基于探地雷达对根系探测的限制性因素研究

黎 蕾， 汤玉喜， 李永进， 杨 艳， 唐 洁， 郑 华

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.广西壮族自治区亚热带作物研究所， 广西 南宁 530001)

根系是植物重要的功能器官，通过根系从土壤中吸收水分和养分供植物生长，而植物根系中的细根在土壤的周转中能为土壤提供碳和矿物养分。其中大约20%～40%的森林生物量是由根系组成的[1]。根系是地下净初级生产力的重要贡献者，在植被生态系统的生物地球化学循环中发挥着重要作用。目前对于森林地上部分的研究较多，但对于根系方面的研究还很少，这主要是与根系研究具有很多限制性因素有关，在探测方法上具有很大的局限性和挑战性[2]。然而根系研究却是极其必要，也是整个森林生态系统研究中必不可少的一个方面。

探地雷达(ground penetraiting radar,GPR)是探测根系分布特征的一种新技术方法，其通过发射天线将电磁波发射到地下，利用不同介质中电磁特性差异，产生不连续的反射和散射，从而定性和定量地辨别地下目标物，实现目标根系的探测，具有快速无损、分辨率高及操作简单等优点[3]。与传统探测方法(如挖根法、土钻法、土壤剖面法)相比，GPR在探测时只需在土壤表面探测，不损坏植物、不扰动土壤，可使用较少的时间在野外完成对地下根系统的探测，省时省力。还可重复探测，有利于实验的连续观测。而相比于其他探测方法，如: 微根窗管法、核磁共振成像、高分辨率X射线断层扫描(CT)和电阻率成像技术(ERT)等，GPR花费更小，灵活性更大，且可在野外大范围检测[4]。

GPR自20世纪90年代应用到根系探测上，国内外学者相继利用GPR对植物根系展开广泛的研究，目前主要应用于根系形态制图[5-6]、根径大小估测[5，7-8]和生物量估算[9-11]，从理论和实际应用中取得了显著的成果。

但在应用GPR探测根系研究中认识到一些因素会影响根系探测的精度[9，12]，如GPR天线频率、根系分布状况(如根系间距、根径大小)等[7，11,13]。通常情况下，当GPR天线的频率降低，则可探测深度增加，但可获得的GPR信号分辨率减弱，而探测精度大大降低；使用较高的频率能获得较高的探测精度，但穿透深度较浅[14]。因而，综合较低频率和较高频率下采集的GPR数据，可以提供具有较深穿透能力的高分辨率数据[16]。如利用双频雷达天线(如900和400 MHz或者600和200 MHz)的同时使用，大大提高了探测的精度[16-17]。有大量的国内外学者利用GPR探测根径大小，如Hruska等[5]利用450 MHz频率天线探测干燥的砂质土壤中的橡树根系，其最小可探根径为3.0～4.0 cm。Stover等[10]利用1.5 GHz频率天线的GPR探测干燥砂质土壤条件中的栎树根系，能探测的最小根径为0.5 cm。而崔喜红等[8]应用更高频率天线(2 GHz频率)来探测干燥砂质土壤中的小叶榆根系，发现其可识别0.5 cm以上的根系。目前利用GPR技术可识别的最小植物根径为0.5～4.0 cm。还有研究表明，根系的埋藏深度也会影响探地雷达对植物根系的探测，根系在地下埋藏越深，其能量衰减越大，从而影响根系的分辨率。Butnor等[18]在研究根径大小估算时，发现根径大小与雷达波的反射面积密切相关，但随深度增加，其相关性逐渐减弱。Hirano等[7]利用900 MHz的天线频率在沙质土壤下来评估根径、根水平和垂直方向上的间隔对日本柳杉根系探测的影响。其研究结果表明：根系满足以下条件，在30 cm土壤深度的根径大于19 mm，以及在小于80 cm的土壤深度情况下，根间距在20 cm以上的都可以用GPR探测得到。两根之间位置靠一起的很难探测清楚单独个体。由此，可以看到根系的大小以及根之间的间距都是限制GPR探测的影响因子。

