宇宙射線中子法在復雜下墊面土壤水分測量中的應用*

武 強，賀開利，羅孳孳，杜愛軍，劉 亮，唐云輝**

宇宙射線中子法在復雜下墊面土壤水分測量中的應用*

武 強1，賀開利2，羅孳孳1，杜愛軍3，劉 亮3，唐云輝1**

（1.重慶市氣象科學研究所，重慶 401147；2.重慶市長壽區(qū)氣象局，重慶 401220；3.重慶市巴南區(qū)氣象局，重慶 401320）

宇宙射線中子法是介于點測量與遙感監(jiān)測的中尺度、非接觸土壤水分測量方法。將測量點設(shè)于土壤異質(zhì)性較大的山地地形下墊面，以烘干稱重法為標準對比，以頻域反射法為連續(xù)性觀測對照，對宇宙射線中子法在復雜下墊面的測量進行對比研究。結(jié)果顯示：在復雜下墊面條件下，宇宙射線中子法對區(qū)域土壤水分測量值與烘干稱重法多點平均計算值所代表的真值間直線方程的擬合優(yōu)度（R2）為0.8717，均方根誤差（RMSE）為0.0159kg·kg?1，納什效率系數(shù)（NSE）為0.854，說明宇宙射線中子法測量結(jié)果準確可信。宇宙射線中子法與頻域反射法對較長時間序列的土壤水分變化趨勢反映完全一致，且對降水過程引起土壤水分變化的響應，宇宙射線中子法靈敏性優(yōu)于頻域反射法。宇宙射線中子法能夠應用于復雜下墊面的區(qū)域土壤水分測量，且具有不受土壤異質(zhì)性干擾的優(yōu)點，能夠更好地反映中尺度土壤水分的平均狀況。

復雜下墊面；宇宙射線中子法；烘干稱重法；頻域反射法；土壤含水量

土壤水分是水循環(huán)、能量循環(huán)和生物地球化學循環(huán)中的一個關(guān)鍵因子，在地表與大氣的物質(zhì)和能量交換中起著重要作用[1]，更是農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量預測的重要參數(shù)[2]。因而準確測量土壤水分含量在生態(tài)、水文、氣象、農(nóng)業(yè)等多個研究領(lǐng)域都有著重要的意義[3?4]。

土壤水分的測量方法多種多樣，按測量的空間尺度劃分，傳統(tǒng)測量方法主要是小尺度的點測量，有烘干稱重法、中子法、介電常數(shù)法（TDR、FDR、TDT）等。利用點測量方法準確反映某一區(qū)域土壤含水量的真實情況，樣點選取的代表性尤為重要，以代表性樣點的測量值來表示整個區(qū)域的土壤含水量。而在實際測量條件下，自然狀態(tài)的土壤結(jié)構(gòu)普遍具有較大的空間異質(zhì)性，利用單點測量的方法則不足以反映較大測量區(qū)域尤其是空間異質(zhì)性較大土壤結(jié)構(gòu)的含水狀況。大尺度的土壤水分監(jiān)測目前主要依賴衛(wèi)星遙感（光學遙感、主動微波、被動微波）手段實現(xiàn)，但此類方法具有空間分辨率較低，不能穿透植被與冰雪，受下墊面粗糙度、天氣條件影響較大等局限[5?6]。

宇宙射線中子法是介于點測量與遙感監(jiān)測的中尺度、非接觸土壤含水量測量方法。測量半徑300m左右，測量深度12～76cm，測量結(jié)果幾乎不受土壤化學性質(zhì)的影響[7]。其測量基本原理為宇宙射線初級粒子級聯(lián)反應產(chǎn)生的高能粒子在與大氣碰撞時將該原子核激發(fā)到不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子核發(fā)射出快中子以回到穩(wěn)定態(tài)?？熘凶釉诮孛鎸优c氫原子碰撞發(fā)生慢化直至吸收[8]。而近地面層氫原子除湖泊江河等大型水體外，主要存在于土壤水中[9]。宇宙射線中子法就是通過測量與氫原子碰撞而慢化的快中子強度來反演計算測量源區(qū)內(nèi)土壤水分的含量。

