鄒 杰，張金珠，王振華，宗 睿，溫 越，陳瀟潔

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子832000）

0 引 言

近年來，隨著膜下滴灌技術的推廣應用，不同滴灌年限棉田中土壤的層次結構發(fā)生改變，而有研究表明土壤的層次結構與土壤肥力和土壤分類有著密切的關系，不同的土壤層次結構對水鹽運移規(guī)律的影響差異明顯[1-3]。新疆石河子121團炮臺鎮(zhèn)自1996年成功試驗膜下滴灌技術以來，滴灌棉田不斷擴大，新開墾和開墾多年的滴灌棉田其土體構型發(fā)生不同程度的差異，使得該區(qū)域的土體構型復雜而多樣。而不同滴灌年限條件下的土壤中水鹽運移特征因土體構型不同而差異顯著。通常確定土體構型信息，采用具有一定破壞性的剖面法和土鉆法，這兩種方式費時費力，應用尺度小。探地雷達(Ground penetrating radar，GPR)通過發(fā)射電磁波可以快速、無損、高分辨率的獲取地下介質的連續(xù)剖面信息[4]。如果使用GPR 無損探測土壤的分層情況，并根據已知剖面信息分析雷達信號響應特征，進而準確的反演土壤水分與鹽分的空間變異性，這將對掌握農田水鹽分布起到積極的作用[5]。

如今，GPR 在多領域得到應用，尤其是在檢測方面如：隧道檢測和古墻體檢測等[6,7]。其中，對于土壤與農業(yè)上的應用，主要在土壤結構、土壤水鹽分布和監(jiān)測等方面。對于土壤結構方面，Roth等[8]首先采用GPR 技術確定了農田分層界面的位置，并繪制出土壤分層的剖面圖，使GPR 技術在探測土體構型上得以發(fā)展，但其采用的GPR 頻率較為單一，使可操作性大大降低。彭亮等[9]則利用商業(yè)GPR 較為普遍的低頻天線進行探測，提出一種低頻條件下確定農田土壤剖面層位結構的方法。對于如何定性確定土壤分層界面位置，通常是識別雷達圖像中的同相軸，但由于地下情況的復雜性和電磁波傳播過程中的不確定性增大了層位的識別難度。針對這一問題，宋文等[10]通過正演模擬為土壤分層及層位的識別提供了理論依據，同時通過正演模擬和GPR 對比分析有效的探測出農田土壤的層次結構。而單一頻率探測的土壤層位信息總的來說具有一定的局限性，多頻率同時探測有助于確定層位劃分和對比分析。對于土壤水分分布方面，吳志遠等[11]利用GPR 早期信號振幅包絡平均值法對降雨前后野外農田表層土含水率進行探測，并且證明該法獲取的含水率與TDR 實測精度相近，繪制的含水量分布圖能有效表現(xiàn)水分分布情況。Algeo 等[12]利用GPR 早期信號法有效監(jiān)測出黏性土壤表層的含水量分布信息，且證實GPR 早期增幅信號對土壤含水量變化有明顯響應。對于土壤鹽分監(jiān)測方面，薛建等[13]利用GPR 在野外探測獲取的雷達信號數據和取樣數據，綜合評判出土壤垂直方向上的鹽漬化程度。徐白山等[14]通過探究鹽堿地土壤性質與GPR 信息的關系，發(fā)現(xiàn)理化性質的差異可以使GPR 信號中的振幅、波形、頻譜特性等波的幾何學與動力學特點產生響應，對今后生態(tài)環(huán)境治理提供新的理論依據及方法。從前人的研究結果可以看出，GPR 技術在土壤和農業(yè)的監(jiān)測上具有很大潛力。新疆為保持綠洲生態(tài)的可持續(xù)性，大力推廣節(jié)水灌溉技術，其中膜下滴灌技術作為如今最有效的節(jié)水技術被推廣至全疆，而大量膜下滴灌棉田因新疆干旱少雨、排鹽不暢及地下水位較高等自然客觀因素的影響，面臨著土壤鹽漬化的嚴峻挑戰(zhàn)，為防止膜下滴灌棉田土壤鹽漬化蔓延監(jiān)測土壤鹽漬化信息刻不容緩。所以有必要使用新型的GPR 無損探測技術監(jiān)測膜下滴灌棉田鹽漬化情況，以豐富GPR 技術在新疆地區(qū)農業(yè)方面的應用，提高鹽漬化監(jiān)測效率。

