基于高频探地雷达的土壤表层含水量测定

高精度快速探测土壤表层水分状况,对于精准农业生产、水资源精确管理及防治坡耕地水土流失具有重要意义。现有探地雷达(ground penetrating radar,GPR)低频探测技术不能满足表层土壤含水量高精度要求,需要发展和应用高精度探测技术。本研究采集江宁某蔬菜地水稻土表层(0~20cm)土壤(粉砂质黏壤土),通过室内模拟试验,利用高频(1 GHz和2 GHz)探地雷达在不同土壤含水量状况下进行探测,获取GPR数据图像信息,提取电磁波谱特征参数,分析其与土壤含水量之间的定量关系。结果表明:1 GHz和2 GHz频率GPR探测的土壤介电常数ε与实测土壤含水量θ拟合的ε~θ模型决定系数R2分别为0.94与0.97,高频探地雷达技术预测粉砂质黏壤土表层土壤含水量是可行的;与低频探地雷达技术相比,高频探地雷达技术能够高精度探测表层土壤含水量。     

低频探地雷达地波法测定土壤含水量的可行性研究

利用地波法来探讨低频探地雷达(GPR)在土壤含水量测定方面的可行性。分别采用50 MHz和100 MHz天线的探地雷达地波法对黄淮海平原潮土地区砂壤土和砂土中的含水量进行了探测研究。结果表明,50 MHz天线GPR分辨率过低,在砂土和砂壤土中均无地波信号。100 MHz天线在砂壤土中无地波信号,但在砂土中可清晰读取出空气波和地波。TDR测得含水量为6.3%的砂土,用100 MHz天线地波法3次测定结果分别为5.9%,6.2%和6.5%,绝对误差均在0.4%以内。采用共中点法(CMP)和固定间距法(FO)相结合探测土壤含水量,在FO最佳天线间距1 m时测得灌水前后的砂土含水量分别为6.5%和20.2%,与TDR测定结果6.3%和19.7%相比,绝对误差在0.5%以内。100 MHz天线CMP和FO相结合的方法兼顾了CMP法读取地波的精确和FO法的快速便捷,在砂土的含水量测定应用中是可信、可行的。     

基于探地雷达的土壤水分测定方法研究进展

农田和小流域尺度土壤水分空间和时间分布信息的快速、准确、无损获取是土壤学、农学以及生态环境学等相关科学研究的重要需求.探地雷达作为一种新型地球物理技术, 近年来在多个领域有了应用和推广.本文针对探地雷达技术在土壤水分监测方面应用的科学问题, 在总结国内外相关研究的基础上, 重点阐述了探地雷达技术测定土壤含水量的基本原理、土壤含水量和土壤介电常数的常用关系式、探地雷达技术测定土壤含水量的研究方法及其在国内外的研究进展, 评价了各方法的优势和不足及其在农田土壤中的适用性, 并提出存在的问题和研究展望, 以期为相关科学研究以及探地雷达在我国农田土壤上应用开创新的领域提供参考.     

探地雷达测定土壤含水率研究综述

准确快速测定土壤含水率,在理论研究与实际应用中都具有重要意义。在综合分析烘干法、中子法、时域反射法和遥感4种土壤含水率测定方法的优缺点基础上,指出探地雷达是一种适合于中尺度的土壤含水率测定的技术。对探地雷达以及探地雷达测定土壤含水率的技术原理与方法进行全面介绍,并以介电常数与土壤含水率的关系模型为主,对国内外这方面的研究工作以及存在的问题进行了总结。最后指出,探地雷达测定土壤含水率是一项非常有前景的技术,但目前国内在这方面的研究工作与国外相比远远不够,今后应加强这方面的研究工作。     

基于探地雷达的喀斯特峰丛洼地土壤深度和分布探测

[目的]研究喀斯特土壤的深度和分布,为利用探地雷达(GPR)技术开展喀斯特地区峰丛洼地土壤分布的研究提供理论依据。[方法]通过室内模拟试验,建立喀斯特地区3种典型质地土壤(砂质黏壤土、黏壤土、粉(砂)质黏土)中探地雷达电磁波波速和土壤含水量的关系式。通过实地测定土壤质地和含水量,选择合适的关系式,对探地雷达图像进行校准、解译,获得土壤深度,并采用开挖法进行验证。[结果]得到了3种质地土壤中电磁波波速(ν)与含水量(θ)关系的三次多项式。利用该关系式探测的喀斯特土壤理论深度与实地开挖的结果相符,误差为0—10cm。利用探地雷达软件生成了反映测线下不同位置土壤深度的二维图像和样方内土壤深度分布的三维图像,表明土壤主要分布在0—50cm。[结论]利用探地雷达技术探测喀斯特地区土壤深度和分布是切实可行的。     

