蔡靜雅，龐治國(guó)，譚亞男

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部 防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

宇宙射線中子法在荒漠草原土壤水測(cè)量中的應(yīng)用

蔡靜雅1，2，龐治國(guó)1，2，譚亞男1

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部 防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038）

選擇典型荒漠草原為研究區(qū)，開展了宇宙射線中子法在其土壤含水量監(jiān)測(cè)中的適用性分析研究。利用宇宙射線中子傳感器（CRS）對(duì)典型荒漠草原土壤含水量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與時(shí)域反射儀（TDR）測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，分析了二者測(cè)量結(jié)果的一致性，并對(duì)比兩種土壤水測(cè)量方法對(duì)降雨響應(yīng)的靈敏度。結(jié)果顯示，CRS與TDR測(cè)量結(jié)果的一致性較高；TDR對(duì)降雨事件的反應(yīng)不夠靈敏，而CRS不僅能夠快速對(duì)降雨做出響應(yīng)，而且能夠清晰顯示出不同降雨量條件下土壤含水量的不同變幅。因此，宇宙射線中子法可以較準(zhǔn)確地測(cè)量荒漠草原的土壤含水量及其動(dòng)態(tài)變化，能夠?yàn)樾竽凉芾頉Q策提供依據(jù)。

土壤含水量；CRS；TDR；降雨

1 研究背景

測(cè)量土壤含水量的常用方法分為點(diǎn)測(cè)量法和面測(cè)量法兩類。點(diǎn)測(cè)量法包括烘干稱重法、介電特性法、駐波率法、中子法和張力計(jì)法等。點(diǎn)測(cè)量法普遍具有較高的精度，但點(diǎn)測(cè)量的空間代表性差，只適宜小尺度土壤含水量的測(cè)量。面測(cè)量法目前主要是采用遙感手段反演土壤含水量，遙感以其多源、多時(shí)相、多極化以及快速、經(jīng)濟(jì)［1］等優(yōu)勢(shì)為土壤含水量在大范圍空間尺度上的獲取提供了可能，但是遙感手段一般只能反演土壤表層的含水量情況［2］，而且受土壤質(zhì)地、容重、植被覆蓋和地表坡度等多種因素的影響。

宇宙射線中子法通過測(cè)量近地面快中子的強(qiáng)度來計(jì)算一定區(qū)域內(nèi)的平均土壤含水量，其測(cè)量范圍介于點(diǎn)測(cè)量法和遙感法之間，填補(bǔ)了土壤含水量測(cè)量尺度上的缺口。該方法可以對(duì)土壤水分進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，不會(huì)對(duì)土壤形成人為破壞，同時(shí)也可為土壤水遙感反演結(jié)果提供像元尺度上的有效驗(yàn)證手段，因此近年已廣泛應(yīng)用于土壤水測(cè)量、干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)灌溉指導(dǎo)、坡面穩(wěn)定性分析、數(shù)值預(yù)報(bào)等領(lǐng)域。Chrisman等人［3］利用宇宙射線探測(cè)車?yán)L制土壤水分含量圖，以校準(zhǔn)驗(yàn)證土壤水的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Almeida等［4］將快中子數(shù)、電容探針網(wǎng)絡(luò)測(cè)得的土壤水和多重自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（m-ANFIS）結(jié)合起來，對(duì)濕潤(rùn)期的表層土壤水進(jìn)行了可靠估計(jì)。Baroni等［5］針對(duì)中子數(shù)的修正問題，利用一種擴(kuò)展方法直接估計(jì)土壤含水量，而不需要對(duì)每一種時(shí)變氫源的影響一一進(jìn)行修正。Han Xu-jun［6］、Zhu Zhong-li［7］等將該方法應(yīng)用于我國(guó)黑河流域異質(zhì)的灌溉農(nóng)田中，證實(shí)宇宙射線法可以測(cè)量面尺度上的真實(shí)土壤含水量。由于快中子數(shù)受氣壓、空氣水汽、地表及地下生物量、枯枝落葉層、植物截流、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤礦物質(zhì)中的晶格水［5］等許多因素的影響，而且對(duì)大多數(shù)影響因素的研究都尚未成熟，使中子數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量受到一定程度的干擾，給宇宙射線法的迅速推廣造成阻力。

