土壤水科学研究进展
水文土壤学理论及其应用研究进展
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｈ ｏ ｙ ｏ ｈ ａ ｔ Ｓ ｃｉｉ ａ ｏ ｅ，ｔ ｅ ｂａ ｉ ｈｅ ｒ ｔｃ ｒ ｍｅ ｒ ｆｔ ｙ ｏ ｄ ｌｇ ｎ ｈ ｏ — ｔａ ｔ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｔｅ ｒ ｆｔ ｅ ｅ ｒｈ’ ｒｔｃ ｌｚ ｎ ｈ ｓｃ ｔ ｏ ｅ ｉａ ｆａ ｗｏ ｋ ｏ ｈｅ ｈ ｄｒｐｅ ｏｏ ｙ ａ ｄ ｔｅ ｋｎ ｗｌ ｌ
基 本理论 框 架、水 文土壤 学 所 能填 补 的 知 识 鸿 沟 ，并 回顾 了水 文 土壤 学在 农 业 、流域 管理 、 面 源 污
染 、湿地保 护和环 境政 策制 定 以及 土壤 传递 函数 等方 面 的应 用 ，最后 对 水 文土壤 学 的发展 和应 用做 了
展望。
关键词 ：水文土壤学；理论框架；水一 土交互作用；应用
Ｚ ＨＡＮＧ Ｗ ｅ— ｕ ，Ｗ Ｅ ｈ ｏｆ ｉ ａ ｈ ＩＣ ａ — ｕ，ＪＮ Ｊ ｎ ｙｎ Ｉ ｕ —ｉｇ （ ｏｅｅｏ ｅｏ ｒ ｓａｄＥ ｖｒ ｍ ｎ，Ｓｕ ｗ ｓ Ｕ ｉｅ ｉ ， ｈｎｑｎ ４０ １ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｓｕｃ ｎ ｎｉ ｎ ｅｔ ｏ ｔ ｅｔ ｎｖｒｔ Ｃ ｏｇ ｉｇ ０ ７ ６ ｈｎ ） ｌ Ｒ ｅ ｏ ｈ ｓｙ
近代 科学 发 展 特 别 是 科 学 上 的重 大 发 现 和 国计
对 土 壤 中水 力 特 性 的 不 完 全 了 解 ，也 在 一 定 程 度 上 限 制 了 土 壤 学 的 发 展 。 因 此 ，把 土 壤 学 和 水 文 学 结 合 起 来 进 行 研 究 可 以 很 好 地 促 进 这 两 个 学 科
ｅ ｇ ａ ｓｗｈｃ ａ ｅ ｆ ｌ ｄ ｕ ｙ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｒ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｏ ｎ ｅ ｂ ｓｃ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｃ ｅ ｔ ｃ ｉｓ ｅ ｏ ｃ ｒ ｅ ｄ ｅ ｇ ｐ ｉｈ ｃ ｎ ｂ ｌ ｐ ｂ ｈ ｈ ｏ ｙ ａ ｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｒｕ ｄ ｔ ａ ｉ ｈ ｏ ａ ｄ ｋ ｙ ｓ ｉｎ ｉ ｓ ｕ ｓ ｃ ｎ ｅ ｎ ｄ，ａ ｄ ｉ ｅ ｈ ｙ ｉ ｆ ｎ ｔｅ ｈ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｆ ｈ ｈ ｏ ｅ ａ ｐ ｃｓ ｓ ｃ ｓ ａ ｒｃ ｌ ｒ ，ｗａｅ ｓ ｅ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｏ — ｏｎ ｏ ｒ ｅ ｐ ｌ ｔ ｎ ｈ ｎ ｔｅ ａ ｐ ｉ ｔ ｓｏ ｅｔ ｅ ｒ ｉ ｔ ｓ ｅ ｔ ｕ ｈ ａ ｇ ｉｕ ｔ ｅ ｃ ｏ ｔ ｙ ｎｈ ｕ ｔ ｒｈ ｄ ｍａ ａ ｅ ｎ ，ｎ ｎ ｐ ｉ ｔ ｕ ｃ ｏｌ ｉ ，ｗｅｌｎ ｓ ｕｏ ｔ ｄ ａ ｐ ｏｅ ｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ａ ｏｉｙ ｍａ ｉ ｇ ｅ ｏｒ ｎ ｆ ｒｆ ｎ ｔ ｎ ｅ ｃ ａｅ ｏ ｅｖ ｅ ｄ Ｆ ｎ ｌ ｈ ｄ ａ ｃ ｓ ａ ｄ ａ ｐ ｉａｉｎ ｏ ｒ ｔｃｉ ｎ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｐ ｌ ｋｎ ，ｐ ｄ ｔ ｓｅ ｕ ｃｉ ｔ． ｒ ｖ ｒ ｉｗｅ ． ｉ ａ ｙ ｔ ｅ ａ ｖ ｎ ｅ ｎ ｐ ｌ ｔ ｆ ｏ ｏ ｌ ｃ ａ ｏ ｌ ｃ ｏ ｈ ｙ ｒ ｐ ｄ ｌｇ ｒ ｒ ｓ ｅ ｔ ｄ ａ ｗ ｌ ｔ ｅ ｈ ｄ ｏ ｅ ｏｏ ｙ ａ ｅ ｐ ｏ ｐ ｃｅ ｅ１ ｓ ． Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｒｐ ｄ ｌｇ ；ｔ ｅ ｒｔ ａ ｒ ｍｅ ｏ ｋ；ｗ ｔ ｒｓ ｉ ｉ ｔｒ ｃ ｉｎ；ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｈ ｄ ｏ ｅ ｏｏ ｙ ｈ ｏ ｅｉｌ ｆ ｃ ａ ｗｒ ａ ｅ —ｏｌ ｎｅ ａ ｔ ｏ ｐｌ ｔ ｃ ｏ
水土壤环境中抗生素污染现状及吸附行为研究进展
综上所述，水土壤环境中的抗生素污染是一个全球性的问题，需要引起足够的 重视。对抗生素吸附行为的研究有助于我们更好地理解其在环境中的行为和归 趋，为解决这一问题提供了科学依据。未来，我们需要进一步加强这一领域的 研究，以应对这一全球性的挑战。
参考内容
一、引言
近年来，抗生素污染问题在全球范围内日益严重，它对环境和人类健康的潜在 威胁逐渐被人们所认识。在这个背景下，对鄱阳湖水环境中的抗生素污染特征 进行深入研究，对于保护该地区的水生态环境和人类健康具有重要意义。本研 究将重点探讨鄱阳湖水环境中抗生素的污染特征，以及典型抗生素在湿地环境 中的吸附和降解规律。
三、鄱阳湖水环境抗生素污染特 征
通过实地调查和实验分析，我们发现鄱阳湖水体中的抗生素检出含量总体较低， 检出浓度均在ng/L级。从检出频率或检出浓度看，四环素类抗生素、磺胺类抗 生素和大环内酯类抗生素是鄱阳湖水体主要抗生素检出类型。其中，土霉素无标抗生素的检出浓度处于中等或低于平均水平。
水土壤环境中抗生素污染现状 及吸附行为研究进展
目录
01 一、水土壤环境中的 抗生素污染现状
03 三、未来研究方向
02
二、抗生素的吸附行 为研究进展
04 参考内容
随着人类活动的不断增加，抗生素污染已经成为全球范围内的一个重要问题。 抗生素在水土壤环境中的存在和吸附行为对生态环境和人类健康产生了深远的 影响。本次演示将就这一问题进行探讨，概述当前的研究进展。
一、水土壤环境中的抗生素污染 现状
抗生素的大量使用和排放是导致水土壤环境污染的主要原因之一。通过废水处 理系统、农业和医疗废物的排放，抗生素进入水土壤环境，对生态系统产生严 重影响。
1、水体中的抗生素污染
水体中的抗生素主要来源于城市污水、制药厂和医院废水等。这些废水中的抗 生素不能完全被处理系统去除，导致其在水体中残留并逐渐累积。此外，人类 和动物的排泄物也可能含有一定量的抗生素，这些抗生素也会通过水生生物的 吸收和富集进入水体。
土壤质量研究进展与方向
土壤质量研究进展与方向X张桃林潘剑君赵其国(中国科学院南京土壤研究所南京210008)摘要本文在简要介绍和分析土壤质量的概念及其与持续农业的关系、土壤质量的评价方法、土壤质量变化和土壤退化的动因、危害及动态监测方法等方面的最新国际研究进展的基础上,对我国今后土壤质量研究工作的方向和重点领域提出了建议。
关键词土壤质量;评价指标与方法;动因与危害;可持续农业;研究方向作为世界上人口最多的发展中国家,中国如何在其有限的土壤资源上生产足够的食物,一直是世界关注的热点问题之一。
需要引起人们深切关注的是我国土地资源、尤其是其核心组份土壤资源的形势及其与粮食保障和环境质量间的关系与前景。
事实上,有关土壤退化与质量演变的研究已成为当前我国学者和国际土壤学、农学及环境科学界共同关注的热点课题之一,有关土壤质量的国际学术研讨会和论文专著近年来急骤增加。
但是,迄今为止,有关土壤退化质量的许多理论问题及过程机理尚不清楚,还没有公认的或统一的土壤质量指标和定量化的评价方法,尽管北美及欧洲的一些土壤学家在这些方面已取得了许多重要进展[1~4]。
因此,及时了解分析和跟踪国际土壤质量研究的最新进展和前沿,并根据我国实际情况开展土壤质量研究与应用工作,具有重要的理论和现实生产意义。
1土壤质量与可持续农业和环境土壤质量(Soil quality)或土壤健康(Health of soils)是指维持生态系统生产力和动植物健康而不发生土壤退化及其它生态环境问题的能力。
土壤健康这一术语一般为农学家和生产者及大众媒体所采用[5]。
它强调土壤的生产性,即一个健康的土壤能持续生产出既丰富又优质的作物产品。
但是,过去的十多年里,人们对农业的理解发生了很大变化,农业已不再仅是一个封闭的操作系统,而已成为复杂生态系统中的一个组成部分。
土壤健康不仅对作物生长活动的效率有影响,而且对水质量和大气质量有影响。
生态系统的各个部分相互作用、相互影响。
所以,不应该把土壤健康的定义仅仅局限于其生产性,而应该将其与生态系统及环境联系起来,与土壤保护及持续农业联系起来,它应能给许多特性和过程的条件勾绘出总体的面貌。
农田灌溉对土壤水盐变化的影响研究
农田灌溉对土壤水盐变化的影响研究近年来，随着全球气候变化的影响和人口增长的加剧，农业生产面临越来越大的挑战。
而农田灌溉作为农业生产的重要环节之一，对土壤水盐变化的影响成为了研究的热点。
本文将探讨农田灌溉对土壤水盐变化的影响，并提出相应的解决方案。
首先，农田灌溉对土壤水分的影响不可忽视。
灌溉是为了补给作物所需的水分，但不当的灌溉方式可能导致土壤过度湿润。
长期过度湿润的土壤会引起根系缺氧，降低作物的生长和产量。
此外，过多的灌溉水分也会导致土壤水分蒸发过快，增加地下水位的上升，进而让土壤中的盐分上升。
因此，在灌溉过程中，应注意调整灌溉水量和频率，保持土壤水分的合理平衡。
其次，农田灌溉对土壤盐分的影响同样重要。
盐分过高的土壤会抑制植物的生长，严重影响农业生产。
灌溉水源中的盐分浓度直接影响土壤的盐分积累情况。
如果灌溉用水中的盐分浓度过高，会导致土壤盐碱化。
因此，在选择灌溉水源时，应考虑水源的盐分浓度。
此外，灌溉技术也是关键因素。
滴灌和喷灌等节水灌溉技术相比于传统的洪灌方式，可以减少灌溉水分蒸发，从而降低土壤盐分的积累。
农田灌溉对土壤水盐变化的影响不仅取决于灌溉方式，还受到土地管理和农业管理的影响。
良好的土地管理包括合理的排水系统和土壤改良措施，可以减轻灌溉对土壤水盐变化的负面影响。
同时，科学合理的农业管理措施也起到了重要的作用。
例如，选择适合当地土壤和气候条件的作物，合理施肥和轮作等，可以降低土壤的盐分积累。
此外，科学监测土壤的水分和盐分含量，及时调整灌溉策略，也是有效的措施。
为了研究农田灌溉对土壤水盐变化的影响，我们可以进行实地调查和实验研究。
