低纬度高原宇宙线快中子土壤水分监测方法适宜性研究*

王中金, 吴 苏, 吴东丽, 张振强, 赵 杰, 李 鹏, 陈海波

(1. 中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室 郑州 450003; 2. 中国电子科技集团公司第二十七研究所郑州 450047; 3. 中国气象局气象探测中心 北京 100081)

土壤水分是全球气候系统核心变量之一, 在地表和大气水循环、能量循环中发挥着重要作用, 影响气候和天气, 决定入渗、地表蒸散发和地表径流的比例, 控制地下水补给; 还是土壤中化学、生物学、渗透和物质运输过程中的关键因素。此外, 土壤水分还是植被生长的基本物质条件, 影响植被光合作用速率和土壤微生物呼吸。因此, 土壤水分的准确测量在气象、生态、水文、农业等研究及实践中至关重要。

几十年来, 国内外研究人员对土壤水分测量做了大量工作, 研制出中子仪、时域反射法(Time Domain Reflectometry, 简称TDR)、频域反射法(Frequency Domain Reflectometry, 简称FDR)等众多单点测量传感器, 土壤水分测量的准确性和自动化水平上显著提高。但是土壤水分具有时空变异性, 以点代面的单点测量方式难免会引入误差, 从而导致对土壤水分不切实际的解释和预测。卫星遥感对大尺度的地表土壤水分测量有着先天优势, 但测量深度较浅(～5 cm), 且受时空分辨率、下垫面、天气条件等影响严重, 缺乏有效地面验证手段。空间TDR测量、探地雷达测量、电阻率层析成像测量、地面微波辐射测量等方法虽然可进行中尺度测量, 但在实践中仅限于估算表面土壤水分, 且受到土壤化学特性影响, 及植被覆盖、时空等限制, 目前还不能有效解决田间、小流域等中尺度的根区土壤水分测量。宇宙线快中子土壤水分测量方法填补了中尺度测量的空白, 早期研究认为测量范围为直径约670 m、深度为76 cm的圆柱形土柱, 随着研究深入, 发现其测量范围为半径130～240 m、深度15～83 cm的一个类陀螺形土柱, 测量半径取决于气压、空气湿度、土壤水分和植被等, 测量深度主要取决于土壤含水量, 也与植被等有关, 测深随着与传感器的距离呈指数减小。该方法还具有非接触、穿透能力强、不受土壤水相态限制、对土壤质地、盐度等理化因素不敏感、可连续测量等优点, 是有效可行的中尺度土壤水分测量手段。

宇宙线快中子法土壤水分测量基于土壤水分与近地面快中子强度呈负相关的物理原理, 通过测量近地面快中子强度来反演土壤水分。得到广泛应用的反演方法是N0参数法, 后来逐步成为了多数研究中使用的标准方法。虽然N0参数法已得到广泛应用, 但在低海拔、低纬度、潮湿等条件下, 由于低中子计数率, 无法对土壤水分做出准确估算。相关应用研究大多集中在反演方法改进、多种干扰因素的修正、不同下垫面适应性等方面, 获得了较好效果。在低纬度高原区也存在土壤水分观测需求, 相关应用研究相对较少, 在实际应用中存在不确定性, 宇宙线快中子法的监测条件适应性和应用环境广泛性还需进一步探讨。