本文選擇典型的荒漠草原地區(qū)，利用宇宙射線中子傳感器（the Cosmic-Ray Sensing probe，CRS）對(duì)其土壤水分含量進(jìn)行近4個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，通過對(duì)研究區(qū)快中子強(qiáng)度主要影響因子（氣壓和空氣水汽）的修正，分析CRS土壤水測(cè)量結(jié)果與基于介電特性法的時(shí)域反射儀（TDR）測(cè)量結(jié)果的一致性，并比較兩者對(duì)降雨響應(yīng)的靈敏性，以研究該方法在我國(guó)草原地區(qū)的適用性，為草原畜牧管理提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所基地內(nèi)，行政隸屬于內(nèi)蒙古包頭市達(dá)茂旗希拉穆仁鎮(zhèn)，屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的烏蘭察布荒漠草原區(qū)，地理位置北緯41°22′，東經(jīng)111°12′，占地面積150 ha。地貌屬于陰山北麓低緩起伏丘陵，總體地勢(shì)北高南低，東西兩側(cè)高，中間低，最高海拔1 690.3 m，最低海拔1 585.0 m。該地區(qū)為中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量284 mm，多年平均蒸發(fā)量2 305 mm，年平均氣溫2.5℃，多年平均風(fēng)速4.5 m/s。植被分布均勻，建群種為克氏針茅，優(yōu)勢(shì)種為羊草。研究區(qū)基本不受牲畜飼草及人類活動(dòng)的影響，下墊面條件比較均一，為宇宙射線中子法在荒漠草原土壤水測(cè)量的適用性研究提供了有利的環(huán)境條件。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 測(cè)量范圍CRS測(cè)量的水平范圍是水平方向探測(cè)到的86%的快中子的發(fā)射范圍［8］，是以CRS為中心的圓形區(qū)域。該范圍不受土壤含水量的影響，但與氣壓成反比［9］。其半徑與氣壓的關(guān)系［10］為：

式中：R0為參考?xì)鈮合翽0的半徑（采用標(biāo)準(zhǔn)氣壓1 013.25 hPa下的半徑為300 m［11］）；R為實(shí)際氣壓P下的半徑。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)自動(dòng)氣象站的氣壓數(shù)據(jù)，多年平均氣壓約為840 hPa，由此可得測(cè)量半徑約為360 m。

垂直范圍是垂直方向探測(cè)到的86%的快中子的發(fā)射范圍，是從地面到地下一定深度（12～70 cm）的圓柱形土層，有效測(cè)量深度與土壤含水量有關(guān)［8］。測(cè)量深度采用目前較為常用的是Franz［12-13］等人的計(jì)算方法：

式中：Z為有效測(cè)量深度（cm）；ρb為土壤容重（g/cm3）；ρw為液態(tài)水的密度，默認(rèn)為1 g/cm3；τ為晶格水占礦質(zhì)顆粒和束縛水質(zhì)量總和的比例，因其比較?。?～0.05［10］），本文忽略該項(xiàng)；θm為土壤質(zhì)量含水量（kg/kg）。

本文在CRS水平測(cè)量范圍內(nèi)布設(shè)25個(gè)點(diǎn)（圖1），多次采集土樣，烘干稱重計(jì)算平均土壤含水量（多點(diǎn)多層算術(shù)平均）和土壤容重。經(jīng)計(jì)算，荒漠草原區(qū)宇宙射線中子法的測(cè)量深度約為26 cm。

3.2 數(shù)據(jù)獲取2014年8月1日—11月19日，利用CRS1000B型宇宙射線中子傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)研究區(qū)的土壤水分，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為1次/h，與TDR的監(jiān)測(cè)頻率保持一致。

圖1 CRS、TDR和烘干法采樣點(diǎn)的布設(shè)

根據(jù)CRS的測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)4個(gè)TDR采樣點(diǎn)（圖1，點(diǎn)A—D），并分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 3個(gè)土層分別安置土壤水分探針。同樣以多點(diǎn)多層的算術(shù)平均值作為TDR測(cè)得的平均土壤含水量，根據(jù)式（3），將其轉(zhuǎn)換為質(zhì)量含水量，與CRS保持一致。

