本文是一篇SCI论文发表，本文以植被覆盖变化剧烈、生态脆弱、数据匮乏的西北农牧交错带为研究区，选取有着农田-草地交错复杂下垫面的鄂尔多斯站与盐池站为研究站点。首先，基于 ECH2O 测量的土壤水分数据，分别在鄂尔多斯、盐池的草地、灌溉农田、雨养农田三种典型下垫面上，对比评估了两个版本 CLM 的土壤水分模拟性能，分析了版本改进对其模拟性能的影响。通过选取适合西北农牧交错带的 CLM 版本，模拟了鄂尔多斯 2017~2019 年土壤水分，并基于 CRNS 测量的田间尺度土壤水分，对比评估 CLM 与 SMAP 土壤水分数据，并将两种土壤水分数据采用 BP神经网络算法进行了融合、验证与评估。
第一章 绪论
1.1 研究意义与背景
土壤水分是指由地面向下至潜水面以上的土壤层中的水分，亦称土壤中非饱和带水分[1,2]。土壤水分是大气-陆面之间水和能量交换的重要介质，显著影响着降水、蒸散发和径流等水循环过程[3]。尤其是在干旱、半干旱地区，土壤水分对水循环过程的影响更为显著。其中，土壤水分的时空分布状况是干旱、半干旱区域蒸散发和降水的主要控制因素[4]；土壤水分通过影响径流系数，在降雨事件后控制流域的产流和径流过程[5]。此外，土壤水分也是植被生长的重要水分来源，是土壤系统养分循环和流动的载体[6]，是水资源的重要组成部分，也是陆地生态系统中不可或缺的部分。因此，土壤水分是土地持续利用、生态系统保护、水资源应用和管理等研究的关注热点[7-9]。
土壤水分在时间与空间上均表现出强烈的异质性。土壤水分空间异质性及分布格局是土壤的重要属性之一，是指水分在土壤不同空间位置的分布和变化规律，反映着土壤在不同空间位置上的特征与功能[10]。土壤水分的空间异质性主要受地形地貌、土壤特性、植被类型、气候等多种因素的影响[11-14]，而这些影响因素在空间上普遍存在异质性，这种异质性反映在了土壤水分的空间异质性上。农牧交错带土地利用变化剧烈，下垫面交错复杂[15,16]，区域土壤水分的空间变异性强。因此，连续准确、高时空分辨率的土壤水分数据在农牧交错带地区水热等研究中显得尤为重要。
目前获取土壤水分数据的主要获取方式分为有三种：地面观测法、遥感反演法和陆面过程模型模拟。地面观测法包括定位观测法、宇宙中子法。原位观测法多费时费力，只能获取单点的土壤水分数据，数据代表性差，常用的原位观测法有烘干法、中子仪法、介电法等[17-19]。宇宙射线中子法是 20 世纪 40 年代出现的一种新型的土壤水分测量方法，能够在田间尺度被动地、非侵入性地高效监测土壤水分[20]。该方法测量范围为直径几公顷的圆形区域，尺度介于点尺度与遥感产品的 footprint 尺度，可用于补充中间尺度数据[21,22]。遥感产品能够为大区域提供时空连续的土壤水分数据[23]。然而，其时空分辨率过粗，仅能提供表层土壤水分数据，且由于是反演数据，存在一定误差[24]。陆面过程模型模拟亦可提供区域尺度高分辨率的根系区土壤水分数据，但其对基础参数需求大、估算存在误差[25-27]。
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1.2 国内外研究进展
目前，随着科技的发展，土壤水分监测方法越来越多，监测精度日益提升，监测尺度也逐步由传统点测量拓展为区域乃至全球尺度。
1.2.1 地面观测法
1）原位观测
原位观测法是指在有限的采样点上进行土壤水分测定, 常用的包括烘干法、中子仪法、介电法等[34,35]。原位观测法的优势在于可以测定多个不同深度的土壤水分，且数据精度较高[36]。但这些基于点的测量方法有一个关键缺点：由于土壤水分的空间异质性，对其周围地区缺乏代表性，而这种异质性通常随着范围的扩大而增加[37,38]。
烘干法的优点是经济、简单、容易操作和对实验设备要求不高, 土壤样品监测数据准确[39]。但缺点也很明显, 一方面深层取样困难, 一方面取样时破坏了土壤原有结构, 难以避免在定点测量时由于更换地理位置取样带来的误差, 因此难以进行长期定点原位监测, 且受土壤空间变异性影响也比较大[40,41]。
中子仪法测量的是中子源辐射的快中子，于 1940 年代被首次提出[42,43]，中子仪法不需要取样、不破坏原状土壤结构, 并能实现连续原位定点监测, 能够了解固定实验地点土壤含水量动态变化规律, 且较为准确, 快速, 且土层测定深度不受限制[44,45]。但由于室内外环境及不同样点土壤物理性质的差异, 在利用中子仪进行室外土壤含水量监测时, 常造成室内外曲线差异较大，且中子仪在进行土壤含水量垂直测定时, 在没有良好校准措施下, 由于分辨率造成测定数据准确性较差[46,47]。
