基于探地雷達對根系探測的限制性因素研究

黎 蕾， 湯玉喜， 李永進， 楊 艷， 唐 潔， 鄭 華

(1.湖南省林業科學院， 湖南 長沙 410004； 2.廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所， 廣西 南寧 530001)

根系是植物重要的功能器官，通過根系從土壤中吸收水分和養分供植物生長，而植物根系中的細根在土壤的周轉中能為土壤提供碳和礦物養分。其中大約20%～40%的森林生物量是由根系組成的[1]。根系是地下凈初級生產力的重要貢獻者，在植被生態系統的生物地球化學循環中發揮著重要作用。目前對于森林地上部分的研究較多，但對于根系方面的研究還很少，這主要是與根系研究具有很多限制性因素有關，在探測方法上具有很大的局限性和挑戰性[2]。然而根系研究卻是極其必要，也是整個森林生態系統研究中必不可少的一個方面。

探地雷達(ground penetraiting radar,GPR)是探測根系分布特征的一種新技術方法，其通過發射天線將電磁波發射到地下，利用不同介質中電磁特性差異，產生不連續的反射和散射，從而定性和定量地辨別地下目標物，實現目標根系的探測，具有快速無損、分辨率高及操作簡單等優點[3]。與傳統探測方法(如挖根法、土鉆法、土壤剖面法)相比，GPR在探測時只需在土壤表面探測，不損壞植物、不擾動土壤，可使用較少的時間在野外完成對地下根系統的探測，省時省力。還可重復探測，有利于實驗的連續觀測。而相比于其他探測方法，如: 微根窗管法、核磁共振成像、高分辨率X射線斷層掃描(CT)和電阻率成像技術(ERT)等，GPR花費更小，靈活性更大，且可在野外大范圍檢測[4]。

GPR自20世紀90年代應用到根系探測上，國內外學者相繼利用GPR對植物根系展開廣泛的研究，目前主要應用于根系形態制圖[5-6]、根徑大小估測[5，7-8]和生物量估算[9-11]，從理論和實際應用中取得了顯著的成果。

但在應用GPR探測根系研究中認識到一些因素會影響根系探測的精度[9，12]，如GPR天線頻率、根系分布狀況(如根系間距、根徑大小)等[7，11,13]。通常情況下，當GPR天線的頻率降低，則可探測深度增加，但可獲得的GPR信號分辨率減弱，而探測精度大大降低；使用較高的頻率能獲得較高的探測精度，但穿透深度較淺[14]。因而，綜合較低頻率和較高頻率下采集的GPR數據，可以提供具有較深穿透能力的高分辨率數據[16]。如利用雙頻雷達天線(如900和400 MHz或者600和200 MHz)的同時使用，大大提高了探測的精度[16-17]。有大量的國內外學者利用GPR探測根徑大小，如Hruska等[5]利用450 MHz頻率天線探測干燥的砂質土壤中的橡樹根系，其最小可探根徑為3.0～4.0 cm。Stover等[10]利用1.5 GHz頻率天線的GPR探測干燥砂質土壤條件中的櫟樹根系，能探測的最小根徑為0.5 cm。而崔喜紅等[8]應用更高頻率天線(2 GHz頻率)來探測干燥砂質土壤中的小葉榆根系，發現其可識別0.5 cm以上的根系。目前利用GPR技術可識別的最小植物根徑為0.5～4.0 cm。還有研究表明，根系的埋藏深度也會影響探地雷達對植物根系的探測，根系在地下埋藏越深，其能量衰減越大，從而影響根系的分辨率。Butnor等[18]在研究根徑大小估算時，發現根徑大小與雷達波的反射面積密切相關，但隨深度增加，其相關性逐漸減弱。Hirano等[7]利用900 MHz的天線頻率在沙質土壤下來評估根徑、根水平和垂直方向上的間隔對日本柳杉根系探測的影響。其研究結果表明：根系滿足以下條件，在30 cm土壤深度的根徑大于19 mm，以及在小于80 cm的土壤深度情況下，根間距在20 cm以上的都可以用GPR探測得到。兩根之間位置靠一起的很難探測清楚單獨個體。由此，可以看到根系的大小以及根之間的間距都是限制GPR探測的影響因子。