式中：θv為體積含水量（cm3/cm3）。

同時(shí)，利用自動(dòng)氣象站的雨量傳感器進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)，以研究CRS與TDR所得土壤水對(duì)降雨響應(yīng)的靈敏程度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

3.3.1 數(shù)據(jù)篩選 反演土壤含水量之前要對(duì)CRS測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，剔除傳感器非正常工作時(shí)取得的數(shù)據(jù)。正常工作條件下的數(shù)據(jù)應(yīng)該滿足：數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為1 h；相鄰兩時(shí)刻的中子數(shù)變幅不超過20%；傳感器內(nèi)部的相對(duì)濕度低于80%；電池電壓高于11.8 V。

3.3.2 快中子數(shù)修正 這里主要分析氣壓和空氣水汽這兩個(gè)最為顯著的影響因素。

（1）氣壓的影響與修正。某地的氣壓越高，表明其上空空氣柱的質(zhì)量越大，大氣粒子越多，產(chǎn)生的快中子與大氣中的核子碰撞而被慢化的概率就越大，到達(dá)地面的快中子減少，從而導(dǎo)致在相同的土壤含水量條件下，CRS監(jiān)測(cè)到的快中子變少。因此，氣壓會(huì)影響宇宙射線中子法測(cè)量土壤水的準(zhǔn)確度。通過氣壓修正系數(shù)可修正其影響，可表示為：

式中：fP為氣壓修正系數(shù)；P0試驗(yàn)期內(nèi)的平均氣壓；L為高能中子的質(zhì)量衰減長(zhǎng)度，在高緯度地區(qū)約為128 g/cm2，低緯度地區(qū)約為142g/cm2，期間呈漸進(jìn)變化。

（2）空氣水汽的影響與修正。Rosolem等［14］通過MCNPX模型試驗(yàn)證實(shí)，空氣水汽對(duì)近地面快中子數(shù)的影響最大可達(dá)12%，引起土壤水0.1m3/m3的誤差。他提出利用水汽修正系數(shù)進(jìn)行修正，即：

式中：CWV為水汽修正系數(shù)；ρ為實(shí)際水汽密度（g/m3）；ρ0為參考條件下地表的絕對(duì)水汽密度，一般可取0。

綜上所述，經(jīng)過氣壓和水汽修正的快中子數(shù)為：

式中：N為修正后的快中子數(shù)；Nraw為傳感器測(cè)量到的快中子數(shù)。

3.3.3 土壤含水量計(jì)算 Desilets等［15］利用MCNPX模型模擬中子運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)軌道，建立了快中子數(shù)與土壤含水量的函數(shù)關(guān)系：

式中：θm（N）為快中子數(shù)為N時(shí)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量含水量（kg/kg）；α0、α1、α2為系數(shù)，在土壤含水量大于0.02 kg/kg條件下（一般土壤都滿足），α0=0.0808，α1=0.372，α2=0.115；N0為同一源區(qū)、土壤不含水時(shí)的快中子數(shù)，本文利用試驗(yàn)期內(nèi)快中子數(shù)修正后的平均值和烘干法所得土壤含水量帶入式（7）計(jì)算得到。

4 CRS、TDR測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

圖2 試驗(yàn)期內(nèi)CRS與土壤含水量比較

4.1 一致性兩種方法所得每小時(shí)的土壤含水量隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。由圖2可見，CRS與TDR土壤水計(jì)算結(jié)果較為一致，CRS計(jì)算得到的土壤含水量分布在0.05～0.25 kg/kg以內(nèi)，試驗(yàn)期土壤水的平均值為0.11 kg/kg，TDR測(cè)得土壤水的范圍為0.06～0.16 kg/kg，平均值為0.10 kg/kg。除了9月12—19日兩種方法數(shù)據(jù)差別過大（期間，最大差距超過0.05 kg/kg，最小差也大于0.02 kg/kg）以外，試驗(yàn)期內(nèi)CRS與TDR測(cè)量結(jié)果的一致性較高，絕對(duì)誤差小于0.01 kg/kg和相對(duì)誤差小于10%的數(shù)據(jù)組均占55.45%，并且相對(duì)誤差大于20%的數(shù)據(jù)組僅占11.88%，擬合優(yōu)度R2高達(dá)0.80（圖3），均方根誤差RMSE為0.0135 kg/kg。因此，CRS與TDR對(duì)土壤水長(zhǎng)期測(cè)量結(jié)果的一致性比較高，可以滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求。

