基于探地雷達(dá)對根系探測的限制性因素研究

黎 蕾， 湯玉喜， 李永進(jìn)， 楊 艷， 唐 潔， 鄭 華

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.廣西壯族自治區(qū)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(yǎng)分供植物生長，而植物根系中的細(xì)根在土壤的周轉(zhuǎn)中能為土壤提供碳和礦物養(yǎng)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(chǎn)力的重要貢獻(xiàn)者，在植被生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)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(guān)，在探測方法上具有很大的局限性和挑戰(zhàn)性[2]。然而根系研究卻是極其必要，也是整個森林生態(tài)系統(tǒng)研究中必不可少的一個方面。

探地雷達(dá)(ground penetraiting radar,GPR)是探測根系分布特征的一種新技術(shù)方法，其通過發(fā)射天線將電磁波發(fā)射到地下，利用不同介質(zhì)中電磁特性差異，產(chǎn)生不連續(xù)的反射和散射，從而定性和定量地辨別地下目標(biāo)物，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)根系的探測，具有快速無損、分辨率高及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。與傳統(tǒng)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(tǒng)的探測，省時省力。還可重復(fù)探測，有利于實(shí)驗(yàn)的連續(xù)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(shù)(ERT)等，GPR花費(fèi)更小，靈活性更大，且可在野外大范圍檢測[4]。

GPR自20世紀(jì)90年代應(yīng)用到根系探測上，國內(nèi)外學(xué)者相繼利用GPR對植物根系展開廣泛的研究，目前主要應(yīng)用于根系形態(tài)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(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的成果。

但在應(yīng)用GPR探測根系研究中認(rèn)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(dāng)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(shù)據(jù)，可以提供具有較深穿透能力的高分辨率數(shù)據(jù)[16]。如利用雙頻雷達(dá)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(nèi)外學(xué)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(zhì)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(zhì)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(yīng)用更高頻率天線(2 GHz頻率)來探測干燥砂質(zhì)土壤中的小葉榆根系，發(fā)現(xiàn)其可識別0.5 cm以上的根系。目前利用GPR技術(shù)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(dá)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(fā)現(xiàn)根徑大小與雷達(dá)波的反射面積密切相關(guān)，但隨深度增加，其相關(guān)性逐漸減弱。Hirano等[7]利用900 MHz的天線頻率在沙質(zhì)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(jié)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(dú)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(xué)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(jié)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?qū)崿F(xiàn)GPR對根系的清晰探測一直是研究的方向，為了進(jìn)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(zhì)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(jìn)行探測，通過試驗(yàn)?zāi)MGPR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(shù)，為野外GPR根系探測提供有利的參考依據(jù)。

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(shù)，它通過發(fā)射天線向地下發(fā)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(jù)接收到電磁波的波形特征和反射時間可推斷地下介質(zhì)的空間位置和深度?；谥参锔档暮扛哂谕寥阑|(zhì)導(dǎo)致二者介電常數(shù)間有較大差異，這使得利用GPR進(jìn)行根系探測成為可能[8]。在天線運(yùn)行過程中，能量逐漸衰減，從目標(biāo)物返回的信號運(yùn)行時間逐漸減少，當(dāng)天線正好運(yùn)行到目標(biāo)物正上方時達(dá)到最少，然后隨著天線遠(yuǎn)離目標(biāo)物，時間再次增加，從而在雷達(dá)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(jù)之一[4]。而本試驗(yàn)選取木薯桂熱4號作為試驗(yàn)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(zhì)壤土作為介質(zhì)(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(dǎo)致其介電常數(shù)的差異，因而，利用GPR進(jìn)行木薯根系探測試驗(yàn)是完全可行的。

表1 試驗(yàn)土壤各粒級含量Tab.1 The content of size fraction of test soil介質(zhì)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(yàn)地為廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所試驗(yàn)大棚，通過設(shè)置室內(nèi)模擬試驗(yàn)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(shè)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(zhì)壤土(含水率僅為1.11%)，土壤通過預(yù)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(shè)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(diǎn)測法分別進(jìn)行探測(間距1cm)。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的ProEx探地雷達(dá)系統(tǒng)，由主機(jī)以及3種屏蔽天線(500、800和1200MHz)采集數(shù)據(jù)，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(shù)設(shè)置如下：采樣次數(shù)(Number of Samples)均設(shè)置為480個，500、800和1200MHz采樣頻率分別選擇7606、12409和31436MHz。實(shí)驗(yàn)中土壤質(zhì)地利用比重計(jì)法測定。

數(shù)據(jù)使用ReflexW 7.5 軟件進(jìn)行處理，基本步驟為：首先選擇精確的時間零點(diǎn)，然后進(jìn)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(jìn)行圖像截取(Static correction/muting-time cut)。

2 結(jié)果與分析

2.1 天線頻率對根系探測的影響

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

在干燥的砂質(zhì)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(dú)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(nèi)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(zhì)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(dá)波相互重疊，導(dǎo)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(dāng)根系深度較深時，如根系

深度>50 cm時，雷達(dá)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(jì)出現(xiàn)了一定的偏差，這可能是雷達(dá)波相互疊加導(dǎo)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(jù)實(shí)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(dá)對不同根徑的探測效果來看：隨著根徑的增大，探地雷達(dá)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(dāng)根徑<3 cm時，500 MHz天線完全不能探測到木薯根系，只有當(dāng)根徑>5 cm時，500 MHz天線才能識別木薯根系(圖2b)。而當(dāng)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(xiàn)誤判，如當(dāng)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)?？梢?，在應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行根系探測時，需要根據(jù)植物的根徑特點(diǎn)，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(dá)對木薯根系的分辨率逐漸降低，當(dāng)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(dāng)深度為30 cm時，800 MHz天線的根系分辨率就會降低，雷達(dá)波形圖容易重疊，不過還是能分辨出根系的位置，但當(dāng)根系深度>50 cm時，代表根系的雙曲線會相互交叉，只能根據(jù)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(dāng)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(dá)根系探測的分辨率，當(dāng)根系間距越小時，根系的分辨率就越低。當(dāng)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(dāng)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(shí)際應(yīng)用GPR探測根系的過程中，相鄰較近的根系一般容易被誤認(rèn)為是1根，需要不同的天線頻率的配合，重復(fù)探測來最大程度消除誤差。

3 結(jié)論與討論

探地雷達(dá)在探測根系的過程中，會有許多影響因素制約識別的準(zhǔn)確性。通過模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(zhì)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(dá)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(shí)際應(yīng)用中可以依據(jù)具體的土壤和水分條件而定。

(2)探地雷達(dá)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(dá)的準(zhǔn)確性。當(dāng)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(dá)對根系的探測，諸如:根和土壤的含水量、雷達(dá)的掃描角度。在接下來的研究中將繼續(xù)對其他影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其研究結(jié)果將有助于探地雷達(dá)野外根系探測波形圖的解譯。