探地雷达在植物根系探测中的应用进展

胡梦蛟 武珂 田云露 王雪妍 苗丽花

摘 要：根系在植物生长发育过程中扮演着十分重要的角色，根系研究是理解植物与土壤相互作用的重要基础，对阐释生态系统水力平衡以及营养循环意义重大。探地雷达具有传统和其他物探方法无可比拟的优势。本文主要追溯探地雷达在根系应用方面最新研究成果和前沿科学问题，讨论不同研究方法和相关试验的优缺点，展望该研究领域未来的发展方向。

关键词：探地雷达;植物根系;探测;介电常数

中图分类号：TN959 文献标识码：A 文章编号：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

根系作为植物重要的功能器官，不仅能从土壤中吸收水分和养分、固定植株，而且能通过呼吸和周转消耗光合产物并向环境输入有机质。可见，根系在植物生长发育过程中扮演着十分重要的角色。因此，探测根系，加强根系研究是了解植物与土壤相互作用的重要基础，对阐释生态系统水力平衡以及营养循环意义重大[1]。但是，由于树根深处地下，难以直接观测，使得自然条件下对根系的研究无论在广度还是深度上均大大落后于地上部分。探地雷达是探测根系分布特征一种新的技术方法，与传统探测方法（如挖根法、土钻法、土壤剖面法）相比，具有以下几方面优势：①可使用较少的时间在野外完成对地下根系统的探测[2];②探地雷达探测植物根系是在土壤表面进行，故探测时不扰动土壤，植物根系周围的土壤始终维持在原始状态，这对建立自然状态下植物根系三维空间模型有很大帮助[2];③探测时不损坏植物;④可重复探测，便于在野外实验时判断该方法的准确性;⑤相比于其他探测方法，如X光扫描、电法检测，探地雷达花费更小，灵活性更大，且可在野外大范围检测[3]。本文主要总结探地雷达在植物根系应用方面最新的研究成果和前沿科学问题，讨论不同研究方法和相关试验的优缺点，并展望该研究领域未来的发展方向。

2 探地雷达的探测原理及方法

2.1 探地雷达及其原理

探地雷达是为浅层地下调查设计的冲击雷达系统，其通过天线将电磁波的能量发射到地下，利用电磁波在地下介质电磁特性差异，产生不连续性的反射和散射实现浅层成像、定位，进而定性、定量地辨别地下电磁特性变化，实现目标根系的探测，其具有快速、高分辨率、对目标的三维电磁特性敏感等优点。

探地雷达系统主要由天线、主机和电脑（图像软件处理器）组成。探地雷达工作时，在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号并直接反馈给发射天线（T），经由发射天线耦合到地下的信號在传播途径上遇到介质（根系和土壤等）的非均匀体（面）时，产生反射信号。位于地面上的接收天线（R）在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。在微机中，依照幅度大小对信号进行编码，并以彩色电平图/灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，经事后处理，可用来判断地下目标根系的深度、大小和方位等特异性参数[4]。

2.2 根系探测相关实验与方法

目前，植物根系探测开展的相关实验的测线以直线为主。与此同时，介电常数与含水量的紧密联系又使得对土壤和根系含水量的测定成为每个实验的重要组成部分。除了以上共同点外，不同研究的探测方法也因实验人员的侧重点不同而各有特点。

Dannoura等[5]将实验场地中的原有土壤换成了粒径小于6mm的砂质花岗岩土壤，然后将事先准备好的不同直径的树根与作为参照物的、含水率不同的木钉埋在50cm深的地方。探测结束后，所有树根和参照木钉均被挖出以测定含水率，以便和雷达图像比对。根据实验结果，Dannoura等[5]认为，高振幅范围和动态范围内的像素数量与根系的直径相关性较好，比时间间隔更可靠。此外，土壤含水率与根系含水率的差异在根系探测中是较为关键的参数。

Hirano等[6]的实验则是选取一块正方形场地，并在其中按一定间隔划出17个平行剖面。实验对象为在该实验场地周围自然分布的6棵植物。在探测完成后，场地内的829个根系全部被挖出，其中56个作为样本测定含水率。同时，实验场地中的土壤在水平和垂直方向上被等间隔取样以测定土壤含水量。随后，Hirano等对雷达图像中明显的根以及实际挖出的根系进行生物有机质估算。结果见表1。

