基于GPR的濱海鹽漬土土壤鹽分探測技術研究

趙學偉 王萍 李新舉 劉寧

摘要：為了探究探地雷達（GPR）對濱海鹽漬土水鹽運動的響應特征，利用探地雷達測得濱海鹽漬土的土壤鹽含量。選擇水鹽含量不同，其余土壤特性類似植被長勢不同的地塊，設置4種處理方式：分別加入20 L水、20 L 濃度為5 g/L的NaCl溶液、20 L 濃度為20 g/L的 NaCl溶液、對照地塊。使用250 MHz的pulse EKKO PRO探地雷達，探測不同地塊不同層次不同處理方式下的土壤介電常數(shù)與振幅。通過對不同水鹽狀態(tài)下的土壤介電常數(shù)與振幅的分析，發(fā)現(xiàn)水鹽的增加會加大土壤的介電常數(shù)，逐層減弱振幅。在1 m深度范圍內(nèi)GPR測得介電常數(shù)與振幅信息能夠從一定程度上反映土壤鹽分變化。

關鍵詞：GPR；土壤鹽分；電磁波速度；介電常數(shù)；土壤振幅；濱海鹽漬土

中圖分類號：S156.4文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）04-0084-07

Abstract The lands with different soil water and salt contents and vegetation growth but similar other soil properties were selected for the experiment. Four treatments were set including CK， adding 20 L of water， adding 20 L of 5 g/L NaCl solution and adding 20 L of 20 g/L NaCl solution. Based on GPR， the coastal saline soil salinity was detected to study the response characteristics of GPR to water-salt movement. The soil dielectric constant and amplitude were measured with the 250 MHz pulse EKKO PRO GPR in different soil layers of different lands under different treatments. The results showed that the dielectric constant was increased and the amplitude was weaken layer by layer with the increase of water and salt. In the 1 m depth of soil， the dielectric constant and amplitude information measured by GPR could reflect the changes of soil salinity to a certain extend.

Keywords GPR；Soil salinity；Electromagnetic wave velocity；Dielectric constant；Soil amplitude；Coastal saline soil

黃河三角洲地區(qū)鹽漬土面積大，占其總面積的70%左右[1]，該區(qū)域土壤剖面構型多樣，時空變異性強，土壤水鹽運移過程復雜[2]。而土壤鹽漬化具有很嚴重的環(huán)境風險和危害，是全球范圍內(nèi)普遍關注的生態(tài)環(huán)境問題[3]，土壤鹽分的監(jiān)測是水鹽動態(tài)運移研究的前提。

探地雷達（GPR）可實現(xiàn)中小尺度無損測量，越來越多的被用于土壤特性的調(diào)查中，但目前大多數(shù)是關于土壤層次和厚度、水分的測定等應用研究[4]。例如GPR測量濱海鹽漬土剖面分層[5]；探測不同質(zhì)地土壤復墾結(jié)構[6]；確定最佳天線距離提高土壤表層含水量測量精度[7]，均取得較多進展[8]。而對于土壤鹽分監(jiān)測的研究并不多，且大都集中在內(nèi)陸鹽漬土地區(qū)[9]，分析土壤鹽分與地質(zhì)雷達信號的關系[10]，評估鹽漬化在深度方向上的變化，估算土壤鹽分含量[11-13]。

濱海鹽漬土地區(qū)水鹽含量高，水鹽運移規(guī)律差異顯著，利用GPR反演土壤鹽分含量具有重要意義。對于探地雷達電磁波而言，水分的增加會增大土壤的介電常數(shù)，減弱電磁波的傳播速度[14]；鹽分的增加會減弱電磁波的能值，減少其探測的深度，減弱土壤電磁波的振幅[15]。本研究嘗試在濱海鹽漬土地區(qū)選取典型地塊，分別加入水鹽處理，觀測GPR信號響應特征，得到影響因子，以期為GPR信號反演土壤含鹽量奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究地點選在山東省濱州市“渤海糧倉”試驗示范基地（N37°56′42.93″，E117°57′43.02″）。該區(qū)域?qū)偌撅L氣候區(qū)，多年平均氣溫12.1℃，無霜期206 d，日照時數(shù)2 724.5 h。多年平均年降水量為570.1 mm，汛期降水量為436.8 mm，約占年降水量的77.8%，平均年蒸發(fā)量1 285.5 mm，年蒸發(fā)量是年降水量的2.3倍，境內(nèi)淡水資源十分匱乏，是典型的黃河三角洲鹽漬土區(qū)域。選擇土壤質(zhì)量均勻一致的地塊作為試驗區(qū)，土壤為濱海氯化物鹽漬土，質(zhì)地為粉砂質(zhì)壤土。

