曹 棋 宋效東 楊順華 吳華勇 張甘霖?

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

第四紀(jì)網(wǎng)紋紅土（Plinthitic red earth，PRE）作為紅壤關(guān)鍵帶的重要組成部分，一般認(rèn)為形成于距今0.85～0.40 Ma［1］，是南方紅壤普遍出現(xiàn)的下伏層次，也是第四紀(jì)環(huán)境研究的最佳信息載體［2］。網(wǎng)紋紅土經(jīng)歷了強(qiáng)烈的風(fēng)化成土和網(wǎng)紋化過(guò)程，質(zhì)地黏重，孔隙形態(tài)以窄縫狀為主，雨季降水不易下滲，地表徑流常引起坡面沖刷，致使土層變薄，水土流失嚴(yán)重［3-6］。同時(shí)，網(wǎng)紋紅土含有較多明顯可見的白色網(wǎng)紋和紅色基質(zhì)，其所承載的生物信息明顯不同，這對(duì)第四紀(jì)環(huán)境研究具有重要意義［7］。網(wǎng)紋紅土層的存在影響著區(qū)域的水分循環(huán)和微生物群落的分布，主要表現(xiàn)為土壤剖面上的水分和微生物垂直分布特征。然而，以往有關(guān)網(wǎng)紋紅土的研究多側(cè)重土壤理化性質(zhì)、地磁特征等方面，對(duì)于網(wǎng)紋紅土的層次識(shí)別及分布情況的研究相對(duì)較少。此外，紅壤各層次之間變化差異不明顯，識(shí)別較為困難，傳統(tǒng)的剖面挖掘和鉆井勘探對(duì)土體具有破壞性，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)法判別水平方向的變異，很大程度上影響了調(diào)查的范圍和深度。因此，亟需一種快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的方法來(lái)研究紅壤地區(qū)網(wǎng)紋紅土層的分布情況。

探地雷達(dá)（ground-penetrating radar，GPR）是一種成熟且應(yīng)用廣泛的淺表層地球物理測(cè)量方法，該技術(shù)從19世紀(jì)70年代后期開始逐步應(yīng)用于土壤學(xué)研究［8-10］，如公路下面土壤層次信息探測(cè)［11］、 森林凍土層厚度及季節(jié)性變化研究［12］、基于探地雷達(dá)圖像的土壤層次與礫石含量解譯［13］、GPR與ERI技術(shù)相結(jié)合的碳儲(chǔ)量估計(jì)［14］等。近年來(lái)，低頻探地雷達(dá)技術(shù)已成為地球關(guān)鍵帶科學(xué)研究的重要技術(shù)方案，能夠定量反演不同氣候帶、土地利用、地形條件下關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)的特征及不同母質(zhì)因素引起的差異［15］。關(guān)鍵帶各結(jié)構(gòu)層厚度與地下水深度的精準(zhǔn)估算，取決于如何確定電磁波在介質(zhì)中傳播速度。目前，許多研究采用目標(biāo)深度法來(lái)確定一個(gè)電磁波平均傳播速度［16-17］，從而根據(jù)電磁波的旅行時(shí)間確定目標(biāo)體深度，但是該方法的不確定性較大。共中心點(diǎn)法（CMP）雖然能較為準(zhǔn)確地計(jì)算電磁波傳播速度，但是土壤的復(fù)雜性與高信號(hào)衰減亟需更準(zhǔn)確的垂直維電磁波傳播速度模型。

鑒于此，本研究以紅壤丘陵區(qū)流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用共中心點(diǎn)法與剖面法相結(jié)合的方法對(duì)探地雷達(dá)圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，解譯獲得網(wǎng)紋紅土層深度，最后與鉆井及土壤含水量結(jié)果相互驗(yàn)證。相關(guān)結(jié)果有助于為流域內(nèi)水文、生態(tài)、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而服務(wù)于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省鷹潭市余江縣孫家流域，流域面積為50.5 hm2（圖1a）。流域內(nèi)的坡度大約為6°，海拔高度介于48.1～66.9 m。平均年降水量約1 789 mm，年平均氣溫和無(wú)霜期分別為17.6 ℃和258 d。研究區(qū)的母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土和紅砂巖。流域內(nèi)水田和旱地不同土層的性質(zhì)見表1，從均質(zhì)紅土層到風(fēng)化層，黏粒含量逐漸增加，砂粒含量逐漸減少。

