陳祎彤，李敏，司炳成，胡優(yōu)

宇宙射線中子法測量中尺度土壤含水率研究綜述

陳祎彤1，李敏1*，司炳成2, 3，胡優(yōu)1

（1. 西北農(nóng)林科技大學 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.薩斯喀徹溫大學土壤科學系，加拿大 薩斯卡通市 S7N5A8；3.魯東大學 資源與環(huán)境工程學院，山東 煙臺 264000）

土壤含水率是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉管理中的重要監(jiān)測指標，而田間土壤含水率存在較大的時空變異性，作為目前測定區(qū)域土壤含水率的一種新方法，宇宙射線中子法具有連續(xù)測量、高精確度、對場地無破壞等優(yōu)點，已被證明可以測量數(shù)百米范圍內(nèi)（中尺度）一定深度的平均土壤含水率。該方法在點尺度和遙感大尺度之間架起了橋梁，正逐漸運用于農(nóng)業(yè)灌溉管理、水文數(shù)據(jù)同化和水文建模等領域。本文通過凝練近年來宇宙射線中子法的相關研究進展與成果，全面總結了其測量原理、監(jiān)測范圍、影響因素及校正原理，并重點闡述了該方法在農(nóng)業(yè)、水文等領域的應用現(xiàn)狀、現(xiàn)存問題及發(fā)展趨勢?？蔀樽x者快速、詳盡地了解宇宙射線中子法研究進展提供參考。目前，對宇宙射線中子法的改進與應用研究成果顯著，但建筑區(qū)域標定的缺乏與道路區(qū)域標定的補充、空間靈敏度的校正、大高差跨度下的應用等問題亟須進一步研究和解決。

土壤含水率；宇宙射線中子法；中尺度；原位監(jiān)測；連續(xù)監(jiān)測

0 引言

【研究意義】土壤含水率是土壤-作物-大氣連續(xù)體中的關鍵狀態(tài)變量之一，在土壤表層的水分和能量交換中起到了重要的作用[1]，其監(jiān)測是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和實施精準灌溉的重要環(huán)節(jié)[2]。隨著各領域對土壤含水率數(shù)據(jù)質量需求的逐步提高以及應用的多元化，農(nóng)業(yè)、水文、氣象等領域需要在不同時空尺度上精確監(jiān)測土壤含水率[3]。

【研究進展】田間土壤含水率存在較大的時間和空間變異性，目前點尺度測量土壤含水率的方法主要有烘干法、時域反射儀（TDR）法、電容技術法、中子儀法、頻率反射儀（FDR）法、核磁共振法、伽馬射線法及熱脈沖探針法等[4-6]；在大尺度上有遙感法[7]；而田間中尺度上有宇宙射線中子法、加熱光纖法[8-9]和探地雷達法[10-11]。

烘干法是測量土壤含水率的標準方法，常用于其他方法的校準與驗證，結果可靠，操作簡單，缺點是較為費時費力且對土壤有侵擾，無法實現(xiàn)原位連續(xù)監(jiān)測[12]。TDR和FDR法可以進行精確、原位、連續(xù)地測量，是目前田間土壤水分點尺度監(jiān)測比較流行的監(jiān)測手段[13]，但上述點尺度測量方法監(jiān)測田間尺度土壤水分狀況需要多個位置的測量結果才有較好的代表性；在田間埋設大量探針會極大地增加成本，復雜的線路布設也不利于農(nóng)機作業(yè)。作為大尺度的土壤水分測量方法，遙感法可以快速得到大范圍區(qū)域的土壤水分信息，但是其測量精度、測量深度和空間分辨率都較為有限[7]。點尺度和大尺度方法由于各自的特性，無法滿足中尺度上高精度、高時空分辨率獲得土壤水分信息的要求。加熱光纖法可以分布式監(jiān)測沿光纖厘米至千米的土壤水熱信息，時空分辨率高[8]，但該方法儀器昂貴、侵入式測量、校準曲線獲取困難、受土壤物理性質影響，且需要將長距離的光纖埋設在田間，不利于農(nóng)機作業(yè)，目前還處于研究階段，未得到廣泛應用[9]。探地雷達法在測量中小尺度土壤水分上具有快速、無損、非擾動等優(yōu)點，近年來在農(nóng)業(yè)、水文研究中也取得了實質性進展，但該方法不適合在黏重的土壤和重鹽堿土中測量，且在首次測量前需要對土壤類型進行標定，定量識別尚不成熟，在大范圍應用推廣中還有較大改進空間[10-11]。

