宇宙射線快中子法在土壤水分測量中的應(yīng)用
——以陜北六道溝流域?yàn)槔?/h1>
2015-02-21 03:29:58王秋銘王勝樊軍
中國水土保持科學(xué) 2015年5期
王秋銘，王勝，樊軍,?
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊陵)
宇宙射線快中子法在土壤水分測量中的應(yīng)用
——以陜北六道溝流域?yàn)槔?/p>
王秋銘1，王勝2，樊軍1,2?
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊陵)
利用宇宙射線快中子法能夠測量半徑300 m左右源區(qū)內(nèi)的土壤水分含量，其較大的測量源區(qū)填補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)觀測和遙感大面積觀測尺度之間的空白。本文通過對比分析COSMOS土壤含水量與TDT土壤含水量，以驗(yàn)證宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)的可靠性，以期為黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的中尺度土壤水分測量提供依據(jù)。本試驗(yàn)利用國產(chǎn)宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)(COSMOS)于2014年5月21日至10月31日對位于陜北神木縣六道溝流域的坡地土壤水分進(jìn)行自動監(jiān)測，并用測量區(qū)典型點(diǎn)取樣法對其校正。同時在源區(qū)內(nèi)的試驗(yàn)小區(qū)埋設(shè)TDT探頭測量土壤含水量。結(jié)果表明：COSMOS土壤水分主要受源區(qū)內(nèi)降水的影響，對每次降水不僅能做出靈敏反應(yīng)，且反應(yīng)劇烈程度明顯受降水量的影響。COSMOS觀測數(shù)據(jù)很好地反映了源區(qū)內(nèi)坡地徑流小區(qū)土壤水分的變化趨勢。與3種土地利用方式、2個深度的TDT探頭所測得土壤含水量的平均值呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，R2=0.76，均方根誤差為0.022 cm3/cm3。COSMOS土壤含水量與0～10 cm土層含水量的相關(guān)系數(shù)均大于10～20 cm土層，從本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，COSMOS對于淺層(0～10 cm)土壤平均含水量適用性較好。TDT探頭所測得的坡耕地土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤平均含水量的相關(guān)性略差于苜蓿地和撂荒地。本研究證實(shí)了宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)能夠?yàn)槠旅娉叨韧寥浪趾蛷搅黝A(yù)測模型提供數(shù)據(jù)。
土壤含水量； 農(nóng)田尺度； COSMOS； 陜北六道溝流域
土壤水作為水資源的重要組成部分，在地表和大氣之間的物質(zhì)、能量交換和多種尺度的水分運(yùn)動過程中具有重要作用；土壤含水量是影響土壤侵蝕的重要因子，研究土壤初始含水量對防治土壤侵蝕具有重要參考意義。據(jù)研究，土壤含水量對坡地徑流產(chǎn)流過程有顯著影響，土壤初始含水量越大，起始產(chǎn)流時間越短[1]，平均入滲率越小，趨于穩(wěn)定入滲階段的時間也越短[2]，且徑流量與土壤初始含水量成正比[3]，侵蝕產(chǎn)沙量也隨著初始近地表土壤含水量增大而增大[4]；因此準(zhǔn)確及時的獲取土壤含水量極為重要。目前常用的測量土壤含水量的方法主要有稱重法(烘干法)、中子法、時域反射儀(TDR)法等[5-6]；但是這些測量方法多屬于有損的點(diǎn)測量方式，對周圍大區(qū)域的代表性較差[7]，而且會在一定程度上破壞土壤結(jié)構(gòu)[8]。利用遙感技術(shù)可以反演出大范圍內(nèi)的土壤含水量；但是遙感的空間分辨率較大[9]，且只能在飛機(jī)或衛(wèi)星過境時獲得瞬時值，無法記錄連續(xù)實(shí)時數(shù)據(jù)[5]，限制了遙感測量法的應(yīng)用。
宇宙射線中子法測量地表土壤含水量因具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)、測量范圍廣、深度較深等優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起人們的重視。國內(nèi)焦其順等[5]和賈曉俊等[8]分別于甘肅黑河流域和北京市海淀區(qū)上莊鄉(xiāng)利用COSMOS測量土壤含水量，試驗(yàn)結(jié)果良好。宇宙射線快中子法的測量半徑在300 m左右，有效測量深度為12～76 cm[10]，是一種被動、非侵入式的中尺度土壤水分測量方法。此方法是根據(jù)地表以上宇宙射線快中子強(qiáng)度與土壤含水量呈反比關(guān)系的原理，利用架設(shè)在地表上方的中子探頭測量宇宙射線快中子的強(qiáng)度，從而反演出土壤含水量[10-11]。宇宙射線快中子法能夠獲取較大面積的土壤含水量，可以對徑流產(chǎn)沙進(jìn)行預(yù)測。
利用國產(chǎn)宇宙射線探頭對陜北神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站坡地徑流小區(qū)的土壤水分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并與TDT探頭測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，以研究宇宙射線觀測結(jié)果的可靠性。
1 宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)的原理
1.1 宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)理論和方法
太空中大量的高能粒子流在地球磁場的吸引下進(jìn)入大氣層，并與大氣中的原子核碰撞產(chǎn)生次級宇宙射線，次級宇宙射線進(jìn)入土壤后與土壤中原子核發(fā)生碰撞產(chǎn)生快中子[5，12]。這些快中子與土壤中的各種原子(主要是氫原子)發(fā)生碰撞失去部分能量而被慢化成為慢中子，最后變?yōu)闊嶂凶?。部分熱中子會被土壤吸收，其余則會散射到空氣中[5，13]。碰撞后返回地表部分的快、慢中子將在地表以極快的速度達(dá)到平衡，其濃度受淺層土壤含水量影響顯著[14]。
通常，擴(kuò)散到空氣中的快中子量與土壤含水量成反比；因?yàn)榈乇硗寥篮吭酱螅袣湓泳驮蕉?，對快中子的慢化也就越快，從而在地面探測到的快中子數(shù)就越少。相對于土壤中的含水量，地表植被含水量、空氣中水分含量[15]以及土壤中晶格水[16]含量相對很小，可以忽略其影響[5,17]。快中子強(qiáng)度與土壤含水量的反比例關(guān)系是宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)測量的物理基礎(chǔ)，通過中子探測器，探測地表附近的快中子數(shù)(或慢中子數(shù))，就可以通過修正關(guān)系計算出大面積的表層土壤平均含水量[18]。由于快中子與土壤水分關(guān)系對土壤化學(xué)性質(zhì)不敏感，適合用于測量土壤含水量；而慢中子適合用于測量地表積雪深度。宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)正是基于近地面環(huán)境宇宙射線中快中子強(qiáng)度與土壤含水量成反比關(guān)系而設(shè)計的區(qū)域土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可野外連續(xù)、自動測定大面積的土壤含水量，是遙感反演土壤含水量的有效驗(yàn)證手段。
1.2 探測源區(qū)和探測深度
