利用探地雷達技術獲取與土壤鹽漬化程度相關的信息,農業(yè)基礎科學論文

利用探地雷達技術獲取與土壤鹽漬化程度相關的信息,農業(yè)基礎科學論文土壤鹽漬化是干旱、半干旱地區(qū)主要的土地退化問題之一[1-2],造成了農作物產量下降、區(qū)域生態(tài)環(huán)境改變.準確地獲取土壤鹽漬化鹽分信息,對于干旱區(qū)鹽漬土治理和利用,促進干旱區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[3-4].國內外在鹽漬化土壤探測技術的研究中,對可見光、紅外和高頻微波波段的星載遙感探測技術研究較多.當前應用的星載雷達都是高頻雷達,其對土壤的穿透深度有限,和其他非微波波段的星載遙感技術一樣,探測的主要是表層土壤的鹽漬化狀況,而由于土壤鹽漬化是一定深度土壤水鹽運動的結果,表層土壤鹽漬化狀況并不能完全揭示土壤鹽漬化規(guī)律,如非表聚型鹽漬化土壤等.近年,地面電磁技術等用于土壤鹽漬化程度的探測中[5],其主要途徑是建立探測信號和鹽漬化土壤實驗室分析數(shù)據(jù)的定量關系模型,當前用得較多的大地電導率儀,固然能夠探測一定深度的土壤,但一般不能直接反映土壤鹽分狀況.為了較全面、準確地定量獲得土壤鹽分信息,需要發(fā)展新的土壤鹽分探測技術和方式方法.探地雷達技術是基于電磁原理的地面探測技術,由于具有較高的分辨率、能夠實時成像和探測效率較高,在土壤水分探測中得到了較多的應用,也用于土壤鹽漬化狀況定性探測中[6].由于影響探地雷達探測結果的土壤參數(shù)較多,當前在利用探地雷達進行土壤參數(shù)探測多是在一定控制條件下的試驗性研究[7].根據(jù)當前國內外土壤鹽漬化探測研究的現(xiàn)在狀況和存在的問題,針對具有一定深度的鹽漬化土壤,研究了怎樣利用探地雷達技術定量獲取與土壤鹽漬化程度有關的含鹽量和電導率信息,以期為鹽漬化土壤定量探測和防治提供新的技術手段和方式方法.1研究區(qū)大概情況研究區(qū)位于塔里木盆地的中北部,新疆阿克蘇地區(qū)渭干河-庫車河流域的下游,中部天山南麓,地勢北高南低,屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候,平均蒸發(fā)量2124mm/年,平均降水量52mm/年,蒸降比約40∶1.研究區(qū)以鹽巖、石膏為主體的鹽類沉積規(guī)模大,地下水位和礦化度偏高,土壤鹽漬化嚴重且普遍.土壤類型主要為亞砂土和亞黏土.土壤pH值約為8,土壤含鹽主要成份為氯化物.2研究方式方法當前研究較多的是單層介質的電磁波傳播速度,而準確求取多層介質中每層介質的電磁波傳播速度較為困難.為了利用探地雷達電磁波傳播速度表示出土壤成分組成情況,結合探測的實際情況,將每層土壤的探地雷達電磁波傳播速度利用每層土壤的厚度與電磁波在該層傳播的雙程旅行時間的比值計算,即v=2h/t,式中,v為探地雷達電磁波在每層土壤中的傳播速度,h為每層土壤的厚度,t為電磁波在該層土壤的雙程旅行時間.研究中使用兩種儀器設備:拉脫維亞雷達系統(tǒng)公司zond-12e探地雷達,使用100MHz屏蔽天線,用于土壤鹽漬化信息探測;基于電磁感應原理的土壤溫度、濕度和電導率探測儀,其利用的電磁頻率為50MHz,用于實時測量土壤溫度、濕度和電導率.根據(jù)屢次實地調查結果,在研究區(qū)選擇鹽漬化狀況不同的區(qū)域建立了5個模型,對每個區(qū)域設定邊長30m的正方形樣方,保證每個樣方內的土壤狀況基本一致,且和其他樣方有明顯差異.