探地雷達(dá)在植物根系探測中的應(yīng)用進(jìn)展

胡夢蛟 武珂 田云露 王雪妍 苗麗花

摘 要：根系在植物生長發(fā)育過程中扮演著十分重要的角色，根系研究是理解植物與土壤相互作用的重要基礎(chǔ)，對闡釋生態(tài)系統(tǒng)水力平衡以及營養(yǎng)循環(huán)意義重大。探地雷達(dá)具有傳統(tǒng)和其他物探方法無可比擬的優(yōu)勢。本文主要追溯探地雷達(dá)在根系應(yīng)用方面最新研究成果和前沿科學(xué)問題，討論不同研究方法和相關(guān)試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，展望該研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);植物根系;探測;介電常數(shù)

中圖分類號：TN959 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0011-05

Abstract： Root system plays a very important role in the process of plant growth and development. Root system research is an important basis for understanding the interaction between plant and soil， and is of great significance for explaining the hydraulic balance and nutrient cycle of ecosystem. Ground penetrating radar （GPR） has incomparable advantages over other geophysical methods. This paper mainly traced the latest research results and frontier scientific issues of ground penetrating radar in root application， discussed the advantages and disadvantages of different research methods and related experiments， and looked forward to the future development direction of this field.

Keywords： ground penetrating radar;plant root system;detection;dielectric constant

1 研究背景

根系作為植物重要的功能器官，不僅能從土壤中吸收水分和養(yǎng)分、固定植株，而且能通過呼吸和周轉(zhuǎn)消耗光合產(chǎn)物并向環(huán)境輸入有機(jī)質(zhì)?？梢?，根系在植物生長發(fā)育過程中扮演著十分重要的角色。因此，探測根系，加強(qiáng)根系研究是了解植物與土壤相互作用的重要基礎(chǔ)，對闡釋生態(tài)系統(tǒng)水力平衡以及營養(yǎng)循環(huán)意義重大[1]。但是，由于樹根深處地下，難以直接觀測，使得自然條件下對根系的研究無論在廣度還是深度上均大大落后于地上部分。探地雷達(dá)是探測根系分布特征一種新的技術(shù)方法，與傳統(tǒng)探測方法（如挖根法、土鉆法、土壤剖面法）相比，具有以下幾方面優(yōu)勢：①可使用較少的時(shí)間在野外完成對地下根系統(tǒng)的探測[2];②探地雷達(dá)探測植物根系是在土壤表面進(jìn)行，故探測時(shí)不擾動土壤，植物根系周圍的土壤始終維持在原始狀態(tài)，這對建立自然狀態(tài)下植物根系三維空間模型有很大幫助[2];③探測時(shí)不損壞植物;④可重復(fù)探測，便于在野外實(shí)驗(yàn)時(shí)判斷該方法的準(zhǔn)確性;⑤相比于其他探測方法，如X光掃描、電法檢測，探地雷達(dá)花費(fèi)更小，靈活性更大，且可在野外大范圍檢測[3]。本文主要總結(jié)探地雷達(dá)在植物根系應(yīng)用方面最新的研究成果和前沿科學(xué)問題，討論不同研究方法和相關(guān)試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望該研究領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

2 探地雷達(dá)的探測原理及方法

2.1 探地雷達(dá)及其原理

探地雷達(dá)是為淺層地下調(diào)查設(shè)計(jì)的沖擊雷達(dá)系統(tǒng)，其通過天線將電磁波的能量發(fā)射到地下，利用電磁波在地下介質(zhì)電磁特性差異，產(chǎn)生不連續(xù)性的反射和散射實(shí)現(xiàn)淺層成像、定位，進(jìn)而定性、定量地辨別地下電磁特性變化，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)根系的探測，其具有快速、高分辨率、對目標(biāo)的三維電磁特性敏感等優(yōu)點(diǎn)。