【切入點】宇宙射線中子法（cosmic ray neutron probe，CRNP，以下簡稱CRNP法）是目前測定中尺度土壤含水率的一種新興方法，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，其可以長期、連續(xù)、快速地監(jiān)測百米半徑范圍的土壤含水率[14]，為點尺度和遙感大尺度土壤水分監(jiān)測架起了橋梁。該方法對土壤的化學性質[15-16]、質地、表面粗糙度以及水的物理狀態(tài)不敏感[17]，操作簡單，維護方便，與傳統(tǒng)的中子儀法相比具有被動測量和無輻射危害的特點[18]，與遙感技術相比，CRNP法更加抗植物干擾[17]。此外，該方法只需進行少量的土樣采樣進行前期校正，在監(jiān)測期間對原位土壤沒有侵擾。鑒于這些優(yōu)勢，CRNP法在近年來備受關注，國內(nèi)外學者對CRNP法的改良與應用方面進行了廣泛的研究，Zreda等[19]、Andreasen等[20]和趙原等[21]學者也曾分別對CRNP法進行階段性的綜述?！緮M解決的關鍵問題】本文將在簡述CRNP法測量原理、土壤水分轉換方法和中子濃度標定的基礎上，著重介紹該方法的應用現(xiàn)狀，并綜合最新研究進展闡述目前該方法在建筑與道路標定、固有空間靈敏度、監(jiān)測深度擴展與穩(wěn)定等方面存在的不足和未來應用場景與領域的拓展、儀器的升級和水分轉換方法的改善等發(fā)展趨勢，以期為研究CRNP法的初學者提供詳實的文獻資料，并指引和推動CRNP法在農(nóng)業(yè)、生態(tài)和水文領域更廣闊的發(fā)展與應用。

1 CRNP法的測量原理與標定

1.1 CRNP法的測量原理

宇宙中存在大量的射線受地球磁場吸引進入大氣層[22]，其中的中子在與其他粒子的每次碰撞中都會損失能量并被慢化[23]，其過程如圖1所示。氫原子由于質量小且彈性截面較大[17]，將快中子慢化成為熱中子需要的有效碰撞次數(shù)最少，僅為18次，遠少于地表量較高的其他元素原子（例如：氧原子需要149次，碳原子需要113次，硅原子需要257次）[19, 21, 24]，因此，近地表氫原子是宇宙射線中快中子慢化的主要原因，二者呈顯著的負相關關系。而近地表氫原子的主要來源是土壤水，且快中子的濃度變化對氫原子量的變化響應迅速[25]，因此，CRNP法就可以通過測量儀器在一定范圍內(nèi)土壤上方的快中子濃度來反演推算土壤含水率。

圖1 初級宇宙射線慢化為熱中子的過程

1.2 儀器設備

宇宙中子探測儀器一般包括中子探測器、數(shù)據(jù)采集儀、銥衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架和機箱等[26]，型號不同結構略有差異，張杰等[27]曾自己組裝過氦同位素3He管中子水分探測器。圖2展示的是由Hydroinnova公司生產(chǎn)的宇宙射線土壤含水率觀測系統(tǒng)（COsmic-ray Soil Moisture Observing System，COSMOS），擁有2個探測器，一個是監(jiān)測熱中子的裸露（Bare）探測器，另一個是監(jiān)測快中子的、具有聚乙烯屏蔽護套的慢化（Modaration）探測器[19]。探測器由充滿敏感氣體（3He或硼同位素10B）的金屬管組成，這2種氣體都具有高中子吸收截面，且穩(wěn)定性強，使用壽命長[28]。中子進入相應的探測器被敏感氣體吸收后在管中產(chǎn)生電離作用，繼而產(chǎn)生可被敏感電子元件讀取到的電子脈沖，計數(shù)器會記錄設定時間內(nèi)讀取脈沖的次數(shù)，即為CRNP儀器的中子讀數(shù)。

1.3 土壤含水率計算

1.3.10參數(shù)法原理

Desilets等[17]利用蒙特卡羅中子傳輸代碼（Monte Carlo N?Particle eXtended, MCNPX）模擬得出地表上經(jīng)過校正的快中子濃度轉換為土壤含水率的0參數(shù)法的計算公式。加入晶格水量和土壤有機質含水率當量的校正因子后的計算式[29]為：

式中：為土壤體積含水率（m3/m3）；bd為土壤平均干體積質量（g/cm3）；0、1、2為半經(jīng)驗參數(shù)，由中子物理模擬確定[30]，其中0=0.808、1=0.372、2=0.115；為校正過的快中子讀數(shù)；0為干燥條件下的快中子讀數(shù)，一般通過現(xiàn)場標定得出；為土壤礦物中的晶格水量（g/g）；sow為土壤有機質含水率當量（g/g）。土壤晶格水和土壤有機質含水率的影響在時間尺度上相對穩(wěn)定[19]，晶格水量可利用熱重量分析法得出[31]；土壤有機質含水率當量可以通過Franz等[32]給出的公式得出：

