基于探地雷达的根系探测对土壤含水量的响应

2021-04-14汤玉喜李永进

湖南林业科技 2021年1期

黎蕾，汤玉喜，李永进，唐洁，杨艳，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)

探地雷达(Ground Penetrating Radar)，简称GPR，是一种快速而高效的浅层地球物理探测技术，是利用宽带高频电磁波信号探测介质分布的冲击雷达系统[1]。自1999年开始应用于探测植物根系[2]，目前主要应用于根系分布探测、根径大小估测和生物量估算[3-7]。GPR技术在植物根系探测中的应用显示出了其独有的特点，其有效性已经得到了国内外研究者的证实[5-9]。利用GPR探测根系有很多优点，主要表现在原位无损、无需破坏植物和土壤，可以进行长期定位观测，同时能进行大面积的空间探测[10]。

GPR通过天线发射高频电磁波到地下，当遇到不同电磁特性的物质时，产生不连续的反射和散射，部分电磁波被反射回接收天线，之后被转换成波形的数字图像，从而推断地下介质的特征。而植物根系由于含水量高于土壤基质，两者具有较大差异的电磁特性，从而使利用探地雷达进行根系探测成为可能[6]。土壤相对介电常数和电导率是控制探地雷达信号在地面传播和反射的最重要因素。土壤含水量是影响土壤介电常数和电导率的一个极为重要的因素。随着土壤含水量的增加，相对介电常数和电导率随之增加，导致电磁波的传导速率降低和衰减率的增加[11]。Butnor等[12]研究发现，探地雷达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则严重减弱。同时研究表明，湿润土壤减弱了根系生物量与GPR指数之间的相关性。而高含水量和高粘粒含量的土壤，则会降低土壤介电常数对比度，增加土壤电导率，从而严重降低GPR信号和使用GPR探测根系的能力[8]。吴信民等[13]研究表明，粘土中含水量的变化会使导电率及介电常数随之发生较大的变化，同时也会引起GPR电磁波速度较大的变化。而夏银行等[14]研究表明喀斯特地区3种典型质地土壤的土壤含水量越大，其介电常数越大，电磁波传播的波速则越小。虽然有对土壤含水量与土壤电磁特性间相关性以及GPR根系探测精度影响因子的研究，但目前关于土壤含水量对根系探测影响的研究还较少。鉴于此，本研究以室内模拟2种质地土壤在不同含水量条件下的电磁波波速变化，及用不同天线频率GPR来探测2种质地土壤含水量下的根系探测效果，明确不同土壤含水量对GPR探测根系的影响，为根系的进一步研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取2种典型土壤类型(粘土和砂质壤土)作为测试土壤，2种质地土壤的颗粒含量及基本理化性质分别见表1和表2，通过预处理，将2种质地土壤过2 mm筛；制作2个长×宽×高为6 m×1.2 m×0.6 m的木箱用于模拟试验。

选取长度为20 cm的不同粗细的木薯根作为GPR探测的根系材料。

表1 2种质地土壤中各粒级的含量Tab.1 Thecontentofsizefractionoftwokindsofsoil%土壤质地砂粒粉(砂)粒粘粒砂质壤土78.646.1015.25粘土33.008.5158.49

表2 2种质地土壤基本理化性质Tab.2 Thebasicphysicalandchemicalpropertiesoftwokindsofsoil土壤质地全氮/(g·kg-1)全磷/(g·kg-1)全钾/(g·kg-1)速效氮/(g·kg-1)速效磷/(g·kg-1)缓效钾/(g·kg-1)pH值砂质壤土0.6990.842.1356.413590.46.0粘土1.4102.654.39122.015465.75.7

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计在广西壮族自治区亚热带作物研究所试验大棚内进行试验，设置2个室内模拟试验分别研究不同土壤含水量下的电磁波波速和根探测结果。

试验1：将2种质地土壤分别填加到木箱中，对2种质地土壤通过均匀加水的方式分别进行一系列水分处理。在距离一边箱体水平距离60 cm垂直深度53.5 cm处设置直径为7.5 cm的钢管，分别用800和1 200 MHz探地雷达天线以轮测法沿测线(垂直钢管方向)探测波速。分别设置2条测线重复探测，可得到每条测线剖面的波形图，按照公式(2)可得到不同含水量下的波速。