实地调查可以通过采集土壤样本，并对其进行水分和盐分含量的测试，了解灌溉对土壤水盐变化的现状。
而实验研究可以在控制条件下，模拟不同的灌溉方式和灌溉频率，观察土壤水盐变化的过程。
这些研究成果对于指导农田灌溉的合理管理和农作物生产具有重要指导意义。
综上所述，农田灌溉对土壤水盐变化有着显著的影响。
核磁共振技术在土壤水研究中的应用
核磁共振技术在土壤水研究中的应用1.引言1.1 概述概述部分的内容可以写作如下：引言部分将介绍核磁共振技术在土壤水研究中的应用。
土壤作为地球上最重要的自然资源之一，对于维持生态平衡和支持农业生产至关重要。
而土壤中的水分含量是土壤的重要属性之一，它直接关系到土壤的物理性质、化学性质以及生物活性。
传统上，土壤中的水分含量被测量的方法主要依赖于实地采样和实验室分析的方式。
这种方法不仅耗费时间，且破坏了土壤的原始状态。
针对这一问题，核磁共振技术在土壤水研究中崭露头角，并显示出其独特的优势。
核磁共振技术是一种基于原子核自旋共振现象的物理分析方法，广泛应用于物质结构的研究。
它通过利用核磁共振现象以及水分子的特定特性，可以非侵入性地、准确地对土壤中的水分含量进行定量测量。
在土壤水研究中，核磁共振技术不仅可以提供土壤水分含量的定量信息，还可以探测土壤中水分的分布与运动状态。
这使得研究人员能够深入了解土壤水分的动态变化过程、水分运移规律以及土壤-水分-植物系统之间的相互作用机制。
此外，核磁共振技术还可以结合其他地球物理手段，如电磁感应、声波测井等，对土壤水分进行深度探测，实现对土壤水分的三维可视化研究。
本文将重点介绍核磁共振技术的原理和基本概念，并深入探讨其在土壤水研究中的应用。
通过对已有研究成果的综述和评估，我们将阐述核磁共振技术在土壤水研究中的优势、可能的发展方向和应用前景。
通过对核磁共振技术在土壤水研究中的应用进行深入研究，我们有望为土壤水资源的科学管理和可持续利用提供有效的技术支撑。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构进行探讨核磁共振技术在土壤水研究中的应用。
首先，在引言章节中，将对整篇文章的概述进行介绍，包括核磁共振技术以及其在土壤水研究中的应用背景和重要性。
接下来，文章的正文将分为两个部分展开。
第一个部分是2.1 核磁共振技术的原理和基本概念。
在这一部分，将详细介绍核磁共振技术的基本原理，包括核磁共振现象的发现和解释、核磁共振谱图的构成以及核磁共振信号的获取和处理方法。
再生水灌溉对土壤性质的影响研究进展
农业灌溉用水是水资源消耗的主要途径之一，2021年我国用水总量为5920.2亿m 3，其中农业用水3644.3亿m 3，占用水总量的61.6%[1]。
虽然全国水资源总量大，但人均水资源不到世界平均水平的1/4。
水资源短缺已成为制约我国生态环境质量和经济社会发展的重要因素。
我国“十四五”规划中提出，实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度，鼓励再生水利用[2]。
我国干旱半干旱地区面积广大，占国土总面积的47%，这些区域水资源匮乏，农业配置优质水资源更是逐年减少，可用于农业灌溉和生产生活的地表水、地下水已远远不能满足用水需求。
再生水灌溉不仅可以减少淡水资源的耗费，实现污水资源化，还能利用土壤自身特性净化水质、减少农业污染[3]。
在日益加剧的水资源短缺形势推动下，再生水作为来源稳定、成本效益高且可再生的二次水源，其开发与综合利用已成为补充农业用水量、缓解农业用水危机的不二之选，也是保障国家粮食安全和提高粮食产量的最优方案。
再生水是污水处理后的产物，目前的处理工艺难以完全去除水中杂质，其水质与地表水水质差别较大，因此长期灌溉可能会使水中残留的化学物质与微生物在土壤中积累，进而对土壤环境和人类健康产生不利影响。
因此，围绕再生水在农业灌溉中科学合理开发利用尚有一系列问题有待研究解决，如再生水安全高效利用灌溉方式，重金属、病原菌、药品和个人护理用品等典型污染物在土壤中的迁移和转化规律，再生水农业灌溉对作物发育、品质、产量及污染物富集状况等的影响。
本文结合国内外研究进展，系统论述了再生水灌溉对土壤物理性质、化学性质、养分、生物学性质和重金属含量的影响，归纳总结其研究重点与存在的问题，并对再生水高效灌溉与安全利用提出针对性的改进建议。
1再生水灌溉现状1.1国外再生水灌溉现状国外再生水灌溉发展较早，尤其是美国、新加收稿日期：2023-05-10作者简介：张琨（1996—），女，内蒙古乌兰察布人，在读硕士研究生，研究方向为水资源合理高效利用。
土壤微生物与植被、温度及水分关系的研究进展
的土壤微生物通过发展其生理适应性， 以在寒冷的
２ ０ ］ 环境中生存 ［ 。因此， 即使降低了空气温度， 通过
草还田
［ ８ ］
、 玉米免耕秸秆覆盖
［ ９ ］
都会对土壤微生物
７ ］ 等研究还指 群落功能多样性产生影响。张燕燕［
检测土壤微生物群落在冬季分解代谢过程中生产的 二氧化碳仍然可以对各种季节性积雪覆盖的生态系
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． １ ３ ８ ７ ６ ／ Ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｙ ｄ ｎ ｓ ｅ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ４ ． ０ ４ ３
土壤微生物与植被、 温度及水分关系的研究进展
邵㊀颖， 刘长海
（ 延安大学 生命科学学院， 陕西 延安 ７ １ ６ ０ ０ ０ ）
摘㊀要： 土壤微生物是土壤生态系统中极其重要和最为活跃的部分， 在土壤养分循环、 系统稳定性 和抗干扰能力以及土壤可持续发展中占据主导地位。研究发现， 土壤微生物的功能及其多样性与 植被多样性之间存在耦合关系， 同时土壤微生物的功能及其多样性受到环境因子温度和水分的影 响， 但对于生态环境脆弱的典型地貌区域的土壤微生物功能和多样性与植被、 温度和水分关系的研 究却是少之又少。总结阐述土壤微生物与植被以及温度水分之间的相互作用关系， 明确土壤微生 物在生态恢复中的重要性， 旨在为土壤生态恢复提供基础的科学参考。 关键词： 土壤微生物； 生态恢复； 风蚀水蚀交错区； 植被； 温度； 研究进展 中图分类号： Ｓ １ ５ ４ ３ ６ ㊀㊀文献标识码： Ａ ㊀㊀文章编号： １ ０ ０ ４－ ６ ０ ２ Ｘ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ４－ ０ ０ ４ ３－ ０ ６ ㊀㊀土壤微生物是由多个微生物种群组成的微生物 群落， 其群落结构和多样性能快速而敏感地反映环 境生态功能变化。在生态恢复实践中， 土壤微生物 作为最先锋者， 在地下生态系统的重要性和作用越 来越受关注。土壤微生物对土壤养分循环、 矿物分 解和团粒结构形成起着决定性作用， 能敏感地反映 气候以及土壤微生态环境的变化， 较早指示土壤有 机质的变化
国内外土壤水分研究进展
摘要 土壤 水供给作物 生长 ， 农业生产 的，４条件 ， 是 ｚ ￣ － 与人类 的生产 生活密切相 关。该 文概 述 了国 内￣－壤 水分 的研 究进展 ， 对未 来 １－ － ＋ 并 土壤 水研 究进 行 了展 望。 关 键词 土壤 水分 ； 值模拟 ； 质运移 数 溶 中图分类号 Ｓ ５ ． １ ７ ２ 文献标 识码 Ａ 文章编 号 ０ １ — ６ １２ａ ）４ １ ６ ０ ５ ６ １（ ７３ —１１ — ３ ７ ０ ４
有效利用 ＿ 。土壤 水是 四水 （ 表水 、 下 水 、 气水 、 ４ Ｊ 地 地 大 土壤
了达西定律ｌ ， ７ 年布利格斯提出了毛管假说ｌ。１ ７ ８１ ７ Ｊ８ ５ ９ 年 ｊ ０
Ｂｃｉ ｈ ｕ ｎａ ｋ ｇ ｍ首次将 毛管势概 念应 用 于土壤 水 ， 开辟 了利 用 能 量观点 进 行 土壤 水 运 动研 究 的新 途 径＿ 。１１ 年 Ｇｅｎ ５ ９１ Ｊ ｒ 和 ｅ
ｌｅ．Ｔ ｅｒｓａ ｃ ｒｇｅ ｓｓｏ ｏｌｗａｅ ｏ ｅ ｔａ ｏ ｄａ ｒａ ｒ ｕ ｉ ｆ ｈ ｅｅ ｒｈ ｐｏ ｒｓ ｎ ｓｉ ｔｒｃｎｔｎ ｔｈ ｍｅ ａ ｂｏｄ ｗｅｅ ｓｍｍａｉｅ ｄ ｆｔｒ ｅｅ ｒｈ ｓｏ ｏｌｗａｅ ｒ ｒｓ ｅ ｔｄ． ｅ ｎ ｒｚｄ ａ ｕ ｕｅｒｓａ ｃ ｅ ｎ ｓｉ ｔｒｗｅｅ ｐｏｐ ｃｅ ｎ
壤层 中的水 分 ＿。土壤 水 是 土 壤 的 最 重要 组 成 部 分 之 一 。 ｌ Ｊ 俄 国土 壤学家道库恰 耶夫把土壤 看作 历史 自然体 ， 土壤 赋予 水及其存 在的各种 现象 以特殊 意义 ， 土壤 水变 动的许 多现 把 象 同整 个土壤 形成 和发 展规 律 联 系起来 ＿。土壤 水 供 给作 ２ Ｊ 物 生长 ， 是农 业生产 的必要 条件 ， 陆地 植物 赖 以生存 的源 是 泉 。人类 的生存依 赖 于土 壤一 水系 统和 由它支 持 的植 物生 命 ＿。土壤 水是土壤肥 力的重要 组成部 分 ， ３ Ｊ 是植 物水分 循环 的水源基 地。土壤 水 的水分 物 理特 性制 约着 植 物对 水 分 的
土壤水分遥感反演研究进展
