GPR測量濱海鹽漬土剖面分層的實(shí)驗(yàn)研究①

王 萍，李新舉，閔祥宇，楊 東，王 新，李俊穎，孫小銀

(1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源利用博士后流動站，山東泰安 273100；2 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東日照 276826)

GPR測量濱海鹽漬土剖面分層的實(shí)驗(yàn)研究①

王 萍1,2，李新舉1*，閔祥宇1，楊 東1，王 新1，李俊穎1，孫小銀2

(1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源利用博士后流動站，山東泰安 273100；2 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，山東日照 276826)

土壤剖面分層是GPR調(diào)查研究工作的主要內(nèi)容，也是時(shí)域信息提取和定量反演的基礎(chǔ)。使用250 MHz的pulseEKKO PRO探地雷達(dá)，探測不同植被覆蓋或同一植被長勢差異的地塊，開挖剖面實(shí)測對比GPR的分層結(jié)果，剖析電磁波信號對土壤水分、鹽分、粒徑組成3個(gè)因子的響應(yīng)特征。結(jié)果表明，從GPR波譜特征中可以區(qū)分表層鹽漬化程度不同的地塊，誤差多小于0.5 m；綜合波譜影像和振幅變化數(shù)據(jù)，能夠辨晰0 ~ 1 m的土層信息，分層誤差可達(dá)0.1 m；土壤鹽分對電磁波信號的影響特征在該地區(qū)表現(xiàn)得十分顯著。

GPR；土壤剖面；濱海鹽漬土；土壤鹽分

近年來，探地雷達(dá)(GPR)作為一種中小尺度無損探測技術(shù)越來越多地應(yīng)用于土壤特性的調(diào)查中。目前，國內(nèi)該方向研究常用的探地雷達(dá)設(shè)備有：美國Pulse雷達(dá)公司的Radar系列雷達(dá)、美國地球物理探測設(shè)備公司(GSSI)的SIR系列雷達(dá)、加拿大探測器與軟件公司的EKKO系列雷達(dá)、瑞典的MALA雷達(dá)、中國電波傳播研究所的LTD系列雷達(dá)以及中國礦業(yè)大學(xué)(北京)的 GR- Ⅲ 雷達(dá)。大多應(yīng)用研究是關(guān)于土壤層次和厚度、水分的測定[1]。例如，于秀秀等[2]探測新疆伊犁新墾區(qū)山前洪積沖積平原的薄層土壤的厚度；趙艷玲等[3]通過模型試驗(yàn)證明了探測不同質(zhì)地的復(fù)墾土層結(jié)構(gòu)的可行性；李曉靜等[4]結(jié)合電阻率層析成像儀探測山區(qū)因采礦造成稻田土壤裂縫、水分滲透的差異；王前鋒等[5]找到確定探地雷達(dá)最佳天線間距來提高土壤表層含水量測定精度的方法；周立剛等[6]利用高頻探地雷達(dá)測定粉砂質(zhì)黏壤土表層(0 ~ 20 cm)土壤含水量，精度較高。

探地雷達(dá)技術(shù)是基于介質(zhì)的電磁特性，通過介電常數(shù)和速度的變化來反映土壤特征因子。一般認(rèn)為，水分是影響土壤介電特性和GPR信號傳播能力的主導(dǎo)因子，而溶解在土壤毛管水中的鹽分，由于其高電導(dǎo)性，能造成GPR信號高度衰減，限制穿透深度。有研究表明，鹽漬土(飽和電導(dǎo)率≥4 mS/cm)和鈉質(zhì)土(鈉吸收率≥13)都不適合GPR的應(yīng)用[7]。國內(nèi)已開啟了應(yīng)用GPR對內(nèi)陸鹽漬土的研究，分析土壤性質(zhì)與地質(zhì)雷達(dá)信號的關(guān)系[8]，評估鹽漬化在深度方向上的變化[9]，估算土壤鹽分含量[10–11]。并且發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)實(shí)部對土壤體積含水量的響應(yīng)十分顯著，虛部對含鹽量的響應(yīng)十分顯著，分別隨著含水量和含鹽量的增加而增長[12]。探地雷達(dá)在喀斯特地貌區(qū)和土壤污染區(qū)也有成功的應(yīng)用研究[13–15]。若土壤黏土礦物含量高達(dá)350 ~ 600 g/kg，或者是黏土礦物含量180 ~ 350 g/kg的石灰性/石膏性土壤，GPR的應(yīng)用潛力較低，探測深度受到很高限制[7]。綜上分析，土壤水分、鹽分、黏粒含量對GPR電磁波的影響密切，含量越高，電磁波信號衰減越強(qiáng)烈。