我国云贵高原、青藏高原等低纬度高原, 土地资源开发利用不充分、不合理, 水土流失、土壤侵蚀、水质恶化、面源污染等问题突出, 土地退化和石漠化荒漠化严重。立足本地优势植被、特色作物及耕地战略, 合理开发利用土地资源, 实现区内粮食(基本)自给, 防止并治理土地退化和土地荒漠化, 对当地的社会经济可持续发展具有重要的现实意义和战略意义。土地资源的合理利用、生态治理离不开核心要素−土壤水。土壤是由气、液、固三相物质构成的复杂系统, 质地空间变异性大, 土壤水分迁移机理复杂, 目前土壤水分监测方法均存在一定的局限性。从原理上讲, 宇宙线快中子法利用了来自周围各方向的快中子构成了近地面快中子云, 且对含氢物质最为敏感, 测量结果能够反映周围百米级范围的土壤水分变化, 有效解决空间变异的问题, 为中尺度土壤水分测量、卫星遥感反演土壤水分提供支持。同时, 在土壤冻结期依然可以监测土壤水分(固相或固液混合), 也可有效解决土壤盐度等特性造成的介电常数法失效问题, 其非接触监测方式, 有利于解决土壤龟裂、破坏土壤结构、农事活动等工程问题, 是土壤水分测量方法的有效补充。本研究在低纬度高原试验区, 开展了宇宙线快中子法与烘干称重法及FDR法对比观测试验, 在只有基本修正要素的条件下, 采用N0参数法反演土壤含水量, 以烘干称重法为标准, 结合FDR法, 分析技术可行性和结果准确性, 探究该方法在低纬度高原的适宜性, 为宇宙线快中子法在低纬度高原区的研究与应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区在云南省大理市, 地处横断山脉南端, 金沙江、元江和澜沧江三大水系分水岭地段, 位于滇东高原和滇西峡谷的交接地带, 地势西北高、东南低, 地形复杂多变, 高原、山地、盆地、湖泊、河流、丘陵相间分布。试验区(25°42′14″N, 100°10′34″E)地处孟加拉湾西南季风带的迎风区, 属北亚热带低纬高原季风气候类型, 其特点是干湿季分明, 雨量丰沛, 无霜期长, 日照充足, 大气透明度好, 光能资源丰富。常年日照2332 h, 常年平均气温15.8 ℃, 常年平均降雨量836 mm。

试验时间为2020年5−9月, 试验地海拔1978 m, 地带性土壤为砂壤土, 平均土壤容重1.18 g∙cm, 平均田间持水量35.4%, 周边植被普遍为水稻()和蚕豆(), 试验区约含93%的田地, 5%的小型果木, 2%的建筑及道路。

1.2 试验设计

试验区中心偏西20 m处设置有6 m×6 m的观测场, 用于安装宇宙线区域土壤水分自动观测仪、FDR土壤水分观测站、翻斗式自动雨量站。观测场周围选取20个人工取样点, 用于人工取土, 具体方法见1.3.3。

2019年11月起, 河南中原光电测控技术有限公司生产的宇宙线区域土壤水分自动观测仪(型号为ZY1700)在试验区观测场东南角安装、运行, 用于监测宇宙线快中子法土壤含水量。该设备具备快中子、大气压力、空气温度、空气湿度、雨量、单点土壤水分、总辐射、风等多种要素的监测能力, 数据经过质量控制、数值修正、滑动平均等操作后, 和原始数据一起实时远程传输到后台, 传输频率设置为1次∙h。

同期, 在宇宙线区域土壤水分自动观测仪西约2 m处, 安装翻斗式自动雨量站、FDR土壤水分观测站, 传输频率与宇宙线区域土壤水分自动观测仪传输间隔保持同步, 均设置为1次∙h。FDR土壤水分观测站的传感器为插管式探测器, 共5层传感器探头, 间隔10 cm, 埋深分别为10 cm、20 cm、30 cm、40 cm和50 cm。

试验区雨季降水丰富, 土壤含水量变化较大, 对比效果明显, 对观测试验有利。因此, 选择5−9月作为取样时间, 每月逢8日进行多点人工取样, 再计算宇宙线快中子法测深以上的烘干称重法土壤含水量平均值作为对比和校准的标准值。

1.3 研究方法

1.3.1 宇宙线快中子法土壤含水量反演

对快中子计数有较大影响的干扰因素主要有太阳活动、大气压力、水汽等, 需通过相应的修正系数对测量的快中子数进行修正, 以减小测量误差。

太阳活动等引起的宇宙线变化, 由于变化缓慢, 可通过地面宇宙线中子监测站(如瑞士少女峰观测站)的数据进行修正。修正系数可通过公式(1)计算:

