基于GPR的滨海盐渍土土壤盐分探测技术研究

赵学伟 王萍 李新举 刘宁

摘要：为了探究探地雷达（GPR）对滨海盐渍土水盐运动的响应特征，利用探地雷达测得滨海盐渍土的土壤盐含量。选择水盐含量不同，其余土壤特性类似植被长势不同的地块，设置4种处理方式：分别加入20 L水、20 L 浓度为5 g/L的NaCl溶液、20 L 浓度为20 g/L的 NaCl溶液、对照地块。使用250 MHz的pulse EKKO PRO探地雷达，探测不同地块不同层次不同处理方式下的土壤介电常数与振幅。通过对不同水盐状态下的土壤介电常数与振幅的分析，发现水盐的增加会加大土壤的介电常数，逐层减弱振幅。在1 m深度范围内GPR测得介电常数与振幅信息能够从一定程度上反映土壤盐分变化。

关键词：GPR；土壤盐分；电磁波速度；介电常数；土壤振幅；滨海盐渍土

中图分类号：S156.4文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）04-0084-07

Abstract The lands with different soil water and salt contents and vegetation growth but similar other soil properties were selected for the experiment. Four treatments were set including CK， adding 20 L of water， adding 20 L of 5 g/L NaCl solution and adding 20 L of 20 g/L NaCl solution. Based on GPR， the coastal saline soil salinity was detected to study the response characteristics of GPR to water-salt movement. The soil dielectric constant and amplitude were measured with the 250 MHz pulse EKKO PRO GPR in different soil layers of different lands under different treatments. The results showed that the dielectric constant was increased and the amplitude was weaken layer by layer with the increase of water and salt. In the 1 m depth of soil， the dielectric constant and amplitude information measured by GPR could reflect the changes of soil salinity to a certain extend.

Keywords GPR；Soil salinity；Electromagnetic wave velocity；Dielectric constant；Soil amplitude；Coastal saline soil

黄河三角洲地区盐渍土面积大，占其总面积的70%左右[1]，该区域土壤剖面构型多样，时空变异性强，土壤水盐运移过程复杂[2]。而土壤盐渍化具有很严重的环境风险和危害，是全球范围内普遍关注的生态环境问题[3]，土壤盐分的监测是水盐动态运移研究的前提。

探地雷达（GPR）可实现中小尺度无损测量，越来越多的被用于土壤特性的调查中，但目前大多数是关于土壤层次和厚度、水分的测定等应用研究[4]。例如GPR测量滨海盐渍土剖面分层[5]；探测不同质地土壤复垦结构[6]；确定最佳天线距离提高土壤表层含水量测量精度[7]，均取得较多进展[8]。而对于土壤盐分监测的研究并不多，且大都集中在内陆盐渍土地区[9]，分析土壤盐分与地质雷达信号的关系[10]，评估盐渍化在深度方向上的变化，估算土壤盐分含量[11-13]。

滨海盐渍土地区水盐含量高，水盐运移规律差异显著，利用GPR反演土壤盐分含量具有重要意义。对于探地雷达电磁波而言，水分的增加会增大土壤的介电常数，减弱电磁波的传播速度[14]；盐分的增加会减弱电磁波的能值，减少其探测的深度，减弱土壤电磁波的振幅[15]。本研究尝试在滨海盐渍土地区选取典型地块，分别加入水盐处理，观测GPR信号响应特征，得到影响因子，以期为GPR信号反演土壤含盐量奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 試验地概况

研究地点选在山东省滨州市“渤海粮仓”试验示范基地（N37°56′42.93″，E117°57′43.02″）。该区域属季风气候区，多年平均气温12.1℃，无霜期206 d，日照时数2 724.5 h。多年平均年降水量为570.1 mm，汛期降水量为436.8 mm，约占年降水量的77.8%，平均年蒸发量1 285.5 mm，年蒸发量是年降水量的2.3倍，境内淡水资源十分匮乏，是典型的黄河三角洲盐渍土区域。选择土壤质量均匀一致的地块作为试验区，土壤为滨海氯化物盐渍土，质地为粉砂质壤土。

