李紅英，馬國(guó)飛，金飛，段曉鳳，王靜，馬力文，張曉煜

（1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川750002；2.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏銀川750002；3.吳忠市氣象局，寧夏吳忠751100）

寧夏中部干旱帶降水滲透深度預(yù)測(cè)模型研究

李紅英1，2，馬國(guó)飛1，2，金飛3，段曉鳳1，2，王靜1，2，馬力文1，2，張曉煜1，2

（1.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川750002；2.寧夏氣象科學(xué)研究所，寧夏銀川750002；3.吳忠市氣象局，寧夏吳忠751100）

為掌握降水在寧夏中部干旱帶天然草場(chǎng)土壤中的滲透情況，引入根據(jù)土壤含水量增量變化確定滲透深度的方法，并運(yùn)用回歸、逐步回歸和相關(guān)分析等多種統(tǒng)計(jì)手段，建立了不同土壤質(zhì)地下降水滲透深度預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型。結(jié)果表明：（1）運(yùn)用回歸方法建立的滲透深度預(yù)測(cè)模型（R2在0.60～0.67）比逐步回歸預(yù)測(cè)模型（R2在0.49～0.58）顯著性好，兩種預(yù)測(cè)模型中降水量或降水日數(shù)的回歸系數(shù)在置信度為0.05水平下均通過顯著性檢驗(yàn)。（2）通過對(duì)兩種預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值的相關(guān)分析，回歸預(yù)測(cè)結(jié)果、逐步回歸預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.70以上，特別是兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果相關(guān)性顯著（相關(guān)系數(shù)0.88～0.93），從模型簡(jiǎn)單可用的角度考慮，最終選用逐步回歸預(yù)測(cè)模型。（3）興仁沙壤土條件下預(yù)測(cè)效果較好（81%～100%的樣本相對(duì)誤差均在30%左右或以下），同心壤土預(yù)測(cè)效果中等（55%～60%的樣本相對(duì)誤差小于30%），鹽池粗砂土條件下效果一般（約50%左右樣本相對(duì)誤差在30%及以下）。（4）同時(shí)，文中預(yù)測(cè)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了不同土壤質(zhì)地對(duì)降水滲透深度的影響，當(dāng)相同的降水過程下，降水滲透深度大小順序?yàn)榇稚巴粒旧橙劳粒救劳痢?/p>

降水；滲透深度；預(yù)測(cè)模型；土壤質(zhì)地；天然草場(chǎng)；寧夏

寧夏中部干旱帶地處西北內(nèi)陸干旱中心區(qū)域，受騰格里、烏蘭布和毛烏素三大沙漠包圍，干旱少雨，自然條件和生態(tài)環(huán)境惡化，災(zāi)害頻繁，多年來一直是寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)區(qū)域［1］。降水作為中部干旱帶土壤水分的重要來源，水分利用效率一直是該區(qū)域關(guān)注的重點(diǎn)。但目前寧夏農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)工作中，關(guān)于降水對(duì)土壤濕度的影響和滲透預(yù)測(cè)仍停留在簡(jiǎn)單直觀的描述上，服務(wù)的精準(zhǔn)度有待進(jìn)一步提高。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于降水在土壤中滲透深度預(yù)測(cè)模型的研究有兩種方法，一種是基于降水透過地面滲入土壤的過程機(jī)理上展開研究［2－4］，不同種植模式、不同土壤類型等對(duì)降水入滲都會(huì)產(chǎn)生不同的影響［5－7］；第二種是通過滲透試驗(yàn)觀測(cè)開展研究［8－11］。兩種方法在降水滲透預(yù)測(cè)模型研究中均取得了較好的效果。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏中部干旱帶天然草場(chǎng)降水和土壤條件實(shí)際情況，基于土壤水分自動(dòng)站觀測(cè)資料，引入根據(jù)各層土壤含水量增量變化確定滲透深度的方法，運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析了滲透深度與每次降水過程的降水量、降水日數(shù)、初始土壤含水量、日均降水量等因子的關(guān)系，建立了不同土壤質(zhì)地的土壤條件下天然草場(chǎng)降水滲透深度統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型，為更好地做好寧夏中部干旱帶降水滲透預(yù)報(bào)，進(jìn)一步提高雨情、墑情預(yù)報(bào)服務(wù)打下很好的基礎(chǔ)。