探地雷达地波法测定红壤区土壤水分的参数律定研究

探地雷达地波法是一种农田尺度快速测量土壤体积含水量的有效技术,能够弥补传统方法和卫星遥感方法在含水量监测上的不足。但地波法在红壤地区进行含水量反演的最佳参数仍未确定,相关研究鲜有报道。本研究以位于南方红壤区江西省鹰潭市孙家流域为例,采用地波法对区域土壤体积含水量进行了探测:先使用共中心点法确定所用雷达的系统延时、有效反演深度,并利用Topp、Roth、Ferre和朱安宁四种常用的经验模型由介电常数ε反演土壤含水量;然后通过固定间距法进行区域性的土壤体积含水量测量,确定雷达测量时的最佳天线间距。这一系列过程中,土壤含水量实测值是用烘干法校正的管式时域反射仪(time domain reflectometry,TDR)测定的土壤体积含水量。研究的目的是为了律定地波法在红壤区测定土壤含水量的有效反演深度、最优模型和最佳天线间距等参数。结果表明:60 MHz探地雷达地波法反演0～40 cm土层的土壤体积含水量时精度最高,误差最小;Roth经验模型更适合于红壤地区0～40 cm土层土壤含水量的反演,均方根误差(root mean square error,RMSE)为0.022 m3m-3;地波...     

基于探地雷达的地下水土流失研究

西南山区地下水土流失是水土流失的重要途径之一,而表层岩溶带是整个地表物质、生物迁移和转化最活跃的部分,是地表水土物质迁移的主要通道。利用探地雷达对研究区内表层岩溶带发育状况开展实测调查,初步构建喀斯特坡耕地表层岩溶带结构特征、发育状况勘测方法,为判别喀斯特地区地下水土流失方式与途径提供基础数据,以期为西南山区水土流失治理、水土资源优化配置,以及石漠化生态恢复等相关工程措施方案制订提供科学依据。     

土壤含水率与探地雷达信号属性的关系研究

通过分层控制土壤含水率,利用加拿大Pulse-EKKO探地雷达进行了土壤含水率与雷达信号属性的关系研究,重点探讨了不同土壤含水率对应的雷达振幅,讨论从雷达波形中提取反射系数并研究其与含水率的变化之间的关系。结果表明:探地雷达的振幅受到含水率变化的影响显著,含水率越高,振幅越小;上下两层土壤含水率的差值与其分界面处的反射系数存在线性关系,且含水率的差值越大,反射系数越大。最后指出,探地雷达信号属性确实能有效反映土壤含水率的信息,若能获取土壤表层的含水率信息,则可以运用本实验得出的关系推算得到地表以下雷达可测深度范围内各层土壤的含水率,因此利用探地雷达信号属性来定量研究土壤含水率的方法是可行的。     

近代黄河三角洲的滨海盐渍土及其开发利用

近代黄河三角洲属近百年来的新成陆地，面积约６７．５×１０４ｈｍ２，大部分为滨海氯化物盐渍土，其中滨海盐土的面积约占６３．７％，土壤盐渍化危害　十分严重．盐渍土资源合理开发利用的途径是实施区域性的分区划类，建成相应的小麦、水　稻、棉花、畜产品及滩涂养殖业等不同类型的生产基地；大力增加土地投入，改善农业装备　；开展必要的基础与应用科学研究，发展可持续农业．     

基于探地雷达早期信号振幅包络值的黏性土壤含水率探测

为了验证探地雷达探测黏性土壤含水率的精确性,利用探地雷达早期信号振幅包络法平均值方法(average amplitude envelope, AEA)对降雨前后野外农田表层(0.3 m)土壤含水率进行探测,并利用TDR探测土壤含水率以作对比。研究结果显示,土壤水分含量与黏粒含量具有一定相关性。在大面积范围内(1 000 m长测线),TDR2次探测土壤平均含水率分别为14.16、16.91 cm~3/cm~3;AEA方法 2次探测土壤平均含水率分别为14.62、17.88 cm~3/cm~3,与TDR实测含水率差值分别为0.46、0.97 cm~3/cm~3,2种方法探测所得含水率具有极显著的相关性(P0.01),相关系数分别为0.825、0.814。小范围内(40 m×40 m)降雨前后TDR 2次探测黏性土壤含水率分别为14.11、16.77 cm~3/cm~3。AEA 2次探测土壤平均含水率分别为14.86 cm、17.46 cm~3/cm~3,比TDR实测含水率分别大0.74、0.69 cm~3/cm~3。AEA与TDR探测所得含水率相关系数分别为0.701、0.827(P0.01),研究结果表明利用探地雷达AEA方法能够获得与TDR实测精度相近的黏性土壤含水率。利用常规探地雷达共中心点法及共偏移距方法对研究区黏性土壤含水率探测结果显示,这2种方法均不能有效地探测黏性土壤含水率。     