1.2 试验设计

本研究采用加拿大探测器与软件公司生产的pulse EKKO PRO系列GPR主机以及250 MHz屏蔽天线，数据采集软件为DVL Firmware。

测量步骤：分别选取试验区内裸土地、小麦长势一般的地块、小麦长势良好的地块（长10 m，宽1 m）。三类地块土壤除水盐含量不同，其它土壤特性基本一致。将3个地块分别划出4个长度为2 m，宽度为1 m的小区，其中3个小区分别加入20 L水， 20 L浓度为5 g/L NaCl溶液和20 L浓度为 20 g/L NaCl溶液，使其逐渐渗入（如图1所示）。

沿每个地块的长边方向进行FO法测量，天线内部间距为0.38 m，外部间距为零，时窗设置为76 ns，水平采样间隔4 cm；在每个地块中心处进行共中心点（CMP）法测量，步距设置为20 cm，即各天线每次移动10 cm。

每次水分添加后（间隔1 d供水分入渗），进行GPR测量和采样。

1.3 试验方法

因滨海盐渍土水盐变换是同时进行的，盐含量的变化不能单独考虑盐分影响，因此加入GPR信号中反映土壤水分特征变化的土壤介电常数来综合分析滨海盐渍土的盐分含量。

GPR影像处理中，秉持使用最少的图像处理步骤，并获取高清晰度的上层土体剖面信息为原则，利用Line View软件进行分析。FO法测量结果的处理主要有三步：（1）处理基础滤波，可以消除不必要的低频信号；（2）空气波校正，旨在获取雷达图像准确的起点位置；（3）指数补偿增益，初始值设置为10，最大增益设置为1 000，衰减系数设置为32。CMP法测量结果的处理主要有两步：（1）基础滤波处理，消除不必要的低频信号，保留高频信号；（2）自动增益控制，时窗设置为1，最大增益值设置为5 000。

在典型地块中心处开挖土壤剖面，根据土壤分层情况，自下而上每间隔30 cm采集土壤样品，烘干法（105℃）测定土壤质量含水量；按水土比5∶1的比例提取浸提液，用HQ30d数字化分析仪测定土壤电导率。使用 Microsoft Excel 2003 进行数据基本处理，使用SPSS 17.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 土壤介电常数的获取与分析

2.1.1 土壤介电常数的获取 土壤水盐含量越高，探地雷达探测深度越浅，信号衰减越强烈，从而一定程度上影响电磁波单位时间内的振幅大小，需要获取GPR测量下的土壤介电常数。

本研究采用共中心点法获取电磁波实际传播速度。地块的地下水平界面的反射波的双程走时T：T2 =X2/v2+D2/v2 ，其中，X为雷达发射天线与接收天线之间的距离，D为地块的深度，v为上述电磁波实际传播速度； 地面直达波可看成是D=0时的反射波。当地层电磁波速度不变时，T与X成线性关系，即图中红色直线的斜率为地面波的速度。通过Line View软件中的双曲线速度标定按钮（hyperbola velocity calibration button）提取地面波和表层反射波的速度，通过拖曳双曲线的尾巴调整双曲线的形状与雷达波形相匹配后，软件自动计算反射界面之上土层的平均速度（图2）。

本研究采用的土壤介电常数的估算公式：ε≈（c/v）2。

式中，c为电磁波在真空中的传播速度，为0.3 m/ns，v为提取的GPR地面波传播速度（m/ns），是电磁波的实际传播速度。采用上述方法测定得到待测地块的介电常数ε。

2.1.2 土壤水盐含量与介电常数分析 测量开挖剖面各层土壤的EC（电导率）值，盐分与EC值换算公式[16]：Y=0.402EC+0.142，Y为盐分。获得的土壤水盐含量实测结果如表1所示。

（1）从表1中可以看出，各类试验地块处理前后，土壤含水量变化趋势具有一致性，均表现为土壤表层含水量低于中下层含水量。但也有差异性：在裸土地地块中，中层土壤含水量与表层相近，但总体含量较低，显著低于下层；在小麦长势一般的地块中，中下层土壤水分含量相近，总体含量较高；长势好的地块中各层差异明显，中层含水量明显高于其他两层；而小麦长势一般和良好的地块土壤含盐量基本由上往下基本是依次递增的。

