基于電阻率成像的沙地土壤水分監(jiān)測(cè)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2019-12-16所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1191次

摘 要： 提要:土壤水分是影響干旱半干旱區(qū)植物生長(zhǎng)的主要因素，快速準(zhǔn)確、長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)可為干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。以烏蘭布和沙漠東北部灌木林地土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用多電極電阻儀對(duì)林地土壤電阻率進(jìn)行了測(cè)量，同步采取土樣

　　提要:土壤水分是影響干旱半干旱區(qū)植物生長(zhǎng)的主要因素，快速準(zhǔn)確、長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)土壤水分時(shí)空動(dòng)態(tài)可為干旱半干旱區(qū)植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。以烏蘭布和沙漠東北部灌木林地土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用多電極電阻儀對(duì)林地土壤電阻率進(jìn)行了測(cè)量，同步采取土樣用烘干法測(cè)定了土壤實(shí)際含水率，建立了2者之間的相關(guān)關(guān)系，并對(duì)剖面上土壤水分空間特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:1)土壤含水率(y)與土壤電阻率(x)之間為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.81，P<0.01)，可用冪函數(shù)y=88.68x-0.63表示。2)強(qiáng)降水之后，二維剖面上土壤水分整體呈增加趨勢(shì)。隨著雨后時(shí)間的延長(zhǎng)，1m以上土層的含水率由于受蒸發(fā)和植物蒸騰耗水而明顯降低，1m以下土層的含水率由于受上層水分入滲有增加趨勢(shì)，說明連續(xù)強(qiáng)降雨(81.2mm)能對(duì)1m以下土層的土壤水分進(jìn)行有效補(bǔ)給。3)多電極電阻率成像技術(shù)在野外能夠快速準(zhǔn)確，長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)土壤水分含量;且對(duì)地表擾動(dòng)小，實(shí)現(xiàn)了非破壞性測(cè)量;能夠提供尺度較大、分辨率較高的土壤水分二維分布圖像及水分入滲過程的圖像，是今后中等尺度上監(jiān)測(cè)土壤水分的一種新途徑。

　　關(guān)鍵詞:土壤水分;土壤電阻率;電阻率成像;烏蘭布和沙漠

　　沙地土壤水分狀況是氣候、植被、地形及土壤等條件的綜合反映[1];是植物生存、生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子[2，3]，影響植物種群組成與分布[4];是確定植被承載力、進(jìn)行沙地土壤水分管理的基礎(chǔ)[5]。研究沙地土壤水分動(dòng)態(tài)對(duì)植被恢復(fù)及實(shí)施荒漠化防治生態(tài)建設(shè)工程具有科學(xué)和實(shí)踐意義。

　　烏蘭布和沙漠地處干旱半干旱區(qū)過渡地帶，土壤水分是該區(qū)域植被恢復(fù)和沙地治理的最主要制約因素。因此，準(zhǔn)確的對(duì)區(qū)域土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，掌握區(qū)域土壤水時(shí)空動(dòng)態(tài)狀況，才能不失時(shí)機(jī)地采取相應(yīng)的技術(shù)措施來滿足植被對(duì)水分的需求，為植被恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

　　點(diǎn)尺度上測(cè)量土壤水分含量多采用烘干法[6-8]、中子儀法[9，10]、時(shí)域反射儀法[11，12]和水分傳感器法[13-15]。烘干法測(cè)定結(jié)果最準(zhǔn)確，但需要從野外采集大量的土樣，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力;中子儀法、時(shí)域反射儀法和水分傳感器法是當(dāng)前應(yīng)用較多的方法，但均需挖掘土壤剖面埋設(shè)管子、探頭，對(duì)土壤原始結(jié)構(gòu)有一定破壞，且監(jiān)測(cè)的土壤體積有限;隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，眾多學(xué)者將遙感技術(shù)應(yīng)用在土壤水分監(jiān)測(cè)上[16，17]，實(shí)現(xiàn)了土壤水分監(jiān)測(cè)從“點(diǎn)尺度”到“區(qū)域大尺度”的跨越。但其空間分辨率較低，且只能估測(cè)表層5～10cm深的土壤含水量;此外，遙感監(jiān)測(cè)過程中還受植被及微地形的影響。因此，尋找一種快速、簡(jiǎn)單、可靠而密集、適合中尺度范圍內(nèi)土壤含水量的測(cè)定方法十分有必要。近年來，國內(nèi)外的研究者將探地雷達(dá)技術(shù)(Groundpenetratingradar，GPR)[18-20]和電阻率成像技術(shù)(Electricalresistivityimaging，ERI或Electricalresistivitytomography，ERT)應(yīng)用到了土壤水分監(jiān)測(cè)上。其中，國外用ERT技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤水分的研究相對(duì)較多[21-26]，而國內(nèi)的研究則相對(duì)較少[27-32]，尤其是對(duì)沙區(qū)土壤水分監(jiān)測(cè)的研究更少[27]。基于此，以烏蘭布和沙漠東北部人工固沙灌木林地土壤為研究對(duì)象，應(yīng)用ERT技術(shù)定位測(cè)量了雨后不同時(shí)間段林內(nèi)土壤的電阻率，并通過剖面不同深度的土壤取樣，用烘干法測(cè)量了土壤含水率，初步建立了土壤電阻率與含水率之間的相關(guān)關(guān)系，并查明了雨后不同時(shí)間段土壤水分的動(dòng)態(tài)變化特征。