因此，本文將新疆石河子121 團炮臺鎮(zhèn)6 連作為研究區(qū)，以不同滴灌應用年限的典型棉田作為研究對象，采用GPR 對膜下滴灌棉田和作為對照的荒地進行調查試驗，首先分析不同滴灌年限條件下棉田雷達信號波譜差異性，然后根據實際開挖剖面以及取樣數據，探討雷達信號對土壤結構的響應，最后在此基礎上通過時域和頻域的分析，闡明雷達信號對土壤水鹽特征變化的響應。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處天山北麓、古爾班通古特大沙漠南緣，瑪納斯河流域下野地灌區(qū)內的121 團6 連，地理位置85°01′～86°32′E，43°27′～45°21′N，平均海拔337 m，屬于典型綠洲鹽堿區(qū)域，根據新疆鹽堿土分類標準，121 團6 連棉田土壤屬于氯化物硫酸鹽不同程度的鹽化土壤。該區(qū)域是瑪納斯河下游古老的沖擊平原地帶，沙丘間為原始鹽堿荒地，區(qū)域地勢東南高西北低，坡降度在1/1 000 ～1/15 000，土壤質地以壤土為主，砂質、黏質土次之。其中，粉砂土一般分布在耕作層，而其他土質無規(guī)律分布在耕作土以下，地下水位在2.5 ～4.0 m之間變動，地下水礦化度2.5 ～5.0 g/L[15]（圖1）。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographic locations of the study area

1.2 試驗設計

本試驗通過GPR 剖面探測與實際開挖剖面相結合的方式獲取滴灌棉田土壤剖面信息。首先，在研究地塊中機械挖掘一個長×寬×深(x×y×z）為2.5 m×1.3 m×2 m 的剖面，接著緊貼剖面一側沿x軸方向從東到西進行GPR 探測并重復3次，探測形式為共偏移距法（圖2），探測參數設置見表1，探測長度為10 m。其中，開挖剖面長2.5 m，未開挖剖面長7.5 m。開挖剖面通過觀測法描述滴灌棉田土壤的結構層次，然后與GPR探測的剖面信息進行對比。同時，為獲取土壤其他參數（如水分、鹽分、土壤顆粒組成等），在GPR 測線2 m、4 m、6 m的位置進行標記，在標記位置進行取樣，垂直取樣深度140 cm，每20 cm 取一個土樣（0、20、40、60、80、100、120、140 cm），一處共計8 個土樣。最后將三處的土壤樣品數據求取平均值作為每個地塊剖面數據分析的依據。

圖2 GPR共偏移距法原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of GPR common offset method

表1 GPR參數設置Tab.1 GPR parameter setting

1.3 數據處理與分析技術

1.3.1 土樣處理

將2019年10月20日獲取的試驗土樣，采用烘干法（103 ～108 ℃，10 h）測定土壤含水量；將烘干土樣碾碎，過2 mm篩子后按1：5 土水比混合，提取上層清液測電導率（electrical conductivity，EC），利用烘干標定后建立的關系式(y=0.008x+0.876，R2=0.97，N=72，y為含鹽量，‰；x為電導率，μm/cm）轉換土壤的全鹽含量；采用比重計法測定不同土層各粒級占土壤重量的百分比，并采用美國制對土壤質地進行分級；環(huán)刀法測定土壤容重；使用哈希便攜式水質檢測儀測土壤的pH值。