濱海鹽漬土地區(qū)土壤中常年水鹽含量較高，土壤鹽分對作物生長脅迫作用強(qiáng)烈，土壤水鹽運(yùn)移特征因土體構(gòu)型不同而差異顯著。如果可以利用探地雷達(dá)快速檢測剖面土壤分層特征，進(jìn)而反演土壤水分與鹽分的空間變異，具有重要的實(shí)踐意義。同時(shí)，在該地區(qū)利用探地雷達(dá)進(jìn)行土壤調(diào)查的適宜性和準(zhǔn)確度也值得探討。本文嘗試在山東省黃河三角洲濱海鹽漬土地區(qū)開展GPR土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)研究，闡明GPR探測剖面土壤特性變化的可行性，分析不同植被覆被條件下探地雷達(dá)波譜影像的差異，探討土壤特征差異對電磁波信號的影響機(jī)理。

1 研究地點(diǎn)與方法

1.1 研究地點(diǎn)

本研究的兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)均位于典型的黃河三角洲濱海鹽漬土區(qū)域(經(jīng)緯度坐標(biāo)見圖 1)：山東省濱州市的“渤海糧倉”試驗(yàn)田，距海直線距離約24 km，種植小麥，同一條田內(nèi)小麥長勢差異顯著；山東省東營市機(jī)場附近的荒草地，距海直線距離約13 km，不同植被類型在實(shí)驗(yàn)片區(qū)內(nèi)緊鄰分布。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Geographic locations of the study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用加拿大探測器與軟件公司生產(chǎn)的pulseEKKO PRO系列探地雷達(dá)主機(jī)以及250 MHz屏蔽天線，數(shù)據(jù)采集軟件為DVL Firmware，GPR數(shù)據(jù)利用自帶的LineView軟件進(jìn)行解讀。測量時(shí)窗設(shè)置為76 ns，水平采樣間隔0.04 m。

測量步驟主要有3步：①沿樣區(qū)長邊方向剖面法測量，測線經(jīng)過不同類型植被覆蓋的或同一植被長勢差異的地塊；②現(xiàn)場觀察控制面板中的波譜影像，找出GPR圖像沿測線方向的變異點(diǎn)，并進(jìn)行實(shí)地對照；③選取單一植被類型覆蓋或者相同長勢條件下的典型地塊，垂直于樣區(qū)長邊方向剖面法測量。圖2是以含有3個(gè)典型地塊的樣區(qū)為例繪制的GPR測量示意圖。

圖2 樣區(qū)GPR測量示意圖Fig. 2 Sketch map of plot surveying with GPR

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)

采集的雷達(dá)波譜圖像處理中，秉持使用最少的圖像處理技術(shù)和步驟，并獲取高清晰度的上層土體剖面信息為原則，主要包括有3步：①基礎(chǔ)濾波處理，旨在消除不必要的低頻信號，保留高頻信號；②空氣波校正，旨在獲取雷達(dá)圖像準(zhǔn)確的起點(diǎn)位置；③指數(shù)補(bǔ)償增益，初始值設(shè)置為10，最大增益設(shè)置為1 000，衰減系數(shù)設(shè)置為 32，可比較上層土體中不同深度的雷達(dá)信號強(qiáng)度。

選取單一植被類型覆蓋或者單一長勢條件下的測線，采集時(shí)間–振幅、頻率–振幅圖像并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。時(shí)間–振幅圖像橫坐標(biāo)為電磁波傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)為某時(shí)間點(diǎn)下單一測道的平均振幅能值。頻率–振幅圖像橫坐標(biāo)為頻率值，縱坐標(biāo)為某頻率下的平均振幅能值。

