雷达信号对膜下滴灌棉田土壤水盐的响应研究

邹 杰，张金珠，王振华，宗 睿，温 越，陈潇洁

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子832000）

0 引 言

近年来，随着膜下滴灌技术的推广应用，不同滴灌年限棉田中土壤的层次结构发生改变，而有研究表明土壤的层次结构与土壤肥力和土壤分类有着密切的关系，不同的土壤层次结构对水盐运移规律的影响差异明显[1-3]。新疆石河子121团炮台镇自1996年成功试验膜下滴灌技术以来，滴灌棉田不断扩大，新开垦和开垦多年的滴灌棉田其土体构型发生不同程度的差异，使得该区域的土体构型复杂而多样。而不同滴灌年限条件下的土壤中水盐运移特征因土体构型不同而差异显著。通常确定土体构型信息，采用具有一定破坏性的剖面法和土钻法，这两种方式费时费力，应用尺度小。探地雷达(Ground penetrating radar，GPR)通过发射电磁波可以快速、无损、高分辨率的获取地下介质的连续剖面信息[4]。如果使用GPR 无损探测土壤的分层情况，并根据已知剖面信息分析雷达信号响应特征，进而准确的反演土壤水分与盐分的空间变异性，这将对掌握农田水盐分布起到积极的作用[5]。

如今，GPR 在多领域得到应用，尤其是在检测方面如：隧道检测和古墙体检测等[6,7]。其中，对于土壤与农业上的应用，主要在土壤结构、土壤水盐分布和监测等方面。对于土壤结构方面，Roth等[8]首先采用GPR 技术确定了农田分层界面的位置，并绘制出土壤分层的剖面图，使GPR 技术在探测土体构型上得以发展，但其采用的GPR 频率较为单一，使可操作性大大降低。彭亮等[9]则利用商业GPR 较为普遍的低频天线进行探测，提出一种低频条件下确定农田土壤剖面层位结构的方法。对于如何定性确定土壤分层界面位置，通常是识别雷达图像中的同相轴，但由于地下情况的复杂性和电磁波传播过程中的不确定性增大了层位的识别难度。针对这一问题，宋文等[10]通过正演模拟为土壤分层及层位的识别提供了理论依据，同时通过正演模拟和GPR 对比分析有效的探测出农田土壤的层次结构。而单一频率探测的土壤层位信息总的来说具有一定的局限性，多频率同时探测有助于确定层位划分和对比分析。对于土壤水分分布方面，吴志远等[11]利用GPR 早期信号振幅包络平均值法对降雨前后野外农田表层土含水率进行探测，并且证明该法获取的含水率与TDR 实测精度相近，绘制的含水量分布图能有效表现水分分布情况。Algeo 等[12]利用GPR 早期信号法有效监测出黏性土壤表层的含水量分布信息，且证实GPR 早期增幅信号对土壤含水量变化有明显响应。对于土壤盐分监测方面，薛建等[13]利用GPR 在野外探测获取的雷达信号数据和取样数据，综合评判出土壤垂直方向上的盐渍化程度。徐白山等[14]通过探究盐碱地土壤性质与GPR 信息的关系，发现理化性质的差异可以使GPR 信号中的振幅、波形、频谱特性等波的几何学与动力学特点产生响应，对今后生态环境治理提供新的理论依据及方法。从前人的研究结果可以看出，GPR 技术在土壤和农业的监测上具有很大潜力。新疆为保持绿洲生态的可持续性，大力推广节水灌溉技术，其中膜下滴灌技术作为如今最有效的节水技术被推广至全疆，而大量膜下滴灌棉田因新疆干旱少雨、排盐不畅及地下水位较高等自然客观因素的影响，面临着土壤盐渍化的严峻挑战，为防止膜下滴灌棉田土壤盐渍化蔓延监测土壤盐渍化信息刻不容缓。所以有必要使用新型的GPR 无损探测技术监测膜下滴灌棉田盐渍化情况，以丰富GPR 技术在新疆地区农业方面的应用，提高盐渍化监测效率。