1 資料方法

1.1 研究區(qū)域與資料

本文研究區(qū)域集中在寧夏中部干旱帶，屬于西北內(nèi)陸，處于毛烏素沙地和騰格里沙漠的邊緣，為典型的荒漠草原帶，是我國(guó)北方農(nóng)區(qū)與天然草地牧區(qū)接壤的過渡地帶。此區(qū)域降雨時(shí)空分布不均，是寧夏受干旱影響最重的區(qū)域。研究區(qū)域內(nèi)土壤類型多樣，以灰鈣土為主，結(jié)構(gòu)松散沙性大，本文根據(jù)沙土、沙壤土、壤土不同質(zhì)地，選擇了鹽池（粗砂土）、興仁（沙壤土）、同心（壤土）三個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)，地表覆蓋均為天然草場(chǎng)。

各站數(shù)據(jù)資料包括：2013—2015年主要生長(zhǎng)季（4—9月）日降水量資料、土壤重量含水量資料。降水量資料來自于寧夏氣象局氣象數(shù)據(jù)庫(kù)；土壤濕度數(shù)據(jù)來自氣象部門在各地布設(shè)的GStar－S406土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)定數(shù)據(jù)，且研究所選站點(diǎn)的土壤水分自動(dòng)站均已通過中國(guó)氣象局的業(yè)務(wù)化檢驗(yàn)，資料均已在當(dāng)前農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)服務(wù)中使用，數(shù)據(jù)可靠，服務(wù)效果較好，其測(cè)定深度為100 cm、層次間隔為10 cm、時(shí)間間隔為10 min。

1.2 研究方法

（1）降水滲透深度確定方法

水分在土壤中入滲時(shí)，一般情況下是表層土壤水分達(dá)到飽和后往下入滲到一定的土壤層，濕潤(rùn)程度隨深度減小，形成一個(gè)濕潤(rùn)峰，濕潤(rùn)峰上面的濕土與下面的干土層形成明顯的界面。隨著越來越多的水分入滲，飽和層不斷向下發(fā)展，濕潤(rùn)層與濕潤(rùn)峰也不斷向下移動(dòng)，也就是水分向更深的土層滲透。但實(shí)際上當(dāng)滲透層土壤濕度低于田間持水量，但高于下面臨界土層的濕度時(shí)，滲透層的土壤水分即將通過毛細(xì)管的作用向下滲透。本文運(yùn)用方文松等提到的根據(jù)土壤增濕深度確定滲透深度的方法［12］，逐層、逐日分析土壤濕度的變化，從監(jiān)測(cè)資料上來看，雨后第一天增濕層主要集中在表層，第二天則可達(dá)到較深的層次，且日增量向下逐漸減少，直至為零，此時(shí)，土壤增濕深度即為滲透深度。

（2）降水滲透預(yù)測(cè)模型建立方法

初步選取各站點(diǎn)日降水量、降水日數(shù)、日均降水量、日最大降水速率、初始平均土壤濕度、表層土壤濕度等數(shù)據(jù)作為滲透深度的影響因子，運(yùn)用SPSS軟件中回歸和逐步回歸兩種方法建立各影響因子與滲透深度的關(guān)系模型，通過檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖禂?shù)的顯著性，確定不同土質(zhì)的降水滲透深度的關(guān)鍵影響因子，最終建立各站降水在土壤中滲透深度預(yù)測(cè)模型。

2 結(jié)果分析

2.1 降水滲透深度預(yù)測(cè)方程建立

按照各層土壤水分增量分析的方法，分別得到各站土壤滲透深度，并統(tǒng)計(jì)同期降水量、降水日數(shù)、最大日降水量、初始土壤含水量、表層土壤含水量、日平均降水量等數(shù)據(jù)資料，借助SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，運(yùn)用回歸和逐步回歸兩種方法，建立了土壤滲透深度與各因子的關(guān)系方程，并對(duì)方程和回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，具體結(jié)果見表1。

表1 寧夏中部干旱帶各站降水滲透深度預(yù)測(cè)方程Table 1 Forecasting models on penetration depth in themiddle arid zone of Ningxia

由表1可以看出，運(yùn)用回歸方法得到的各站降水在土壤中滲透深度預(yù)測(cè)方程均能夠達(dá)到95%的顯著水平，判定系數(shù)R2在0.60～0.673之間，說明方程擬合較好。但各站滲透預(yù)測(cè)方程中影響因子的系數(shù)顯著性卻不好，其中僅鹽池日平均降水量因子的系數(shù)顯著，其它因子在模型中的系數(shù)不顯著；興仁預(yù)測(cè)方程降水量和最大日降水量系數(shù)顯著，其它因子的系數(shù)不顯著；同心的預(yù)測(cè)方程中，各因子的系數(shù)均不顯著。