1.2 試驗設計

本研究采用加拿大探測器與軟件公司生產(chǎn)的pulse EKKO PRO系列GPR主機以及250 MHz屏蔽天線，數(shù)據(jù)采集軟件為DVL Firmware。

測量步驟：分別選取試驗區(qū)內(nèi)裸土地、小麥長勢一般的地塊、小麥長勢良好的地塊（長10 m，寬1 m）。三類地塊土壤除水鹽含量不同，其它土壤特性基本一致。將3個地塊分別劃出4個長度為2 m，寬度為1 m的小區(qū)，其中3個小區(qū)分別加入20 L水， 20 L濃度為5 g/L NaCl溶液和20 L濃度為 20 g/L NaCl溶液，使其逐漸滲入（如圖1所示）。

沿每個地塊的長邊方向進行FO法測量，天線內(nèi)部間距為0.38 m，外部間距為零，時窗設置為76 ns，水平采樣間隔4 cm；在每個地塊中心處進行共中心點（CMP）法測量，步距設置為20 cm，即各天線每次移動10 cm。

每次水分添加后（間隔1 d供水分入滲），進行GPR測量和采樣。

1.3 試驗方法

因濱海鹽漬土水鹽變換是同時進行的，鹽含量的變化不能單獨考慮鹽分影響，因此加入GPR信號中反映土壤水分特征變化的土壤介電常數(shù)來綜合分析濱海鹽漬土的鹽分含量。

GPR影像處理中，秉持使用最少的圖像處理步驟，并獲取高清晰度的上層土體剖面信息為原則，利用Line View軟件進行分析。FO法測量結(jié)果的處理主要有三步：（1）處理基礎濾波，可以消除不必要的低頻信號；（2）空氣波校正，旨在獲取雷達圖像準確的起點位置；（3）指數(shù)補償增益，初始值設置為10，最大增益設置為1 000，衰減系數(shù)設置為32。CMP法測量結(jié)果的處理主要有兩步：（1）基礎濾波處理，消除不必要的低頻信號，保留高頻信號；（2）自動增益控制，時窗設置為1，最大增益值設置為5 000。

在典型地塊中心處開挖土壤剖面，根據(jù)土壤分層情況，自下而上每間隔30 cm采集土壤樣品，烘干法（105℃）測定土壤質(zhì)量含水量；按水土比5∶1的比例提取浸提液，用HQ30d數(shù)字化分析儀測定土壤電導率。使用 Microsoft Excel 2003 進行數(shù)據(jù)基本處理，使用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤介電常數(shù)的獲取與分析

2.1.1 土壤介電常數(shù)的獲取 土壤水鹽含量越高，探地雷達探測深度越淺，信號衰減越強烈，從而一定程度上影響電磁波單位時間內(nèi)的振幅大小，需要獲取GPR測量下的土壤介電常數(shù)。

本研究采用共中心點法獲取電磁波實際傳播速度。地塊的地下水平界面的反射波的雙程走時T：T2 =X2/v2+D2/v2 ，其中，X為雷達發(fā)射天線與接收天線之間的距離，D為地塊的深度，v為上述電磁波實際傳播速度； 地面直達波可看成是D=0時的反射波。當?shù)貙与姶挪ㄋ俣炔蛔儠r，T與X成線性關系，即圖中紅色直線的斜率為地面波的速度。通過Line View軟件中的雙曲線速度標定按鈕（hyperbola velocity calibration button）提取地面波和表層反射波的速度，通過拖曳雙曲線的尾巴調(diào)整雙曲線的形狀與雷達波形相匹配后，軟件自動計算反射界面之上土層的平均速度（圖2）。

本研究采用的土壤介電常數(shù)的估算公式：ε≈（c/v）2。

式中，c為電磁波在真空中的傳播速度，為0.3 m/ns，v為提取的GPR地面波傳播速度（m/ns），是電磁波的實際傳播速度。采用上述方法測定得到待測地塊的介電常數(shù)ε。

2.1.2 土壤水鹽含量與介電常數(shù)分析 測量開挖剖面各層土壤的EC（電導率）值，鹽分與EC值換算公式[16]：Y=0.402EC+0.142，Y為鹽分。獲得的土壤水鹽含量實測結(jié)果如表1所示。

