基于探地雷達的根系探測對土壤含水量的響應

黎 蕾，湯玉喜，李永進，唐 潔，楊 艷，鄭 華

(1.湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004；2.廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，廣西 南寧 530001)

探地雷達(Ground Penetrating Radar)，簡稱GPR，是一種快速而高效的淺層地球物理探測技術，是利用寬帶高頻電磁波信號探測介質分布的沖擊雷達系統(tǒng)[1]。自1999年開始應用于探測植物根系[2]，目前主要應用于根系分布探測、根徑大小估測和生物量估算[3-7]。GPR技術在植物根系探測中的應用顯示出了其獨有的特點，其有效性已經得到了國內外研究者的證實[5-9]。利用GPR探測根系有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在原位無損、無需破壞植物和土壤，可以進行長期定位觀測，同時能進行大面積的空間探測[10]。

GPR通過天線發(fā)射高頻電磁波到地下，當遇到不同電磁特性的物質時，產生不連續(xù)的反射和散射，部分電磁波被反射回接收天線，之后被轉換成波形的數(shù)字圖像，從而推斷地下介質的特征。而植物根系由于含水量高于土壤基質，兩者具有較大差異的電磁特性，從而使利用探地雷達進行根系探測成為可能[6]。土壤相對介電常數(shù)和電導率是控制探地雷達信號在地面?zhèn)鞑ズ头瓷涞淖钪匾蛩?。土壤含水量是影響土壤介電常?shù)和電導率的一個極為重要的因素。隨著土壤含水量的增加，相對介電常數(shù)和電導率隨之增加，導致電磁波的傳導速率降低和衰減率的增加[11]。Butnor等[12]研究發(fā)現(xiàn)，探地雷達根系分辨率在干沙土壤中最好，而在土壤含水量高的土壤中則嚴重減弱。同時研究表明，濕潤土壤減弱了根系生物量與GPR指數(shù)之間的相關性。而高含水量和高粘粒含量的土壤，則會降低土壤介電常數(shù)對比度，增加土壤電導率，從而嚴重降低GPR信號和使用GPR探測根系的能力[8]。吳信民等[13]研究表明，粘土中含水量的變化會使導電率及介電常數(shù)隨之發(fā)生較大的變化，同時也會引起GPR電磁波速度較大的變化。而夏銀行等[14]研究表明喀斯特地區(qū)3種典型質地土壤的土壤含水量越大，其介電常數(shù)越大，電磁波傳播的波速則越小。雖然有對土壤含水量與土壤電磁特性間相關性以及GPR根系探測精度影響因子的研究，但目前關于土壤含水量對根系探測影響的研究還較少。鑒于此，本研究以室內模擬2種質地土壤在不同含水量條件下的電磁波波速變化，及用不同天線頻率GPR來探測2種質地土壤含水量下的根系探測效果，明確不同土壤含水量對GPR探測根系的影響，為根系的進一步研究提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取2種典型土壤類型(粘土和砂質壤土)作為測試土壤，2種質地土壤的顆粒含量及基本理化性質分別見表1和表2，通過預處理，將2種質地土壤過2 mm篩；制作2個長×寬×高為6 m×1.2 m×0.6 m的木箱用于模擬試驗。

選取長度為20 cm的不同粗細的木薯根作為GPR探測的根系材料。

表1 2種質地土壤中各粒級的含量Tab.1 Thecontentofsizefractionoftwokindsofsoil%土壤質地砂粒粉(砂)粒粘粒砂質壤土78.646.1015.25粘土33.008.5158.49

表2 2種質地土壤基本理化性質Tab.2 Thebasicphysicalandchemicalpropertiesoftwokindsofsoil土壤質地全氮/(g·kg-1)全磷/(g·kg-1)全鉀/(g·kg-1)速效氮/(g·kg-1)速效磷/(g·kg-1)緩效鉀/(g·kg-1)pH值砂質壤土0.6990.842.1356.413590.46.0粘土1.4102.654.39122.015465.75.7

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 在廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所試驗大棚內進行試驗，設置2個室內模擬試驗分別研究不同土壤含水量下的電磁波波速和根探測結果。

試驗1：將2種質地土壤分別填加到木箱中，對2種質地土壤通過均勻加水的方式分別進行一系列水分處理。在距離一邊箱體水平距離60 cm垂直深度53.5 cm處設置直徑為7.5 cm的鋼管，分別用800和1 200 MHz探地雷達天線以輪測法沿測線(垂直鋼管方向)探測波速。分別設置2條測線重復探測，可得到每條測線剖面的波形圖，按照公式(2)可得到不同含水量下的波速。

試驗2：在試驗1的基礎上，在木箱中放置鋼管作為電磁波波速的參照(位置同試驗1)，分別將根平行于木箱的寬度方向埋在2種質地土壤的15和30 cm處，用GPR探測不同水分條件下的水平間距60 cm的一列不同根徑的根(表3)。分別用800和1 200 MHz雷達天線以輪測法探測，重復2條測線，可得到每條測線的雷達波形圖，通過濾波處理，可以得到不同深度根的分布圖。