通常定義儀器探測到的快中子來源地區(qū)的86%為宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)測量的源區(qū)。根據(jù)中子傳輸程序MCNPX[19]模擬的結(jié)果，在海拔為0的地區(qū)，其源區(qū)半徑約為300 m[10]，模擬的結(jié)果與早期中子傳輸理論相一致[20，21]。源區(qū)大小主要受空氣的物理化學(xué)屬性的影響，而與地表的土壤水分含量無關(guān)。主要原因是中子的平均散射自由程與每m3空氣中的分子數(shù)成反比，空氣密度越大，單位體積空氣中的分子數(shù)越多，中子傳輸?shù)木嚯x就越小，源區(qū)越小，反之，源區(qū)越大。在高海拔地區(qū)，氣壓較低，測量源區(qū)會比低海拔地區(qū)大，例如3 000 m海拔地區(qū)的源區(qū)會比海平面地區(qū)的源區(qū)大25%左右[17]。通常情況下源區(qū)半徑與氣壓關(guān)系可用下式[5，22]表示：
(1)
式中：Rs,0為參考?xì)鈮簆s,0下的源區(qū)半徑(通常使用1個標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的半徑值，為300 m[22])，m；Rs為當(dāng)前氣壓ps下的半徑值，m。
Z為宇宙射線快中子法的探測深度，定義為探測器記錄的快中子的86%來源于0～Z深度的土壤中，Z與源區(qū)內(nèi)的土壤含水量呈反比。土壤中的含水量較高，則其含有的氫原子數(shù)就較多，因而能夠快速慢化和吸收土壤中的快中子，使得快中子無法繼續(xù)向下傳播。根據(jù)MCNPX的模擬結(jié)果，探測深度從12 cm(土壤濕潤，模擬含水量為0.40 m3/m3)增長到76 cm(土壤干燥，模擬含水量為0)[10]。近年來，有研究[5，14]得出反演出的宇宙射線快中子法的探測深度的計算公式
Z=5.8/(ρbd/ρw×τ+θ+0.082 9)。
(2)
式中：Z為反演出的宇宙射線快中子法的探測深度，cm[5,14]；ρbd為土壤密度，g/cm3；ρw為液體水，g/cm3；τ為晶格含水量通常比較小，約為0～0.05 g/g，計算中可忽略不計；θ為土壤體積含水量，cm3/cm3。
1.3 反演函數(shù)
由于快中子傳播過程中主要受氣壓影響，因此需要消除氣壓隨時間的變化對反演土壤含水量的影響。按照儀器說明書中提供的公式消除氣壓對測量快中子數(shù)帶來的誤差。
N=Nraw·exp{β·(p-p0)}。
(3)
式中：N為修訂正后的快中子數(shù)；Nraw為原始快中子數(shù)；β為常數(shù)，0.007 7；p為測量氣壓值，kPa；p0為當(dāng)?shù)貧鈮豪碚撝礫5]，kPa。
1.4 標(biāo)定方程
經(jīng)過氣壓校正的快中子數(shù)與土壤含水量存在非線性關(guān)系，土壤體積含水量計算公式[5,18]為
(4)
式中：N0為干燥條件下快中子數(shù)(需要根據(jù)源區(qū)實(shí)測含水量進(jìn)行標(biāo)定)，個；θ為體積含水量，cm3/cm3；a0=0.080 8，a1=0.372；a2為常數(shù)，0.115。
2 野外觀測與設(shè)備
2.1 研究區(qū)概況
試驗(yàn)于2014年5月21日—2014年10月31日在西北農(nóng)林科技大學(xué)神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行，站址位于陜西省神木縣以西14 km處的六道溝流域，試驗(yàn)區(qū)坐標(biāo)為E 110°21′41、67″，N 38°37′39.60″，海拔1 181 m。該流域面積6.9 km2，是黃土高原水蝕風(fēng)蝕帶、農(nóng)牧過渡帶、黃土沙地過渡帶，“三帶”特色極為明顯，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。氣候?yàn)橹袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，冬春季干旱少雨多風(fēng)沙，夏秋多雨，年平均氣溫8.4 ℃，活動積溫3 248.0 ℃，無霜期153 d，年太陽輻射總量5 922 MJ/m2。多年平均降水437 mm。地帶性土為黑壚土，因長期強(qiáng)烈侵蝕，已被沙黃土、新黃土、紅黏土及在沙地上發(fā)育起來的風(fēng)沙土、壩地淤土取代。植被類型為干旱草原，因?qū)嵭型烁€林(草)工程，植被覆蓋度有所增加。紫花苜蓿(Medicagosativa)、次生天然長芒草(Stipabungeana)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、蒿類(Artemisiacapillaris)等植物分布廣泛；沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganaintermedia)等灌木在該地區(qū)也有分布。
2.2 野外觀測方法
試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)的宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)采用CRP100 宇宙射線土壤水分探頭(北京普瑞博科技公司)，連接到CR800數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行間隔1 h的累積測量，其他氣象參數(shù)(空氣溫濕度，氣壓等)由自動氣象站提供。如圖1所示：紅點(diǎn)為COSMOS設(shè)備，在COSMOS設(shè)備西南方向40 m內(nèi)分布有5個14 m×5 m徑流小區(qū)，其中2個靠近COSMOS系統(tǒng)的為撂荒地，其余3個為坡耕地；東北方向35 m范圍內(nèi)分布4個徑流小區(qū)，靠近COSMOS系統(tǒng)的為撂荒地，其余3個為人工草地(紫花苜蓿)，圖中黑色圓內(nèi)即為COSMOS測量源區(qū)。每個小區(qū)內(nèi)5 cm和15 cm深度各埋設(shè)1個TDT土壤水分探頭，自動測量土壤體積含水量，探頭測量值經(jīng)烘干法校正。
圖2 宇宙射線反演土壤含水量變化Fig.2 Variation of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method
圖1 儀器架設(shè)源區(qū)示意圖Fig.1 Map showing the footprint of instrument
3 結(jié)果與分析
按照測量區(qū)典型點(diǎn)取樣方法[17]，率定后得到N0=1 250，根據(jù)N0和式(4)可以計算出5月21日至9月17日試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)土壤含水量變化，見圖2。
3.1 宇宙射線測量土壤含水量的變化特征
試驗(yàn)期間降水共計346.1 mm，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)無灌溉，土壤水分的變化近似看作由降水和蒸散引起。如圖2所示，宇宙射線反演的土壤水分主要受降水的影響而增加，對每次的降水均能做出靈敏反映，且反映劇烈程度受降水量影響明顯：5—6月降水量和降水次數(shù)較少，故土壤水分含量處于較低水平；7月份降水較多，土壤含水量處于較高水平；8月份降水次數(shù)為8次降水，但總降水量較少，為82.9 mm，平均降水量僅為10.3 mm，由于該時期該區(qū)植物進(jìn)入旺盛生長階段，土壤水分含量不斷降低至0.10 cm3/cm3，直到8月27日降水量達(dá)47 mm，土壤水分得到明顯的補(bǔ)充。
3.2 基于TDT探頭數(shù)據(jù)的驗(yàn)證
