武榮盛，侯 瓊，楊玉輝，馮旭宇，李 彬，鄭鳳杰

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400； 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與人工影響天氣中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引 言

干旱是我國(guó)最主要且分布最廣泛的氣象災(zāi)害之一，具有季節(jié)性、區(qū)域性、持續(xù)性等特征，不僅對(duì)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，還導(dǎo)致荒漠化加劇、水資源短缺等諸多負(fù)面影響[1-4]。內(nèi)蒙古典型草原地處我國(guó)北方干旱半干旱區(qū)域，是歐亞大陸溫帶草原中最具代表性且對(duì)全球氣候變化響應(yīng)較為敏感的地帶[5]，水分是限制當(dāng)?shù)啬敛萆L(zhǎng)的主要因子，降水少且時(shí)空差異大引發(fā)的草原干旱是該區(qū)域影響最嚴(yán)重、最廣泛的氣象災(zāi)害，已成為制約內(nèi)蒙古畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，在全球氣候變化背景下，在內(nèi)蒙古典型草原區(qū)開展多種氣象干旱指標(biāo)的適用性研究對(duì)畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

牧業(yè)干旱是牧草生長(zhǎng)季內(nèi)因大氣水分虧缺而造成的土壤不同程度失墑、牧草生長(zhǎng)受限，最終導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收的自然現(xiàn)象。作為最主要的牧業(yè)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，土壤濕度數(shù)據(jù)目前在我國(guó)主要來(lái)源于土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工觀測(cè)相結(jié)合，雖然時(shí)效性和空間代表性較之前有大幅提高，但隨著牧業(yè)氣象服務(wù)對(duì)時(shí)空分辨率需求的不斷提高，土壤水分觀測(cè)站在偏遠(yuǎn)地區(qū)仍較稀少，很難滿足牧業(yè)干旱監(jiān)測(cè)的需要。因此，基于陸面過(guò)程模式、衛(wèi)星遙感反演、土壤水分平衡模型及經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型等模擬土壤濕度信息成為獲取土壤水分的重要途徑[6-15]。土壤水分主要受氣溫、降水等氣象要素的影響，氣象干旱是引起土壤水分虧缺，造成牧業(yè)干旱的關(guān)鍵因素[16-18]，故而可通過(guò)氣象干旱指數(shù)來(lái)表征土壤水分。氣象干旱指數(shù)的計(jì)算是基于常規(guī)氣象站觀測(cè)資料，氣象站的分布數(shù)量遠(yuǎn)多于土壤水分監(jiān)測(cè)站，且數(shù)據(jù)質(zhì)量和傳輸穩(wěn)定性也遠(yuǎn)高于土壤水分觀測(cè)站，因此，探究氣象干旱指數(shù)與土壤相對(duì)濕度的關(guān)系統(tǒng)計(jì)模型也是獲取土壤濕度信息的重要手段。研究表明，不同季節(jié)不同區(qū)域前期氣象干旱對(duì)后期土壤相對(duì)濕度的影響不盡相同，同一氣象干旱指數(shù)在不同地區(qū)的適用性以及不同氣象干旱指數(shù)在同一地區(qū)的適用性也存在差異[19-21]。目前，大多數(shù)研究?jī)H關(guān)注氣象干旱對(duì)淺層土壤(0～20 cm)的影響，而內(nèi)蒙古干旱半干旱區(qū)典型草原的根系發(fā)達(dá)，深層土壤水分對(duì)牧草生長(zhǎng)也有重要影響。鑒于此，本文利用內(nèi)蒙古典型草原牧草觀測(cè)站土壤水分和氣象觀測(cè)資料，通過(guò)土壤相對(duì)濕度與前期氣象干旱指數(shù)的相關(guān)分析，探討不同時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)對(duì)各季節(jié)不同深度土壤水分的影響，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于氣象干旱指數(shù)的土壤相對(duì)濕度預(yù)測(cè)模型，有助于進(jìn)一步理解牧草干旱致災(zāi)過(guò)程和機(jī)理，以及氣象干旱與牧業(yè)干旱的階段閾值和相互關(guān)系，以期提升內(nèi)蒙古典型草原干旱監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)水平。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙古典型草原主要分布在錫林郭勒和呼倫貝爾的波狀平原、烏蘭察布高原及燕山丘陵的部分地區(qū)[圖1，內(nèi)蒙古行政邊界是基于內(nèi)蒙古自治區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為蒙S(2017)028的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無(wú)修改]，優(yōu)勢(shì)植物以羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、大針茅(Stipagrandis)、冰草(Agropyroncristatum)、冷蒿(Artemisiafrigida)為主。該區(qū)域?qū)俑珊蛋敫珊禋夂?，平均年降水量?50～450 mm之間，呈現(xiàn)由西北向東南遞增的分布特征，降水主要集中在夏季(占年降水量的66.1%)，春、秋兩季降水較少，為較明顯的干季；年平均氣溫為-0.9～4.3 ℃，呈現(xiàn)由西南向東北遞減的分布特征，夏季炎熱而短促，冬季寒冷而漫長(zhǎng)[22]。

