科研進(jìn)展
土壤介電性質(zhì)研究獲新進(jìn)展
土壤復介電常數與土壤水分之間的敏感關(guān)系構成了地球探測技術(shù)的核心基礎。這些技術(shù)包括用于測量原位土壤濕度的時(shí)域反射法(TDR)和頻率反射法(FDR)、地下目標識別的探地雷達(GPR),以及實(shí)現全球和區域土壤水分反演的主/被動(dòng)微波遙感方法。土壤復介電常數不僅受到土壤水分的影響,還會(huì )隨著(zhù)土壤溫度、質(zhì)地、容重、鹽分、陽(yáng)離子交換量和有機質(zhì)含量等因素的變化而發(fā)生顯著(zhù)改變,從而影響上述電磁探測方法的精度。
已有研究表明土壤復介電常數隨土壤電化學(xué)參數和鹽分變化顯著(zhù),但尚不清楚這些要素的作用機理。此外,土壤復介電常數隨溫度變化呈現上升、穩定和下降三種趨勢,這些變化可歸因于一種“競爭機制”,但目前的土壤復介電混合模型尚未將這一機制納入考慮,導致在利用TDR(或FDR)和遙感方法計算土壤濕度時(shí)精度明顯下降。
針對上述問(wèn)題,中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院高曉清研究團隊發(fā)現電化學(xué)參數和鹽分通過(guò)改變粘土顆粒表面的雙電層結構影響土壤復介電常數。應用雙電層電場(chǎng)強度和陽(yáng)離子溶液濃度,該研究構建了弱結合水靜電特征函數以及考慮土壤電化學(xué)參數和鹽分的復介電理論模型。該模型不僅揭示了這些復雜因素對土壤復介電常數的作用機理,還解釋了為何普通礦物土壤(低鹽、低有機質(zhì))的復介電常數可以?xún)H依賴(lài)于三個(gè)基礎參數便達到較高計算精度的原因。
此外,該研究在Dobson復介電混合模型的基礎上,重新擬合了土壤參數項和電導率項,將原模型的六個(gè)輸入參數簡(jiǎn)化為三個(gè),修正了原模型中虛部失真的問(wèn)題,并通過(guò)構建土壤強、弱結合水比例函數和弱結合水-自由水轉換函數,計算出強、弱結合水比例和結合水-自由水轉換量,模擬了土壤復介電常數隨溫度的動(dòng)態(tài)變化。改進(jìn)后的模型既保留了原模型簡(jiǎn)潔的數學(xué)表達形式,又能夠精確模擬土壤復介電常數和溫度間的“競爭機制”,從而提升了模型在復雜土壤環(huán)境中的適用性和精度。
上述成果分別以A Soil Semi-Empirical Dielectric Model Based on the Dielectric Variation Characteristics of an Electrical Double-Layer Solution和An Improved Four-Parameter Soil Complex Dielectric Mixing Model in Microwave Remote Sensing為題發(fā)表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上,西北研究院靳瀟助理研究員為論文第一作者,高曉清研究員為論文通訊作者。此外,團隊還獲得“基于Dobson介電模型的改進(jìn)土壤半經(jīng)驗介電模型”“基于雙電層靜電場(chǎng)特征函數的土壤復介電常數混合模型”2項授權專(zhuān)利。