第３９卷第１３期２０１９年７月生态学报ＡＣＴＡＥＣＯＬＯＧＩＣＡＳＩＮＩＣＡＶｏｌ．３９，Ｎｏ．１３Ｊｕｌ．，２０１９基金项目：国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＡ０６０４７０１）；中国博士后科学基金项目（２０１８Ｔ１１００６６，２０１７Ｍ６２００２９）；中央高校基本科研业务费专项收稿日期：２０１８⁃０４⁃２６；㊀㊀网络出版日期：２０１９⁃０４⁃１７∗通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｓｈｕａｉｗａｎｇ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎＤＯＩ：１０．５８４６／ｓｔｘｂ２０１８０４２６０９４９潘宁，王帅，刘焱序，赵文武，傅伯杰．土壤水分遥感反演研究进展．生态学报，２０１９，３９（１３）：４６１５⁃４６２６．ＰａｎＮ，ＷａｎｇＳ，ＬｉｕＹＸ，ＺｈａｏＷＷ，ＦｕＢＪ．Ａｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｆｒｏｍｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ．ＡｃｔａＥｃｏｌｏｇｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１９，３９（１３）：４６１５⁃４６２６．土壤水分遥感反演研究进展潘㊀宁１，王㊀帅１，∗，刘焱序１，赵文武１，傅伯杰１，２１北京师范大学地理科学学部，地表过程与资源生态国家重点实验室，北京㊀１００８７５２中国科学院生态环境研究中心，城市与区域生态国家重点实验室，北京㊀１０００８５摘要：土壤水分精确反演对于理解和解决农业生产㊁生态规划以及水资源管理中的科学与实际问题至关重要㊂目前，大量的反演算法被广泛用于土壤水分估算，全球土壤水分遥感反演产品不断发布，反演算法与产品数据集的应用前景亟待系统梳理㊂基于不同谱段遥感探测技术中的土壤水分反演方法存在各自的特点㊁优势和局限性㊂除反演方法研究外，土壤水分遥感反演研究热点可被归纳为遥感土壤水分产品评估㊁在相关领域的应用㊁数据同化３个方面㊂大量研究表明土壤水分遥感反演产品在生态㊁水文㊁干旱等研究中表现出巨大的潜力，且在部分研究中已经得到应用㊂但目前土壤水分的遥感观测与应用需求仍存在一定的差距，因此最后对土壤水分遥感反演在探测的精度和准确度两个方面及其解决方案进行了总结与展望㊂关键词：土壤水分；反演方法；遥感产品；数据应用；数据同化ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｆｒｏｍｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇＰＡＮＮｉｎｇ１，ＷＡＮＧＳｈｕａｉ１，∗，ＬＩＵＹａｎｘｕ１，ＺＨＡＯＷｅｎｗｕ１，ＦＵＢｏｊｉｅ１，２１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥａｒｔｈＳｕｒｆａｃｅＰｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅＥｃｏｌｏｇｙ，ＦａｃｕｌｔｙｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，ＢｅｉｊｉｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７５，Ｃｈｉｎａ２ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎａｎｄＲｅｇｉｏｎａｌＥｃｏｌｏｇｙ，ＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＥｃｏ⁃ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８５，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｕｒａｔｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄｓｏｌｖｉｎｇｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｌａｎｎｉｎｇ，ａｎｄｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ，ａｎｄｇｌｏｂａｌｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｖｅｒｓｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｐｕｂｌｉｓｈｅｄ，ｂｕｔｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｄａｔａｓｅｔｓｎｅｅｄｔｏｂｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｃｏｍｂｅｄ．Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｍｅｔｈｏｄｓｂａｓｅｄｏｎｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅｓｈａｖｅｔｈｅｉｒｏｗｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｉｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｈｏｔｓｐｏｔｓｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃａｎｂｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｏｔｈｒｅｅａｓｐｅｃｔｓ：ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｒｅｌａｔｅｄｆｉｅｌｄｓ，ａｎｄｄａｔａａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ．Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｔｕｄｉｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｖｅｒｓｉｏｎｐｒｏｄｕｃｔｓｆｏｒｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｈａｖｅｓｈｏｗｎｇｒｅａｔｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｎｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ，ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ，ｄｒｏｕｇｈｔ，ａｎｄｏｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｄｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｏｍｅｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｉｓｓｔｉｌｌａｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ．Ｔｈｕｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｎａｌｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｓａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｓｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎａｎｄａｃｃｕｒａｃｙｏｆＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＩｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄｉｔｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｉｎｖｅｒｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓ；ｄａｔａａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ；ｄａｔａａｓｓｉｍｉｌａｔｉｏｎ土壤水分作为重要的陆地表层系统要素，是生态㊁环境㊁农业等领域研究中不可忽视的指标㊂对比传统的６１６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀土壤水分测量方法如烘干法㊁时域反射法等局地土壤水分测量途径［１］，遥感技术提供了一种周期性㊁可全球覆盖的㊁多时相的对地观测手段［２⁃５］，为土壤水分研究带来了新的技术支撑㊂在目前遥感技术和土壤水分研究的衔接中，数据㊁方法与应用三者之间的级联特征尚缺乏梳理，容易致使数据误用，从而增加了遥感土壤水分产品在使用中的不确定性㊂基于此，本文拟依托数据㊁方法与应用的逻辑主线（图１），首先对土壤水分研究中所涉及到的遥感数据及对应方法的特点与不足进行梳理，为遥感技术在土壤水分研究中的应用提供更清晰的技术背景；随后对土壤水分数据产品的近今研究应用进行归纳总结，提出目前的研究热点及方向；最终就遥㊂感土壤水分的研究前景做出三点展望图１㊀遥感技术在土壤水分中的研究框架Ｆｉｇ．１㊀Ｒｅｓｅａｒｃｈｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ１㊀土壤水分遥感定量反演基础１．１㊀光学遥感反演方法广义的光学遥感包括可见光⁃近红外⁃热红外三部分的波段范围㊂目前在可见光⁃近红外波段，常用的方法是利用Ｌａｎｄｓａｔ或ＭＯＤＩＳ等多光谱数据构建相应的干旱指数或植被指数来反映土壤含水量［６⁃８］㊂在热红外波段，通过地表温度［９］或热惯量［１０］实现土壤水分的反演㊂其中地表温度常常与植被指数相结合，通过不同土壤水分条件下所观测到的卫星影像像元值在温度⁃植被指数特征空间的分布规律来估算土壤水分［１１⁃１４］㊂热惯量与土壤水分之间存在一定的理论基础，可以根据能量平衡方程来估算土壤水分，但由于物理模型较复杂，常常利用回归函数模型进行反演㊂在经验方程基础上，相关研究还在模型中对地形㊁土壤质地㊁风速等影响热惯量的因素进行了修正㊂例Ｄｏｎｇ等［１５］通过表层土壤温度估算了土壤热和水力参数，并用来促进土壤水分估算的精度和鲁棒性㊂对比之下，可见光⁃近红外波段可以反映地表植被生长状况，热红外波段的光谱特性可以通过能量平衡与土壤水分建立理论模型㊂因此在近几年光学遥感反演土壤水分的研究中，可见光⁃近红外波段数据常常与热红外波段数据进行融合分析㊂除上述温度⁃植被指数空间外，另一种常用的融合方法是蒸散与作物缺水指数法㊂例如虞文丹等［１６］在作物缺水指数构建模型中引入双层蒸散发模型，估算了表层２０ｃｍ土壤的相对含水量㊂此外还有多种融合方式，如除多等［１７］将生长季植被供水指数与热红外波段相结合实现西藏高原地区的土壤水分遥感监测；于君明等［１８］通过角度指数来修正ＭＯＤＩＳ数据近红外与两个热红外光谱之间的关系，提高了土壤水分监测的精度㊂此外，高光谱遥感技术也以其丰富的光谱信息广泛应用于土壤水分的反演中［１９］，例如Ｓａｄｅｇｈｉ等［２０］在波段选择的基础上提出了一种基于可见光⁃近红外波段估算土壤水分的线性物理模型㊂土壤反射光谱曲线中的水分吸收带主要体现在近红外的１４００ｎｍ㊁１９００ｎｍ和２２００ｎｍ左右，最佳波段选择㊁光谱特征增强（如微分光谱㊁差分等）是剔除数据冗余㊁提高反演精度的常用方法㊂利用高光谱技术反演土壤水分可以分为两种类型，一种是采用土壤采样的方法，分别获取土壤含水量和土壤反射光谱，通过经验模型建立土壤水分与光谱反射之间的关系，同时还可以用来分析土壤含水量与有机质㊁氮磷元素等含量的影响，此类实验研究较多［２１⁃２２］；另一种是利用高光谱影像实现土壤水分的分布制图㊂由于高光谱数据含有丰富的光谱信息，混合光谱分解是目前高光谱研究中的热点和难点，也引入到了土壤水分反演的研究中，例如蔡亮红和丁建丽［２３］利用小波变换对土壤光谱进行８层分解，分别对分解后特征光谱进行９种数学运算建立与土壤水分的回归模型，为反射率法反演土壤水分提供了新思路㊂１．