3.2.1 COSMOS數(shù)據(jù)與TDT數(shù)據(jù)的比較 每個試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)5 cm、15 cm深度均埋設(shè)TDT探頭，選取3個進(jìn)行處理，將試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)2個深度的土壤含水量算數(shù)平均值作為驗(yàn)證值。5月21日至9月17日宇宙射線土壤水分和TDT探頭平均土壤水分變化對比結(jié)果顯示，均方根誤差(XRMSE)0.022 cm3/cm3，R2為0.76，二者呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖3)，證實(shí)COSMOS可以反映這些不同處理之下的土壤平均含水量變化。
XRMSE refers to root mean square error圖3 宇宙射線反演土壤含水量與TDT土壤水分對比Fig.3 Comparison of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil water content
3.2.2 COSMOS數(shù)據(jù)與不同深度TDT數(shù)據(jù)的比較 如圖5所示，比較TDT探頭測得的3個處理和2個深度的土壤含水量與COSMOS測得的土壤含水量，可知各儀器對于土壤含水量變化的反映趨勢較一致，但存在一定差異：COSMOS土壤含水量與0～10 cm深度土壤含水量的相關(guān)系數(shù)均大于0～20 cm深度土壤含水量的相關(guān)系數(shù)。據(jù)研究，土壤含水量隨土層深度的增加在0～70 cm的深度內(nèi)呈逐漸減小的趨勢[23]；但考慮到黃土高原地區(qū)破碎地表極易導(dǎo)致土壤水分含量的空間分布不均[23]，COSMOS測得的結(jié)果是整個源區(qū)的平均土壤含水量，從本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，COSMOS測得的平均土壤含水量與靠近地表的含水量更為相符[13]。
圖4 宇宙射線反演土壤含水量與不同小區(qū)0～10 cm、10～20 cm TDT土壤水分對比Fig.4 Comparison of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil moisture of different experimental plots of 0-10 cm and 10-20 cm
3.2.3 COSMOS數(shù)據(jù)與不同土地利用類型土壤TDT數(shù)據(jù)的比較 如圖5所示，比較TDT探頭測得的3種土地利用類型0～20 cm土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤含水量得出：其相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為苜蓿地>撂荒地>坡耕地，且坡耕地土壤平均含水量為0.209 cm3/cm3，大于COSMOS測得的土壤平均含水量0.160 cm3/cm3和苜蓿地土壤平均含水量0.139 cm3/cm3、撂荒地土壤平均含水量0.151 cm3/cm3。由于使用TDT探頭為點(diǎn)測量方式，僅能代表各試驗(yàn)小區(qū)的土壤含水量，而COSMOS所測的土壤含水量為半徑為300 m的源區(qū)內(nèi)的平均土壤含水量，源區(qū)內(nèi)大部分是以人工草地和撂荒坡耕地為主的草地，土壤水分整體處于較低水平，僅存的幾個小塊試驗(yàn)小區(qū)的農(nóng)地處理土壤含水量高于周圍草地；因此，此處COSMOS反映的是源區(qū)大范圍內(nèi)以草地為主的較低的土壤平均含水量的季節(jié)變化，而對小面積農(nóng)地的土壤含水量變化代表性略差。故坡耕地土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤平均含水量的相關(guān)性略差于苜蓿地和撂荒地。
圖5 宇宙射線反演土壤含水量與不同小區(qū)0～20 cm TDT土壤水分對比Fig.5 Comparison of the soil moisture inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil moisture of different experimental plots of 0-20 cm
土壤含水量與土壤侵蝕有著緊密聯(lián)系，小流域土壤水分的準(zhǔn)確獲取可以為流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬提供參數(shù)。袁建平等[1]和孔剛等[2]的研究表明，隨著土壤初始含水量的增大，起始產(chǎn)流時間和平均入滲率均會降低，侵蝕產(chǎn)沙量也隨著初始近地表土壤含水量增大而增大[4]；故掌握土壤初始含水量可在一定程度上掌握徑流產(chǎn)沙的時間和數(shù)量。A.W.Western等[24]的試驗(yàn)通過實(shí)測值得出降雨前如果土壤含水量超過了某個值，那么就會有徑流產(chǎn)生；但是Zhang Y等[25]利用實(shí)測值率定的模型模擬的小流域土壤水分含量和徑流之間卻沒有顯著相關(guān)關(guān)系，他們將之歸因于小流域土壤含水量具有較低的空間變異性。而宇宙射線方法可以得到較大面積的土壤水分含量值，配合測量區(qū)域內(nèi)的土壤水分含量空間變異的研究，能夠進(jìn)一步理清土壤水分含量與坡面徑流之間的復(fù)雜關(guān)系。同時，較大面積土壤含水量的實(shí)時監(jiān)測也可為風(fēng)蝕預(yù)報、礦區(qū)擾動土體土壤侵蝕的預(yù)警等提供數(shù)據(jù)支持。
4 結(jié)論
試驗(yàn)采用國產(chǎn)宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)(COSMOS)進(jìn)行土壤含水量的觀測，并與TDT測量結(jié)果進(jìn)行對比，證實(shí)COSMOS能夠有效獲取中尺度樣地土壤含水量。COSMOS測量結(jié)果對每次降水均能做出靈敏反映，反映劇烈程度受降水量影響明顯；能很好地反映源區(qū)坡地徑流小區(qū)土壤水分的變化趨勢，且其與苜蓿地、撂荒地和坡耕地樣地5 cm、15 cm 2個深度TDT所測土壤平均含水量均顯著(P<0.05)線性相關(guān)。COSMOS測量結(jié)果與0～10 cm土層含水量相關(guān)性高于0～20 cm土層，表明COSMOS更適用于0～10 cm土層平均含水量監(jiān)測。該設(shè)備能夠提供面狀地面土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，可應(yīng)用于黃土高原坡面或者小流域土壤水分的連續(xù)觀測，為土壤墑情及水土流失預(yù)敬提供數(shù)據(jù)。
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(責(zé)任編輯：程 云 郭雪芳)
首屆水土保持青年(博士)學(xué)術(shù)論壇在北京召開
9月25日，“首屆水土保持青年(博士)學(xué)術(shù)論壇”在北京林業(yè)大學(xué)召開，本次論壇由中國水土保持學(xué)會主辦、北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院承辦。中國水土保持學(xué)會秘書長吳斌教授，副校級領(lǐng)導(dǎo)、水土保持學(xué)院院長王玉杰教授出席論壇并講話。
本屆論壇主題是“水土保持、荒漠化防治與生態(tài)環(huán)境建設(shè)”，來自全國20家大專院校與科研院所的60余名代表就土壤侵蝕、流域水文過程、荒漠化防治、林業(yè)生態(tài)工程等領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。本次論壇共收到論文42篇，評選出優(yōu)秀論文12篇，其中一等獎2篇，二等獎4篇，優(yōu)秀獎6篇。
論壇為水土保持青年(博士)搭建了學(xué)術(shù)交流平臺，通過交流，活躍了水土保持學(xué)術(shù)氣氛，拓展了水土保持青年的學(xué)術(shù)視野，激發(fā)了創(chuàng)新思維，可推動水土保持與荒漠化防治學(xué)科發(fā)展。
(中國水土保持學(xué)會)