運(yùn)用逐步回歸方法得到的各站滲透深度預(yù)測(cè)方程，各站判定系數(shù)R2偏小，即方程擬合一般，方程及各進(jìn)入方程的系數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)均顯著。各站進(jìn)入預(yù)測(cè)方程的因子有所不同，其中鹽池降水在土壤中滲透深度與降水量呈顯著正相關(guān)、與日均降水量顯著負(fù)相關(guān)，興仁滲透深度與降水量呈正相關(guān)、與日最大降水量呈負(fù)相關(guān)，同心滲透深度與日最大降水量和降水日數(shù)呈顯著正相關(guān)。

2.2 降水在土壤中滲透深度預(yù)測(cè)方程檢驗(yàn)

圖1顯示的是各站滲透深度實(shí)際觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值的對(duì)比分析，預(yù)測(cè)值包括2013—2015年用來建立回歸方程的降水在土壤中滲透深度擬合值以及2015年滲透深度的預(yù)測(cè)值，預(yù)測(cè)1和預(yù)測(cè)2分別是運(yùn)用回歸和逐步回歸兩種回歸方程得到的擬合／預(yù)測(cè)值。

運(yùn)用SPSS軟件對(duì)各站滲透深度實(shí)際觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值進(jìn)行了相關(guān)分析，各自的相關(guān)系數(shù)見表2，各站實(shí)際觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值1之間的相關(guān)系數(shù)為0.759～0.805，與預(yù)測(cè)值2之間相關(guān)系數(shù)為0.698～0.714，且均在0.01水平上顯著相關(guān)。預(yù)測(cè)值1和預(yù)測(cè)值2之間的相關(guān)性非常好，鹽池、興仁和同心三站兩種預(yù)測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)分別為0.876、0.931和0.928，且均在0.01水平上顯著相關(guān)。因此，從模型的簡(jiǎn)單可用性的角度考慮，運(yùn)用逐步回歸方法得到的各站滲透深度預(yù)測(cè)方程可作為當(dāng)?shù)亟邓谕寥乐袧B透深度預(yù)報(bào)模型。

同時(shí)，采用相對(duì)誤差方法進(jìn)行2013—2015年模型回代擬合和2015年預(yù)測(cè)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。其中對(duì)2013—2015年回代擬合檢驗(yàn)結(jié)果為：鹽池粗砂土條件下，約有50%左右樣本相對(duì)誤差在30%及以下；興仁沙壤土條件下，有81%左右樣本相對(duì)誤差小于30%；同心壤土條件下，有約55%的樣本相對(duì)誤差小于30%。對(duì)2015年降水滲透深度預(yù)測(cè)效果檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有限樣本量下，鹽池粗砂土50%樣本的相對(duì)誤差在30%以下；興仁沙壤100%的樣本相對(duì)誤差均在30%左右或以下；同心壤土約60%的樣本相對(duì)誤差小于30%。無論模型擬合回代和預(yù)測(cè)結(jié)果均是興仁沙壤土條件下效果較好，同心壤土條件下效果中等，而鹽池粗砂土條件下效果一般。

圖1 各站滲透深度實(shí)際觀測(cè)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.1 Comparisons of the observed and the predicted values for the penetration depth

表2 各站降水滲透深度實(shí)際觀測(cè)值與預(yù)測(cè)值相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between the observed and the predicted values for the penetration depth

2.3 土壤質(zhì)地對(duì)降水滲透深度的影響分析

基于寧夏中部干旱帶2015年5月20日的降水過程，做一次模擬降水過程，運(yùn)用各站滲透深度預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)滲透深度，從而分析不同土壤質(zhì)地對(duì)滲透深度的影響。具體模擬降水過程為：降水量取各站降水量的平均值5.34 mm，降水日數(shù)為1 d，日最大降水量和日均降水量均為5.34mm，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示，在降水過程一致的情況下，三個(gè)站的地表植被覆蓋均為天然草場(chǎng)，認(rèn)為環(huán)境基本一致，發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地對(duì)降水滲透深度影響較大，滲透深度大小順序?yàn)榇稚巴粒旧橙劳粒救劳痢?/p>

圖2 不同質(zhì)地土壤降水滲透深度預(yù)測(cè)對(duì)比Fig.2 Comparisons of penetration depth in different soil textures