２㊀微波遥感反演方法对比光学遥感，微波遥感波长较长，具有一定的穿透能力，不受云层㊁大气的影响，在对地观测研究中发挥着巨大的作用，近年来发射的对地观测卫星也均以微波传感器为主，如ＳＭＯＳ㊁ＳＭＡＰ等㊂微波遥感反演土壤水分受植被和粗糙度［２４⁃２５］影响较大，在光滑的裸土区域精度最佳，并随着土壤粗糙度和植被生物量的增加而降低，因此通常分裸露地表［２６］和植被覆盖地表进行反演分析㊂微波遥感反演地表土壤水分具有一定的理论基础［２７⁃２８］㊂理论模型不依赖于站点条件和传感器特性［２９］，在裸露地表或稀疏植被区建立的主动微波物理模型有几何光学模型㊁物理光学模型㊁小扰动模型以及积分方程模型ＡＩＥＭ等㊂前３个模型均有一定的粗糙度适用范围，而ＡＩＥＭ模型的粗糙度适用范围相对较宽㊂然而由于对表面粗糙度的敏感性及其参数测量困难，ＡＩＥＭ模型在实际应用中结果并不理想，过去的几年中出现了ＩＥＭ改进模型和许多解算方案，如神经网络㊁遗传算法等㊂主动微波经验模型假设粗糙度不变的情况下，后向散射系数和土壤水分之间有一个近似的线性关系［３０］㊂然而经验模型的参数设置一般只对特定的数据集和实验条件（如观测频率㊁入射角和表面粗糙度等）有效，该模型的建立需要大量实验基础，实现成本较高且鲁棒性较差㊂半经验模型是经验模型和理论模型的一个折中［３１⁃３２］，利用模拟或实测数据集来简化后向散射的理论模型，建立在一定的统计规律上，又在一定程度上反映了散射机制，能够获得较好的精度，如常用的Ｏｈ模型［３３］和Ｄｕｂｏｉｓ模型［３４］㊂随后，一些研究将两种常用模型耦合，提出了一种融合模型，即半经验耦合（ＳＥＣ）模型㊂ＳＥＣ模型在同向极化和交叉极化中均耦合了两种模型的最佳性能，并且不需要使用实测的粗糙度数据㊂与主动微波类似，被动微波反演土壤水分的方法也分为理论模型和经验模型，但相对而言受干扰因素更多㊂因此土壤粗糙度㊁土壤纹理信息等相关参数被引入土壤水分反演模型中，如Ｈｏｎｇ和Ｓｈｉｎ［２８］针对被动微波遥感提出了一种基于粗糙表面极化率特性反演土壤水分的算法㊂而在植被覆盖区，则需要引入植被指数或水云模型等来消除植被的影响㊂１．３㊀反演方法研究现状针对不同遥感数据类型的土壤水分反演方法各具特点和优势（表１）㊂其中光学遥感具有较高的空间分辨率，可以准确反映植被信息，技术相对成熟㊁可用卫星数据源多且可以获取高光谱分辨率数据；然而其时间分辨率差，受大气影响严重，多局限于区域研究，且大部分反演方法仅能反映土壤的相对湿度㊂微波遥感具有一定的穿透能力，不受云雾干扰，可以全天候观测，有相对完善的理论基础，更适合土壤水分的估算，但空间分辨率低，且受植被和地表粗糙度的影响㊂目前公开发表的一系列全球尺度的遥感土壤水分产品均建立在微波探测数据基础上㊂目前，土壤水分的遥感反演方法的研究方向可以分为４种主要类型㊂第一种是多源数据协同反演㊂除了上述光学遥感内部融合方法以外，主被动微波遥感数据相结合也是一种常用的数据融合方式［３５⁃３６］㊂如Ｋｏｌａｓｓａ等［３７］的研究表明ＡＭＳＲ⁃Ｅ的亮度温度数据和ＡＳＣＡＴ后向散射数据间的协同作用能够有效的提高土壤水分估算数据质量㊂Ｌｉｅｖｅｎｓ等［３８］将雷达的后向散射系数（ＡＳＣＡＴ数据）与辐射计的亮度温度（ＳＭＯＳ数据）相结合，从而促进土壤水分和陆地蒸发等水文要素的估算㊂而在植被覆盖区，采用微波与光学遥感相结７１６４㊀１３期㊀㊀㊀潘宁㊀等：土壤水分遥感反演研究进展㊀合的方式来消除植被对土壤水分反演的影响［３９⁃４０］㊂第二种是引入新的计算方法，如神经网络㊁遗传算法等，Ｓａｎｔｉ等［４１］和余凡等［４２］分别用人工神经网络和遗传ＢＰ神经网络实现了土壤水分的主被动遥感协同反演；随后，支持向量机等机器学习方法［４３⁃４４］在遥感中的应用成了新的热点；此外，更多的统计方法被引入到土壤水分反演的经验模型中，如贾继堂等［２２］基于多元统计分析建立了高光谱数据的土壤含水量反演模型㊂第三种是改进现有模型㊂由于土壤水分的遥感反演受多种因素的影响，如植被覆盖㊁地表粗糙度㊁土壤类型㊁地形等，理论模型过于复杂，从而在解算简化模型时会根据具体研究区域进行相应改进，从而提高反土壤水分反演的精度［４５⁃４８］㊂第四种是针对新对地观测传感器所获取数据的反演算法［４９⁃５２］㊂随着对地观测技术的发展，传感器的波段以及相应的数据获取方式也逐渐进步㊂因此利用此类数据反演土壤水分时，需要根据新的数据特征提出新的反演方法，如针对近两年发射的ＳＭＯＳ和ＳＭＡＰ卫星数据提出的一系列反演方法㊂表１㊀不同遥感探测类型对比表Ｔａｂｌｅ１㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｙｐｅｓ光谱范围Ｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅ观测属性Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｌａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ优势Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ局限性Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ可见光⁃近红外Ｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ⁃ｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄ土壤反射率空间分辨率高幅宽大表层穿透力差噪声源多限日间工作热红外Ｔｈｅｒｍａｌｉｎｆｒａｒｅｄ地表温度空间分辨率高幅宽大物理意义明确表层穿透力差噪声源多受大气状况㊁植被干扰强被动微波Ｐａｓｓｉｖｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ亮温介电特性大气干扰小穿透力强物理意义明确空间分辨率小受地表粗糙度㊁植被影响大主动微波Ａｃｔｉｖｅｍｉｃｒｏｗａｖｅ后向散射系数介电特性大气干扰小穿透力强物理意义明确空间分辨率小受地表粗糙度㊁植被影响大土壤水分存在一定的区域性，大部分学者会针对特定的地表类型或区域特征进行土壤水分的反演研究［５３⁃６１］㊂例如武晋雯等［６２］针对不同植被条件下的土壤水分监测方法进行了比较；刘焕军等［６３］则针对性研究了黑土的土壤水分的高光谱模型㊂此外还有针对干旱区㊁矿区㊁湿地等地表类型的土壤水分反演研究㊂这些土壤水分的反演方法在区域研究中表现良好并不意味着具有普适性，虽然理论基础相同，但在实际应用中表现各异，因此土壤水分的遥感反演方法始终是研究热点㊂２㊀主要研究热点２．１㊀遥感土壤水分产品评估对地观测卫星数量增加，微波探测器从Ｃ波段以发展到了Ｌ波段，为土壤水分观测增加了新的数据产品㊂如表２所示，目前发布全球遥感土壤水分数据的对地观测计划有ＡＳＣＡＴ［６４］㊁ＡＭＳＲ⁃Ｅ／２［６５］㊁ＳＭＯＳ［６６］㊁ＳＭＡＰ［６７］和我国的ＦＹ⁃３共５个，其中ＳＭＯＳ和ＳＭＡＰ是利用Ｌ波段进行地表探测的卫星计划㊂除此之外，２０１２年，作为气候变化公约（ＣｌｉｍａｔｅＣｈａｎｇｅＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ，ＣＣＩ）项目的一部分，欧洲航空局（ＥｕｒｏｐｅａｎＳｐａｃｅＡｇｅｎｃｙ，ＥＳＡ）发布了首套数十年全球卫星观测土壤水分数据集，并已在气候变化㊁水文㊁生态等研究中得以应用［６８］㊂一系列全球尺度土壤水分数据集的发布，数据集在全球各地以及不同尺度的验证和对比分析成为了近几年的研究热点［６９⁃８５］㊂首先就时间尺度而言，由于卫星发射时间的不同，各数据集的时间序列参差不齐，其中ＥＳＡＣＣＩ数据集将相关微波数据进行融合获得了最长时间系列的土壤水分数据；其次由于传感器的探测波段不同，数据反演方法均有很强的针对性，空间分辨率也存在很大差异，具体见表２㊂验证数据包括实测数据和模型模拟数据两种检验类型，整体而言，各数据集均能满足应用需求，但普遍在地势平坦㊁地表裸露或草原区域数据精度较８１６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀高，且不同数据集的表现在不同区域存在很大的差异性㊂例如庄媛等［８６］的研究表明２０１２年的ＡＳＣＡＴ㊁ＷＩＮＤＳＡＴ㊁ＦＹ３Ｂ㊁ＳＭＯＳ共４种微波遥感土壤湿度产品在我国西北地区相对较好；而沈润平等［８７］的研究表明ＥＳＡＣＣＩ土壤湿度产品在我国东北地区精度最佳㊂此外，各数据集的空间相关性和时间敏感度也存在差异，如Ｐｏｌｃｈｅｒ等［８８］的研究表明，在伊比利亚半岛地区，ＳＭＯＳ数据空间相关性较差；Ｙｅｅ等［８９］在澳大利亚的马兰比季河流域比较了ＳＭＯＳ和ＡＭＳＲ⁃２数据的精度，指出若综合考虑绝对精度和时间精度，推荐最新版本的ＪＡＸＡ数据产品（ＪＸ２）；若只考虑时间精度，夜间观测获得的ＬＰ３Ｘ产品和早晨观测获得的ＳＭＯＳ２产品更佳㊂正是数据集之间存在很大的差异且区域表现的不确定性使得大量的研究聚集在数据的检验和对比㊂表２㊀全球遥感土壤水分产品对比Ｔａｂｌｅ２㊀ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｇｌｏｂａｌｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｐｒｏｄｕｃｔｓＡＳＣＡＴＡＭＳＲ⁃Ｅ／２ＳＭＯＳＳＭＡＰＦＹ⁃３ＥＳＡＣＣＩ设备类型ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｔｙｐｅＣ波段（５．