宇宙射線中子法測(cè)量區(qū)域土壤水分準(zhǔn)確性季節(jié)變化研究

武 強(qiáng) 黃 娜 羅孳孳 唐余學(xué) 朱玉涵 徐倩倩

(1.重慶市氣象科學(xué)研究所, 重慶 401147; 2.重慶市江津現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站, 重慶 402260;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193; 4.合肥市氣象局, 合肥 230041)

0 引言

土壤水分通過徑流、蒸散發(fā)、植被水分供給等方式，在地表與大氣的物質(zhì)和能量交換中起著重要作用[1-4]。土壤水分也作用于植物光合作用以及土壤微生物群落功能，從而影響著生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力[5-7]。因此，準(zhǔn)確獲得土壤水分含量及其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，對(duì)水土保持、水資源管理及利用等研究具有現(xiàn)實(shí)意義[8-11]。

宇宙射線中子法是一種介于原位點(diǎn)測(cè)量與遙感大尺度反演的中等尺度非入侵、被動(dòng)獲取式土壤水分測(cè)量方法[12]，可以反映測(cè)量區(qū)域土壤水分平均狀況，且不受土壤結(jié)構(gòu)異質(zhì)性以及土壤化學(xué)性質(zhì)影響，不破壞土壤結(jié)構(gòu)、可連續(xù)觀測(cè)[13-14]。其原理為宇宙射線初級(jí)粒子經(jīng)過一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)以及與大氣粒子碰撞后，由激發(fā)態(tài)至穩(wěn)定態(tài)的過程中會(huì)釋放出快中子，快中子在近地面層與氫原子碰撞發(fā)生慢化直至吸收[15]，而土壤水分是陸表的主要?dú)湓碵16]，宇宙射線中子法通過測(cè)量與氫原子碰撞慢化的快中子強(qiáng)度來反演計(jì)算測(cè)量源區(qū)內(nèi)土壤水分含量。