探地雷達(dá)系統(tǒng)主要由天線、主機(jī)和電腦（圖像軟件處理器）組成。探地雷達(dá)工作時(shí)，在雷達(dá)主機(jī)控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號并直接反饋給發(fā)射天線（T），經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播途徑上遇到介質(zhì)（根系和土壤等）的非均勻體（面）時(shí)，產(chǎn)生反射信號。位于地面上的接收天線（R）在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號在接收機(jī)經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中，依照幅度大小對信號進(jìn)行編碼，并以彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，經(jīng)事后處理，可用來判斷地下目標(biāo)根系的深度、大小和方位等特異性參數(shù)[4]。

2.2 根系探測相關(guān)實(shí)驗(yàn)與方法

目前，植物根系探測開展的相關(guān)實(shí)驗(yàn)的測線以直線為主。與此同時(shí)，介電常數(shù)與含水量的緊密聯(lián)系又使得對土壤和根系含水量的測定成為每個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。除了以上共同點(diǎn)外，不同研究的探測方法也因?qū)嶒?yàn)人員的側(cè)重點(diǎn)不同而各有特點(diǎn)。

Dannoura等[5]將實(shí)驗(yàn)場地中的原有土壤換成了粒徑小于6mm的砂質(zhì)花崗巖土壤，然后將事先準(zhǔn)備好的不同直徑的樹根與作為參照物的、含水率不同的木釘埋在50cm深的地方。探測結(jié)束后，所有樹根和參照木釘均被挖出以測定含水率，以便和雷達(dá)圖像比對。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Dannoura等[5]認(rèn)為，高振幅范圍和動態(tài)范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量與根系的直徑相關(guān)性較好，比時(shí)間間隔更可靠。此外，土壤含水率與根系含水率的差異在根系探測中是較為關(guān)鍵的參數(shù)。

Hirano等[6]的實(shí)驗(yàn)則是選取一塊正方形場地，并在其中按一定間隔劃出17個(gè)平行剖面。實(shí)驗(yàn)對象為在該實(shí)驗(yàn)場地周圍自然分布的6棵植物。在探測完成后，場地內(nèi)的829個(gè)根系全部被挖出，其中56個(gè)作為樣本測定含水率。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)場地中的土壤在水平和垂直方向上被等間隔取樣以測定土壤含水量。隨后，Hirano等對雷達(dá)圖像中明顯的根以及實(shí)際挖出的根系進(jìn)行生物有機(jī)質(zhì)估算。結(jié)果見表1。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Hirano等[6]得出結(jié)論：探地雷達(dá)方法可以估算出68%的被挖出的生物有機(jī)質(zhì)，而直徑小于1cm的根無法被精確地探測出來。

此外，Hirano等[7]還設(shè)計(jì)了4個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別測試可被雷達(dá)探測的最小根系直徑、含水量的影響以及水平、垂直分辨率。Hirano等認(rèn)為，水平或垂直距離小于20cm的兩個(gè)樹根無法被900MHz的雷達(dá)分辨出來。同時(shí)，在30cm的深度范圍內(nèi)，直徑為19mm以上的樹根可以被900MHz的雷達(dá)探測到。如果樹根直徑為26mm，深度范圍可以擴(kuò)大到80cm。

Cui等[8]的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與上述方案相比更進(jìn)一步。其將采集的樹根按直徑分成6個(gè)等級，每個(gè)等級有12個(gè)樹根。然后，在實(shí)驗(yàn)場地挖兩個(gè)相同的長方體溝槽，并在兩壁上分別鉆6個(gè)孔。6個(gè)孔之間的水平距離為60cm，每個(gè)孔到地面的垂直距離從10cm到80cm依次增加。每一次實(shí)驗(yàn)都會選兩個(gè)級別的根，把處于同一級別的6個(gè)根插入同一側(cè)溝槽的墻壁上。埋上土后用探地雷達(dá)探測。隨后把先前的根挖出，代之以另外兩組根。Cui等[8]為了更精確地得出信號能量衰減和速度變化規(guī)律，提出了一個(gè)新的方法，即在實(shí)驗(yàn)區(qū)域通過對已知金屬反射物的探測了解該地區(qū)信號衰減規(guī)律和速度變化，并以此指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)資料的處理與解釋;A19利用模擬器GprMax對探地雷達(dá)信號進(jìn)行正演模擬并建立起一套模擬方案，用以對原位實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)?？傊?，一系列研究都證明了探地雷達(dá)探測植物根系的可行性，并體現(xiàn)出探地雷達(dá)無損、簡便的巨大優(yōu)勢。