Application of cosmic-ray fast neutron method to measure soil moisture:A case study of Liudaogou basin in Shaanxi
Wang Qiuming1, Wang Sheng2, Fan Jun1,2
(1.Northwest Agriculture & Forestry University College of Resources and Environment，712100, Yangling，Shaanxi, China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loss Plateau，Northwest Agriculture & Forestry University，712100，Yangling，Shaanxi, China)
As an important component of water resources, soil moisture plays a crucial role in the energy exchange between soil and atmosphere, and is also an important part of every ecosystem. The soil moisture has a significant effect on the soil erosion process; therefore, it is very momentous to obtain the soil moisture content accurately and continuously. As we all know it is very difficult to measure region-scale soil moisture but now soil moisture at a horizontal scale of around 300 m can be observed by the cosmic-ray fast neutron probe, which makes this method available to fill the gap between small scale of traditional point measurement and large scale of remote sensing measurement. We compared soil moistures form COSMOS and TDT to verify the accuracy of COSMOS and provide a method to measure the soil moisture in wind-water erosion crisscross region. In this study, the domestic cosmic-ray soil moisture observing system (COSMOS) was used to observe soil moisture of slope field in Liudaogou basin of Shaanxi Province during the period of 21 May 2014 to 31 October 2014. TDT probes were set in 5 cm and 15 cm deep in the soil of all plots. Main results are presented as follows. COSMOS soil moisture was mainly affected by precipitation and could reflect sensitivity on the precipitation. The results of the COSMOS soil moisture well reflected the variation trend of soil moisture at the field scale, and had a linear correlation with the average of the results measured by TDTs in two depths of three experimental plots. TheR2was 0.76 and the root mean square error was 0.022 cm3/cm3. We found the correlation coefficient of COSMOS soil moisture and TDT soil moisture in 0-10 cm were greater than those in 0-20 cm from the comparison between the results measured by TDT in two depths of all experimental plots and COSMOS. Based on this, we can consider that the average soil moisture measured by COSMOS was more consistent with the water content of the soil near the surface. And we found the correlation coefficient of COSMOS soil moisture and TDT soil moisture in slope land was slightly worse than alfalfa and abandoned land from the comparison between the results measured by TDT in 0-20 cm of all experimental plots and COSMOS. In conclusion, COSMOS can be used to measure and record field soil moisture during a period and provide more reliable ground data for the region-scale soil moisture and runoff prediction. It can also provide verification data for the remote sensing inversion of soil moisture. It can be applied to continuous observations of soil moisture in slopes of loess plateau and small watersheds, and provide data for soil erosion prediction.
soil moisture; field scale; COSMOS; Liudaogou basin
2015-02-02
2015-08-09
項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土坡地土壤養(yǎng)分隨地表徑流流失動力機(jī)制與模擬模型”(51239009)；國家自然科學(xué)基金“水蝕風(fēng)蝕交錯帶不同植物利用水源的差異與共存機(jī)制”(41271239)；中國科學(xué)院西部行動計劃項(xiàng)目“晉陜蒙能源基地受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建關(guān)鍵技術(shù)與示范”(KZCX2- XB3- 13)
王秋銘(1993—)，女，本科生。主要研究方向：水土保持與荒漠化防治。E-mail:2272354681@qq.com
?通信作者簡介：樊軍(1974—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤物理。E-mail:junfan@nwsuaf.edu.cn
S152.7
A
1672-3007(2015)05-0125-07
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王秋銘，王勝，樊軍,?