3 結(jié)論

本文運(yùn)用各層土壤水分增量分析來獲取降水在土壤中滲透深度的辦法，得到寧夏中部干旱帶各站的降水滲透深度，借助SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析了滲透深度與每次降水過程的降水量、降水日數(shù)、初始土壤含水量、日均降水量等因子的關(guān)系，采用兩種統(tǒng)計(jì)方法，得到了各站降水在土壤中滲透深度的預(yù)測(cè)方程，通過檢驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果，最終確定了寧夏中部干旱帶各站降水滲透深度預(yù)測(cè)模型。主要得出以下結(jié)論：

（1）由于寧夏中部干旱帶常年處于缺水狀態(tài)，通過分析發(fā)現(xiàn)：在本文所選的幾個(gè)影響因子當(dāng)中，降水量是最關(guān)鍵的影響因子，其中鹽池粗砂土、興仁沙壤土降水滲透深度與降水量呈顯著正相關(guān)，同心壤土滲透深度與日最大降水量和降水日數(shù)呈顯著正相關(guān)。

（2）回歸和逐步回歸兩種統(tǒng)計(jì)方法建立的滲透深度預(yù)測(cè)方程，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值之間均在0.01水平下達(dá)到顯著水平，說明預(yù)測(cè)方程可用，同時(shí)兩種預(yù)測(cè)結(jié)果之間相關(guān)性也較高，為了使預(yù)測(cè)在實(shí)際中更加簡(jiǎn)便可行，本文明確各站均采用逐步回歸方程作為降水滲透深度預(yù)測(cè)模型。

（3）降水滲透深度預(yù)測(cè)模型，沙壤土條件下模型預(yù)測(cè)效果較好、壤土條件下效果中等，而粗砂土條件下預(yù)測(cè)效果一般，主要考慮是粗砂土地表溫度高，加上鹽池站降水量普遍偏小，蒸發(fā)蒸騰對(duì)降水入滲的影響大于其它站兩種土質(zhì)的土壤。

（4）在地表植被覆蓋程度基本一致、降水過程相同的情況下，土壤質(zhì)地對(duì)降水滲透深度影響較大，滲透深度大小順序?yàn)榇稚巴粒旧橙劳粒救劳痢?/p>

4 討論

本文引入根據(jù)土壤各層含水量增量的變化確定滲透深度的方法，用其代表降水在土壤中滲透深度的觀測(cè)值，雖然存在一定的誤差，但由于研究區(qū)域?qū)儆谟牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，土壤中水分基本都來自降水，因此用該方法獲得的滲透深度數(shù)據(jù)具有一定的代表性。同時(shí)，在建立滲透深度模型時(shí)，沒有涉及日照、風(fēng)速等其它氣象因素，主要是考慮從寧夏整個(gè)氣候劃分看，研究站點(diǎn)同屬于一個(gè)大的氣候背景，暫認(rèn)為其它氣象因素對(duì)滲透深度的影響基本相似，忽略其對(duì)模型的影響，這也可以作為本文研究進(jìn)一步的關(guān)注重點(diǎn)。

另外，受研究區(qū)域內(nèi)土壤水分自動(dòng)站建站、數(shù)據(jù)標(biāo)校和投入使用等因素的影響，文章共統(tǒng)計(jì)出了寧夏中部干旱帶各站2013—2015年生長(zhǎng)季內(nèi)典型降水過程27～32次，綜合考慮模型建立和檢驗(yàn)的樣本量，各站均預(yù)留5次降雨過程數(shù)據(jù)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證，用于建立模型的樣本在22～27次，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看，樣本量仍略顯不足，因此本文在建立回歸模型的同時(shí)，對(duì)樣本進(jìn)行了相關(guān)分析和檢驗(yàn)，以彌補(bǔ)由于樣本量有限給預(yù)測(cè)模型帶來的不確定性。

值得注意的是，本文最終選用逐步回歸方程作為降水滲透深度預(yù)測(cè)模型，各站進(jìn)入模型的因子均只有氣象因子而沒有初始土壤濕度，這并不是說初始土壤濕度對(duì)滲透深度沒有影響，而是因?yàn)樵囼?yàn)站點(diǎn)均處于干旱少雨、風(fēng)日偏多的干旱區(qū)域，模型應(yīng)用時(shí)可暫時(shí)忽略各試驗(yàn)點(diǎn)土壤濕度條件對(duì)滲透深度影響的不同。

［1］張瑞蘭.寧夏中部干旱帶基本氣候特征與干旱化［J］.寧夏農(nóng)林科技，2006，（5）：85-86.