（1）從表1中可以看出，各類試驗地塊處理前后，土壤含水量變化趨勢具有一致性，均表現(xiàn)為土壤表層含水量低于中下層含水量。但也有差異性：在裸土地地塊中，中層土壤含水量與表層相近，但總體含量較低，顯著低于下層；在小麥長勢一般的地塊中，中下層土壤水分含量相近，總體含量較高；長勢好的地塊中各層差異明顯，中層含水量明顯高于其他兩層；而小麥長勢一般和良好的地塊土壤含鹽量基本由上往下基本是依次遞增的。

對比來看，小麥長勢一般和良好的地塊中層土壤含水量接近并同時顯著高于裸土地，小麥長勢一般的地塊下層土壤含水量顯著高于裸土地和小麥長勢好的地塊。土壤鹽含量隨著覆蓋植被的增多而降低，裸土地含鹽量最高且其表層鹽含量顯著高于中下層，加入水后，其含鹽量出現(xiàn)一定程度遞減。

在加入水和鹽溶液后均表現(xiàn)為表層和中層土壤含水量顯著增加，下層土壤含水量變化不大；加入水分的地塊中土壤含水量要比加入鹽溶液的地塊高，隨著鹽溶液濃度的升高，土壤含水量增長變慢。

（2）從GPR信號反應來看，在加入水和鹽溶液的地塊中，其電磁波傳播速度降低，并且隨著鹽溶液濃度的增加，降低趨勢越發(fā)明顯。

在裸土地的各項處理中，電磁波傳播速度均隨著土層深度的增加逐漸減小；而在小麥長勢一般和長勢良好的各地塊中，電磁波傳播速度均表現(xiàn)為表層>下層>中層，且其各層土壤電磁波傳播速度明顯低于裸土地中對應各層的傳播速度。由ε≈（c/v）2計算得出的土壤介電常數(shù)也具有相同的變化趨勢。

將GPR信號的反應量與土壤水鹽含量相比較發(fā)現(xiàn)，電磁波的傳播速度受到土壤中水鹽含量的影響，水鹽含量升高造成電磁波傳播速度的衰減，土壤水分含量對電磁波速度的影響大于土壤鹽分的影響。

不同植被覆蓋下的GPR影像如圖3所示，在表層0～30 cm土壤中，電磁波的傳播速度表現(xiàn)為裸土地>小麥長勢一般地塊>小麥長勢良好地塊，其主要受土壤中水分含量的影響，水分含量越高，對電磁波吸收作用越強，電磁波傳播速度越低，與其對應的土壤介電常數(shù)越高。250 MHz天線GPR可以清晰識別空氣波、地面波和反射波；隨著天線間距加大，地面波衰減加快，地面波信號顯著變?nèi)酰? m深度內(nèi)的土層反射信號顯著，隨著探測深度增加，反射波衰減加快，雙程走時超過30 ns之后，GPR難以清晰識別土層。

2.2 土壤振幅信息的獲取與分析

2.2.1 土壤振幅的獲取 為進一步研究濱海鹽漬土土壤鹽分對電磁波信號的影響，選取隨電磁波傳播時間而變化的振幅數(shù)據(jù)分析電磁波能值上的差異（圖4）。

可以看出三類地塊，其電磁波的波形類似，但其電磁波振幅表現(xiàn)為裸土地<小麥長勢一般的地塊<小麥長勢良好的地塊。由于三類地塊除水鹽含量外，其他理化性質(zhì)基本一致，因而水分和電導率是造成電磁波信號衰減和振幅能值降低的主要因素。小麥長勢一般地塊的土壤水分含量略高于小麥長勢良好的地塊，但其電磁波振幅能值明顯低于小麥長勢良好的地塊，這表明電導率，即土壤可溶性鹽分是造成土壤振幅能值降低的主要原因。

選取相同地塊的不同處理方式下的時間振幅數(shù)據(jù)（圖5）發(fā)現(xiàn)，水分與鹽溶液的加入基本不會改變電磁波的波形，只是降低土壤電磁波振幅能值；但加入鹽溶液的地塊振幅能值下降的速率顯著高于只加入水的地塊。進一步表現(xiàn)出土壤鹽分對電磁波振幅能值的顯著影響。并且各類地塊的振幅能值大部分集中在0～20 ns范圍內(nèi)，20 ns后其能值趨近于零。

2.2.2 土壤振幅的討論 為進一步獲取剖面土壤分層下水鹽特征與電磁波振幅的關系，利用GPR時間、深度影響圖（圖6），分別獲取各處理地塊的0～30、30～60、60～90 cm范圍內(nèi)的平均振幅進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各類處理地塊平均振幅均表現(xiàn)為上層>中層>下層，在加入水和鹽溶液后其趨勢保持不變，但下降幅度出現(xiàn)不同程度的減小。加入鹽溶液的同類地塊分層電磁波振幅下降幅度明顯高于加入水溶液的地塊，且鹽溶液濃度越大，振幅下降幅度越大。