圖1 研究區(qū)域測(cè)線示意圖（a）和所取巖芯的典型網(wǎng)紋紅土層（b）（從左到右為1～4 m巖芯）Fig. 1 Map of boreholes and GPR surveying lines location (a) and typical plinthitic red earth layer (b) of which drill cores were extracted

1.2 土樣采集與分析

在研究區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6個(gè)鉆井，鉆井深度至基巖，以期完全識(shí)別網(wǎng)紋紅土層。流域內(nèi)基巖深度在8～10 m內(nèi)，鉆井所取巖芯均可觀察到土壤的分層情況，從上至下依次為：黃棕色土層或均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋紅土層、風(fēng)化層、基巖。本文將在黃棕色土或均質(zhì)紅土層之下剛出現(xiàn)青灰色網(wǎng)紋發(fā)育的界面定義為網(wǎng)紋紅土層上邊界，網(wǎng)紋由稀疏→密集→稀疏，直至網(wǎng)紋逐漸消失，其下便是風(fēng)化層，這一界面則定義為網(wǎng)紋紅土層下邊界（圖1b）。大部分土壤固相的相對(duì)介電常數(shù)為4～9，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，然而水在20 ℃下相對(duì)介電常數(shù)為80。因此，非飽和土壤的相對(duì)介電常數(shù)主要依賴于土壤含水量。介電常數(shù)的變化會(huì)引起電磁波速度較大的變化。當(dāng)上下土層的土壤含水量差異大或者存在裂隙水時(shí)，由于電性差異大，雷達(dá)圖像上會(huì)形成強(qiáng)反射波。因此，土壤垂直剖面上的水分變化可以表示電性差異的變化，從而間接驗(yàn)證土壤層次的分布。

表1 不同土層的基本性質(zhì)Table 1 Basic soil properties relative to soil layer

由于鉆機(jī)取出的1 m內(nèi)土樣松散且破碎，本實(shí)驗(yàn)在鉆井旁開挖1.2 m深的土壤剖面進(jìn)行取樣。1.2 m以下土樣則在巖芯中采取。取樣方法為：0～1 m每隔10 cm取樣；1～5 m每隔20 cm取樣；5 m以下每隔50 cm取樣。樣品均裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定理化指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)采用烘干法（103～108 ℃，10 h）測(cè)定土壤含水量，所獲得數(shù)據(jù)均表示深度中值的含水量；激光粒度儀法測(cè)定土壤顆粒組成［18］。

采用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)基本描述特征分析，Origin 8.6進(jìn)行繪圖。

1.3 探地雷達(dá)測(cè)量與檢驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用的探測(cè)設(shè)備是瑞典Geoscanners公司AKULA-9000C地質(zhì)雷達(dá)，對(duì)六個(gè)鉆井進(jìn)行三種天線頻率探地雷達(dá)調(diào)查，測(cè)線長(zhǎng)度根據(jù)地形設(shè)定（圖1a）。實(shí)驗(yàn)采取了兩種測(cè)量方法：①剖面法。剖面法的測(cè)量結(jié)果可以用雷達(dá)旅行時(shí)間剖面表示，由此獲得土壤剖面結(jié)構(gòu)。對(duì)同一測(cè)線進(jìn)行200 MHz、120 MHz和60 MHz三種不同頻率天線的雷達(dá)測(cè)量，雷達(dá)天線均為收發(fā)一體式，采樣模式為距離觸發(fā)模式。②共中心點(diǎn)法。此方法應(yīng)用不同天線距的發(fā)射和接收天線對(duì)在同一測(cè)線進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，天線為兩個(gè)60 MHz收發(fā)分離式天線，采樣模式為點(diǎn)測(cè)，采樣間隔為5 cm。電磁波在紅壤中的傳播速度v根據(jù)式（1）得到：