在典型地塊中心點(diǎn)開挖土壤剖面，利用米尺在土壤剖面上定位判讀每層土壤的深度和厚度，自下而上分層采集土壤樣品。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、磨碎，過2 mm孔徑的篩子后，①烘干法測定土壤水分含量；②按水土比5︰1的比例提取浸提液，使用美國哈希公司HQ30d數(shù)字化分析儀測定土壤電導(dǎo)率；③使用馬爾文儀器有限公司 Mastersizer 3000激光衍射粒度分析儀進(jìn)行土壤粒徑測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤特性分析

觀測濱州麥田土壤剖面，裸土地地塊沒有明顯的分層現(xiàn)象；小麥長勢一般的地塊在30 ~ 60 cm深度內(nèi)土壤顏色、質(zhì)地變化不均勻，60 cm深度以下土壤緊實(shí)、顏色變?yōu)榍嗌?；小麥長勢好的地塊主要特征為60 cm深度以下土壤緊實(shí)、顏色變?yōu)榍嗌?。東營荒草地中4種植被覆蓋的地塊在30 ~ 40 cm深度土壤特性發(fā)生第一次變異，但蘆葦和茅草地塊在70 cm以下土層受擾動顯著。因此，本研究以30 cm為間隔采集土壤樣品，東營荒草地試驗(yàn)區(qū)只分析0 ~ 60 cm的土層。分層土壤特性測定結(jié)果見表1。

表1 土壤特性測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistic results of soil properties

2.1.1 土壤水分 濱州麥田表層土壤含水量基本一致，中下部土層含水量差異明顯，小麥長勢一般和長勢好的地塊中層土壤含水量接近并同時(shí)顯著高于裸土地，小麥長勢一般的地塊下層土壤含水量顯著高于裸土地和小麥長勢好的地塊。東營荒草地中，裸土地和黃須菜地塊的土壤水分特性相似且上中層含量接近，蘆葦和茅草地塊的土壤水分特性相似且中層土壤含水量明顯高于上層土壤。

2.1.2 土壤鹽分 本研究采用電導(dǎo)率來表征土壤鹽分情況。鹽分和電導(dǎo)率值換算公式參考公式y(tǒng)= 0.402x+ 0.142，y為鹽分，x為電導(dǎo)率值[16]。我國濱海鹽漬土土壤鹽分分級[17–18]轉(zhuǎn)換結(jié)果見表2?？傮w來看，地表植被類型或長勢的差異可表征土壤表層鹽分含量的高低。濱州麥田內(nèi)裸土地表層土壤屬于中度鹽漬化土，小麥長勢一般和長勢好的地塊表層土壤均屬于非鹽漬化土；東營裸土地、黃須菜、蘆葦、茅草4種植物生長的表層土壤分別屬于重度鹽漬化土、中度鹽漬化土、輕鹽漬化土和非鹽漬化土。下部土層鹽分的高低也能明顯影響植被的長勢，例如小麥長勢一般的地塊下部土壤鹽分要高于小麥長勢好的地塊。

2.1.3 土壤粒徑組成 根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，濱州麥田土壤屬于粉砂質(zhì)壤土，東營荒草地土壤屬于砂質(zhì)壤土。挖掘的土壤剖面有明顯的分層現(xiàn)象，比如在濱州小麥長勢一般和長勢好的地塊、東營茅草覆蓋的地塊中，都分布有質(zhì)地硬而黏的黏土層。對照土壤粒徑的分析結(jié)果，應(yīng)該是土壤層次中砂粒含量較低、黏?；蚍凵傲：枯^高的原因。

表2 鹽漬化等級參照表Table 2 Reference table of salinization grades

2.2 波譜圖像分析

2.2.1 濱州麥田探測分析 首先，沿測線走向橫向觀察，可從土壤剖面波譜影像差異中區(qū)分小麥長勢不同的地塊。因測線較長，這里分別截取了小麥長勢不同的地塊中典型測線的圖像(圖 3)。從土壤剖面的波譜影像中，可以看到反射面的數(shù)量、位置、形態(tài)以及間距的差異?，F(xiàn)場對GPR波譜影像進(jìn)行增益，從控制面板中讀出地塊的變異位置，然后與沿測線標(biāo)記的米尺上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)GPR區(qū)分典型地塊的誤差可縮減在0.5 m之內(nèi)(表3)。在測線起點(diǎn)附近，偶有小撮麥苗零散分布的地塊與裸土地地塊之間、裸土地與麥苗長勢一般的地塊之間測量誤差偏大，可能是由于測線選取不夠典型、土壤特性有突變造成的。