目前，由于众多学者的研究条件不一，在使用GPR探测植物根系时，根系分辨率受天线频率、土壤含水量、根系分布情况等多种因素的综合影响，使所取得的研究结果有所差异[19]。可知根系的识别受到诸多因素(天线频率、根径、根的位置) 的影响。如何能够实现GPR对根系的清晰探测一直是研究的方向，为了进一步明确上述限制性因素对GPR探测根系的分辨率的影响，本研究利用不同天线频率的GPR对砂质壤土中埋藏的木薯根系(不同根径和不同位置的木薯根系)进行探测，通过试验模拟GPR对根系识别的影响因素，探明更有利于提高GPR探测精度的条件参数，为野外GPR根系探测提供有利的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料选择

GPR作为一种快速无损的地球物理探测技术，它通过发射天线向地下发射高频电磁波，在传播过程中遇到电性差异的物体反射回地面，而根据接收到电磁波的波形特征和反射时间可推断地下介质的空间位置和深度。基于植物根系的含水量高于土壤基质导致二者介电常数间有较大差异，这使得利用GPR进行根系探测成为可能[8]。在天线运行过程中，能量逐渐衰减，从目标物返回的信号运行时间逐渐减少，当天线正好运行到目标物正上方时达到最少，然后随着天线远离目标物，时间再次增加，从而在雷达剖面上形成一个U型双曲线特征(图1)，这是探测根系的重要依据之一[4]。而本试验选取木薯桂热4号作为试验材料，其块根生长阶段(6月—12月)的含水量在62.17%～77.07%之间。选用砂质壤土作为介质(表1)，其田间持水量为18.2%。由于木薯与土壤间的水分含量的差异，导致其介电常数的差异，因而，利用GPR进行木薯根系探测试验是完全可行的。

表1 试验土壤各粒级含量Tab.1 The content of size fraction of test soil介质颗粒尺寸/mm比例/%砂粒2.000～0.05078.64粉(砂)粒0.050～0.002 6.10粘粒<0.00215.25

1.2 研究方法

试验地为广西壮族自治区亚热带作物研究所试验大棚，通过设置室内模拟试验来测试天线频率、根径及根系水平间距对GPR根系探测效果的影响。

设置一个长宽高分别为1.6m×1.1m×0.6m的木箱，选用干燥的砂质壤土(含水率仅为1.11%)，土壤通过预处理过2mm筛后分别填加到木箱中。在木箱一边距离测线起始边缘130cm、深40cm处埋设1根直径5cm的钢管作为参照。为了测试天线频率、根径及根系水平间距的影响，将不同根径的木薯(0.3、1.0、2.0、3.0、5.0和7.0cm)按照不同的水平间距(1、3、5、7、20和40cm)(表2)分布组合填放在木箱中，利用GPR的500、800和1200MHz的天线沿着垂直根系方向的测线用点测法分别进行探测(间距1cm)。

1.3 数据采集与处理

采用瑞典MALA公司生产的ProEx探地雷达系统，由主机以及3种屏蔽天线(500、800和1200MHz)采集数据，500、800和1200MHz天线的天线距分别为0.18、0.14和0.06m，采集软件为Ground Vision 2。采样参数设置如下：采样次数(Number of Samples)均设置为480个，500、800和1200MHz采样频率分别选择7606、12409和31436MHz。实验中土壤质地利用比重计法测定。

数据使用ReflexW 7.5 软件进行处理，基本步骤为：首先选择精确的时间零点，然后进行滤波处理：静校正/切除(Static correction/muting)、去零漂(1D-Filter-subtract-mean)、背景去除(2D Filter-back ground removal)、去除毛刺(1D-Filter-Band passbutter worth)，之后进行图像截取(Static correction/muting-time cut)。

2 结果与分析

2.1 天线频率对根系探测的影响

利用探地雷达500、800和1200MHz天线分别对木薯不同位置进行初步探测可知(表2)：

在干燥的砂质壤土中，500MHz天线的探测效果不如800和1200MHz天线(图2)，虽然可以探测到15cm以上深度的木薯根系信号，但是无法辨识其中单独的两个根，对于直径1～5cm的木薯块根难以分辨清楚(图2a)，而对于根径5cm以上的根系也只能看出基本的位置，并且具体位置容易误判(图2b)。因此，可以初步推断，在浅层土壤深度范围内500MHz天线不适用于木薯根系探测。