1.2.2 研究方法 探地雷達通過一組發(fā)射天線T向地下或者物體內部發(fā)射電磁波，在傳播過程中遇到電性差異的物體反射后返回表面，被另一組接收天線R接收，根據(jù)接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態(tài)和埋藏深度(圖1)。電磁波行程時間[15]：

圖1 GPR剖面成像示意圖[15]

(1)

式中:t為電磁波的行程時間(n s)；z為探測目標所處的深度(m)；x為雷達發(fā)射天線和接收天線的間距(m)；v為電磁波在地下介質的傳播速度(m·n s-1)。公式中x在剖面檢測中是固定的，當x遠小于目標體距地表的深度時，公式(1)可簡化為t=2z/v。當目標體的深度已知時，由公式(1)可得到波速：

v=2z/t。

(2)

在根系探測時，當波速v為已知時，可根據(jù)測到的t，由公式(1)求出根系的深度：

z=vt/2。

(3)

當土壤的導電率很低時，v可以近似算出：

(4)

其中，c為光速(c=0.3 m/ns)；εr為土壤的相對介電常數(shù)值。

表3 2種質地土壤不同水分條件下根的擺放方式Tab.3 Thearrangementofrootsunderdifferentwaterconditionsoftwokindsofsoil土壤質地含水量/%埋放深度/cm根徑/cm土壤質地含水量/%埋放深度/cm根徑/cm1.0415、301、2、3、5、7、92.6115、301、2、3、5、7、93.5215、301、2、3、5、7、94.2115、301、2、3、5、7、9砂質壤土6.5115、301、2、3、5、7、97.8715、301、2、3、5、7、99.7115、301、2、3、4、5、7、913.0115、301、2、3、4、5、7、913.5915、301、2、3、4、5、7、920.3315、301、2、3、4、5、7、99.1315、301、2、3、4、5、6、7、910.3315、301、3、5、7、913.1515、301、3、5、7、915.9415、301、3、5、7、9粘土18.5015、301、3、5、7、920.3915、301、3、5、7、922.1515、301、3、5、7、924.3315、301、3、5、7、926.3515、301、2、3、5、7.526.8215、301、2、3、5、7.5

1.3 數(shù)據(jù)采集及處理

本試驗采用瑞典MALA公司生產的ProEx探地雷達系統(tǒng)，由主機以及800和1 200 MHz屏蔽天線采集波速數(shù)據(jù)，其中，800和1 200 MHz天線的天線距分別為0.14和0.06 m，采集軟件為GroundVision 2。采樣參數(shù)設置如下：800和1 200 MHz天線的采樣次數(shù)均設置為480個，采樣頻率分別選擇12 409和31 436 MHz。在試驗過程中，土壤含水量采用烘干法進行測量。土壤質地利用比重計法測定。數(shù)據(jù)使用ReflexW 7.5 軟件進行處理，基本步驟為選擇精確的時間零點，然后進行濾波處理(靜校正/切除、去零漂、背景去除、去除毛刺)；根據(jù)鋼管位置標定波速，獲取波速后使用時深轉化和圖像截取濾波處理。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量對電磁波波速和介電常數(shù)的影響

通過800和1 200 MHz 2個屏蔽天線分別測定2種質地土壤含水量下的波速，結果表明：2種天線頻率對波速的影響相差不大，波速的變化趨勢一致(圖2a、圖2b)；2種質地土壤含水量對電磁波波速的影響較大，波速隨著土壤含水量的增大而減小(圖2)，在砂質壤土中，波速隨土壤含水量增大幾乎呈線性減小的趨勢，而在粘土中呈現(xiàn)出先大幅減小，到土壤含水量為15%左右時，再平緩減小(圖2c，圖2d)。2種質地土壤中電磁波波速與土壤含水量的關系式為三次多項式(表4)。

圖2 2種質地土壤中電磁波波速與含水量的關系

其中砂質壤土的擬合公式：

0.195 8；

(5)

粘土的擬合公式：

0.454 1。

(6)

其判定系數(shù)R2均大于0.95，分別為0.970 1和0.953 8。由此可知，在一定程度的含水量范圍內，2種質地土壤的電磁波波速和土壤含水量之間的擬合關系較好，可以很好地應用到實際土壤根系探測中，有利于根系深度的估算。

2種質地土壤v～θm關系式的4個系數(shù)有較大的差異，通過表1可得到2種質地土壤的粘粒含量：粘土(58.49%)>砂質壤土(15.25%)，兩者粘粒含量之間存在較大差異。而粘土的全氮、全磷、全鉀等養(yǎng)分含量都大于砂質壤土，保水保肥能力都遠遠大于砂質粘土(表2)，粘土在含水量較大的情況下，電磁波波速隨土壤含水量增大的變化而減小。由此可見，土壤質地也是影響電磁波波速的重要因素。通過試驗表明：判斷電磁波在土壤中傳播的快慢與所使用的探地雷達天線頻率無關，而與土壤本身的性質和含水量有關。