圖3 試驗(yàn)期（除了9月12日-19日）內(nèi)CRS與TDR每日平均土壤含水量比較

4.2 對(duì)降雨響應(yīng)的靈敏性結(jié)合自動(dòng)氣象站雨量傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，比較CRS、TDR兩種方法土壤水測(cè)量結(jié)果對(duì)降雨事件響應(yīng)的靈敏程度（圖4）。從圖4可見，試驗(yàn)期間共有30多場(chǎng)降雨，TDR數(shù)據(jù)僅對(duì)降雨量最大的3場(chǎng)降雨（8月2日和9月18日的每小時(shí)最大降雨量分別高達(dá)8.03 mm和6.13 mm，9月23日連續(xù)3小時(shí)降雨量均在1mm/h左右）有所反應(yīng)，土壤含水量大約有0.01～0.02 kg/kg的增幅，對(duì)于其它相對(duì)較小的降雨，土壤水都沒有明顯變化。而CRS數(shù)據(jù)對(duì)每次降雨都具有一定的響應(yīng)能力，且反應(yīng)與降雨過程基本同步，即一旦發(fā)生降雨，土壤含水量隨之增大，響應(yīng)時(shí)間滯后約1 h。對(duì)于不同的降雨量，CRS土壤水測(cè)量結(jié)果相應(yīng)呈正相關(guān)變化。由此可以得出結(jié)論，TDR對(duì)降雨事件的反應(yīng)不夠靈敏，CRS對(duì)降雨感應(yīng)非常靈敏，且對(duì)不同程度的降雨都能夠捕捉到土壤含水量的相應(yīng)變化。

圖4 CRS、TDR測(cè)量結(jié)果對(duì)降雨的響應(yīng)

5 結(jié)論與討論

本文利用宇宙射線中子傳感器（CRS）開展了典型荒漠草原地區(qū)土壤含水量監(jiān)測(cè)的應(yīng)用分析研究。研究結(jié)果表明，經(jīng)過氣壓和空氣水汽修正的CRS土壤含水量與TDR土壤水測(cè)量結(jié)果比較一致，二者擬合優(yōu)度R2達(dá)到0.80，均方根誤差RMSE為0.0135 kg/kg；在對(duì)降雨響應(yīng)的靈敏度方面，TDR只能對(duì)較大降雨引起的含水量增加做出反應(yīng)，對(duì)小降雨事件所引起的土壤含水量變化的響應(yīng)不夠靈敏；CRS對(duì)降雨的響應(yīng)則具有非常高的靈敏度，并且其測(cè)量結(jié)果能夠清晰反映出不同降雨量所引起的土壤水增幅。因此，宇宙射線中子法可以準(zhǔn)確測(cè)量荒漠草原的土壤含水量及其動(dòng)態(tài)變化，能夠?yàn)樾竽凉芾頉Q策提供依據(jù)。

本文結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，只考慮了氣壓和水汽這兩個(gè)影響最為顯著的因子，忽略了其它因子的影響。對(duì)于其它因子影響作用較大的地區(qū)，影響因子的修正無疑是宇宙射線中子法測(cè)量土壤水的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行深入研究可以促進(jìn)該方法的進(jìn)一步推廣。

致謝：水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所為本文提供了數(shù)據(jù)及野外工作條件的支持，在此表示誠(chéng)摯感謝！

參 考 文 獻(xiàn)：

［1］路京選，曲偉，付俊娥.國(guó)內(nèi)外干旱遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)綜述［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2009，7（2）：265-271.

［2］李琴，陳曦，F(xiàn)rank V，等.干旱半干旱區(qū)土壤含水量反演與驗(yàn)證［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2010，21（2）：201-207.

［3］Chrisman B，Zreda M.Quantifying mesoscale soil moisture with the cosmic-ray rover［J］.Hydrol.Earth Syst. Sci.，2013，17：5097-5108.