对比来看，小麦长势一般和良好的地块中层土壤含水量接近并同时显著高于裸土地，小麦长势一般的地块下层土壤含水量显著高于裸土地和小麦长势好的地块。土壤盐含量随着覆盖植被的增多而降低，裸土地含鹽量最高且其表层盐含量显著高于中下层，加入水后，其含盐量出现一定程度递减。

在加入水和盐溶液后均表现为表层和中层土壤含水量显著增加，下层土壤含水量变化不大；加入水分的地块中土壤含水量要比加入盐溶液的地块高，随着盐溶液浓度的升高，土壤含水量增长变慢。

（2）从GPR信号反应来看，在加入水和盐溶液的地块中，其电磁波传播速度降低，并且随着盐溶液浓度的增加，降低趋势越发明显。

在裸土地的各项处理中，电磁波传播速度均随着土层深度的增加逐渐减小；而在小麦长势一般和长势良好的各地块中，电磁波传播速度均表现为表层>下层>中层，且其各层土壤电磁波传播速度明显低于裸土地中对应各层的传播速度。由ε≈（c/v）2计算得出的土壤介电常数也具有相同的变化趋势。

将GPR信号的反应量与土壤水盐含量相比较发现，电磁波的传播速度受到土壤中水盐含量的影响，水盐含量升高造成电磁波传播速度的衰减，土壤水分含量对电磁波速度的影响大于土壤盐分的影响。

不同植被覆盖下的GPR影像如图3所示，在表层0～30 cm土壤中，电磁波的传播速度表现为裸土地>小麦长势一般地块>小麦长势良好地块，其主要受土壤中水分含量的影响，水分含量越高，对电磁波吸收作用越强，电磁波传播速度越低，与其对应的土壤介电常数越高。250 MHz天线GPR可以清晰识别空气波、地面波和反射波；随着天线间距加大，地面波衰减加快，地面波信号显著变弱；1 m深度内的土层反射信号显著，随着探测深度增加，反射波衰减加快，双程走时超过30 ns之后，GPR难以清晰识别土层。

2.2 土壤振幅信息的获取与分析

2.2.1 土壤振幅的获取 为进一步研究滨海盐渍土土壤盐分对电磁波信号的影响，选取随电磁波传播时间而变化的振幅数据分析电磁波能值上的差异（图4）。

可以看出三类地块，其电磁波的波形类似，但其电磁波振幅表现为裸土地<小麦长势一般的地块<小麦长势良好的地块。由于三类地块除水盐含量外，其他理化性质基本一致，因而水分和电导率是造成电磁波信号衰减和振幅能值降低的主要因素。小麦长势一般地块的土壤水分含量略高于小麦长势良好的地块，但其电磁波振幅能值明显低于小麦长势良好的地块，这表明电导率，即土壤可溶性盐分是造成土壤振幅能值降低的主要原因。

选取相同地块的不同处理方式下的时间振幅数据（图5）发现，水分与盐溶液的加入基本不会改变电磁波的波形，只是降低土壤电磁波振幅能值；但加入盐溶液的地块振幅能值下降的速率显著高于只加入水的地块。进一步表现出土壤盐分对电磁波振幅能值的显著影响。并且各类地块的振幅能值大部分集中在0～20 ns范围内，20 ns后其能值趋近于零。

2.2.2 土壤振幅的讨论 为进一步获取剖面土壤分层下水盐特征与电磁波振幅的关系，利用GPR时间、深度影响图（图6），分别获取各处理地块的0～30、30～60、60～90 cm范围内的平均振幅进行比较，结果发现，各类处理地块平均振幅均表现为上层>中层>下层，在加入水和盐溶液后其趋势保持不变，但下降幅度出现不同程度的减小。加入盐溶液的同类地块分层电磁波振幅下降幅度明显高于加入水溶液的地块，且盐溶液浓度越大，振幅下降幅度越大。