式中：1.724為總有機碳質量轉化為土壤總有機質質量的轉換常數(shù)；為總有機碳（g/g）；ew為水與有機碳的化學計量比（假設有機碳為纖維素(C6H10O5)n，其中氫氧元素占比約為55.6%）。

0參數(shù)法是當前使用最為普遍的方法，廣泛適用于由硅酸鹽巖石衍生的土壤類型[17]，其中0參數(shù)的確定需要通過在田間CRNP的測定范圍內(nèi)選取適當?shù)奈恢貌杉翗?，利用烘干法得到各土樣的土壤含水率，將各點土壤含水率求加權平均值代入式（1）中反推得出0。推求0的方法在前人的總結中較為詳盡，在此不過多展開，其中現(xiàn)場土壤采樣一般采用Franz等[33]的采樣策略，具體可參考Franz等[33]、Rosolem等[34]和Schr?n等[35]的研究，徑向加權與深度加權的具體計算方法可參考K?hli等[36]的研究。

注 A. 機箱；B. 快中子探測器；C. 熱中子探測器；D. 太陽能供電系統(tǒng)；E. 支架，F(xiàn). 數(shù)據(jù)采集儀；G. 蓄電池；H. 充電控制器。圖中并沒有展示衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器。

1.3.2 CRNP法的標定

CRNP法的中子濃度測量結果主要是反映近地表附近氫原子量，雖然土壤含水率是近地表氫庫最主要的貢獻者，但是冠層截留、地表積水、積雪、植被、大氣水汽、土壤晶格水量、土壤有機質含水量當量，甚至是測量范圍內(nèi)的道路、建筑物等都會對CRNP測量土壤含水率的結果造成影響，在轉換含水率之前須進行相應的標定。

1）中子濃度標定

對氣壓、大氣濕度、太陽中子所致影響的標定已經(jīng)成熟，計算式為：

式中：RAW為校正前的中子讀數(shù)；p、wv、分別為氣壓、大氣濕度、太陽中子的校正因子，計算式[29]為：

式中：為高能中子的質量衰減長度（mb或等效為g/cm2），隨緯度的降低而降低，取值可以參考Andreasen[20]中的表1，取值范圍為128～142 g/cm2；為當?shù)貧鈮海╧Pa）；0為任意參考壓力（kPa）（可以選擇為特定場址的長期平均壓力、海平面壓力或不同參考場址的長期平均壓力）[37]。

式中：Δv0=（v0-v0.REF）；Δv0為地表絕對濕度（g/m3）；v0.REF為參考條件下的地表絕對濕度，通常取干燥空氣條件，即v0.REF=0[38]。

式中：0數(shù)據(jù)由瑞士少女峰觀測站（東經(jīng)7.89°，北緯46.55°；海拔3 750 m）測得。m和0可以由中子監(jiān)測數(shù)據(jù)庫（http://www.nmdb.eu）或是瑞士伯爾尼大學宇宙射線物理研究所的中子監(jiān)測數(shù)據(jù)庫（http://cosray.unibe.ch/）下載獲得[39]。Hawdon等[29]利用離CRNP較近的中子監(jiān)測站的數(shù)據(jù)來進行太陽中子校正，并且和Zreda等[19]的方法進行比較發(fā)現(xiàn)：2種方法差異不大，都能很好地校正太陽中子的影響，并且反映太陽耀斑等極端事件，且Hawdon的方法可以降低CRNP的計數(shù)不確定性。

2）生物質水當量的標定

監(jiān)測范圍中植被體內(nèi)的有機物和水分會對CRNP測量的中子強度以及測量范圍造成影響。對于短期研究或者生物量長期處于較為穩(wěn)定的場合，生物質水當量可被當作一個植被體內(nèi)水和有機質含水量當量之和的常量，但是在生物量短時間內(nèi)極具變化的場合（如生長快速的玉米田間），生物量對中子的強度的影響不可忽視[40-41]。Baroni等[42]認為，生物質水當量和降雨截留可以由CRNP測量結果和獨立的精確含水率測量結果之間的差值估算得出。在CRNP的農(nóng)田應用中，生物質水當量的計算式為[31]：