1.2 資 料

選擇察右后旗、鑲黃旗、錫林浩特和鄂溫克4個(gè)牧業(yè)氣象觀測(cè)站作為內(nèi)蒙古典型草原的代表站點(diǎn)(圖1)。所用資料：上述4個(gè)站點(diǎn)1981—2015年氣溫、降水、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等逐日氣象觀測(cè)資料和同期4—10月逢8(8日、18日和28日)觀測(cè)的土壤重量含水率及土壤物理參數(shù)。利用土壤重量含水率觀測(cè)資料，結(jié)合不同深度土壤容重、田間持水量等物理參數(shù)，計(jì)算土壤相對(duì)濕度。其中，察右后旗和鑲黃旗站的土壤測(cè)量深度為0～50 cm，錫林浩特和鄂溫克站的測(cè)量深度為0～100 cm。

圖1 內(nèi)蒙古典型草原和牧業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 The spatial distribution of typical steppe and animal husbandry meteorological observation stations in Inner Mongolia

1.3 氣象干旱指數(shù)

選取業(yè)務(wù)中常用的氣象干旱指數(shù)來(lái)表征氣象干旱，包括降水距平百分率(Pa)、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(MI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)(SPIW)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、氣象干旱綜合指數(shù)(CI)、修訂后的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)[23]。

(1)降水距平百分率

降水距平百分率(Pa)是表征某時(shí)段降水量與常年值相比偏多或偏少的指標(biāo)之一，能夠反映牧草生育期內(nèi)降水異常引起的干旱，其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)

相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(MI)是表征某時(shí)段降水量與蒸散量之間平衡狀況的指標(biāo)之一，其計(jì)算公式如下：

(2)

式中：P(mm)為某時(shí)段降水量；PE(mm)為某時(shí)段潛在蒸散量，可采用FAO的Penman-Monteith公式[23]計(jì)算獲得。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是用于表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)，在計(jì)算降水量的Г分布概率后進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布進(jìn)行干旱等級(jí)劃分，可由下式求得[21]：

(3)

式中：G(x)為Г函數(shù)的降水分布概率；x為降水量；S為概率密度正負(fù)系數(shù)；c0、c1、c2、d1、d2、d3為Г分布函數(shù)轉(zhuǎn)換為累積頻率時(shí)，其求解公式中的計(jì)算參數(shù)，c0=2.515 517、c1=0.802 853、c2=0.010 328；d1=1.432 788、d2=0.189 269、d3=0.001 308。

(4)標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)

權(quán)重累積降水指數(shù)(WAP)是根據(jù)前期降水對(duì)后期旱澇的影響呈指數(shù)衰減的理念提出的，而標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)(SPIW)是對(duì)WAP進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后的氣象干旱指數(shù)。

WAP的計(jì)算公式[23]如下：

(4)

式中：n(d)為前期降水距離當(dāng)前日的天數(shù)；Pn(mm)為距離當(dāng)天前第n天的日降水量；a為貢獻(xiàn)參數(shù)，當(dāng)N為60 d時(shí)，a取0.85，則(4)式可表示如下：

(5)

(5)帕默爾干旱指數(shù)

帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)是基于土壤水分平衡原理建立的，可以表征某時(shí)段內(nèi)某地實(shí)際水分供應(yīng)持續(xù)少于當(dāng)?shù)貧夂蜻m宜水分供應(yīng)的水分虧缺。該指數(shù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理，其值一般在-6～6之間，用于比較不同時(shí)間、不同地區(qū)的土壤濕度情況。其計(jì)算公式詳見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2017)[23]。

(6)氣象干旱綜合指數(shù)