表3 地塊變異位置對照表(m)Table 3 The variation position of plots

然后，沿土壤剖面縱向觀察，從圖3中可看出，我們能夠辨晰深度1.5 m以內(nèi)的土層信息，0 ~ 1 m的土層辨識度更高。與實(shí)地開挖的土壤剖面進(jìn)行對照，可估計(jì)GPR識別土壤分層的誤差在0.1 m左右。結(jié)合土壤特性測量結(jié)果，分析得到：①3個(gè)地塊在0.4 m深度處都具有平直強(qiáng)烈的反射波面。其原因是主要受農(nóng)業(yè)耕作的影響，表層土壤水分與下層土壤差異顯著，土壤介電特性在此發(fā)生明顯變化，因此出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射界面；②GPR反射波在3個(gè)地塊0.4 ~ 1 m深度范圍的差異明顯，這主要是剖面土壤特性變化造成的。裸土地的3層反射波分布均勻一致，代表了剖面土壤特性的綜合作用未使電磁波發(fā)生顯著變異，只是隨探測深度勻速衰減。小麥長勢一般的地塊在0.65 m處有一個(gè)強(qiáng)烈的反射波，與0.4 m處的反射界面外型類似，可將0.4 ~ 0.65 m劃定為一個(gè)土層，該層土壤水分、鹽分、黏粉粒含量較上層土體變大，砂粒含量減少；0.9 m處反射波界面較為模糊，說明電磁波在0.4 ~ 0.65 m土層中衰減劇烈，致使我們難以繼續(xù)判讀下層土體的波譜特性。小麥長勢好的地塊在0.6 m深度處有強(qiáng)烈的平直反射波面，應(yīng)該主要是因?yàn)橄聦油寥篮拷档驮斐傻?。與小麥長勢一般的地塊對比，小麥長勢好的地塊在0.9 m處反射波界面更為清晰，應(yīng)是因?yàn)?.6 ~ 0.9 m土層中水分、鹽分以及黏粉粒含量的相對偏低，對電磁波信號的衰減作用相對較弱。

2.2.2 東營荒草地探測分析 首先，沿測線走向橫向觀察，通過分析剖面波譜影像中反射面的數(shù)量、位置和形態(tài)的差異，可以區(qū)分不同植被覆蓋的地塊(圖3)。裸土地、蘆葦、黃須菜和茅草覆蓋的地塊變異分別在測線5、14.8和23.6 m左右的位置?，F(xiàn)場對GPR波譜影像進(jìn)行增益，從控制面板中讀出地塊的變異位置，然后與沿測線標(biāo)記的米尺上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)GPR區(qū)分裸土地與蘆葦?shù)貕K、蘆葦?shù)貕K與黃須菜地塊、黃須菜地塊與茅草地塊的誤差分別為0.5、0.2和0.6 m。

然后，沿土壤剖面縱向觀察，我們能夠辨晰深度1.2 m以內(nèi)的土層信息，0 ~ 1 m的土層辨識度更高。結(jié)合表1分析得到：①裸土地和黃須菜地塊的波譜影像中，土壤剖面內(nèi)反射層平直連續(xù)、間隔均勻且數(shù)量多，與剖面上分層土壤特性接近有關(guān)。②蘆葦和茅草地塊的剖面影像中在0.5 m左右出現(xiàn)第一個(gè)連續(xù)的反射界面，主要是因?yàn)橥寥浪?、黏粉粒含量變化引起的。茅草地塊中上層土體電磁波信號的衰減更為顯著，可能是由于該地塊上層土體中含有較多的黏粉粒；盡管剖面中土壤鹽分含量低，但電磁波的探測深度并未顯著增加。這更說明了土壤特性對GPR電磁波信號的綜合作用。③在測線21 ~ 26 m的范圍內(nèi)，也就是黃須菜和茅草地塊的交界處，剖面1.0 m深度左右的土層可能發(fā)生過擾動，從圖像的凸起狀態(tài)判斷可能是有管道埋設(shè)，因而造成兩個(gè)地塊分界處波譜信息變化不夠顯著。這兩個(gè)地塊的分辨主要依靠0.6 m以上土層的波譜信息。