［4］Almeida A C，Dutta R，F(xiàn)ranz T E.Combining Cosmic-Ray Neutron and Capacitance Sensors and Fuzzy Inference to Spatially Quantify Soil Moisture Distribution［J］.IEEE Sensors Journal，2014，14（10）：3465-3472.

［5］Baroni G，Oswald S E.A scaling approach for the assessment of biomass changes and rainfall interception using Cosmic-Ray neutron sensing［J］.Journal of Hydrology，2015，doi:10.1016/j.jhydrol.2015.03.053.

［6］Han Xu-jun，Jin Rui，Li Xin，et al.Soil Moisture Estimation Using Cosmic-Ray Soil Moisture Sensing at Heterogeneous Farmland［J］.IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，2014，11（9）：1659-1663.

［7］Zhu Zhong-li，Tan Lei，Gao Sheng-guo，et al.Observation on Soil Moisture of Irrigation Cropland by Cosmic-Ray Probe［J］.IEEE Geoscience And Remote Sensing Letters，2015，12（3）：472-476.

［8］Zreda M，Desilets D，F(xiàn)erre′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：L21402.

［9］Zreda M，Shuttleworth W J，Zeng X.COSMOS：The COsmic-ray Soil Moisture Observing System［J］.Hydrol. Earth Syst.Sci.Discuss.，2012（9）：4505-4551.

［10］焦其順，朱忠禮，劉紹民，等.宇宙射線中子法在農(nóng)田土壤水分測(cè)量中的研究與應(yīng)用［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2013，28（10）：1136-1143.

［11］Desilets D，Zreda M.Footprint diameter for a cosmic-ray soil moisture probe:Theory and Monte Carlo simulations［J］.Water Resources Research，2013，doi:10.1029/wrcr.20187.

［12］Franz T E，Zreda M，F(xiàn)erre′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：W08515.

［13］Franz T E，Shuttleworth W,Zreda M，et al.Field validation of a cosmic-ray neutron sensor using a distributed sensor network［J］.Vadose Zone Journal，2012，doi:10.2136/vzj2012.0046.

［14］Rosolem R，Zreda M，Pranz T E，et al.The effect of atmospheric water vapor on neutron count in the cosmic-Ray Soit Moisture Obsering System［J］.Journal of Hydrometeorology，2013，14：1659-1671.

［15］Desilets D，Zreda M，F(xiàn)erre′T P A.Nature’s neutron probe：Land surface hydrology at an elusive scale with cosmic rays［J］.Water Resources Research，2010，46：W11505.

Application of cosmic-ray neutron method to soil moisture measurement in desert steppe

CAI Jingya1，2，PANG Zhiguo1，2，TAN Yanan1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Research Center on Flood and Drought Reduction of the Ministry of Water Resources，Beijing 100038，China）

This paper analyses the adaptability of cosmic-ray neutron method in soil moisture measurement，choosing typical desert steppe as the study area.Continuous monitoring is conducted by the Cosmic-Ray Sensing probe（CRS）.By comparing with measuring results of the Time Domain Reflectometry（TDR），the consistency of soil moisture measured by CRS and TDR and the sensitivity of both methods to rainfall are researched.Results show that a good consistency of soil moisture measured by CRS and TDR is achieved and that TDR is not sensitive to rainfall，while CRS can not only respond quickly to rainfall but reveal clearly corresponding changes of soil moisture led by different rainfalls.It’s concluded that cosmic-ray neutron method can measure soil moisture and reflect its dynamic change accurately in desert steppe and provide basis for the management decision of animal husbandry.

soil moisture；CRS；TDR；rainfall

S152.7

：A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.06.009

1672-3031（2015）06-0456-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2015-05-18

水利部948計(jì)劃項(xiàng)目（201401）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院青年專項(xiàng)（JZ0145B042015）

蔡靜雅（1990-），女，河南洛陽人，碩士生，主要從事土壤水分遙感反演與驗(yàn)證技術(shù)研究。E-mail：jingyacai@126.com

龐治國(guó)（1975-），男，內(nèi)蒙古包頭人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利遙感應(yīng)用研究。E-mail：pangzg@iwhr.com