GPR测量滨海盐渍土剖面分层的实验研究

土壤剖面分层是GPR调查研究工作的主要内容,也是时域信息提取和定量反演的基础。使用250 MHz的pulse EKKO PRO探地雷达,探测不同植被覆盖或同一植被长势差异的地块,开挖剖面实测对比GPR的分层结果,剖析电磁波信号对土壤水分、盐分、粒径组成3个因子的响应特征。结果表明,从GPR波谱特征中可以区分表层盐渍化程度不同的地块,误差多小于0.5 m;综合波谱影像和振幅变化数据,能够辨晰0~1 m的土层信息,分层误差可达0.1 m;土壤盐分对电磁波信号的影响特征在该地区表现得十分显著。     

咸水冻融灌溉对重度盐渍土壤水盐分布的影响

室内咸水冰融化试验设置2个处理:7.5 g L-1咸水冰(SIW(7.5))、15 g L-1咸水冰(SIW(15)),探究了咸水冰融化过程中的水量、水质以及离子组成的变化;土柱模拟试验设置同一灌水量(150mm),4个处理:淡水直接灌溉(FW)、7.5 g L-1咸水直接灌溉(SW)、7.5 g L-1咸水冻融灌溉(SIW(7.5))、15 g L-1咸水冻融灌溉(SIW(15)),对比分析两种灌溉水质(淡水、咸水)和两种灌水方式(直接灌溉、结冰灌溉)对土壤(粉砂壤土)水盐动态的影响。结果表明:咸水冰融化过程中,初期融出水量较大,但含盐量和钠吸附比(SAR)较高,后期融出水量较小,含盐量和SAR很低;融出水的离子含量变化与电导率(EC)变化表现相同的趋势;小于3 g L-1的水的融出率分别是SIW(7.5)=25.46%和SIW(15)=32.78%。FW处理下,土壤中水盐运动持续时间较其他3个处理长,土壤导水率降低最快,灌溉水入渗完成时表层土壤含水量达到33.88%,显著高于其他处理。四种处理下,0~15 cm土层土壤的含盐量平均值分别为FW=2.32 g kg-1、SIW(7.5)=2.80 g kg-1、SIW(15)=3.87 g kg-1、SW=4.31 g kg-1。同等灌水量下,SIW(15)处理下土壤脱盐深度最浅。离子分析表明:FW和SIW(7.5)处理下,0~25 cm土壤的钠吸附比(SAR)下降明显,显著小于SW、SIW(15);然而FW处理下,土壤碱化特征最为明显。综合而言,在淡水资源缺乏而咸水资源相对丰富的地区,中度矿化度咸水结冰融水灌溉可以有效降低根层土壤盐分,满足农业生产的要求。     

滨海盐渍土和棕壤咸水入渗特征分析

基于室内均匀土柱一维垂直积水人渗试验,分析了入渗水矿化度对滨海盐渍土和棕壤人渗历时、入渗速率、累积入渗量、平均含水率增量的影响.结果表明,相对淡水入渗,咸水入渗显著增加土壤入渗能力,盐渍土和棕壤入渗能力分别在矿化度为12 g/L和3 g/L时最强,到达25 cm湿润锋处入渗历时分别比淡水少32.5％和38.2％.同一矿化度条件下,通常盐渍土入渗能力较棕壤强;不同矿化度条件下,盐渍土入渗能力差异较小.Philip模型对短历时咸水入渗拟合精度较高,偏差在±0.19％范围内.不同矿化度水入渗,盐渍土湿润剖面平均含水率增量为38.22％～38.85％,棕壤为36.64％～37.82％.     

不同咸水梯次滨海盐土入渗过程及水盐分布特征

咸水冰融化入渗对重盐碱地具有明显的改良作用,而咸水冰融化是融水水质和水量的动态变化过程。为模拟咸水冰融化入渗滨海盐土过程,探讨咸水灌溉改良盐碱地的可行性,本研究设置了不同咸水梯次入渗滨海盐土的土柱试验,试验处理为:咸水梯次入渗(GSI)、咸水单一入渗(DSI)和咸水冰融化入渗(MSI),以淡水入渗(CK)为对照;其中咸水矿化度和水量分别为15g·L^–1和314.3mm。根据咸水冰融化过程中融水水质和水量的变化过程,GSI设置了4个矿化度和水量(S1:81 g·L^–1和25 mm;S2:19 g·L^–1和125.8 mm;S3:3 g·L^–1和94.3 mm;S4:0 g·L^–1和69.2 mm)的咸水连续入渗。结果表明:相同时间内,咸水处理的入渗深度和速度均大于CK;入渗初期,GSI的入渗深度和速率均高于DSI,且上一梯次咸水的入渗能显著提高下一梯次咸水的入渗率,后期GSI处理随着入渗咸水矿化度的降低,入渗率显著低于DSI。入渗后,0～40 cm土层土壤水盐含量由大到小依次为D...     