關(guān)于利用宇宙射線中子法測量土壤水分，目前相關(guān)研究大多將測量環(huán)境設(shè)置在草原、農(nóng)田等較為理想均一的平坦下墊面[10?12]，并獲得較好的測量效果。而在實際應用中，下墊面條件復雜多樣，土壤結(jié)構(gòu)具有很大的空間異質(zhì)性。宇宙射線中子法在復雜下墊面的應用則研究較少，其測量土壤水分的適用條件與應用環(huán)境的廣泛性還需進一步探討。本研究以宇宙射線中子法的測量環(huán)境為切入點，將試驗地點設(shè)置為丘陵山地條件的茶樹種植園，下墊面有一定坡度，以灌木為主，間有喬木以及草本植物，測量環(huán)境復雜，實地勘測土壤結(jié)構(gòu)類型多樣，空間異質(zhì)性較大。以烘干稱重法為標準對比，以頻域反射法為連續(xù)性觀測對照，旨在研究復雜下墊面的土壤水分測量中，宇宙射線中子法的適用性，為宇宙射線中子法在不同測量條件下的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年6月22日?8月11日在重慶茶業(yè)集團有限公司巴南區(qū)白象山茶園進行。試驗區(qū)域地勢自西向東傾斜，整體海拔落差約100m，坡度約18°。下墊面主要為條帶狀種植的灌木型茶樹，品種為巴渝特早、福鼎大白等，株高50～80cm。間種高大喬木作為防護林與遮陰樹，空地多為原生草本地被植物。試驗區(qū)域以壤土和黏質(zhì)土為主，部分區(qū)域有砂質(zhì)土或巖性紫色土，土壤空間異質(zhì)性較大。茶樹行間有少量混凝土步道。

試驗期間雨日數(shù)27d，降水總量255.8mm，其中7月7?24日連續(xù)18日多連晴高溫天氣，累計雨量僅1.2mm；試驗期內(nèi)平均氣溫28.6℃，極端最高氣溫40.8℃，極端最低氣溫21.9℃。

1.2 對比試驗設(shè)置

設(shè)置宇宙射線中子儀、土壤水分自動站、多點人工取土烘干稱重3種測量方法進行土壤水分的對比觀測。測量區(qū)域中心（29°28′30″N，106°44′07″E，海拔558.60m）為4m×4m觀測場，觀測場內(nèi)安裝自動氣象站、土壤水分自動站以及宇宙射線中子儀。

宇宙射線中子儀（The cosmic-ray sensing probe，簡稱CRS）美國產(chǎn)，型號CRS1000/B。數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)定為1h。對原始數(shù)據(jù)反演土壤水分結(jié)果進行6h滑動平均，以濾除隨機誤差。宇宙射線中子儀原始數(shù)據(jù)修正所需的空氣相對濕度與氣壓數(shù)據(jù)由自動氣象站提供。宇宙射線中子儀與自動氣象站安裝于同一觀測場地，保證了空氣相對濕度與氣壓數(shù)據(jù)的代表性。

土壤水分自動站（頻域反射型Frequency Domain Reflectometry，簡稱FDR）兩套，一套位于宇宙射線中子儀同一觀測場地，即宇宙射線中子儀的測量中心；另一套位于宇宙射線中子儀西南方向約100m處（29°26′35″N，106°45′02″E，海拔580.70m），兩套土壤水分自動站數(shù)據(jù)采樣間隔均為1h，與宇宙射線中子儀同步。

烘干稱重法為測定土壤含水量的標準方法，實測值可作為土壤含水量真值代表，取土采樣點以CRS為中心，距離垂直方向4個方位50、100、200、250m處，共16個取樣點，取樣深度0?10、10?20、20?30和30?40cm。以多點、多土層土壤含水量的平均值作為測量源的區(qū)域土壤水分含量。采樣時間為6月22日?8月11日，每5d取土測量1次，累計11次。

為減小單位換算產(chǎn)生的計算誤差，確保烘干稱重法作為標準測量的結(jié)果準確性，將土壤含水量與烘干稱重法測量單位保持一致，均采用質(zhì)量含水量（kg·kg?1）。