因此，本文将新疆石河子121 团炮台镇6 连作为研究区，以不同滴灌应用年限的典型棉田作为研究对象，采用GPR 对膜下滴灌棉田和作为对照的荒地进行调查试验，首先分析不同滴灌年限条件下棉田雷达信号波谱差异性，然后根据实际开挖剖面以及取样数据，探讨雷达信号对土壤结构的响应，最后在此基础上通过时域和频域的分析，阐明雷达信号对土壤水盐特征变化的响应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处天山北麓、古尔班通古特大沙漠南缘，玛纳斯河流域下野地灌区内的121 团6 连，地理位置85°01′～86°32′E，43°27′～45°21′N，平均海拔337 m，属于典型绿洲盐碱区域，根据新疆盐碱土分类标准，121 团6 连棉田土壤属于氯化物硫酸盐不同程度的盐化土壤。该区域是玛纳斯河下游古老的冲击平原地带，沙丘间为原始盐碱荒地，区域地势东南高西北低，坡降度在1/1 000 ～1/15 000，土壤质地以壤土为主，砂质、黏质土次之。其中，粉砂土一般分布在耕作层，而其他土质无规律分布在耕作土以下，地下水位在2.5 ～4.0 m之间变动，地下水矿化度2.5 ～5.0 g/L[15]（图1）。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographic locations of the study area

1.2 试验设计

本试验通过GPR 剖面探测与实际开挖剖面相结合的方式获取滴灌棉田土壤剖面信息。首先，在研究地块中机械挖掘一个长×宽×深(x×y×z）为2.5 m×1.3 m×2 m 的剖面，接着紧贴剖面一侧沿x轴方向从东到西进行GPR 探测并重复3次，探测形式为共偏移距法（图2），探测参数设置见表1，探测长度为10 m。其中，开挖剖面长2.5 m，未开挖剖面长7.5 m。开挖剖面通过观测法描述滴灌棉田土壤的结构层次，然后与GPR探测的剖面信息进行对比。同时，为获取土壤其他参数（如水分、盐分、土壤颗粒组成等），在GPR 测线2 m、4 m、6 m的位置进行标记，在标记位置进行取样，垂直取样深度140 cm，每20 cm 取一个土样（0、20、40、60、80、100、120、140 cm），一处共计8 个土样。最后将三处的土壤样品数据求取平均值作为每个地块剖面数据分析的依据。

图2 GPR共偏移距法原理示意图Fig.2 Schematic diagram of GPR common offset method

表1 GPR参数设置Tab.1 GPR parameter setting

1.3 数据处理与分析技术

1.3.1 土样处理

将2019年10月20日获取的试验土样，采用烘干法（103 ～108 ℃，10 h）测定土壤含水量；将烘干土样碾碎，过2 mm筛子后按1：5 土水比混合，提取上层清液测电导率（electrical conductivity，EC），利用烘干标定后建立的关系式(y=0.008x+0.876，R2=0.97，N=72，y为含盐量，‰；x为电导率，μm/cm）转换土壤的全盐含量；采用比重计法测定不同土层各粒级占土壤重量的百分比，并采用美国制对土壤质地进行分级；环刀法测定土壤容重；使用哈希便携式水质检测仪测土壤的pH值。

1.3.2 波速的获取

确定探地雷达波速是获取棉田土壤剖面厚度等信息准确与否的前提。本试验采用波速转换法获取各地块的平均波速，首先利用实测土壤参数代入盐渍土介电模型（胡庆荣修正的Dobson 介电模型）获取相对介电常数实部和虚部，接着使用计算相对介电常数，然后通过波速转换公式分别计算40 cm、60 cm 和80 cm 的波速，最后求取平均值作为各地块的最终波速，波速统计结果见表2，盐渍土介电模型见公式（1）～（5）[16]。

式中：ε′m和ε′′m分别为介电常数的实部和虚部；其形状因子α= 0.65，β为结合水修正系数，与土壤的含沙量（Sand）和黏粒量（Clay）相关，%。对于NaCl，参数A取1；ρs是土粒密度，通常取2.65 g/cm3；εs是土壤基质的介电常数，取4.7；ρb是土壤容重g/cm3；ε′fw为不同温度不同频率下纯水的介电常数实部；S为土壤的含盐量，%；mv为体积含水量，%；f为频率，GHz；ξ为Stogryn 盐水模型中电导率与含盐量关系的一阶拟合系数，取0.14；χ 为温度修正系数（Δ= 25-t）；N为离子浓度，mol/L；ε0为真空介电常数，ε0= 8.854 × 10-12。