式中:为中子强度修正系数;为中子强度;为参考中子强度, 可取值校准时的中子强度。

气压修正系数可通过公式(2)计算:

式中:为气压修正系数;为大气压力;为参考大气压力, 可取值校准时的大气压力;为高能中子质量衰减长度, 随纬度的升高而降低, 为128～142 g·cm, 根据本试验地纬度,取值138 g·cm。

水汽修正系数可通过公式(3)计算:

式中:为水汽修正系数;为地表大气绝对湿度;为地表大气参考绝对湿度, 可取值校准时的大气绝对湿度。

中子强度的总修正系数()可通过公式(4)计算:

修正后的中子数, 可由公式(5)给出:

式中:为修正后的中子数,为原始中子数,为总修正系数。

根据近地面快中子数和表层土壤含水量的关系, 区域土壤含水量估算可通过公式(6)求取:

式中:为区域土壤体积含水量(cm∙cm);为土壤容重(g∙cm);为水密度(g∙cm); a、a、a为常数, 分别为0.0808、0.372、0.115;和分别为修正后的中子数和干土条件下中子数,可通过标定反推获取, 即本研究采用的参数法。

1.3.2 宇宙线快中子法测量足迹

在水平方向上, 规定86%的快中子来源的区域即为水平测量区域, 通过基于蒙特卡罗方法的MCNP仿真, 在海平面上这个区域的直径约670 m。由于大气压力对测量区域直径的影响最为显著, 只考虑大气压力影响的情况下, 可估算水平测量区域直径:

式中:为水平测量区域直径,为参考直径(海平面取670 m),为参考气压(取标准大气压),为大气压力。

在垂直方向上, 规定86%的快中子来源的区域即为垂直测量区域, 该区域范围和土壤含水量关系密切, 通过基于蒙特卡罗方法的MCNP仿真, 在干土条件下, 垂直测量深度为76 cm, 在饱和含水量条件下, 垂直测量深度为12 cm。Franz等提出了垂直测量区域深度估算方法, 在不考虑地表水情况下, 可对垂直测量区域深度做简单估算:

式中:为有效测量深度(cm),为晶格水重量含水率(g∙g, 晶格水占矿质颗粒和束缚水质量总和的比率, 晶格水为105 ℃的烘干土, 再次经过1000 ℃烘干释放的水),为体积含水量(cm∙cm)。

1.3.3 多点人工取样

本研究试验区土壤含水量较高, 根据公式(8)可知, 宇宙线快中子法有效测量深度较浅, 在设计人工取样深度时, 加密表层土壤取样, 增强代表性。在水平方向上, 宇宙线区域土壤水分自动观测仪100 m范围内, 设置20个人工取样点, 以代表该区域土壤水分。在试验区每月逢8日多点人工取样, 使用烘干称重法获取土壤含水量, 然后计算宇宙线快中子法有效测量深度内的各层土壤含水量均值作为区域土壤含水量标准值, 与宇宙线区域土壤水分自动观测仪的测量结果进行比对。多点人工取样具体分为以下3个步骤:

1)取样: 以宇宙线区域土壤水分自动观测仪为圆心, 首先在1 m附近东西向各取1个采样点, 其次在半径分别为5 m、25 m和75 m的圆周上每隔60°选取一个点, 共计20个点。每个取样点分别取5 cm、10 cm、20 cm、35 cm 共4个深度, 由浅入深, 顺序取土。人工取样点位置及取样深度见图1。