式中，v為土層電磁波傳播速度，天線間距為x

1

時(shí)，t

1

為對(duì)應(yīng)的土層界面反射波雙程旅行時(shí)間；天線間距為x

2

時(shí)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t

2

。電磁波的傳播速度獲得后，便可根據(jù)式（2）求得深度：

式中，H為土層深度，t為電磁波到達(dá)各反射層的雙程旅行時(shí)間。

雷達(dá)數(shù)據(jù)使用“REFLEXW 8.5”軟件處理，處理步驟如下：（a）Dewow濾波，去除直流漂移；（b）靜校正，去除空氣波；（c）自動(dòng)增益，獲得深部信號(hào)；（d）背景去除，使得水平帶狀信號(hào)減弱；（e）1D帶通濾波，去除高頻和低頻噪聲；（f）滑動(dòng)平均。

垂直分辨率決定了探地雷達(dá)不同頻率天線分辨最小異常介質(zhì)的能力。通常，垂直分辨率約為所使用天線波長(zhǎng)的1/4。當(dāng)假定電磁波的平均速度為0.06 m·ns-1時(shí)，60 MHz、120 MHz、200 MHz天線的垂直分辨率分別為25 cm、12.5 cm和7.5 cm。由于電磁波在土壤中傳導(dǎo)受含水量的影響較大，當(dāng)土壤表面積水或土體含水量較多時(shí)，水分會(huì)對(duì)電磁波的傳播產(chǎn)生衰減作用，從而不利于電磁波的穿透［19］。因此，GPR測(cè)線實(shí)驗(yàn)于2018年1月旱季進(jìn)行。

2 結(jié) 果

2.1 鉆井分布及巖芯分層特征

本實(shí)驗(yàn)布設(shè)了六個(gè)鉆井點(diǎn)（表2），分別位于兩種不同的土地利用類型上：鉆井S1、S3位于流域內(nèi)的水田，相比較S3鉆井而言，S1鉆井有長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的耕作歷史，人為擾動(dòng)程度及淹水年限高于S3；鉆井S2、S4、S5、S6同為旱地。S1位于流域內(nèi)的最低點(diǎn)，海拔為50.8 m。然而，最高點(diǎn)S4的海拔為61.8 m。為了盡可能地記錄整段網(wǎng)紋紅土層，每個(gè)鉆井的深度均到達(dá)紅壤基巖面，S1～S6鉆井深度依次為6.0、8.2、8.5、1 0.4、7.1 和30 m。

表2 鉆井及典型探地雷達(dá)測(cè)線基本信息Table 2 Basic information of the boreholes and GPR surveying lines

2.2 水田鉆井探地雷達(dá)圖像解譯

探地雷達(dá)能夠探測(cè)到土壤與基巖的分界面，從而獲取土層厚度。然而，本實(shí)驗(yàn)更加關(guān)注土壤各層次間的探測(cè)，如紅壤地區(qū)網(wǎng)紋紅土層的上下界面。圖2a為鷹潭孫家流域老水田的自然景觀。1月正好是在水稻收獲之后，且排澇擱置數(shù)月，田內(nèi)無(wú)積水，不影響探地雷達(dá)的應(yīng)用。測(cè)線總長(zhǎng)16.2 m，在水平位置6.5 m處有一地質(zhì)鉆井S1，巖芯顯示該處地層剖面為：0～0.9 m為均質(zhì)紅土層；0.9～3.1 m為網(wǎng)紋紅土層；3.1～5.0 m為風(fēng)化層；5.0 m以下則為基巖。圖2b顯示，土壤含水量在土壤深度剖面上呈先減少后增大再減少的“S”型變化趨勢(shì)。S1鉆井平均土壤含水量為29.31%，0～0.9 m表層土壤含水量逐漸降低。在網(wǎng)紋紅土層內(nèi)，土壤含水量從上至下變化較大：網(wǎng)紋紅土層上界面土壤含水量為20.78%，到達(dá)下界面時(shí)，含水量逐漸增大至32.61%。同樣，3.1 m之后平均土壤含水量逐漸減小至16.97%，這是因?yàn)?.1 m后便是風(fēng)化層；5.0 m后是基巖，含水量降至7.42%，該深度土壤幾乎不透水。