1.3 宇宙射線中子法的測量足跡

1.3.1 水平足跡

宇宙射線中子法測量足跡定義為以CRS為圓心，能夠測量到區(qū)域內(nèi)快中子發(fā)源強度86%的范圍[7]。其測量足跡在空氣中是以CRS為中心的球形區(qū)域，區(qū)域范圍大小受測量環(huán)境內(nèi)氫原子含量多少決定。受下墊面阻擋，宇宙射線中子法的水平測量足跡則為以CRS為中心的面圓區(qū)域。由于大氣壓力變化改變空氣密度，單位體積空氣內(nèi)水分子數(shù)量即氫源發(fā)生改變，CRS能夠測量到快中子發(fā)源強度86%的范圍隨之變化。Zweck等[13]研究發(fā)現(xiàn)，水平足跡與氣壓呈反比關(guān)系，其關(guān)系式為

1.3.2 垂直足跡

宇宙射線中子法垂直測量足跡即探測深度，主要與測量區(qū)域土壤含水量有關(guān)，土壤含水量越高，即氫原子數(shù)越多，快中子慢化率越高，探測到快中子發(fā)源強度86%的范圍即測量深度越淺[14]。Zreda等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在模擬土壤含水量飽和的條件下，測量深度為12cm，隨著土壤含水量減少直至模擬含水量為0的條件下，測量深度為76cm。探測深度Z可表示為

1.4 宇宙射線中子法的數(shù)據(jù)修正

1.4.1 空氣水汽修正

利用宇宙射線種子法測量土壤水分，土壤水分以外的含氫物質(zhì)尤其是空氣中的水汽也會起到慢化快中子的作用，從而影響土壤水分測量結(jié)果的準確性。另外，氣壓的變化改變高能粒子與空氣粒子碰撞而丟失能量發(fā)生級聯(lián)反應的幾率，其所激發(fā)出的快中子數(shù)也隨之改變，影響土壤水分測量結(jié)果。所以宇宙射線中子法測得的快中子數(shù)需進行相應修正。

Rosolem等[15]研究發(fā)現(xiàn)，宇宙射線中子法在干空氣中垂直測量足跡為412m，在飽和濕空氣中為265m；空氣水汽對近地面快中子強度的影響最大可達12%，經(jīng)換算相當于0.1m3·m?3的土壤水分。采用將中子強度修正到測量環(huán)境水汽條件下，使之不受水汽壓影響的思路進行模擬實驗，并提出宇宙射線中子法測量土壤水分的快中子數(shù)水汽修正系數(shù)，即

1.4.2 氣壓修正

氣壓變化改變高能粒子與空氣粒子碰撞丟失能量的幾率，根據(jù)次級宇宙射線核子強度隨大氣深度變化規(guī)律，Zreda[7]提出宇宙射線中子法測量土壤水分的快中子數(shù)氣壓修正系數(shù)，即

1.5 宇宙射線中子法的反演函數(shù)

Desilets等[16]提出，利用MCNPX模型模擬中子運動及其運動軌道，建立中子量與土壤水分之間的函數(shù)關(guān)系為

2 結(jié)果與分析

2.1 宇宙射線中子法測量結(jié)果的準確性分析

2.1.1 與烘干稱重法測量結(jié)果比較

為與宇宙射線中子法（CRS法）實際測量深度匹配，選取烘干稱重法0?10cm、10?20cm兩層取樣點的土壤質(zhì)量含水量測量值，并求取算術(shù)平均值代表測量源區(qū)的區(qū)域土壤水分含量進行對比，結(jié)果見圖1。由圖中可見，在整個試驗期間，伴隨夏季晴熱高溫以及降水情況的實際變化，烘干稱重法測得的土壤質(zhì)量含水量表現(xiàn)為三次逐漸下降的過程，按照實際取土采樣日期，6月22日?7月2日土壤質(zhì)量含水量由0.25kg·kg?1降至0.20kg·kg?1，平均0.22kg·kg?1；7月7?27日土壤質(zhì)量含水量由0.22kg·kg?1降至0.15kg·kg?1，平均0.18kg·kg?1；8月6?11日土壤質(zhì)量含水量由0.23kg·kg?1降至0.20kg·kg?1，平均為0.22kg·kg?1。