试验2：在试验1的基础上，在木箱中放置钢管作为电磁波波速的参照(位置同试验1)，分别将根平行于木箱的宽度方向埋在2种质地土壤的15和30 cm处，用GPR探测不同水分条件下的水平间距60 cm的一列不同根径的根(表3)。分别用800和1 200 MHz雷达天线以轮测法探测，重复2条测线，可得到每条测线的雷达波形图，通过滤波处理，可以得到不同深度根的分布图。

1.2.2 研究方法探地雷达通过一组发射天线T向地下或者物体内部发射电磁波，在传播过程中遇到电性差异的物体反射后返回表面，被另一组接收天线R接收，根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度(图1)。电磁波行程时间[15]：

图1 GPR剖面成像示意图[15]

(1)

式中:t为电磁波的行程时间(n s)；z为探测目标所处的深度(m)；x为雷达发射天线和接收天线的间距(m)；v为电磁波在地下介质的传播速度(m·n s-1)。公式中x在剖面检测中是固定的，当x远小于目标体距地表的深度时，公式(1)可简化为t=2z/v。当目标体的深度已知时，由公式(1)可得到波速：

v=2z/t。

(2)

在根系探测时，当波速v为已知时，可根据测到的t，由公式(1)求出根系的深度：

z=vt/2。

(3)

当土壤的导电率很低时，v可以近似算出：

(4)

其中，c为光速(c=0.3 m/ns)；εr为土壤的相对介电常数值。

表3 2种质地土壤不同水分条件下根的摆放方式Tab.3 Thearrangementofrootsunderdifferentwaterconditionsoftwokindsofsoil土壤质地含水量/%埋放深度/cm根径/cm土壤质地含水量/%埋放深度/cm根径/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砂质壤土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 数据采集及处理

本试验采用瑞典MALA公司生产的ProEx探地雷达系统，由主机以及800和1 200 MHz屏蔽天线采集波速数据，其中，800和1 200 MHz天线的天线距分别为0.14和0.06 m，采集软件为GroundVision 2。采样参数设置如下：800和1 200 MHz天线的采样次数均设置为480个，采样频率分别选择12 409和31 436 MHz。在试验过程中，土壤含水量采用烘干法进行测量。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，基本步骤为选择精确的时间零点，然后进行滤波处理(静校正/切除、去零漂、背景去除、去除毛刺)；根据钢管位置标定波速，获取波速后使用时深转化和图像截取滤波处理。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量对电磁波波速和介电常数的影响

通过800和1 200 MHz 2个屏蔽天线分别测定2种质地土壤含水量下的波速，结果表明：2种天线频率对波速的影响相差不大，波速的变化趋势一致(图2a、图2b)；2种质地土壤含水量对电磁波波速的影响较大，波速随着土壤含水量的增大而减小(图2)，在砂质壤土中，波速随土壤含水量增大几乎呈线性减小的趋势，而在粘土中呈现出先大幅减小，到土壤含水量为15%左右时，再平缓减小(图2c，图2d)。2种质地土壤中电磁波波速与土壤含水量的关系式为三次多项式(表4)。

图2 2种质地土壤中电磁波波速与含水量的关系

其中砂质壤土的拟合公式：

0.195 8；

(5)

粘土的拟合公式：

0.454 1。

(6)

其判定系数R2均大于0.95，分别为0.970 1和0.953 8。由此可知，在一定程度的含水量范围内，2种质地土壤的电磁波波速和土壤含水量之间的拟合关系较好，可以很好地应用到实际土壤根系探测中，有利于根系深度的估算。

2种质地土壤v～θm关系式的4个系数有较大的差异，通过表1可得到2种质地土壤的粘粒含量：粘土(58.49%)>砂质壤土(15.25%)，两者粘粒含量之间存在较大差异。而粘土的全氮、全磷、全钾等养分含量都大于砂质壤土，保水保肥能力都远远大于砂质粘土(表2)，粘土在含水量较大的情况下，电磁波波速随土壤含水量增大的变化而减小。由此可见，土壤质地也是影响电磁波波速的重要因素。通过试验表明：判断电磁波在土壤中传播的快慢与所使用的探地雷达天线频率无关，而与土壤本身的性质和含水量有关。

