低緯度高原宇宙線快中子土壤水分監(jiān)測方法適宜性研究*

王中金, 吳 蘇, 吳東麗, 張振強, 趙 杰, 李 鵬, 陳海波

(1. 中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室 鄭州 450003; 2. 中國電子科技集團公司第二十七研究所鄭州 450047; 3. 中國氣象局氣象探測中心 北京 100081)

土壤水分是全球氣候系統(tǒng)核心變量之一, 在地表和大氣水循環(huán)、能量循環(huán)中發(fā)揮著重要作用, 影響氣候和天氣, 決定入滲、地表蒸散發(fā)和地表徑流的比例, 控制地下水補給; 還是土壤中化學、生物學、滲透和物質(zhì)運輸過程中的關鍵因素。此外, 土壤水分還是植被生長的基本物質(zhì)條件, 影響植被光合作用速率和土壤微生物呼吸。因此, 土壤水分的準確測量在氣象、生態(tài)、水文、農(nóng)業(yè)等研究及實踐中至關重要。

幾十年來, 國內(nèi)外研究人員對土壤水分測量做了大量工作, 研制出中子儀、時域反射法(Time Domain Reflectometry, 簡稱TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry, 簡稱FDR)等眾多單點測量傳感器, 土壤水分測量的準確性和自動化水平上顯著提高。但是土壤水分具有時空變異性, 以點代面的單點測量方式難免會引入誤差, 從而導致對土壤水分不切實際的解釋和預測。衛(wèi)星遙感對大尺度的地表土壤水分測量有著先天優(yōu)勢, 但測量深度較淺(～5 cm), 且受時空分辨率、下墊面、天氣條件等影響嚴重, 缺乏有效地面驗證手段?？臻gTDR測量、探地雷達測量、電阻率層析成像測量、地面微波輻射測量等方法雖然可進行中尺度測量, 但在實踐中僅限于估算表面土壤水分, 且受到土壤化學特性影響, 及植被覆蓋、時空等限制, 目前還不能有效解決田間、小流域等中尺度的根區(qū)土壤水分測量。宇宙線快中子土壤水分測量方法填補了中尺度測量的空白, 早期研究認為測量范圍為直徑約670 m、深度為76 cm的圓柱形土柱, 隨著研究深入, 發(fā)現(xiàn)其測量范圍為半徑130～240 m、深度15～83 cm的一個類陀螺形土柱, 測量半徑取決于氣壓、空氣濕度、土壤水分和植被等, 測量深度主要取決于土壤含水量, 也與植被等有關, 測深隨著與傳感器的距離呈指數(shù)減小。該方法還具有非接觸、穿透能力強、不受土壤水相態(tài)限制、對土壤質(zhì)地、鹽度等理化因素不敏感、可連續(xù)測量等優(yōu)點, 是有效可行的中尺度土壤水分測量手段。

宇宙線快中子法土壤水分測量基于土壤水分與近地面快中子強度呈負相關的物理原理, 通過測量近地面快中子強度來反演土壤水分。得到廣泛應用的反演方法是N0參數(shù)法, 后來逐步成為了多數(shù)研究中使用的標準方法。雖然N0參數(shù)法已得到廣泛應用, 但在低海拔、低緯度、潮濕等條件下, 由于低中子計數(shù)率, 無法對土壤水分做出準確估算。相關應用研究大多集中在反演方法改進、多種干擾因素的修正、不同下墊面適應性等方面, 獲得了較好效果。在低緯度高原區(qū)也存在土壤水分觀測需求, 相關應用研究相對較少, 在實際應用中存在不確定性, 宇宙線快中子法的監(jiān)測條件適應性和應用環(huán)境廣泛性還需進一步探討。

