胡夢蛟 武珂 田云露 王雪妍 苗麗花

摘 要：根系在植物生長發(fā)育過程中扮演著十分重要的角色，根系研究是理解植物與土壤相互作用的重要基礎，對闡釋生態(tài)系統(tǒng)水力平衡以及營養(yǎng)循環(huán)意義重大。探地雷達具有傳統(tǒng)和其他物探方法無可比擬的優(yōu)勢。本文主要追溯探地雷達在根系應用方面最新研究成果和前沿科學問題，討論不同研究方法和相關試驗的優(yōu)缺點，展望該研究領域未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：探地雷達;植物根系;探測;介電常數(shù)

中圖分類號：TN959 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0011-05

Abstract： Root system plays a very important role in the process of plant growth and development. Root system research is an important basis for understanding the interaction between plant and soil， and is of great significance for explaining the hydraulic balance and nutrient cycle of ecosystem. Ground penetrating radar （GPR） has incomparable advantages over other geophysical methods. This paper mainly traced the latest research results and frontier scientific issues of ground penetrating radar in root application， discussed the advantages and disadvantages of different research methods and related experiments， and looked forward to the future development direction of this field.

Keywords： ground penetrating radar;plant root system;detection;dielectric constant

1 研究背景

根系作為植物重要的功能器官，不僅能從土壤中吸收水分和養(yǎng)分、固定植株，而且能通過呼吸和周轉消耗光合產物并向環(huán)境輸入有機質?？梢?，根系在植物生長發(fā)育過程中扮演著十分重要的角色。因此，探測根系，加強根系研究是了解植物與土壤相互作用的重要基礎，對闡釋生態(tài)系統(tǒng)水力平衡以及營養(yǎng)循環(huán)意義重大[1]。但是，由于樹根深處地下，難以直接觀測，使得自然條件下對根系的研究無論在廣度還是深度上均大大落后于地上部分。探地雷達是探測根系分布特征一種新的技術方法，與傳統(tǒng)探測方法（如挖根法、土鉆法、土壤剖面法）相比，具有以下幾方面優(yōu)勢：①可使用較少的時間在野外完成對地下根系統(tǒng)的探測[2];②探地雷達探測植物根系是在土壤表面進行，故探測時不擾動土壤，植物根系周圍的土壤始終維持在原始狀態(tài)，這對建立自然狀態(tài)下植物根系三維空間模型有很大幫助[2];③探測時不損壞植物;④可重復探測，便于在野外實驗時判斷該方法的準確性;⑤相比于其他探測方法，如X光掃描、電法檢測，探地雷達花費更小，靈活性更大，且可在野外大范圍檢測[3]。本文主要總結探地雷達在植物根系應用方面最新的研究成果和前沿科學問題，討論不同研究方法和相關試驗的優(yōu)缺點，并展望該研究領域未來的發(fā)展方向。

2 探地雷達的探測原理及方法

2.1 探地雷達及其原理

探地雷達是為淺層地下調查設計的沖擊雷達系統(tǒng)，其通過天線將電磁波的能量發(fā)射到地下，利用電磁波在地下介質電磁特性差異，產生不連續(xù)性的反射和散射實現(xiàn)淺層成像、定位，進而定性、定量地辨別地下電磁特性變化，實現(xiàn)目標根系的探測，其具有快速、高分辨率、對目標的三維電磁特性敏感等優(yōu)點。

探地雷達系統(tǒng)主要由天線、主機和電腦（圖像軟件處理器）組成。探地雷達工作時，在雷達主機控制下，脈沖源產生周期性的毫微秒信號并直接反饋給發(fā)射天線（T），經(jīng)由發(fā)射天線耦合到地下的信號在傳播途徑上遇到介質（根系和土壤等）的非均勻體（面）時，產生反射信號。位于地面上的接收天線（R）在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C，信號在接收機經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_主機，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C。在微機中，依照幅度大小對信號進行編碼，并以彩色電平圖/灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，經(jīng)事后處理，可用來判斷地下目標根系的深度、大小和方位等特異性參數(shù)[4]。

2.2 根系探測相關實驗與方法

目前，植物根系探測開展的相關實驗的測線以直線為主。與此同時，介電常數(shù)與含水量的緊密聯(lián)系又使得對土壤和根系含水量的測定成為每個實驗的重要組成部分。除了以上共同點外，不同研究的探測方法也因實驗人員的側重點不同而各有特點。

Dannoura等[5]將實驗場地中的原有土壤換成了粒徑小于6mm的砂質花崗巖土壤，然后將事先準備好的不同直徑的樹根與作為參照物的、含水率不同的木釘埋在50cm深的地方。探測結束后，所有樹根和參照木釘均被挖出以測定含水率，以便和雷達圖像比對。根據(jù)實驗結果，Dannoura等[5]認為，高振幅范圍和動態(tài)范圍內的像素數(shù)量與根系的直徑相關性較好，比時間間隔更可靠。此外，土壤含水率與根系含水率的差異在根系探測中是較為關鍵的參數(shù)。