２５５ＧＨｚ）主动微波６．９３ ８．９ＧＨｚ被动微波Ｌ波段（１．４ＧＨｚ）被动微波Ｌ波段（１．２ １．４ＧＨｚ）主被动微波微波成像仪多源数据空间分辨率Ｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ１２．５ｋｍ，２５ｋｍＬｅｖｅｌ２：２５ｋｍＬｅｖｅｌ３：１２ｋｍ１５ ２１７０ｋｍ３５ｋｍ３ ４０ｋｍ５０ˑ８５／２５ｋｍ ２５ｋｍ时间分辨率Ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ３ｄ２次／ｄ１ ３ｄＬｅｖｅｌ３：１ｄ／３ｄ／１０ｄ／月３ｄ２次／ｄ１０ｄ／月１ｄ时间序列Ｔｉｍｅｓｅｒｉｅｓ２００７至今２００２ ２０１０２０１３至今２０１０至今２０１５至今２０１１至今１９７９至今反演精度Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙ０．０３ ０．０７ｍ３／ｍ３ȡ０．０４ｍ３／ｍ３ȡ０．０４ｍ３／ｍ３ȡ０．０４ｍ３／ｍ３０．０５ｍ３／ｍ３０．０４ｍ３／ｍ３㊀㊀ＡＳＣＡＴ，高级散射计，ｔｈｅＡｄｖａｎｃｅｄＳｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｅｒ；ＡＭＳＲ⁃Ｅ／２，高级微波扫描辐射计，ｔｈｅＡｄｖａｎｃｅｄＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｃａｎｎｉｎｇＲａｄｉｏｍｅｔｅｒ⁃Ｅ／２；ＳＭＯＳ，土壤水分和海洋盐度卫星，ｔｈｅＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＳａｌｉｎｉｔｙ；ＳＭＡＰ，土壤湿度主动／被动探测，ＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＡｃｔｉｖｅ／Ｐａｓｓｉｖｅ；ＦＹ⁃３，风云３号，Ｆｅｎｇｙｕｎ⁃３；ＥＳＡＣＣＩ，欧洲航空局气候变化公约，ＥｕｒｏｐｅａｎＳｐａｃｅＡｇｅｎｃｙＣｌｉｍａｔｅＣｈａｎｇｅＩｎｉｔｉａｔｉｖｅ２．２㊀在相关领域的应用土壤水分作为地表要素之一，在气候变化㊁陆气交互㊁全球生态㊁水文和地表模型以及干旱等研究中均起着不可或缺的作用㊂首先，在气候变化研究中，遥感土壤水分数周期性㊁时间序列长㊁空间范围广的优势有利于分析变化的空间分布和时间动态趋势［９０⁃９１］㊂Ｆｅｎｇ［９２］的研究表明，在全球尺度上，气候变化是土壤水分长时间变化的最主要驱动因素㊂因此土壤水分的变化在某种程度上反应了气候变化㊂Ｓｅｎｅｖｉｒａｔｎｅ等［９３］综合阐述了土壤水分在土地能源和水平衡中的作用，并详细分析了土壤水分与气候间的交互作用对温度和降水的影响以及在气候变化背景下的含义㊂在陆气交互研究中，土壤水分可以影响边界层的温湿变化㊂由于目前大部分关于土壤水分⁃蒸散发或土壤水分⁃温度耦合的研究都基于模型模拟结果或基于降水的干旱指数，而遥感可以提供长期的土壤水分观测估算数据，在研究蒸散发动态和大气反馈的同时还可以进行模型诊断［９４⁃９６］㊂Ｋｌｉｎｇｍｕｌｌｅｒ等［９７］将气溶胶光学厚度的正向趋势与ＥＳＡＣＣＩ土壤水分数据的反向趋势相连接，建立了更直接的土壤水分⁃大气反馈模型㊂他们的结果表明，在过去的１０年中，温度的升高和相对湿度的下降促进了土壤的干燥，导致了更多的粉尘排放和ＡＯＤ㊂在全球生物化学循环和生态系统中，土壤水分是植物物候学㊁光合作用㊁生物量分配以及土壤中碳的积累和分解等陆地生态系统过程的调节剂［９８⁃９９］㊂许多研究利用遥感土壤水分数据评估水分可用性和干旱对植物物候和生产力的影响［１００⁃１０３］㊂除此以外，也有部分学者关注于植被生长对土壤水分的影响㊂例如Ｆｅｎｇ等［１０４］分析了２００２ ２０１１年间的ＡＭＳＲ⁃Ｅ土壤水分数据，表明黄土高原退耕还林还草使土壤水分含量有所下降㊂此外，Ｐｅｒｉａｓａｍｙ等［１０５］还对土壤水分压力和盐分进行估算用于土地退化评价㊂在水文和陆表模型中，土壤水分联结了径流㊁洪水㊁蒸发㊁渗透和地下水补给等过程㊂遥感反演土壤水分９１６４㊀１３期㊀㊀㊀潘宁㊀等：土壤水分遥感反演研究进展㊀０２６４㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀３９卷㊀数据在陆表模型和大尺度水文模型中的潜力已广泛得到认可［１０６］㊂Ｚｈｕｏ等［７２］以美国的某一流域为研究区，评估了ＳＭＯＳ升降两种观测所得土壤水分数据及其在水文气象模型中应用的可行性㊂首先遥感土壤水分数据可以用来洪水和径流预测，例Ｗａｎｄｅｒｓ等［１０７］的研究表明了多源遥感土壤水分数据在径流预测中的促进作用㊂其次，遥感土壤水分数据还可以用来促进水文循环中不同要素的定量化，如蒸散发［１０８⁃１０９］㊁地下水含量［１１０］以及降雨等㊂在干旱研究中，土壤水分的遥感数据可以直接用来监测农业干旱或者用来建立干旱指标［１１１⁃１１４］㊂例如Ｒａｈｍａｎｉ等［９１］利用ＳＭＯＳＬ３㊁ＥＳＡＣＣＩ和两种再分析土壤水分数据分析了伊朗６个子区域的土壤水分变化趋势，并通过计算标准土壤水分指数（ＳｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＩｎｄｅｘ，ＳＳＩ）来检测农业干旱事件的时间和规模㊂Ｍｉｓｈｒａ等［１１５］利用ＳＭＡＰ土壤水分数据构建了一个土壤水赤字指数作为农业干旱指标㊂２．３㊀数据同化在上述遥感土壤水分的应用研究中需要与降水㊁植被㊁蒸散发等数据共同计算，并涉及到许多的陆表过程㊁水文以及陆气交互模型㊂根据需求则需要将不同的数据类型或将遥感土壤水分数据引入到相应模型中，即同化㊂一方面，现有的遥感土壤水分数据产品存在精度不稳定㊁时间序列不连续㊁空间分辨率不匹配等缺陷，部分学者将不同的数据源进行同化，以满足研究需求㊂Ｌｉｕ等［３６］针对各数据集间数据质量不同等问题，提出了一种数据融合方法，将若干被动和主动微波获取的数据集融合为一个具有长时间序列的数据集㊂Ｋｏｌａｓｓａ等［３７］提出了一种利用回归方程生成长时间序列数据集的方法，将ＳＭＯＳ表层土壤水分作为回归方程的参考值，应用到ＡＭＳＲ⁃Ｅ的亮度温度数据，从而使得ＡＭＳＲ⁃Ｅ反演得出的表层土壤水分产品与ＳＭＯＳ产品达成一致㊂Ｃｒｏｗ等［５０］在美国的１６个流域对多个Ｌ波段微波遥感所得土壤水分数据与地表数据进行同化分析，提高了土壤水分信息的质量，并将土壤水分结果成功应用于水文预测㊂另一方面，遥感数据反演所得均为表层土壤水分数据，有学者利用数据同化获得根区土壤水分㊂如Ｄａｓ等［１１６］将机载遥感反演的表层土壤水分同化进入土壤⁃水⁃大气⁃植物（ＳＷＡＰ）模型中，估算了核桃谷流域根区土壤水分㊂Ｂａｌｄｗｉｎ等［１１７］提出了一种集合卡尔曼滤波（ｅｎｓｅｍｂｌｅＫａｌｍａｎｆｉｌｔｅｒ，ＥｎＫＦ）水文数据同化系统来预测卫星土壤水分数据中的偏差，并结合土壤水分解析关系（ＳｏｉｌＭｏｉｓｔｕｒｅＡｎａｌｙｔｉｃａｌＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ，ＳＭＡＲ）渗透模型，利用卫星观测的表层土壤水分实现根区土壤水分的预测㊂也有部分学者反其道而行之，如Ｃｏｏｐｅｒｓｍｉｔｈ等［４４］由于实测传感技术和现有土壤水分观测网站无法提供实测表层土壤水分数据，从而通过机器学习方法，利用１０ｃｍ探测数据以及当前降水数据估算表层５ｃｍ的土壤水分，可以用来验证和分析遥感土壤水分估算结果㊂此外，由于数据或数据集之间的空间分辨率存在差异，在数据融合和同化的过程中涉及到一些数据降尺度或升尺度算法㊂降尺度算法可以数据的空间分辨率提高；而升尺度算法将数据的空间分辨率降低㊂如王璐等［１１８］基于克里格法实现了土壤水分遥感数据的空间尺度转换㊂Ｆａｎｇ和Ｌａｋｓｈｍｉ［１１９］在流域尺度，提出了一种利用高空间分辨率的地表温度和植被指数对被动微波反演所得土壤水分降尺度的算法，以提高土壤水分数据的空间分辨率㊂对于该部分研究内容，周壮等［１１９］和Ｑｉｎ等［１２０］已分别对降尺度和升尺度算法进行了详细综述分析㊂３㊀研究展望土壤水分作为四大圈层水分大循环中的重要组成部分，是对地观测中不可忽视的要素㊂遥感反演土壤水分的研究减少了野外采样获取土壤水分的人力劳动，且有着观测范围广㊁周期性㊁长时间序列的优势㊂随着遥感技术的发展，对地观测所用的波段范围越来越广泛；土壤水分遥感反演方法愈加的多元化且更为成熟和完善；同时越来越多的对地观测计划提供了全球土壤水分数据集，并在气候㊁生态干旱等研究中得以应用㊂然而遥感土壤水分观测与地球系统的研究需求之间仍然存在一些差距㊂首先，受遥感探测数据源的限制，获取的均为土壤表层数据㊂其次，土壤水分的反演方法表现出局限性，使得反演结果的精度有待提高㊂同时，由于遥感反演结果的不确定性，遥感土壤水分产品在生态㊁水文等领域的应用受到很大限制㊂因此，为满足科研需求，遥感土壤水分观测需要从精度和准确度两个方面进行提高㊂３．１㊀增加探测深度就深度而言，由于遥感探测器接收的地表辐射穿透能力有限，仅与表层土壤水分的相关性较强，最深仅可估算３０ｃｍ厚度的土壤水分㊂而在生态㊁水文等研究中，土壤水分的入渗以及部分植物的根系生长深度远超３０ｃｍ，使得遥感土壤水分反演数据与径流㊁植物生长等要素的联系并不紧密，因此在相关应用中表现出局限性㊂为了解决这一问题，需要建立遥感数据或反演所得表层土壤水分与深层土壤水分的关系㊂在这一过程中，可以引入土壤热学和水力学性质，分析土壤水分在土壤剖面的分配规律，从而实现深层土壤水分的遥感估算，例如Ｄａｓ等［１１６］和Ｂａｌｄｗｉｎ等［１１７］根区土壤水分的遥感预测的研究㊂如果将深层土壤水分的遥感估算进行全球推广，将对全球生态和水文研究具有重大意义㊂３．２㊀提高探测准确度准确度包含两个方面的含义，一是探测的精度，尽可能的减小估值和真值之间的误差；二是在空间和时间上的准确性㊂就精度而言，虽然在区域尺度上，一些反演结果的精度可以满足研究的需求，但全球尺度上的空间异质性使得遥感反演土壤水分产品在不同区域的精度参差不齐㊂例如，Ｗｕ等［７１］指出ＡＭＳＲ２土壤水分数据普遍比实际土壤水分数据低，在大平原与实测数据的匹配度高，而在森林区匹配度差㊂因此，提高土壤水分的遥感反演精度以及空间一致性将增加反演结果的实用性㊂就空间尺度而言，增加空间分辨率将能够为更多的区域性应用研究提供服务㊂目前公布的土壤水分产品均建立微波遥感数据基础上，空间分辨率相对较为粗糙，无法进行区域的精细研究，且与实测数据或模型模拟数据结合时存在尺度不一致的问题㊂在时间维度上，全球遥感土壤水分产品受不同对地观测计划的时间限制，时间序列不连续㊂解决这一系列问题的最有效方法就是数据融合，集合多源数据的优势，且目前有些学者已经涉及到相关的解决方案㊂虽然遥感反演土壤水分的研究中仍面临一些问题，短时间内上述提到的遥感土壤水分产品的不确定性难以从根本上得到解决，然而数据融合和协同方法可以对这一现状进行改善，为遥感土壤水分数据的应用提供了更多可能㊂但与其他土壤水分监测方法相比，遥感反演方法除了可以减少人力投入以外，所获土壤水分数据也有着不可比拟的优势㊂遥感反演土壤水分数据是大范围㊁面状㊁周期性的电子数据，可操作性强，更有利于分析土壤水分的异质性以及与其他生态㊁水文㊁气象等因子的相互关系㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］㊀Ｌｅｋｓｈｍｉ，ＳＵＳ，ＳｉｎｇｈＤＮ，ＢａｇｈｉｎｉＭＳ．Ａｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｖｉｅｗｏｆｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１４，５４：９２⁃１０５．［２］㊀杨涛，宫辉力，李小娟，赵文吉，孟丹．土壤水分遥感监测研究进展．生态学报，２０１０，３０（２２）：６２６４⁃６２７７．［３］㊀陈书林，刘元波，温作民．卫星遥感反演土壤水分研究综述．地球科学进展，２０１２，２７（１１）：１１９２⁃１２０３．［４］㊀ＰｅｔｒｏｐｏｕｌｏｓＧＰ，ＩｒｅｌａｎｄＧ，ＢａｒｒｅｔｔＢ．Ｓｕｒｆａｃｅｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｒｅｔｒｉｅｖａｌｓｆｒｏｍｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ：ｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓ，ｐｒｏｄｕｃｔｓ＆ｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓ．ＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆｔｈｅＥａｒｔｈ，ＰａｒｔｓＡ／Ｂ／Ｃ，２０１５，８３⁃８４：３６⁃５６．［５］㊀徐沛，张超．土壤水分遥感反演研究进展．林业资源管理，２０１５，（４）：１５１⁃１５６，１６０．［６］㊀ＷａｎｇＬＬ，ＱｕＪＪ．ＮＭＤＩ：ａｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｍｕｌｔｉ－ｂａｎｄｄｒｏｕｇｈｔｉｎｄｅｘｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｏｉｌａｎｄｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｍｏｉｓｔｕｒｅｗｉｔｈｓａｔｅｌｌｉｔｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ．ＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＬｅｔｔｅｒｓ，２００７，３４（２０）：１１７⁃１３１．［７］㊀ＧｈｕｌａｍＡ，ＱｉｎＱＭ，ＺｈａｎＺＭ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｔｈｅｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｄｒｏｕｇｈｔｉｎｄｅｘ．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＧｅｏｌｏｇｙ，２００７，５２（６）：１０４５⁃１０５２．［８］㊀ＧｈｕｌａｍＡ，ＱｉｎＱＭ，ＴｅｙｉｐＴ，ＬｉＺＬ．Ｍｏｄｉｆｉｅｄｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｄｒｏｕｇｈｔｉｎｄｅｘ（ＭＰＤＩ）：ａｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｒｏｕｇｈｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＩＳＰＲＳＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇ，２００７，６２（２）：１５０⁃１６４．［９］㊀喻素芳，范文义，秦武明，吴英，陆道调．地表温度估测土壤含水量．广西大学学报：自然科学版，２００７，３２（Ｓ１）：１１０⁃１１２．［１０］㊀张霄羽，毕于运，李召良．遥感估算热惯量研究的回顾与展望．地理科学进展，２００８，２７（３）：１６６⁃１７２．［１１］㊀柳钦火，辛景峰，辛晓洲，田国良，杨贵军．基于地表温度和植被指数的农业干旱遥感监测方法．科技导报，２００７，２５（６）：１２⁃１８．［１２］㊀田苗，王鹏新，孙威．基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展．地球科学进展，２０１０，２５（７）：６９８⁃７０５．［１３］㊀林巧，王鹏新，张树誉，李俐，景毅刚，刘峻明．不同时间尺度条件植被温度指数干旱监测方法的适用性分析．干旱区研究，２０１６，３３（１）：１８６⁃１９２．［１４］㊀沙莎，郭铌，李耀辉，胡蝶，王丽娟．温度植被干旱指数（ＴＶＤＩ）在陇东土壤水分监测中的适用性．中国沙漠，２０１７，３７（１）：１３２⁃１３９．１２６４㊀１３期㊀㊀㊀潘宁㊀等：土壤水分遥感反演研究进展㊀。
农田土壤水分测定与模拟研究进展
体， 通过 典 型带 动 、 观摩 促 动 、 传驱 动等 形 式 和途 宣
径 展示 区 内建设 成果 ， 强示范 辐 射功 能 ， 效地促 增 有
进 了地方 农业 经 济 的发展 。在 积极 为地方 科技 服务 的同时 ， 学校 科技 人 员 特 别 是青 年 科 技 人 员 得 到 了 理论 与实 践相 结合 的综 合 锻 炼 ； 校 的科 技项 目在 学
题 的 日益关 注也 引 起 了对 土 壤贮水 量 和土壤 水 分运
动模拟 的兴趣 。尤其 是 因为 土壤贮 水量 和土 壤水 分
运 动影 响 土壤化 学 物 质 的运 动 和转 化 （ 甲烷 的排 如 放 、 壤养 分 的转 化 ） 在 土 壤退 化 过 程 中 （ 有 机 土 ， 如 质 的流 失 、 土壤 风蚀 水 蚀 、 壤盐 碱 化 等 ） 壤 水 分 土 土
５ ６ ８ ８ Ｅ—ｍａ ：ａ ｆ ｇｌ ＠ １ ３ ｔ ｍ。 ８ ９ ４ ９； ｉ ｇｏｅ ｊ ｙ ６ ． ｏ ｌ ｎ ｓ
的最佳时机和用量 ， 以及灌排系统的设计 。它与耕 作 、 闲 、 作等 耕养 土壤 保护 措施 的互 作影 响土壤 休 轮 的持 续利 用 ， 从而 影 响农 业 的持 续发 展 。为此 ， 本文
土壤 水分 也扮 演 重要 角色 。它影 响施 肥 、 治虫 、 灌水
基金项 目： 江苏省 自然科学 基金 （ 编号 ： Ｋ ０ ６ ２ ） 中国科学 院野 Ｂ ２０２５ ；
外台站基金 。
作者简介 ： 高
峰 （９ｌ ）男 ， 松原人 ， １７一 ， 吉林 硕士研究 生 ， 师 ， 工程
主要 从 事 应 用 气 象 及 农 田土 壤 水 分 模 拟 研 究。 Ｔｌ ０５） ｅ （ ２
干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展
物蒸腾 , 以植物有效盖度和叶面积指数为纯量, 对蒸 渗池观测结果进行尺度转换。建立了不同植被覆被 条件下的蒸散发( ET ) 与同期降水量( P ) 的经验关系: 油蒿( A r tem isi a or dosica ) 植被区 ET = 0 8003 P + 5 8914, R = 0 9035 柠条( Car agana korshinski i ) 区 ET = 0 80P + 10 0, R 2 = 0 953 流沙区 ET = 0 55P + 5 89, R = 0 985 并以叶面积指数和有效盖度为基础, 实现了对植物 蒸腾水分利用从叶片水平到群落水平的尺度转换: 单位叶面积的日蒸腾量 ( T l, mm 片 ) 为: Tl = (Ts 积指数 ; A 为占地面积 A ) / C/ ( C
[ 18]
重 ( 245 a) 。针对土壤水分状况 , 则需要至少 120 a 才能恢复到天然植被的浅层土壤水分状况 , 尽管沙 埋后生境经植被建设促进了表层土壤的持水能力, 但 50 a 内仅 能恢 复到 天然 植被 土壤 持 水能 力的 79% , 而对于一些土壤特性如沙粒和粉粒百分含量 和有机碳含量等, 在 50 a 以后的相当长的时间内即 使发生最大可能的恢复 , 也不能达到天然植被土壤 特性的水平。这一预测结果说明在极端干旱的荒漠 地区土壤特性的生态恢复是一个十分漫长的过程, 土壤生境一旦遭到破坏 , 即使人为促进的修复也是 十分困难的 , 甚至一些特性的退化是不可逆的[ 6, 26] 。
表 1 土壤 生境恢复过程中其理化特性随时间恢复的 拟合曲线渐 近线值 、 截距和恢复速率参数 Table 1 Intercepts, rate parameters and asymptote values characteristics of a chronosequence
土壤_植物_大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展_徐力刚
第31卷第1期2013年1月干旱地区农业研究Agricultural Research in the Arid Areas Vol .31No .1Jan .2013收稿日期:2012-05-02基金项目:国家重点基础研究发展规划(2012CB417005);国家自然科学基金(41271034);中国科学院支持全国科学院联盟建设专项重大项目;江西省科技支撑项目(20122BBG70160);新疆干旱区水循环与水利用实验室开放课题(XJ YS0907-2010-02)作者简介:徐力刚(1976—),男,四川仁寿人,博士,副研究员,主要从事湖泊湿地生态水文过程方面的研究。
E -mail :lgxu @niglas .ac .cn 。