我國云貴高原、青藏高原等低緯度高原, 土地資源開發(fā)利用不充分、不合理, 水土流失、土壤侵蝕、水質(zhì)惡化、面源污染等問題突出, 土地退化和石漠化荒漠化嚴重。立足本地優(yōu)勢植被、特色作物及耕地戰(zhàn)略, 合理開發(fā)利用土地資源, 實現(xiàn)區(qū)內(nèi)糧食(基本)自給, 防止并治理土地退化和土地荒漠化, 對當?shù)氐纳鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。土地資源的合理利用、生態(tài)治理離不開核心要素?土壤水。土壤是由氣、液、固三相物質(zhì)構成的復雜系統(tǒng), 質(zhì)地空間變異性大, 土壤水分遷移機理復雜, 目前土壤水分監(jiān)測方法均存在一定的局限性。從原理上講, 宇宙線快中子法利用了來自周圍各方向的快中子構成了近地面快中子云, 且對含氫物質(zhì)最為敏感, 測量結果能夠反映周圍百米級范圍的土壤水分變化, 有效解決空間變異的問題, 為中尺度土壤水分測量、衛(wèi)星遙感反演土壤水分提供支持。同時, 在土壤凍結期依然可以監(jiān)測土壤水分(固相或固液混合), 也可有效解決土壤鹽度等特性造成的介電常數(shù)法失效問題, 其非接觸監(jiān)測方式, 有利于解決土壤龜裂、破壞土壤結構、農(nóng)事活動等工程問題, 是土壤水分測量方法的有效補充。本研究在低緯度高原試驗區(qū), 開展了宇宙線快中子法與烘干稱重法及FDR法對比觀測試驗, 在只有基本修正要素的條件下, 采用N0參數(shù)法反演土壤含水量, 以烘干稱重法為標準, 結合FDR法, 分析技術可行性和結果準確性, 探究該方法在低緯度高原的適宜性, 為宇宙線快中子法在低緯度高原區(qū)的研究與應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)在云南省大理市, 地處橫斷山脈南端, 金沙江、元江和瀾滄江三大水系分水嶺地段, 位于滇東高原和滇西峽谷的交接地帶, 地勢西北高、東南低, 地形復雜多變, 高原、山地、盆地、湖泊、河流、丘陵相間分布。試驗區(qū)(25°42′14″N, 100°10′34″E)地處孟加拉灣西南季風帶的迎風區(qū), 屬北亞熱帶低緯高原季風氣候類型, 其特點是干濕季分明, 雨量豐沛, 無霜期長, 日照充足, 大氣透明度好, 光能資源豐富。常年日照2332 h, 常年平均氣溫15.8 ℃, 常年平均降雨量836 mm。

試驗時間為2020年5?9月, 試驗地海拔1978 m, 地帶性土壤為砂壤土, 平均土壤容重1.18 g?cm, 平均田間持水量35.4%, 周邊植被普遍為水稻()和蠶豆(), 試驗區(qū)約含93%的田地, 5%的小型果木, 2%的建筑及道路。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)中心偏西20 m處設置有6 m×6 m的觀測場, 用于安裝宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀、FDR土壤水分觀測站、翻斗式自動雨量站。觀測場周圍選取20個人工取樣點, 用于人工取土, 具體方法見1.3.3。

2019年11月起, 河南中原光電測控技術有限公司生產(chǎn)的宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀(型號為ZY1700)在試驗區(qū)觀測場東南角安裝、運行, 用于監(jiān)測宇宙線快中子法土壤含水量。該設備具備快中子、大氣壓力、空氣溫度、空氣濕度、雨量、單點土壤水分、總輻射、風等多種要素的監(jiān)測能力, 數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制、數(shù)值修正、滑動平均等操作后, 和原始數(shù)據(jù)一起實時遠程傳輸?shù)胶笈_, 傳輸頻率設置為1次?h。

同期, 在宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀西約2 m處, 安裝翻斗式自動雨量站、FDR土壤水分觀測站, 傳輸頻率與宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀傳輸間隔保持同步, 均設置為1次?h。FDR土壤水分觀測站的傳感器為插管式探測器, 共5層傳感器探頭, 間隔10 cm, 埋深分別為10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm。

試驗區(qū)雨季降水豐富, 土壤含水量變化較大, 對比效果明顯, 對觀測試驗有利。因此, 選擇5?9月作為取樣時間, 每月逢8日進行多點人工取樣, 再計算宇宙線快中子法測深以上的烘干稱重法土壤含水量平均值作為對比和校準的標準值。

1.3 研究方法

1.3.1 宇宙線快中子法土壤含水量反演

對快中子計數(shù)有較大影響的干擾因素主要有太陽活動、大氣壓力、水汽等, 需通過相應的修正系數(shù)對測量的快中子數(shù)進行修正, 以減小測量誤差。

太陽活動等引起的宇宙線變化, 由于變化緩慢, 可通過地面宇宙線中子監(jiān)測站(如瑞士少女峰觀測站)的數(shù)據(jù)進行修正。修正系數(shù)可通過公式(1)計算:

