石耀輝 王海龍 朱永超 吳東麗 丁明明 勾秋磊 侯飆 張全軍 劉聰 楊大生 張靜

(1 中國氣象局氣象探測中心,北京 100081; 2 北京市氣象探測中心,北京 100176;3 河北省張家口市萬全區(qū)氣象局,張家口 076250; 4 黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心,哈爾濱 150030)

引言

土壤水分參與了地球上多個(gè)圈層之間的水分循環(huán),在地表和大氣之間的物質(zhì)和能量交換中發(fā)揮著重要作用,是全球氣候系統(tǒng)核心變量之一[1-4]。土壤水分影響氣候和天氣,決定入滲、地表蒸散發(fā)和地表徑流的比例,還是土壤中物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵因素[1,3-5]。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活動(dòng)[6-7]。因此,土壤水分時(shí)空分布的準(zhǔn)確測量是氣象、生態(tài)、水文、農(nóng)業(yè)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域研究關(guān)注的重點(diǎn),在洪水預(yù)報(bào)、干旱預(yù)警、生態(tài)修復(fù)、灌溉管理和水土流失防治等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[8-14]。自然狀態(tài)的土壤結(jié)構(gòu)普遍具有較大的空間異質(zhì)性,土壤水分時(shí)空分布的測量和估算復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性[5,15-16]。當(dāng)前,土壤水監(jiān)測以點(diǎn)尺度(1 m2以內(nèi))和遙感大尺度(研究單元通常超過100 m2)為主。點(diǎn)測量法包括烘干稱重法、介電法(時(shí)域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR))等[10,17]。遙感測量技術(shù)有可見光和近紅外遙感、微波遙感等[11,18]。點(diǎn)尺度測量范圍小,代表性差,往往破壞土壤結(jié)構(gòu),大量采樣對勞動(dòng)力的需求和設(shè)備成本也限制了其監(jiān)測密度。衛(wèi)星遙感測量方法雖然具有覆蓋范圍廣、非接觸和非破壞性等優(yōu)點(diǎn),但存在空間分辨率較低、易受植被和土壤等環(huán)境因素以及建模方法影響、時(shí)間靈活性差和測量土層淺等問題[8,10,19-22]。區(qū)域地表土壤水分的獲取是長期以來的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn),需要發(fā)展既能在小范圍內(nèi)精確測量土壤含水量,又能銜接高空遙感等更大尺度的土壤水分監(jiān)測技術(shù),以填補(bǔ)點(diǎn)尺度和大尺度之間數(shù)十米至幾千米范圍的中小尺度研究空缺[7,10,16,21]。

