干旱區鹽漬土介電常數特性研究與模型驗證

　　常用的土壤介電模型一般都是針對非鹽漬化土壤提出來(lái)的，對于干旱區鹽漬化土壤，模型對于介電常數虛部的描述與實(shí)際測量情況有一定差距。為了更好地深入研究干旱區鹽漬化土壤介電常數特性，該文選擇鹽漬土介電模型(修正的含水含鹽土壤Dobson 介電模型)作為典型研究區鹽漬化土壤介電常數的基礎模型，模擬分析土壤介電常數對模型參數的響應，在野外實(shí)測數據的支持下驗證了鹽漬土介電模型的適用性。研究結果表明：

　　1、在低頻區域(0.5<f<5 GHz)土壤介電常數對土壤體積含水量、含鹽量的響應十分明顯；

　　2、土壤介電常數實(shí)部對土壤體積含水量的響應非常顯著(zhù)，線(xiàn)性擬合方程的相關(guān)系數R 高于0.95，土壤含水量的大小直接決定著(zhù)土壤介電常數實(shí)部的高低；

　　3、土壤介電常數虛部對土壤含鹽量的響應明顯，線(xiàn)性擬合方程的相關(guān)系數R 在0.86 左右，可以認為土壤含鹽量決定著(zhù)土壤介電常數虛部的高低。

　　研究證明利用土壤介電常數監測土壤含鹽量、含水量和土壤鹽漬化程度具有一定的潛力，通過(guò)鹽漬土介電模型反演土壤含鹽量是可行的。

　　鹽漬土是作物低產(chǎn)的一個(gè)重要障礙因子，但同時(shí)也是重要的農業(yè)后備耕地資源。鹽漬土在中國分布廣泛，從熱帶到寒溫帶、濱海到內陸、濕潤地區到極端干旱的荒漠地區，均有大量鹽漬土分布。據統計中國鹽漬土面積占全國可利用土地的4.88%，而西部六省區鹽漬土就占可利用土地面積的9.4%，占全國鹽漬土面積的69.03%。當前，遙感技術(shù)在區域尺度上的干旱區土壤鹽漬化監測應用方面已成為主流趨勢。微波遙感在土壤水分監測中具有其獨特的優(yōu)越性，被認為是目前土壤水分遙感監測最具有發(fā)展潛力的探測手段，然而利用微波遙感手段對鹽漬化土壤含鹽量的研究非常少，而且大多是初步的定性的探討。

　　土壤介電常數特性是微波遙感進(jìn)行對地觀(guān)測的基礎。它是建立后向散射系數與地表土壤參數(含水量、含鹽量)之間關(guān)系的關(guān)鍵量。一些研究表明，含鹽量和含水量高的土壤具有更高的導電性。因此，復介電常數的虛部也會(huì )更高，形成強反射。有些研究者利用散射計、輻射計、SAR 影像對鹽漬化土壤進(jìn)行了定性分析，結果表明由于復介電常數的虛部更依賴(lài)于土壤的鹽分，隨著(zhù)土壤介質(zhì)中鹽分的增加導致了土壤反射率的增加或者輻射率的降低，這為定量分析土壤的介電常數與土壤含鹽量之間的關(guān)系，及雷達影像后向散射系數對土壤含鹽量的響應提供了理論基礎，以便正確有效地指導農業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐。

　　目前，有關(guān)土壤微波介電特性密切相關(guān)的模型主要有鹽水、土壤—水分混合介電模型，土壤四分量理論模型，Dobson 介電模型以及在Dobson介電模型的基礎上改進(jìn)的含水含鹽土壤半經(jīng)驗混合介電模型。與通過(guò)統計回歸方法建立土壤介電經(jīng)驗模型相比，半經(jīng)驗混合模型各參數的描述較符合自然條件下土壤屬性規律，模型數據結果相對可靠。胡慶榮等[18]采集了5 種不同質(zhì)地的土壤，利用微波網(wǎng)絡(luò )儀共軸探頭技術(shù)測量樣品的土壤介電常數，并使用土壤學(xué)測量方法，依據美國農業(yè)部制定的土壤質(zhì)地三角圖提供的標準，計算得到了5 種土壤不同粒徑的含量，確定了包括土壤質(zhì)地類(lèi)型在內的土壤樣品各相關(guān)參數(土壤含鹽量、土壤體積含水量、土粒密度)，最后將獲得的數據進(jìn)行分析，修正了Dobson 模型使之適用于含水含鹽土壤即鹽漬化土壤。

　　常用的土壤介電模型一般都是針對非鹽漬化土壤提出來(lái)的，對于干旱區鹽漬化土壤，模型對于介電常數虛部的描述與實(shí)際測量情況有一定差距。為了更好地深入研究干旱區鹽漬化土壤介電常數特性，本文主要利用鹽漬土介電模型(修正的Dobson 介電模型)，分析土壤介電常數對模型參數的響應，討論各模型參數與土壤介電常數的關(guān)系。在模擬自然條件下最具代表性的4 類(lèi)不同質(zhì)地土壤的基礎上，重點(diǎn)分析土壤不同體積含水量、含鹽量、頻率、溫度、土壤容重以及離子濃度對鹽漬土介電常數實(shí)部與虛部的影響，根據野外實(shí)測數據驗證鹽漬土介電常數模型的適用性。

