李 穎

(遼寧省鐵嶺縣新臺(tái)子鎮(zhèn)水利工作站，遼寧 鐵嶺 112611)

當(dāng)前，土壤濕度的獲取主要通過(guò)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、水文模擬或者衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演得到，結(jié)合分布式水文模型可得到的土壤濕度的空間分布，數(shù)據(jù)精度也和監(jiān)測(cè)站點(diǎn)具有較好的一致性，但這種方式受到模型不確定性和輸入數(shù)據(jù)的精度影響很大[1]。衛(wèi)星遙感反演的土壤濕度數(shù)據(jù)只能對(duì)其表層土壤深度下的濕度進(jìn)行反演，且反演的精度受到下墊面參數(shù)影響較大[2]。土壤濕度數(shù)據(jù)是有助于了解陸氣耦合作用下的水循環(huán)變化，對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)、氣候變化影響分析具有重要的實(shí)際意義[3]。分布式水文模擬和衛(wèi)星遙感反演可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤濕度空間分布的變化，對(duì)于掌握農(nóng)業(yè)干旱特征、流域土壤水蓄水變化具有十分重要的作用，但兩者方式均需要結(jié)合土壤體積含水量作為模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行土壤體積含水量和土壤相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換，從而獲取完成數(shù)據(jù)系列的土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。近些年來(lái)，對(duì)于土壤體積含水量和土壤相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換取得一定研究成果[4-5]，但這些研究成果還難具有通用性。李家第結(jié)合中國(guó)地區(qū)35個(gè)土壤濕度監(jiān)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立回歸模型實(shí)現(xiàn)土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量的轉(zhuǎn)換，并結(jié)合站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度分析，分析結(jié)果表明該轉(zhuǎn)換方法具有較好的通用性，但在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合此研究思路，以遼寧本溪地區(qū)為研究實(shí)例，對(duì)區(qū)域土壤濕度和土壤體積含水量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，研究成果對(duì)于區(qū)域分布式農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)、流域土壤蓄水量變化空間特征具有重要的研究?jī)r(jià)值。

1 轉(zhuǎn)換方法

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，土壤相對(duì)濕度和體積含水量之間存在線性變化關(guān)系，因此采用回歸模型的方法，通過(guò)分析站點(diǎn)觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量的回歸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量之間的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換前，首先需要對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以月為時(shí)間尺度，結(jié)合各站點(diǎn)單月土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值的平均值作為該月土壤相對(duì)濕度，按照不同土壤分層對(duì)各月份土壤相對(duì)濕度的均值進(jìn)行處理，各分層土壤相對(duì)濕度處理方程分別為；

(1)

L20=L3×100

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在方程中，L10表示為0～10 cm土壤層觀測(cè)的相對(duì)濕度；L20表示為10～20 cm土壤層觀測(cè)的相對(duì)濕度；L50表示為20～50 cm土壤層觀測(cè)的相對(duì)濕度；L70表示為50～70 cm土壤層觀測(cè)的相對(duì)濕度；L100表示為70～100 cm土壤層觀測(cè)的相對(duì)濕度。L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11分別表示為土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)系列中第1層到第11層土壤濕度觀測(cè)值。將不同層的相對(duì)土壤濕度進(jìn)行合并后，乘以100轉(zhuǎn)換成土壤相對(duì)濕度相同的0～100之間的數(shù)值。并將各個(gè)站點(diǎn)的土壤相對(duì)濕度進(jìn)行月平均值的處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 站點(diǎn)概況

結(jié)合本溪地區(qū)土壤濕度觀測(cè)的6個(gè)站點(diǎn)的月均值觀測(cè)數(shù)據(jù)系列，中國(guó)區(qū)域土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)系列主要為2套，其中一套土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)為土壤的體積含水量，數(shù)據(jù)系列的起止年份從1981-1999年，另一套土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)為土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)系列的起止年份從1991-2018年，土壤濕度數(shù)據(jù)早期是通過(guò)人工取土后才有烘干方法進(jìn)行稱重，在進(jìn)行體積百分比的轉(zhuǎn)換，雖然該數(shù)據(jù)資料時(shí)空分辨率較低，但是在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為成熟和廣泛，數(shù)據(jù)下載地址見文獻(xiàn)[14]。中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供了農(nóng)業(yè)氣象臺(tái)站觀測(cè)的土壤濕度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)采用百分值進(jìn)行表示，數(shù)據(jù)下載地址見文獻(xiàn)[15]，數(shù)據(jù)從1991年到2013年每月觀測(cè)一次，在本溪地區(qū)冬季觀測(cè)較少，主要集中在3-4月以及9-10月。本溪地區(qū)6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)主要分為5層，分別為0～10 cm、10～20 cm、20～50 cm、50～70 cm、70～100 cm，各站點(diǎn)分布及情況見表1和圖1。

表1 研究站點(diǎn)及資料概況

圖1 各觀測(cè)站點(diǎn)分布

2.2 相關(guān)度分析結(jié)果

結(jié)合各研究站點(diǎn)土壤體積含水量和土壤相對(duì)濕度的觀測(cè)數(shù)據(jù)系列，對(duì)其相關(guān)性進(jìn)行分析，并建立各土層相關(guān)回歸方程，各站點(diǎn)點(diǎn)土層為50～70 cm的觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量相關(guān)圖見圖2，其他土層相關(guān)性分析結(jié)果見表2。