1.3.3 雷达数据处理

雷达数据包括波谱图像、时间-振幅、频率-振幅图像的数据，可通过DVL Firmware 采集，以及Line View 软件进行处理。其中，波谱图像处理步骤如下：先使用Dewow 滤波去除直流漂移，接着去除空气波，然后增益获取深部信号，最后去除背景并降噪，具体操作及参数见图3。时间-振幅、频率-振幅图像则通过Line View 软件导出数据后直接绘制即可。

表2 电磁波波速检测结果统计表Tab.2 The statistic results of electromagnetic wave velocity

图3 雷达数据处理示意图Fig.3 Radar data processing diagram

2 结果分析

2.1 土壤特性结果分析

2019年10月20日在研究区进行采样，并对剖面土样信息进行检测，获得土样的含水量、含盐量、土壤机械组成和干容重等数据。将样品数据汇总至表3，并分析其关系。

根据表3可知A、B 和C 3个地块在0 ～140 cm 的土壤性质均为碱性（pH＞7）的粉砂壤土，但随土层深度增加黏粒含量呈减小趋势，而砂粒含量呈现波动状态，100 cm 后砂粒含量却普遍呈现增长的趋势，这与研究区所处地势密切相关。对于A、B 和C 3 个地块各层的土壤容重，发现土层越深容重越大，但各层的土壤容重差别并不明显。A、B 和C 3 个地块的含水量在10% ～30%左右，地表的含水量最低，且水分多滞留在80 cm 处。相比A 和B 地块，C 地块各土层的含盐量明显较高。C 地块的含盐量在0 ～140 cm 呈波动状，表层土含盐量较高，但总体来看呈现降低趋势。对于滴灌年限已有21年的A 地块发现0～60 cm 的含盐量较低，变化起伏不大，但在80 cm 处盐分出现累积含盐量变大。对于滴灌年限有11年的B 地块0～140 cm盐分含量变化不大，且没有出现盐分累积的现象。

2.2 雷达波谱图像分析

本试验采用GPR 共偏移距法探测不同滴灌应用年限的棉田，利用中心频率为250 MHz 的雷达天线进行探测，以期获得不同滴灌应用年限棉田的土壤剖面信息。如图4(a)所示为滴灌应用年限为21年的A 地块250 MHz 频率条件下GPR 的波谱影像图，即GPR 剖面图：横坐标为测线距离；左侧纵坐标为深度，右侧纵坐标为雷达波双程旅行时间，表示雷达波从发射天线出发经过土壤等介质后回到接收天线所经历的时间。

由图4(a)可知，滴灌应用年限为21年的A 地块，分别在0 cm、40 cm、80 cm和120 cm左右处电磁波的振幅有明显变化，在剖面图中直接反映出的是4条明显的反射层面。第一反射层面，是由于空气与土壤之间的介电常数差异明显所致。第二反射层面，在40 cm 左右处显示有连续的同相轴，该处是膜下滴灌棉田的耕作层位置，常年受机械翻耕扰动，土层原有结构受到破坏，导致土壤耕作层与非耕作层之间存在显著差异，从而在GPR 剖面图上产生明显的第二反射层面。第三反射层面，在80 cm 左右处显示出不连续波状的同相轴，通过A 地块实际开挖的剖面图和土壤质地数据可知，该处是粘粒含量变换的交界面，相比50 ～80 cm的土层，80 ～110 cm土层的含水量和含盐量均发生较大改变，从而使GPR 剖面图上的分辨率降低，产生较为模糊的现象，并在两个土层的交界面处产生明显的不连续同相轴。与其相反的是第四反射层面，该处由于水盐含量的降低，使上下土层产生较大的介电差异，并在两个土层交界的120 cm左右处产生明显的同相轴。

而通过图4(b)发现，滴灌应用年限为11年的B 地块，在GPR 剖面图中也存在4 条明显的反射层面，且A 和B 两个地块GPR 剖面图像整体上相似，不同之处在于模糊区域的分布，A地块模糊区域在40 ～120 cm 的范围，而B 地块模糊区域在80～140 cm 的范围，相比A 地块，B 地块的模糊区域有所下移。这与两个地块的水盐迁移相关，结合两个地块的水盐随土层深度变化的分布图可知，A 地块的水盐含量在0 ～140 cm 范围内呈先增后减的趋势，且在60 ～120 cm 范围的土壤水盐含量均较高，而B地块在80 ～140cm范围的盐分含量虽不大且变化幅度也小，但其水分含量较高。再通过对比各地块水盐含量较低的区域，发现GPR 剖面图像较为清晰，其分辨率也较好。因此可以认为水盐含量共同影响着GPR 剖面图像的分辨率。这一点在荒地地块中表现得更为明显，图4(c)在0 ～120 cm 范围的GPR 剖面图像十分模糊，基本不能辨别剖面图上的分层信息。这与荒地0 ～120 cm的水盐分布息息相关，该范围的水盐整体呈先增后减的趋势。但从水盐的含量来看，其值依然较大。因此可知GPR 探测水盐含量较高的区域时，将很难分辨土壤的层次结构，其具体表现形式为GPR 图像的分辨率降低，无法识别有效反射层面。