宇宙射線中子法區(qū)域土壤水分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由美國(guó)研發(fā)生產(chǎn)，并在其境內(nèi)組建形成70多個(gè)站點(diǎn)的大型觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)[17]，圍繞宇宙射線中子法的反演方法、參數(shù)訂正、結(jié)果修正以及不同觀測(cè)方法的比較驗(yàn)證等開展了諸多研究[12,15-17]。2012年以來，我國(guó)學(xué)者開始將宇宙射線中子法應(yīng)用于不同下墊面的土壤水分測(cè)量，并就其測(cè)量效果開展了評(píng)估，在農(nóng)田、草原、山地等應(yīng)用場(chǎng)景下，均取得了較好的測(cè)量效果[18-21]，但受標(biāo)準(zhǔn)樣本采樣時(shí)間間隔較長(zhǎng)或研究區(qū)域冬季凍土等影響，完整數(shù)據(jù)集時(shí)間跨度多為非凍土?xí)r段的數(shù)月時(shí)長(zhǎng)，一方面忽略了短期天氣條件變化的影響，另一方面未能涵蓋生態(tài)環(huán)境條件周期性變化下的全部情況。較長(zhǎng)時(shí)間序列的研究多關(guān)注于下墊面生態(tài)系統(tǒng)特征，如地表生物量對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響以及土壤水分反演模型適用性等方面，宇宙射線中子法土壤水分測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性在典型氣象條件的影響下是否存在差異以及普適性尚未得到證實(shí)[22-23]。土壤水分時(shí)空變異性受到氣候[24-25]、地形[26]、植被[27-28]等諸多因素的影響，由于對(duì)不同控制因子和過程的強(qiáng)烈非線性反饋，從而表現(xiàn)出土壤水分的時(shí)空變異性[29-30]。宇宙射線中子法作為新型的土壤水分測(cè)量方法，應(yīng)用其進(jìn)行土壤水分的長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)定，需對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景的下墊面因素、氣象條件等的動(dòng)態(tài)變化影響進(jìn)行全面考量，從而對(duì)應(yīng)用可行性有全面的掌握。本文研究區(qū)域的下墊面植被以灌木型茶樹為主，伴隨茶葉適齡期的采摘、打頂修整等農(nóng)事活動(dòng)以及冬季休眠停止生長(zhǎng)等因素，植被生物量變化較小，對(duì)宇宙射線中子法的土壤水分測(cè)量結(jié)果影響基本恒定，而伴隨季節(jié)變化的氣象條件是影響土壤水分變化最具變異性的因素。本文擬研究不同季節(jié)氣象條件特征以及典型天氣條件下宇宙射線中子法測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，以季節(jié)為時(shí)間劃分尺度，并選取典型氣象條件時(shí)段，對(duì)比分析宇宙射線中子法在不同氣象條件下的土壤水分連續(xù)測(cè)量效果差異與影響因素，以期為宇宙射線中子法在同一下墊面不同氣象條件的適用性以及典型天氣條件下的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量控制與結(jié)果訂正提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置于重慶市巴南區(qū)白象山，為典型山地地形下墊面，地勢(shì)自西向東傾斜，整體海拔落差約100 m，坡度約18°，土質(zhì)以壤土和黏質(zhì)土為主，局部區(qū)域?yàn)樯百|(zhì)土或巖性紫色土。下墊面植被主要為灌木型茶樹，株高50～80 cm，間種高大喬木作為防護(hù)林與遮陰樹，空地多為原生草本地被植物。參數(shù)率定于2018年6月22日—8月11日進(jìn)行，對(duì)比研究時(shí)段為2019年3月—2020年2月，按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行時(shí)間劃分。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域中心(29°28′30″N，106°44′7″E，海拔558.60 m)為4 m×4 m觀測(cè)場(chǎng)，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)安裝有自動(dòng)氣象站，設(shè)置空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、氣壓、降水量、風(fēng)向、風(fēng)速、土壤溫度等觀測(cè)要素。觀測(cè)數(shù)據(jù)用于研究時(shí)段內(nèi)氣象要素分析以及宇宙射線中子法參數(shù)率定。

土壤水分測(cè)定設(shè)置宇宙射線中子法(Cosmic-ray neutron sensing，CRNS)、頻域反射法(Frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR)、烘干稱重法(Oven-drying method，ODM)3種不同時(shí)間、空間尺度的測(cè)量方法。參數(shù)率定試驗(yàn)采用烘干稱重法多點(diǎn)采樣獲取區(qū)域土壤水分標(biāo)準(zhǔn)值，率定得到CRNS區(qū)域土壤水分反演模型。準(zhǔn)確性季節(jié)變化特征研究由FDR得到多點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果作為區(qū)域土壤水分連續(xù)觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值。ODM與FDR均結(jié)合CRNS足跡，采取同樣的垂直足跡線性加權(quán)、水平足跡等權(quán)重加權(quán)處理，得到對(duì)照數(shù)據(jù)集，與CRNS進(jìn)行對(duì)比分析。

宇宙射線中子法區(qū)域土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)(Cosmic-ray soil moisture observing system，COSMOS)設(shè)置于研究區(qū)域中心觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)定為1 h，原始數(shù)據(jù)中子數(shù)經(jīng)參數(shù)修正后，采用12 h滑動(dòng)平均濾除隨機(jī)誤差，反演計(jì)算獲得區(qū)域土壤含水率。

頻域反射型土壤水分自動(dòng)站兩套，分別位于COSMOS所在的觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)及COSMOS西南方向約100 m處(29°26′35″N，106°45′2″E，海拔580.70 m)，測(cè)量深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm共5個(gè)梯度。數(shù)據(jù)采樣間隔1 h，與COSMOS同步。數(shù)據(jù)集時(shí)間為2019年3月—2020年2月，期間每月1日、16日采用便攜式土壤水分測(cè)定儀(FDR)按照?qǐng)D1烘干稱重法取樣位置進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)定，校準(zhǔn)FDR區(qū)域土壤水分連續(xù)觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)值。