式中:為中子強度修正系數(shù);為中子強度;為參考中子強度, 可取值校準時的中子強度。

氣壓修正系數(shù)可通過公式(2)計算:

式中:為氣壓修正系數(shù);為大氣壓力;為參考大氣壓力, 可取值校準時的大氣壓力;為高能中子質(zhì)量衰減長度, 隨緯度的升高而降低, 為128～142 g·cm, 根據(jù)本試驗地緯度,取值138 g·cm。

水汽修正系數(shù)可通過公式(3)計算:

式中:為水汽修正系數(shù);為地表大氣絕對濕度;為地表大氣參考絕對濕度, 可取值校準時的大氣絕對濕度。

中子強度的總修正系數(shù)()可通過公式(4)計算:

修正后的中子數(shù), 可由公式(5)給出:

式中:為修正后的中子數(shù),為原始中子數(shù),為總修正系數(shù)。

根據(jù)近地面快中子數(shù)和表層土壤含水量的關系, 區(qū)域土壤含水量估算可通過公式(6)求取:

式中:為區(qū)域土壤體積含水量(cm?cm);為土壤容重(g?cm);為水密度(g?cm); a、a、a為常數(shù), 分別為0.0808、0.372、0.115;和分別為修正后的中子數(shù)和干土條件下中子數(shù),可通過標定反推獲取, 即本研究采用的參數(shù)法。

1.3.2 宇宙線快中子法測量足跡

在水平方向上, 規(guī)定86%的快中子來源的區(qū)域即為水平測量區(qū)域, 通過基于蒙特卡羅方法的MCNP仿真, 在海平面上這個區(qū)域的直徑約670 m。由于大氣壓力對測量區(qū)域直徑的影響最為顯著, 只考慮大氣壓力影響的情況下, 可估算水平測量區(qū)域直徑:

式中:為水平測量區(qū)域直徑,為參考直徑(海平面取670 m),為參考氣壓(取標準大氣壓),為大氣壓力。

在垂直方向上, 規(guī)定86%的快中子來源的區(qū)域即為垂直測量區(qū)域, 該區(qū)域范圍和土壤含水量關系密切, 通過基于蒙特卡羅方法的MCNP仿真, 在干土條件下, 垂直測量深度為76 cm, 在飽和含水量條件下, 垂直測量深度為12 cm。Franz等提出了垂直測量區(qū)域深度估算方法, 在不考慮地表水情況下, 可對垂直測量區(qū)域深度做簡單估算:

式中:為有效測量深度(cm),為晶格水重量含水率(g?g, 晶格水占礦質(zhì)顆粒和束縛水質(zhì)量總和的比率, 晶格水為105 ℃的烘干土, 再次經(jīng)過1000 ℃烘干釋放的水),為體積含水量(cm?cm)。

1.3.3 多點人工取樣

本研究試驗區(qū)土壤含水量較高, 根據(jù)公式(8)可知, 宇宙線快中子法有效測量深度較淺, 在設計人工取樣深度時, 加密表層土壤取樣, 增強代表性。在水平方向上, 宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀100 m范圍內(nèi), 設置20個人工取樣點, 以代表該區(qū)域土壤水分。在試驗區(qū)每月逢8日多點人工取樣, 使用烘干稱重法獲取土壤含水量, 然后計算宇宙線快中子法有效測量深度內(nèi)的各層土壤含水量均值作為區(qū)域土壤含水量標準值, 與宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀的測量結果進行比對。多點人工取樣具體分為以下3個步驟:

1)取樣: 以宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀為圓心, 首先在1 m附近東西向各取1個采樣點, 其次在半徑分別為5 m、25 m和75 m的圓周上每隔60°選取一個點, 共計20個點。每個取樣點分別取5 cm、10 cm、20 cm、35 cm 共4個深度, 由淺入深, 順序取土。人工取樣點位置及取樣深度見圖1。