表4 2種質地土壤中電磁波波速和土壤含水量的關系Tab.4 Therelationshipbetweenelectromagneticwavevelocityandwatercontentintwokinds土壤質地擬合方程R2砂質壤土ν=10-5θ3m-0.0003θ2m-0.0035θm+0.19580.9701粘土ν=-63.13θ3m+33.32θ2m-5.7534θm+0.45410.9538注:v和θm分別表示電磁波波速和土壤含水量

由圖3可知，隨著土壤含水量的增大，2種質地土壤的相對介電常數(shù)也隨著增大，砂質壤土的增大趨勢更明顯。在砂質壤土中的干濕土的相對介電常數(shù)為2.19～13.96，而粘土中的干濕土的相對介電常數(shù)為3.43～6.46。隨著土壤相對介電常數(shù)增大，探地雷達電磁波波速而減小。

圖3 2種質地土壤含水量與相對介電常數(shù)的關系

2.2 土壤含水量對根探測結果的影響

GPR對根的探測結果，在2種質地的土壤中，均隨土壤含水量增大而減弱，但2種質地土壤中根探測效果差異較大，均受根徑大小和根分布深度的影響。

隨著土壤含水量地增加，砂質壤土中根的雷達波形圖中雜波逐漸增多(圖4)。當砂質壤土中含水量≤9.71%時，鋼管和30 cm深度根的位置都清晰可見(圖4a～圖4c)；當土壤含水量為13.59%時，鋼管的位置比較模糊，而30 cm深度大根徑的根位置還是能清楚分辨，不過小根徑的根(1～2 cm)的根就很難識別，無法判斷正確的位置(圖4e)；當土壤含水量為20.33%時，雜波的干擾現(xiàn)象較為嚴重，無法分辨具體的根位置，只能看出有根的分布，但無法識別根的具體情況(圖4f)。由此可見：當砂質壤土的含水量為20.33%以上時，不適宜利用GPR進行根的探測。根分布深度同樣影響GPR對根的識別，當土壤含水量為13.01%～13.9%時，30 cm深度根的雷達波的雜波較多，并且根的信號比15 cm深度根信號更弱，但都能識別根徑>3 cm的根(圖4d和圖4e)?？梢?，當根分布的土壤深度增加時，GPR對根探測的分辨率會減小。

圖4 根在砂質壤土不同含水量下的雷達探測效果

隨著土壤含水量的增加，粘土中根的雷達波形圖中雜波也逐漸增多，對根的識別干擾增大(圖5)。當粘土含水量在≤18.50%時，鋼管和30 cm深度根的位置都清晰可見(圖5a～圖5c)；當土壤含水量為22.15%時，雜波增多，但鋼管和根的位置依然能夠分辨(圖5d)；當土壤含水量增大到26.82%時，鋼管位置仍可見，但30 cm深度根的雙曲線不可見(圖5f)，這時GPR已探測不到根；對于15 cm深度的淺層根而言，當土壤含水量為26.35%時，只有根徑1 cm左右的根不可識別，但根徑>2 cm的根仍然可以分辨出具體的位置(圖5e)。GPR探測根雖然受限于高土壤含水量，但對于淺層根而言，粗根仍可清晰探測。

圖5 根在粘土不同含水量下的雷達探測效果

由公式(5)和(6)可計算得到2種質地土壤不同含水量下的波速，通過時深轉化處理后得到不同深度下根的雷達波形圖。由圖6可見，由波速推導的砂質壤土中的6條根的分布深度分別為0.32、0.30、0.32、0.30、0.28和0.30 m(圖6a)，與實際根的分布深度0.30 m相比，差距為0.02 m；而由波速推導的粘土中的8條根分布深度分別為0.25、0.25、0.25、0.25、0.25、0.27、0.25和0.27 m(圖6b)，與實際分布深度0.30 m的根相比，差距在0.03～0.05 m之間。由此可見，由v～θm關系式計算的波速推導的深度與根的分布實際深度存在一定的誤差，但都在允許誤差范圍內，這與土壤質地及模擬試驗中根的擺放情況均存在一定的關系。因而，在實際應用中，利用GPR探測根的分布具有極大的優(yōu)勢性與可行性。

圖6 兩種質地土壤的根雷達探測圖

3 結論與討論

通過2種質地土壤不同含水量下根的探測試驗，可知土壤含水量對GPR電磁波波速和根分辨率等都具有較大影響，但受土壤質地、根徑大小及根的分布深度等因素影響而有差異。

(2)根的分辨率在2種質地的土壤中都表現(xiàn)為隨土壤含水量增大而減弱，但2種質地土壤中差異較大，當砂質壤土的含水量>20.33%和粘土中含水量>26.82%時，不適宜利用GPR進行根的探測。

(3)土壤含水量對電磁波波速的影響在不同土壤中存在較大差異，這主要與土壤固有性質和組成成分的差異相關，如土壤介電常數(shù)、粘粒含量、養(yǎng)分含量等。而對根分辨率影響的差異除了土壤自身性質差異外，還與根徑大小和根分布深度有關。