3 土壤和根系模型

土壤和根系介電常數(shù)的差異很大程度上決定了探地雷達(dá)能否有效地探測出根系，能否精確地提供根系埋深、直徑、地下分布情況等信息，以及能否幫助人們更準(zhǔn)確地估算根系的生物有機(jī)質(zhì)。然而，由于介電常數(shù)受多種潛在因素的影響（如土壤的含水率、孔隙度、粒徑級配），而土壤和根系又是由多種物質(zhì)組成的，因此，建立有效的、能準(zhǔn)確反映多種因素對土壤和根系介電常數(shù)影響的介電常數(shù)模型就顯得至關(guān)重要。

3.1 根系介電常數(shù)模型

目前，有3種常見的根系介電常數(shù)模型，即Power Law Model、MG Model和PS Model。這些模型都基于混合理論的假設(shè)，即固定形狀的填充物分散在一種環(huán)境狀態(tài)中，亦即主體和基質(zhì)。在木質(zhì)有機(jī)質(zhì)中，空氣就是主體，而固溶體、水則是填充物或基質(zhì)[9]。

3.2 根系電導(dǎo)率模型

3.4 土壤電導(dǎo)率模型

4 存在的問題

雖然目前使用探地雷達(dá)探測根系的相關(guān)研究取得了一定的進(jìn)步，但這些研究也不可避免地存在諸多問題。

4.1 多數(shù)實(shí)驗(yàn)沒有考慮探地雷達(dá)測線與根系交角的問題

探地雷達(dá)圖像反映的是根系沿探地雷達(dá)探測方向上的斷面信息。只有探地雷達(dá)測線與根系延伸方向正交時(shí)，圖像所反映的斷面才是真實(shí)的。由于根系的延伸方向相互之間差別很大，采用直線測線必然會導(dǎo)致多數(shù)根系的斷面在雷達(dá)圖像上發(fā)生畸變（一般來說，圖像上的斷面比實(shí)際斷面面積更大），進(jìn)而導(dǎo)致錯(cuò)誤的解讀。雖然部分實(shí)驗(yàn)（如Dannoura等[5]、Hirano等[7]）通過將挖出的根系分割成段，保證了探地雷達(dá)測線與根系的正交，但這只是對上述問題的一種回避，如果想要實(shí)現(xiàn)探地雷達(dá)在自然條件下對根系的精確探測，盡可能減少甚至消除根系延伸方向與測線方向非正交所帶來的誤差是必須要解決的一個(gè)重要問題。

4.2 模型不準(zhǔn)確

雖然目前有很多實(shí)驗(yàn)證明了根系和土體介電常數(shù)模型的有效性，但這些模型仍然有不足之處。在這些模型中，多數(shù)只考慮了含水量對介電常數(shù)的影響，而其他潛在的影響因素如溫度、土壤粒徑級配等則沒有被考慮在內(nèi)。除此之外，根據(jù)Paz等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，在含水量較高或較低時(shí)，三種植物介電常數(shù)混合模型都不可避免地出現(xiàn)高估或低估部分?jǐn)?shù)據(jù)的現(xiàn)象，說明現(xiàn)行的集中模型仍有改進(jìn)的空間。