圖1 宇宙射線中子法參數(shù)率定樣點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution of CRNS parameter calibration sample points

烘干稱重法為國(guó)際上沿用的土壤含水率測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法，以多點(diǎn)、多土層土壤含水率計(jì)算得到區(qū)域土壤含水率作為標(biāo)準(zhǔn)值代表。土樣于105℃下干燥至質(zhì)量恒定，土壤失水質(zhì)量與原土樣質(zhì)量的比值即為質(zhì)量含水率，結(jié)合土壤容重?fù)Q算得到體積含水率。

1.2.1測(cè)量足跡

CRNS水平測(cè)量足跡為以COSMOS為中心的面圓區(qū)域[16]，與氣壓呈反比關(guān)系，其關(guān)系式為

(1)

式中Ps,o——參考?xì)鈮?取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa

Ps——實(shí)際氣壓，kPa

Rs,o——水平足跡參考半徑，取300 m

Rs——實(shí)際氣壓Ps下的水平足跡半徑，m

垂直測(cè)量足跡即探測(cè)深度，主要與測(cè)量區(qū)域土壤含水率有關(guān)，探測(cè)有效深度可表示為

(2)

式中Z——垂直足跡有效測(cè)量深度，cm

ρbd——測(cè)量源區(qū)土壤容重，g/cm3

ρw——液態(tài)水密度，g/cm3

τ——晶格水占礦質(zhì)顆粒和束縛水質(zhì)量總和的比例，%

θ——測(cè)量源區(qū)土壤體積含水率，cm3/cm3

CRNS水平足跡采用等權(quán)重加權(quán)方法進(jìn)行處理，垂直足跡采用線性加權(quán)方法進(jìn)行處理，從而獲得測(cè)量足跡內(nèi)的區(qū)域土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)值。等權(quán)重加權(quán)方法即測(cè)量足跡內(nèi)水平距離多點(diǎn)均勻采樣，計(jì)算平均值。垂直足跡線性加權(quán)方法[31-32]即認(rèn)為不同土層深度的土壤含水率對(duì)區(qū)域土壤含水率反演呈線性權(quán)重分配，線性加權(quán)函數(shù)為

(3)

(4)

可以得到

(5)

式中wt(h)——垂直測(cè)量足跡內(nèi)的深度權(quán)重系數(shù)

h——土層深度，cm

1.2.2數(shù)據(jù)處理

CRNS是通過測(cè)量與氫原子碰撞而慢化了的快中子的強(qiáng)度來反演計(jì)算測(cè)量源區(qū)內(nèi)土壤水分含量[15]。土壤水分以外的含氫物質(zhì)如空氣中的水汽也會(huì)起到慢化快中子的作用[33]；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(jí)聯(lián)反應(yīng)的幾率[16]；太陽長(zhǎng)周期變化如太陽黑子周期、晝夜變化等也會(huì)直接影響高能粒子密度[15]，從而影響土壤水分測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性?；谏鲜鲆蛩?，需對(duì)CRNS快中子數(shù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的校正。校正函數(shù)為

fCWV=1+0.005 4(ρ-ρ0)

(6)

(7)

(8)

式中fCWV——水汽修正系數(shù)

fp——?dú)鈮盒拚禂?shù)

fi——太陽活動(dòng)修正系數(shù)

ρ——地表絕對(duì)水汽密度，g/cm3

ρ0——參考條件下地表絕對(duì)水汽密度，一般取0

P0——?dú)鈮簠⒖贾?，kPa

P——試驗(yàn)期內(nèi)平均氣壓，kPa

L——高能中子質(zhì)量衰減長(zhǎng)度，按其隨緯度變化規(guī)律，試驗(yàn)地點(diǎn)取137 g/cm3

Io——中子基準(zhǔn)強(qiáng)度，使用海拔3 560 m瑞士少女峰站宇宙線數(shù)據(jù)作為中子基準(zhǔn)強(qiáng)度

Im——探測(cè)器測(cè)得的中子強(qiáng)度

得到CRNS中子數(shù)校正函數(shù)為

NCORR=NRAWfCWVfpfi

(9)