式中：為生物質水當量（mm）；為CRNP測量區(qū)域內(nèi)的作物類型數(shù)量；Mi為第種作物的種植密度（plants/m2）；fi、di為第種作物的單位濕質量、干質量（g/plants）；w為水的密度（106g/m3）；ew為水與有機碳的化學計量比（同式（2））；M(i)為第種作物種植區(qū)域占總區(qū)域的占比。利用對CRNP測量結果的標定公式[42]為：

式中：、cor-BWE分別為生物水當量標定前后的土壤體積含水率（m3/m3）；為測量有效深度（mm）。

然而，在CRNP應用于潮濕森林時，森林落葉層對CRNP的影響還無法被校正（落葉層提供的信號在一些場合甚至會大于土壤含水率）[43]，在這方面需要更詳細的研究來推進CRNP在原始森林與人工林場中的應用。

3）道路標定

CRNP測量區(qū)域內(nèi)的道路和建筑物會影響CRNP的測量結果[17]。在道路方面，距離儀器幾米以內(nèi)的較為干燥的道路會對CRNP的中子讀數(shù)造成嚴重的影響，而測量道路的含水率是不切實際的。對此，Schr?n等[44]利用超快速適應中子模擬（Ultra Rapid Adaptable Neutron-Only Simulation，URANOS），通過量化不同類型、材料的道路的水當量得到了道路對CRNP影響的標定方法。Schr?n等[44]假設道路的標定形式類似于Hawdon等[29]的氣象標定，計算式為：

式中：、corr分別為標定前、后的中子讀數(shù)；road為關于土壤含水率field、道路水當量road、道路寬度、CRNP距離道路中心距離的函數(shù)；1、2、3分別為幾何項、濕度項和距離項，具體的計算步驟可參考Schr?n等[44]的研究。

該方法在Schr?n等[44]的現(xiàn)場試驗中展現(xiàn)了良好的適用性，然而該校正方法較為依賴于測量場地土壤含水率的先驗知識，雖然為了規(guī)避這個使用條件，Schr?n等[44]提出了一種未經(jīng)標定的近似含水率來代替，但這種代替方法還需要進行更多不同的條件和地點進行試驗以驗證其適用性。另外，Schr?n等[44]的方法是假設在道路二旁土壤含水率相同，且土質均一的理想狀態(tài)下，而對于道路二旁情況不一致（例如所種作物不同），又或是道路位于樹籬之后等情況下并未考慮。關于校正道路對CRNP影響還需要更多的研究。

4）CRNP法的不確定性

CRNP測量的中子計數(shù)服從泊松統(tǒng)計，其中方差等于，標準差為0.5，變異系數(shù)為-0.5。由此可知，CRNP測量的精度隨中子計數(shù)的增加而增加[21]；每小時400次中子計數(shù)（如夏威夷奶牛場CRNP站點，數(shù)據(jù)來自http://cosmos.hwr.arizona.）和每小時2 000次中子計數(shù)（如河南省新鄉(xiāng)市封丘縣潘店鎮(zhèn)中國科學院封丘農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站）[45]，對應計數(shù)的不確定性分別為5%和2.2%。在給定位置的計數(shù)次數(shù)與計數(shù)時間成正比，與土壤含水率成反比。計數(shù)時間翻4倍，這種不確定性就會減半，精確度反之增加。Bogena等[43]和Jakobi等[46]就是利用增加中子計數(shù)時間來提升CRNP在森林或是農(nóng)田場景中的精度。通過同時使用多個中子計數(shù)器也能增加單位時間內(nèi)的中子計數(shù)從而減小不確定性，此方法一般運用于移動式CRNP的測量活動中。此外，CRNP測量的土壤水分精度還受到局部校準的影響，而局部校準的質量取決于校準土樣的代表性和校準時中子的不確定度。所以，在常規(guī)的局部校準中，通常都會采用近100個不同位置、不同深度土樣的烘干法所得土壤水分數(shù)據(jù)來提升局部校準的精確度，在復雜的情況下，也會增加測量周期內(nèi)局部校準的次數(shù)。

1.4 測量范圍

CRPN的測量范圍是以儀器為圓心的半徑數(shù)百米、深度數(shù)10 cm的類半圓球形區(qū)域[47]，定義為貢獻86%快中子的區(qū)域[15]。CRNP的徑向測量半徑為130～240 m[36]，與大氣壓力成反比，在壓力下的測量半徑計算式[48]為：

式中：0為參考氣壓（通常為一個標準大氣壓）；0為參考氣壓下的參考半徑（通常取海平面處的半徑240 m）。

CRNP的測量深度為12（土壤濕潤情況下）～70 cm（土壤干燥情況下）。Franz等[49]通過計算多個氫池，包括地面積水、晶格水、孔隙水、土壤有機質等的水當量，得到了CRNP測量土壤水的有效深度：