图1 人工取样位置及取样深度示意图Fig.1 Location and depth of artifical sampling points

2)烘干称重: 按照烘干称重法处理土样, 得到80个土样的土壤含水量值。

3)计算区域土壤含水量标准值: 计算80个土样在宇宙线快中子法有效测量深度内的土壤含水量的算术平均值。

2 结果与分析

2.1 与烘干称重法测量结果对比

在试验区的雨季(6−9月), 降水量大、降水次数多, 土壤含水量一直保持在较高水平且变化较大, 8月、9月出现多次大面积积水, 导致人工取样向后顺延, 具体见图2。试验期间, 宇宙线快中子法最小有效测量深度0～8.5 cm, 最大有效测量深度0～15.9 cm, 平均有效测量深度0～12.3 cm, 在有效测量深度内只有5 cm、10 cm两个土层的人工取样结果, 故每次取样使用5 cm和10 cm两个深度土壤含水量的算术平均值作为区域土壤水分标准值。在整个雨季, 多点人工取样共进行9个批次, 土壤体积含水量平均值为0.385 cm∙cm, 整体表现为先上升后下降, 在雨季前期最低为0.318 cm∙cm, 随降雨增多, 7月21日达到0.447 cm∙cm, 8月中下旬降雨密集, 出现积水, 导致没有观测到土壤水分数据, 9月份降雨频次下降, 2次人工观测结果出现下降并维持较高土壤含水量水平。

图2 宇宙线快中子法与烘干称重法的土壤含水量测量结果对比Fig.2 Comparison between soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and drying weighing method

宇宙线快中子法土壤含水量变化趋势与烘干称重法一致, 在8月、9月积水期间, 测量结果达最大值0.600 cm∙cm; 5月份, 测量结果最小值为0.282 cm∙cm, 平均值为0.388 cm∙cm。9次烘干称重法测量结果与宇宙线快中子法测量结果的绝对误差最大值0.027 cm∙cm, 线性拟合优度0.898, 均方根误差0.013 cm∙cm(图3)。在土壤相对湿度超过100%的情况下, 宇宙线快中子法依然具有较高的准确性, 甚至在体积含水量达0.600 cm∙cm(地面积水)时, 对土壤水分变化响应依然灵敏。

图3 宇宙线快中子法与烘干称重法测定的土壤含水量线性拟合Fig.3 Linear fitting between soil moisture measure by cosmicray fast neutron method and drying weighing method

2.2 与FDR法测量结果对比

比较较长时间序列上的连续测量结果, 烘干称重法监测频次不能满足要求, 需要FDR法等快速土壤水分测量方法。本试验中, 以FDR土壤水分观测站的测量结果代表试验区的土壤含水量。宇宙线快中子法测量深度是从地表开始的, 需要把FDR土壤水分观测站的测量深度统一到宇宙线区域土壤水分自动观测仪的尺度上, 分别计算0～10 cm、0～20 cm、0～30 cm、0～40 cm和0～50 cm之间各层的算术平均值作为对比数据, 相关性分析数据如表1。

表1 宇宙线快中子法与FDR法测定的土壤含水量的相关性分析Table1 Correlation analysis of soil moisture between cosmicray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry method

在0～10 cm土层, 宇宙线快中子法测量结果与FDR法测量结果的线性拟合优度达0.839, 呈显著相关, 随着测量深度增加, 宇宙线快中子法土壤含水量与FDR法土壤含水量的相关性逐渐变差, 这与各层土壤水分差异性较大以及宇宙线快中子法测量深度有关, 说明宇宙线快中子法能够反映有效测量深度内土壤水分变化。在0～10 cm土层, 宇宙线快中子法与FDR法均方根误差为0.057 cm∙cm, 明显大于与烘干称重法均方根误差(0.013 cm∙cm), 说明宇宙线快中子法大范围土壤水分的代表性更强; 随着测量深度增加, 与FDR法均方根误差逐渐变小, 这跟土壤水分迁移机理有关, 深层土壤水分具有滞后性和稳定性, 经过平均计算后, 在数值上起到了拉平曲线的效果(图4)。

图4 宇宙线快中子法与FDR法土壤含水量测量结果对比Fig.4 Comparison between soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry(FDR) method