式中NCORR——CRNS校正后中子數(shù)

NRAW——CRNS原始中子數(shù)

CRNS的反演函數(shù)[34]，即中子量與土壤含水率之間的函數(shù)關(guān)系為

(10)

式中θ(N)——測(cè)量源區(qū)平均土壤體積含水率

N0——測(cè)量源區(qū)土壤不含水條件下的中子數(shù)，其取值受地理緯度、海拔高度、土壤質(zhì)地影響，對(duì)于同一測(cè)量源區(qū)，N0不變[35-37]

其中修正參數(shù)a0=0.080 8，a1=0.372，a2=0.115。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

CRNS區(qū)域土壤水分反演結(jié)果的評(píng)價(jià)采用1∶1線、偏差均值(Mean value of difference，d)、相關(guān)系數(shù)(Pearson correlation coefficient，R)、決定系數(shù)(Coefficient of determination,R2)、均方根誤差(Root mean square error，RMSE)、納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient，NSE)、Kling-Gupta系數(shù)(Kling-Gupta efficiency coefficient，KGE)。其中d越小，一致性越高；RMSE表示測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏離程度，RMSE越趨近于0，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值越接近，誤差越?。籒SE越趨近于1，反演模型精度越高，反演結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值一致性越好。KGE為綜合考慮了模擬值與實(shí)際觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)、變異性以及偏差量的一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)，KGE越趨近于1，表示模擬值與實(shí)際觀測(cè)值綜合一致性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)率定

2018年6月22日—8月11日開展參數(shù)率定試驗(yàn)，以O(shè)DM區(qū)域土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)值作為基準(zhǔn)進(jìn)行CRNS參數(shù)率定。樣點(diǎn)分布如圖1所示，以COSMOS為圓心，垂直方向4個(gè)方位，50、100、200、250 m處共計(jì)16個(gè)取樣點(diǎn)，取樣深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm，結(jié)合試驗(yàn)期間CRNS垂直足跡實(shí)際情況，確定以0～20 cm土層測(cè)量結(jié)果，按照垂直足跡線性加權(quán)、水平足跡等權(quán)重加權(quán)方法進(jìn)行處理，獲得ODM區(qū)域土壤含水率標(biāo)準(zhǔn)值。試驗(yàn)期間每5 d取樣1次，累計(jì)11次。計(jì)算CRNS、ODM獲得的區(qū)域土壤含水率，結(jié)果比較如圖2所示，計(jì)算得到RMSE為0.014 m3/m3， NSE為0.995，KGE為0.745，回歸直線斜率與1∶1線偏差僅0.211，可見經(jīng)參數(shù)率定后，CRNS對(duì)區(qū)域土壤水分的反演結(jié)果與ODM得到的標(biāo)準(zhǔn)值一致性良好，CRNS區(qū)域土壤水分計(jì)算模型可信度高。