式中：為測量有效深度（cm）；5.8為液態(tài)水中低能中子86%的累積靈敏度深度（cm）；0.082 9是由SiO2核截面控制的常數(shù)[32]；bd和w分別為土壤平均干體積質量和水密度（g/cm3）；為土壤晶格水量（g/g）；SOM為土壤有機質含水率當量（g/g）；m為土壤質量含水率（g/g）。

2 CRNP法的應用

因具有連續(xù)原位監(jiān)測、非侵入、可以測量中尺度土壤水分等優(yōu)勢，CRNP法被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、水文[24]等領域，除了監(jiān)測土壤水以外，也被運用在雪深度和植被生物量等的監(jiān)測中。CRNP儀器可分為站點式和移動式。

2.1 站點式CRNP的應用

站點式CRNP可以連續(xù)測量中尺度農(nóng)田的土壤含水率，為精準農(nóng)業(yè)、灌溉管理提供信息支持，已在我國被運用于華北平原[16, 50]、黃土高原[26, 39, 51]、黑河流域[24, 52]、東北平原[31]等地區(qū)進行農(nóng)田中土壤水分的實時監(jiān)測，適用性良好。除了應用于農(nóng)業(yè)領域，CRNP法還被應用于測量雪深、驗證衛(wèi)星土壤水分監(jiān)測結果等。表1匯總了站點式CRNP的應用現(xiàn)狀。

2.2 移動式CRNP的應用

將CRNP安裝在車輛的后備箱或是車頂，如圖3（a），對車輛行進路徑進行快速的土壤水分監(jiān)測，意圖描繪1個流域或是1個更大范圍的區(qū)域的土壤水分分布，是CRNP的重要應用。移動式CRNP（CRNP rover）為了在短時間內(nèi)收集更多的中子信息，通常會配備更多的中子探測器，采樣間隔一般為1 min。在早期研究中，Desilets等[17]就對CRNP的移動監(jiān)測進了構想，并且在夏威夷進行了第1次車載CRNP測量。而后，Chrisman等[81]、Dong等[82]、Franz[32,79]等在美國本土進行了多次CRNP移動監(jiān)測，進行大尺度土壤濕度分布圖的繪制。Schr?n等[44,83]在德國Sch?fertal站點和英國Sheepdrove有機農(nóng)場進行多次移動式CRNP試驗，比較了在農(nóng)田間進行全方位移動測量和只在道路間行進測量利用內(nèi)插法這2種策略分別繪制出的土壤含水率分布圖的差異性。Jakobi等[46,84]在移動監(jiān)測中通過改變不同的聚合策略將RMSE降到了最低0.013 m3/m3；并且通過模擬和量化CRNP計數(shù)不確定性的方法來尋找移動式CRNP測量根據(jù)不同場地和精度要求選擇合適的空間分辨率和聚集性的方案。

表1 站點式CRNP的應用現(xiàn)狀

移動式CRNP讓使用者可以有選擇性的快速獲得所需信息，比站點式CRNP監(jiān)測范圍更大的區(qū)域的土壤水分信息。近年來，移動式CRNP測量已得到蓬勃發(fā)展，將CRNP搭載在農(nóng)用機器人上，進行實時自主、有選擇性地繪制土壤濕度圖已成為可能[2]，如圖3（b）。但是受限于目前中子探測器的計數(shù)率還不夠大，提高計數(shù)頻率就需要使用更多的CRNP中子監(jiān)測器，在使用上不夠經(jīng)濟；而對道路以及建筑物的影響校正還不夠成熟，這將導致那些只在公路網(wǎng)上進行的移動式CRNP測量獲得的結果精度受到影響，所以移動式CRNP在應用和改進上還有很大的空間。

3 現(xiàn)存問題

3.1 建筑區(qū)域標定與道路標定的補充

人工設施（道路、建筑）在CRNP應用（尤其是移動CRNP測量）中無法回避。在進行移動CRNP水分監(jiān)測時，移動范圍內(nèi)近端的道路會嚴重影響CRNP的精度，Schr?n等[44]提出的道路校正也不適用于路寬大于7 m與道路濕度大于兩端土壤的情況。趙原[45]進行CRNP的中小尺度水分測量研究中利用無人機航拍圖像進行區(qū)域劃分，其中的建筑區(qū)域因為相對于總區(qū)域而言范圍較小而被其忽略。基于瀝青混凝土路面的不透水性和路床的深度遠大于CRNP測量深度的特點，建筑物的基礎往往達數(shù)米深，遠大于CRNP測量深度，如果建筑群區(qū)域范圍大到不可忽視，且建筑區(qū)域離CRNP的距離小于50 m，勢必會影響測量范圍內(nèi)的中子分布從而導致CRNP的土壤水分結果產(chǎn)生很大誤差，Schattan等[74]也提到了為道路、建筑、湖泊等景觀建模校正的迫切性。因此，如何量化建筑區(qū)域對CRNP的影響以及如何對Schr?n已提出的道路標定進行補充是目前的一個難題。