利用探地雷達進行數(shù)據(jù)采集時,首先沿著樣方的4條邊界和2條對角線,利用100MHz屏蔽天線采用剖面法進行探測,并記錄各條測線的數(shù)據(jù),然后,在樣方對角線交點處,即樣方中心點處進行定點探測,并把該點的測量數(shù)據(jù)作為代表每個樣方鹽漬化情況的樣本數(shù)據(jù);探地雷達儀器系統(tǒng)記錄完中心點的數(shù)據(jù)后,對探測數(shù)據(jù)進行處理和判讀.從處理后的探地雷達剖面圖上可看出每個樣方中心點的探測剖面都有明顯的分層情況.圖1是樣方1的探地雷達探測成果,能夠看出,鹽漬化土壤在100MHz探地雷達探測剖面上有明顯的分層,能被清楚明晰辨識的分層情況的深度到達了近3m,淺的也到達了近0.8m;這是當前星載遙感難以直接探測的深度,講明低頻探地雷達在鹽漬化土壤探測深度上具有較大的優(yōu)勢.利用探地雷達數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng),獲取每個剖面的位置和厚度情況,根據(jù)數(shù)據(jù)判讀結果開挖土壤剖面,利用量尺在土壤剖面上定位判讀每層土壤的深度和厚度,自下而上采集每層的土壤樣本,帶回實驗室進行化學成分分析.在采集每個樣方的每層土壤樣本的同時,利用50MHz的土壤溫度、濕度和電導率探測儀測定每層土壤的電導率,為了獲得較準確的數(shù)據(jù),將每層進行屢次測量的數(shù)據(jù)平均值作為該層真實電導率值.5個樣方都作類似的檢測.將采集的土壤樣品帶回實驗室自然風干、磨碎,過0.5mm孔徑的篩子,按土水比1∶5的比例提取浸提液,分別測定土壤的含鹽量、電導率、礦化度、pH值、化學離子等參數(shù).3數(shù)據(jù)計算與結果分析將每個樣方每層土壤的含鹽量、電導率分別與之對應的電磁波傳播速度進行pearson相關性分析,結果見表1.表中土壤剖面深度指的是每個樣方能被容易辨識的分層情況的深度,也是土壤標本的采樣深度.根據(jù)中國水利部行業(yè)標準(土壤侵蝕分類分級標準〕(SL190-96),表1中樣方1屬于鹽土,樣方2和樣方5屬于強度鹽漬化土壤,樣方3屬于中度鹽漬化土壤,樣方4屬于輕度鹽漬化土壤.從表1中各個樣方每層的電磁波傳播速度和土壤含鹽量或土壤電導率相關分析結果得出:電磁波傳播速度和樣方1、樣方2、樣方3的土壤含鹽量有顯著的相關性,與樣方3的相關系數(shù)甚至到達了0.932;樣方4和樣方5的電磁波速與土壤含鹽量的相關性不顯著;同時,樣方1、樣方4和樣方5的波速與土壤電導率有顯著的相關性,而樣方2和樣方3的兩者相關系數(shù)較低,相關性不顯著;除此之外,樣方1的電磁波傳播速度與土壤含鹽量和電導率都有顯著的相關性,并且,其與土壤含鹽量的相關系數(shù)大于其與土壤電導率的相關系數(shù).和土壤含鹽量相關性不顯著的樣方,都和土壤電導率有顯著的相關性,講明探地雷達剖面圖中分層現(xiàn)象的主要影響因素是土壤鹽分或土壤電導率.探地雷達探測的剖面圖上顯示的是研究區(qū)土壤鹽分含量或電導率的分布狀況.對表1中各個樣方相關性顯著的參數(shù),以含鹽量或電導率為因變量,以電磁波傳播速度為自變量,進行三次多項式回歸分析,結果如此圖2所示.樣方1、樣方2、樣方3的電磁波傳播速度和土壤含鹽量的回歸擬合結果的決定系數(shù)R2都在0.95以上,講明電磁波傳播速度能夠很好地反映這三個樣方的土壤含鹽量狀況.樣方1、樣方4和樣方5電磁波傳播速度和土壤電導率回歸結果的決定系數(shù)R2分別為0.3896、0.5958和0.3498,講明電磁波傳播速度也能反映這三個樣方的土壤電導率狀況.探測的5個不同程度的鹽漬化土壤樣方中,有3個土壤鹽分和探地雷達電磁波傳播速度有顯著相關性,其他2個樣方的土壤電導率和電磁波傳播速度有顯著相關性,講明探地雷達能夠用于土壤含鹽量定量探測,但其存在一定的不確定性.4結論研究表示清楚,利用100MHz天線的探地雷達能夠較好地識別研究區(qū)鹽漬化土壤分層情況;探地雷達的電磁波傳播速度和土壤鹽分或電導率有顯著的相關性,利用低頻探地雷達能夠定量探測土壤鹽分或電導率垂直分布狀況,并且利用探地雷達電磁波傳播速度可估計土壤含鹽量或土壤電導率.