圖2 S1鉆井自然景觀（a）和土壤含水量剖面圖（b）Fig. 2 Natural landscape of Borehole S1(a) and distribution of soil moisture content in the soil profile (b)

為了獲得電磁波在不同深度土壤中的傳播速度，本實(shí)驗(yàn)在S1、S3鉆井處分別進(jìn)行CMP探測(cè)。由CMP雷達(dá)剖面圖像（圖3）可知，隨著天線間距的逐漸增加，空氣波、地表波和反射波的旅行時(shí)間也隨之增加［20］。使用“REFLEXW 8.5”軟件進(jìn)行速度擬合便可以得到各深度的電磁波傳播速度。擬合得到的一維速度模型表示S1鉆井處電磁波傳播速度從1.12 m的0.056 m·ns-1至3.78 m處0.042 m·ns-1的轉(zhuǎn)變，S3鉆井處電磁波速度先從0.068 m·ns-1減少至0.053 m·ns-1，再增加至0.06 m·ns-1。

圖3 S1（a）和S3（b）鉆井CMP雷達(dá)剖面圖像和1D速度模型Fig. 3 CMP radar images of the profiles of boreholes S1 (a) and S3 (b) and 1D velocity model

同時(shí)，剖面法探測(cè)在水田同一測(cè)線上進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)利用60 MHz、120 MHz和200 MHz三種頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行探測(cè)，以期獲得不同深度的土壤剖面信息。圖4a為S1鉆井60 MHz探地雷達(dá)剖面圖：水平坐標(biāo)為測(cè)線距離；左側(cè)垂直坐標(biāo)為雷達(dá)波雙程旅行時(shí)間，表示雷達(dá)波從發(fā)射天線出發(fā)向下傳播經(jīng)過(guò)地下土壤然后反射回到接收天線所經(jīng)歷的時(shí)間；右側(cè)垂直坐標(biāo)為深度，該深度值由CMP獲得的速度和單程旅行時(shí)間計(jì)算得到。由圖4a可知，在170 ns處電磁波的振幅有明顯變化，可解譯為一個(gè)反射層面，這是網(wǎng)紋紅土層與風(fēng)化層之間存在著明顯的介電常數(shù)差異導(dǎo)致的。同時(shí)，65 ns處也顯示有連續(xù)的同相軸，該處為均質(zhì)紅土層與網(wǎng)紋紅土層的交界面。網(wǎng)紋紅土層的黏粒含量、含水量等均不同于均質(zhì)紅土層，因此在交界面處產(chǎn)生明顯的反射波。值得注意的是，60 MHz探地雷達(dá)圖像還能分辨出基巖界面和地下水位。雷達(dá)探測(cè)結(jié)果顯示，地下水的深度為8.4 m，這與實(shí)際情況非常符合。圖4b為S1處120 MHz非屏蔽天線雷達(dá)剖面解譯圖像，從電磁波振幅與頻率的變化中，可以清晰地發(fā)現(xiàn)網(wǎng)紋紅土層上、下界面的反射層特征分別在62 ns和170 ns處。這與60 MHz天線雷達(dá)圖像的解譯結(jié)果相同，但仍存在著一些差異。這是因?yàn)椴煌l率的天線，分辨率不一樣。200 MHz天線擁有7.5 cm的垂直分辨率，雷達(dá)能夠更清晰地分辨地層中的信息。從圖4c中觀察發(fā)現(xiàn)，在測(cè)線距離8.5 m和12 m處，有兩道雙曲線雜波，這是由根系引起的。在布置測(cè)線時(shí)應(yīng)盡量避免礫石和根系，產(chǎn)生的雜波會(huì)影響深層次的信號(hào)。同時(shí)，在60 ns左右處有連續(xù)的同相軸，這是網(wǎng)紋紅土層的上界面。該結(jié)果與60 MHz和120 MHz天線雷達(dá)圖像的結(jié)果一致，但更為清晰、準(zhǔn)確。從圖4e～圖4f可以發(fā)現(xiàn)，S3處雷達(dá)圖像在60 ns和160 ns附近出現(xiàn)明顯的連續(xù)強(qiáng)反射波。

