宇宙射线中子法土壤水分监测在不同生态系统雨季的适用性

石耀辉 王海龙 朱永超 吴东丽 丁明明 勾秋磊 侯飙 张全军 刘聪 杨大生 张静

(1 中国气象局气象探测中心,北京 100081; 2 北京市气象探测中心,北京 100176;3 河北省张家口市万全区气象局,张家口 076250; 4 黑龙江省气象数据中心,哈尔滨 150030)

引言

土壤水分参与了地球上多个圈层之间的水分循环,在地表和大气之间的物质和能量交换中发挥着重要作用,是全球气候系统核心变量之一[1-4]。土壤水分影响气候和天气,决定入渗、地表蒸散发和地表径流的比例,还是土壤中物质运输的关键因素[1,3-5]。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活动[6-7]。因此,土壤水分时空分布的准确测量是气象、生态、水文、农业等多个学科领域研究关注的重点,在洪水预报、干旱预警、生态修复、灌溉管理和水土流失防治等方面具有重要的应用价值[8-14]。自然状态的土壤结构普遍具有较大的空间异质性,土壤水分时空分布的测量和估算复杂且具有挑战性[5,15-16]。当前,土壤水监测以点尺度(1 m2以内)和遥感大尺度(研究单元通常超过100 m2)为主。点测量法包括烘干称重法、介电法(时域反射法(Time Domain Reflectometry,TDR)、频域反射法(Frequency Domain Reflectometry,FDR))等[10,17]。遥感测量技术有可见光和近红外遥感、微波遥感等[11,18]。点尺度测量范围小,代表性差,往往破坏土壤结构,大量采样对劳动力的需求和设备成本也限制了其监测密度。卫星遥感测量方法虽然具有覆盖范围广、非接触和非破坏性等优点,但存在空间分辨率较低、易受植被和土壤等环境因素以及建模方法影响、时间灵活性差和测量土层浅等问题[8,10,19-22]。区域地表土壤水分的获取是长期以来的研究难点和热点,需要发展既能在小范围内精确测量土壤含水量,又能衔接高空遥感等更大尺度的土壤水分监测技术,以填补点尺度和大尺度之间数十米至几千米范围的中小尺度研究空缺[7,10,16,21]。

宇宙射线中子法(Cosmic Ray Neutron Probe,CRNP)是目前测量中尺度土壤水分的一种新兴方法,该法通过监测近地表附近宇宙射线中快中子的数量来监测土壤含水率[1-4,12]。来源于太空的高能粒子流受地球磁场吸引进入大气层,经过一系列级联反应以及与大气粒子碰撞后释放出快中子,生成的快中子与近地层氢原子碰撞失去部分能量慢化后被吸收。近地面层氢原子除湖泊江河等大型水体外,主要存在于土壤水中,土壤含水量越高,氢原子含量越高,被慢化和吸收的快中子数目越多,因而在地面检测到的中子数目越少。宇宙射线中子法就是基于中子强度与土壤含水量的负相关关系反演土壤含水量,广泛应用的反演方法是N0参数法,气压、空气湿度天气因素对N0参数法的影响可通过气压、空气湿度的测定进行修正[1,3,8,12]。根据的模拟结果,探测深度范围为地表到12 cm深度与地表到76 cm深度之间,探测深度主要取决于土壤含水量,与源区内的土壤含水量成负相关关系。土壤含水量高,其含有的氢原子数多,对快中子的慢化程度更强,使快中子难以持续向下传播[1,4,18,20],当前技术手段无法实现分层观测。水平方向测量半径为130～240 m,主要与空气的物理化学属性(气压、空气湿度等)相关,而与地表的土壤水分含量无关[4,5,8,23]。宇宙射线中子法能够应用于复杂下垫面的区域土壤水分测量,不受土壤空间异质性干扰,可为中小尺度土壤水分监测提供精确的数据,并可为大尺度的高空遥感反演土壤水分提供有效的验证手段[18],填补了中尺度测量土壤水分的空白,为点尺度和遥感大尺度土壤水分监测架起了桥梁。宇宙射线中子法是一种被动的、非侵入性的土壤水分测量方法,具有连续测量、对场地无破坏、不受土壤水相态限制、对土壤质地和盐度及表面粗糙度等理化因素不敏感等优点[7,12,24]。近年已广泛应用于干旱监测、农业灌溉指导、坡面稳定性分析、数值预报等领域的土壤水分测定[10,24-25]。美英两国组建了最大的监测网,澳大利亚和德国也已组建各自国家的监测网络[1,7,12,26]。在我国还未得到大面积普及,但已开展了许多相关研究[2-4,7,12,24]。虽然宇宙射线中子法土壤水分监测已应用于监测森林、草地和农田等生态系统,但不同下垫面土壤水分反演还面临诸多挑战,需要大量的在不同生态系统的试验分析,才能更好地确定其适用性[6,20,24,27-28]。植被也是氢原子的源,同样能对土壤水分垂直足迹和水平足迹的测量造成一定影响,植被空间分布存在强空间变异性和长期动态变化特征,使其成为最复杂的影响因素同时也成为宇宙射线中子法土壤水分观测研究热点[7,10,16,24]。宇宙射线中子法土壤水分监测对降水的响应也非常敏感,气象条件是影响土壤水分变化最具变异性的因素,持续高温引起的土壤持续失墒或降水补充等导致垂直测量足迹出现相应变化,武强等[7]研究发现在灌木为主的下垫面测量深度年平均值16.9 cm,最小值12.3 cm,最大值25.3 cm。然而,目前就环境变异性对宇宙射线中子法土壤水分监测影响的认识仍然不够,尤其是垂直测量深度方面,主要基于理论计算,试验也较多关注20 cm或30 cm的浅层验证[4,18,24,25],迫切需要准确地针对不同生态系统的监测适用性进行评估[5,10,12,18]。本研究基于宇宙射线中子法土壤水分监测的理论测量深度(12～76 cm)和自动土壤水分站观测数据,评估了其在草地、农田和林地三种不同生态系统的测量深度适用性;比较了其与遥感土壤水分监测方法在草地、农田和林地的差异;探究了该方法土壤水分监测对降水的响应。研究结果可为宇宙射线中子法土壤水分监测在不同生态系统的应用提供科学依据。