圖2 本溪地區(qū)各站點(diǎn)土層為50～70 cm的觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量相關(guān)圖

表2 其他土壤分層土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量相關(guān)方程及相關(guān)度分析結(jié)果

從各站點(diǎn)土層50～70 cm的觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量相關(guān)圖可看出，各站點(diǎn)重合年份觀測(cè)的土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，各站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均可以在0.6以上，具有較好的相關(guān)性。其他各分層土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果可看出，隨著土層深度的增加，相關(guān)系數(shù)逐步減小，這主要是因?yàn)殡S著土層深度的增加，土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量受土壤物理參數(shù)影響加大，使得土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量的相關(guān)系數(shù)有所減小，但相關(guān)系數(shù)總體均大于0.6，表明在各分層土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量具有較好的線性關(guān)系，構(gòu)建的回歸方程可滿足各分層土壤體積含水量和相對(duì)濕度的轉(zhuǎn)換。

2.3 回歸誤差分析檢驗(yàn)結(jié)果

在各分層土壤回歸方程構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對(duì)不同分層土壤回歸方程進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)回歸方程的合理性，各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量回歸方程誤差分布見圖3，其他各分層土壤的相對(duì)濕度和土壤體積含水量回歸方程的誤差檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖3 本溪地區(qū)各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量回歸模型

從本溪地區(qū)各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度與土壤體積含水量回歸誤差分布圖可看出，各站點(diǎn)的均方根誤差均小于6.0，均方根誤差表示為回歸方程轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值偏差的平方與觀測(cè)次數(shù)平方值之間的誤差檢驗(yàn)值，均方根誤差可表示回歸模型土壤相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值之間的離散度，各站點(diǎn)其他分層的均方根誤差也在3.0之內(nèi)，隨著土層深度增加，均方根誤差加大，土壤濕度和土壤體積含水量轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值之間的離散度有所加大。平均誤差主要表示為轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值總體的誤差，從50～70 cm土層回歸方程的平均誤差可看出，各站點(diǎn)平均誤差在±3以內(nèi)，滿足回歸方程的誤差要求。從各分層土壤平均誤差分布可看出，在-2.62～2.52之間，隨著土層深度增加，平均誤差有所提高。構(gòu)建的各分層土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量轉(zhuǎn)換的回歸方程滿足誤差檢驗(yàn)要求。

2.4 轉(zhuǎn)換精度分析結(jié)果

結(jié)合構(gòu)建的本溪地區(qū)各站點(diǎn)不同土壤分層的回歸轉(zhuǎn)換方程，對(duì)其轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行了分析，各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與轉(zhuǎn)換值過(guò)程對(duì)比見圖4，其他土壤分層土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換系數(shù)分析結(jié)果見表3。

圖4 本溪地區(qū)各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與轉(zhuǎn)換值過(guò)程對(duì)比

表3 其他土壤分層土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換系數(shù)分析結(jié)果

從各站點(diǎn)土層為50～70 cm的土壤相對(duì)濕度觀測(cè)值與轉(zhuǎn)換值過(guò)程對(duì)比結(jié)果可看出，具有較好的擬合度，這主要是因?yàn)橥寥婪謱拥南鄬?duì)濕度和土壤體積含水量具有較好的線性相關(guān)性，建立的回歸方程可滿足土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量之間的有效轉(zhuǎn)換，使得其轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值之間具有較好的吻合度，土壤相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換值與觀測(cè)值之間在各季節(jié)上也具有相同的變化趨勢(shì)，各別監(jiān)測(cè)時(shí)段誤差較大的原因在于北方地區(qū)進(jìn)入冬季后，土壤相對(duì)濕度受到凍土層的影響，觀測(cè)記錄有所偏小，使得轉(zhuǎn)換誤差加大。從其他分層的轉(zhuǎn)換系數(shù)可看出，各分層土壤相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換值和觀測(cè)值之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)隨著土壤分層的增加，而逐步遞減，但總體均在0.65以上，結(jié)合各分層的轉(zhuǎn)換系數(shù)和建立的回歸方程可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量的有效轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)北方地區(qū)土壤相對(duì)濕度季節(jié)性變化較為明顯，尤其是在凍土期，土壤濕度觀測(cè)值偏小，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)，針對(duì)土壤濕度季節(jié)變化，在凍土期加大回歸系數(shù)，從而減小轉(zhuǎn)換誤差。

(2)在建立回歸模型進(jìn)行土壤濕度和土壤體積含水量轉(zhuǎn)換時(shí)，需要對(duì)回歸方程進(jìn)行均方根誤差及平均誤差的檢驗(yàn)，其中均方根誤差低于10，平均誤差在±1.5內(nèi)才可滿足轉(zhuǎn)換精度要求。

(3)由于土壤相對(duì)濕度的影響因素較為復(fù)雜，在以后的研究中還需要考慮土壤質(zhì)地對(duì)土壤相對(duì)濕度和土壤體積含水量轉(zhuǎn)換的影響，提高轉(zhuǎn)換精度。