宇宙射線中子法測量結(jié)果經(jīng)6h滑動平均，選取與烘干稱重法取土采樣對應日期的土壤質(zhì)量含水量，6月22日?7月2日土壤質(zhì)量含水量由0.24kg·kg?1降至0.14kg·kg?1，平均0.20kg·kg?1；7月7?27日土壤質(zhì)量含水量由0.22kg·kg?1降至0.10kg·kg?1，平均0.17kg·kg?1；8月6?11日土壤質(zhì)量含水量由0.25kg·kg?1降至0.23kg·kg?1，平均為0.24kg·kg?1。

可見，在每個土壤水分逐漸消耗的階段，兩種方法觀測的土壤含水量變化趨勢完全一致，但宇宙射線中子法測量值略偏低。選取與烘干稱重法取土采樣對應日期的宇宙射線中子法測量值，對二者進行線性擬合，結(jié)果如圖2所示，得到線性方程為y=1.1079x?0.0307，擬合優(yōu)度R2=0.8717（n=11，相關(guān)系數(shù)R通過0.01水平的顯著性檢驗）。宇宙射線中子法和作為真值代表的烘干稱重法測量結(jié)果的散點均位于1:1線附近，回歸直線斜率與1:1線偏差僅0.1079。二者均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）為0.0159kg·kg?1，宇宙射線中子法測量值與烘干稱重法測量值偏離程度較小。納什效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE）高達0.854，表明宇宙射線中子法測量值與烘干稱重法測量值匹配度良好（NSE=1表示測量值與模擬值完美匹配），測量結(jié)果可信度高。

圖1 宇宙射線中子法（逐小時數(shù)據(jù)）與烘干稱重法（5日數(shù)據(jù)）土壤水分測量值比較（重慶，2018年）

圖2 宇宙射線中子法與烘干稱重法土壤水分測量值擬合度

2.1.2 與頻域反射法測量結(jié)果比較

烘干稱重法由于取土采樣頻率無法達到與宇宙射線中子法相匹配的高頻連續(xù)觀測，故選取基于頻域反射法（FDR）的土壤水分自動站測量數(shù)據(jù)與宇宙射線中子法進行土壤水分連續(xù)觀測比較。土壤水分自動站數(shù)據(jù)采樣間隔為1h，可與CRS同步觀測。土壤水分自動站建站地點選取的源區(qū)內(nèi)具有代表性的土壤水分測量點，測量范圍為傳感器周圍約20cm，以代表測量區(qū)域整體土壤含水情況。試驗選用的兩套土壤水分自動站均坐落于研究區(qū)域內(nèi)，一套位于CRS同一觀測場地；另一套與CRS距離約100m。測量深度為10、20、30、40和50cm共5個梯度，為與CRS測量深度匹配，選取兩個站點10cm、20cm兩層土壤水分測量值，開展對比試驗。并對兩套土壤水分自動站的測量值進行算術(shù)平均，以提高基于頻域反射測量方法的區(qū)域土壤水分代表性。兩套土壤水分自動站均經(jīng)過氣象部門對比實驗鑒定，并應用于業(yè)務(wù)觀測，測量數(shù)據(jù)準確可靠。

將宇宙射線中子法測量結(jié)果與頻域反射法測量結(jié)果進行比較，結(jié)果見圖3。由圖可見，在整個試驗期間（6月22日?8月11日），伴隨夏季晴熱高溫以及降水情況的實際變化，頻域反射法測得的土壤質(zhì)量含水量表現(xiàn)為三次逐漸下降過程，6月22日?7月2日土壤質(zhì)量含水量由0.24kg·kg?1降至0.17kg·kg?1，平均0.20kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.008；7月6?29日土壤質(zhì)量含水量由0.23kg·kg?1降至0.13kg·kg?1，平均0.17 kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.005；8月6?11日土壤質(zhì)量含水量由0.21kg·kg?1降至0.19kg·kg?1，平均0.20kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.004。

