宇宙射线种子法测量区域土壤水分在国外的应用已经较为广泛,由美国科学基金会资助并建设的宇宙射线子法测量区域土壤水分监测网络,截至2012年已在美国及其周边国家建成53个区域土壤水分监测站点[23]。而我国对于该方法主要还处于试验研究阶段,在实际应用中普遍使用等权重加权方法进行测量结果的校准与验证,具有便捷高效等优势。但是在多点采样过程中,由于测量足迹内不同样点与传感器的距离以及土层深度的不同,对于土壤水分率定有着贡献差异[22]。本研究区域为地形较为复杂的山地下垫面,测量足迹内地形呈东西向18°的坡地,土壤异质性较大,测量足迹内水平权重加权处理,Bogena等[20]提出的指数加权法以及Köhli等[18]提出的径向足迹加权法都可能因地形以及土壤异质性导致更大的计算偏差,因此本研究对水平足迹的处理沿用了较为普遍的等权重加权处理,一方面可以减少不同水平距离的异质性土壤对区域土壤水分估算因权重赋值引起的异常贡献,另一方面可以对比说明单纯垂直权重加权方法对于测量结果的校准效果。
Franz[17],Köhli [18]等研究表明,垂直测量足迹内,上层土壤对快中子的能量衰减更加敏感。因此,针对不同土层赋予合理的权重加权,对宇宙射线中子法反演区域土壤水分的校准具有重要意义。利用Franz等[21]提出的垂直足迹线性加权模型,对宇宙射线中子法测量复杂山地下垫面的区域土壤水分进行率定,研究结果较等权重加权方法的准确性有所提升,与烘干称重法多点平均所代表的区域土壤水分值进行拟合,模拟值与实测值匹配度提高,结果偏差更小,反演模型可信度更高。该方法是将测量足迹范围内,0—20 cm土层进行权重赋值使之更加匹配宇宙射线中子法的信号敏感规律,所以在实际应用过程中需要明确该方法具有面尺度土壤水分整体反演的优势,但是在有效测量深度中,浅层土壤水分的贡献更大。而20 cm左右深度的土层恰好是耕作层的有效深度[29],因此,宇宙射线中子法测量区域土壤水分可作为农田耕作层的土壤水分监测与农业干旱监控的有效手段。另外,宇宙射线中子法具有面尺度的土壤水分含量准确测定的优势,在基于卫星遥感的土壤干旱反演验证应用方面有着相较于点测量的绝对优势[30-31]。
在应用宇宙射线中子法进行区域土壤水分反演计算的过程中,通过在测量足迹合理理解的基础上进行测量结果的校准,可有效提高该方法的准确性。但是仍有一些不确定性因素会干扰测量结果的准确性,如生物量含水也是影响结果准确性的氢源之一[32],本研究未对地表植被以及地下根系生物量作出有效估算,这也是在利用垂直足迹线性加权率定以后,宇宙射线中子法对土壤水分反演结果整体偏高的原因之一,一方面是频域反射法单点测量无法准确反映整个测量区域内异质性土壤的平均含水量,另一方面则是地表植被以及地下根系含水未从结果中排除。但是由于复杂环境下生物量准确估算的难度较大,且生物量含水相比土壤含水所占比重较小,所以本研究将生物量含水包含在内作整体反演估算,后期可做进一步研究,在准确判定复杂区域生物量的基础上,排除地表植被以及地下根系含水对宇宙射线中子法区域土壤水分测量的影响,使结果更加接近真实值。
宇宙射线中子法测量土壤水分的应用场景有一定的限制,如降水过程时段。主要是在降水过程期间,空气湿度饱和以及冠层截留水等影响可能造成数据过度校准,使得结果产生较大偏差[22]。如本研究中,7月2—5日以及8月8—9日的降水过程时段,显示较大的测量结果偏差。因此在宇宙射线中子法的具体应用中,对于降水时段的测量结果应当排除。同时,研究显示在测量区域出现大量的流动性动物群体也可能导致宇宙射线中子法测量信号的巨大变化[22],从而导致结果偏差。因此,对于宇宙射线中子法区域土壤水分的应用与布设选址,应当避免流动性动物群体活动区域,比如草原下垫面的牧场区域等。