2.2、鹽漬土介電模型(修正的Dobson 介電模型)驗證

　　將每個(gè)采樣點(diǎn)土壤體積含水量、含鹽量、土壤容重、溫度、砂粒與粘粒含量等野外實(shí)測數據代入鹽漬土介電模型計算出土壤介電常數，其中包含了模型介電常數實(shí)部、虛部及總的模型介電常數(介電常數幅值)，再將計算結果與野外實(shí)測介電常數對比統計成表(見(jiàn)附錄)，繪制2010 年4 月0～30 cm樣層實(shí)測數據與模型介電常數的關(guān)系圖(圖7)。

a. 模型介電常數與實(shí)測介電常數的關(guān)系

b. 模型介電常數與實(shí)測含水量的關(guān)系

c. 模型介電常數與實(shí)測含鹽量的關(guān)系

圖7 2010 年4 月0～30c m 樣層實(shí)測數據與模型介電常數的關(guān)系

　　1)從圖7a 可以看出：土壤實(shí)測介電常數與模型計算介電常數值的相關(guān)性較好，相關(guān)系數為0.967。這說(shuō)明鹽漬土介電常數模型(修正的Dobson介電模型)對土壤介電常數的計算效果較為理想。

　　2)從圖7b 可以看出：實(shí)測含水量與土壤介電常數實(shí)部的線(xiàn)性擬合方程能在一定程度范圍內反映土壤含水量與介電常數實(shí)部的對應關(guān)系，且這種關(guān)系十分明顯。土壤體積含水量與介電常數實(shí)部線(xiàn)性擬合方程相關(guān)系數高于0.95。這反映了土壤含水量的高低客觀(guān)決定著(zhù)土壤介電常數實(shí)部的大小。而土壤含水量的變化對模型介電常數虛部的影響并不明顯，說(shuō)明了含水量對介電常數虛部的影響程度遠小于其對介電常數實(shí)部的影響。

　　3)從圖7c 可以看出：土壤含鹽量數據對介電常數虛部的影響較為明顯。雖然含鹽量數據其線(xiàn)性擬合方程的相關(guān)系數R=0.861 并沒(méi)有土壤含水量對介電常數實(shí)部的相關(guān)系數高，但是也能夠在一定程度范圍內反映介電常數虛部對土壤含鹽量的響應關(guān)系。進(jìn)而說(shuō)明了土壤含鹽量的多少也影響著(zhù)介電常數虛部的高低。而圖中也可以直觀(guān)地看到土壤含鹽量對介電常數實(shí)部的線(xiàn)性關(guān)系不是很明顯，這也說(shuō)明了含鹽量對介電常數實(shí)部的影響程度低于其對介電常數虛部的影響。

3、結 論

　　利用鹽漬土介電模型(修正的Dobson 介電模型)，分析土壤介電常數對模型參數的響應，討論各模型參數與土壤介電常數的關(guān)系。在模擬了自然條件下最具代表性的四類(lèi)不同質(zhì)地土壤的前提下，重點(diǎn)分析不同土壤體積含水量、含鹽量、頻率等模型參數對鹽漬土介電常數實(shí)部與虛部的影響，在數野外實(shí)測數據的支持下驗證鹽漬土介電模型的適用性。從中可以得出

　　1)在低頻區域(0.5<f< 5 GHz)，土壤介電常數對頻率的響應最佳，土壤介電常數對土壤體積含水量、含鹽量的響應十分明顯。

　　2)介電常數實(shí)部對土壤體積含水量的響應十分顯著(zhù)，其隨著(zhù)含水量的增加而增長(cháng)。而對于介電常數虛部，介電常數隨著(zhù)體積含水量的減少而小幅度升高。但無(wú)論是介電常數實(shí)部還是虛部，其介電常數幅值始終保持在較合理的區間，特別是對體積含水量在10%～40%之間的區域，模型計算數據效果較好，線(xiàn)性擬合方程的相關(guān)系數R 高于0.95，可以認為土壤含水量直接決定著(zhù)土壤介電常數實(shí)部的高低。

　　3)土壤介電常數虛部對土壤含鹽量的響應明顯，雖然土壤含鹽量與土壤介電常數虛部的相關(guān)性沒(méi)有含水量與介電常數實(shí)部那樣顯著(zhù)，但線(xiàn)性擬合方程的相關(guān)系數R 在0.86 左右，所以可以認為土壤含鹽量決定著(zhù)土壤介電常數虛部的高低，特別是在較低頻率的情況下，這種響應機制更加凸顯，所以決不能忽視土壤含鹽量這個(gè)因子對介電常數的影響，從而使之更適用于鹽漬化土壤介電模型。

　　總之，鹽漬土介電模型能夠較為客觀(guān)描述土壤介電常數，其估計值與土壤實(shí)測介電常數的相似程度較好�？梢酝ㄟ^(guò)鹽漬土介電常數模型研究含水含鹽土壤介電特性，也可以定量分析土壤體積含水量、含鹽量以及不同頻率變化對土壤介電常數的影響。研究證明利用土壤介電常數監測土壤含鹽量、含水量和土壤鹽漬化程度具有一定的潛力，通過(guò)鹽漬土介電模型反演土壤含鹽量是可行的。