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊陵)
宇宙射線快中子法在土壤水分測量中的應(yīng)用
——以陜北六道溝流域?yàn)槔?/p>
王秋銘1，王勝2，樊軍1,2?
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊陵)
利用宇宙射線快中子法能夠測量半徑300 m左右源區(qū)內(nèi)的土壤水分含量，其較大的測量源區(qū)填補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)觀測和遙感大面積觀測尺度之間的空白。本文通過對比分析COSMOS土壤含水量與TDT土壤含水量，以驗(yàn)證宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)的可靠性，以期為黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯區(qū)的中尺度土壤水分測量提供依據(jù)。本試驗(yàn)利用國產(chǎn)宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)(COSMOS)于2014年5月21日至10月31日對位于陜北神木縣六道溝流域的坡地土壤水分進(jìn)行自動監(jiān)測，并用測量區(qū)典型點(diǎn)取樣法對其校正。同時在源區(qū)內(nèi)的試驗(yàn)小區(qū)埋設(shè)TDT探頭測量土壤含水量。結(jié)果表明：COSMOS土壤水分主要受源區(qū)內(nèi)降水的影響，對每次降水不僅能做出靈敏反應(yīng)，且反應(yīng)劇烈程度明顯受降水量的影響。COSMOS觀測數(shù)據(jù)很好地反映了源區(qū)內(nèi)坡地徑流小區(qū)土壤水分的變化趨勢。與3種土地利用方式、2個深度的TDT探頭所測得土壤含水量的平均值呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，R2=0.76，均方根誤差為0.022 cm3/cm3。COSMOS土壤含水量與0～10 cm土層含水量的相關(guān)系數(shù)均大于10～20 cm土層，從本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，COSMOS對于淺層(0～10 cm)土壤平均含水量適用性較好。TDT探頭所測得的坡耕地土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤平均含水量的相關(guān)性略差于苜蓿地和撂荒地。本研究證實(shí)了宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)能夠?yàn)槠旅娉叨韧寥浪趾蛷搅黝A(yù)測模型提供數(shù)據(jù)。
土壤含水量； 農(nóng)田尺度； COSMOS； 陜北六道溝流域
土壤水作為水資源的重要組成部分，在地表和大氣之間的物質(zhì)、能量交換和多種尺度的水分運(yùn)動過程中具有重要作用；土壤含水量是影響土壤侵蝕的重要因子，研究土壤初始含水量對防治土壤侵蝕具有重要參考意義。據(jù)研究，土壤含水量對坡地徑流產(chǎn)流過程有顯著影響，土壤初始含水量越大，起始產(chǎn)流時間越短[1]，平均入滲率越小，趨于穩(wěn)定入滲階段的時間也越短[2]，且徑流量與土壤初始含水量成正比[3]，侵蝕產(chǎn)沙量也隨著初始近地表土壤含水量增大而增大[4]；因此準(zhǔn)確及時的獲取土壤含水量極為重要。目前常用的測量土壤含水量的方法主要有稱重法(烘干法)、中子法、時域反射儀(TDR)法等[5-6]；但是這些測量方法多屬于有損的點(diǎn)測量方式，對周圍大區(qū)域的代表性較差[7]，而且會在一定程度上破壞土壤結(jié)構(gòu)[8]。利用遙感技術(shù)可以反演出大范圍內(nèi)的土壤含水量；但是遙感的空間分辨率較大[9]，且只能在飛機(jī)或衛(wèi)星過境時獲得瞬時值，無法記錄連續(xù)實(shí)時數(shù)據(jù)[5]，限制了遙感測量法的應(yīng)用。
宇宙射線中子法測量地表土壤含水量因具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)、測量范圍廣、深度較深等優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起人們的重視。國內(nèi)焦其順等[5]和賈曉俊等[8]分別于甘肅黑河流域和北京市海淀區(qū)上莊鄉(xiāng)利用COSMOS測量土壤含水量，試驗(yàn)結(jié)果良好。宇宙射線快中子法的測量半徑在300 m左右，有效測量深度為12～76 cm[10]，是一種被動、非侵入式的中尺度土壤水分測量方法。此方法是根據(jù)地表以上宇宙射線快中子強(qiáng)度與土壤含水量呈反比關(guān)系的原理，利用架設(shè)在地表上方的中子探頭測量宇宙射線快中子的強(qiáng)度，從而反演出土壤含水量[10-11]。宇宙射線快中子法能夠獲取較大面積的土壤含水量，可以對徑流產(chǎn)沙進(jìn)行預(yù)測。
利用國產(chǎn)宇宙射線探頭對陜北神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站坡地徑流小區(qū)的土壤水分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并與TDT探頭測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，以研究宇宙射線觀測結(jié)果的可靠性。
1 宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)的原理
1.1 宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)理論和方法
太空中大量的高能粒子流在地球磁場的吸引下進(jìn)入大氣層，并與大氣中的原子核碰撞產(chǎn)生次級宇宙射線，次級宇宙射線進(jìn)入土壤后與土壤中原子核發(fā)生碰撞產(chǎn)生快中子[5，12]。這些快中子與土壤中的各種原子(主要是氫原子)發(fā)生碰撞失去部分能量而被慢化成為慢中子，最后變?yōu)闊嶂凶?。部分熱中子會被土壤吸收，其余則會散射到空氣中[5，13]。碰撞后返回地表部分的快、慢中子將在地表以極快的速度達(dá)到平衡，其濃度受淺層土壤含水量影響顯著[14]。
通常，擴(kuò)散到空氣中的快中子量與土壤含水量成反比；因?yàn)榈乇硗寥篮吭酱螅袣湓泳驮蕉?，對快中子的慢化也就越快，從而在地面探測到的快中子數(shù)就越少。相對于土壤中的含水量，地表植被含水量、空氣中水分含量[15]以及土壤中晶格水[16]含量相對很小，可以忽略其影響[5,17]。快中子強(qiáng)度與土壤含水量的反比例關(guān)系是宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)測量的物理基礎(chǔ)，通過中子探測器，探測地表附近的快中子數(shù)(或慢中子數(shù))，就可以通過修正關(guān)系計算出大面積的表層土壤平均含水量[18]。由于快中子與土壤水分關(guān)系對土壤化學(xué)性質(zhì)不敏感，適合用于測量土壤含水量；而慢中子適合用于測量地表積雪深度。宇宙射線土壤水分探測系統(tǒng)正是基于近地面環(huán)境宇宙射線中快中子強(qiáng)度與土壤含水量成反比關(guān)系而設(shè)計的區(qū)域土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可野外連續(xù)、自動測定大面積的土壤含水量，是遙感反演土壤含水量的有效驗(yàn)證手段。
1.2 探測源區(qū)和探測深度