2.3 振幅数据分析

2.3.1 时域分析

为了进一步阐明不同滴灌年限剖面土壤特性差异与电磁波信号之间的相关性，选取电磁波振幅能值随时间变化的时域图进行分析，如图5(a)～图5(c)所示。电磁波的传导使各介质内发生振动并产生能量，振幅能值则是反应振动能量强弱的一项指标。对于同种介质，波形相同，振幅能值与双程走时呈反比；而对于不同介质，其交界处波的形态发生改变[4]。

通过图5(a)～图5(c)可知，A、B、C 3 个地块在20 ns 后振幅能值均不产生波动性变化，且在0 ～10 ns 范围内振幅的变化趋势是一致的，其中不同之处在于各地块振幅能值的大小，A、B 两个地块的最大振幅能值是C 地块的6 ～7 倍，而C 地块最大振幅能值仅为2.07，总的来说荒地的振幅能值远小于滴灌棉田两个地块。这是由于C地块属于荒地，其水盐含量均较高所致。因有研究表明[17]水介质能吸收微波能量，并可将微波能量转化为热能，而热能的损失远超过信号衰减系数的降低，所以最终表现为GPR 接受的电磁波反射信号能量降低，信号振幅的减弱。而盐分则是由于水的混合使其自身附带了电导性消耗了电磁波的能量，致使信号振幅的减弱。因此可以认为振幅能值由水、盐两因素共同影响，但根据表3可知，A、B、C 3个地块0 ～140 cm的平均含水量相近，而其平均盐分含量相差较大，所以可以进一步推论出，土壤盐分含量是降低各地块土壤振幅能值的主要因素。对于滴灌棉田A、B 两个地块，荒地地块C在10 ～20 ns范围内的振幅波动变化更为复杂，而C 地块10 ～20 ns对应的剖面深度为49 ～98 cm，根据表3数据可知，该处对应的水盐含量差异较大，且有较强的空间变异性，导致该范围内介电特性变化较多，从而使振幅变化复杂。

表3 土壤特性检测结果统计表Tab.3 The statistic results of soil properties

图4 A、B、C 3个地块的GPR波谱影像图、开挖剖面图和水盐分布图Fig.4 The GPR spectrum image，excavation profile and water-salt distribution of the three plots A，B and C respectively

2.3.2 频谱分析

研究不同滴灌年限棉田土壤水盐对电磁波信号的影响，选取频谱数据分析分段频域上电磁波振幅能值的差异。通过图5（d）～图5（f）分析发现，滴灌应用年限分别为21年和11年的A、B 两个地块，在振幅-频率图中仅有一个主频。且A、B 两个地块的主频均朝着低频的方向发生了移动，从GPR中心频率的250 MHz移动至156 MHz处，但B 地块主频所对应的振幅能值却明显小于A 地块。为探明振幅能值衰减的原因，结合表3数据，发现A、B、C 3 个地块0 ～140 cm 的平均含水量在23%范围变化，变化幅度不大，而对于含盐量，A 地块0～140 cm 的平均含盐量要大于B 地块(SA(0～140cm)=0.656% ＞SB(0～140cm)=0.404%)，现有研究[17]表明土壤盐分对电磁波反射信号的影响比土壤含水率要大得多，盐分含量的增大会促使电导率增大，从而导致土壤中的介电损耗增加，其最终的表现形式即为电磁波能量衰弱，振幅能值降低。因此可以认为在含水量一定的情况下，盐分是造成振幅能值衰减的主导因子。同时，还发现盐分含量与振幅能值呈反比关系，土壤盐分含量越高，电磁波的振幅能值越小，这与胡振琪等[17]的研究结果一致。作为对照的荒地，C 地块在频率-振幅图中出现多峰现象，主频之后又出现两个次主频，分别在190 MHz、366 MHz、688 MHz处。对于主频朝着低频的方向发生移动这一现象与滴灌棉田A、B 两个地块是一致的。而通过表3的数据我们可以发现，3 个地块土壤质地、容重、pH 相似，且含水量在0 ～140 cm 范围均在25%左右，3 个地块存在的主要差异在于盐分的含量，荒地0 ～140 cm的平均盐分含量是滴灌棉田两个地块平均盐分含量之和的2倍左右，因此可以认为在盐分含量高达一个量级后，振幅-频率图中会出现次主频现象。