从地块类型来看，小麦长势一般和长势良好的地块分层振幅下降幅度明显低于裸土地，其电磁波损耗比明显小于裸土地；而裸土地的盐分含量显著高于其他两组，说明盐分的增加造成了电磁波能值的迅速减弱，因而振幅信息可以从一定程度上反映土壤盐分的变化。

3 结论

（1）通过对因水盐含量不同导致植被长势差异地块的探测，并人为增设水盐梯度，与实测剖面的土壤水盐含量数据比较，发现250 MHz中心频率的GPR，其电磁波传播速度与水盐含量有一定的联系。随着水盐含量的增加，电磁波传播速度逐渐衰弱，且水分含量的影响显著高于盐分含量的影响。

（2）滨海盐渍土中土壤含盐量对电磁波振幅能值影响显著，土壤可溶性盐分增加是造成电磁波振幅能值下降的主要原因，电磁波振幅的变化可以一定程度上反映出土壤盐分变化。

（3）滨海盐渍土水盐含量变化影响GPR信号的电磁波传播速度与振幅，电磁波传播速度推导的土壤介电常数与土壤振幅信息可为GPR定量反演土壤含盐量奠定理论基础。

参 考 文 献：

[1] 关元秀，刘高焕，王劲峰.基于GIS的黄河三角洲盐碱地改良分区[J].地理学报，2001，56（2）：198-205.

[2] 付腾飞， 贾永刚， 刘晓磊， 等. 黄河三角洲滨海盐渍土水盐运移监测研究[J].土壤通报，2012，43（6）：1342-1347.

[3] 李建国，濮励杰，朱明，等.土壤盐渍化研究现状及未来研究热点[J].地理学报，2012，67（9）：1233-1245.

[4] Hartemink A E，Minasny B.Towards digital soil morphometrics[J]. Geoderma， 2014， 230/231： 305-317.

[5] 王萍，李新举，闵祥宇，等. GPR测量滨海盐渍土剖面分层的实验研究[J]. 土壤，2016， 48（6）：1261-1269.

[6] 赵艳玲，王金，贡晓光，等.基于探地雷达的复垦土壤层次无损探测研究[J].科学导报， 2009， 27（17）： 35-37.

[7] 王前锋， 周可法，孙莉，等.基于探地雷达快速测定土壤含水量的试验研究[J].自然资源學报， 2013， 28（5）： 881-888.

[8] 高胜国， 翁海腾， 朱忠礼. 探地雷达在监测地表土壤水分中的研究进展[J]. 江苏农业科学， 2017， 45（12）：1-6.

[9] 徐白山， 田钢， 曾昭发，等. 白城地区盐碱地土壤性质与地质雷达信息应用研究[J]. 水土保持通报， 2002， 22（2）：9-12.

[10]江红南. 探地雷达在干旱区盐渍化土壤层定量探测中的应用[J]. 物探与化探， 2014， 38（4）：800-803.

[11]雷磊， 塔西甫拉提·特依拜， 丁建丽，等. 干旱区盐渍土介电常数特性研究与模型验证[J]. 农业工程学报， 2013， 29（16）：125-133.

[12]李彪， 王耀强. 土壤盐渍化雷达反演模拟研究[J]. 干旱区资源与环境， 2015， 29（8）：180-184.

[13]刘全明. 含盐土壤盐渍化雷达反演模拟研究[J]. 测绘通报， 2014（9）：43-46.

[14]余章明， 张元， 付麦霞，等. 应用雷达电磁波技术探测储粮水分介电常数的应用研究[J]. 粮油加工， 2010（10）：68-71.

[15]彭亮， 张立新， 邓友生，等. 利用低频微波波段GPR对盐渍化土壤盐分迁移的研究[C]// Recent development of research on permafrost engineering and cold region environment-Proceedings of the Eighth International Symposium on Permafrost Engineering. 2009：698-707.

[16]翁永玲，宫鹏. 黄河三角洲盐渍土盐分特征研究[J]. 南京大学学报（自然科学版），2006，42（6）：602-610.