1.3.2 波速的獲取

確定探地雷達波速是獲取棉田土壤剖面厚度等信息準確與否的前提。本試驗采用波速轉換法獲取各地塊的平均波速，首先利用實測土壤參數代入鹽漬土介電模型（胡慶榮修正的Dobson 介電模型）獲取相對介電常數實部和虛部，接著使用計算相對介電常數，然后通過波速轉換公式分別計算40 cm、60 cm 和80 cm 的波速，最后求取平均值作為各地塊的最終波速，波速統(tǒng)計結果見表2，鹽漬土介電模型見公式（1）～（5）[16]。

式中：ε′m和ε′′m分別為介電常數的實部和虛部；其形狀因子α= 0.65，β為結合水修正系數，與土壤的含沙量（Sand）和黏粒量（Clay）相關，%。對于NaCl，參數A取1；ρs是土粒密度，通常取2.65 g/cm3；εs是土壤基質的介電常數，取4.7；ρb是土壤容重g/cm3；ε′fw為不同溫度不同頻率下純水的介電常數實部；S為土壤的含鹽量，%；mv為體積含水量，%；f為頻率，GHz；ξ為Stogryn 鹽水模型中電導率與含鹽量關系的一階擬合系數，取0.14；χ 為溫度修正系數（Δ= 25-t）；N為離子濃度，mol/L；ε0為真空介電常數，ε0= 8.854 × 10-12。

1.3.3 雷達數據處理

雷達數據包括波譜圖像、時間-振幅、頻率-振幅圖像的數據，可通過DVL Firmware 采集，以及Line View 軟件進行處理。其中，波譜圖像處理步驟如下：先使用Dewow 濾波去除直流漂移，接著去除空氣波，然后增益獲取深部信號，最后去除背景并降噪，具體操作及參數見圖3。時間-振幅、頻率-振幅圖像則通過Line View 軟件導出數據后直接繪制即可。

表2 電磁波波速檢測結果統(tǒng)計表Tab.2 The statistic results of electromagnetic wave velocity

圖3 雷達數據處理示意圖Fig.3 Radar data processing diagram

2 結果分析

2.1 土壤特性結果分析

2019年10月20日在研究區(qū)進行采樣，并對剖面土樣信息進行檢測，獲得土樣的含水量、含鹽量、土壤機械組成和干容重等數據。將樣品數據匯總至表3，并分析其關系。

根據表3可知A、B 和C 3個地塊在0 ～140 cm 的土壤性質均為堿性（pH＞7）的粉砂壤土，但隨土層深度增加黏粒含量呈減小趨勢，而砂粒含量呈現(xiàn)波動狀態(tài)，100 cm 后砂粒含量卻普遍呈現(xiàn)增長的趨勢，這與研究區(qū)所處地勢密切相關。對于A、B 和C 3 個地塊各層的土壤容重，發(fā)現(xiàn)土層越深容重越大，但各層的土壤容重差別并不明顯。A、B 和C 3 個地塊的含水量在10% ～30%左右，地表的含水量最低，且水分多滯留在80 cm 處。相比A 和B 地塊，C 地塊各土層的含鹽量明顯較高。C 地塊的含鹽量在0 ～140 cm 呈波動狀，表層土含鹽量較高，但總體來看呈現(xiàn)降低趨勢。對于滴灌年限已有21年的A 地塊發(fā)現(xiàn)0～60 cm 的含鹽量較低，變化起伏不大，但在80 cm 處鹽分出現(xiàn)累積含鹽量變大。對于滴灌年限有11年的B 地塊0～140 cm鹽分含量變化不大，且沒有出現(xiàn)鹽分累積的現(xiàn)象。

2.2 雷達波譜圖像分析

本試驗采用GPR 共偏移距法探測不同滴灌應用年限的棉田，利用中心頻率為250 MHz 的雷達天線進行探測，以期獲得不同滴灌應用年限棉田的土壤剖面信息。如圖4(a)所示為滴灌應用年限為21年的A 地塊250 MHz 頻率條件下GPR 的波譜影像圖，即GPR 剖面圖：橫坐標為測線距離；左側縱坐標為深度，右側縱坐標為雷達波雙程旅行時間，表示雷達波從發(fā)射天線出發(fā)經過土壤等介質后回到接收天線所經歷的時間。