利用探地雷達估計土壤含鹽量或土壤電導率具有一定的不確定性,或者講,利用低頻探地雷達進行測鹽漬化土壤探測時,影響探地雷達電磁波傳播速度的主導因素具有一定的不確定性.筆者只研究了100MHz天線的探地雷達在鹽漬化土壤探測中的應用,有必要研究電磁波頻率對探測結果的影響,同時,研究中只牽涉到干旱區(qū)較嚴重鹽漬化土壤的含鹽量或電導率參數(shù),沒有考慮土壤濕度參數(shù).因而,本研究主要是基于數(shù)學統(tǒng)計方式給出了鹽漬化土壤層探測的一個可能性的方式方法,該方式方法的適用性和深層次的機理問題需要進一步研究.以下為參考文獻:[1]AmmariTG,TahhanR,AbubakerS,etal.SoilsalinitychangesintheJordanvalleypotentiallythreatensustainableirrigatedagri-culture[J].Pedosphere,2020,23(3):376-384.[2]AnilKM.Climatechangeimpact,mitigationandadaptationstrat-egiesforagriculturalandwaterresources,inGangaPlain(India)[J].MitigAdaptStrategGlobChange,2020,18:673-689.[3]YaoRJ,YangJS,ShaoHB.Accuracyanduncertaintyassess-mentongeostatisticalsimulationofsoilsalinityinacoastalfarm-landusingauxiliaryvariable[J].EnvironMonitAssess,2020,185:5151-5164.[4]AkhtarA,ShahbazK,NisarH,etal.Characterizingsoilsalinityinirrigatedagricultureusingaremotesensingapproach[J].PhysicsandChemistryoftheEarth,2020,55~57:43-52.[5]孫永猛,丁建麗,瞿娟,等.應用電磁感應和遙感的新疆綠洲區(qū)域尺度鹽漬土辨別[J].農業(yè)工程學報,2020,28(20):180-187.[6]薛建,曾昭發(fā),田剛,等.探地雷達在吉林西部地區(qū)探測土壤堿化層[J].物探與化探,2005,29(5):421-424.[7]LauroSE,MatteiE,BaronePM.Estimationofsubsurfacedielec-trictargetdepthforGPRplanetaryexploration:Laboratorymeas-urementsandmodeling[J].JournalofAppliedGeophysics,2020,93:93-100.[8]AndreaDM,ElenaP,EvertS.Early-timeGPRsignalattributestoestimatesoildielectricpermittivity:Atheoreticalstudy[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,2020,51:1643-1653.[9]MohammadR,MahmoudzadehA.Off-andon-groundGPRtech-niquesforfield-scalesoilmoisturemapping[J].Geo