表4 2种质地土壤中电磁波波速和土壤含水量的关系Tab.4 Therelationshipbetweenelectromagneticwavevelocityandwatercontentintwokinds土壤质地拟合方程R2砂质壤土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分别表示电磁波波速和土壤含水量

由图3可知，随着土壤含水量的增大，2种质地土壤的相对介电常数也随着增大，砂质壤土的增大趋势更明显。在砂质壤土中的干湿土的相对介电常数为2.19～13.96，而粘土中的干湿土的相对介电常数为3.43～6.46。随着土壤相对介电常数增大，探地雷达电磁波波速而减小。

图3 2种质地土壤含水量与相对介电常数的关系

2.2 土壤含水量对根探测结果的影响

GPR对根的探测结果，在2种质地的土壤中，均随土壤含水量增大而减弱，但2种质地土壤中根探测效果差异较大，均受根径大小和根分布深度的影响。

随着土壤含水量地增加，砂质壤土中根的雷达波形图中杂波逐渐增多(图4)。当砂质壤土中含水量≤9.71%时，钢管和30 cm深度根的位置都清晰可见(图4a～图4c)；当土壤含水量为13.59%时，钢管的位置比较模糊，而30 cm深度大根径的根位置还是能清楚分辨，不过小根径的根(1～2 cm)的根就很难识别，无法判断正确的位置(图4e)；当土壤含水量为20.33%时，杂波的干扰现象较为严重，无法分辨具体的根位置，只能看出有根的分布，但无法识别根的具体情况(图4f)。由此可见：当砂质壤土的含水量为20.33%以上时，不适宜利用GPR进行根的探测。根分布深度同样影响GPR对根的识别，当土壤含水量为13.01%～13.9%时，30 cm深度根的雷达波的杂波较多，并且根的信号比15 cm深度根信号更弱，但都能识别根径>3 cm的根(图4d和图4e)。可见，当根分布的土壤深度增加时，GPR对根探测的分辨率会减小。

图4 根在砂质壤土不同含水量下的雷达探测效果

随着土壤含水量的增加，粘土中根的雷达波形图中杂波也逐渐增多，对根的识别干扰增大(图5)。当粘土含水量在≤18.50%时，钢管和30 cm深度根的位置都清晰可见(图5a～图5c)；当土壤含水量为22.15%时，杂波增多，但钢管和根的位置依然能够分辨(图5d)；当土壤含水量增大到26.82%时，钢管位置仍可见，但30 cm深度根的双曲线不可见(图5f)，这时GPR已探测不到根；对于15 cm深度的浅层根而言，当土壤含水量为26.35%时，只有根径1 cm左右的根不可识别，但根径>2 cm的根仍然可以分辨出具体的位置(图5e)。GPR探测根虽然受限于高土壤含水量，但对于浅层根而言，粗根仍可清晰探测。

图5 根在粘土不同含水量下的雷达探测效果

由公式(5)和(6)可计算得到2种质地土壤不同含水量下的波速，通过时深转化处理后得到不同深度下根的雷达波形图。由图6可见，由波速推导的砂质壤土中的6条根的分布深度分别为0.32、0.30、0.32、0.30、0.28和0.30 m(图6a)，与实际根的分布深度0.30 m相比，差距为0.02 m；而由波速推导的粘土中的8条根分布深度分别为0.25、0.25、0.25、0.25、0.25、0.27、0.25和0.27 m(图6b)，与实际分布深度0.30 m的根相比，差距在0.03～0.05 m之间。由此可见，由v～θm关系式计算的波速推导的深度与根的分布实际深度存在一定的误差，但都在允许误差范围内，这与土壤质地及模拟试验中根的摆放情况均存在一定的关系。因而，在实际应用中，利用GPR探测根的分布具有极大的优势性与可行性。