通常定義儀器探測到的快中子來源地區(qū)的86%為宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)測量的源區(qū)。根據(jù)中子傳輸程序MCNPX[19]模擬的結(jié)果，在海拔為0的地區(qū)，其源區(qū)半徑約為300 m[10]，模擬的結(jié)果與早期中子傳輸理論相一致[20，21]。源區(qū)大小主要受空氣的物理化學(xué)屬性的影響，而與地表的土壤水分含量無關(guān)。主要原因是中子的平均散射自由程與每m3空氣中的分子數(shù)成反比，空氣密度越大，單位體積空氣中的分子數(shù)越多，中子傳輸?shù)木嚯x就越小，源區(qū)越小，反之，源區(qū)越大。在高海拔地區(qū)，氣壓較低，測量源區(qū)會比低海拔地區(qū)大，例如3 000 m海拔地區(qū)的源區(qū)會比海平面地區(qū)的源區(qū)大25%左右[17]。通常情況下源區(qū)半徑與氣壓關(guān)系可用下式[5，22]表示：
(1)
式中：Rs,0為參考?xì)鈮簆s,0下的源區(qū)半徑(通常使用1個標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的半徑值，為300 m[22])，m；Rs為當(dāng)前氣壓ps下的半徑值，m。
Z為宇宙射線快中子法的探測深度，定義為探測器記錄的快中子的86%來源于0～Z深度的土壤中，Z與源區(qū)內(nèi)的土壤含水量呈反比。土壤中的含水量較高，則其含有的氫原子數(shù)就較多，因而能夠快速慢化和吸收土壤中的快中子，使得快中子無法繼續(xù)向下傳播。根據(jù)MCNPX的模擬結(jié)果，探測深度從12 cm(土壤濕潤，模擬含水量為0.40 m3/m3)增長到76 cm(土壤干燥，模擬含水量為0)[10]。近年來，有研究[5，14]得出反演出的宇宙射線快中子法的探測深度的計算公式
Z=5.8/(ρbd/ρw×τ+θ+0.082 9)。
(2)
式中：Z為反演出的宇宙射線快中子法的探測深度，cm[5,14]；ρbd為土壤密度，g/cm3；ρw為液體水，g/cm3；τ為晶格含水量通常比較小，約為0～0.05 g/g，計算中可忽略不計；θ為土壤體積含水量，cm3/cm3。
1.3 反演函數(shù)
由于快中子傳播過程中主要受氣壓影響，因此需要消除氣壓隨時間的變化對反演土壤含水量的影響。按照儀器說明書中提供的公式消除氣壓對測量快中子數(shù)帶來的誤差。
N=Nraw·exp{β·(p-p0)}。
(3)
式中：N為修訂正后的快中子數(shù)；Nraw為原始快中子數(shù)；β為常數(shù)，0.007 7；p為測量氣壓值，kPa；p0為當(dāng)?shù)貧鈮豪碚撝礫5]，kPa。
1.4 標(biāo)定方程
經(jīng)過氣壓校正的快中子數(shù)與土壤含水量存在非線性關(guān)系，土壤體積含水量計算公式[5,18]為
(4)
式中：N0為干燥條件下快中子數(shù)(需要根據(jù)源區(qū)實(shí)測含水量進(jìn)行標(biāo)定)，個；θ為體積含水量，cm3/cm3；a0=0.080 8，a1=0.372；a2為常數(shù)，0.115。
2 野外觀測與設(shè)備
2.1 研究區(qū)概況
試驗(yàn)于2014年5月21日—2014年10月31日在西北農(nóng)林科技大學(xué)神木侵蝕與環(huán)境試驗(yàn)站進(jìn)行，站址位于陜西省神木縣以西14 km處的六道溝流域，試驗(yàn)區(qū)坐標(biāo)為E 110°21′41、67″，N 38°37′39.60″，海拔1 181 m。該流域面積6.9 km2，是黃土高原水蝕風(fēng)蝕帶、農(nóng)牧過渡帶、黃土沙地過渡帶，“三帶”特色極為明顯，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)。氣候?yàn)橹袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，冬春季干旱少雨多風(fēng)沙，夏秋多雨，年平均氣溫8.4 ℃，活動積溫3 248.0 ℃，無霜期153 d，年太陽輻射總量5 922 MJ/m2。多年平均降水437 mm。地帶性土為黑壚土，因長期強(qiáng)烈侵蝕，已被沙黃土、新黃土、紅黏土及在沙地上發(fā)育起來的風(fēng)沙土、壩地淤土取代。植被類型為干旱草原，因?qū)嵭型烁€林(草)工程，植被覆蓋度有所增加。紫花苜蓿(Medicagosativa)、次生天然長芒草(Stipabungeana)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、蒿類(Artemisiacapillaris)等植物分布廣泛；沙柳(Salixcheilophila)、檸條(Caraganaintermedia)等灌木在該地區(qū)也有分布。
2.2 野外觀測方法
試驗(yàn)區(qū)內(nèi)布設(shè)的宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)采用CRP100 宇宙射線土壤水分探頭(北京普瑞博科技公司)，連接到CR800數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行間隔1 h的累積測量，其他氣象參數(shù)(空氣溫濕度，氣壓等)由自動氣象站提供。如圖1所示：紅點(diǎn)為COSMOS設(shè)備，在COSMOS設(shè)備西南方向40 m內(nèi)分布有5個14 m×5 m徑流小區(qū)，其中2個靠近COSMOS系統(tǒng)的為撂荒地，其余3個為坡耕地；東北方向35 m范圍內(nèi)分布4個徑流小區(qū)，靠近COSMOS系統(tǒng)的為撂荒地，其余3個為人工草地(紫花苜蓿)，圖中黑色圓內(nèi)即為COSMOS測量源區(qū)。每個小區(qū)內(nèi)5 cm和15 cm深度各埋設(shè)1個TDT土壤水分探頭，自動測量土壤體積含水量，探頭測量值經(jīng)烘干法校正。
圖2 宇宙射線反演土壤含水量變化Fig.2 Variation of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method
圖1 儀器架設(shè)源區(qū)示意圖Fig.1 Map showing the footprint of instrument
3 結(jié)果與分析
按照測量區(qū)典型點(diǎn)取樣方法[17]，率定后得到N0=1 250，根據(jù)N0和式(4)可以計算出5月21日至9月17日試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)土壤含水量變化，見圖2。
3.1 宇宙射線測量土壤含水量的變化特征
試驗(yàn)期間降水共計346.1 mm，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)無灌溉，土壤水分的變化近似看作由降水和蒸散引起。如圖2所示，宇宙射線反演的土壤水分主要受降水的影響而增加，對每次的降水均能做出靈敏反映，且反映劇烈程度受降水量影響明顯：5—6月降水量和降水次數(shù)較少，故土壤水分含量處于較低水平；7月份降水較多，土壤含水量處于較高水平；8月份降水次數(shù)為8次降水，但總降水量較少，為82.9 mm，平均降水量僅為10.3 mm，由于該時期該區(qū)植物進(jìn)入旺盛生長階段，土壤水分含量不斷降低至0.10 cm3/cm3，直到8月27日降水量達(dá)47 mm，土壤水分得到明顯的補(bǔ)充。
3.2 基于TDT探頭數(shù)據(jù)的驗(yàn)證
3.2.1 COSMOS數(shù)據(jù)與TDT數(shù)據(jù)的比較 每個試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)5 cm、15 cm深度均埋設(shè)TDT探頭，選取3個進(jìn)行處理，將試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)2個深度的土壤含水量算數(shù)平均值作為驗(yàn)證值。5月21日至9月17日宇宙射線土壤水分和TDT探頭平均土壤水分變化對比結(jié)果顯示，均方根誤差(XRMSE)0.022 cm3/cm3，R2為0.76，二者呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系(圖3)，證實(shí)COSMOS可以反映這些不同處理之下的土壤平均含水量變化。