［2］趙同應(yīng)，朱凌云，衛(wèi)麗萍，等.旱地土壤水滲透深度預(yù)測(cè)模型研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2006，24（4）：68-71.

［3］陶祖文，裴步祥.華北平原地區(qū)春季降水滲透深度和透雨的農(nóng)業(yè)氣象估算方法［J］.氣象學(xué)報(bào)，1983，41（1）：97-105.

［4］楊淑香.農(nóng)牧林交錯(cuò)帶不同降水年型下土壤水分動(dòng)態(tài)研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境，2015，29（7）：107-110.

［5］張永濤，楊吉華，夏江寶，等.石質(zhì)山地不同條件的土壤入滲特性研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（4）：123-126.

［6］熊好琴，段金躍，王妍，等.毛烏素沙地生物結(jié)皮對(duì)水分入滲和再分配的影響［J］.水土保持研究，2011，18（4）：82-87.

［7］秦華軍，何丙輝，趙旋池，等.西南喀斯特山地林下經(jīng)濟(jì)模式對(duì)土壤滲透性的影響［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，21（11）：1386-1394.

［8］Shukla M K，Lal R，Unkefer P.Experimental evaluation of infiltration models for different land use and soil management system［J］.J Soil Science，2003，168（3）：178-191.

［9］冶林茂，薛昌穎，楊海鷹，等.過程降雨入滲土壤深度的推算方法［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2010，31（增1）：66-69.

［10］趙同應(yīng)，王景秀，王福仁.過程降水與土壤水滲透深度試驗(yàn)分析［J］.山西氣象，2003，（4）：19-21.

［11］萬爽，何俊仕，付玉娟，等.基于人工降水模擬的不同灌溉方式下土壤水分入滲［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（4）：401-405.

［12］方文松，劉榮花，朱自璽，等.農(nóng)田降水滲透深度的影響因素［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（4）：185-188.

Study on a forecasting model of precipitation penetration depth in the middle arid zone of Ningxia

LIHong-ying1，2，MA Guo-fei1，2，JIN Fei3，DUAN Xiao-feng1，2，WANG Jing1，2，MA Li-wen1，2，ZHANG Xiao-yu1，2
（1.Ningxia Key Lab for Meteorological Disaster Prevention and Reduction，Yinchuan，Ningxia 750002，China；2.Ningxia Meteorological Science Institute，Yinchuan，Ningxia 750002，China；3.Wuzhong Meteorological Service，Wuzhong，Ningxia 751100，China）

In order to understand the penetration of precipitation in the soil at natural grassland of central arid zone in Ningxia，the penetration was calculated based on the increment of soil water content，and the statistical model for predicting the penetration depth of different soil texture was studied by statistical methods including regression，stepwise regression and correlation analysis.The results showed that the regression models for penetration depth prediction were more notable than the stepwise regression models.R2of the regression models was 0.60～0.67，while R2of the stepwise regression models was0.49～0.58.The coefficients of precipitation or precipitation days in two models all had statistically significant relation ships with penetration depth.Through the comparison between the predicted results and the measured values by correlation an alysis method，the correlation coefficient between them was over 0.70.In particular，the prediction results by two models were significantly correlated（the correlation coefficient was0.88～0.93）.From the usage of the prediction model，the stepwise regression model was selected for penetration depth prediction.In addition，the prediction model performed better for the sand loam soil in Xingren than others and the relative errors of 81%～100%samples were about 30%or lower.The model for the loam soil in Tongxin was acceptable and the relative errors of 55%～60% samples were about30 percent or lower.The model for the sand soil was not very good and the relative errors of halfof samples were about30 percent or lower.Furthermore，the influence of soil texture on the penetration depth was verified by the stepwise regression model.Under the same precipitation process，the penetration depth was in the following order：sand soil＞sandy loam soil＞loam soli.

precipitation；penetration depth；forecasting model；soil texture；natural grassland；Ningxia

S152.7

A

1000-7601（2016）06-0138-05

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.21

2015-10-19

公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)項(xiàng)目“干旱致災(zāi)過程及機(jī)理”（GYHY201506001）；寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目“寧夏干旱區(qū)降水對(duì)土壤水分動(dòng)態(tài)的影響”

李紅英（1980—），女，河南三門峽人，博士，高工，主要從事農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害及農(nóng)業(yè)氣候資源研究。E-mail：hongyinglhy＠126.com