土壤-植物-大气界面中水分迁移过程及模拟研究进展徐力刚,许加星,董 磊,冯文娟,姜加虎(中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室,江苏南京210008) 摘 要:介绍了水循环过程中界面水分迁移转化理论,及SPAC 连续体的概念及其发展过程,阐明了一些国内外SPAC 理论研究的主要成果;对国内外各种典型土壤-植物-大气界面模型的基本结构、适用范围、主要研究对象、优势以及局限性做了系统介绍和对比;在此基础上对土壤-植物-大气系统的相互作用过程以及系统模拟中存在的问题提出了展望。
分析得出如何解决下垫面与土壤-植物-大气系统复杂的关系,以及尺度转化问题将是面临的主要挑战。
认为借助于水分和能量交换过程中的模型参数优化,来实现界面中水分迁移过程的精确化和简化模拟是未来的重要研究方向。
关键词:土壤-植物-大气连续体;水分迁移;模拟;过程中图分类号:Q945.17;S152.7;P333 文献标志码:A 文章编号:1000-7601(2013)01-0242-07Research advance in process and modeling of water transfer in soil -plant -atmosphere continuumXU Li -gang ,XU Jia -xing ,DONG Lei ,FE NG Wen -juan ,JIANG Jia -hu(State Key Lab orator y of Lake Science and Environment ,Nanjing Institute of G eography and Limnology ,Chinese Academy of Science ,Nanjing 210008,China ) Abstract :This paper introduces the theor y of water transfer among the interfaces of water cycle process and the con -cept and development of soil -plant -atmosphere continuum (SPAC ),and illustrates the main research achievements at home and abroad .Based on the investigation of various typical SP AC models ,a systematic introduction and comparisonabout their basic structures ,application scopes ,main research objects ,advanta ges and limitations are made .The diffi -culties and pr oblems in the interaction pr ocess and simulation of soil -plant -atmosphere system are also proposed .It will be the main challenge in the futur e to deal with the complex relationship between underlying surface and soil -plant -atmosphere system as well as the problems of scale conversion .Furthermore ,it will be an important research direction to achieve accurate and simplified modeling of water transfer process among different interfaces by means of parameter op -timization in the models .Keywords :soil -plant -atmospher e continuum (SPAC );water transfer ;modeling ;pr ocess1 土壤-植物-大气连续体(SPAC )概念的提出1.1 土壤-植物-大气连续体(SPAC )基本理论及其发展 18世纪,Stephen Hales 就开始定量研究土壤水分蒸发和植被蒸腾。
土壤科学研究进展与发展方向
土壤科学研究进展与发展方向摘要阐述了土壤学的特点，总结了近几年来土壤科学的研究进展和发展方向，为土壤科学深层次的研究与发展提供参考。
关键词土壤科学；特点；研究进展；发展方向土壤学者认为：土壤是能够产生植物收获物的陆地疏松表层，它最根本的特性是具有肥力。
土壤是一种自然实体，它是在母质、气候、生物、地形和时间等5个自然因素综合作用下形成和发展的，并且也受人类活动的影响，有其本身的发生发展规律和特征。
土壤主要是由4种物质组成，分别为矿物质、有机质、水和空气[1]。
土壤学是农学的基础学科，也是资源环境科学的重要基础学科。
土壤是植物赖以生存的基础，是农林生产所必需的重要自然资源。
土壤是陆地生态系统的组成部分，也是人类和动物居住的环境因子，在保护环境和维持生态平衡时有重要的作用。
1 土壤学的特点21世纪土壤学的发展将具有以下5个特点：一是研究领域在广度方面将进一步地获得发展。
土壤研究的综合性及学科交叉性将更为明显。
在国民经济的重大问题的解决过程中，将更加注重土壤质量和肥力、土壤与环境、生态和健康之间的相互关系。
二是研究领域不断获得深层次的发展，不断地对学科的分支进行拓展。
在土壤的属性及过程的研究过程中分别从不同的角度综合进行探究，在更深的层次上发展土壤科学，以取得更大的进展。
三是土壤科学研究的定量化和信息化将日益发展。
不仅在土壤属性的研究上，土壤分类及土壤过程的研究中都将不断地趋向定量化和信息化。
四是土壤研究将日趋国际化。
土壤的研究不仅只涉及到一个国家或地区，而应更多地面向国际，日益增强国际间的合作与交流[2]。
五是长期观测研究土壤的动态与定位，将是今后土壤学研究系统化的一个重要的标志。
土壤本身具有复杂性和多变性，因此今后要对土壤性质的动态变化本质进行了解，只有长期地进行定位观测。
2 土壤科学的研究进展以往土壤学的研究内容主要包括土壤化学与肥力、土壤资源遥感与信息系统、生态系统养分循环及其调控、土壤环境化学与污染环境修复、土壤碳循环与全球变化、土壤生态学和土壤物理学，但是现在随着人类活动的不断发展，土壤学发展的趋势也在改变。
遥感技术监测土壤水分的研究进展
１ 土壤水分遥感监测原理
遥感反演土壤水分 ， 就是利用地表反射 的太 阳辐射或本身发
射的远红外 、 微波辐射等信息及变化规律推算土壤水分含量圈 。国
内外关 于土壤水分与干旱 的遥感测定一 类基 于土壤水分 的变化
会 引起土壤光谱反射率 的变化 ；另一类 则基 于干旱引起植物 生
理过程的变 。 已有研究表 明［６４ ０ ｍ波段 的光谱 与土壤水 ４］ ５ ｎ －，
监 测旱 情 ； 肖乾广等（９ ４从 土壤热性质 出发 ， 求解热传导方 １９ ） 在 程 的基础上 ， 引入 “ 感土壤水分 最大信息层 ”的概念 ， 以此 遥 并 理论建 立多时相 的综合 土壤湿度 统计模型 ； 李杏朝 （９６、 １ ９ ）陈怀
亮（ ９ ７在利用表观热惯 量模 型时 ， １ ９） 对不 同土壤质地进行分 析 ， 消 除土 壤质地的影响 ， 提高监测 的精 度 ； 余涛圆 １ ９ ） （ ７ 等通过改 ９ 进求解土壤表层热惯量 的方法 ， 考虑 了地表显热和潜热 项 ， 从而
２ 遥感监测土壤水分 的研究进展
土壤水分遥 感分 为土壤热惯 量法、光学遥感 法和 微波遥感 法。 光学遥感根据人眼对光 的敏感度分为可见光 一近红外遥感 、
热红外光遥感。微波遥感据传感器接收的微波来源分 为主动遥 感、 被动遥感网 。主动微波遥感是指 由传感器向 目标地物发射微
实现 了利用 Ｎ Ａ Ａ Ｈ Ｒ图像定量计算热惯量 Ｐ ， Ｏ Ａ／ Ｖ Ｒ 值 进而反演土 壤表层水分 的 目的 ；张可慧等 （０ ２ ２０ ）构造不 同深度和 ＮＡ ＯＡ／
析 了遥感技 术在 土壤 水分监测领域 实际应用 中的影响 因子 ， 可能的解 决办法。 及
关键词 ： 土壤 水 分 ；遥 感 监 测 ；微 波 法
土壤水一一热盐运移规律的研究现状
合 起 来进 行 研究 ，从 而为 盐 渍土 改 良提供 可 靠理 论 基础 ， 用 此来 指 导 生产 实践 ， 并 为盐 碱 地 开发 利用 和
土壤水分是土壤肥力因素中最活跃 的因素，能影响 和制约其他肥力因素 ．吴爱华 、 刘伟等 ¨ 对土壤 温度和水分变化之 间的变化关系做了一定 的研究 ． 汪丙国、 靳孟贵 ［１ ２ 建立 了田间沟垄地形条件下土壤 ｏ 剖面的二维饱和 、一维非饱 和水流及溶质运移数学 模型， 对夏玉米生长条件下土壤剖面水分 、 养分和盐 分的动态进行 了模拟，揭示了典型时刻土壤水流动 系统特征及其与土壤水分、 养分和盐分的关系 ； 岳汉 森 在土壤溶液 冻结温度 与其含量 和溶盐离 子组 ¨ 成 的关 系约 束下 ， 对土 壤 中水 分 、 流 和溶 盐运 移 的 热
移 的影 响 ，在 分析 和总 结 国 内外 有关 一 维积 水入 渗 条 件下 土壤 水 一盐运 移 规律 研究 成 果 的基础 上， 针 对 盐碱 土水 一盐运 动 的基本 特征 ，通 过 室 内一维 土 壤 水 一盐运 移 过程 的试 验研 究 ，分 析 了土壤 盐分 浓
善，土壤盐渍化面积正以每年 １０ ０ ｈ ０ ×１ ｍ 的速度 发展 …． 土壤水含有盐分及其他溶质对人类生活和 生产活动有着深刻的影响 ，不仅会 引起土壤盐碱化 问题 ，而且 还会发展 成为更 为广泛 的水土环境 问题 ． 干旱半干旱地区在强烈蒸发的条件下 ，土壤盐分或 地下水 可 溶性 盐类 通过 水 的垂直 或侧 向运 动 向地 表 累积 ， 这是土壤积盐过程最为普遍 的形式 ， 也是发生
黄土区坡地土壤水分运动与转化机理研究进展
降雨入渗及再分布
土壤水分运动与转化与降雨入渗、产流以及人渗后的再分布过程密切相关。降雨人渗是土壤水分的直接来
源，而人渗后的再分布过程则决定着不同时间和不同深度土壤保持的水量，直接影响植物的水分收支。 １．１入渗过程及再分布 入渗是指水分进入土壤的过程，是自然界水循环中的一个重要环节。一般降雨入渗开始时，土壤的入渗率 较高，尤其是初始干燥的土壤，但随后逐渐降低，并最终趋于一个稳定值。当降雨强度大于土壤入渗率时，地 表开始积水。以地表开始积水时间为界，可将降雨人渗过程划分为供水控制（或通量控制）阶段和土壤入渗能力 控制（或剖面控制）阶段Ｌ２ Ｊ。前一阶段为无压人渗或自由入渗，土壤人渗率等于降雨强度；后一阶段为积水人渗