氣象干旱綜合指數(shù)(CI)是利用月尺度(30 d)和季尺度(90 d)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以及月尺度相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)加權(quán)求得，該指標(biāo)適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測(cè)和歷史同期氣象干旱評(píng)估。計(jì)算公式如下：

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(6)

式中：SPI30、SPI90分別為近30、90 d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；MI30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)；a、b、c為權(quán)重系數(shù)，分別取0.4、0.4、0.8。

(7)修訂后的氣象干旱綜合指數(shù)

修訂后的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)，適用于作物生長(zhǎng)季逐日氣象干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估。計(jì)算公式如下：

MCI=aSPIW60+bMI30+cSPI90+dSPI150

(7)

式中：SPIW60為近60 d標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)；MI30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)；SPI90、SPI150分別為近90、150 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；a、b、c、d為各項(xiàng)指數(shù)的權(quán)重系數(shù)，北方冬、春季一般取0.2、0.2、0.3、0.4，夏、秋季一般取0.3、0.4、0.3、0.2。

1.4 分析方法

采用Pearson相關(guān)系數(shù)(雙側(cè)檢驗(yàn))分析內(nèi)蒙古典型草原區(qū)1981—2015年不同深度土壤相對(duì)濕度與多時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)的相關(guān)性。其中，氣象干旱指數(shù)包括前30 d、前60 d、前90 d、前120 d、前150 d、前180 d、前360 d的降水距平百分率Pa30、Pa60、Pa90、Pa120、Pa150、Pa180、Pa360，前30 d、前60 d、前90 d、前120 d、前150 d的相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)MI30、MI60、MI90、 MI120、MI150，前60 d的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)SPIW60，以及帕默爾干旱指數(shù)PDSI、氣象干旱綜合指數(shù)CI、修訂后的氣象干旱綜合指數(shù)MCI；土壤深度為0～20、0～50、0～100 cm。

利用平均絕對(duì)估計(jì)偏差(AD)評(píng)定土壤相對(duì)濕度預(yù)報(bào)模型的擬合效果，計(jì)算公式如下：

(8)

式中：Pi和Mi(%)分別表示土壤相對(duì)濕度預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值；n為樣本容量。偏差反映預(yù)測(cè)值距觀測(cè)值的偏離程度，AD越接近0，兩組數(shù)據(jù)的吻合度越高，模型預(yù)測(cè)效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)氣象干旱指數(shù)與土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性

根據(jù)內(nèi)蒙古典型草原的季節(jié)變化和氣候特點(diǎn)，春、夏、秋季分別為4—5月、6—8月、9—10月。分別計(jì)算各站1981—2015年上述三季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度與前期不同時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(顯著性檢驗(yàn)為α=0.05和α=0.01水平的雙側(cè)檢驗(yàn))，并將4個(gè)站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)求平均，結(jié)果見表1。

2.1.1 春季

從表1看出，內(nèi)蒙古典型草原春季0～20 cm土壤相對(duì)濕度與SPIW60、Pa30、SPI30的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.449、0.438和0.435(P<0.01)，表明典型草原春季土壤墑情主要受前2個(gè)月的降水影響。入冬至次年3月，典型草原累計(jì)降水量平均僅18.9 mm，占全年降水總量的6.4%；4月開始降水逐漸增加，4、5月降水量分別為11.0和24.9 mm，而4月是典型草原天然牧草的主要返青期，相比長(zhǎng)時(shí)間尺度的降水而言，近期(1～2個(gè)月)降水往往對(duì)0～20 cm土壤墑情造成的影響更顯著，但內(nèi)蒙古典型草原地處北方干旱半干旱區(qū)域，春季一般氣溫較高、降水偏少、土壤水分蒸散較強(qiáng)，出現(xiàn)春旱的頻率較高。這與王素萍等[21]研究成果“西北地區(qū)東部和華北地區(qū)春季土壤墑情受前2個(gè)月有效降水和溫度的影響最顯著”一致。此外，CI、PDSI氣象干旱指數(shù)在典型草原也有較好的適用性，與0～20 cm土壤墑情的相關(guān)系數(shù)分別為0.517、0.432(P<0.01)。CI反映月尺度和季尺度降水量對(duì)草原干旱的綜合影響，而PDSI不僅考慮當(dāng)前的水分供需狀況，還兼顧了前期干濕狀況及其持續(xù)時(shí)間對(duì)當(dāng)前干旱狀況的影響，這2個(gè)指數(shù)在表征春季0～20 cm土壤相對(duì)濕度方面有較好的表現(xiàn)。

