科研進(jìn)展
土壤介電性質(zhì)研究獲新進(jìn)展
土壤復(fù)介電常數(shù)與土壤水分之間的敏感關(guān)系構(gòu)成了地球探測(cè)技術(shù)的核心基礎(chǔ)。這些技術(shù)包括用于測(cè)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(biāo)識(shí)別的探地雷達(dá)（GPR），以及實(shí)現(xiàn)全球和區(qū)域土壤水分反演的主／被動(dòng)微波遙感方法。土壤復(fù)介電常數(shù)不僅受到土壤水分的影響，還會(huì)隨著土壤溫度、質(zhì)地、容重、鹽分、陽離子交換量和有機(jī)質(zhì)含量等因素的變化而發(fā)生顯著改變，從而影響上述電磁探測(cè)方法的精度。
已有研究表明土壤復(fù)介電常數(shù)隨土壤電化學(xué)參數(shù)和鹽分變化顯著，但尚不清楚這些要素的作用機(jī)理。此外，土壤復(fù)介電常數(shù)隨溫度變化呈現(xiàn)上升、穩(wěn)定和下降三種趨勢(shì)，這些變化可歸因于一種“競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制”，但目前的土壤復(fù)介電混合模型尚未將這一機(jī)制納入考慮，導(dǎo)致在利用TDR（或FDR）和遙感方法計(jì)算土壤濕度時(shí)精度明顯下降。
針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院高曉清研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)電化學(xué)參數(shù)和鹽分通過改變粘土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)影響土壤復(fù)介電常數(shù)。應(yīng)用雙電層電場(chǎng)強(qiáng)度和陽離子溶液濃度，該研究構(gòu)建了弱結(jié)合水靜電特征函數(shù)以及考慮土壤電化學(xué)參數(shù)和鹽分的復(fù)介電理論模型。該模型不僅揭示了這些復(fù)雜因素對(duì)土壤復(fù)介電常數(shù)的作用機(jī)理，還解釋了為何普通礦物土壤（低鹽、低有機(jī)質(zhì)）的復(fù)介電常數(shù)可以僅依賴于三個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)便達(dá)到較高計(jì)算精度的原因。
此外，該研究在Dobson復(fù)介電混合模型的基礎(chǔ)上，重新擬合了土壤參數(shù)項(xiàng)和電導(dǎo)率項(xiàng)，將原模型的六個(gè)輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)化為三個(gè)，修正了原模型中虛部失真的問題，并通過構(gòu)建土壤強(qiáng)、弱結(jié)合水比例函數(shù)和弱結(jié)合水－自由水轉(zhuǎn)換函數(shù)，計(jì)算出強(qiáng)、弱結(jié)合水比例和結(jié)合水－自由水轉(zhuǎn)換量，模擬了土壤復(fù)介電常數(shù)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(shù)學(xué)表達(dá)形式，又能夠精確模擬土壤復(fù)介電常數(shù)和溫度間的“競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制”，從而提升了模型在復(fù)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(tuán)隊(duì)還獲得“基于Dobson介電模型的改進(jìn)土壤半經(jīng)驗(yàn)介電模型”“基于雙電層靜電場(chǎng)特征函數(shù)的土壤復(fù)介電常數(shù)混合模型”2項(xiàng)授權(quán)專利。