圖2 宇宙射線中子法參數(shù)率定結(jié)果Fig.2 Comparison of CRNS parameter calibration results

2.2 測(cè)量足跡季節(jié)變化

2019年3月—2020年2月CRNS測(cè)量足跡如圖3所示，試驗(yàn)期內(nèi)水平足跡較為穩(wěn)定，年平均值為320.5 m，最小值314.5 m，最大值326.0 m，變化率為±2%；其中春季平均值321.2 m，夏季平均值323.5 m，秋季平均值319.5 m，冬季平均值318.4 m。垂直足跡變化較大，年平均值16.9 cm，最小值12.3 cm，最大值25.3 cm，變化率為-37%～50%，尤其夏季、秋季受降水及持續(xù)高溫天氣等影響，土壤持續(xù)失墑或降水補(bǔ)充等導(dǎo)致垂直測(cè)量足跡出現(xiàn)相應(yīng)變化，具體表現(xiàn)為與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)性，即土壤含水率越低，垂直足跡越大，土壤含水率越高，垂直足跡越?。黄渲写杭酒骄?9.0 cm，夏季平均值17.1 cm，秋季平均值15.7 cm，冬季平均值16.0 cm?？梢娫诒驹囼?yàn)區(qū)域，CRNS水平足跡基本穩(wěn)定，對(duì)時(shí)間、氣象條件以及土壤含水率等的變化響應(yīng)不明顯；垂直足跡受到土壤含水率變化的影響而波動(dòng)，但是基本維持在15.7～19.0 cm之間，受降水影響出現(xiàn)過極小值12.3 cm，但在雨后隨著地表水的徑流與滲透，可恢復(fù)到平均水平。耕作層有效深度大約20 cm，是土壤水分和養(yǎng)分含量發(fā)生波動(dòng)的主要土層。因此，在山地地形下墊面，CRNS水平足跡基本穩(wěn)定，隨季節(jié)變化不明顯，垂直足跡在不同季節(jié)隨降水差異而有一定波動(dòng)，但均集中在耕作層范圍內(nèi)變化，即CRNS能夠較為穩(wěn)定地反映測(cè)量源區(qū)內(nèi)耕作層土壤水分的變化情況。

圖3 宇宙射線中子法測(cè)量足跡變化Fig.3 Diagram of CRNS footprint

2.3 測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性季節(jié)變化

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域氣象數(shù)據(jù)得到，春季平均氣溫17.0℃，極端最高氣溫34.3℃，極端最低氣溫5.7℃。雨日數(shù)53 d，降水總量431.5 mm，雨量分布情況為3月20%，4月30%，5月50%。春季CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4a所示，總體變化趨勢(shì)基本一致，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.019 m3/m3。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日值進(jìn)行擬合(圖4a)，得到線性方程y=1.638x-0.177，R2=0.442。具體地，3月氣溫較為穩(wěn)定，降水較少，偏差均值為0.004 m3/m3；4月氣溫回升，土壤水分蒸騰量增加，且在4月中下旬有兩次較強(qiáng)降水過程，土壤水分含量變化較大，偏差均值為0.017 m3/m3；5月雨日數(shù)較多，雨量較大，土壤增墑明顯，偏差均值為0.041 m3/m3。

圖4 宇宙射線中子法區(qū)域土壤含水率季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variations of regional soil moisture by CRNS

夏季平均氣溫25.6℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫17.6℃。雨日數(shù)43 d，降水總量431.3 mm，雨量分布情況為6月42%，7月53%，8月5%。夏季CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4b所示，兩種方法的變化趨勢(shì)一致性較好，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.020 m3/m3。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日值進(jìn)行擬合(圖4b)，得到線性方程y=1.299x-0.083，R2=0.777。在降水集中的6、7月，受降水影響氣溫波動(dòng)大，土壤短期失墑與水分補(bǔ)充變化較大，偏差均值分別為0.039、0.023 m3/m3，雨量較少的8月，氣溫較高，平均值26.3℃，土壤持續(xù)失墑，8月中下旬，日最高氣溫均在35℃以上，8月下旬，土壤含水率狀況逐漸由輕旱發(fā)展為中度干旱，整個(gè)8月土壤含水率測(cè)量偏差均值僅0.001 m3/m3。

秋季平均氣溫17.3℃，極端最高氣溫35.4℃，極端最低氣溫5.9℃。雨日數(shù)54 d，降水總量367.9mm，雨量分布情況為9月25%，10月57%，11月18%。秋季CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4c所示，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.034 m3/m3，但是在幾次主要降水過程時(shí)，表現(xiàn)出較為明顯的測(cè)量差異。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日值進(jìn)行擬合(圖4c)，得到線性方程y=1.407x-0.103，R2=0.648。9月雨日數(shù)較少，降雨過程較為集中，偏差均值為0.024 m3/m3；10月雨日數(shù)多，但多為較小量級(jí)的降水，偏差均值為0.062 m3/m3；11月雨日數(shù)較少，雨量較小，偏差均值為0.034 m3/m3。