圖4 S1、S3鉆井60 MHz（a、d）、120 MHz（b、e）和200 MHz（c、f）天線雷達(dá)剖面解譯圖像Fig. 4 GPR image-based interpretation of the profiles of borehole S1 and S3 with the radar working on 60 MHz (a & d), 120 MHz (b& e) and 200 MHz (c & f) respectively

2.3 旱地鉆井探地雷達(dá)圖像解譯

S5、S2鉆井不同于S1鉆井，土地利用類型為旱地，種植作物為花生。在雷達(dá)測(cè)試時(shí)期，花生已收獲，而且土地進(jìn)行翻耕，表層沒(méi)有雜草，有利于田間操作。在鉆井附近進(jìn)行了剖面法雷達(dá)測(cè)試，其中包含了60 MHz、120 MHz和200 MHz三種頻率的雷達(dá)天線。此外，CMP測(cè)試也同步進(jìn)行，用于估算電磁波在紅壤旱地中的傳播速度，并最終獲得一維速度模型。巖芯顯示S5鉆井處地層剖面為：0～1.4 m為均質(zhì)紅土層；1.4～4.1 m為網(wǎng)紋紅土層；4.1～7.1 m為風(fēng)化層。S5鉆井的平均土壤含水量為28.54%。土壤含水量在深度剖面上變化明顯，圖5b顯示0～1.4 m土壤含水量逐漸增加，這與水田S1鉆井土壤含水量的變化趨勢(shì)相反。在1.4 m之后土壤含水量逐漸增大，網(wǎng)紋紅土層內(nèi)土壤含水量平均值為29.1%；4.1 m之后為風(fēng)化層，土壤含水量降至23.52%。一維速度模型顯示電磁波傳播速度從表層的0.07 m·ns-1轉(zhuǎn)變至風(fēng)化層的0.051 m·ns-1。

由剖面法測(cè)線可知，S5鉆井處60 MHz雷達(dá)剖面在70 ns、170 ns、330 ns處有明顯的反射層信號(hào)，且同相軸在一條直線上。經(jīng)過(guò)時(shí)間深度函數(shù)轉(zhuǎn)換后所對(duì)應(yīng)的深度分別為1.65 m、4.8 m和8.4 m。200 MHz雷達(dá)天線用于精準(zhǔn)探測(cè)網(wǎng)紋紅土層的上邊界，圖7c顯示網(wǎng)紋紅土層的上邊界為75 ns，轉(zhuǎn)換后的深度為1.76 m。S2鉆井與S5鉆井基本情況相似，60 MHz雷達(dá)圖像顯示的網(wǎng)紋紅土層上下界面的深度分別為1.4 m和4.8 m（圖7d），上界面的探測(cè)效果較差，200 MHz雷達(dá)圖像則顯示上界面深度值在0.95 m附近，較符合實(shí)際情況。

圖5 S5鉆井自然景觀（a）和土壤含水量剖面圖（b）Fig. 5 Natural landscape of borehole S5 (a) and soil moisture content with depth (b)

圖6 S5（a）和S2（b）鉆井CMP雷達(dá)剖面圖像和1D速度模型Fig. 6 CMP radar images of the profiles of boreholes S5 (a) and S2 (b) and 1D velocity model