圖3 宇宙射線中子法與頻域反射法逐小時土壤水分測量值比較（重慶，2018年）

宇宙射線中子法測量結(jié)果經(jīng)6h滑動平均，6月22日?7月2日土壤質(zhì)量含水量由0.21kg·kg?1降至0.09kg·kg?1，平均0.15kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.010；7月6?29日土壤質(zhì)量含水量由0.18kg·kg?1降至0.08kg·kg?1，平均0.12kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.005；8月6?11日土壤質(zhì)量含水量由0.19kg·kg?1降至0.15kg·kg?1，平均0.17kg·kg?1，日變化趨勢系數(shù)為?0.008。

可見，在每個土壤水分逐漸消耗的階段，兩種方法觀測的土壤含水量變化趨勢完全一致，且在較長時間序列的變化趨勢一致性較好。較短時間序列的變化趨勢有所差異的原因與宇宙射線中子法和頻域反射法的測量原理有關(guān)，頻域反射法只受土壤水分變化影響，而土壤水分變化是較為緩慢的漸進過程；宇宙射線中子法除土壤水分外還受降水等瞬時變化的氫源影響，所以CRS測量值短時波動較為劇烈，變化趨勢與頻域反射法存在差異。

2.2 宇宙射線中子法測量結(jié)果的靈敏性分析

試驗期間（6月22日?8月11日），雨日數(shù)27d，降水總量255.8mm。降水主要集中在3個時段，分別為6月22?23日、7月2?6日和7月30日?8月5日。試驗源區(qū)土壤水分受降水影響表現(xiàn)出相應的變化趨勢。由圖3可見，第一次降水過程6月22?23日降水總量20.8mm，22日降水量18.6mm，宇宙射線中子法與頻域反射法測得土壤水分值均維持在較高水平；6月23日降水量2.2mm，雨量較小，宇宙射線中子法有明顯的響應，頻域反射法則響應不明顯。其后連續(xù)8日無降水，宇宙射線中子法與頻域反射法測得土壤水分值均呈逐漸下降趨勢。第二次降水過程7月2?6日降水總量34.6mm，宇宙射線中子法與頻域反射法均有明顯的響應；7月9日有一次2.7mm的降水過程，宇宙射線中子法有明顯的響應，頻域反射法則響應不明顯。第三次降水過程較為集中，量級較大，7月30日?8月5日降水總量194.4mm，其中8月5日最大小時雨量37.9mm，宇宙射線中子法與頻域反射法均有明顯的響應，但8月8日雨量為3.2mm的降水過程宇宙射線中子法有明顯的響應，頻域反射法則響應不明顯?？梢?，對于較大量級的降水，宇宙射線中子法與頻域反射法均能靈敏地捕捉降水導致的土壤水分變化情況，但是對于小量級降水，宇宙射線中子法靈敏性明顯優(yōu)于頻域反射法。可以得出，宇宙射線中子法對降水過程響應靈敏，且對不同程度降水都能夠捕捉到測量源區(qū)內(nèi)土壤水分相應的變化情況。

2.3 宇宙射線中子法足跡距離對測量結(jié)果的權(quán)重分析

2.3.1 水平足跡距離權(quán)重

將烘干稱重法所有采樣點按照距CRS安裝位置50、100、200和250m的取樣距離分組，取0?10cm、10?20cm兩層樣點求算術(shù)平均，4組土樣測量結(jié)果平均值與宇宙射線中子測量結(jié)果線性擬合，結(jié)果如圖4。由圖可見，4組土樣測量結(jié)果平均值與宇宙射線中子測量結(jié)果線性擬合，斜率分別為0.9682、0.9792、1.2476和1.0002，擬合優(yōu)度R2分別為0.6023、0.6689、0.8508和0.5595（n=11，相關(guān)系數(shù)R均通過0.01水平的顯著性檢驗）。宇宙射線中子法與不同水平足跡距離的烘干稱重法測量結(jié)果的散點均位于1:1線附近，回歸直線斜率與1:1線偏差0.3～0.4，無明顯差異。經(jīng)計算，均方根誤差RMSE分別為0.0265、0.0236、0.0364和0.0267kg·kg?1。有限的樣點數(shù)據(jù)與宇宙射線中子法測量結(jié)果比較顯示，在有效觀測范圍內(nèi)（278m），其測量結(jié)果與距CRS安裝位置50、100、200和250m處土壤含水量平均值間差異不大，水平足跡內(nèi)，不同距離土壤含水量對于宇宙射線中子法測量結(jié)果沒有明顯權(quán)重差異。宇宙射線中子法測量結(jié)果能夠代表水平范圍內(nèi)土壤含水量的平均狀況。