冬季平均氣溫8.2℃，極端最高氣溫16.8℃，極端最低氣溫0.3℃。雨日數(shù)43 d，降水總量86.4 mm，雨量分布情況為12月30%，1月34%，2月36%。冬季CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果對(duì)比如圖4d所示，可見兩種方法的變化趨勢(shì)一致性較好，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.001 m3/m3。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日值進(jìn)行擬合(圖4d)，得到線性方程y=1.929x-0.349，R2=0.182。冬季降水過程分布較為平均，且均為小雨量級(jí)降水，12、1、2月偏差均值分別為0.018、0.011、0.021 m3/m3。

各季節(jié)CRNS與FDR統(tǒng)計(jì)指標(biāo)如表1所示，二者平均值μ差異較小，但是CRNS標(biāo)準(zhǔn)差σ明顯偏大，主要與二者測(cè)量原理差異有關(guān)，CRNS通過測(cè)定與氫原子碰撞慢化的中子數(shù)反演計(jì)算得到土壤含水率，快中子計(jì)數(shù)在一定范圍內(nèi)變化，較為離散；而FDR傳感器設(shè)置于土層中，通過電磁波在不同土壤含水率即不同介電常數(shù)介質(zhì)中的變化來反演土壤含水率，除蒸騰與降水滲透以外，不受其他地上因素干擾，而土層中的水分變化相對(duì)較為穩(wěn)定連續(xù)，因而測(cè)得土壤含水率也較為穩(wěn)定。相關(guān)系數(shù)R夏季、秋季均達(dá)到0.8以上，冬季最低，為0.427。RMSE春季、夏季均為0.035 m3/m3，秋季0.055 m3/m3，冬季0.031 m3/m3。NSE與KGE均在夏季最高，分別達(dá)到0.604、0.508，其余季節(jié)均較低。主要與各季節(jié)的降水、土壤水分蒸散以及下墊面特征有關(guān)。結(jié)合研究區(qū)域下墊面蒸散量計(jì)算得到春季有效降水量為40.8 mm，夏季200.0 mm，秋季136.4 mm，冬季13.7 mm。由于研究區(qū)域下墊面主要為茶樹，種植較為密集，樹冠對(duì)于降水截留作用明顯，較小量級(jí)的降水受到茶樹冠層的截留削減，到達(dá)土層的入滲水量過小不足以引起頻域反射傳感器的明顯響應(yīng)，而CRNS反演結(jié)果涵蓋了測(cè)量區(qū)域內(nèi)所有含氫物質(zhì)的總和，包括地表植被，尤其是降水期間冠層的截留水量。茶樹下墊面主要為密植灌木，生長(zhǎng)較為緩慢，加之采茶以及打頂?shù)绒r(nóng)管措施對(duì)幼嫩芽葉的削減，地表生物量總體較為穩(wěn)定，因而主要是降水引起的冠層截留水量會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏差。尤其在冬季，天氣條件以陰天為主，總?cè)照諘r(shí)數(shù)90.3 h，日照時(shí)數(shù)在1 h以上日數(shù)僅22 d，期間有效降水量極小，即水分蒸騰與補(bǔ)充基本接近平衡，埋入式的FDR傳感器得到的土壤含水率在整個(gè)冬季也十分穩(wěn)定，維持在0.36～0.39 m3/m3，而歷次降水過程日降水量均不超過10 mm，主要為冠層截留水與土表吸收，該部分氫源的增加導(dǎo)致CRNS明顯的響應(yīng)，尤其2月有幾次較為集中的降水過程，在FDR土壤含水率基本不變的情況下，CRNS表現(xiàn)出較為明顯的結(jié)果差異。

表1 宇宙射線中子法與頻域反射法區(qū)域土壤水分測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Statistical index values of regional soil moisture measurement results by CRNS and FDR