目前，由于眾多學者的研究條件不一，在使用GPR探測植物根系時，根系分辨率受天線頻率、土壤含水量、根系分布情況等多種因素的綜合影響，使所取得的研究結果有所差異[19]?？芍档淖R別受到諸多因素(天線頻率、根徑、根的位置) 的影響。如何能夠實現GPR對根系的清晰探測一直是研究的方向，為了進一步明確上述限制性因素對GPR探測根系的分辨率的影響，本研究利用不同天線頻率的GPR對砂質壤土中埋藏的木薯根系(不同根徑和不同位置的木薯根系)進行探測，通過試驗模擬GPR對根系識別的影響因素，探明更有利于提高GPR探測精度的條件參數，為野外GPR根系探測提供有利的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料選擇

GPR作為一種快速無損的地球物理探測技術，它通過發射天線向地下發射高頻電磁波，在傳播過程中遇到電性差異的物體反射回地面，而根據接收到電磁波的波形特征和反射時間可推斷地下介質的空間位置和深度?；谥参锔档暮扛哂谕寥阑|導致二者介電常數間有較大差異，這使得利用GPR進行根系探測成為可能[8]。在天線運行過程中，能量逐漸衰減，從目標物返回的信號運行時間逐漸減少，當天線正好運行到目標物正上方時達到最少，然后隨著天線遠離目標物，時間再次增加，從而在雷達剖面上形成一個U型雙曲線特征(圖1)，這是探測根系的重要依據之一[4]。而本試驗選取木薯桂熱4號作為試驗材料，其塊根生長階段(6月—12月)的含水量在62.17%～77.07%之間。選用砂質壤土作為介質(表1)，其田間持水量為18.2%。由于木薯與土壤間的水分含量的差異，導致其介電常數的差異，因而，利用GPR進行木薯根系探測試驗是完全可行的。

表1 試驗土壤各粒級含量Tab.1 The content of size fraction of test soil介質顆粒尺寸/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

試驗地為廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所試驗大棚，通過設置室內模擬試驗來測試天線頻率、根徑及根系水平間距對GPR根系探測效果的影響。

設置一個長寬高分別為1.6m×1.1m×0.6m的木箱，選用干燥的砂質壤土(含水率僅為1.11%)，土壤通過預處理過2mm篩后分別填加到木箱中。在木箱一邊距離測線起始邊緣130cm、深40cm處埋設1根直徑5cm的鋼管作為參照。為了測試天線頻率、根徑及根系水平間距的影響，將不同根徑的木薯(0.3、1.0、2.0、3.0、5.0和7.0cm)按照不同的水平間距(1、3、5、7、20和40cm)(表2)分布組合填放在木箱中，利用GPR的500、800和1200MHz的天線沿著垂直根系方向的測線用點測法分別進行探測(間距1cm)。

1.3 數據采集與處理

采用瑞典MALA公司生產的ProEx探地雷達系統，由主機以及3種屏蔽天線(500、800和1200MHz)采集數據，500、800和1200MHz天線的天線距分別為0.18、0.14和0.06m，采集軟件為Ground Vision 2。采樣參數設置如下：采樣次數(Number of Samples)均設置為480個，500、800和1200MHz采樣頻率分別選擇7606、12409和31436MHz。實驗中土壤質地利用比重計法測定。

數據使用ReflexW 7.5 軟件進行處理，基本步驟為：首先選擇精確的時間零點，然后進行濾波處理：靜校正/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)，之后進行圖像截取(Static correction/muting-time cut)。

2 結果與分析

2.1 天線頻率對根系探測的影響

利用探地雷達500、800和1200MHz天線分別對木薯不同位置進行初步探測可知(表2)：

在干燥的砂質壤土中，500MHz天線的探測效果不如800和1200MHz天線(圖2)，雖然可以探測到15cm以上深度的木薯根系信號，但是無法辨識其中單獨的兩個根，對于直徑1～5cm的木薯塊根難以分辨清楚(圖2a)，而對于根徑5cm以上的根系也只能看出基本的位置，并且具體位置容易誤判(圖2b)。因此，可以初步推斷，在淺層土壤深度范圍內500MHz天線不適用于木薯根系探測。