Hirano等[6]的實驗則是選取一塊正方形場地，并在其中按一定間隔劃出17個平行剖面。實驗對象為在該實驗場地周圍自然分布的6棵植物。在探測完成后，場地內的829個根系全部被挖出，其中56個作為樣本測定含水率。同時，實驗場地中的土壤在水平和垂直方向上被等間隔取樣以測定土壤含水量。隨后，Hirano等對雷達圖像中明顯的根以及實際挖出的根系進行生物有機質估算。結果見表1。

根據(jù)實驗結果，Hirano等[6]得出結論：探地雷達方法可以估算出68%的被挖出的生物有機質，而直徑小于1cm的根無法被精確地探測出來。

此外，Hirano等[7]還設計了4個實驗，分別測試可被雷達探測的最小根系直徑、含水量的影響以及水平、垂直分辨率。Hirano等認為，水平或垂直距離小于20cm的兩個樹根無法被900MHz的雷達分辨出來。同時，在30cm的深度范圍內，直徑為19mm以上的樹根可以被900MHz的雷達探測到。如果樹根直徑為26mm，深度范圍可以擴大到80cm。

Cui等[8]的實驗設計方案與上述方案相比更進一步。其將采集的樹根按直徑分成6個等級，每個等級有12個樹根。然后，在實驗場地挖兩個相同的長方體溝槽，并在兩壁上分別鉆6個孔。6個孔之間的水平距離為60cm，每個孔到地面的垂直距離從10cm到80cm依次增加。每一次實驗都會選兩個級別的根，把處于同一級別的6個根插入同一側溝槽的墻壁上。埋上土后用探地雷達探測。隨后把先前的根挖出，代之以另外兩組根。Cui等[8]為了更精確地得出信號能量衰減和速度變化規(guī)律，提出了一個新的方法，即在實驗區(qū)域通過對已知金屬反射物的探測了解該地區(qū)信號衰減規(guī)律和速度變化，并以此指導實驗資料的處理與解釋;A19利用模擬器GprMax對探地雷達信號進行正演模擬并建立起一套模擬方案，用以對原位實驗的指導?？傊?，一系列研究都證明了探地雷達探測植物根系的可行性，并體現(xiàn)出探地雷達無損、簡便的巨大優(yōu)勢。

3 土壤和根系模型

土壤和根系介電常數(shù)的差異很大程度上決定了探地雷達能否有效地探測出根系，能否精確地提供根系埋深、直徑、地下分布情況等信息，以及能否幫助人們更準確地估算根系的生物有機質。然而，由于介電常數(shù)受多種潛在因素的影響（如土壤的含水率、孔隙度、粒徑級配），而土壤和根系又是由多種物質組成的，因此，建立有效的、能準確反映多種因素對土壤和根系介電常數(shù)影響的介電常數(shù)模型就顯得至關重要。

3.1 根系介電常數(shù)模型

目前，有3種常見的根系介電常數(shù)模型，即Power Law Model、MG Model和PS Model。這些模型都基于混合理論的假設，即固定形狀的填充物分散在一種環(huán)境狀態(tài)中，亦即主體和基質。在木質有機質中，空氣就是主體，而固溶體、水則是填充物或基質[9]。

3.2 根系電導率模型

3.4 土壤電導率模型

4 存在的問題

雖然目前使用探地雷達探測根系的相關研究取得了一定的進步，但這些研究也不可避免地存在諸多問題。

4.1 多數(shù)實驗沒有考慮探地雷達測線與根系交角的問題

探地雷達圖像反映的是根系沿探地雷達探測方向上的斷面信息。只有探地雷達測線與根系延伸方向正交時，圖像所反映的斷面才是真實的。由于根系的延伸方向相互之間差別很大，采用直線測線必然會導致多數(shù)根系的斷面在雷達圖像上發(fā)生畸變（一般來說，圖像上的斷面比實際斷面面積更大），進而導致錯誤的解讀。雖然部分實驗（如Dannoura等[5]、Hirano等[7]）通過將挖出的根系分割成段，保證了探地雷達測線與根系的正交，但這只是對上述問題的一種回避，如果想要實現(xiàn)探地雷達在自然條件下對根系的精確探測，盡可能減少甚至消除根系延伸方向與測線方向非正交所帶來的誤差是必須要解決的一個重要問題。

4.2 模型不準確

雖然目前有很多實驗證明了根系和土體介電常數(shù)模型的有效性，但這些模型仍然有不足之處。在這些模型中，多數(shù)只考慮了含水量對介電常數(shù)的影響，而其他潛在的影響因素如溫度、土壤粒徑級配等則沒有被考慮在內。除此之外，根據(jù)Paz等[9]的實驗結論，在含水量較高或較低時，三種植物介電常數(shù)混合模型都不可避免地出現(xiàn)高估或低估部分數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，說明現(xiàn)行的集中模型仍有改進的空間。