2.4 典型土壤水分條件下宇宙射線中子法測(cè)量準(zhǔn)確性變化

進(jìn)一步分析典型土壤水分條件下CRNS測(cè)量準(zhǔn)確性變化，選取2019年3月—2020年2月自然條件下多雨偏濕以及高溫干旱時(shí)段作比較。7月作為多雨偏濕的代表時(shí)段，平均氣溫25.7℃，極端最高氣溫37.5℃，極端最低氣溫19.1℃。雨日數(shù)18 d，降水總量228.4 mm，其中7月8日、7月19日、7月29日達(dá)到大雨量級(jí)，7月31日達(dá)大暴雨量級(jí)，其余降水時(shí)段為小雨量級(jí)，在整個(gè)多雨偏濕期，土壤表現(xiàn)為逐漸增墑效應(yīng)，土壤含水率約增加0.06 m3/m3。對(duì)比多雨偏濕期CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.002 m3/m3。對(duì)幾次強(qiáng)降水過程，CRNS與FDR區(qū)域土壤含水率測(cè)量值均表現(xiàn)出明顯的瞬時(shí)響應(yīng)。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖5a)，得到線性方程y=1.366x-0.110，R2=0.272。8月作為高溫干旱的代表時(shí)段，平均氣溫28.2℃，極端最高氣溫37.7℃，極端最低氣溫18.1℃。雨日數(shù)9 d，降水總量20.1 mm，其中除8月31日達(dá)到中雨量級(jí)，日降水量為12.2 mm，其余降水時(shí)段以零星小雨為主，日降水量不超過2 mm，在整個(gè)干旱期，土壤持續(xù)失墑，土壤含水率降低約0.13 m3/m3。對(duì)比高溫干旱期CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果，兩種方法測(cè)量偏差均值為0.001 m3/m3。對(duì)兩種方法得到的區(qū)域土壤含水率日數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖5b)，得到線性方程y=1.031x-0.011，R2=0.926。

圖5 典型土壤水分條件下宇宙射線中子法測(cè)量結(jié)果Fig.5 Result by CRNS in typical soil moisture conditions

典型土壤含水率條件下CRNS與FDR統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值如表1所示，二者平均值μ在高溫干旱期基本一致，多雨偏濕期較大。在多雨偏濕期、高溫干旱期，R分別為0.522、0.962；RMSE分別為0.034、0.014 m3/m3。NSE與KGE在多雨濕潤(rùn)期均為負(fù)值，在高溫干旱期則高達(dá)0.925、0.919?？梢娫诮邓蓴_較小，即下墊面氫源較為穩(wěn)定的時(shí)段，CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果可表現(xiàn)出良好的一致性，測(cè)量結(jié)果偏差極小，CRNS區(qū)域土壤含水率反演模型準(zhǔn)確度高，反演值與標(biāo)準(zhǔn)值匹配度良好。在降水較多的土壤濕潤(rùn)期，即便受降水過程干擾，CRNS反演區(qū)域土壤含水率結(jié)果準(zhǔn)確性受到一定影響，但是在土壤含水率的變化趨勢(shì)以及量級(jí)較大降水過程時(shí)土壤含水率的響應(yīng)等基本一致，測(cè)量結(jié)果偏差均值僅為0.023 m3/m3，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性較好。

