结合宇宙射线中子传感与TDR网络揭示绿洲土壤冻融过程中未冻水含量的中尺度动态特征

本研究针对冻融循环中土壤水分动态监测的难题，创新性地结合宇宙射线中子传感(CRNS)和时域反射仪(TDR)网络技术，实现了绿洲生态系统中未冻水(θl )与冻结水(θi )的中尺度定量监测。研究团队在河西走廊荒漠-绿洲过渡带选取四种典型土地利用类型（浅层地下水农田FSG、老农田OF、新农田NF、人工林AF），通过N0 参数校准和加权算法，获得R2=0.930的高精度土壤水分反演结果，首次揭示了双向冻结（FSG）与自上而下冻结（OF/NF/AF）模式的差异，并发现未冻水含量在0°C上下分别服从幂函数和指数函数关系。该成果发表于《Agricultural Water Management》，为寒区农业水资源管理和生态水文过程研究提供了新方法。

　　

在干旱区绿洲生态系统中，土壤冻融过程直接影响着春季墒情和作物生产力。然而传统点尺度监测技术难以捕捉中尺度（数百米范围）的土壤水分相变特征，特别是冬季灌溉后水分再分配与冻结锋面发展的动态过程。这一科学盲区严重制约着寒区农业水资源高效利用和生态水文模型的精度提升。

中国生态系统研究网络临泽内陆河流域研究站的科研人员创新性地将宇宙射线中子传感(CRNS)技术与时域反射仪(TDR)网络相结合，在河西走廊荒漠-绿洲过渡带开展了突破性研究。通过55次预实验校准获得N₀
=488cpm的基准参数，并采用K?hli非线性加权算法，构建了覆盖200m×200m范围的中尺度监测体系。研究选取浅层地下水农田(FSG)、开垦历史超百年的老农田(OF)、新垦20年的农田(NF)以及胡杨人工林(AF)四种典型景观，在冻结期通过CRNS获取总含水量(θ_Total
)，同步用14个TDR探头测定未冻水(θ_l
)，进而推算冻结水含量(θ_i
)。

关键技术包括：1) CRNS-RV01移动监测系统，配备16支BF₃
中子管和CS215温湿度传感器；2) 基于蒙特卡洛辐射传输模型(MCNPX)的N₀
参数校准；3) 土壤晶格水(θ_lat
)和有机质水当量(θ_or
)的煅烧法测定；4) 非线性空间加权模型整合径向与垂直水分分布。

研究结果揭示：

1. 校准验证
   CRNS反演土壤含水量与烘干法实测值的决定系数R2达0.930，RMSE仅0.027cm³
   /cm³
   。农田站点N₀
   值稳定在475-478cpm，而人工林因植被氢储存效应降至444cpm。

2. 冻结模式分异
   FSG站点因浅层地下水补给呈现"双向冻结"特征，30cm深处冻结速率达2.76%/天；其他站点均为自上而下冻结，其中OF因高粘粒含量(0.73%)保持最高未冻水比例(21%)，AF则因低容重(1.32g/cm³
   )冻结最快。

3. 相变动力学
   未冻水含量(0.04-0.48cm³
   /cm³
   )与温度呈显著非线性关系：高于0°C时符合幂函数θ_l
   =aT^b
   ，低于0°C时转为指数函数θ_l
   =ce^dT
   。在-1至1°C临界区间出现水分相变剧烈波动。

4. 物质守恒验证
   通过ρ_l
   θ_Total
   =ρ_i
   θ_i
   +ρ_l
   θ_l
   方程验证，发现冻结末期所有站点均保留约0.05cm³
   /cm³
   的薄膜未冻水，其中OF因有机质含量(0.008g/g)和粘粒优势，未冻水留存率比AF高50%。

讨论部分指出，该研究首次实现冻融过程中θ_l
/θ_i
的中尺度解耦，其创新性体现在：1) 突破传统中子仪/TDR单点监测局限，将观测尺度扩展至公顷级；2) 揭示景观异质性对冻结模式的调控机制，特别是浅层地下水引发的双向冻结现象；3) 建立适用于绿洲土壤的冻结特征曲线模型。这些发现为优化冬季灌溉制度、预防春季干旱提供了量化依据，其中FSG站点快速冻结的特性提示需加强渠系防渗措施，而OF站点持续的高未冻水含量则有利于早春作物萌发。未来研究可结合Sentinel-1卫星数据，构建空-地协同的冻融监测网络。

该成果发表于《Agricultural Water Management》期刊，不仅发展了寒区土壤水文观测方法学，更重要的是为"藏粮于地"战略下的绿洲农业水资源管理提供了科学范式。通过精准量化冻融过程的水分相变，可显著提升土壤墒情预报精度，对于保障西北干旱区粮食安全与生态屏障功能具有重要实践价值。