800和1 200 MHz天线在干燥的砂质壤土中，0.3～7.0 cm根系都可以探测到(表2)。800 MHz天线大部分情况下都能清楚地探测到根系的位置，但探测的效果受根径、根系的间距及深度的影响较大。如在根系间距<5 cm时，雷达波相互重叠，导致根系的双曲线不明显，难以分辨根系的具体位置(图3a)；虽然800 MHz天线在30 cm以上深度能清楚探测到根系，但当根系深度较深时，如根系

深度>50 cm时，雷达波相互重叠，也很难得到根系的具体位置(图3c)。而1 200 MHz天线的分辨率更高，可以明确的分辨出两两相邻的不同根径的位置(图3)，但在根系间距较近时，1 200 MHz天线可以分辨根系的水平位置，但深度估计出现了一定的偏差，这可能是雷达波相互叠加导致(图3b)。

图2 三种天线频率对根系探测效果的比较

Fig.2 Comparison of detection effect of three antenna frequencies on root system

由此可以看出，随着天线频率的增大，根系探测时分辨率越高。在木薯根系探测时，500 MHz天线的探测效果不理想，可以根据实际土壤情况来选择800或1 200 MHz天线。

2.2 根径对根系探测的影响

利用探地雷达对不同根径的探测效果来看：随着根径的增大，探地雷达对木薯根系的分辨率越高。不同天线频率对能分辨的最小根径有较大的差别，当根径<3 cm时，500 MHz天线完全不能探测到木薯根系，只有当根径>5 cm时，500 MHz天线才能识别木薯根系(图2b)。而当根径<1 cm时，800 MHz天线也容易受根系分布深度和间距的影响，而出现误判，如当根系深度>50 cm，根系探测精度降低(图3)。而根径>0.3 cm时，利用高频率天线(1 200 MHz天线)也可以清楚探测得到木薯根系(图2d)。可见，在应用探地雷达进行根系探测时，需要根据植物的根径特点，选择适合的天线频率。

2.3 根系空间分布对根系探测的影响

由图3和图4可知，随着根系埋藏深度的增大，探地雷达对木薯根系的分辨率逐渐降低，当根系分布在15 cm深度时，800和1 200 MHz天线对木薯根系大多能清楚分辨。而当深度为30 cm时，800 MHz天线的根系分辨率就会降低，雷达波形图容易重叠，不过还是能分辨出根系的位置，但当根系深度>50 cm时，代表根系的双曲线会相互交叉，只能根据拖尾来大致判断根系的位置，这大大影响了根系探测的精确度。不过1 200 MHz天线受深度干扰较小，当深度为60cm时，仍能分辨根系的位置。

根系的水平间距极大的影响了探地雷达根系探测的分辨率，当根系间距越小时，根系的分辨率就越低。当根系水平间距>20 cm时，大部分情况下，都能清楚地分辨根系的分布情况。但当水平间距<5 cm时，如1 cm和3 cm时，500和800 MHz天线都不能分辨木薯根系，但1 200 MHz天线仍然能分辨出根系，具有较高的根系分辨率(图5)。在实际应用GPR探测根系的过程中，相邻较近的根系一般容易被误认为是1根，需要不同的天线频率的配合，重复探测来最大程度消除误差。

3 结论与讨论

探地雷达在探测根系的过程中，会有许多影响因素制约识别的准确性。通过模拟实验证实了利用GPR探测木薯根系的有效性和可行性。评估了在理想的砂质壤土条件下，GPR天线频率、根系直径、根系埋藏深度和根系水平间距对根系探测的影响。

(1)探地雷达在探测60 cm以上浅层根系过程中，要得到较好的根系探测效果，一般可以选择800和1 200 MHz天线频率，实际应用中可以依据具体的土壤和水分条件而定。

(2)探地雷达在检测地下根系中，根径越大，越容易被检测到，800和1 200 MHz天线可以识别最小根径0.3 cm的根系。但随着土壤深度增大，800 MHz天线频率的根系探测精度减弱。

(3) 根系的埋藏深度和水平间距都会影响探地雷达的准确性。当水平间距较近时(<5 cm)，会干扰中低频率天线的探测精度，但高频率天线的仍然能识别根系。

除以上影响因素，还有许多制约因素影响探地雷达对根系的探测，诸如:根和土壤的含水量、雷达的扫描角度。在接下来的研究中将继续对其他影响因素进行实验，其研究结果将有助于探地雷达野外根系探测波形图的解译。