3 討論

不同土層往往表現(xiàn)不同的水文過程和生態(tài)功能[38]，淺層土壤受降水入滲和蒸散發(fā)影響大，同時(shí)也是植被生長(zhǎng)常用水分來源，深層土壤水分相對(duì)較為穩(wěn)定，形成“土壤水庫”。山地地形下墊面條件下，CRNS的水平測(cè)量足跡基本穩(wěn)定，不隨時(shí)間、氣象條件以及土壤含水率等的變化而發(fā)生明顯變化，因而在代表性樣點(diǎn)的選取時(shí)，應(yīng)注意如巖石、建筑、水源等水平足跡范圍內(nèi)干擾項(xiàng)的規(guī)避；在測(cè)量結(jié)果的訂正，如水平足跡范圍內(nèi)植被含水率的排除計(jì)算等方面，則可根據(jù)水平足跡較為穩(wěn)定的特點(diǎn)而給出理想試驗(yàn)方案。垂直足跡則主要受到土壤含水率變化的影響而波動(dòng)，但測(cè)量足跡基本在耕作層范圍內(nèi)變化，因此，CRNS可應(yīng)用于耕作層土壤水分反演，或地表生物量、植物水分截留等相關(guān)研究。

比較CRNS在不同季節(jié)的土壤水分測(cè)量結(jié)果，總體上CRNS與FDR的測(cè)量結(jié)果一致性較好，在土壤含水率較為穩(wěn)定(冬季)表現(xiàn)為與FDR極小的偏差，在少雨持續(xù)失墑(夏季)以及多雨水分得到補(bǔ)充(秋季)的土壤含水率劇烈變化的時(shí)段，CRNS與FDR表現(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。但是由于研究區(qū)域下墊面主要為密植的灌木型茶樹，有明顯的降水截留效果，被截留降水無法參與地面徑流或地下水分運(yùn)動(dòng)過程[39]，但是截留水作為氫源可以被CRNS捕捉；通常雨量較大時(shí)，植被截留率較低，但是雨量較小時(shí)，植被截留則顯得尤為重要，研究顯示，在濕潤(rùn)森林區(qū)，植被截留損失占年降水量10%～30%[40-42]，而在降水偏少的地區(qū)，植被截留損失可以達(dá)到40%～50%[43]。因而在試驗(yàn)過程中，存在FDR幾乎無變化，但CRNS已出現(xiàn)明顯波動(dòng)的情況。對(duì)于較小量級(jí)的短期降水(春季)與量級(jí)較大的持續(xù)降水(夏季)，CRNS較FDR能夠更加靈敏地響應(yīng)，就土壤水分測(cè)定而言，結(jié)果包含了冠層截留水等干擾，但對(duì)于水資源評(píng)估、作物水分平衡等研究具有重要的指示意義。

進(jìn)一步分析典型土壤水分條件下的CRNS測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性變化，在高溫干旱期，CRNS表現(xiàn)出最佳測(cè)量結(jié)果，與FDR表現(xiàn)出極高的一致性。在多雨偏濕的增墑時(shí)段，則受降水過程影響，相較于高溫干旱時(shí)段表現(xiàn)為較大偏差。因此在應(yīng)用CRNS對(duì)測(cè)量區(qū)域的土壤水分整體評(píng)價(jià)中，合理排除降水時(shí)段的土壤水分測(cè)量偏差尤為重要。

4 結(jié)束語

CRNS水平測(cè)量足跡的季節(jié)變化較為穩(wěn)定，垂直足跡在耕作層范圍內(nèi)有一定波動(dòng)。不同季節(jié)降水過程的量級(jí)差異是引起CRNS測(cè)量結(jié)果偏差的主要因素，CRNS對(duì)不同量級(jí)降水均可作出明顯響應(yīng)。夏秋兩季，在高溫少雨導(dǎo)致的持續(xù)失墑以及較大量級(jí)降水過程等土壤水分變化較為劇烈的時(shí)段，CRNS與FDR測(cè)量結(jié)果一致性較好。春季多較小量級(jí)降水，作物冠層截留作用導(dǎo)致小量級(jí)降水不足以引起探入式FDR的響應(yīng)，但CRNS則可以靈敏捕捉到水分的變化，二者一致性略差。典型土壤水分條件下的CRNS測(cè)量準(zhǔn)確性變化，進(jìn)一步說明降水過程對(duì)CRNS準(zhǔn)確性的干擾，而在持續(xù)高溫干旱時(shí)段則一致性良好，RMSE、NSE與KGE分別為0.014 m3/m3、0.925、0.919。