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土壤復(fù)介電常數(shù)與土壤水分之間的敏感關(guān)系構(gòu)成地球探測技術(shù)的核心基礎(chǔ)。這些技術(shù)包括用于測量原位土壤濕度的時域反射法和頻率反射法、地下目標識別的探地雷達以及實現(xiàn)全球和區(qū)域土壤水分反演的主/被動微波遙感方法。土壤復(fù)介電常數(shù)受到土壤水分的影響，并隨著土壤溫度、質(zhì)地、容重、鹽分、陽離子交換量和有機質(zhì)含量等因素的變化而發(fā)生改變，從而影響上述電磁探測方法的精度。

有研究表明，土壤復(fù)介電常數(shù)隨土壤電化學(xué)參數(shù)和鹽分顯著變化，但這些要素的作用機理尚不清晰。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，這些變化可歸因于一種“競爭機制”。而目前的土壤復(fù)介電混合模型未考慮這一機制，導(dǎo)致時域反射法或頻率反射法以及遙感方法計算的土壤濕度精度下降。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院高曉清團隊發(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)用雙電層電場強度和陽離子溶液濃度，該團隊構(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。這一模型揭示了這些復(fù)雜因素對土壤復(fù)介電常數(shù)的作用機理，解釋了普通礦物土壤的復(fù)介電常數(shù)可僅依賴三個基礎(chǔ)參數(shù)便可以達到較高計算精度的原因。

同時，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)項和電導(dǎo)率項，將原模型六個輸入?yún)?shù)簡化為三個，修正了原模型中虛部失真問題，并通過構(gòu)建土壤強、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)，計算出強、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)隨溫度的動態(tài)變化。改進后的模型保留了原模型簡潔的數(shù)學(xué)表達形式，并能夠精確模擬土壤復(fù)介電常數(shù)和溫度間的“競爭機制”。這提升了模型在復(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。

論文鏈接：1、2