干旱区盐渍土介电常数特性研究与模型验证

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)新疆大学资源与环境科学学院 作者:雷 磊

  常用的土壤介电模型一般都是针对非盐渍化土壤提出来的,对于干旱区盐渍化土壤,模型对于介电常数虚部的描述与实际测量情况有一定差距。为了更好地深入研究干旱区盐渍化土壤介电常数特性,该文选择盐渍土介电模型(修正的含水含盐土壤Dobson 介电模型)作为典型研究区盐渍化土壤介电常数的基础模型,模拟分析土壤介电常数对模型参数的响应,在野外实测数据的支持下验证了盐渍土介电模型的适用性。研究结果表明:

  1、在低频区域(0.5<f<5 GHz)土壤介电常数对土壤体积含水量、含盐量的响应十分明显;

  2、土壤介电常数实部对土壤体积含水量的响应非常显著,线性拟合方程的相关系数R 高于0.95,土壤含水量的大小直接决定着土壤介电常数实部的高低;

  3、土壤介电常数虚部对土壤含盐量的响应明显,线性拟合方程的相关系数R 在0.86 左右,可以认为土壤含盐量决定着土壤介电常数虚部的高低。

  研究证明利用土壤介电常数监测土壤含盐量、含水量和土壤盐渍化程度具有一定的潜力,通过盐渍土介电模型反演土壤含盐量是可行的。

  盐渍土是作物低产的一个重要障碍因子,但同时也是重要的农业后备耕地资源。盐渍土在中国分布广泛,从热带到寒温带、滨海到内陆、湿润地区到极端干旱的荒漠地区,均有大量盐渍土分布。据统计中国盐渍土面积占全国可利用土地的4.88%,而西部六省区盐渍土就占可利用土地面积的9.4%,占全国盐渍土面积的69.03%。当前,遥感技术在区域尺度上的干旱区土壤盐渍化监测应用方面已成为主流趋势。微波遥感在土壤水分监测中具有其独特的优越性,被认为是目前土壤水分遥感监测最具有发展潜力的探测手段,然而利用微波遥感手段对盐渍化土壤含盐量的研究非常少,而且大多是初步的定性的探讨。

  土壤介电常数特性是微波遥感进行对地观测的基础。它是建立后向散射系数与地表土壤参数(含水量、含盐量)之间关系的关键量。一些研究表明,含盐量和含水量高的土壤具有更高的导电性。因此,复介电常数的虚部也会更高,形成强反射。有些研究者利用散射计、辐射计、SAR 影像对盐渍化土壤进行了定性分析,结果表明由于复介电常数的虚部更依赖于土壤的盐分,随着土壤介质中盐分的增加导致了土壤反射率的增加或者辐射率的降低,这为定量分析土壤的介电常数与土壤含盐量之间的关系,及雷达影像后向散射系数对土壤含盐量的响应提供了理论基础,以便正确有效地指导农业生产实践。

  目前,有关土壤微波介电特性密切相关的模型主要有盐水、土壤—水分混合介电模型,土壤四分量理论模型,Dobson 介电模型以及在Dobson介电模型的基础上改进的含水含盐土壤半经验混合介电模型。与通过统计回归方法建立土壤介电经验模型相比,半经验混合模型各参数的描述较符合自然条件下土壤属性规律,模型数据结果相对可靠。胡庆荣等[18]采集了5 种不同质地的土壤,利用微波网络仪共轴探头技术测量样品的土壤介电常数,并使用土壤学测量方法,依据美国农业部制定的土壤质地三角图提供的标准,计算得到了5 种土壤不同粒径的含量,确定了包括土壤质地类型在内的土壤样品各相关参数(土壤含盐量、土壤体积含水量、土粒密度),最后将获得的数据进行分析,修正了Dobson 模型使之适用于含水含盐土壤即盐渍化土壤。

  常用的土壤介电模型一般都是针对非盐渍化土壤提出来的,对于干旱区盐渍化土壤,模型对于介电常数虚部的描述与实际测量情况有一定差距。为了更好地深入研究干旱区盐渍化土壤介电常数特性,本文主要利用盐渍土介电模型(修正的Dobson 介电模型),分析土壤介电常数对模型参数的响应,讨论各模型参数与土壤介电常数的关系。在模拟自然条件下最具代表性的4 类不同质地土壤的基础上,重点分析土壤不同体积含水量、含盐量、频率、温度、土壤容重以及离子浓度对盐渍土介电常数实部与虚部的影响,根据野外实测数据验证盐渍土介电常数模型的适用性。

