利用探地雷达技术获取与土壤盐渍化程度相关的信息

　　土壤盐渍化是干旱、半干旱地区主要的土地退化问题之一[1 -2],造成了农作物产量下降、区域生态环境改变.准确地获取土壤盐渍化盐分信息,对于干旱区盐渍土治理和利用,促进干旱区农业可持续发展具有重要意义[3 - 4].国内外在盐渍化土壤探测技术的研究中,对可见光、红外和高频微波波段的星载遥感探测技术研究较多.目前应用的星载雷达都是高频雷达,其对土壤的穿透深度有限,和其他非微波波段的星载遥感技术一样,探测的主要是表层土壤的盐渍化状况,而由于土壤盐渍化是一定深度土壤水盐运动的结果,表层土壤盐渍化状况并不能完全揭示土壤盐渍化规律,如非表聚型盐渍化土壤等.

　　近年,地面电磁技术等用于土壤盐渍化程度的探测中[5],其主要途径是建立探测信号和盐渍化土壤实验室分析数据的定量关系模型,目前用得较多的大地电导率仪,虽然能够探测一定深度的土壤,但一般不能直接反映土壤盐分状况.

　　为了较全面、准确地定量获得土壤盐分信息,需要发展新的土壤盐分探测技术和方法.探地雷达技术是基于电磁原理的地面探测技术,由于具有较高的分辨率、能够实时成像和探测效率较高,在土壤水分探测中得到了较多的应用,也用于土壤盐渍化状况定性探测中[6].由于影响探地雷达探测结果的土壤参数较多,目前在利用探地雷达进行土壤参数探测多是在一定控制条件下的试验性研究[7].根据目前国内外土壤盐渍化探测研究的现状和存在的问题,针对具有一定深度的盐渍化土壤,研究了如何利用探地雷达技术定量获取与土壤盐渍化程度有关的含盐量和电导率信息,以期为盐渍化土壤定量探测和防治提供新的技术手段和方法.

　　1 研究区概况

　　研究区位于塔里木盆地的中北部,新疆阿克苏地区渭干河-库车河流域的下游,中部天山南麓,地势北高南低,属大陆性暖温带极端干旱气候,平均蒸发量 2 124 mm/年,平均降水量 52 mm/年,蒸降比约 40∶ 1.研究区以盐岩、石膏为主体的盐类沉积规模大,地下水位和矿化度偏高,土壤盐渍化严重且普遍.土壤类型主要为亚砂土和亚黏土.土壤 pH值约为 8,土壤含盐主要成份为氯化物.

　　2 研究方法

　　目前研究较多的是单层介质的电磁波传播速度,而准确求取多层介质中每层介质的电磁波传播速度较为困难.为了利用探地雷达电磁波传播速度表达土壤成分组成情况,结合探测的实际情况,将每层土壤的探地雷达电磁波传播速度利用每层土壤的厚度与电磁波在该层传播的双程旅行时间的比值计算,即 v =2h/t,式中,v 为探地雷达电磁波在每层土壤中的传播速度,h 为每层土壤的厚度,t 为电磁波在该层土壤的双程旅行时间.

　　研究中使用两种仪器设备:拉脱维亚雷达系统公司 zond-12e 探地雷达,使用 100 MHz 屏蔽天线,用于土壤盐渍化信息探测;基于电磁感应原理的土壤温度、湿度和电导率探测仪,其利用的电磁频率为50 MHz,用于实时测量土壤温度、湿度和电导率.

　　根据多次实地调查结果,在研究区选择盐渍化状况不同的区域建立了 5 个模型,对每个区域设定边长30 m 的正方形样方,保证每个样方内的土壤状况基本一致,且和其他样方有明显差异.

　　利用探地雷达进行数据采集时,首先沿着样方的 4 条边界和 2 条对角线,利用 100 MHz 屏蔽天线采用剖面法进行探测,并记录各条测线的数据,然后,在样方对角线交点处,即样方中心点处进行定点探测,并把该点的测量数据作为代表每个样方盐渍化情况的样本数据;探地雷达仪器系统记录完中心点的数据后,对探测数据进行处理和判读.

　　从处理后的探地雷达剖面图上可看出每个样方中心点的探测剖面都有明显的分层情况.图 1 是样方 1 的探地雷达探测成果,可以看出,盐渍化土壤在100 MHz 探地雷达探测剖面上有明显的分层,能被清晰辨识的分层情况的深度达到了近 3 m,浅的也达到了近 0. 8 m;这是目前星载遥感难以直接探测的深度,说明低频探地雷达在盐渍化土壤探测深度上具有较大的优势.

　　利用探地雷达数据处理软件系统,获取每个剖面的位置和厚度情况,根据数据判读结果开挖土壤剖面,利用量尺在土壤剖面上定位判读每层土壤的深度和厚度,自下而上采集每层的土壤样本,带回实验室进行化学成分分析.在采集每个样方的每层土壤样本的同时,利用 50 MHz 的土壤温度、湿度和电导率探测仪测定每层土壤的电导率,为了获得较准确的数据,将每层进行多次测量的数据平均值作为该层真实电导率值.5 个样方都作类似的检测.

　　将采集的土壤样品带回实验室自然风干、磨碎,过 0. 5 mm 孔径的筛子,按土水比 1∶ 5 的比例提取浸提液,分别测定土壤的含盐量、电导率、矿化度、pH 值、化学离子等参数.