宇宙射線中子法(Cosmic Ray Neutron Probe,CRNP)是目前測量中尺度土壤水分的一種新興方法,該法通過監(jiān)測近地表附近宇宙射線中快中子的數(shù)量來監(jiān)測土壤含水率[1-4,12]。來源于太空的高能粒子流受地球磁場吸引進(jìn)入大氣層,經(jīng)過一系列級聯(lián)反應(yīng)以及與大氣粒子碰撞后釋放出快中子,生成的快中子與近地層氫原子碰撞失去部分能量慢化后被吸收。近地面層氫原子除湖泊江河等大型水體外,主要存在于土壤水中,土壤含水量越高,氫原子含量越高,被慢化和吸收的快中子數(shù)目越多,因而在地面檢測到的中子數(shù)目越少。宇宙射線中子法就是基于中子強(qiáng)度與土壤含水量的負(fù)相關(guān)關(guān)系反演土壤含水量,廣泛應(yīng)用的反演方法是N0參數(shù)法,氣壓、空氣濕度天氣因素對N0參數(shù)法的影響可通過氣壓、空氣濕度的測定進(jìn)行修正[1,3,8,12]。根據(jù)的模擬結(jié)果,探測深度范圍為地表到12 cm深度與地表到76 cm深度之間,探測深度主要取決于土壤含水量,與源區(qū)內(nèi)的土壤含水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤含水量高,其含有的氫原子數(shù)多,對快中子的慢化程度更強(qiáng),使快中子難以持續(xù)向下傳播[1,4,18,20],當(dāng)前技術(shù)手段無法實(shí)現(xiàn)分層觀測。水平方向測量半徑為130～240 m,主要與空氣的物理化學(xué)屬性(氣壓、空氣濕度等)相關(guān),而與地表的土壤水分含量無關(guān)[4,5,8,23]。宇宙射線中子法能夠應(yīng)用于復(fù)雜下墊面的區(qū)域土壤水分測量,不受土壤空間異質(zhì)性干擾,可為中小尺度土壤水分監(jiān)測提供精確的數(shù)據(jù),并可為大尺度的高空遙感反演土壤水分提供有效的驗(yàn)證手段[18],填補(bǔ)了中尺度測量土壤水分的空白,為點(diǎn)尺度和遙感大尺度土壤水分監(jiān)測架起了橋梁。宇宙射線中子法是一種被動(dòng)的、非侵入性的土壤水分測量方法,具有連續(xù)測量、對場地?zé)o破壞、不受土壤水相態(tài)限制、對土壤質(zhì)地和鹽度及表面粗糙度等理化因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)[7,12,24]。近年已廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測、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)域的土壤水分測定[10,24-25]。美英兩國組建了最大的監(jiān)測網(wǎng),澳大利亞和德國也已組建各自國家的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[1,7,12,26]。在我國還未得到大面積普及,但已開展了許多相關(guān)研究[2-4,7,12,24]。雖然宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測已應(yīng)用于監(jiān)測森林、草地和農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng),但不同下墊面土壤水分反演還面臨諸多挑戰(zhàn),需要大量的在不同生態(tài)系統(tǒng)的試驗(yàn)分析,才能更好地確定其適用性[6,20,24,27-28]。植被也是氫原子的源,同樣能對土壤水分垂直足跡和水平足跡的測量造成一定影響,植被空間分布存在強(qiáng)空間變異性和長期動(dòng)態(tài)變化特征,使其成為最復(fù)雜的影響因素同時(shí)也成為宇宙射線中子法土壤水分觀測研究熱點(diǎn)[7,10,16,24]。宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測對降水的響應(yīng)也非常敏感,氣象條件是影響土壤水分變化最具變異性的因素,持續(xù)高溫引起的土壤持續(xù)失墑或降水補(bǔ)充等導(dǎo)致垂直測量足跡出現(xiàn)相應(yīng)變化,武強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)在灌木為主的下墊面測量深度年平均值16.9 cm,最小值12.3 cm,最大值25.3 cm。然而,目前就環(huán)境變異性對宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測影響的認(rèn)識仍然不夠,尤其是垂直測量深度方面,主要基于理論計(jì)算,試驗(yàn)也較多關(guān)注20 cm或30 cm的淺層驗(yàn)證[4,18,24,25],迫切需要準(zhǔn)確地針對不同生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測適用性進(jìn)行評估[5,10,12,18]。本研究基于宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測的理論測量深度(12～76 cm)和自動(dòng)土壤水分站觀測數(shù)據(jù),評估了其在草地、農(nóng)田和林地三種不同生態(tài)系統(tǒng)的測量深度適用性;比較了其與遙感土壤水分監(jiān)測方法在草地、農(nóng)田和林地的差異;探究了該方法土壤水分監(jiān)測對降水的響應(yīng)。研究結(jié)果可為宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測在不同生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)

1.1 研究地點(diǎn)

草地、農(nóng)田和林地3種生態(tài)系統(tǒng)研究地點(diǎn)分別選取內(nèi)蒙古呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗、安徽壽縣國家觀象臺和四川攀枝花,概況見表1和圖1。

圖1 宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測研究地點(diǎn)現(xiàn)場:(a)草地,(b)農(nóng)田,(c)林地

表1 宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測研究地點(diǎn)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源

所用數(shù)據(jù)包括宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)、自動(dòng)土壤水分觀測站數(shù)據(jù)、遙感土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)和降水?dāng)?shù)據(jù),時(shí)間為2021年6月1日至9月30日。宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于研究地點(diǎn)的河南中原光電測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的宇宙線區(qū)域土壤水分自動(dòng)觀測系統(tǒng)(ZY1700)的土壤體積含水量(%)數(shù)據(jù)。自動(dòng)土壤水分觀測站數(shù)據(jù)來源于中國氣象局鄂溫克、壽縣和攀枝花3個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測站(FDR)10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和80 cm土壤體積含水量(%),鄂溫克自動(dòng)土壤水分觀測站無60 cm和80 cm深度測定。降水量(mm)數(shù)據(jù)來源于宇宙線區(qū)域土壤水分自動(dòng)觀測系統(tǒng)(ZY1700)附帶的雨量測定裝置。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局SMAP(Soil Moisture Active and Passive)衛(wèi)星土壤水分產(chǎn)品(https://nsidc.org/data/smap/smap-data.html)。