3.2 監(jiān)測深度的擴展

CRNP法已被運用于測量農(nóng)田尺度土壤水分[85]和作物耗水[70]。然而其測量深度較淺（極其干燥狀態(tài)下能達到70 cm左右，但在一般的農(nóng)田中通常為20～30 cm之間）以及測量深度會隨地表氫原子量的變化而變化的特點使其在對作物蒸散發(fā)的監(jiān)測效果上有待提升。Wang等[67]的試驗表明在極干旱條件下（最干旱試驗點的最干旱年份）CRNP法的測量深度可以覆蓋50%～90%作物根系的吸水深度，而較為濕潤時僅有30%～50%。一些研究通過使用指數(shù)濾波器來增加CRNP的測量深度[55, 68]，或是在更深層埋設點尺度傳感器，將CRNP的數(shù)據(jù)集與點尺度傳感器測量結果進行結合[66]來提升CRNP在根區(qū)測量的覆蓋率，然而他們并沒有具體考慮測量敏感性隨深度的指數(shù)衰減以及測量深度的時間穩(wěn)定性。因此，需要開發(fā)一種普遍的策略來擴展和穩(wěn)定CRNP的測量深度使其能更好地匹配根區(qū)土壤水分的測量，指數(shù)濾波法在該方面有巨大的研究潛力[65]。

3.3 CRNP在大高差跨度下的應用

CRNP法在高差跨度很大的情況下的應用有待研究[78]，武強等[61]嘗試在重慶白象山茶園（整體跨度為100 m）應用CRNP，但是其沒有考慮茶樹的生物質影響，也沒有考慮CRNP安裝位置的影響（安裝于最高或最低點，或是其中的某個海拔），以及在坡面角度與海拔跨度如此之大的情況下CRNP測量面積與深度的變化和各區(qū)域權重的變化，其試驗中的CRNP的含水率測量結果普遍低于同期的烘干法和FDR測量結果也有悖于CRNP的基本原理（CRNP的信號還包含除了土壤水分以外的其他氫原子源信號）。所以，CRNP在高差跨度較大的地貌下進行應用還需要更多的研究。

3.4 熱中子的應用與濃度的校正

熱中子濃度對土壤水分不敏感，而近地表快中子與熱中子的比值與生物質水當量或雪水當量呈經(jīng)驗線性關系，這有助于估算和校正植被與積雪對CRNP監(jiān)測的影響。對快中子計數(shù)的校正研究廣泛，氣壓、大氣濕度等變化影響校正也已成熟，然而對熱中子的校正目前研究較少。Tian等[31]在提出法（即利用校正植被與積雪對CRNP測量的影響）時使用的是未經(jīng)任何處理的熱中子計數(shù)；Jakobi等[46]試驗了多種校正組合后認為僅用氣壓和大氣濕度，在沒有進行太陽中子校正時對熱中子校正的效果最好，然而其試驗場地選擇的是干旱條件下的甜菜種植地，在試驗中同地點使用多臺CRNP儀器也使得其校準策略在一般CRNP應用情況下的適用性未知。為了能夠更好地利用法評估植被和雪水對CRNP的影響，需要對熱中子濃度的校正策略進行更詳細的研究，而Tian等[31]的研究也向展示了熱中子在CRNP應用中的潛力，挖掘熱中子與其他物理參數(shù)的關系有助于拓展CRNP的應用領域和更好地解釋CRNP測量的結果。

