宇宙射線中子法土壤水分監測在不同生態系統雨季的適用性

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氣象局,張家口 076250; 4 黑龍江省氣象數據中心,哈爾濱 150030)

引言

土壤水分參與了地球上多個圈層之間的水分循環,在地表和大氣之間的物質和能量交換中發揮著重要作用,是全球氣候系統核心變量之一[1-4]。土壤水分影響氣候和天氣,決定入滲、地表蒸散發和地表徑流的比例,還是土壤中物質運輸的關鍵因素[1,3-5]。此外,土壤水分還是植被生長的基本物質條件,影響植被光合作用速率和土壤微生物活動[6-7]。因此,土壤水分時空分布的準確測量是氣象、生態、水文、農業等多個學科領域研究關注的重點,在洪水預報、干旱預警、生態修復、灌溉管理和水土流失防治等方面具有重要的應用價值[8-14]。自然狀態的土壤結構普遍具有較大的空間異質性,土壤水分時空分布的測量和估算復雜且具有挑戰性[5,15-16]。當前,土壤水監測以點尺度(1 m2以內)和遙感大尺度(研究單元通常超過100 m2)為主。點測量法包括烘干稱重法、介電法(時域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、頻域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR))等[10,17]。遙感測量技術有可見光和近紅外遙感、微波遙感等[11,18]。點尺度測量范圍小,代表性差,往往破壞土壤結構,大量采樣對勞動力的需求和設備成本也限制了其監測密度。衛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點,但存在空間分辨率較低、易受植被和土壤等環境因素以及建模方法影響、時間靈活性差和測量土層淺等問題[8,10,19-22]。區域地表土壤水分的獲取是長期以來的研究難點和熱點,需要發展既能在小范圍內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測技術,以填補點尺度和大尺度之間數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,該法通過監測近地表附近宇宙射線中快中子的數量來監測土壤含水率[1-4,12]。來源于太空的高能粒子流受地球磁場吸引進入大氣層,經過一系列級聯反應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目越多,因而在地面檢測到的中子數目越少。宇宙射線中子法就是基于中子強度與土壤含水量的負相關關系反演土壤含水量,廣泛應用的反演方法是N0參數法,氣壓、空氣濕度天氣因素對N0參數法的影響可通過氣壓、空氣濕度的測定進行修正[1,3,8,12]。根據的模擬結果,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,與源區內的土壤含水量成負相關關系。土壤含水量高,其含有的氫原子數多,對快中子的慢化程度更強,使快中子難以持續向下傳播[1,4,18,20],當前技術手段無法實現分層觀測。水平方向測量半徑為130～240 m,主要與空氣的物理化學屬性(氣壓、空氣濕度等)相關,而與地表的土壤水分含量無關[4,5,8,23]。宇宙射線中子法能夠應用于復雜下墊面的區域土壤水分測量,不受土壤空間異質性干擾,可為中小尺度土壤水分監測提供精確的數據,并可為大尺度的高空遙感反演土壤水分提供有效的驗證手段[18],填補了中尺度測量土壤水分的空白,為點尺度和遙感大尺度土壤水分監測架起了橋梁。宇宙射線中子法是一種被動的、非侵入性的土壤水分測量方法,具有連續測量、對場地無破壞、不受土壤水相態限制、對土壤質地和鹽度及表面粗糙度等理化因素不敏感等優點[7,12,24]。近年已廣泛應用于干旱監測、農業灌溉指導、坡面穩定性分析、數值預報等領域的土壤水分測定[10,24-25]。美英兩國組建了最大的監測網,澳大利亞和德國也已組建各自國家的監測網絡[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研究[2-4,7,12,24]。雖然宇宙射線中子法土壤水分監測已應用于監測森林、草地和農田等生態系統,但不同下墊面土壤水分反演還面臨諸多挑戰,需要大量的在不同生態系統的試驗分析,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空間變異性和長期動態變化特征,使其成為最復雜的影響因素同時也成為宇宙射線中子法土壤水分觀測研究熱點[7,10,16,24]。宇宙射線中子法土壤水分監測對降水的響應也非常敏感,氣象條件是影響土壤水分變化最具變異性的因素,持續高溫引起的土壤持續失墑或降水補充等導致垂直測量足跡出現相應變化,武強等[7]研究發現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,目前就環境變異性對宇宙射線中子法土壤水分監測影響的認識仍然不夠,尤其是垂直測量深度方面,主要基于理論計算,試驗也較多關注20 cm或30 cm的淺層驗證[4,18,24,25],迫切需要準確地針對不同生態系統的監測適用性進行評估[5,10,12,18]。本研究基于宇宙射線中子法土壤水分監測的理論測量深度(12～76 cm)和自動土壤水分站觀測數據,評估了其在草地、農田和林地三種不同生態系統的測量深度適用性;比較了其與遙感土壤水分監測方法在草地、農田和林地的差異;探究了該方法土壤水分監測對降水的響應。研究結果可為宇宙射線中子法土壤水分監測在不同生態系統的應用提供科學依據。

1 數據

1.1 研究地點

草地、農田和林地3種生態系統研究地點分別選取內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測研究地點現場:(a)草地,(b)農田,(c)林地