由圖4(a)可知，滴灌應用年限為21年的A 地塊，分別在0 cm、40 cm、80 cm和120 cm左右處電磁波的振幅有明顯變化，在剖面圖中直接反映出的是4條明顯的反射層面。第一反射層面，是由于空氣與土壤之間的介電常數差異明顯所致。第二反射層面，在40 cm 左右處顯示有連續(xù)的同相軸，該處是膜下滴灌棉田的耕作層位置，常年受機械翻耕擾動，土層原有結構受到破壞，導致土壤耕作層與非耕作層之間存在顯著差異，從而在GPR 剖面圖上產生明顯的第二反射層面。第三反射層面，在80 cm 左右處顯示出不連續(xù)波狀的同相軸，通過A 地塊實際開挖的剖面圖和土壤質地數據可知，該處是粘粒含量變換的交界面，相比50 ～80 cm的土層，80 ～110 cm土層的含水量和含鹽量均發(fā)生較大改變，從而使GPR 剖面圖上的分辨率降低，產生較為模糊的現(xiàn)象，并在兩個土層的交界面處產生明顯的不連續(xù)同相軸。與其相反的是第四反射層面，該處由于水鹽含量的降低，使上下土層產生較大的介電差異，并在兩個土層交界的120 cm左右處產生明顯的同相軸。

而通過圖4(b)發(fā)現(xiàn)，滴灌應用年限為11年的B 地塊，在GPR 剖面圖中也存在4 條明顯的反射層面，且A 和B 兩個地塊GPR 剖面圖像整體上相似，不同之處在于模糊區(qū)域的分布，A地塊模糊區(qū)域在40 ～120 cm 的范圍，而B 地塊模糊區(qū)域在80～140 cm 的范圍，相比A 地塊，B 地塊的模糊區(qū)域有所下移。這與兩個地塊的水鹽遷移相關，結合兩個地塊的水鹽隨土層深度變化的分布圖可知，A 地塊的水鹽含量在0 ～140 cm 范圍內呈先增后減的趨勢，且在60 ～120 cm 范圍的土壤水鹽含量均較高，而B地塊在80 ～140cm范圍的鹽分含量雖不大且變化幅度也小，但其水分含量較高。再通過對比各地塊水鹽含量較低的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)GPR 剖面圖像較為清晰，其分辨率也較好。因此可以認為水鹽含量共同影響著GPR 剖面圖像的分辨率。這一點在荒地地塊中表現(xiàn)得更為明顯，圖4(c)在0 ～120 cm 范圍的GPR 剖面圖像十分模糊，基本不能辨別剖面圖上的分層信息。這與荒地0 ～120 cm的水鹽分布息息相關，該范圍的水鹽整體呈先增后減的趨勢。但從水鹽的含量來看，其值依然較大。因此可知GPR 探測水鹽含量較高的區(qū)域時，將很難分辨土壤的層次結構，其具體表現(xiàn)形式為GPR 圖像的分辨率降低，無法識別有效反射層面。

2.3 振幅數據分析

2.3.1 時域分析

為了進一步闡明不同滴灌年限剖面土壤特性差異與電磁波信號之間的相關性，選取電磁波振幅能值隨時間變化的時域圖進行分析，如圖5(a)～圖5(c)所示。電磁波的傳導使各介質內發(fā)生振動并產生能量，振幅能值則是反應振動能量強弱的一項指標。對于同種介質，波形相同，振幅能值與雙程走時呈反比；而對于不同介質，其交界處波的形態(tài)發(fā)生改變[4]。