3 讨 论

探地雷达技术是基于介质的电磁特性，通过复介电常数的变化来反映土壤特性因子。其中，文献[18]通过试验证明，介质的复介电常数变化会影响雷达信号的振幅、形状和持续时间，且早期雷达信号的振幅主要受介质电导率的影响。这使复介电常数成为反映雷达信号的重要参数。而土壤容重作为影响复介电常数的因素之一，只有在土壤处于完全干燥的情况下，复介电常数才会随着土壤容重的增大而增大。在土壤相对湿润的条件下，土壤容重对复介电常数的影响并不显著[19]。

相比土壤容重，影响复介电常数的主要因素还有土壤的水分、盐分和粘粒含量等[20-22]。而通过文献可知，复介电常数可分为实部和虚部两个部分，实部主要受土壤含水量影响，虚部主要受盐分含量影响[23]。且通常状况下，复介电常数会随土壤含水量的增加而增加，但在盐渍土中，会发现复介电常数虚部随含水量的增加显著增加后趋于平缓[20]。对于盐碱化土壤，胡庆荣[16]研究发现低频区影响土壤介电常数虚部的主要是土壤溶液中的电导率。电导率的增大使介质的介电损耗增大，从而迫使虚部增大，最终导致雷达信号中的振幅发生变化。

对于时域分析，赵学伟等[24]基于250 MHz 中心频率的GPR，对滨海盐渍土的水盐特征与雷达信号之间的关系进行探究，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，且土壤水分含量对电磁波速度的影响大于土壤盐分的影响。本文通过试验结果认同该观点，但发现在含水量一定时，盐分含量的增加是造成电磁波衰减的主要因素。对于频域分析，胡振琪等[17]采用400 MHz频率天线对复垦土壤进行频谱分析，其中，试验采用控制变量法，设置了4 个盐分梯度，分别为0.31 %、1.36 %、3.35%和5.28%，4个盐分梯度对应的频谱图如图6所示[17]。而本试验采用250MHz 频率天线对室外3 个不同盐分含量（0.656 %、0.404 %和2.906 %）的地块同样做出了频谱分析，3 个地块对应的频谱图如图5（d）～图5（f）所示。通过对比发现盐分含量大于2.9 %时，室内和室外试验的振幅-频率图中均产生次主频，见图6(c)、图6(d)和图5（f）。当盐分含量小于2.9%时，无次主频现象，但通过图5（d）～图5（f）和图6均能发现随着盐分含量的增大次主频逐渐凸显，见图5（a）、图5（d）和图6（b）。

图5 不同滴灌年限地块的时域图和频谱图Fig.5 The time-domain and frequency spectrum plots of plots with different drip irrigation years

图6 不同盐分含量振幅—频率图Fig.6 Amplitude-frequency diagram of different salt content

4 结 论

（1）由于各土层之间存在着介电差异，使GPR 成为识别膜下滴灌棉田土壤层次结构的有效手段。通过GPR 图像上的反射层面与实际开挖剖面的相结合，能够快速识别膜下滴灌棉田0 ～140 cm范围不同土层的上下边界。同时，结合取样数据时，能够有效的辨别大范围的土层结构信息。但当水盐含量较高时，GPR 将无法有效识别土壤的反射层面，从而很难分辨土壤的层次结构。

（2）长期膜下滴灌棉田盐渍化土壤对电磁波的影响十分显著，水分含量和盐分含量是引起电磁波衰减的主要因素。振幅能值是雷达信号对水盐响应的标志参数，水盐含量与振幅能值成反比。通过频谱分析，滴灌棉田频谱图中仅有一个主频，而荒地有一个主频两个次主频出现多峰现象，滴灌棉田主频出现在160 GHz 左右，荒地出现在190 GHz 左右次主频分别处于371 MHz和688 MHz。荒地的振幅能值明显小于滴灌棉田。