以及土壤水分动态变化等几方面概述了黄土区坡地土壤水分运动与转化研究进展，认为应该把坡面土壤一植物一
大气作为一个物理上的连续统一体，以大气水、地表水、植物水和土壤水相互转化过程和机制为基础，研究坡面土
壤一植被一大气界面水分运动和转化规律，为植被恢复重建提供理论依据。
关键词：黄土区；坡地；土壤水分运动；入渗；再分布；水量转化 中图分类号：ｓ １５２；Ｇ ３５３．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—６７９１（２００３）０４—５１３—０８
１．３坡地产流
７｜。
坡地产流（常指地表径流）与降雨人渗密切相关，是下垫面对降雨的再分配过程。产流机理主要有３种：超 渗产流、蓄满产流以及两者混合的产流理论。黄土高原地区由于土层深厚，地下水埋藏深，因而常为超渗产 流。国内外众多学者主要从水土保持和水文学的角度出发，对坡地产流过程及机理进行了大量野外观测和试验 研究。 Ｄｕｎｎｅ对坡面径流现象、坡面流速等作了系统论述，描述了坡地径流形成过程和各种现象，为坡地水文研 究奠定了基础；Ｆｒｅｅｚｅ系统提出了坡地水文数学模型，该模型主要包括坡面漫流和壤中流两个部分，推动了山 地水文研究的进展一］。国内２０世纪８０年代以来，降雨一人渗一产流研究日益受到重视。贾志军等［２０］认为坡 耕地产流时间随土壤前期含水量的增加呈幂函数衰减，径流系数与土壤前期含水量呈线性正相关；土壤前期含 水量越高，非稳定产流速率愈大，达到稳定产流速率的时间愈早。王玉宽等［２１］利用室内人工模拟降雨试验， 研究了黄土高原坡面降雨产流起始时间和入渗率与降雨强度的关系，以及人渗率随时间的变化规律，得到了不 同坡度下黄绵土裸地降雨产流过程的回归方程，并用该方程推算了陕北纸坊沟小流域坡面的产流过程及产流 量，计算值与实测值相当吻合。张光辉和梁一民［２２］运用野外人工模拟降雨方法研究了黄土丘陵区人工革地径 流起始时间与降雨强度、草地覆盖度以及土壤前期含水量之间的关系，认为当有植被覆盖时，径流起始时间与 降雨强度和草地覆盖度密切相关；无植被覆盖时，径流起始时间则与降雨强度和土壤前期含水量有关。沈冰 等Ｌ２３ Ｊ分析了短历时降雨强度对黄土坡地径流形成的影响，认为产流过程取决于雨强和入渗率的关系，局部面 积汇流时雨强与坡面漫流量呈非线性关系，全面汇流时二者呈线性关系。贺康宁等［２４］通过分析晋西黄土残塬 沟壑区水土保持林坡面的产流规律认为，径流的发生主要取决于雨强和土壤性质，降雨量与径流量的关系不明 显。袁建平等汹】通过野外人工降雨试验比较系统地分析了影响坡地降雨产流起始时间的各种因子，认为林地
土壤水的研究意义
土壤水的研究意义自然界里有水就会有土壤，有了土壤才能生长出植物，也就是说，有了水才能够生命，有了土壤才能够孕育生命，所以，从这种意义上来说，土壤是生命的摇篮，也正是因为土壤的重要性，人们才不断对土壤进行研究。
在人类的历史发展过程中，科学家对土壤的探索从来没有停止过，最早开始研究土壤的就是中国的李时珍，他花费了近30年的时间和精力，深入大山，走遍荒野，采集标本，亲身经历，反复实验，终于编成了我国古代的药物学巨著《本草纲目》，其中有很多医疗理论都已被世界医学界所公认，比如说著名的酸碱理论，它主要说明土壤性质直接影响着植物生长的酸碱度，而碱性土壤容易让植物的叶片变黄，降低其生长活力，酸性土壤则适合种植喜欢偏酸性土壤的植物，这样看来，我们的祖先还是很聪明的，但到了近现代，我们对土壤的研究又增加了两点新的内容。
一是对农业的贡献，我们知道土壤就像是粮食的仓库，每当下雨之后，田里的泥土便会松动，从而使得空气中的水分透过它而进入土壤中，这样土壤的水分含量就相应增加了，土壤的含水量越高，土壤越疏松，耕作起来就更加方便，比如说一般的大田作物，适宜在土壤含水量为60％左右的土壤中生长，但是我们在种植时往往需要将土壤含水量提升至80％左右，在这种情况下，施肥、灌溉就成了关键。
随着科技的发展，人们发现了这一规律，通过向土壤施用各种各样的化肥，就能够控制土壤中的含水量，另外，科学家通过对微生物的改良，已经培养出了能够代谢出葡萄糖、蔗糖等多糖物质的细菌，使用这些细菌也可以提高土壤的含水量，为此，可以将土壤中的多糖物质进行转化，为农业的发展打下坚实的基础。
第二个方面：由于大气降水形成地表径流，把地下水带走，导致地下水位不断降低，给土壤带来了极大的威胁，甚至严重的话还会造成地面沉陷，为此，科学家也在进行着大规模的研究工作，他们尝试着利用海水来浇灌农田，这样做既减少了成本，也节省了人力，可谓是一举两得，随着科技的不断进步，海水淡化技术的不断成熟，未来，海水灌溉将成为现实。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
✓ SPAC水热传输 ✓ 优先流问题 ✓ 多组分溶质反应-运移 ✓ 水文水资源问题分析
优先流问题
❖优先流问题综述 ❖层状土壤水分入渗 ❖溶质运移的两区、两流区模型
优先流
➢概念：水和溶质沿着某些路径运动而绕过部分 多孔介质的所有现象，e.g., 指流、大空隙流、漏 斗流、各向异性流、非稳定重力流等。 ➢原因：
土壤水科学主要研究内 容概述
土壤水科学主要研究内容概述
土壤基质和质地
土壤颗粒的概念、组成和特征
颗粒大小、分布、形状、表面积、物理性质、化学性质和矿物学性 质、粘土矿物的表面性质、粘粒的絮凝和膨胀
土壤的质地
土壤颗粒分析的原理、土壤的分散、土壤颗粒分析、土壤颗粒分级、 土壤质地分类、土壤质地与土壤肥力的关系和调节
土壤水科学主要研究内容概述
土壤水热耦合运移
土壤热状况
土壤与大气之间的能量平衡和蒸散测定
土壤热传输基本原理
土壤热性质、土壤热流基本方程、土壤水热的耦合运 移
地表蒸发条件下的土壤水热运移 冻融条件下的土壤水热运移
土壤水科学主要研究内容概述
土壤溶质运移
土壤溶质迁移的质量平衡
土壤中溶质组成、 土壤溶质穿透曲线
土壤水的物理性质 水的分子结构和极性、水的电解性、水的热力学性质、 表面张力和毛细管现象、液体的粘性、颗粒表面附近 的水
土壤含水量 土壤含水量的定义和测定、土水势组成和测得方法
土壤水分特征曲线 土壤水分特征曲线及其影响因素、测定、模型、滞后 现象
土壤水科学主要研究内容概述
土壤水分运动基本原理
土壤水科学主要研究内容概述
土壤水分特性参数的测定和空间变异性
土壤水分特性参数的常用测定方法 土壤的空间变异性 土壤水分特性分布的空间插值方法
土壤水科学主要研究内容概述
SPAC系统水分传输
SPAC的概念 植被蒸散发的估算方法 SPAC系统水分传输模型 SPAC系统的水热耦合模拟
土壤水科学主要研究内容概述
饱和土壤中的水流
毛细管中的水流、达西定律、饱和导水率的测定、饱和层状土壤 的水分运动
非饱和土壤中的水流
白金汉一达西定律、非饱和导水率、非饱和导水率的毛细管模型、 连续方程、Richards方程
土壤水分运动基本参数、基本参数的测定和模型 非饱和土壤水流问题的解析和数值分析方法
土壤水科学主要研究内容概述
土壤的结构
土壤结构的概念、粘粒矿物的结构、粘团的形成、粘团的再团聚、 土壤团粒的稳定性和团粒粒径分布、土壤结构的分类、土壤结构的 评价与管理
土壤基质的三相比与综合性质
土粒密度、土壤容重、总容重、孔隙度、 充气孔隙度、土壤发生层、 土壤强度、土壤结皮
土壤水科学主要研究内容概述
土壤水的数量和能态
✓ 大叶（单源）模式：冠层与地面的温、湿状况相同， 不能区分蒸发、蒸腾，可用于矮草
✓ 双源模式：将冠层与地面分别考虑，可区分出蒸发、 蒸腾，应用较为方便
✓ 层状模型、块状模型、混合型模型
✓ 多源模式：将冠层分为多层，能详细描述冠层温、湿 垂向分布，但参数多、计算复杂
SPAC水热传输模型中冠层处理示意图
T
大气 -500 bar
LAI
q = - △ψ1 ／R1 = - △ψ2 ／R2 = - △ψ3 ／R3 = - △ψ4 ／R4
阻抗 容抗
❖为什么 需要SPAC？
E
叶 -15 bar
E
根 -3 bar
Richards
土壤 -0.3～ -1.0 bar
❖ SPAC水热传输理论
➢ SPAC水热传输模型中冠层的处理：
土壤溶质迁移的对流一弥散理论和CDE方程 土壤结构对溶质运移的影响 溶质在土壤中的反应 土壤溶质迁移的其他描述方法 田间土壤溶质的管理
农田排水条件、节水灌溉、微咸水灌溉等条件下土壤盐分 变化特征
土壤水科学主要研究内容概述
土壤气体运移
土壤空气组成及物理化学反应 土壤中的气体反应、二氧化碳的产生和氧气的消耗
大叶模式
块状模式
层状模式
混合模式
❖ SPAC水热传输理论的优缺点
✓可区分植被蒸腾和棵间蒸发、水分胁迫下的蒸 发蒸腾规律。便于进行作物高效用水机理、生态 用水等领域的研究 ； ✓需要的参数较多，有些不易测定； ✓相关理论模型不甚成熟、仍需进行总结验证
❖有待进一步研究的问题
✓ GSPAC水热盐耦合运移的研究？ ✓如何与区域尺度模型相耦合？ ✓与作物生长模件
土壤水分运动的数值计算方法 土壤水动态模拟模型 常用软件
主要研究前沿和进展
SPAC水热传输
❖ 下垫面水热传输的常规分析方法
❖SPAC的概念
T
1965 Philip： SPAC—Soil Plant Atmosphere Continuum
• 连续体 • 驱动力——水势
田间土壤水分循环
土壤水分入渗 土壤入渗过程分析、影响因素、土壤入渗模型、非均匀土 壤剖面的入渗、二维和三维入渗、土壤入渗率测定
土壤水分再分布 再分布过程中土壤剖面含水量的变化、根据土壤水分再分 布过程确定土壤导水参数、田间持水量
土壤非饱和导水率的田间测定 垂直入渗法、现场定位观测法
土壤蒸发 土壤蒸发的阶段性、蒸发条件下土壤水运动的定解问题、 土壤蒸发与盐渍化
土壤水科学研究进展
什么是土壤水科学？
水科学，是关于水的科学知识体系，是关于 水的科学知识的总称。
左其亭：水科学学科体系，共涉及8个学科
门类，包括相互交叉的10个方面，即水文学 、水资源、水环境、水安全、水工程、水经 济、水法律、水文化、水信息、水教育。
土壤水科学--基础学科：土壤物理学，土壤 水文学，土壤水动力学，土壤水化学等。 交叉应用学科：应用水文学，灌溉排水，土 壤环境，水土保持，水资源，气象学。
土壤中的气体运动 气体质量守恒方程、气体对流和扩散、气体运动方程
土壤中的气体运移 平衡条件下氧气运移及消耗、二氧化碳的稳态流和瞬态流 及其释放、植物根系界面氧气消耗
土壤中的水汽流 水汽通量方程、土壤可吸湿性对水汽通量的影响
土壤通气指标与测定 土壤通气孔隙度、土壤透气率、土壤氧化还原电位、土壤 氧气扩散速率