圖3 濱州麥田GPR波譜影像與剖面照片F(xiàn)ig. 3 GPR spectra and profile photos of Binzhou wheat lands

圖4 東營荒草地GPR波譜影像Fig. 4 GPR spectra of Dongying desert grass lands

2.2.3 時(shí)間–振幅數(shù)據(jù)分析 為了進(jìn)一步闡明剖面土壤特性差異分層與電磁波信號之間的相關(guān)性，選取隨電磁波傳播時(shí)間而變化的振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖5)。振動幅度的大小和振動的強(qiáng)弱反映介質(zhì)內(nèi)振動的能量。在同種介質(zhì)中，波的形態(tài)不變，振動的能量隨著雙程走時(shí)的增加而逐漸減?。辉诓煌橘|(zhì)的交界面，波形圖的形狀和大小發(fā)生改變，變?yōu)榱硗庖环N形態(tài)。以濱州麥田內(nèi)的裸土地和麥苗長勢好的兩個(gè)地塊為例進(jìn)行分析：①裸土地的振幅圖中，0 ~ 8 ns范圍內(nèi)振幅變化復(fù)雜，主要是因?yàn)榈貕K表層有犁起的壟溝，缺少作物生長，土體十分松散；8 ~ 16 ns范圍內(nèi)振幅波形基本一致，只是振幅能值隨著雙程走時(shí)的增加逐漸減小，這是因?yàn)槠拭?.4 ~ 0.7 m左右深度范圍內(nèi)土壤特性相近。②麥苗長勢好的地塊其振幅波形變化分為3個(gè)階段，0 ~ 8、8 ~ 14和14 ~ 20 ns，對應(yīng)的土壤剖面變異深度為0.4、0.6 m左右。0 ~ 8 ns的振幅波形與后兩個(gè)階段的振幅波形差異明顯，后兩個(gè)階段的振幅波形差異較小，主要由土壤水分、鹽分含量不同造成的。③將兩地塊的時(shí)間–振幅數(shù)據(jù)對比，麥苗長勢好的地塊的振幅能值高于裸土地。結(jié)合表1，麥苗長勢好的地塊的土壤含水量、黏粒含量都高于裸土地地塊；同時(shí)，我們都知道水分和黏粒都是造成GPR電磁波衰減的重要因素[19]，這樣可以推論出，土壤可溶性鹽分是造成裸土地振幅能值降低的主要原因。

圖5 振幅–時(shí)間圖Fig. 5 The spectrum of amplitude-time

2.2.4 頻譜數(shù)據(jù)分析 進(jìn)一步研究該地區(qū)土壤鹽分對電磁波信號的影響，選取頻譜數(shù)據(jù)分析分段頻域上電磁波振幅能值的差異(圖6)，得出：①土壤鹽分含量越高，電磁波振幅能值越低。一般來講，土壤水分能夠顯著造成電磁波信號衰減和振幅能值降低[20]。在濱州小麥田中，裸土地中下層的土壤水分含量明顯低于麥苗長勢一般和麥苗長勢好的地塊，但同一頻率下的振幅能值數(shù)據(jù)的規(guī)律是裸土地<麥苗長勢一般的地塊<麥苗長勢好的地塊；東營荒草地中，4類地塊的土壤水分含量接近，同一頻率下的振幅能值數(shù)據(jù)的規(guī)律是裸土地<黃花菜地塊<蘆葦?shù)貕K<茅草地塊。這個(gè)規(guī)律與地塊表層土壤電導(dǎo)率數(shù)值的高低規(guī)律恰好相反，土壤鹽分對電磁波信號的影響特征在濱海鹽漬土區(qū)表現(xiàn)得十分顯著。②土壤鹽分的高低直接影響振幅峰值出現(xiàn)的次數(shù)和相位。以往的研究中，多介紹介質(zhì)鹽分含量越來越高，頻譜圖像中會有多峰出現(xiàn)[21]。如圖6所示，電磁波振幅有3個(gè)高峰值，分別出現(xiàn)在頻率200 MHz左右、300 ~ 500 MHz之間、690 MHz左右。土壤鹽分含量越高，高頻域段的多峰現(xiàn)象越弱，如東營裸土地的頻譜圖像中只有186 MHz頻率處的峰值最為突出，高頻區(qū)振幅能值變化近乎平緩。同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)土壤鹽分越高，第一個(gè)峰值相位前移，后兩個(gè)峰值尤其是第二個(gè)峰值相位后移。例如東營的裸土地和黃須菜兩個(gè)地塊，從表1中可以看出土壤理化因子差異主要體現(xiàn)為土壤鹽分含量不同，裸土地土壤鹽分含量高于黃須菜地塊，而圖6中裸土地3個(gè)峰值出現(xiàn)對應(yīng)的頻率分別是186、454和698 MHz，黃須菜地塊3個(gè)峰值出現(xiàn)對應(yīng)的頻率分別是195、420和689 MHz。