表1 內(nèi)蒙古典型草原各季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度與氣象干旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficients between soil relative humidity at different depths and meteorological drought indexes in three seasons in typical steppe of Inner Mongolia

典型草原春季0～50 cm土壤相對(duì)濕度與長(zhǎng)時(shí)間尺度的Pa360和SPI360相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)分別為0.504和0.533(P<0.01)，說(shuō)明典型草原春季0～50 cm土壤墑情受年尺度降水的影響最顯著，主要由于上一年的降水主要集中在5—9月，平均累計(jì)雨量為251.8 mm，占全年總降水量的85.3%，此時(shí)段降水下滲至20 cm以下作為土壤底墑蓄積，次年春季土壤化凍后可有效補(bǔ)充土壤墑情，因此，典型草原春季0～50 cm土壤墑情可反映上一年特別是夏季降水充沛與否。此外，PDSI與0～50 cm土壤墑情也具有較高相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.413(P<0.01)。對(duì)于0～100 cm的土壤相對(duì)濕度，不同時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)的表征能力與0～50 cm的相同，即Pa360、SPI360、PDSI與0～100 cm土壤墑情的相關(guān)系數(shù)最高，依次為0.533、0.526和0.523(P<0.01)。

2.1.2 夏季

夏季是典型草原全年降水最為集中的季節(jié)，平均累計(jì)降水量195.3 mm，占全年降水量的66.1%，此季節(jié)氣溫也最高，較強(qiáng)蒸散導(dǎo)致的土壤水分虧缺是造成夏季干旱的重要原因。從表1看出，近期(1～2個(gè)月)氣象干旱指數(shù)SPIW60、MI30、SPI30與0～20 cm土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.762、0.705和0.690(P<0.01)，即前2個(gè)月內(nèi)大氣水分平衡狀況對(duì)夏季0～20 cm土壤墑情影響最明顯，若前2個(gè)月降水偏少，則土壤水分供應(yīng)不足，氣溫偏高進(jìn)一步加劇水分蒸散，對(duì)土壤濕度的負(fù)效應(yīng)加強(qiáng)，進(jìn)而造成后期土壤出現(xiàn)不同程度干旱，這與王素萍等[21]在西北地區(qū)東部和華北地區(qū)的研究結(jié)果具有一致性。CI、MCI由于考慮降水長(zhǎng)期虧缺和近期虧缺的綜合累加效應(yīng)，與夏季0～20 cm土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性也較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.729、0.711(P<0.01)。

氣象干旱指數(shù)與0～50 cm土壤墑情的相關(guān)性與0～20 cm相同，即近1～2個(gè)月的SPIW60、MI30、SPI30、CI、MCI與0～50 cm土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)依次為0.753、0.719、0.710、0.756和0.735(P<0.01)，說(shuō)明近2個(gè)月內(nèi)大氣降水虧缺與0～50 cm土壤干旱的關(guān)系最為密切，且考慮不同時(shí)間尺度水分盈虧的氣象干旱綜合指數(shù)也能較好地表征夏季0～50 cm土壤墑情。對(duì)于0～100 cm土壤，SPI150、SPIW60、SPI180對(duì)土壤相對(duì)濕度的表征最顯著，相關(guān)系數(shù)分別為0.693、0.686、0.684(P<0.01)，說(shuō)明夏季0～100 cm土壤墑情與前2～6個(gè)月尺度的大氣水分平衡狀況關(guān)系最緊密，即大氣降水對(duì)0～100 cm土壤水分的影響存在一定的滯后性，降水在土壤中的下滲及土壤水分由表層到深層需要一定的時(shí)間。同樣地，CI、MCI對(duì)0～100 cm土壤相對(duì)濕度也有非常顯著的表現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)分別為0.739和0.748(P<0.01)。

2.1.3 秋季

典型草原秋季0～20 cm土壤墑情與SPIW60、Pa60的相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.728、0.668(P<0.01)，可見前2個(gè)月內(nèi)降水異常對(duì)秋季0～20 cm土壤干旱的影響最顯著，即近2個(gè)月的高溫少雨易造成土壤失墑，進(jìn)而導(dǎo)致秋季土壤干旱的發(fā)生發(fā)展。典型草原秋季降水較夏季明顯減少，平均降水量45.2 mm，占全年降水量的15.3%，秋季0～20 cm土壤水分主要受前期夏季及秋季季內(nèi)降水的影響。這與西北地區(qū)[24-25]和華北地區(qū)[21]的研究成果具有一致性。另外，CI、MCI、PDSI也能較好地表征秋季0～20 cm土壤墑情，相關(guān)系數(shù)依次為0.687、0.753、0.673(P<0.01)。