2 結(jié)果分析

2.1 與自動(dòng)土壤水分站土壤水分監(jiān)測對比

在草地生態(tài)系統(tǒng),宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分與自動(dòng)土壤水分站(FDR)觀測的土壤水分在0～50 cm不同深度層相關(guān)系數(shù)(R2)均超過或接近0.80,表現(xiàn)出較好的相關(guān)性,其中0～10 cm深度相關(guān)系數(shù)最高為0.88;誤差顯示,宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分最接近0～20 cm深度(表2和圖2a)。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分與自動(dòng)土壤水分站觀測的土壤水分0～10 cm深度相關(guān)性較差(0.37),0～30 cm以上深度可達(dá)到0.50;誤差顯示,宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分最接近0～30 cm深度(表2和圖2b)。在林地生態(tài)系統(tǒng),宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分與自動(dòng)土壤水分站觀測的土壤水分在0～80 cm不同深度相關(guān)性均較好,達(dá)0.84以上;其中0～30 cm深度為0.87;誤差顯示,宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分最也接近0～30 cm深度(表2和圖2c)。宇宙射線中子法監(jiān)測的土壤水分在上述3種生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)性為林地>草地>農(nóng)田;準(zhǔn)確性方面為林地>農(nóng)田>草地;林地和農(nóng)田0～30 cm深度監(jiān)測效果最好,草地為0～20 cm深度。逐日誤差值顯示草地>農(nóng)田>林地,草地的誤差最大(圖2d)。

圖2 2021年6月1日至9月30日宇宙射線中子法(CRNP)與自動(dòng)土壤水分觀測站(0～10 cm、0～20 cm和0～30 cm)土壤水分測值及誤差:(a)草地,(b)農(nóng)田,(c)林地,(d)誤差

表2 宇宙射線中子法與自動(dòng)土壤水分觀測站土壤水分差異性及相關(guān)性

2.2 與衛(wèi)星遙感土壤水分監(jiān)測對比

在草地、農(nóng)田和林地3種生態(tài)系統(tǒng),宇宙射線中子法監(jiān)測與衛(wèi)星遙感監(jiān)測的相關(guān)性表現(xiàn)為農(nóng)田(0.73)>草地(0.65)>(0.47)森林,但在差異性方面農(nóng)田(6.6%)>草地(4.7%)>林地(4.3%)(表3和圖3)。

圖3 2021年6月1日至9月30日宇宙射線中子法(CRNP)與衛(wèi)星遙感觀測土壤水分:(a)草地,(b)農(nóng)田,(c)林地

表3 宇宙射線中子法與衛(wèi)星遙感觀測土壤水分差異性及相關(guān)性

2.3 宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測對降水的響應(yīng)

圖4顯示本研究期間,在草地、農(nóng)田和林地,超過5 mm降水事件出現(xiàn)后,宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測數(shù)值均有升高,說明該方法土壤水分監(jiān)測可有效捕捉降水事件發(fā)生。在這三種生態(tài)系統(tǒng)分別選取3次最大降水事件, 比較宇宙射線中子法和自動(dòng)站土壤水分監(jiān)測數(shù)值在降水事件發(fā)生前后的變化,可以發(fā)現(xiàn)兩種方法的差異,除草地的7月18—19日降水事件外,均在5%以內(nèi),但宇宙射線中子法監(jiān)測結(jié)果整體上比自動(dòng)站變化偏大,說明其響應(yīng)降水更敏感(表4和圖4)。