3 討論

3.1 GPR測定結(jié)果是土壤特性差異分層

電磁波信號因土壤特性的差異而發(fā)生變化，當(dāng)某一層次內(nèi)土壤特性值接近均勻時(shí)，從GPR波譜影像中可觀測到平滑的形態(tài)相似的反射波形；當(dāng)層次間土壤特性不一致，準(zhǔn)確地說土層間土壤介電特性不同時(shí)，GPR波譜中會在土層分界面處出現(xiàn)形態(tài)、密度、亮度有差異的反射波形。因此，GPR探測的是土壤特性差異分層，與土壤發(fā)生分層結(jié)果不能完全吻合。今后應(yīng)當(dāng)嘗試自動化識別土壤分層，提高GPR測量的專業(yè)化水平[14]。

圖6 振幅–頻率圖Fig. 6 The spectra of average amplitude-frequency

與定位測量技術(shù)相比[22]，GPR能夠連續(xù)模擬測線方向上土壤剖面；與遙感光譜特征反演技術(shù)相比，測量深度大、精確度高[23–24]。EM38大地電導(dǎo)儀是目前常用的土壤剖面電導(dǎo)率測量儀器，在鹽漬土區(qū)域得到了成功的應(yīng)用[25–26]，獲取的直觀數(shù)據(jù)是連續(xù)的線劃數(shù)據(jù)，后期插值可生成區(qū)域土壤電導(dǎo)率分布圖像；而GPR獲取的直觀數(shù)據(jù)是圖譜影像，土壤結(jié)構(gòu)分層信息較為明顯。

3.2 濱海鹽漬土中GPR信號衰減顯著

GPR信號衰減顯著表現(xiàn)為探測深度降低、圖像增益較大。

中心頻率為250 MHz的GPR測量干燥沙層的最大深度可達(dá)4 ~ 5 m，而在濱海鹽漬土區(qū)域的探測深度明顯受到限制。本研究試驗(yàn)中測量的土壤剖面深度較淺，僅1 m厚度內(nèi)的土層信息較為清晰，1 m的探測深度能滿足對農(nóng)作物耕層土壤觀測的要求，但無法與地下水位變化相結(jié)合，分析土壤水鹽的運(yùn)移和變化。因此，要觀測地下水位變化特征，應(yīng)嘗試降低GPR的中心頻率。

該試驗(yàn)波譜影像處理時(shí)指數(shù)補(bǔ)償增益數(shù)值偏高(1.3章節(jié))。以往進(jìn)行土地整理項(xiàng)目區(qū)調(diào)查模擬試驗(yàn)中，土壤為非鹽漬化土，人為添加鹽分至輕度鹽漬化土，淺層土體剖面波譜影像處理時(shí)大多未使用增益，土壤分層效果也十分顯著[27]。

3.3 GPR信號受到土壤因子的綜合影響

一般來說土壤水分影響土壤介電常數(shù)的實(shí)部，對電磁波信號的影響最大；土壤水分中溶解的礦物質(zhì)影響土壤介電常數(shù)的虛部，對電磁波信號有一定的衰減作用[12]。土壤黏粒能夠定向和固定溶解的帶電鹽分離子，減少極化下的外部電磁場，從而造成GPR信號衰減[7]。本研究選取土壤水分、鹽分和粒徑組成3個(gè)主要的影響因子，發(fā)現(xiàn)GPR電磁波信號的傳播受到土壤多因子的復(fù)合影響，試圖從機(jī)理上闡釋各個(gè)因子對電磁波信號的影響特征，重點(diǎn)剖析了土壤鹽分與電磁波振幅變化的相關(guān)特征。