2.3.2 垂直足跡距離權(quán)重

不同測量深度土壤水分含量對于宇宙射線中子法測量結(jié)果的權(quán)重因不同土層含水量分布情況而異。宇宙射線中子法的測量原理決定慢化后的快中子主要受氫原子碰撞而影響其檢測數(shù)量?，F(xiàn)實中，土壤水分受天氣變化尤其是降水過程影響呈現(xiàn)動態(tài)變化，即氫原子分布隨土壤含水量在不同深度土層相應變化。長期干旱條件下，表層土壤含水量少，隨深度增加含水量相應增加，宇宙射線中子法測量影響權(quán)重則深層土壤較大，測量深度也較深；降水較多的情況下，表層土飽和或接近飽和，宇宙射線中子法測量影響權(quán)重則表層土壤較大，測量深度也較淺；而在久旱逢雨的時段，則會出現(xiàn)短暫的表層土過濕，中層土偏干，深層土又含水相對較多的復雜情形。因而測量深度對宇宙射線中子法測量結(jié)果的權(quán)重本研究不作具體數(shù)值分析。

圖4 宇宙射線中子法與不同水平距離取樣點烘干稱重法測量結(jié)果的對比

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

相較于賈曉俊等[9]在農(nóng)田下墊面、趙純等[10]在草地植被、蔡靜雅等[11]在荒漠草原下墊面的試驗研究，本試驗期間，宇宙射線中子法測量值相對于烘干稱重法以及頻域反射法整體均略偏低。該結(jié)果可能與重慶地區(qū)山地地形復雜下墊面的土壤空間異質(zhì)性較大有關(guān)。烘干稱重法與頻域反射法測量點位于土壤質(zhì)地為壤土的源區(qū)代表性站點，如果測量點為異于測量區(qū)域整體情況的土壤結(jié)構(gòu)，則測量結(jié)果不能反映源區(qū)整體土壤水分情況，所以在站點選取階段已經(jīng)排除此類干擾區(qū)域。而實際中，土壤具有較大空間異質(zhì)性。取土采樣過程中發(fā)現(xiàn)，試驗源區(qū)土壤結(jié)構(gòu)主要為壤土，但也存在持水性差的沙土以及含水量極低的巖性土。宇宙射線中子法測量對象為測量面圓范圍內(nèi)，將不同質(zhì)地土壤的含水量情況均涵蓋在內(nèi)作整體平均，測量結(jié)果偏低?；跍y量源區(qū)土壤類型的實際復雜性，宇宙射線中子法相較于烘干稱重法與頻域反射法偏低的測量結(jié)果，更能反映測量源區(qū)中尺度的土壤水分平均狀況。

水平測量范圍內(nèi)，利用有限的標準觀測數(shù)據(jù)對比分析顯示，不同水平距離的土壤水分情況對測量結(jié)果的權(quán)重影響無明顯差異。具體情況仍可進一步研究，如加密監(jiān)測點或區(qū)域性人為控制土壤水分等方法進行研究判定。

3.2 結(jié)論

在復雜下墊面測量環(huán)境下，宇宙射線中子法與土壤含水量測定的標準方法烘干稱重法的測量結(jié)果匹配度良好，測量結(jié)果準確可信；與頻域反射法測量結(jié)果作連續(xù)性觀測對照，二者對于較長時間序列的土壤水分變化趨勢反映完全一致。且對于降水過程引起土壤水分變化的響應，宇宙射線中子法靈敏性優(yōu)于頻域反射法。同時，宇宙射線中子法測量能夠無權(quán)重差異地反映測量源區(qū)內(nèi)土壤含水量的平均狀況。

可以得出，宇宙射線中子法能夠應用于復雜下墊面的區(qū)域土壤水分測量，且具有不受土壤空間異質(zhì)性干擾的優(yōu)點，能夠更好地反映中尺度土壤水分的平均狀況?？蔀橹行〕叨韧寥篮勘O(jiān)測提供更為精確的數(shù)據(jù)；為復雜下墊面條件土壤水分估算、山地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的水分管理提供依據(jù)；并可為大尺度的高空遙感反演土壤水分提供更加有效的驗證手段。

[1] 何斌,劉志娟,楊曉光,等.氣候變化背景下中國主要作物農(nóng)業(yè)氣象災害時空分布特征(Ⅱ):西北主要糧食作物干旱[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(1):31-41.