通過圖5(a)～圖5(c)可知，A、B、C 3 個地塊在20 ns 后振幅能值均不產生波動性變化，且在0 ～10 ns 范圍內振幅的變化趨勢是一致的，其中不同之處在于各地塊振幅能值的大小，A、B 兩個地塊的最大振幅能值是C 地塊的6 ～7 倍，而C 地塊最大振幅能值僅為2.07，總的來說荒地的振幅能值遠小于滴灌棉田兩個地塊。這是由于C地塊屬于荒地，其水鹽含量均較高所致。因有研究表明[17]水介質能吸收微波能量，并可將微波能量轉化為熱能，而熱能的損失遠超過信號衰減系數的降低，所以最終表現(xiàn)為GPR 接受的電磁波反射信號能量降低，信號振幅的減弱。而鹽分則是由于水的混合使其自身附帶了電導性消耗了電磁波的能量，致使信號振幅的減弱。因此可以認為振幅能值由水、鹽兩因素共同影響，但根據表3可知，A、B、C 3個地塊0 ～140 cm的平均含水量相近，而其平均鹽分含量相差較大，所以可以進一步推論出，土壤鹽分含量是降低各地塊土壤振幅能值的主要因素。對于滴灌棉田A、B 兩個地塊，荒地地塊C在10 ～20 ns范圍內的振幅波動變化更為復雜，而C 地塊10 ～20 ns對應的剖面深度為49 ～98 cm，根據表3數據可知，該處對應的水鹽含量差異較大，且有較強的空間變異性，導致該范圍內介電特性變化較多，從而使振幅變化復雜。

表3 土壤特性檢測結果統(tǒng)計表Tab.3 The statistic results of soil properties

圖4 A、B、C 3個地塊的GPR波譜影像圖、開挖剖面圖和水鹽分布圖Fig.4 The GPR spectrum image，excavation profile and water-salt distribution of the three plots A，B and C respectively

2.3.2 頻譜分析

研究不同滴灌年限棉田土壤水鹽對電磁波信號的影響，選取頻譜數據分析分段頻域上電磁波振幅能值的差異。通過圖5（d）～圖5（f）分析發(fā)現(xiàn)，滴灌應用年限分別為21年和11年的A、B 兩個地塊，在振幅-頻率圖中僅有一個主頻。且A、B 兩個地塊的主頻均朝著低頻的方向發(fā)生了移動，從GPR中心頻率的250 MHz移動至156 MHz處，但B 地塊主頻所對應的振幅能值卻明顯小于A 地塊。為探明振幅能值衰減的原因，結合表3數據，發(fā)現(xiàn)A、B、C 3 個地塊0 ～140 cm 的平均含水量在23%范圍變化，變化幅度不大，而對于含鹽量，A 地塊0～140 cm 的平均含鹽量要大于B 地塊(SA(0～140cm)=0.656% ＞SB(0～140cm)=0.404%)，現(xiàn)有研究[17]表明土壤鹽分對電磁波反射信號的影響比土壤含水率要大得多，鹽分含量的增大會促使電導率增大，從而導致土壤中的介電損耗增加，其最終的表現(xiàn)形式即為電磁波能量衰弱，振幅能值降低。因此可以認為在含水量一定的情況下，鹽分是造成振幅能值衰減的主導因子。同時，還發(fā)現(xiàn)鹽分含量與振幅能值呈反比關系，土壤鹽分含量越高，電磁波的振幅能值越小，這與胡振琪等[17]的研究結果一致。作為對照的荒地，C 地塊在頻率-振幅圖中出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，主頻之后又出現(xiàn)兩個次主頻，分別在190 MHz、366 MHz、688 MHz處。對于主頻朝著低頻的方向發(fā)生移動這一現(xiàn)象與滴灌棉田A、B 兩個地塊是一致的。而通過表3的數據我們可以發(fā)現(xiàn)，3 個地塊土壤質地、容重、pH 相似，且含水量在0 ～140 cm 范圍均在25%左右，3 個地塊存在的主要差異在于鹽分的含量，荒地0 ～140 cm的平均鹽分含量是滴灌棉田兩個地塊平均鹽分含量之和的2倍左右，因此可以認為在鹽分含量高達一個量級后，振幅-頻率圖中會出現(xiàn)次主頻現(xiàn)象。