4.3 數(shù)據(jù)處理方法不統(tǒng)一

多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理包括背景去除、濾波、偏移、速度分析等。不過，不同研究人員所采用的數(shù)據(jù)處理步驟差異較大。某一個(gè)被某個(gè)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的處理步驟可能在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中被省略。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：①無法保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu);②由數(shù)據(jù)處理步驟不同導(dǎo)致的數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量差異為不同實(shí)驗(yàn)人員相互借鑒實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論帶來困難。例如，很多實(shí)驗(yàn)沒有對探地雷達(dá)信號的能量衰減進(jìn)行補(bǔ)償，這會導(dǎo)致較深部的根系難以被發(fā)現(xiàn)。不過，Cui等[8]考慮了信號隨傳播距離的增大而產(chǎn)生的指數(shù)衰減，并對此進(jìn)行了補(bǔ)償，取得了良好的效果。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

從探地雷達(dá)首次被應(yīng)用于根系探測至今，相關(guān)研究取得了巨大的進(jìn)步。多種預(yù)測根系和土體介電常數(shù)的模型（如MG模型、PS模型、PowerLaw模型、Topp模型）紛紛被建立;各種與反射波有關(guān)的參數(shù)（如時(shí)間間隔、高振幅區(qū)域、門限區(qū)內(nèi)的像素?cái)?shù)量等）也從雷達(dá)圖像中被提取出來，用以建立參數(shù)與根系直徑的聯(lián)系;Hirano等[6]在現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上，嘗試?yán)锰降乩走_(dá)圖像對植物根系有機(jī)質(zhì)進(jìn)行直接估算;Cui等[8]為了得到更精確的信號能量衰減和速度變化規(guī)律，提出了一個(gè)新的方法，即在實(shí)驗(yàn)區(qū)域通過對已知金屬反射物的探測了解該地區(qū)信號衰減規(guī)律和速度變化，并以此指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)資料的處理與解釋;A19利用模擬器GprMax對探地雷達(dá)信號進(jìn)行正演模擬，并建立起了一套模擬方案，用以對原位實(shí)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)?？傊幌盗械难芯慷甲C明了探地雷達(dá)探測植物根系的可行性，并體現(xiàn)出探地雷達(dá)無損、簡便的巨大優(yōu)勢。

雖然相關(guān)研究取得了一定成果，但探地雷達(dá)在根系探測中的應(yīng)用還有很多局限性。首先，從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，只有直徑大于1cm的粗根才有可能被發(fā)現(xiàn)[14]。而無法探測直徑小于1cm的根系或者毛細(xì)根，這會給根系生物有機(jī)質(zhì)含量的估算帶來很大誤差。其次，相關(guān)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行依賴于良好的場地條件：受制于探地雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)，相關(guān)探測必須在相對平緩的地面上進(jìn)行。地面上有些看似微小的凹凸也許就會使探地雷達(dá)天線在行進(jìn)過程中產(chǎn)生顛簸，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。植物根系與土壤含水量的差異是探地雷達(dá)探測根系的關(guān)鍵，這使得只有在含水量較低的土壤或沙中，實(shí)驗(yàn)才能取得比較好的結(jié)果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是氣候濕潤地區(qū)的山間叢林里，依賴平坦、干燥的場地條件的探地雷達(dá)很難有用武之地。此外，目前的探地雷達(dá)技術(shù)還不夠成熟。其中一個(gè)典型的例子就是無法解決分辨率與探測深度的矛盾。低頻天線可以探測較深的地下，但分辨率較低。相對地，高頻天線分辨率高，卻只能探測淺層地表。諸如此類的硬件技術(shù)的不完善給植物根系二維、三維結(jié)構(gòu)的重建帶來很大困難。

5.2 建議

為了使探地雷達(dá)在根系探測中的應(yīng)用得到進(jìn)一步發(fā)展，在此，提出了一些對未來實(shí)驗(yàn)的建議和展望。

5.2.1 豐富探測方式。如前面所說，目前相關(guān)實(shí)驗(yàn)都是以直線探測為主，這就使多數(shù)根系與探測方向非正交。由于植物根系都是由一點(diǎn)向四周延伸，采用以植物為圓心的同心圓測線將會使根系斷面的畸變總體上減小。地質(zhì)雷達(dá)探測根系示意圖如圖1所示。