800和1 200 MHz天線在干燥的砂質壤土中，0.3～7.0 cm根系都可以探測到(表2)。800 MHz天線大部分情況下都能清楚地探測到根系的位置，但探測的效果受根徑、根系的間距及深度的影響較大。如在根系間距<5 cm時，雷達波相互重疊，導致根系的雙曲線不明顯，難以分辨根系的具體位置(圖3a)；雖然800 MHz天線在30 cm以上深度能清楚探測到根系，但當根系深度較深時，如根系

深度>50 cm時，雷達波相互重疊，也很難得到根系的具體位置(圖3c)。而1 200 MHz天線的分辨率更高，可以明確的分辨出兩兩相鄰的不同根徑的位置(圖3)，但在根系間距較近時，1 200 MHz天線可以分辨根系的水平位置，但深度估計出現了一定的偏差，這可能是雷達波相互疊加導致(圖3b)。

圖2 三種天線頻率對根系探測效果的比較

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

由此可以看出，隨著天線頻率的增大，根系探測時分辨率越高。在木薯根系探測時，500 MHz天線的探測效果不理想，可以根據實際土壤情況來選擇800或1 200 MHz天線。

2.2 根徑對根系探測的影響

利用探地雷達對不同根徑的探測效果來看：隨著根徑的增大，探地雷達對木薯根系的分辨率越高。不同天線頻率對能分辨的最小根徑有較大的差別，當根徑<3 cm時，500 MHz天線完全不能探測到木薯根系，只有當根徑>5 cm時，500 MHz天線才能識別木薯根系(圖2b)。而當根徑<1 cm時，800 MHz天線也容易受根系分布深度和間距的影響，而出現誤判，如當根系深度>50 cm，根系探測精度降低(圖3)。而根徑>0.3 cm時，利用高頻率天線(1 200 MHz天線)也可以清楚探測得到木薯根系(圖2d)。可見，在應用探地雷達進行根系探測時，需要根據植物的根徑特點，選擇適合的天線頻率。

2.3 根系空間分布對根系探測的影響

由圖3和圖4可知，隨著根系埋藏深度的增大，探地雷達對木薯根系的分辨率逐漸降低，當根系分布在15 cm深度時，800和1 200 MHz天線對木薯根系大多能清楚分辨。而當深度為30 cm時，800 MHz天線的根系分辨率就會降低，雷達波形圖容易重疊，不過還是能分辨出根系的位置，但當根系深度>50 cm時，代表根系的雙曲線會相互交叉，只能根據拖尾來大致判斷根系的位置，這大大影響了根系探測的精確度。不過1 200 MHz天線受深度干擾較小，當深度為60cm時，仍能分辨根系的位置。

根系的水平間距極大的影響了探地雷達根系探測的分辨率，當根系間距越小時，根系的分辨率就越低。當根系水平間距>20 cm時，大部分情況下，都能清楚地分辨根系的分布情況。但當水平間距<5 cm時，如1 cm和3 cm時，500和800 MHz天線都不能分辨木薯根系，但1 200 MHz天線仍然能分辨出根系，具有較高的根系分辨率(圖5)。在實際應用GPR探測根系的過程中，相鄰較近的根系一般容易被誤認為是1根，需要不同的天線頻率的配合，重復探測來最大程度消除誤差。

3 結論與討論

探地雷達在探測根系的過程中，會有許多影響因素制約識別的準確性。通過模擬實驗證實了利用GPR探測木薯根系的有效性和可行性。評估了在理想的砂質壤土條件下，GPR天線頻率、根系直徑、根系埋藏深度和根系水平間距對根系探測的影響。

(1)探地雷達在探測60 cm以上淺層根系過程中，要得到較好的根系探測效果，一般可以選擇800和1 200 MHz天線頻率，實際應用中可以依據具體的土壤和水分條件而定。

(2)探地雷達在檢測地下根系中，根徑越大，越容易被檢測到，800和1 200 MHz天線可以識別最小根徑0.3 cm的根系。但隨著土壤深度增大，800 MHz天線頻率的根系探測精度減弱。

(3) 根系的埋藏深度和水平間距都會影響探地雷達的準確性。當水平間距較近時(<5 cm)，會干擾中低頻率天線的探測精度，但高頻率天線的仍然能識別根系。

除以上影響因素，還有許多制約因素影響探地雷達對根系的探測，諸如:根和土壤的含水量、雷達的掃描角度。在接下來的研究中將繼續對其他影響因素進行實驗，其研究結果將有助于探地雷達野外根系探測波形圖的解譯。