盐渍土壤微波介电模型研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:shijun21
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土壤盐渍化是危害环境的主要原因之一,土壤盐渍化会影响土壤性质,并导致耕地土壤退化和农业地区生产力下降,进而危害我国粮食安全。为了快速大面积地监测土壤盐渍化的面积和程度,人们开发了遥感技术。与可见光和红外遥感相比,微波遥感在监测盐渍土壤方面具有更多优势。正如光学遥感在识别盐渍土信息时需要建立盐渍土壤类型的特定吸收光谱谱段图一样,微波遥感在识别盐渍土壤类型以及反演含盐量、含水量时也需要建立土壤质地、含水量、含盐量与土壤介电响应之间的函数模型。介电常数是微波遥感反演目标特性的重要参数,不仅能够通过介电常数实部直接反演出土壤含水量,还能够通过介电常数虚部直接反演出土壤的含盐量,进而能够准确地获取土壤的湿度和盐度信息。目前,有关盐渍土壤的微波介电模型有HQR模型、WYR(C-band)模型等,但这些模型都是在实验室用单一的Na Cl溶液配制的土壤样品,来研究获取有关盐渍土的微波介电模型的,模型本身还存在着局限性。这些微波介电模型不能够定量反演出干旱半干旱地区的苏打盐和硫酸盐盐渍土的含盐量和含水量,因此,研究建立能够准确、定量地反演不同类型盐渍土含水量、含盐量的普遍适用的微波介电模型,是动态监测和预报盐渍化土地面积、土壤干旱程度以及盐碱化程度的一项关键技术。本文目的是研究不同类型盐渍土壤的微波介电特性,并建立适用于不同类型盐渍土壤的微波(1.43GHz)介电模型(简称为TSS模型),为此,本文的主要研究内容和方法如下:1.本实验利用L波段谐振腔测量了人工配制的氯盐、硫酸盐和苏打盐土壤溶液以及Na Cl、Na HCO3和Na2SO4电解质溶液的介电常数,给出了Na+、Cl-、SO42-和HCO3-四种离子的复影响因子。并在Collie介电模型的基础上,利用单一Na Cl、Na HCO3和Na2SO4水溶液的影响因子来分别代替复杂的氯盐、硫酸盐和苏打盐土壤溶液的复合影响因子,研究建立了有关三种类型盐渍土土壤溶液的微波介电模型。这一模型的研究将为简化估算各类盐渍土复杂离子的总盐度,以及为不同类型盐渍土微波介电模型的研究奠定基础。2.利用在实验室配制的三种类型的盐溶液(Na Cl、Na HCO3和Na2SO4)并在采集的田间土壤样品中加入配制的不同浓度、不同类型的盐溶液,配制后的盐渍土类型主要分为氯盐、硫酸盐以及苏打盐三种类型的盐渍土土壤,且土壤样品的含水量、含盐量分别为六种不同的梯度。在不同温度下利用1.43GHz的谐振腔测量已配制好的盐渍土壤及盐溶液样品的介电常数。在Dobson半经验模型的基础上,研究建立能够分别反演氯盐、苏打盐和硫酸盐盐渍土壤盐度和湿度信息的TSS微波介电模型。3.有关氯盐盐渍土的TSS模型检验,将TSS模型与来源于Na Cl溶液配制的土壤样品的HQR模型进行比较,研究两种模型反演氯盐盐渍土含水量和含盐量的精度。有关苏打和硫酸盐盐渍土的TSS模型检验,本文利用谐振腔测量野外采集的盐渍土样品的介电常数来比较,分析TSS模型反演苏打盐和硫酸盐盐渍土含水量和含盐量的精度。通过对比分析,HQR模型仅仅适合于高含盐量和高含水量的氯盐盐渍土盐度的反演,而TSS模型适合于三种类型盐渍土湿度和盐度的定量反演。通过敏感度方程,可以方便地估计在一定灵敏度水平上的L波段微波辐射计反演盐土盐度和湿度的精度。4.本文给出的TSS微波介电模型不仅具有较高的反演精度,而且模型还具有自洽性和互洽性。当土壤盐度S趋近于0时,土壤溶液盐度vmS也趋近于0,进而土壤溶液中的盐离子影响常数s??和s??也趋向于0,此时,TSS模型还原到Dobson模型,该模型具有互洽性。当土壤为全盐时,即S=1时,vmS变为仅与含水量和容重有关的量,这与客观存在的事实相符,因此,TSS模型具有自洽性。5.TSS模型是建立在对盐分较敏感的1.43 GHz频点上的介电模型,有关全频段介电模型还需要进一步研究。需要进一步指出,TSS模型是开放式的,其中的一些参数还需要在应用中做进一步研究、验证和改进。
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