土壤鹽漬化是干旱、半干旱地區主要的土地退化問題之一[1 -2],造成了農作物產量下降、區域生態環境改變.準確地獲取土壤鹽漬化鹽分信息,對于干旱區鹽漬土治理和利用,促進干旱區農業可持續發展具有重要意義[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.目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據的定量關系模型,目前用得較多的大地電導率儀,雖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,需要發展新的土壤鹽分探測技術和方法.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較多,目前在利用探地雷達進行土壤參數探測多是在一定控制條件下的試驗性研究[7].根據目前國內外土壤鹽漬化探測研究的現狀和存在的問題,針對具有一定深度的鹽漬化土壤,研究了如何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法.
1 研究區概況
研究區位于塔里木盆地的中北部,新疆阿克蘇地區渭干河-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,平均蒸發量 2 124 mm/年,平均降水量 52 mm/年,蒸降比約 40∶ 1.研究區以鹽巖、石膏為主體的鹽類沉積規模大,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 研究方法
目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達土壤成分組成情況,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:拉脫維亞雷達系統公司 zond-12e 探地雷達,使用 100 MHz 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50 MHz,用于實時測量土壤溫度、濕度和電導率.
根據多次實地調查結果,在研究區選擇鹽漬化狀況不同的區域建立了 5 個模型,對每個區域設定邊長30 m 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據采集時,首先沿著樣方的 4 條邊界和 2 條對角線,利用 100 MHz 屏蔽天線采用剖面法進行探測,并記錄各條測線的數據,然后,在樣方對角線交點處,即樣方中心點處進行定點探測,并把該點的測量數據作為代表每個樣方鹽漬化情況的樣本數據;探地雷達儀器系統記錄完中心點的數據后,對探測數據進行處理和判讀.
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,可以看出,鹽漬化土壤在100 MHz 探地雷達探測剖面上有明顯的分層,能被清晰辨識的分層情況的深度達到了近 3 m,淺的也達到了近 0. 8 m;這是目前星載遙感難以直接探測的深度,說明低頻探地雷達在鹽漬化土壤探測深度上具有較大的優勢.
利用探地雷達數據處理軟件系統,獲取每個剖面的位置和厚度情況,根據數據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 50 MHz 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據,將每層進行多次測量的數據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. 5 mm 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.
3 數據計算與結果分析
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.依據中華人民共和國水利部行業標準《土壤侵蝕分類分級標準》\\(SL 190-96\\),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的相關系數甚至達到了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 的兩者相關系數較低,相關性不顯著;此外,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大于其與土壤電導率的相關系數.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,說明探地雷達剖面圖中分層現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,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 R2都在 0. 95 以上,說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 R2分別為 0. 3896、0. 5958 和 0. 3498,說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,說明探地雷達可以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
研究表明,利用 100 MHz 天線的探地雷達能夠較好地辨別研究區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,或者說,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100 MHz 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,研究中只涉及到干旱區較嚴重鹽漬化土壤的含鹽量或電導率參數,沒有考慮土壤濕度參數.因此,本研究主要是基于數學統計方式給出了鹽漬化土壤層探測的一個可能性的方法,該方法的適用性和深層次的機理問題需要進一步研究.
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