1 数据

1.1 研究地点

草地、农田和林地3种生态系统研究地点分别选取内蒙古呼伦贝尔市鄂温克族自治旗、安徽寿县国家观象台和四川攀枝花,概况见表1和图1。

图1 宇宙射线中子法土壤水分监测研究地点现场:(a)草地,(b)农田,(c)林地

表1 宇宙射线中子法土壤水分监测研究地点概况

1.2 数据来源

所用数据包括宇宙射线中子法土壤水分监测数据、自动土壤水分观测站数据、遥感土壤水分监测数据和降水数据,时间为2021年6月1日至9月30日。宇宙射线中子法土壤水分监测数据来源于研究地点的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系统(ZY1700)的土壤体积含水量(%)数据。自动土壤水分观测站数据来源于中国气象局鄂温克、寿县和攀枝花3个自动土壤水分观测站(FDR)10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm和80 cm土壤体积含水量(%),鄂温克自动土壤水分观测站无60 cm和80 cm深度测定。降水量(mm)数据来源于宇宙线区域土壤水分自动观测系统(ZY1700)附带的雨量测定装置。卫星遥感数据来自美国国家航空航天局SMAP(Soil Moisture Active and Passive)卫星土壤水分产品(https://nsidc.org/data/smap/smap-data.html)。

2 结果分析

2.1 与自动土壤水分站土壤水分监测对比

在草地生态系统,宇宙射线中子法监测的土壤水分与自动土壤水分站(FDR)观测的土壤水分在0～50 cm不同深度层相关系数(R2)均超过或接近0.80,表现出较好的相关性,其中0～10 cm深度相关系数最高为0.88;误差显示,宇宙射线中子法监测的土壤水分最接近0～20 cm深度(表2和图2a)。在农田生态系统,宇宙射线中子法监测的土壤水分与自动土壤水分站观测的土壤水分0～10 cm深度相关性较差(0.37),0～30 cm以上深度可达到0.50;误差显示,宇宙射线中子法监测的土壤水分最接近0～30 cm深度(表2和图2b)。在林地生态系统,宇宙射线中子法监测的土壤水分与自动土壤水分站观测的土壤水分在0～80 cm不同深度相关性均较好,达0.84以上;其中0～30 cm深度为0.87;误差显示,宇宙射线中子法监测的土壤水分最也接近0～30 cm深度(表2和图2c)。宇宙射线中子法监测的土壤水分在上述3种生态系统的相关性为林地>草地>农田;准确性方面为林地>农田>草地;林地和农田0～30 cm深度监测效果最好,草地为0～20 cm深度。逐日误差值显示草地>农田>林地,草地的误差最大(图2d)。

图2 2021年6月1日至9月30日宇宙射线中子法(CRNP)与自动土壤水分观测站(0～10 cm、0～20 cm和0～30 cm)土壤水分测值及误差:(a)草地,(b)农田,(c)林地,(d)误差

表2 宇宙射线中子法与自动土壤水分观测站土壤水分差异性及相关性

2.2 与卫星遥感土壤水分监测对比

在草地、农田和林地3种生态系统,宇宙射线中子法监测与卫星遥感监测的相关性表现为农田(0.73)>草地(0.65)>(0.47)森林,但在差异性方面农田(6.6%)>草地(4.7%)>林地(4.3%)(表3和图3)。