根据实验结果，Hirano等[6]得出结论：探地雷达方法可以估算出68%的被挖出的生物有机质，而直径小于1cm的根无法被精确地探测出来。

此外，Hirano等[7]还设计了4个实验，分别测试可被雷达探测的最小根系直径、含水量的影响以及水平、垂直分辨率。Hirano等认为，水平或垂直距离小于20cm的两个树根无法被900MHz的雷达分辨出来。同时，在30cm的深度范围内，直径为19mm以上的树根可以被900MHz的雷达探测到。如果树根直径为26mm，深度范围可以扩大到80cm。

Cui等[8]的实验设计方案与上述方案相比更进一步。其将采集的树根按直径分成6个等级，每个等级有12个树根。然后，在实验场地挖两个相同的长方体沟槽，并在两壁上分别钻6个孔。6个孔之间的水平距离为60cm，每个孔到地面的垂直距离从10cm到80cm依次增加。每一次实验都会选两个级别的根，把处于同一级别的6个根插入同一侧沟槽的墙壁上。埋上土后用探地雷达探测。随后把先前的根挖出，代之以另外两组根。Cui等[8]为了更精确地得出信号能量衰减和速度变化规律，提出了一个新的方法，即在实验区域通过对已知金属反射物的探测了解该地区信号衰减规律和速度变化，并以此指导实验资料的处理与解释;A19利用模拟器GprMax对探地雷达信号进行正演模拟并建立起一套模拟方案，用以对原位实验的指导。总之，一系列研究都证明了探地雷达探测植物根系的可行性，并体现出探地雷达无损、简便的巨大优势。

3 土壤和根系模型

土壤和根系介电常数的差异很大程度上决定了探地雷达能否有效地探测出根系，能否精确地提供根系埋深、直径、地下分布情况等信息，以及能否帮助人们更准确地估算根系的生物有机质。然而，由于介电常数受多种潜在因素的影响（如土壤的含水率、孔隙度、粒径级配），而土壤和根系又是由多种物质组成的，因此，建立有效的、能准确反映多种因素对土壤和根系介电常数影响的介电常数模型就显得至关重要。

3.1 根系介电常数模型

目前，有3种常见的根系介电常数模型，即Power Law Model、MG Model和PS Model。这些模型都基于混合理论的假设，即固定形状的填充物分散在一种环境状态中，亦即主体和基质。在木质有机质中，空气就是主体，而固溶体、水则是填充物或基质[9]。

3.2 根系电导率模型

3.4 土壤电导率模型

4 存在的问题

虽然目前使用探地雷达探测根系的相关研究取得了一定的进步，但这些研究也不可避免地存在诸多问题。

4.1 多数实验没有考虑探地雷达测线与根系交角的问题

探地雷达图像反映的是根系沿探地雷达探测方向上的断面信息。只有探地雷达测线与根系延伸方向正交时，图像所反映的断面才是真实的。由于根系的延伸方向相互之间差别很大，采用直线测线必然会导致多数根系的断面在雷达图像上发生畸变（一般来说，图像上的断面比实际断面面积更大），进而导致错误的解读。虽然部分实验（如Dannoura等[5]、Hirano等[7]）通过将挖出的根系分割成段，保证了探地雷达测线与根系的正交，但这只是对上述问题的一种回避，如果想要实现探地雷达在自然条件下对根系的精确探测，尽可能减少甚至消除根系延伸方向与测线方向非正交所带来的误差是必须要解决的一个重要问题。

4.2 模型不准确

虽然目前有很多实验证明了根系和土体介电常数模型的有效性，但这些模型仍然有不足之处。在这些模型中，多数只考虑了含水量对介电常数的影响，而其他潜在的影响因素如温度、土壤粒径级配等则没有被考虑在内。除此之外，根据Paz等[9]的实验结论，在含水量较高或较低时，三种植物介电常数混合模型都不可避免地出现高估或低估部分数据的现象，说明现行的集中模型仍有改进的空间。