秋季，0～50 cm土壤墑情與較長(zhǎng)時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)SPI90、SPI180、Pa180具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)依次為0.731、0.736、0.730(P<0.01)，說(shuō)明前3～6個(gè)月內(nèi)的降水出現(xiàn)概率及較常年偏多或偏少的指標(biāo)對(duì)秋季0～50 cm土壤相對(duì)濕度影響最大，因大氣降水對(duì)深層土壤影響的滯后性，秋季0～50 cm土壤干旱與春季以來(lái)大氣水分虧缺的關(guān)系最為密切，即春、夏季若出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的氣象干旱，則秋季0～50 cm土壤易出現(xiàn)干旱。0～100 cm土壤相對(duì)濕度與MI90的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.774(P<0.01)，可見，前3個(gè)月尺度的降水量與蒸散量之間的平衡狀況對(duì)典型草原0～100 cm土壤的影響最為顯著，即夏季和秋初的大氣水分盈虧對(duì)秋季0～100 cm土壤相對(duì)濕度有決定性影響。由于全年降水主要集中在夏季，此時(shí)段如果高溫少雨，大氣水分虧缺，土壤失墑嚴(yán)重，則秋季很可能出現(xiàn)深層次土壤干旱。另外，0～100 cm土壤相對(duì)濕度與SPI360、SPI180的相關(guān)性也較高，相關(guān)系數(shù)分別為0.758、0.757(P<0.01)，即前6～12個(gè)月尺度的氣象干旱對(duì)秋季0～100 cm土壤干旱也存在一定影響。

2.2 各季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度與氣象干旱指數(shù)的回歸模型

篩選典型草原各站點(diǎn)春、夏、秋季與土壤相對(duì)濕度相關(guān)最優(yōu)的氣象干旱指數(shù)，基于1981—2010年資料構(gòu)建三季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度與氣象干旱指數(shù)的多元線性回歸模型，并利用2011—2015年數(shù)據(jù)采用F檢驗(yàn)和平均絕對(duì)估計(jì)偏差對(duì)方程擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)(表2)。

表2 內(nèi)蒙古典型草原各站點(diǎn)不同深度土壤相對(duì)濕度與氣象干旱指數(shù)的回歸模型和效果檢驗(yàn)Tab.2 The regression models of soil relative moisture at different depths with meteorological drought indexes at different stations in typical steppe of Inner Mongolia and their effect tests

從表2看出，基于前期氣象干旱指數(shù)構(gòu)建的土壤相對(duì)濕度回歸方程可較好地?cái)M合各站點(diǎn)的土壤相對(duì)濕度，回代的平均絕對(duì)估計(jì)偏差在5.3%～15.3%之間，平均為10.2%，其中，錫林浩特站的擬合效果最優(yōu)，三季節(jié)不同土壤深度的AD為5.3%～10.5%，平均為7.1%，而察右后旗站擬合效果最差，AD在10.5%～14.6%之間，平均為12.9%。利用構(gòu)建的回歸方程對(duì)2011—2015年各季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)大部分站點(diǎn)基本可以利用氣象干旱指數(shù)較好地預(yù)測(cè)土壤相對(duì)濕度，預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的絕對(duì)估計(jì)偏差在4.4%～17.1%之間，平均為10.4%。由此可見，利用前期氣象干旱指數(shù)構(gòu)建的各季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度回歸模型可以較好地?cái)M合和預(yù)測(cè)內(nèi)蒙古典型草原區(qū)土壤相對(duì)濕度，可為當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)干旱的監(jiān)測(cè)、預(yù)警及決策提供參考。