介电法通过测量土壤表观介电常数来计算土壤水分，原理是表观介电常数会随土壤水分变化[48]。常用介电法包括时域反射法(Time Domain Reflectometry, TDR)、时域传输法(Time Domain Transmission, TDT)、频域反射法(Frequency Domain Reflectometry, FDR)以及电容法等[49,50]。其中，TDR 法安全无辐射, 测定准确快速, 且便于自动控制, 是目前国内外有关土壤含水量监测应用较广泛的方法之一[51,52]。但在土壤含水量要求精度较高时, 由于 TDR 法测定土壤含水量容易受土壤温度、容重、质地等理化性质因素影响, 需要一定技术手段进行标定或校准后才能够达到较为精确的测定数据[53-55]。基于电容法的 ECH2O 传感器被广泛认为是 TDR 法的替代品[56]，比起 TDR，ECH2O 使用更可靠的操作原理、更少的成本以及更简单的配置方式[57]，越来越多地被接受和应用。
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第二章 资料与方法
2.1 研究区概况
农牧交错带是指农业区与牧业区之间所存在的一个农牧过渡地带。在我国，农牧交错带自东北向西南纵贯中国北部分布，横跨了 13 个省区，阻挡着西、北部沙漠向东、南入侵，是中东部地区重要的生态屏障[103]。这个过渡带生态系统复杂，生物多样性丰富，范围广大且生态环境脆弱，其生态问题一直是国内外关注的热点。
我国对农牧交错带的研究多集中在西北农牧交错带的典型区，本文亦选取其为研究区(图 2-1)。该区域位于我国西北部鄂尔多斯高原与黄土高原间干旱-半干旱-湿润区和荒漠-草原的多重区域过渡带，是典型的生态脆弱带。研究区南部为黄土高原的丘陵沟壑区，西部为鄂尔多斯高原的荒漠草原区，中东部为毛乌素沙地的草原风沙区，总面积约九万平方公里。研究区位于内蒙古、宁夏、陕西三个省份的交界处，包括内蒙古鄂尔多斯市的鄂托克旗、鄂托克前旗、乌审旗，陕西省榆林市的定边县、靖边县、横山县、榆阳区、神木县，宁夏吴忠市的盐池县以及银川市的灵武县[104]。
图 2-1 研究区概况
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2.2 观测数据
我们研究团队在鄂尔多斯、盐池站点安装了观测仪器，观测的项目主要包括气象数据、辐射数据、土壤含水量和土壤温度。研究中，土地利用数据为来自中国科学院地理科学与资源研究所的 2015 年西北农牧交错带土地利用数据。气象数据、辐射数据与土壤含水量数据来源于鄂尔多斯、盐池站架设的四分量传感器、小型气象站、ECH2O 及 CRNS，其中 ECH2O 在农田、草地上分别有架设。本文使用了 2017 年 1 月 1 日至 2019 年 12 月 31 日的观测数据。实验仪器安装情况如表 2-2 所示。此外，为对 CLM 模型进行土壤理化性质的参数校正，研究团队进行了土壤质地、有机质、容重的采样检测。
表 2-2 实验仪器安装情况
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第三章 CLM 4.5 与 CLM 5.0 草地模拟性能对比分析 ........................16
3.1 初始场的选择 ............................ 16
3.2 鄂尔多斯草地土壤含水量模拟性能 ............................. 18
第四章 CLM 4.5 与 CLM 5.0 农田模拟性能对比分析 ........................29
4.1 鄂尔多斯雨养农田土壤含水量模拟性能 .............................. 29
4.1.1 鄂尔多斯雨养农田年尺度模拟性能 .............................. 29
4.1.2 鄂尔多斯雨养农田月尺度模拟性能 ............................. 30
第五章 多源土壤水分数据融合 ..................................41
5.1 基于 CRNS 的 CLM 土壤水分数据误差分析 ....................