4.3 數(shù)據(jù)處理方法不統(tǒng)一

多數(shù)實驗數(shù)據(jù)的處理包括背景去除、濾波、偏移、速度分析等。不過，不同研究人員所采用的數(shù)據(jù)處理步驟差異較大。某一個被某個實驗應用的處理步驟可能在另一個實驗中被省略。這種現(xiàn)象會導致兩個結果：①無法保證數(shù)據(jù)的質量達到最優(yōu);②由數(shù)據(jù)處理步驟不同導致的數(shù)據(jù)成果的質量差異為不同實驗人員相互借鑒實驗結果和結論帶來困難。例如，很多實驗沒有對探地雷達信號的能量衰減進行補償，這會導致較深部的根系難以被發(fā)現(xiàn)。不過，Cui等[8]考慮了信號隨傳播距離的增大而產生的指數(shù)衰減，并對此進行了補償，取得了良好的效果。

5 結論及建議

5.1 結論

從探地雷達首次被應用于根系探測至今，相關研究取得了巨大的進步。多種預測根系和土體介電常數(shù)的模型（如MG模型、PS模型、PowerLaw模型、Topp模型）紛紛被建立;各種與反射波有關的參數(shù)（如時間間隔、高振幅區(qū)域、門限區(qū)內的像素數(shù)量等）也從雷達圖像中被提取出來，用以建立參數(shù)與根系直徑的聯(lián)系;Hirano等[6]在現(xiàn)有理論基礎上，嘗試利用探地雷達圖像對植物根系有機質進行直接估算;Cui等[8]為了得到更精確的信號能量衰減和速度變化規(guī)律，提出了一個新的方法，即在實驗區(qū)域通過對已知金屬反射物的探測了解該地區(qū)信號衰減規(guī)律和速度變化，并以此指導實驗資料的處理與解釋;A19利用模擬器GprMax對探地雷達信號進行正演模擬，并建立起了一套模擬方案，用以對原位實驗進行指導。總之，一系列的研究都證明了探地雷達探測植物根系的可行性，并體現(xiàn)出探地雷達無損、簡便的巨大優(yōu)勢。

雖然相關研究取得了一定成果，但探地雷達在根系探測中的應用還有很多局限性。首先，從目前的實驗結果來看，只有直徑大于1cm的粗根才有可能被發(fā)現(xiàn)[14]。而無法探測直徑小于1cm的根系或者毛細根，這會給根系生物有機質含量的估算帶來很大誤差。其次，相關實驗的進行依賴于良好的場地條件：受制于探地雷達天線的結構，相關探測必須在相對平緩的地面上進行。地面上有些看似微小的凹凸也許就會使探地雷達天線在行進過程中產生顛簸，進而影響圖像質量。植物根系與土壤含水量的差異是探地雷達探測根系的關鍵，這使得只有在含水量較低的土壤或沙中，實驗才能取得比較好的結果。然而，在實際應用中，特別是氣候濕潤地區(qū)的山間叢林里，依賴平坦、干燥的場地條件的探地雷達很難有用武之地。此外，目前的探地雷達技術還不夠成熟。其中一個典型的例子就是無法解決分辨率與探測深度的矛盾。低頻天線可以探測較深的地下，但分辨率較低。相對地，高頻天線分辨率高，卻只能探測淺層地表。諸如此類的硬件技術的不完善給植物根系二維、三維結構的重建帶來很大困難。

5.2 建議

為了使探地雷達在根系探測中的應用得到進一步發(fā)展，在此，提出了一些對未來實驗的建議和展望。

5.2.1 豐富探測方式。如前面所說，目前相關實驗都是以直線探測為主，這就使多數(shù)根系與探測方向非正交。由于植物根系都是由一點向四周延伸，采用以植物為圓心的同心圓測線將會使根系斷面的畸變總體上減小。地質雷達探測根系示意圖如圖1所示。

5.2.2 發(fā)展并完善根系和土壤的介電常數(shù)模型。雖然多種模型已被提出，但這些模型或多或少存在誤差。設計實驗來完善已有模型或建立適用范圍更廣更精確的新模型也是研究此類問題的重要步驟。

5.2.3 改進探地雷達軟件、硬件技術。目前的探地雷達過于依賴理想的場地條件。未來的探地雷達天線要具有在復雜地形上工作的能力。與此同時，解決探測深度與分辨率的矛盾也尤為重要。與硬件的改進相對應，數(shù)據(jù)處理軟件也需要升級，特別是與新探測方法和新硬件相配套的三維處理模塊。

5.2.4 利用正演模擬器為實驗提供指導。原位實驗受制于人力、物力、財力，且實驗情況又特別多，如果對每種實驗情況都進行現(xiàn)場實驗，那么實驗成本將會相當高。因此，建立正演模型來預測、指導實驗正在受到越來越多的關注。這種方法成本低，并且實可根據(jù)研究重點設計實驗情景（如根系的直徑、根系之間的水平垂直間距、土壤條件）而不受客觀實際情況的約束。

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