XRMSE refers to root mean square error圖3 宇宙射線反演土壤含水量與TDT土壤水分對比Fig.3 Comparison of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil water content
3.2.2 COSMOS數(shù)據(jù)與不同深度TDT數(shù)據(jù)的比較 如圖5所示，比較TDT探頭測得的3個處理和2個深度的土壤含水量與COSMOS測得的土壤含水量，可知各儀器對于土壤含水量變化的反映趨勢較一致，但存在一定差異：COSMOS土壤含水量與0～10 cm深度土壤含水量的相關(guān)系數(shù)均大于0～20 cm深度土壤含水量的相關(guān)系數(shù)。據(jù)研究，土壤含水量隨土層深度的增加在0～70 cm的深度內(nèi)呈逐漸減小的趨勢[23]；但考慮到黃土高原地區(qū)破碎地表極易導(dǎo)致土壤水分含量的空間分布不均[23]，COSMOS測得的結(jié)果是整個源區(qū)的平均土壤含水量，從本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來看，COSMOS測得的平均土壤含水量與靠近地表的含水量更為相符[13]。
圖4 宇宙射線反演土壤含水量與不同小區(qū)0～10 cm、10～20 cm TDT土壤水分對比Fig.4 Comparison of the soil water content inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil moisture of different experimental plots of 0-10 cm and 10-20 cm
3.2.3 COSMOS數(shù)據(jù)與不同土地利用類型土壤TDT數(shù)據(jù)的比較 如圖5所示，比較TDT探頭測得的3種土地利用類型0～20 cm土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤含水量得出：其相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為苜蓿地>撂荒地>坡耕地，且坡耕地土壤平均含水量為0.209 cm3/cm3，大于COSMOS測得的土壤平均含水量0.160 cm3/cm3和苜蓿地土壤平均含水量0.139 cm3/cm3、撂荒地土壤平均含水量0.151 cm3/cm3。由于使用TDT探頭為點(diǎn)測量方式，僅能代表各試驗(yàn)小區(qū)的土壤含水量，而COSMOS所測的土壤含水量為半徑為300 m的源區(qū)內(nèi)的平均土壤含水量，源區(qū)內(nèi)大部分是以人工草地和撂荒坡耕地為主的草地，土壤水分整體處于較低水平，僅存的幾個小塊試驗(yàn)小區(qū)的農(nóng)地處理土壤含水量高于周圍草地；因此，此處COSMOS反映的是源區(qū)大范圍內(nèi)以草地為主的較低的土壤平均含水量的季節(jié)變化，而對小面積農(nóng)地的土壤含水量變化代表性略差。故坡耕地土壤平均含水量與COSMOS測得的土壤平均含水量的相關(guān)性略差于苜蓿地和撂荒地。
圖5 宇宙射線反演土壤含水量與不同小區(qū)0～20 cm TDT土壤水分對比Fig.5 Comparison of the soil moisture inverted by cosmic-ray fast neutron method and TDT soil moisture of different experimental plots of 0-20 cm
土壤含水量與土壤侵蝕有著緊密聯(lián)系，小流域土壤水分的準(zhǔn)確獲取可以為流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的模擬提供參數(shù)。袁建平等[1]和孔剛等[2]的研究表明，隨著土壤初始含水量的增大，起始產(chǎn)流時間和平均入滲率均會降低，侵蝕產(chǎn)沙量也隨著初始近地表土壤含水量增大而增大[4]；故掌握土壤初始含水量可在一定程度上掌握徑流產(chǎn)沙的時間和數(shù)量。A.W.Western等[24]的試驗(yàn)通過實(shí)測值得出降雨前如果土壤含水量超過了某個值，那么就會有徑流產(chǎn)生；但是Zhang Y等[25]利用實(shí)測值率定的模型模擬的小流域土壤水分含量和徑流之間卻沒有顯著相關(guān)關(guān)系，他們將之歸因于小流域土壤含水量具有較低的空間變異性。而宇宙射線方法可以得到較大面積的土壤水分含量值，配合測量區(qū)域內(nèi)的土壤水分含量空間變異的研究，能夠進(jìn)一步理清土壤水分含量與坡面徑流之間的復(fù)雜關(guān)系。同時，較大面積土壤含水量的實(shí)時監(jiān)測也可為風(fēng)蝕預(yù)報、礦區(qū)擾動土體土壤侵蝕的預(yù)警等提供數(shù)據(jù)支持。
4 結(jié)論
試驗(yàn)采用國產(chǎn)宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)(COSMOS)進(jìn)行土壤含水量的觀測，并與TDT測量結(jié)果進(jìn)行對比，證實(shí)COSMOS能夠有效獲取中尺度樣地土壤含水量。COSMOS測量結(jié)果對每次降水均能做出靈敏反映，反映劇烈程度受降水量影響明顯；能很好地反映源區(qū)坡地徑流小區(qū)土壤水分的變化趨勢，且其與苜蓿地、撂荒地和坡耕地樣地5 cm、15 cm 2個深度TDT所測土壤平均含水量均顯著(P<0.05)線性相關(guān)。COSMOS測量結(jié)果與0～10 cm土層含水量相關(guān)性高于0～20 cm土層，表明COSMOS更適用于0～10 cm土層平均含水量監(jiān)測。該設(shè)備能夠提供面狀地面土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，可應(yīng)用于黃土高原坡面或者小流域土壤水分的連續(xù)觀測，為土壤墑情及水土流失預(yù)敬提供數(shù)據(jù)。
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(責(zé)任編輯：程 云 郭雪芳)
首屆水土保持青年(博士)學(xué)術(shù)論壇在北京召開
9月25日，“首屆水土保持青年(博士)學(xué)術(shù)論壇”在北京林業(yè)大學(xué)召開，本次論壇由中國水土保持學(xué)會主辦、北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院承辦。中國水土保持學(xué)會秘書長吳斌教授，副校級領(lǐng)導(dǎo)、水土保持學(xué)院院長王玉杰教授出席論壇并講話。
本屆論壇主題是“水土保持、荒漠化防治與生態(tài)環(huán)境建設(shè)”，來自全國20家大專院校與科研院所的60余名代表就土壤侵蝕、流域水文過程、荒漠化防治、林業(yè)生態(tài)工程等領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流。本次論壇共收到論文42篇，評選出優(yōu)秀論文12篇，其中一等獎2篇，二等獎4篇，優(yōu)秀獎6篇。
論壇為水土保持青年(博士)搭建了學(xué)術(shù)交流平臺，通過交流，活躍了水土保持學(xué)術(shù)氣氛，拓展了水土保持青年的學(xué)術(shù)視野，激發(fā)了創(chuàng)新思維，可推動水土保持與荒漠化防治學(xué)科發(fā)展。
(中國水土保持學(xué)會)
Application of cosmic-ray fast neutron method to measure soil moisture:A case study of Liudaogou basin in Shaanxi