4.3 数据处理方法不统一

多数实验数据的处理包括背景去除、滤波、偏移、速度分析等。不过，不同研究人员所采用的数据处理步骤差异较大。某一个被某个实验应用的处理步骤可能在另一个实验中被省略。这种现象会导致两个结果：①无法保证数据的质量达到最优;②由数据处理步骤不同导致的数据成果的质量差异为不同实验人员相互借鉴实验结果和结论带来困难。例如，很多实验没有对探地雷达信号的能量衰减进行补偿，这会导致较深部的根系难以被发现。不过，Cui等[8]考虑了信号随传播距离的增大而产生的指数衰减，并对此进行了补偿，取得了良好的效果。

5 结论及建议

5.1 结论

从探地雷达首次被应用于根系探测至今，相关研究取得了巨大的進步。多种预测根系和土体介电常数的模型（如MG模型、PS模型、PowerLaw模型、Topp模型）纷纷被建立;各种与反射波有关的参数（如时间间隔、高振幅区域、门限区内的像素数量等）也从雷达图像中被提取出来，用以建立参数与根系直径的联系;Hirano等[6]在现有理论基础上，尝试利用探地雷达图像对植物根系有机质进行直接估算;Cui等[8]为了得到更精确的信号能量衰减和速度变化规律，提出了一个新的方法，即在实验区域通过对已知金属反射物的探测了解该地区信号衰减规律和速度变化，并以此指导实验资料的处理与解释;A19利用模拟器GprMax对探地雷达信号进行正演模拟，并建立起了一套模拟方案，用以对原位实验进行指导。总之，一系列的研究都证明了探地雷达探测植物根系的可行性，并体现出探地雷达无损、简便的巨大优势。

虽然相关研究取得了一定成果，但探地雷达在根系探测中的应用还有很多局限性。首先，从目前的实验结果来看，只有直径大于1cm的粗根才有可能被发现[14]。而无法探测直径小于1cm的根系或者毛细根，这会给根系生物有机质含量的估算带来很大误差。其次，相关实验的进行依赖于良好的场地条件：受制于探地雷达天线的结构，相关探测必须在相对平缓的地面上进行。地面上有些看似微小的凹凸也许就会使探地雷达天线在行进过程中产生颠簸，进而影响图像质量。植物根系与土壤含水量的差异是探地雷达探测根系的关键，这使得只有在含水量较低的土壤或沙中，实验才能取得比较好的结果。然而，在实际应用中，特别是气候湿润地区的山间丛林里，依赖平坦、干燥的场地条件的探地雷达很难有用武之地。此外，目前的探地雷达技术还不够成熟。其中一个典型的例子就是无法解决分辨率与探测深度的矛盾。低频天线可以探测较深的地下，但分辨率较低。相对地，高频天线分辨率高，却只能探测浅层地表。诸如此类的硬件技术的不完善给植物根系二维、三维结构的重建带来很大困难。

5.2 建議

为了使探地雷达在根系探测中的应用得到进一步发展，在此，提出了一些对未来实验的建议和展望。

5.2.1 丰富探测方式。如前面所说，目前相关实验都是以直线探测为主，这就使多数根系与探测方向非正交。由于植物根系都是由一点向四周延伸，采用以植物为圆心的同心圆测线将会使根系断面的畸变总体上减小。地质雷达探测根系示意图如图1所示。

5.2.2 发展并完善根系和土壤的介电常数模型。虽然多种模型已被提出，但这些模型或多或少存在误差。设计实验来完善已有模型或建立适用范围更广更精确的新模型也是研究此类问题的重要步骤。

5.2.3 改进探地雷达软件、硬件技术。目前的探地雷达过于依赖理想的场地条件。未来的探地雷达天线要具有在复杂地形上工作的能力。与此同时，解决探测深度与分辨率的矛盾也尤为重要。与硬件的改进相对应，数据处理软件也需要升级，特别是与新探测方法和新硬件相配套的三维处理模块。

5.2.4 利用正演模拟器为实验提供指导。原位实验受制于人力、物力、财力，且实验情况又特别多，如果对每种实验情况都进行现场实验，那么实验成本将会相当高。因此，建立正演模型来预测、指导实验正在受到越来越多的关注。这种方法成本低，并且实可根据研究重点设计实验情景（如根系的直径、根系之间的水平垂直间距、土壤条件）而不受客观实际情况的约束。

参考文献：

[1]郭立，崔喜红，陈晋.基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析[J].地球物理学进展，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]舒洪岚.探地雷达在植物根系研究中的应用[J].江西林业科技，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，Fan 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，Farahani 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.