　　3 数据计算与结果分析

　　将每个样方每层土壤的含盐量、电导率分别与之对应的电磁波传播速度进行 pearson 相关性分析,结果见表 1.表中土壤剖面深度指的是每个样方能被容易辨识的分层情况的深度,也是土壤标本的采样深度.依据中华人民共和国水利部行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190-96),表 1 中样方1 属于盐土,样方 2 和样方 5 属于强度盐渍化土壤,样方 3 属于中度盐渍化土壤,样方 4 属于轻度盐渍化土壤.

　　从表 1 中各个样方每层的电磁波传播速度和土壤含盐量或土壤电导率相关分析结果得出:电磁波传播速度和样方 1、样方 2、样方 3 的土壤含盐量有显着的相关性,与样方3的相关系数甚至达到了0. 932;样方 4 和样方 5 的电磁波速与土壤含盐量的相关性不显着;同时,样方 1、样方 4 和样方 5 的波速与土壤电导率有显着的相关性,而样方 2 和样方3 的两者相关系数较低,相关性不显着;此外,样方 1的电磁波传播速度与土壤含盐量和电导率都有显着的相关性,并且,其与土壤含盐量的相关系数大于其与土壤电导率的相关系数.和土壤含盐量相关性不显着的样方,都和土壤电导率有显着的相关性,说明探地雷达剖面图中分层现象的主要影响因素是土壤盐分或土壤电导率.探地雷达探测的剖面图上显示的是研究区土壤盐分含量或电导率的分布状况.

　　对表 1 中各个样方相关性显着的参数,以含盐量或电导率为因变量,以电磁波传播速度为自变量,进行三次多项式回归分析,结果如图 2 所示.样方1、样方 2、样方 3 的电磁波传播速度和土壤含盐量的回归拟合结果的决定系数 R2都在 0. 95 以上,说明电磁波传播速度能够很好地反映这三个样方的土壤含盐量状况.样方 1、样方 4 和样方 5 电磁波传播速度和土壤电导率回归结果的决定系数 R2分别为 0. 3896、0. 5958 和 0. 3498,说明电磁波传播速度也能反映这三个样方的土壤电导率状况.

　　探测的 5 个不同程度的盐渍化土壤样方中,有3 个土壤盐分和探地雷达电磁波传播速度有显着相关性,其他 2 个样方的土壤电导率和电磁波传播速度有显着相关性,说明探地雷达可以用于土壤含盐量定量探测,但其存在一定的不确定性.

　　4 结论

　　研究表明,利用 100 MHz 天线的探地雷达能够较好地辨别研究区盐渍化土壤分层情况;探地雷达的电磁波传播速度和土壤盐分或电导率有显着的相关性,利用低频探地雷达能够定量探测土壤盐分或电导率垂直分布状况,并且利用探地雷达电磁波传播速度可估计土壤含盐量或土壤电导率.

　　利用探地雷达估计土壤含盐量或土壤电导率具有一定的不确定性,或者说,利用低频探地雷达进行测盐渍化土壤探测时,影响探地雷达电磁波传播速度的主导因素具有一定的不确定性.笔者只研究了100 MHz 天线的探地雷达在盐渍化土壤探测中的应用,有必要研究电磁波频率对探测结果的影响,同时,研究中只涉及到干旱区较严重盐渍化土壤的含盐量或电导率参数,没有考虑土壤湿度参数.因此,本研究主要是基于数学统计方式给出了盐渍化土壤层探测的一个可能性的方法,该方法的适用性和深层次的机理问题需要进一步研究.

　　参考文献:

　　[1]Ammari T G,Tahhan R,Abubaker S,et al. Soil salinity changesin the Jordan valley potentially threaten sustainable irrigated agri-culture[J]. Pedosphere,2013,23(3):376 - 384.

　　[2]Anil K M. Climate change impact,mitigation and adaptation strat-egies for agricultural and water resources,in Ganga Plain(India)[J]. Mitig Adapt Strateg Glob Change,2013,18:673 -689.

　　[3] Yao R J,Yang J S,Shao H B. Accuracy and uncertainty assess-ment on geostatistical simulation of soil salinity in a coastal farm-land using auxiliary variable[J]. Environ Monit Assess,2013,185:5151 -5164.

　　[4] Akhtar A,Shahbaz K,Nisar H,et al. Characterizing soil salinity inirrigated agriculture using a remote sensing approach[J]. Physicsand Chemistry of the Earth,2013,55 ~ 57:43 - 52.

　　[5] 孙永猛,丁建丽,瞿娟,等. 应用电磁感应和遥感的新疆绿洲区域尺度盐渍土识别[J]. 农业工程学报,2012,28(20):180 -187.

　　[6] 薛建,曾昭发,田刚,等. 探地雷达在吉林西部地区探测土壤碱化层[J]. 物探与化探,2005,29(5): 421 -424.

　　[7] Lauro S E,Mattei E,Barone P M. Estimation of subsurface dielec-tric target depth for GPR planetary exploration: Laboratory meas-urements and modeling[J]. Journal of Applied Geophysics,2013,93:93 - 100.

　　[8] Andrea D M,Elena P,Evert S. Early-time GPR signal attributesto estimate soil dielectric permittivity:A theoretical study[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2013,51:1643 - 1653.

　　[9]Mohammad R,Mahmoudzadeh A. Off-and on-ground GPR tech-niques for field-scale soil moisture mapping[J]. Geoderma,2013,200 ~ 201:55 - 66.

　　[10]Andreas Tzanis. Detection and extraction of orientation-and-scale-dependent information from two-dimensional GPR data with tune-able directional wavelet filters[J]. Journal of Applied Geophysics,2013,89:48 - 67.