表1 宇宙射線中子法土壤水分監測研究地點概況

1.2 數據來源

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

2 結果分析

2.1 與自動土壤水分站土壤水分監測對比

在草地生態系統,宇宙射線中子法監測的土壤水分與自動土壤水分站(FDR)觀測的土壤水分在0～50 cm不同深度層相關系數(R2)均超過或接近0.80,表現出較好的相關性,其中0～10 cm深度相關系數最高為0.88;誤差顯示,宇宙射線中子法監測的土壤水分最接近0～20 cm深度(表2和圖2a)。在農田生態系統,宇宙射線中子法監測的土壤水分與自動土壤水分站觀測的土壤水分0～10 cm深度相關性較差(0.37),0～30 cm以上深度可達到0.50;誤差顯示,宇宙射線中子法監測的土壤水分最接近0～30 cm深度(表2和圖2b)。在林地生態系統,宇宙射線中子法監測的土壤水分與自動土壤水分站觀測的土壤水分在0～80 cm不同深度相關性均較好,達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)。宇宙射線中子法監測的土壤水分在上述3種生態系統的相關性為林地>草地>農田;準確性方面為林地>農田>草地;林地和農田0～30 cm深度監測效果最好,草地為0～20 cm深度。逐日誤差值顯示草地>農田>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)農田,(c)林地,(d)誤差

表2 宇宙射線中子法與自動土壤水分觀測站土壤水分差異性及相關性

2.2 與衛星遙感土壤水分監測對比

在草地、農田和林地3種生態系統,宇宙射線中子法監測與衛星遙感監測的相關性表現為農田(0.73)>草地(0.65)>(0.47)森林,但在差異性方面農田(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)與衛星遙感觀測土壤水分:(a)草地,(b)農田,(c)林地

表3 宇宙射線中子法與衛星遙感觀測土壤水分差異性及相關性

2.3 宇宙射線中子法土壤水分監測對降水的響應

圖4顯示本研究期間,在草地、農田和林地,超過5 mm降水事件出現后,宇宙射線中子法土壤水分監測數值均有升高,說明該方法土壤水分監測可有效捕捉降水事件發生。在這三種生態系統分別選取3次最大降水事件, 比較宇宙射線中子法和自動站土壤水分監測數值在降水事件發生前后的變化,可以發現兩種方法的差異,除草地的7月18—19日降水事件外,均在5%以內,但宇宙射線中子法監測結果整體上比自動站變化偏大,說明其響應降水更敏感(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:(a)草地,(b)農田,(c)林地

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

3 結論與討論

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到60 cm,農田通常為20～30 cm之間[2,4,5,12,17]。本研究顯示,在草地、農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]在河南省封丘農田和蔡靜雅[25]在內蒙古草地研究結果接近。干旱條件下,表層土壤含水量少,隨深度增加含水量相應增加,宇宙射線中子法測量影響權重則深層土壤較大,測量深度也較深;但是在久旱逢雨的時段,則會出現短暫表層土過濕的復雜情形[18],可能是本研究中相對干旱的草地比農田和林地測深較淺的原因;也可能與草地土層薄,垂直異質性強有關。宇宙射線中子法土壤水分監測與植被有關,植被也是氫原子的源,對土壤水分監測造成一定影響[4-8,10,24]。本研究中宇宙射線中子法監測農田土壤水分相關性較草地和林地差,可能是由于農作物密度大且快速變化有關。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],在應用中,要與植被變化對應起來,在作物生育期內多次校準,以減小植被氫源的影響[17,24]。

與遙感技術相比宇宙射線中子法土壤水分監測更加抗植物干擾[12,31]。本研究結果顯示,宇宙射線中子法在農田和林地生態系統土壤水分監測結果與自動土壤水分站點差異較小(農田:6.4%,林地:1.8%)優于遙感監測(農田:6.6%,林地:4.3%)。但對于草地生態系統,宇宙射線中子法土壤水分監測結果與遙感監測結果(4.7%)差異小于自動土壤水分站點(10.0%)。這可能是由于草地生態系統植被稀疏、覆蓋度低、分布不均勻、土壤質地空間異質性大,且降水量相對較少,土壤含水量低,土壤水分變異系數高,導致單點土壤水分代表性差;而農田和林地植被較草地均勻,土壤水分空間異質性小,尤其是單一作物的農田或果園,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,含水量高于草地,從而導致較低的土壤水分變異系數[32-34]。由此可知,宇宙射線中子法土壤水分監測在草地生態系統的應用比自動土壤水分站更具有區域上的代表性。本研究數據為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系統),這一段時間是土壤水分波動變化較復雜的時期,所以對于土壤水分的變化測定具有較好的參考價值。但是4個月的時間相對較短,另外對于土壤的長期干旱觀測數據缺乏,干旱是一個逐步發展的動態過程,同時又是一個長時間的累積過程,受持續時間、土壤水分傳輸等一系列因素影響。因此宇宙射線中子法土壤水分監測在不同生態系統中長時間尺度的適用性需在后續的研究中關注。

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量。土壤水分受天氣變化尤其是降水過程影響呈現動態變化,即氫原子分布隨土壤含水量在不同深度土層相應變化,因此宇宙射線法能夠很好地捕捉到降雨時土壤水分的突變信息從而反映降水事件的發生[6,18],本研究結果也支持上述理論觀點。本研究還顯示測量區域中有降水產生時,宇宙射線中子法土壤水分監測值會立即發生變化,變化程度整體大于單點自動土壤水分站,對區域水分總體變化的響應更敏感,更易捕捉到區域水分的波動性變化[6,17,18]。