He B,Liu Z J,Yang X G,et al.Temporal and spatial variations of agro-meteorological disasters of main crops in China in a changing climate Ⅱ:drought of cereal crops in northwest China[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2017,38(1): 31-41.(in Chinese)

[2] 胡程達,楊光仙,成林.干旱對冬小麥光合產(chǎn)物積累和分配的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(3):243-249.

Hu C D,Yang G X,Cheng L.Effects of drought on distribution and accumulation of photosynthetic matter in winter wheat [J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(3):243-249. (in Chinese)

[3] 何春霞,鄭寧,張勁松,等.農(nóng)林復合系統(tǒng)水熱生態(tài)特征研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(6):633-644.

He C X,Zheng N,Zhang J S,et al.Research advances on hydrological and thermal characteristics of agroforestry system[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(6): 633-644.(in Chinese)

[4] 鄭盛華,覃志豪,張文博.松嫩平原干旱變化特征及其對氣候變化的響應[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2015,36(5):640-649.

Zheng S H,Qin Z H,Zhang W B.Drought variation in Songnen plain and its response to climate change[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(5):640-649.(in Chinese)

[5] 姜亞珍,張瑜杰,孫琛,等.河北省土壤干濕狀況遙感監(jiān)測指數(shù)比較[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(6):675-681.

Jiang Y Z,Zhang Y J,Sun C,et al.Comparison of remote sensing based soil moisture indices in Hebei province [J].Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(6):675-681. (in Chinese)

[6] 李菁,王連喜,沈澄,等.幾種干旱遙感監(jiān)測模型在陜北地區(qū)的對比和應用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(1):97-102.

Li J,Wang L X,Sheng C,et al.Application and comparison of several drought monitoring models in northern Shaanxi[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2014,35(1):97-102.(in Chinese)

[7] Zreda M,Desilets D,Ferré T P A,et al.Measuring soil moisture content non-invasively at intermediate spatial scale using cosmic-ray neutrons[J].Geophysical Research Letters,2008,35 (21):L21402.

[8] Zreda M,Shuttleworth W J,Zeng X,et al.COSMOS:the cosmic-ray soil moisture observing system[J].Hydrology and Earth System Sciences Discussions,2012,9(4):4505-4551.

[9] 賈曉俊,施生錦,黃彬香,等.宇宙射線中子法測量土壤水分的原理及應用[J].中國農(nóng)學通報,2014,30(21):113-117.

Jia X J,Shi S J,Huang B X,et al.Principles and application of cosmic-ray neutron method for measuring soil moisture[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin,2014,30(21):113-117. (in Chinese)

[10] 趙純,袁國富,劉曉,等.宇宙射線土壤水分觀測方法在黃土高原草地植被的應用[J].土壤學報,2015,52(6):1439-1444.

Zhao C,Yuan G F,Liu X,et al.Application of cosmic-ray method to soil moisture measurement of grassland in the loess plateau[J].Acta Pedologica Ainica,2015,52(6):1439- 1444.(in Chinese)

[11] 蔡靜雅,龐志國,譚亞男,等.宇宙射線中子法在荒漠草原土壤水測量中的應用[J].中國水利水電科學研究院學報, 2015,13(6):456-460.

Cai J Y,Pang Z G,Tan Y N,et al.Application of cosmic-ray neutron method to soil moisture measurement in desert steppe[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2015,13(6):456-460.(in Chinese)

[12] 焦其順,朱忠禮,劉紹民,等.宇宙射線快中子法在農(nóng)田土壤水分測量中的研究與應用[J].地球科學進展,2013,28(10): 136-143.