3 結(jié)論與討論

(1)內(nèi)蒙古典型草原冬季降水量稀少，春季0～20 cm土壤相對(duì)濕度主要受前2個(gè)月水分盈虧的影響。同時(shí)，典型草原地處全區(qū)年降水量低值區(qū)，春季往往降水偏少，風(fēng)力較大，土壤失墑嚴(yán)重，牧區(qū)易出現(xiàn)春旱，造成牧草返青明顯推遲、休牧期延長(zhǎng)，不利于牲畜正常采食。春季0～50 cm和0～100 cm土壤墑情受年尺度降水影響最顯著，上一年特別是夏季降水是否充沛對(duì)次年春季0～50 cm和0～100 cm土壤相對(duì)濕度有明顯影響。

(2)夏季，隨著氣溫升高，降水增多，典型草原進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段，該時(shí)段0～20 cm土壤墑情與前2個(gè)月內(nèi)的大氣水分狀況相關(guān)性最高，夏季土壤水分蒸散強(qiáng)烈，如果較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)有效降水，則淺層土壤極易持續(xù)缺墑，牧區(qū)干旱顯露并加重，導(dǎo)致牧草生長(zhǎng)緩慢，開花期推遲甚至不開花，嚴(yán)重影響牲畜采食和正常生長(zhǎng)。夏季0～50 cm土壤墑情與近1～2個(gè)月內(nèi)大氣水分盈虧關(guān)系最密切，而0～100 cm土壤干旱主要受前2～6個(gè)月尺度的降水虧缺影響。

(3)秋季，典型草原進(jìn)入生長(zhǎng)衰退階段，該時(shí)段0～20 cm土壤墑情與前2個(gè)月尺度的大氣水分狀況關(guān)系最密切，若近2個(gè)月大氣水分虧缺，加之土壤蒸散較強(qiáng)，牧區(qū)易出現(xiàn)土壤干旱，導(dǎo)致牧草黃枯期提前，生育期縮短，不利于產(chǎn)量形成，影響程度一般輕于夏旱；0～50 cm土壤干旱受前3～6個(gè)月尺度的降水偏少影響最顯著，而0～100 cm土壤相對(duì)濕度則與前3個(gè)月降水和蒸散間的平衡關(guān)系最密切，同時(shí)前6個(gè)月以上時(shí)間尺度的氣象干旱對(duì)0～100 cm土壤干旱也存在明顯影響。

(4)CI、MCI和PDSI與典型草原各季節(jié)不同深度土壤相對(duì)濕度的相關(guān)性高于其他氣象干旱指數(shù)。由于深層土壤水分的變化相較大氣水分的變化存在明顯的滯后性，長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣象干旱指數(shù)對(duì)0～50 cm和0～100 cm土壤相對(duì)濕度的表征效果更為顯著。

綜上可見，基于前期氣象干旱指數(shù)構(gòu)建的內(nèi)蒙古典型草原區(qū)各站點(diǎn)春、夏、秋季不同深度土壤相對(duì)濕度的回歸預(yù)測(cè)模型，能夠較好地?cái)M合土壤墑情及變化情況，可為當(dāng)?shù)啬羺^(qū)干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)提供技術(shù)手段。多時(shí)間尺度氣象干旱指數(shù)在表征典型草原淺層土壤相對(duì)濕度的適用性上，總體與鄰近區(qū)域(西北地區(qū)東部和華北地區(qū))的研究成果具有一致性[21,24-25]，但在不同地區(qū)表征土壤干旱的氣象干旱指數(shù)的時(shí)間尺度可能因土壤物理性質(zhì)、下墊面等差異有所不同。沙土、壤土和粘土的保水性和滲透性差異較大，需要結(jié)合土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)一步分析氣象干旱指數(shù)對(duì)不同土壤類型的表征情況。另外，土壤相對(duì)濕度不僅受前期氣溫、降水、蒸散等影響，還與空氣濕度、風(fēng)速、輻射等環(huán)境要素密切相關(guān)，需要結(jié)合更豐富的數(shù)據(jù)探究土壤相對(duì)濕度的環(huán)境主控因素和制約機(jī)理。土壤相對(duì)濕度是最主要的牧業(yè)干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)，僅通過(guò)構(gòu)建氣象干旱指數(shù)與土壤相對(duì)濕度的回歸模型不足以明確牧草干旱的發(fā)生發(fā)展程度，對(duì)于解決牧區(qū)干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警問(wèn)題仍有差距，牧草對(duì)干旱最直接的反應(yīng)體現(xiàn)在植株性狀和生理機(jī)能的改變，因此，有必要開展科學(xué)試驗(yàn)進(jìn)一步明確氣象干旱與牧草干旱之間的關(guān)系。