3.5 空間靈敏度校正

不同于利用分布式點尺度方法測得土壤水分的算術平均值，CRNP法所得到的平均土壤水分具有固有的水平與垂直靈敏度差異，這從Desilets等[48]或是K?hli等[36]的結論中很容易得到，CRNP對距離較近和深度較淺的水分信號更為敏感，使得其在與一些水文模型或遙感數(shù)據(jù)結合應用時具有不確定性；CRNP法得出的土壤水分與其他點尺度傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測結果之間的周期性不匹配除了與監(jiān)測尺度不一有關[20]，也與CRNP衍生的結果是監(jiān)測范圍內(nèi)水分信息的加權值有關[86]。在監(jiān)測范圍內(nèi)進行額外的土壤水分剖面校正和垂直加權可以緩解垂直靈敏度差異帶來的影響[87]；但是水平靈敏度差異目前還無法校正，在Pang等[56]的研究中覆蓋面積超過30%的水田中子信號相對貢獻率僅有2.6%，因為水田離CRNP儀器的距離超過120 m。為CRNP搭配點尺度傳感器有助于更好的解釋CRNP測得的水分信息，這可能是CRNP的配套儀器（如同站點式CRNP一般需要搭配小型氣象站或是就近現(xiàn)成的氣象站點安裝一樣）或是田間土壤水分精準觀測的發(fā)展方向——不同尺度方法的搭配使用，少量點尺度傳感器可以評估生物量和截留以及CRNP固有靈敏度的影響，而監(jiān)測主體是CRNP也避免了直接使用點尺度手段監(jiān)測中尺度土壤水分的低代表性和低效益性。

圖3 車載移動式CRNP(a、b、c ) (引自[84] )，機器人移動式CRNP(d、e) (引自[2])。

4 發(fā)展趨勢

4.1 復雜下墊面情況下的監(jiān)測

隨著研究的深入，人們開始探索監(jiān)測范圍覆蓋復雜下墊面情況下采用CRNP法監(jiān)測土壤水分的可行性。Lyu等[88]和Franz等[59]嘗試在混合森林與混合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中使用CRNP法測量整個區(qū)域的平均土壤水分，而Sigouin等[89]和Li等[64]的研究展示了CRNP降尺度測量的可能。Sigouin等[89]使用CRNP法在加拿大Alberta復墾油砂礦井進行測量，利用CRNP測量的土壤水分優(yōu)化測量范圍內(nèi)不同質地土（泥炭和森林表面掉落物層）的van Genuchten-Mualem參數(shù)，嘗試將不同質地土各自的含水率從CRNP測量結果中分離出來。Li等[64]基于URANOS和獨立的點尺度測量手段利用CRNP法測量柑橘田內(nèi)的滴灌干濕分區(qū)。在將來的研究中，在多種不同的下墊面情況下精準測量中尺度土壤水分信息，以及通過CRNP法進行中尺度范圍內(nèi)多個小尺度區(qū)域的分別監(jiān)測將成為CRNP領域的研究熱點。

4.2 含水率轉換方法的改進

0參數(shù)法是CRNP測量中含水率轉換的傳統(tǒng)方法，但難以應對一些特殊情況，例如：土壤中有較大體積的堅硬石塊、極其干燥或處于城市環(huán)境[90]。Franz等[91]提出的通用校準函數(shù)（Universal calibration function）法雖可應對以上情況，但其標定需要獲悉各氫原子來源的空間分布情況[85]，過程比較復雜。因此，更多的研究將目光著眼于改進0參數(shù)法本身。Tan等[92]和Jakobi等[46]分別對0參數(shù)法進行了優(yōu)化，使其可以滿足在中國西北農(nóng)牧交錯地帶和干旱條件下甜菜種植場地土壤水分的監(jiān)測需求；而Andreasen等[93]提出的基于0參數(shù)法的現(xiàn)場特定轉換函數(shù)也能提升0參數(shù)法在監(jiān)測范圍內(nèi)存在高有機質含量的土層（例如垃圾）或是存在難以進行土壤采樣區(qū)域的情況下CRNP的監(jiān)測精度。以上學者對0法的改善策略在各自的研究中都展現(xiàn)了良好的效果，但是其結果具有特殊性，形式上也趨于復雜，是否可運用于更一般的情況不得而知。因此，CRNP含水率的轉換方法需要更多類型區(qū)域測量結果的數(shù)據(jù)集進行歸一化的改進。

4.3 中子監(jiān)測器的性能提升

為了應對CRNP中子監(jiān)測的不確定性和復雜下墊面所帶來的影響，先前的研究多是采用更長的中子計數(shù)積分時間[34, 46]，或是增加同一地點布設的CRNP儀器數(shù)量[46, 83]來提升CRNP的精度。然而，在站點應用中同一地點布設多臺CRNP儀器不夠經(jīng)濟，不利于一般性的站點應用以及全國性的站點網(wǎng)絡覆蓋；過度增加計數(shù)積分時間也會降低CRNP的時間分辨率和對降水事件的靈敏度。當下的快中子監(jiān)測管也無法完全屏蔽熱中子與超熱中子，這使得快中子與熱中子的監(jiān)測都存在一定的不確定性。中子監(jiān)測儀器性能的提升將會有效提高CRNP的應用前景，例如在探測器聚乙烯護套周圍覆蓋一層鎘，以此減少對熱中子的吸收[94]；縮小探測器的尺寸，使交通工具和機器人可以更容易、數(shù)量更大地搭載探測器，提高移動式CRNP監(jiān)測活動的效率[95]。