從地塊類型來看，小麥長勢一般和長勢良好的地塊分層振幅下降幅度明顯低于裸土地，其電磁波損耗比明顯小于裸土地；而裸土地的鹽分含量顯著高于其他兩組，說明鹽分的增加造成了電磁波能值的迅速減弱，因而振幅信息可以從一定程度上反映土壤鹽分的變化。

3 結(jié)論

（1）通過對因水鹽含量不同導致植被長勢差異地塊的探測，并人為增設水鹽梯度，與實測剖面的土壤水鹽含量數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)250 MHz中心頻率的GPR，其電磁波傳播速度與水鹽含量有一定的聯(lián)系。隨著水鹽含量的增加，電磁波傳播速度逐漸衰弱，且水分含量的影響顯著高于鹽分含量的影響。

（2）濱海鹽漬土中土壤含鹽量對電磁波振幅能值影響顯著，土壤可溶性鹽分增加是造成電磁波振幅能值下降的主要原因，電磁波振幅的變化可以一定程度上反映出土壤鹽分變化。

（3）濱海鹽漬土水鹽含量變化影響GPR信號的電磁波傳播速度與振幅，電磁波傳播速度推導的土壤介電常數(shù)與土壤振幅信息可為GPR定量反演土壤含鹽量奠定理論基礎。

參 考 文 獻：

[1] 關元秀，劉高煥，王勁峰.基于GIS的黃河三角洲鹽堿地改良分區(qū)[J].地理學報，2001，56（2）：198-205.

[2] 付騰飛， 賈永剛， 劉曉磊， 等. 黃河三角洲濱海鹽漬土水鹽運移監(jiān)測研究[J].土壤通報，2012，43（6）：1342-1347.

[3] 李建國，濮勵杰，朱明，等.土壤鹽漬化研究現(xiàn)狀及未來研究熱點[J].地理學報，2012，67（9）：1233-1245.

[4] Hartemink A E，Minasny B.Towards digital soil morphometrics[J]. Geoderma， 2014， 230/231： 305-317.

[5] 王萍，李新舉，閔祥宇，等. GPR測量濱海鹽漬土剖面分層的實驗研究[J]. 土壤，2016， 48（6）：1261-1269.

[6] 趙艷玲，王金，貢曉光，等.基于探地雷達的復墾土壤層次無損探測研究[J].科學導報， 2009， 27（17）： 35-37.

[7] 王前鋒， 周可法，孫莉，等.基于探地雷達快速測定土壤含水量的試驗研究[J].自然資源學報， 2013， 28（5）： 881-888.

[8] 高勝國， 翁海騰， 朱忠禮. 探地雷達在監(jiān)測地表土壤水分中的研究進展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學， 2017， 45（12）：1-6.

[9] 徐白山， 田鋼， 曾昭發(fā)，等. 白城地區(qū)鹽堿地土壤性質(zhì)與地質(zhì)雷達信息應用研究[J]. 水土保持通報， 2002， 22（2）：9-12.

[10]江紅南. 探地雷達在干旱區(qū)鹽漬化土壤層定量探測中的應用[J]. 物探與化探， 2014， 38（4）：800-803.

[11]雷磊， 塔西甫拉提·特依拜， 丁建麗，等. 干旱區(qū)鹽漬土介電常數(shù)特性研究與模型驗證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報， 2013， 29（16）：125-133.

[12]李彪， 王耀強. 土壤鹽漬化雷達反演模擬研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2015， 29（8）：180-184.

[13]劉全明. 含鹽土壤鹽漬化雷達反演模擬研究[J]. 測繪通報， 2014（9）：43-46.

[14]余章明， 張元， 付麥霞，等. 應用雷達電磁波技術探測儲糧水分介電常數(shù)的應用研究[J]. 糧油加工， 2010（10）：68-71.

[15]彭亮， 張立新， 鄧友生，等. 利用低頻微波波段GPR對鹽漬化土壤鹽分遷移的研究[C]// Recent development of research on permafrost engineering and cold region environment-Proceedings of the Eighth International Symposium on Permafrost Engineering. 2009：698-707.

[16]翁永玲，宮鵬. 黃河三角洲鹽漬土鹽分特征研究[J]. 南京大學學報（自然科學版），2006，42（6）：602-610.