圖1 人工取樣位置及取樣深度示意圖Fig.1 Location and depth of artifical sampling points

2)烘干稱重: 按照烘干稱重法處理土樣, 得到80個土樣的土壤含水量值。

3)計算區(qū)域土壤含水量標準值: 計算80個土樣在宇宙線快中子法有效測量深度內(nèi)的土壤含水量的算術平均值。

2 結果與分析

2.1 與烘干稱重法測量結果對比

在試驗區(qū)的雨季(6?9月), 降水量大、降水次數(shù)多, 土壤含水量一直保持在較高水平且變化較大, 8月、9月出現(xiàn)多次大面積積水, 導致人工取樣向后順延, 具體見圖2。試驗期間, 宇宙線快中子法最小有效測量深度0～8.5 cm, 最大有效測量深度0～15.9 cm, 平均有效測量深度0～12.3 cm, 在有效測量深度內(nèi)只有5 cm、10 cm兩個土層的人工取樣結果, 故每次取樣使用5 cm和10 cm兩個深度土壤含水量的算術平均值作為區(qū)域土壤水分標準值。在整個雨季, 多點人工取樣共進行9個批次, 土壤體積含水量平均值為0.385 cm?cm, 整體表現(xiàn)為先上升后下降, 在雨季前期最低為0.318 cm?cm, 隨降雨增多, 7月21日達到0.447 cm?cm, 8月中下旬降雨密集, 出現(xiàn)積水, 導致沒有觀測到土壤水分數(shù)據(jù), 9月份降雨頻次下降, 2次人工觀測結果出現(xiàn)下降并維持較高土壤含水量水平。

圖2 宇宙線快中子法與烘干稱重法的土壤含水量測量結果對比Fig.2 Comparison between soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and drying weighing method

宇宙線快中子法土壤含水量變化趨勢與烘干稱重法一致, 在8月、9月積水期間, 測量結果達最大值0.600 cm?cm; 5月份, 測量結果最小值為0.282 cm?cm, 平均值為0.388 cm?cm。9次烘干稱重法測量結果與宇宙線快中子法測量結果的絕對誤差最大值0.027 cm?cm, 線性擬合優(yōu)度0.898, 均方根誤差0.013 cm?cm(圖3)。在土壤相對濕度超過100%的情況下, 宇宙線快中子法依然具有較高的準確性, 甚至在體積含水量達0.600 cm?cm(地面積水)時, 對土壤水分變化響應依然靈敏。

圖3 宇宙線快中子法與烘干稱重法測定的土壤含水量線性擬合Fig.3 Linear fitting between soil moisture measure by cosmicray fast neutron method and drying weighing method

2.2 與FDR法測量結果對比

比較較長時間序列上的連續(xù)測量結果, 烘干稱重法監(jiān)測頻次不能滿足要求, 需要FDR法等快速土壤水分測量方法。本試驗中, 以FDR土壤水分觀測站的測量結果代表試驗區(qū)的土壤含水量。宇宙線快中子法測量深度是從地表開始的, 需要把FDR土壤水分觀測站的測量深度統(tǒng)一到宇宙線區(qū)域土壤水分自動觀測儀的尺度上, 分別計算0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm、0～40 cm和0～50 cm之間各層的算術平均值作為對比數(shù)據(jù), 相關性分析數(shù)據(jù)如表1。

表1 宇宙線快中子法與FDR法測定的土壤含水量的相關性分析Table1 Correlation analysis of soil moisture between cosmicray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry method

在0～10 cm土層, 宇宙線快中子法測量結果與FDR法測量結果的線性擬合優(yōu)度達0.839, 呈顯著相關, 隨著測量深度增加, 宇宙線快中子法土壤含水量與FDR法土壤含水量的相關性逐漸變差, 這與各層土壤水分差異性較大以及宇宙線快中子法測量深度有關, 說明宇宙線快中子法能夠反映有效測量深度內(nèi)土壤水分變化。在0～10 cm土層, 宇宙線快中子法與FDR法均方根誤差為0.057 cm?cm, 明顯大于與烘干稱重法均方根誤差(0.013 cm?cm), 說明宇宙線快中子法大范圍土壤水分的代表性更強; 隨著測量深度增加, 與FDR法均方根誤差逐漸變小, 這跟土壤水分遷移機理有關, 深層土壤水分具有滯后性和穩(wěn)定性, 經(jīng)過平均計算后, 在數(shù)值上起到了拉平曲線的效果(圖4)。

圖4 宇宙線快中子法與FDR法土壤含水量測量結果對比Fig.4 Comparison between soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry(FDR) method