Jiao Q S,Zhu Z L,Liu S M,et al.Research and application of cosmic-ray fast neutron method to measure soil moisture in the field[J].Advances in Earth Science,2013,28(10):136-143. (in Chinese)

[13] Zweck C,Zreda M,Desilets D.Empirical confirmation of the sub-kilometer footprint of cosmic-ray soil moisture probes [J].Geophysical Research Abstracts,2011,13:13393.

[14] Franz T E,Zreda M,Ferré T P A,et al.Measurement depth of the cosmic ray soil moisture probe affected by hydrogen from various sources[J].Water Resources Research,2012,48 (8):8515.

[15] Rosolem R,Shuttleworth W J,Zreda M,et al.The effect of atmospheric water vapor on the cosmic-ray soil moisture signal[J].Urban History Review Revue Dhistoire Urbaine, 2012,3(3-78):3739.

[16] Desilets D,Zreda M,Ferré T P A.Nature's neutron probe:land surface hydrology at an elusive scale with cosmic rays[J]. Water Resources Research,2010,46(11):W11505.

[17] Desilets D,Zreda M,Prabu T.Extended scaling factors for in situ cosmogenic nuclides:new measurements at low latitude [J].Earth and Planetary Science Letters,2006,246(3-4): 1-276.

[18] Desilets D,Zreda M.Spatial and temporal distribution of secondary cosmic-ray nucleon intensities and applications to in situ cosmogenic dating[J].Earth and Planetary Science Letters,2003,206(1-2):1-42.

[19] Desilets D M.Cosmogenic nuclides as a surface exposure dating tool: improved altitude/latitude scaling factors for production rates[D].The University of Arizona,2005.

Application of Cosmic-ray Neutron Method in Soil Moisture Measurement on Complex Underlying Surface

WU Qiang1，HE Kai-li2，LUO Zi-zi1，DU Ai-jun3，LIU Liang3，TANG Yun-hui1

（1.Chongqing Institute of Meteorological Sciences, Chongqing 401147, China; 2. Changshou Metereological Bureau, Chongqing 401220; 3. Banan Metereological Bureau, Chongqing 401320）

The cosmic-ray neutron method is a mesoscale and non-contact method for measuring soil moisture with the observation scale as between point measurement and remote sensing monitoring. The measuring point was located on the mountainous terrain with significant soil heterogeneity. This study used the cosmic-ray neutron method under complicated terrain as the oven-drying method being the standard comparison, while the frequency domain reflection method being the continuous comparison. This study indicated that the result of the cosmic-ray neutron method is accurate on complex underlying surface. The determination coefficient of linear equation（R2）, root-mean-square error（RMSE）, Nash-Sutcliffe efficiency coefficient（NSE）between the value of soil moisture content measured by the cosmic-ray neutron method and the truth value represented by the multi-point mean value of the oven-drying method was 0.8717, 0.0159kg·kg?1and 0.854, respectively. The cosmic-ray neutron method and the frequency domain reflection method were completely consistent with the trend of soil moisture change in a longer time series, and the sensitivity of the cosmic-ray neutron method was better than the frequency domain reflection method in response to changes of soil moisture caused by precipitation. In summary, the cosmic-ray neutron method can be applied to soil moisture measurement on complex underlying surfaces with the advantage of being undisturbed by soil heterogeneity and higher ability on reflecting the average soil moisture on the mesoscale.

Complex underlying surface; Cosmic-ray neutron method; Oven-drying method; Frequency domain reflectometry; Soil moisture

10.3969/j.issn.1000-6362.2020.01.004

武強,賀開利,羅孳孳,等.宇宙射線中子法在復雜下墊面土壤水分測量中的應用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2020,41(1):34-42

2019?06?27

唐云輝，E-mail：tyhchongqing@sina.com

重慶市社會事業(yè)與民主保障科技創(chuàng)新專項項目“基于服務(wù)定制的智慧農(nóng)業(yè)氣象移動app的研制與應用示范”（cstc2017shms-xdny80035）；重慶市氣象局科技計劃項目“宇宙射線中子法在區(qū)域土壤水分測量中的應用研究”（QNJJ-201703）；重慶市氣象部門業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)項目“重慶茶葉氣候品質(zhì)認證技術(shù)研究與應用”（YWJSGG-201905）

武強，E-mail：theodorus@yeah.net