5.2.2 發(fā)展并完善根系和土壤的介電常數(shù)模型。雖然多種模型已被提出，但這些模型或多或少存在誤差。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來完善已有模型或建立適用范圍更廣更精確的新模型也是研究此類問題的重要步驟。

5.2.3 改進(jìn)探地雷達(dá)軟件、硬件技術(shù)。目前的探地雷達(dá)過于依賴?yán)硐氲膱龅貤l件。未來的探地雷達(dá)天線要具有在復(fù)雜地形上工作的能力。與此同時(shí)，解決探測深度與分辨率的矛盾也尤為重要。與硬件的改進(jìn)相對應(yīng)，數(shù)據(jù)處理軟件也需要升級，特別是與新探測方法和新硬件相配套的三維處理模塊。

5.2.4 利用正演模擬器為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。原位實(shí)驗(yàn)受制于人力、物力、財(cái)力，且實(shí)驗(yàn)情況又特別多，如果對每種實(shí)驗(yàn)情況都進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，那么實(shí)驗(yàn)成本將會相當(dāng)高。因此，建立正演模型來預(yù)測、指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)正在受到越來越多的關(guān)注。這種方法成本低，并且實(shí)可根據(jù)研究重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)情景（如根系的直徑、根系之間的水平垂直間距、土壤條件）而不受客觀實(shí)際情況的約束。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭立，崔喜紅，陳晉.基于GprMax正演模擬的探地雷達(dá)根系探測敏感因素分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2012（4）：1754-1763.

[2] Bassuk N， Grabosky J， Mucciardi A， et al. Ground penetrating radar accurately locates tree roots in two soil media under pavement[J]. Arboric Urban Forest ， 2011（37）： 160-166.

[3] Cui X H ， Chen J ， Shen J S ， et al. Modeling tree root diameter and biomass by ground-penetrating radar[J]. Science in China Series D： Earth Sciences， 2011（5）：711-719.

[4]舒洪嵐.探地雷達(dá)在植物根系研究中的應(yīng)用[J].江西林業(yè)科技，2007（5）：32-33.

[5] Dannoura M， Hirano Y， Igarashi T， et al. Detection of Cryptomeria japonica roots with ground penetrating radar[J]. Giornale Botanico Italiano， 2008（2）：375-380.

[6] Hirano Y， Yamamoto R， Dannoura M， et al. Detection frequency of Pinus thunbergii roots by ground-penetrating radar is related to root biomass[J]. Plant & Soil， 2012（1-2）：363-373.

[7] Hirano Y ， Dannoura M ， Aono K ， et al. Limiting factors in the detection of tree roots using ground-penetrating radar[J]. Plant and Soil， 2009（1-2）：15-24.

[8] Cui X ， Guo L ， Chen J ， et al. Estimating Tree-Root Biomass in Different Depths Using Ground-Penetrating Radar： Evidence from a Controlled Experiment[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2013（6）：3410-3423.

[9] Paz A ， Thorin E ， Topp C . Dielectric mixing models for water content determination in woody biomass[J]. Wood Science and Technology， 2011（2）：249-259.

[10] Simpson W，Tenwolde Anton. Physical properties and moisture relations of wood [EB/OL].（2013-04-26）[2019-01-01]. http：//www.doc88.com/p-9127315199147.html.

[11] Guo L， Lin H，F(xiàn)an B，et al. Forward simulation of root’s ground penetrating radar signal： simulator development and validation [J]. Plant and Soil，2013（1-2）：487-505.

[12] Topp G C， Davis J L， Annan A P. Electromagnetic Determination of SoilWater Content： Measurements in Coaxial Transmission Lines. Water Resour Res[J]. Water Resources Research， 1980（3）：574-582.

[13] Mccutcheon M C，F(xiàn)arahani H J，Stednick J D，et al. Effect of soil water on apparent soil electrical conductivity and texture relationships in a dryland field[J]. Biosystems Engineering，2006（1）：19-32.

[14] Li G， Jin C， Cui X， et al. Application of ground penetrating radar for root detection and quantification： A review[J]. Plant & Soil， 2013（1-2）：1-23.