3 討 論

探地雷達技術是基于介質的電磁特性，通過復介電常數的變化來反映土壤特性因子。其中，文獻[18]通過試驗證明，介質的復介電常數變化會影響雷達信號的振幅、形狀和持續(xù)時間，且早期雷達信號的振幅主要受介質電導率的影響。這使復介電常數成為反映雷達信號的重要參數。而土壤容重作為影響復介電常數的因素之一，只有在土壤處于完全干燥的情況下，復介電常數才會隨著土壤容重的增大而增大。在土壤相對濕潤的條件下，土壤容重對復介電常數的影響并不顯著[19]。

相比土壤容重，影響復介電常數的主要因素還有土壤的水分、鹽分和粘粒含量等[20-22]。而通過文獻可知，復介電常數可分為實部和虛部兩個部分，實部主要受土壤含水量影響，虛部主要受鹽分含量影響[23]。且通常狀況下，復介電常數會隨土壤含水量的增加而增加，但在鹽漬土中，會發(fā)現(xiàn)復介電常數虛部隨含水量的增加顯著增加后趨于平緩[20]。對于鹽堿化土壤，胡慶榮[16]研究發(fā)現(xiàn)低頻區(qū)影響土壤介電常數虛部的主要是土壤溶液中的電導率。電導率的增大使介質的介電損耗增大，從而迫使虛部增大，最終導致雷達信號中的振幅發(fā)生變化。

對于時域分析，趙學偉等[24]基于250 MHz 中心頻率的GPR，對濱海鹽漬土的水鹽特征與雷達信號之間的關系進行探究，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，且土壤水分含量對電磁波速度的影響大于土壤鹽分的影響。本文通過試驗結果認同該觀點，但發(fā)現(xiàn)在含水量一定時，鹽分含量的增加是造成電磁波衰減的主要因素。對于頻域分析，胡振琪等[17]采用400 MHz頻率天線對復墾土壤進行頻譜分析，其中，試驗采用控制變量法，設置了4 個鹽分梯度，分別為0.31 %、1.36 %、3.35%和5.28%，4個鹽分梯度對應的頻譜圖如圖6所示[17]。而本試驗采用250MHz 頻率天線對室外3 個不同鹽分含量（0.656 %、0.404 %和2.906 %）的地塊同樣做出了頻譜分析，3 個地塊對應的頻譜圖如圖5（d）～圖5（f）所示。通過對比發(fā)現(xiàn)鹽分含量大于2.9 %時，室內和室外試驗的振幅-頻率圖中均產生次主頻，見圖6(c)、圖6(d)和圖5（f）。當鹽分含量小于2.9%時，無次主頻現(xiàn)象，但通過圖5（d）～圖5（f）和圖6均能發(fā)現(xiàn)隨著鹽分含量的增大次主頻逐漸凸顯，見圖5（a）、圖5（d）和圖6（b）。

圖5 不同滴灌年限地塊的時域圖和頻譜圖Fig.5 The time-domain and frequency spectrum plots of plots with different drip irrigation years

圖6 不同鹽分含量振幅—頻率圖Fig.6 Amplitude-frequency diagram of different salt content

4 結 論

（1）由于各土層之間存在著介電差異，使GPR 成為識別膜下滴灌棉田土壤層次結構的有效手段。通過GPR 圖像上的反射層面與實際開挖剖面的相結合，能夠快速識別膜下滴灌棉田0 ～140 cm范圍不同土層的上下邊界。同時，結合取樣數據時，能夠有效的辨別大范圍的土層結構信息。但當水鹽含量較高時，GPR 將無法有效識別土壤的反射層面，從而很難分辨土壤的層次結構。

（2）長期膜下滴灌棉田鹽漬化土壤對電磁波的影響十分顯著，水分含量和鹽分含量是引起電磁波衰減的主要因素。振幅能值是雷達信號對水鹽響應的標志參數，水鹽含量與振幅能值成反比。通過頻譜分析，滴灌棉田頻譜圖中僅有一個主頻，而荒地有一個主頻兩個次主頻出現(xiàn)多峰現(xiàn)象，滴灌棉田主頻出現(xiàn)在160 GHz 左右，荒地出現(xiàn)在190 GHz 左右次主頻分別處于371 MHz和688 MHz?；牡氐恼穹苤得黠@小于滴灌棉田。