從章節(jié)2.2中我們發(fā)現(xiàn)，要想揭示單因子對電磁波信號的影響規(guī)律，必須剝離其他因子的影響，方法有二：①采用模型實(shí)驗(yàn)，控制影響因子的種類和變化趨勢；②進(jìn)行大量的野外調(diào)查，尋找其他因子相近的地塊進(jìn)行類比分析。

4 結(jié)論

1) 250 MHz中心頻率的GPR適宜于濱海鹽漬土區(qū)淺層土壤特性的調(diào)查。通過探測不同植被覆蓋或同一植被長勢差異的土壤剖面，并實(shí)測分層土壤特性，證明從GPR波譜影像中可以區(qū)分表層鹽漬化程度不同的地塊，水平位移誤差多小于0.5 m；綜合波譜影像和振幅變化數(shù)據(jù)，可以辨晰0 ~ 1 m的土層信息，垂直分層誤差可達(dá)0.1 m。這為今后利用GPR時(shí)域信號分地塊、分層定量反演土壤因子奠定基礎(chǔ)。

2) 濱海鹽漬土區(qū)土壤鹽分對電磁波信號的影響十分顯著。土壤鹽分含量越高，電磁波振幅能值越低，土壤可溶性鹽分是造成裸土地振幅能值降低的主要原因；土壤鹽分含量升高造成高頻域段的振幅強(qiáng)烈衰減以及高峰數(shù)目的減少，振幅峰值對應(yīng)的頻域位置發(fā)生改變，表現(xiàn)為第一個(gè)峰值對應(yīng)的頻率降低，后兩個(gè)峰值尤其是第二個(gè)峰值對應(yīng)的頻率升高。這為今后利用GPR電磁波振幅和相位信息定量反演土壤因子奠定理論基礎(chǔ)。

[1] Alfred E. Hartemink, budiman minasny. Towards digital soil morphometrics[J]. Geoderma, 2014, 230–231: 305–317

[2] 于秀秀, 馬興旺, 迪力夏提, 等. 探地雷達(dá)在土層厚度調(diào)查中的試驗(yàn)研究[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2011, 48(4): 874–878

[3] 趙艷玲, 王金, 貢曉光, 等. 基于探地雷達(dá)的復(fù)墾土壤層次無損探測研究[J]. 科學(xué)導(dǎo)報(bào), 2009, 27(17): 35–37

[4] Li X J, Hu Z Q, Li S C, et al. Anomalies of mountainous mining paddy in western China[J]. Soil & Tillage Research, 2015, 145: 10–19

[5] 王前鋒, 周可法, 孫莉, 等. 基于探地雷達(dá)快速測定土壤含水量的試驗(yàn)研究[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2013, 28(5): 881–888

[6] 周立剛, 于東升, 王璽洋, 等. 基于高頻探地雷達(dá)的土壤表層含水量測定[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2016, 53(3): 621–626

[7] Doolittle J A, Minzenmayer F E, Waltman S W, et al. Ground-penetrating radar soil suitability map of the conterminous United States[J]. Geoderma, 2007, 141: 416–421

[8] 徐白山, 田鋼, 曾昭發(fā), 等. 白城地區(qū)鹽堿地土壤性質(zhì)與地質(zhì)雷達(dá)信息應(yīng)用研究[J]. 水土保持通報(bào), 2004, 22(2): 9–12

[9] Peng L, Zhang L X, Deng Y S, et al. Study on salt migration in saline soil using GPR// Recent development of research on permafrost engineering and cold region environment-Proceedings of the Eighth International Symposium on Permafrost Engineering[C]. 1st Edition. Xi’an: The Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, 2009: 698–707

[10] 江洪南. 探地雷達(dá)在干旱區(qū)鹽漬化土壤層定量探測中的應(yīng)用[J]. 物探與化探, 2014, 38(4): 800–803

[11] 薛建, 曾昭發(fā), 田剛, 等. 探地雷達(dá)在吉林西部地區(qū)探測土壤堿化層[J]. 物探與化探, 2005, 29(5): 421–424

[12] 雷磊, 塔西甫拉提·特依拜, 丁建麗, 等. 干旱區(qū)鹽漬土介電常數(shù)特性研究與模型驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(16): 125–133