Wang Qiuming1, Wang Sheng2, Fan Jun1,2
(1.Northwest Agriculture & Forestry University College of Resources and Environment，712100, Yangling，Shaanxi, China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dry Land Farming on the Loss Plateau，Northwest Agriculture & Forestry University，712100，Yangling，Shaanxi, China)
As an important component of water resources, soil moisture plays a crucial role in the energy exchange between soil and atmosphere, and is also an important part of every ecosystem. The soil moisture has a significant effect on the soil erosion process; therefore, it is very momentous to obtain the soil moisture content accurately and continuously. As we all know it is very difficult to measure region-scale soil moisture but now soil moisture at a horizontal scale of around 300 m can be observed by the cosmic-ray fast neutron probe, which makes this method available to fill the gap between small scale of traditional point measurement and large scale of remote sensing measurement. We compared soil moistures form COSMOS and TDT to verify the accuracy of COSMOS and provide a method to measure the soil moisture in wind-water erosion crisscross region. In this study, the domestic cosmic-ray soil moisture observing system (COSMOS) was used to observe soil moisture of slope field in Liudaogou basin of Shaanxi Province during the period of 21 May 2014 to 31 October 2014. TDT probes were set in 5 cm and 15 cm deep in the soil of all plots. Main results are presented as follows. COSMOS soil moisture was mainly affected by precipitation and could reflect sensitivity on the precipitation. The results of the COSMOS soil moisture well reflected the variation trend of soil moisture at the field scale, and had a linear correlation with the average of the results measured by TDTs in two depths of three experimental plots. TheR2was 0.76 and the root mean square error was 0.022 cm3/cm3. We found the correlation coefficient of COSMOS soil moisture and TDT soil moisture in 0-10 cm were greater than those in 0-20 cm from the comparison between the results measured by TDT in two depths of all experimental plots and COSMOS. Based on this, we can consider that the average soil moisture measured by COSMOS was more consistent with the water content of the soil near the surface. And we found the correlation coefficient of COSMOS soil moisture and TDT soil moisture in slope land was slightly worse than alfalfa and abandoned land from the comparison between the results measured by TDT in 0-20 cm of all experimental plots and COSMOS. In conclusion, COSMOS can be used to measure and record field soil moisture during a period and provide more reliable ground data for the region-scale soil moisture and runoff prediction. It can also provide verification data for the remote sensing inversion of soil moisture. It can be applied to continuous observations of soil moisture in slopes of loess plateau and small watersheds, and provide data for soil erosion prediction.
soil moisture; field scale; COSMOS; Liudaogou basin
2015-02-02
2015-08-09
項(xiàng)目名稱：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃土坡地土壤養(yǎng)分隨地表徑流流失動力機(jī)制與模擬模型”(51239009)；國家自然科學(xué)基金“水蝕風(fēng)蝕交錯帶不同植物利用水源的差異與共存機(jī)制”(41271239)；中國科學(xué)院西部行動計劃項(xiàng)目“晉陜蒙能源基地受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建關(guān)鍵技術(shù)與示范”(KZCX2- XB3- 13)
王秋銘(1993—)，女，本科生。主要研究方向：水土保持與荒漠化防治。E-mail:2272354681@qq.com
?通信作者簡介：樊軍(1974—)，男，博士，研究員。主要研究方向：土壤物理。E-mail:junfan@nwsuaf.edu.cn
S152.7
A
1672-3007(2015)05-0125-07
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