图3 2021年6月1日至9月30日宇宙射线中子法(CRNP)与卫星遥感观测土壤水分:(a)草地,(b)农田,(c)林地

表3 宇宙射线中子法与卫星遥感观测土壤水分差异性及相关性

2.3 宇宙射线中子法土壤水分监测对降水的响应

图4显示本研究期间,在草地、农田和林地,超过5 mm降水事件出现后,宇宙射线中子法土壤水分监测数值均有升高,说明该方法土壤水分监测可有效捕捉降水事件发生。在这三种生态系统分别选取3次最大降水事件, 比较宇宙射线中子法和自动站土壤水分监测数值在降水事件发生前后的变化,可以发现两种方法的差异,除草地的7月18—19日降水事件外,均在5%以内,但宇宙射线中子法监测结果整体上比自动站变化偏大,说明其响应降水更敏感(表4和图4)。

图4 2021年6月1日至9月有30日宇宙射线中子法(CRNP)土壤水分观测对降水的响应:(a)草地,(b)农田,(c)林地

表4 2021年宇宙射线中子法(CRNP)与自动站(FDR)土壤水分在降水事件前后变化对比

3 结论与讨论

宇宙射线中子法土壤水分有效测深主要取决于土壤含水量,随着含水量的减少而增加,在湿润条件下测深大于20 cm,重度干旱条件下可达到60 cm,农田通常为20～30 cm之间[2,4,5,12,17]。本研究显示,在草地、农田和林地的适宜测深分别为20 cm、30 cm和30 cm。也与蒋一飞[17]在河南省封丘农田和蔡静雅[25]在内蒙古草地研究结果接近。干旱条件下,表层土壤含水量少,随深度增加含水量相应增加,宇宙射线中子法测量影响权重则深层土壤较大,测量深度也较深;但是在久旱逢雨的时段,则会出现短暂表层土过湿的复杂情形[18],可能是本研究中相对干旱的草地比农田和林地测深较浅的原因;也可能与草地土层薄,垂直异质性强有关。宇宙射线中子法土壤水分监测与植被有关,植被也是氢原子的源,对土壤水分监测造成一定影响[4-8,10,24]。本研究中宇宙射线中子法监测农田土壤水分相关性较草地和林地差,可能是由于农作物密度大且快速变化有关。稀疏植被或植被变化较小,对宇宙射线中子法的土壤水分测量结果影响基本恒定[7,20,24],但在快速生长植被的下垫面下,植被对观测影响需引起注意[26-30],在应用中,要与植被变化对应起来,在作物生育期内多次校准,以减小植被氢源的影响[17,24]。

与遥感技术相比宇宙射线中子法土壤水分监测更加抗植物干扰[12,31]。本研究结果显示,宇宙射线中子法在农田和林地生态系统土壤水分监测结果与自动土壤水分站点差异较小(农田:6.4%,林地:1.8%)优于遥感监测(农田:6.6%,林地:4.3%)。但对于草地生态系统,宇宙射线中子法土壤水分监测结果与遥感监测结果(4.7%)差异小于自动土壤水分站点(10.0%)。这可能是由于草地生态系统植被稀疏、覆盖度低、分布不均匀、土壤质地空间异质性大,且降水量相对较少,土壤含水量低,土壤水分变异系数高,导致单点土壤水分代表性差;而农田和林地植被较草地均匀,土壤水分空间异质性小,尤其是单一作物的农田或果园,植株高度较高,地下根系特性、地上部分的茎叶特征避免更多的水分蒸发,含水量高于草地,从而导致较低的土壤水分变异系数[32-34]。由此可知,宇宙射线中子法土壤水分监测在草地生态系统的应用比自动土壤水分站更具有区域上的代表性。本研究数据为6月1日至9月30日,包含了主要的降水集中期(特别是对于草地生态系统),这一段时间是土壤水分波动变化较复杂的时期,所以对于土壤水分的变化测定具有较好的参考价值。但是4个月的时间相对较短,另外对于土壤的长期干旱观测数据缺乏,干旱是一个逐步发展的动态过程,同时又是一个长时间的累积过程,受持续时间、土壤水分传输等一系列因素影响。因此宇宙射线中子法土壤水分监测在不同生态系统中长时间尺度的适用性需在后续的研究中关注。

宇宙射线中子法的测量原理决定慢化后的快中子主要受氢原子碰撞而影响其检测数量。土壤水分受天气变化尤其是降水过程影响呈现动态变化,即氢原子分布随土壤含水量在不同深度土层相应变化,因此宇宙射线法能够很好地捕捉到降雨时土壤水分的突变信息从而反映降水事件的发生[6,18],本研究结果也支持上述理论观点。本研究还显示测量区域中有降水产生时,宇宙射线中子法土壤水分监测值会立即发生变化,变化程度整体大于单点自动土壤水分站,对区域水分总体变化的响应更敏感,更易捕捉到区域水分的波动性变化[6,17,18]。