[13] 夏銀行, 黎蕾, 陳香碧, 等. 基于探地雷達(dá)技術(shù)估算喀斯特峰叢洼地不同坡位土壤有機(jī)碳密度的方法[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 34(5): 920–927

[14] 王升, 陳洪松, 付智勇, 等. 基于探地雷達(dá)的典型喀斯特坡地土層厚度估測[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2015, 52(5): 1 024–1 030

[15] 胡振琪, 陳星彤, 盧霞, 等. 復(fù)墾土壤鹽分污染的微波頻譜分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(6): 56–60

[16] 翁永玲, 宮鵬. 黃河三角洲鹽漬土鹽分特征研究[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2006, 42(6): 602–610

[17] 王遵親, 祝壽泉, 俞仁培, 等. 中國鹽漬土[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1993: 130–211, 312–345

[18] 周穎, 張俠, 周峰. 江蘇省耕地地力等級劃分[J]. 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)), 2003, 39(4): 580–586

[19] Benedetto A. Water content evaluation in unsaturated soil using GPR signal analysis in the frequency domain[J]. Journal of Applied Geophysics, 2010, 71: 26–35

[20] Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurement in coaxial transmission lines[J]. Water Resource Research, 1980, 3: 574–582

[21] Comite D, Galli A, Lauro S E, et al. Analysis of GPR early-time signal features for the evaluation of soil permittivity through numerical and experimental surveys[M]. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2015: 1–10

[22] 付騰飛. 濱海鹽漬土水鹽運(yùn)移過程實(shí)時(shí)自動監(jiān)測研究[D]. 青島: 中國海洋大學(xué), 2012: 14–21

[23] 劉慶生, 劉高煥. 現(xiàn)代黃河三角洲潮土水鹽與野外光譜特征淺析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2008, 24(3): 253–257

[24] 劉婭, 潘賢章, 王昌昆, 等. 基于差異化光譜指數(shù)的鹽漬土水分含量預(yù)測——以濱海鹽土為例[J]. 土壤, 2016, 48(2): 381–388

[25] 陳玉娟. EM38 大地電導(dǎo)儀的應(yīng)用研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2004, 22(2): 146–148

[26] 姚榮江, 楊勁松, 劉廣明. EM38在黃河三角洲地區(qū)土壤鹽漬化快速檢測中的應(yīng)用研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2008, 26(1): 68–73

[27] Wang P, Hu Z Q, Zhao Y L, et al. Experimental study of soil compaction effects on GPR signals[J]. Journal of Applied Geophysics, 2016, 126: 128–137

Experimental Study on GPR Measurement of Coastal Saline Soil Profile

WANG Ping1,2, LI Xinju1*, MIN Xiangyu1, YANG Dong1, WANG Xin1, LI Junying1, SUN Xiaoyin2
(1Postdoctoral Research Station of Agricultural Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong273100,China; 2School of Geography and Tourism,Qufu Normal University,Rizhao,Shandong276826,China)

The identification of soil profile layers is the main research content of GPR investigation and also the basis job of time-domain signals extraction and quantitative inversion. In this study, pulseEKKO PRO GPR of 250 MHz central frequency was used to detect the soil profile layers of plots covered by different vegetation coverages or plots covered by same vegetation but with different growing conditions, and the results were compared the soil profile layers obtained by the method of digging profiles, and the response characteristics of electromagnetic wave signals to soil water, salinity and grain size composition were also analysed. The results showed that: 1) By observing GPR spectral images, soil profile variation with different vegetation coverages and growing conditions can be distinguished with errors mostly are less than 0.5 m. 2) Soil layer information in the depth of 0–1 m can be clearly distinguished with comprehensive analyses of soil profile spectral images and amplitude-time data with 0.1 m discriminating error of soil layering. 3) The effects of soil salinity on electromagnetic wave signals are very significant in this region.

GPR; Soil profile; Coastal saline soil; Soil salinity

S152；S159

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.028

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2015PD001)資助。

* 通訊作者(lxj0911@126.com)

王萍(1983—)，女，山東壽光人，博士，講師，主要從事土地利用信息技術(shù)方面的研究工作。E-mail: wpqfnu@126.com