如圖4顯示, 隨著試驗區(qū)雨季土壤水分的劇烈變化, 宇宙線快中子法和FDR法的測量結果都具有相對應的變化趨勢, 能夠反映土壤水分的連續(xù)變化。從0～10 cm土層的3種方法測量結果對比來看, FDR法與烘干稱重法差距較大, 對較大面積的土壤水分代表性偏弱; 而宇宙線快中子法與烘干稱重法更為接近, 顯然對試驗區(qū)域的土壤水分代表性更強, 且具有高頻連續(xù)的監(jiān)測能力。

2.3 對土壤水分變化的響應

從6月份開始, 降雨次數(shù)及單次降水量均明顯增大, 總體呈上升趨勢, 尤其在7月14日后, 強降水導致土壤水分快速升高, 隨后頻繁降雨使土壤水分維持在較高水平上。宇宙線快中子法平均有效測量深度在0～12.3 cm, FDR法測量結果取10 cm, 宇宙線快中子法及FDR法土壤水分測量數(shù)據(jù)與降雨數(shù)據(jù)對比見圖5。降雨開始階段, 雨水下滲進入土壤, 土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)迅速上升, 降雨過程結束, 地表蒸騰以及土壤水分向深層下滲而沒有得到持續(xù)補充, 土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)逐漸下降。對于小時雨量或總雨量2 mm以上的降水過程, 宇宙線快中子法和FDR法都有明顯的響應; 對小時雨量或總雨量1 mm以上、2 mm以下的降水過程, 宇宙線快中子法響應更明顯一些; 而1 mm以下的降水過程則均沒有明顯響應。從原理上來說, 宇宙線快中子法對降雨響應要比FDR法敏感很多, 但在本試驗中, 并未觀察到特別明顯的敏感性, 這可能與試驗區(qū)表層土壤質(zhì)地疏松、晴雨天氣轉換快等有關。

圖5 宇宙線快中子法及FDR法土壤含水量測量數(shù)據(jù)趨勢分析Fig.5 Trend analysis of soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry (FDR)method

3 討論和結論

本次試驗地處云貴高原邊緣, 天氣復雜多變, 下墊面較復雜, 采用N0參數(shù)法對宇宙線快中子監(jiān)測土壤水分方法進行了適宜性研究, 和針對宇宙線快中子法在不同下墊面的應用、測量原理驗證等研究相比, 本試驗中宇宙線快中子法測量結果相較于烘干稱重法具有接近的準確性, 且在1 h的時間尺度上, 與FDR法具有一致的變化趨勢, 在對降水的響應上, 并沒有表現(xiàn)出相對FDR法更為顯著的敏感性。這一方面說明宇宙線快中子法在低緯度高原地區(qū)測量土壤水分是可信的, 另一方面也說明不同環(huán)境條件對宇宙線快中子法存在一定的影響。另外, 本次試驗時間較短, 雖然經(jīng)歷土壤水分劇烈變化的雨季, 但不能完全代表該地區(qū)的土壤水分變化特征, 且在其他高原地區(qū), 存在獨特的環(huán)境條件, 低緯度高原地區(qū)的適宜性, 在時間和廣度上尚需進一步研究、探討。

盡管如此, 本研究通過在低緯度高原區(qū)開展宇宙線快中子法與烘干稱重法及FDR法的對比觀測試驗, 發(fā)現(xiàn)與烘干稱重法相比, 即使是在高土壤含水量(土壤相對濕度100%)的情況下, 宇宙線快中子法測量結果依然準確, 絕對誤差最大0.027 cm?cm, 均方根誤差0.013 cm?cm; 與FDR法在較長時間序列上連續(xù)比較, 宇宙線快中子法與FDR法測量結果呈顯著正相關關系, 可得到以下結論:

1)在低緯度試驗區(qū), 宇宙線快中子土壤水分監(jiān)測方法的測量結果是準確可信的;

2)宇宙線快中子土壤水分監(jiān)測方法能夠反映百米級空間尺度土壤水分變化趨勢, 具有更強的區(qū)域代表性;

3)在低緯度地區(qū), 僅使用氣壓和水汽對結果進行修正的情況下, N0參數(shù)法依然具備較高的精度。

綜上, 本研究在一定程度上證明宇宙線快中子土壤水分監(jiān)測方法在低緯度高原是適用的, 可為土壤水分監(jiān)測研究提供參考, 為宇宙線快中子法土壤水分測量在我國云貴高原、青藏高原等低緯度高原的應用提供科學依據(jù), 為高原農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、衛(wèi)星遙感真實性檢驗等提供中尺度的土壤水分監(jiān)測手段。