如图4显示, 随着试验区雨季土壤水分的剧烈变化, 宇宙线快中子法和FDR法的测量结果都具有相对应的变化趋势, 能够反映土壤水分的连续变化。从0～10 cm土层的3种方法测量结果对比来看, FDR法与烘干称重法差距较大, 对较大面积的土壤水分代表性偏弱; 而宇宙线快中子法与烘干称重法更为接近, 显然对试验区域的土壤水分代表性更强, 且具有高频连续的监测能力。

2.3 对土壤水分变化的响应

从6月份开始, 降雨次数及单次降水量均明显增大, 总体呈上升趋势, 尤其在7月14日后, 强降水导致土壤水分快速升高, 随后频繁降雨使土壤水分维持在较高水平上。宇宙线快中子法平均有效测量深度在0～12.3 cm, FDR法测量结果取10 cm, 宇宙线快中子法及FDR法土壤水分测量数据与降雨数据对比见图5。降雨开始阶段, 雨水下渗进入土壤, 土壤水分监测数据迅速上升, 降雨过程结束, 地表蒸腾以及土壤水分向深层下渗而没有得到持续补充, 土壤水分监测数据逐渐下降。对于小时雨量或总雨量2 mm以上的降水过程, 宇宙线快中子法和FDR法都有明显的响应; 对小时雨量或总雨量1 mm以上、2 mm以下的降水过程, 宇宙线快中子法响应更明显一些; 而1 mm以下的降水过程则均没有明显响应。从原理上来说, 宇宙线快中子法对降雨响应要比FDR法敏感很多, 但在本试验中, 并未观察到特别明显的敏感性, 这可能与试验区表层土壤质地疏松、晴雨天气转换快等有关。

图5 宇宙线快中子法及FDR法土壤含水量测量数据趋势分析Fig.5 Trend analysis of soil moisture measured by cosmic-ray fast neutron method and Frequency Domain Reflectometry (FDR)method

3 讨论和结论

本次试验地处云贵高原边缘, 天气复杂多变, 下垫面较复杂, 采用N0参数法对宇宙线快中子监测土壤水分方法进行了适宜性研究, 和针对宇宙线快中子法在不同下垫面的应用、测量原理验证等研究相比, 本试验中宇宙线快中子法测量结果相较于烘干称重法具有接近的准确性, 且在1 h的时间尺度上, 与FDR法具有一致的变化趋势, 在对降水的响应上, 并没有表现出相对FDR法更为显著的敏感性。这一方面说明宇宙线快中子法在低纬度高原地区测量土壤水分是可信的, 另一方面也说明不同环境条件对宇宙线快中子法存在一定的影响。另外, 本次试验时间较短, 虽然经历土壤水分剧烈变化的雨季, 但不能完全代表该地区的土壤水分变化特征, 且在其他高原地区, 存在独特的环境条件, 低纬度高原地区的适宜性, 在时间和广度上尚需进一步研究、探讨。

尽管如此, 本研究通过在低纬度高原区开展宇宙线快中子法与烘干称重法及FDR法的对比观测试验, 发现与烘干称重法相比, 即使是在高土壤含水量(土壤相对湿度100%)的情况下, 宇宙线快中子法测量结果依然准确, 绝对误差最大0.027 cm∙cm, 均方根误差0.013 cm∙cm; 与FDR法在较长时间序列上连续比较, 宇宙线快中子法与FDR法测量结果呈显著正相关关系, 可得到以下结论:

1)在低纬度试验区, 宇宙线快中子土壤水分监测方法的测量结果是准确可信的;

2)宇宙线快中子土壤水分监测方法能够反映百米级空间尺度土壤水分变化趋势, 具有更强的区域代表性;

3)在低纬度地区, 仅使用气压和水汽对结果进行修正的情况下, N0参数法依然具备较高的精度。

综上, 本研究在一定程度上证明宇宙线快中子土壤水分监测方法在低纬度高原是适用的, 可为土壤水分监测研究提供参考, 为宇宙线快中子法土壤水分测量在我国云贵高原、青藏高原等低纬度高原的应用提供科学依据, 为高原农业、生态环境、卫星遥感真实性检验等提供中尺度的土壤水分监测手段。