圖4 2021年6月1日至9月有30日宇宙射線中子法(CRNP)土壤水分觀測對降水的響應(yīng):(a)草地,(b)農(nóng)田,(c)林地

表4 2021年宇宙射線中子法(CRNP)與自動(dòng)站(FDR)土壤水分在降水事件前后變化對比

3 結(jié)論與討論

宇宙射線中子法土壤水分有效測深主要取決于土壤含水量,隨著含水量的減少而增加,在濕潤條件下測深大于20 cm,重度干旱條件下可達(dá)到60 cm,農(nóng)田通常為20～30 cm之間[2,4,5,12,17]。本研究顯示,在草地、農(nóng)田和林地的適宜測深分別為20 cm、30 cm和30 cm。也與蔣一飛[17]在河南省封丘農(nóng)田和蔡靜雅[25]在內(nèi)蒙古草地研究結(jié)果接近。干旱條件下,表層土壤含水量少,隨深度增加含水量相應(yīng)增加,宇宙射線中子法測量影響權(quán)重則深層土壤較大,測量深度也較深;但是在久旱逢雨的時(shí)段,則會(huì)出現(xiàn)短暫表層土過濕的復(fù)雜情形[18],可能是本研究中相對干旱的草地比農(nóng)田和林地測深較淺的原因;也可能與草地土層薄,垂直異質(zhì)性強(qiáng)有關(guān)。宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測與植被有關(guān),植被也是氫原子的源,對土壤水分監(jiān)測造成一定影響[4-8,10,24]。本研究中宇宙射線中子法監(jiān)測農(nóng)田土壤水分相關(guān)性較草地和林地差,可能是由于農(nóng)作物密度大且快速變化有關(guān)。稀疏植被或植被變化較小,對宇宙射線中子法的土壤水分測量結(jié)果影響基本恒定[7,20,24],但在快速生長植被的下墊面下,植被對觀測影響需引起注意[26-30],在應(yīng)用中,要與植被變化對應(yīng)起來,在作物生育期內(nèi)多次校準(zhǔn),以減小植被氫源的影響[17,24]。

與遙感技術(shù)相比宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測更加抗植物干擾[12,31]。本研究結(jié)果顯示,宇宙射線中子法在農(nóng)田和林地生態(tài)系統(tǒng)土壤水分監(jiān)測結(jié)果與自動(dòng)土壤水分站點(diǎn)差異較小(農(nóng)田:6.4%,林地:1.8%)優(yōu)于遙感監(jiān)測(農(nóng)田:6.6%,林地:4.3%)。但對于草地生態(tài)系統(tǒng),宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測結(jié)果與遙感監(jiān)測結(jié)果(4.7%)差異小于自動(dòng)土壤水分站點(diǎn)(10.0%)。這可能是由于草地生態(tài)系統(tǒng)植被稀疏、覆蓋度低、分布不均勻、土壤質(zhì)地空間異質(zhì)性大,且降水量相對較少,土壤含水量低,土壤水分變異系數(shù)高,導(dǎo)致單點(diǎn)土壤水分代表性差;而農(nóng)田和林地植被較草地均勻,土壤水分空間異質(zhì)性小,尤其是單一作物的農(nóng)田或果園,植株高度較高,地下根系特性、地上部分的莖葉特征避免更多的水分蒸發(fā),含水量高于草地,從而導(dǎo)致較低的土壤水分變異系數(shù)[32-34]。由此可知,宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測在草地生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用比自動(dòng)土壤水分站更具有區(qū)域上的代表性。本研究數(shù)據(jù)為6月1日至9月30日,包含了主要的降水集中期(特別是對于草地生態(tài)系統(tǒng)),這一段時(shí)間是土壤水分波動(dòng)變化較復(fù)雜的時(shí)期,所以對于土壤水分的變化測定具有較好的參考價(jià)值。但是4個(gè)月的時(shí)間相對較短,另外對于土壤的長期干旱觀測數(shù)據(jù)缺乏,干旱是一個(gè)逐步發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程,同時(shí)又是一個(gè)長時(shí)間的累積過程,受持續(xù)時(shí)間、土壤水分傳輸?shù)纫幌盗幸蛩赜绊憽Ｒ虼擞钪嫔渚€中子法土壤水分監(jiān)測在不同生態(tài)系統(tǒng)中長時(shí)間尺度的適用性需在后續(xù)的研究中關(guān)注。

宇宙射線中子法的測量原理決定慢化后的快中子主要受氫原子碰撞而影響其檢測數(shù)量。土壤水分受天氣變化尤其是降水過程影響呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,即氫原子分布隨土壤含水量在不同深度土層相應(yīng)變化,因此宇宙射線法能夠很好地捕捉到降雨時(shí)土壤水分的突變信息從而反映降水事件的發(fā)生[6,18],本研究結(jié)果也支持上述理論觀點(diǎn)。本研究還顯示測量區(qū)域中有降水產(chǎn)生時(shí),宇宙射線中子法土壤水分監(jiān)測值會(huì)立即發(fā)生變化,變化程度整體大于單點(diǎn)自動(dòng)土壤水分站,對區(qū)域水分總體變化的響應(yīng)更敏感,更易捕捉到區(qū)域水分的波動(dòng)性變化[6,17,18]。