基于土壤冻融信息获取新方法的复杂农田冻融模型检验与参数解译

农田季节性土壤冻融过程的理论模型与应用研究对我国季节性冻土区域农业生产管理具有重要意义。土壤冻融实质上是土壤水与冰的相变过程，它的物理性状、热交换条件与时空变异较非冻土更为复杂，这些偏微分方程模型的关键变量包括土壤冻结水与未冻结水，模型求解受制于空间与时变移动边界条件。由于土壤水包括束缚水与自由水，冻融相变过程的理论模型与未冻水迁移规律的机理解析需要大量试验研究结果的支持，前人对此试验研究主要在实验室可控环境下进行的。复杂农田环境下土壤未冻水与冻结水信息准确获取既是模型检验与参数解译研究的前提，又是前人未解的难题。本申请提出利用土壤冻融与干湿物理过程在土壤相对介电常数的等价性和中子测量土壤水分与土体是否冻结无关的特点，在线测量分解未冻水与冻结水。在三个观测点结合不同农田环境（覆盖植被，耕作制度和冬灌）对Stefan-like和水-热耦合偏微分方程系统进行土壤冻融模型检验，修正与参数解译。

由于季节冻土影响着越冬期表层土壤水的入渗性质以及春季伊始农田耕作的最佳时间与效果，人们对农田季节冻土周期变化规律的研究愈加关注。目前冻土相关的很多基础性研究结论仍然是在实验室内借助于人工模拟环境条件取得的，这是因为农田环境下准确、可靠观测冻土关键变量——未冻水含量与含冰量的传感方法与技术相对落后，同时也制约了各种土壤冻融理论模型的适用性检验与修正。为此，本课题以介电理论与中子核物理理论为基础，结合创新性的测量方法与试验设计，对农田环境下冻土冰/水含量的原位测定进行了可行性分析与试验研究，在此基础上原位估算土壤参数并检验冻融模型的适用性。四年来，本课题取得如下重要研究成果：.1. 根据土壤冻融与干湿过程的介电等价性原理，综合考虑冻土介电混合模型以及液态水的介电温度效应，实现原位测定冻土未冻水含量。.2. 理论分析与试验结果证实了介电管式传感器的电磁辐射与中子散射仪的中子辐射均可以穿透PVC管。将两种传感器的探头设计成相同尺寸，实现了两种传感器同腔共射原位测定冰/水含量。运用冻融法测定介电管式传感器的辐射影响半径，结果表明：介电管式传感器（5~8 cm）与中子散射仪（10 ~ 20 cm）的辐射影响半径相近。.3. 在农田环境下冻土未冻水含量的原位测定结果表明：本课题提出的未冻水含量测定方法不仅真实反映了越冬期土壤冻结锋/融化锋的动态变化，同时为原位测定土壤冻结特征曲线提供了一种新的传感技术。该技术优势在于可使用单一传感探头测定多个土壤剖面，消除不同探头之间的互换误差。将该方法原位估算的SMCC与标准的压力板方法获得的SMCC相比较，其相似性与差异（R2 = 0.837，RMSE = 131 kPa）可满足估算土壤导水相关参数的要求。.4. 农田环境下同腔共射法在未冻土壤中的交叉检验结果表明：两种仪器具有良好的互换性（R2 > 0.95，RMSE < 0.02 cm3 cm-3）。该方法能够原位测定冻土未冻水含量和总含水量，通过简单计算进而得到冻土含冰量。由于土壤冻融过程伴随着水分迁移，同腔共射法原位测定冻土冰/水含量显著提高了测量的准确性。.5. 土壤冻融模型适用性检验结果表明：同腔共射原位测定方法能够直接得到未冻土和冻土水分迁移的相关参数，较单一未冻水测定而言有效提高了模型的预测精度。