2.2、盐渍土介电模型(修正的Dobson 介电模型)验证

  将每个采样点土壤体积含水量、含盐量、土壤容重、温度、砂粒与粘粒含量等野外实测数据代入盐渍土介电模型计算出土壤介电常数,其中包含了模型介电常数实部、虚部及总的模型介电常数(介电常数幅值),再将计算结果与野外实测介电常数对比统计成表(见附录),绘制2010 年4 月0~30 cm样层实测数据与模型介电常数的关系图(图7)。

模型介电常数与实测介电常数的关系

a. 模型介电常数与实测介电常数的关系

模型介电常数与实测含水量的关系

b. 模型介电常数与实测含水量的关系

模型介电常数与实测含盐量的关系

c. 模型介电常数与实测含盐量的关系

图7 2010 年4 月0~30c m 样层实测数据与模型介电常数的关系

  1)从图7a 可以看出:土壤实测介电常数与模型计算介电常数值的相关性较好,相关系数为0.967。这说明盐渍土介电常数模型(修正的Dobson介电模型)对土壤介电常数的计算效果较为理想。

  2)从图7b 可以看出:实测含水量与土壤介电常数实部的线性拟合方程能在一定程度范围内反映土壤含水量与介电常数实部的对应关系,且这种关系十分明显。土壤体积含水量与介电常数实部线性拟合方程相关系数高于0.95。这反映了土壤含水量的高低客观决定着土壤介电常数实部的大小。而土壤含水量的变化对模型介电常数虚部的影响并不明显,说明了含水量对介电常数虚部的影响程度远小于其对介电常数实部的影响。

  3)从图7c 可以看出:土壤含盐量数据对介电常数虚部的影响较为明显。虽然含盐量数据其线性拟合方程的相关系数R=0.861 并没有土壤含水量对介电常数实部的相关系数高,但是也能够在一定程度范围内反映介电常数虚部对土壤含盐量的响应关系。进而说明了土壤含盐量的多少也影响着介电常数虚部的高低。而图中也可以直观地看到土壤含盐量对介电常数实部的线性关系不是很明显,这也说明了含盐量对介电常数实部的影响程度低于其对介电常数虚部的影响。

3、结 论

  利用盐渍土介电模型(修正的Dobson 介电模型),分析土壤介电常数对模型参数的响应,讨论各模型参数与土壤介电常数的关系。在模拟了自然条件下最具代表性的四类不同质地土壤的前提下,重点分析不同土壤体积含水量、含盐量、频率等模型参数对盐渍土介电常数实部与虚部的影响,在数野外实测数据的支持下验证盐渍土介电模型的适用性。从中可以得出

  1)在低频区域(0.5<f< 5 GHz),土壤介电常数对频率的响应最佳,土壤介电常数对土壤体积含水量、含盐量的响应十分明显。

  2)介电常数实部对土壤体积含水量的响应十分显著,其随着含水量的增加而增长。而对于介电常数虚部,介电常数随着体积含水量的减少而小幅度升高。但无论是介电常数实部还是虚部,其介电常数幅值始终保持在较合理的区间,特别是对体积含水量在10%~40%之间的区域,模型计算数据效果较好,线性拟合方程的相关系数R 高于0.95,可以认为土壤含水量直接决定着土壤介电常数实部的高低。

  3)土壤介电常数虚部对土壤含盐量的响应明显,虽然土壤含盐量与土壤介电常数虚部的相关性没有含水量与介电常数实部那样显著,但线性拟合方程的相关系数R 在0.86 左右,所以可以认为土壤含盐量决定着土壤介电常数虚部的高低,特别是在较低频率的情况下,这种响应机制更加凸显,所以决不能忽视土壤含盐量这个因子对介电常数的影响,从而使之更适用于盐渍化土壤介电模型。

  总之,盐渍土介电模型能够较为客观描述土壤介电常数,其估计值与土壤实测介电常数的相似程度较好。可以通过盐渍土介电常数模型研究含水含盐土壤介电特性,也可以定量分析土壤体积含水量、含盐量以及不同频率变化对土壤介电常数的影响。研究证明利用土壤介电常数监测土壤含盐量、含水量和土壤盐渍化程度具有一定的潜力,通过盐渍土介电模型反演土壤含盐量是可行的。

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