(xù)和實(shí)時(shí)性差，更是一個(gè)較為普遍的現(xiàn)象之一，加之測(cè)定方法和數(shù)據(jù)處理方面技術(shù)原因，獲得的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)常嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的利用效率低[6]。同時(shí)由于土壤水分受氣象因子、作物以及土壤類(lèi)型等多種因子的綜合影響。因此，應(yīng)該以土壤水分變化的機(jī)理性模型為基礎(chǔ)[7]，兼顧各主要影響因子時(shí)空變化的隨機(jī)模型，根據(jù)不同農(nóng)田地域特點(diǎn)，建立綜合性的土壤水分模擬模型，將多種預(yù)報(bào)方法綜合起來(lái)考慮的組合預(yù)報(bào)分析將會(huì)是提高預(yù)報(bào)模型精度的一種有效途徑[8]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、城市化進(jìn)程的加快，土壤水分研究的范圍將更加廣泛[9]，土壤水分的測(cè)試儀器將更為精密，土壤水分的動(dòng)態(tài)機(jī)理性研究將更加深入，以農(nóng)業(yè)節(jié)水和高效用水為中心的土壤水分與作物關(guān)系研究將廣泛開(kāi)展[10]。

參考文獻(xiàn)：

［1］馬履一.國(guó)內(nèi)外土壤水分研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.世界林業(yè)研究，1997，1（5）：26-31.

［2］莊季屏.四十年來(lái)的中國(guó)土壤水分研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，1989（3）：241-248.

［3］姚賢良.土壤物理學(xué)的研究動(dòng)態(tài)及展望［J］.土壤，1985（6）：281-289.

［4］朱祖祥.土壤水分的能量概念及其意義［J］.土壤學(xué)進(jìn)展，1979（1）：1-2.

［5］張文彤.世界優(yōu)秀統(tǒng)計(jì)工具SPSS 11.0統(tǒng)計(jì)分析教程（高級(jí)篇）［M］.北京：北京希望電子出版社，2002：191-199.

［6］申慧娟，嚴(yán)昌榮，戴亞平.農(nóng)田土壤水分預(yù)測(cè)模型的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］.生態(tài)科學(xué)，2003，22（4）：366-370.

［7］申雙和，川 英.農(nóng)田土壤水分預(yù)測(cè)模型應(yīng)用研究［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，15（4）：540-548.

［8］申雙和，川 英.農(nóng)田土壤水分的隨機(jī)模擬和預(yù)報(bào)［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，16（3）：324-328.

［9］高 峰，胡繼超，卞 赟.國(guó)內(nèi)外土壤水分研究進(jìn)展［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（34）：11146-11148.

［10］李洪文，高煥文.保護(hù)性耕地土壤水分模型［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，1（2）：25-30.