2.4 不同頻率的雷達(dá)解譯精度

研究表明60 MHz、120 MHz和200 MHz雷達(dá)天線的有效探測(cè)深度分別為9 m、4 m和2 m［21］。為了更加準(zhǔn)確地獲得網(wǎng)紋紅土層的厚度，本實(shí)驗(yàn)采用組合天線的方法，即使用200 MHz和60 MHz天線分別進(jìn)行探測(cè)，獲得網(wǎng)紋紅土層上、下界面的深度。本實(shí)驗(yàn)將六個(gè)鉆井所觀察到的網(wǎng)紋紅土層上、下界面的深度值與雷達(dá)探測(cè)值進(jìn)行線性擬合。其中，由于200 MHz天線雷達(dá)的采樣時(shí)窗設(shè)置為180 ns，部分測(cè)線無(wú)法識(shí)別網(wǎng)紋紅土層的下界面。因此，只將60 MHz（n=12）和120 MHz（n=11）天線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并與組合天線方法擬合的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

由圖8a可知，雖然120 MHz天線和60 MHz天線均可以識(shí)別出網(wǎng)紋紅土層的上下界面，但60 MHz雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果優(yōu)于120 MHz雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果。此外，組合天線方法擬合的方程斜率為0.99，R2為0.97，這表明組合天線方法探測(cè)的結(jié)果更接近于真實(shí)值。相比較于60 MHz和120 MHz單天線測(cè)量的方法，組合天線的方法使得網(wǎng)紋紅土層的深度探測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，將使用60 MHz天線和組合天線雷達(dá)探測(cè)獲得的網(wǎng)紋紅土層厚度值進(jìn)行線性擬合（圖8b），發(fā)現(xiàn)組合天線數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果（R2=0.94）優(yōu)于60 MHz天線數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果（R2=0.81）。組合天線雷達(dá)探測(cè)獲得網(wǎng)紋紅土層厚度的平均相對(duì)誤差為6.8%。

圖7 S5、S2鉆井60 MHz（a，d）、120 MHz（b，e）和200 MHz（c，f）天線雷達(dá)剖面解譯圖像Fig. 7 GPR image-based interpretation of the profiles of borehole S5 and S2 with the radar working on 60 MHz (a & d), 120 MHz (b& e) and 200 MHz (c & f)

圖8 不同雷達(dá)天線組合方法探測(cè)精度對(duì)比Fig. 8 Comparison between GPRs different in antenna combination in detection accuracy

3 討 論

探地雷達(dá)電磁波波速的求取包括已知目標(biāo)深度法、點(diǎn)源反射體法、層狀反射體法、共中心點(diǎn)法等。本研究采用共中心點(diǎn)法獲取電磁波在不同深度土壤的傳播速度。土壤含水量越大，介電常數(shù)越大，電磁波傳播速度越小，這與已有的大多研究一致［22-23］。探地雷達(dá)的電磁波傳播速度與土壤含水量、黏粒含量、鹽分含量等性質(zhì)密切相關(guān)。不同層次間的土壤含水量出現(xiàn)明顯的變化，電磁波傳播速度也隨之變化。土壤含水量在深度剖面上呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，大致表現(xiàn)為網(wǎng)紋紅土層內(nèi)逐漸遞增，至網(wǎng)紋紅土層下界面出現(xiàn)最大值，風(fēng)化層以下土壤含水量隨著深度增加不斷減?。▓D2b，圖6b）。在均質(zhì)紅土層內(nèi)，電磁波在旱地的傳播速度平均為0.07 m·ns-1，遠(yuǎn)大于電磁波在水田中的傳播速度，這可能與水田在均質(zhì)紅土層的土壤含水量高于旱地有關(guān)。電磁波在網(wǎng)紋紅土層的傳播速度在0.052 m·ns-1～0.065 m·ns-1之間，平均速度為0.058 m·ns-1。網(wǎng)紋紅土層的平均土壤含水量為28.95%，高于風(fēng)化層及基巖的平均含水量。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)上下土層之間的土壤含水量變化較大時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)差異明顯，導(dǎo)致電磁波傳播速度的變化，最終在雷達(dá)圖像上形成強(qiáng)反射波。土壤垂直剖面上的水分變化可以表示電性差異的變化，從而間接驗(yàn)證土壤層次的分布。然而，關(guān)于南方紅壤地區(qū)電磁波傳播速度與土壤黏粒含量、土壤含水量等性質(zhì)之間的定量關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