4.4 潛在的應用方向

CRNP中尺度、低功耗、易于維護、數(shù)據(jù)獲取便捷等特點使其可以被安裝在偏遠、人不易進入或不易進行采樣的場地進行連續(xù)的測量，如青藏高原或大興安嶺的廣袤森林中。該方法具備田間中尺度高時間分辨率監(jiān)測土壤水分的優(yōu)勢以及易于農(nóng)機作業(yè)的特點，使其有利于灌溉的分區(qū)管理或精準灌溉的實施和精準農(nóng)業(yè)與智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展；鑒于CRNP法在干旱條件下的良好表現(xiàn)，該方法在地區(qū)干旱和監(jiān)測上具有潛力。目前全球已經(jīng)有超過200個固定的CRNP站點[93]，在美國[19]、英國[96]、澳大利亞[29]、德國[36]已經(jīng)組建各自國家的CRNP監(jiān)測網(wǎng)絡，這將CRNP的優(yōu)勢最大化，相對于這些國家，CRNP在我國還處于研究階段，未得到大面積普及，以后若是能自主生產(chǎn)CRNP產(chǎn)品并組建全國性的CRNP網(wǎng)絡將有助于對地區(qū)和全國水文過程的理解和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理。

5 結論

本文簡述了CRNP法測定土壤水分的基本原理，并著重綜述了該方法的應用現(xiàn)狀、現(xiàn)存問題及發(fā)展前景，為讀者快速、詳盡地了解該方法提供參考。自CRNP法引入土壤水分監(jiān)測以來，其改進與應用一直是一個備受關注的領域。未來的研究將著眼于解決CRNP法的人工設施影響標定、落葉層影響標定、空間靈敏度校正等問題，以及拓展CRNP法的應用場景，除了復雜下墊面情況下的土壤水分監(jiān)測，還可以將其延伸到植被水分與生物量估算、高山積雪估算、冠層截留估算等。從儀器的角度入手，中子探測器的性能和尺寸上還有提升空間，隨著中子探測器設備向著精度更高、計數(shù)率更大、儀器體積更小的方向發(fā)展，移動式CRNP法的應用將會更加經(jīng)濟有效。

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Measuring Soil Water Content Using the Cosmic-ray Neutron Probe: A Review

CHEN Yitong1, LI Min1*, SI Bingcheng2, 3, HU You1

(1. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Department of Soil Science, University of Saskatchewan, Saskatoon S7N5A8, Canada; 3. School of Resource and Environmental Engineering, University of Ludong, Yantai 264000, China)

Soil moisture is an important index in agricultural production and irrigation management, but difficult to measure in the field due to its spatiotemporal heterogeneity. The cosmic-ray neutron probe method developed over the past decade has emerged as new technology to non-invasively monitor soil water change at large scales and at fine time resolutions. Previous studies have shown that it is able to measure average soil water content at a given depth over an aerial area spanning several hundred meters radially. As a method to bridge the gap between point measurement and large-scale soil water estimate using remote sensing, there have been an increase in its applications in various areas including irrigation management, hydrological data assimilation and hydrological modeling. The purpose of this paper is to review the latest research progress and achievements in the use of cosmic-ray neutron method. It covers principle of the method, its monitoring range, factors influencing its accuracy and applicability, as well as possible problems and solutions. We also outline its potential application in agriculture, hydrology and other fields.

soil water content; cosmic-ray neutron probe method; landscape scale; in-situ monitoring; continuous monitoring

S152.7

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021262

陳祎彤, 李敏, 司炳成, 等. 宇宙射線中子法測量中尺度土壤含水率研究綜述[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(11): 26-36.

CHEN Yitong, LI Min, SI Bingcheng, et al. Measuring Soil Water Content Using the Cosmic-ray Neutron Probe: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 26-36.

1672 - 3317（2021）11 - 0026 - 11

2021-06-21

國家自然科學基金項目（41601222，41630860，41877017）；西北農(nóng)林科技大學基本科研業(yè)務費項目（Z1090220118）

陳祎彤（1997-），男。碩士研究生，主要從事宇宙射線中子法測量土壤水分的研究。E-mail: dalaoshi_3@163.com

李敏（1985-），男。副教授，博士，主要從事土壤水熱性質測定和同位素水文方面的研究。E-mail:limin2016@nwafu.edu.cn

責任編輯：白芳芳