咸水淋洗改良滨海盐渍土的潜力研究

通过室内土柱模拟试验,研究了不同矿化度咸水对砂壤质滨海盐碱土土壤入渗特征的影响,以及咸水淋洗土壤水盐变化规律和节水潜力。研究结果表明,高矿化度咸水略微降低土壤入渗性能,但当淋洗水矿化度高于15.61g/L时,土壤入渗性能不再继续降低;不同矿化度水处理淋出液矿化度都经历快速下降、较快下降、缓慢下降3个阶段,土壤盐分随咸水淋洗水量的增加先上升,再经历急剧下降、快速下降、缓慢下降,土壤经咸水淋洗后盐分含量明显下降;根据水盐平衡预估咸水淋洗具有较高的节水潜力,5.35g/L和10.36g/L的咸水淋洗节水潜力分别约为48.08%,38.46%,海水淋洗节水潜力最小,约为24.04%。     

土壤初始含水量对微咸水入渗特征影响

由于淡水资源短缺,微咸水开发利用成为缓减农业水资源短缺的重要措施。但由于微咸水中含有各种盐分离子影响土壤人渗特征,并对不同土壤初始含水量会表现出不同影响程度。本文进行了不同初始含水量条件下微咸水人渗试验．结果表明在低含水量情况下,土壤累积人渗量随着含水量增加而增加,但在高含水量表现不很明显。同时利用Green—Ampt人渗公式对实验资料进行分析,发现随着含水量增加土壤饱和导水能力增加,而湿润锋处吸力减少,与利用饱和导水能力测定结果相一致。     

咸水结冰灌溉与覆膜对滨海盐土水盐动态的影响

通过大田试验,研究了冬季咸水结冰灌溉及覆膜对天津滨海盐碱地水盐运移的影响,以期揭示从结冰融化到雨季之前植物萌发生长关键时期的水盐变化。结果表明,咸水结冰灌溉能降低根层土壤含盐量,增加土壤含水量,且灌溉水量越大效果越明显,但春季大风干燥天气,使土壤水分快速蒸发,土壤表层迅速积盐,5月份之后不同处理间差异已经不显著;覆膜能够有效抑制水分蒸发和表层盐分的累积,T4和T5含水量分别比CK和T2高出10.04%和16.51%,表层电导率分别低38.63%和36.82%(4月7日);同时,结冰灌溉和覆膜也提高了土壤pH值,且与对照之间差异达到显著水平。因此,结冰灌溉配合覆膜可以有效降低水分损失,维持土壤低盐水平,为早期植物萌发生长提供有利条件,但同时也应注意因此而带来的土壤碱化问题。     

基于差异化光谱指数的盐渍土水分含量预测——以滨海盐土为例

以滨海盐土为研究对象,通过添加不同浓度的盐溶液并模拟蒸发过程,获取不同含水、含盐量的土壤样品,并测定土壤光谱和土壤含水量,分别运用光谱指数法和偏最小二乘回归法(PLSR)对土壤含水量进行预测。结果表明：由2027 nm和1878 nm构建的土壤水分差异化光谱指数(NDMI2027,1878)是预测土壤水分的最优指数,且适用于任何等级的盐渍化土壤,其建模集和验证集的预测结果均优于PLSR方法,验证集R2达0.99,RMSE仅为21.84 g/kg,可比较准确地预测盐渍化土壤的含水量。     

冬季覆海冰对台田盐渍土壤水分和盐分的影响

在渤海湾滨海地区,以台田修建技术为基础,将冬季海水(或咸水)冻结而形成较低盐度的海冰(或咸水冰)覆盖至台田土壤表面。研究覆冰的融化过程中台田土壤水分和盐分的时空变化。结果表明:随着覆冰融化,大量的冰融水进入土壤,台田不同土层土壤的含水量得到增加,尤其是表层土壤。当覆冰完全融化,气温的上升,台田0-20cm土壤含水量迅速降低,而深层土壤的含水量趋于稳定。在覆冰完全融化前(3月8日),0-20cm和20-40cm土壤含盐量较初始值分别降低了70%和22.22%;而其它层土壤含盐量轻微地增加。覆冰完全融化后(3月14日),台田0-40cm层土壤含盐量继续降低,40cm以下土壤含盐量也降低了。后期,0-20cm层土壤含盐量趋于稳定,为1.5～2.0g/kg,脱盐率为80%～85%;20-40cm层土壤盐度为3.5g/kg,脱盐率为22.22%;台田40cm以下层土壤盐分和初值比没有变化。试验研究得出,利用台田修建技术+覆冰融化能够使台田耕层(0-40cm)土壤盐分降低,深层土壤盐分没有出现积累现象。