研究表明探地雷達(dá)天線頻率越低，探測(cè)深度越大，分辨率越低［24］。本研究采用三種頻率的雷達(dá)天線對(duì)同一測(cè)線進(jìn)行試驗(yàn)，表明200 MHz雷達(dá)天線的有效探測(cè)深度低于120 MHz和60 MHz天線的有效探測(cè)深度。使用200 MHz天線獲得的雷達(dá)剖面圖像能探測(cè)到網(wǎng)紋紅土層的上界面，部分鉆井下界面則超出了探測(cè)范圍。但是，200 MHz雷達(dá)天線的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)天線，不僅能夠發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)較大的根系或礫石，而且能夠準(zhǔn)確地觀測(cè)到同相軸的變化（圖4d，圖7d）。中心頻率為60 MHz的雷達(dá)天線能夠探測(cè)大約9 m深，能夠整體地反映紅壤的結(jié)構(gòu)，包括均質(zhì)紅土層、網(wǎng)紋紅土層、風(fēng)化層和基巖（圖4a，圖7a）。當(dāng)?shù)叵滤惠^低時(shí)，60 MHz天線雷達(dá)亦能探測(cè)至地下水位（圖4a）。

此外，大多數(shù)研究［12,25］僅使用單頻率天線雷達(dá)進(jìn)行厚度預(yù)測(cè)，然而本實(shí)驗(yàn)采取組合天線的方法對(duì)網(wǎng)紋紅土層進(jìn)行厚度預(yù)測(cè)，提高了探測(cè)的精度。網(wǎng)紋紅土層在垂直方向上通常較深，但120 MHz的有效探測(cè)深度大約為4 m，如若網(wǎng)紋紅土層下界面深度超過(guò)4 m，則120 MHz天線的探測(cè)精度大幅下降。單頻率天線的探測(cè)方法可能并不能滿足所有測(cè)線的探測(cè)要求。由圖8a可知，120 MHz天線的界面深度擬合結(jié)果R2為0.86，低于60 MHz與組合天線的擬合結(jié)果。組合天線的方法更適合于網(wǎng)紋紅土層的深度探測(cè)，能夠極大地提高探測(cè)準(zhǔn)確度，平均相對(duì)誤差由16.2%縮小至6.8%。綜上所述，利用200 MHz和60 MHz天線能夠較為準(zhǔn)確地獲得網(wǎng)紋紅土層上、下界面的深度，進(jìn)而識(shí)別網(wǎng)紋紅土層厚度。

4 結(jié) 論

由于紅壤各層次之間存在著介電常數(shù)差異，這使得探地雷達(dá)成為識(shí)別紅壤地區(qū)網(wǎng)紋紅土層的有效手段。通過(guò)探地雷達(dá)圖像與鉆井觀測(cè)、室內(nèi)含水量分析等多種數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以對(duì)網(wǎng)紋紅土層進(jìn)行快速、準(zhǔn)確識(shí)別。60 MHz和120 MHz天線均能夠較為準(zhǔn)確地劃分網(wǎng)紋紅土層上、下界面，確定網(wǎng)紋紅土的分布情況。但是由于雷達(dá)的探測(cè)深度與分辨率成反比，導(dǎo)致60 MHz和120 MHz天線對(duì)于均質(zhì)紅土層與網(wǎng)紋紅土層的交界面探測(cè)效果較200 MHz天線的效果差。同時(shí)，對(duì)于網(wǎng)紋紅土層深度的準(zhǔn)確估算，采用組合天線的方法，即200 MHz和60 MHz天線分別獲得網(wǎng)紋紅土層上、下界面的深度結(jié)果，要優(yōu)于60 MHz、120 MHz單天線方法。相比較于土壤剖面開挖、土鉆等傳統(tǒng)土層厚度調(diào)查，探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用將大大縮減野外工作量。如若能有效結(jié)合空間預(yù)測(cè)方法，將有力推進(jìn)土壤三維變異研究的發(fā)展。