　　1試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

　　1.1研究區(qū)概況

　　研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部，行政區(qū)劃隸屬于內(nèi)蒙古磴口縣。該區(qū)域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍珊瞪儆辏舭l(fā)量大，降水季節(jié)分配不均，年均氣溫7.8℃，年均大氣相對(duì)濕度47%，年均降水量140.3mm，降水集中于6-9月，年均潛在蒸發(fā)量2380.6mm。土壤以風(fēng)沙土為主。天然植被多為荒漠植被和鹽生植被，如霸王(Zygophyllumxanthoxylom(Bunge.)Maxim.)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus(Maxim.ExKom.)Chengf.)、白刺(NitrariatangutorumBobrov.)、油蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)、霧冰藜(Bassiadasyphylla(Fisch.etMey.)O.Kuntze)、堿蓬(Suaedaglauca(Bunge)Bunge)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、沙米(Agriophyllumsqurrosum(L.)Moq.)等。人工植被以楊樹(PopulusL.)、梭梭(Haloxylonammodendron(C.A.Mey.)Bunge.)、花棒(HedysarumscopariumFisch.etC.A.Mey.)等為主。

　　試驗(yàn)地為綠洲外圍地勢(shì)較平坦的花棒林，種植年限為30a，株行距為3m×4m。由于受土壤等環(huán)境因子的限制，部分植株已經(jīng)死亡，目前保留的植株長(zhǎng)勢(shì)較好，冠幅平均為2.5m×2.5m。林下天然植被生長(zhǎng)較好，蓋度約45%，以油蒿最多，白刺零星分布;此外，伴生有霧冰藜、藍(lán)刺頭(Echinopssphaerocephalus)等草本植物。

　　1.2試驗(yàn)材料及方法

　　選用多電極電阻儀測(cè)量土壤電阻率，儀器型號(hào)為SYSCALKIDSWITCH-24(IRISinstruments公司，AvenueBuffon，B.P.6007-45060OrleansCedex2，F(xiàn)rance)，包括1臺(tái)主機(jī)，24根電極和2條多接口的纜線，實(shí)地測(cè)量時(shí)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置不同的電極間距和測(cè)量層次(圖1)。

　　電阻儀測(cè)量時(shí)土壤剖面上測(cè)點(diǎn)的分布情況以及二維反演后測(cè)點(diǎn)分布情況(圖2)。本試驗(yàn)中電極間距設(shè)置為0.5m，測(cè)量層次為7層，采用垂直剖面測(cè)量相對(duì)比較穩(wěn)定的溫納(Wenner)陣列。從圖2中可以清楚地看出，實(shí)際測(cè)量所獲取的土壤剖面上測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為84個(gè)，從上到下(1～7層)每層的測(cè)點(diǎn)分別為21、18、15、12、9、6、3個(gè);測(cè)量深度分別是0.25、0.51、0.76、1.02、1.28、1.54、1.79m。經(jīng)過Res2DInvver3.4軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演插值后為120個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，從上到下(1～8層)每層的測(cè)點(diǎn)數(shù)分別為21、21、19、17、15、11、9、7個(gè)，深度分別是0.09、0.29、0.51、0.75、1.01、1.30、1.61、1.96m。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用高密度電法處理軟件(Res2DInvver3.4)進(jìn)行反演處理。每次測(cè)量后，在每根電極的位置插入有編號(hào)的細(xì)鐵絲作為標(biāo)記，保證下次測(cè)量都在同一位置。

　　土壤電阻率測(cè)量完后，在測(cè)線上選擇3個(gè)采樣點(diǎn)，用直徑3cm的土鉆采取土樣。采樣深度跟電阻儀測(cè)量后反演測(cè)點(diǎn)的位置相對(duì)應(yīng)，分別為10、30、50、75、100cm。圖2中3條紅線為測(cè)量過程中選擇的3個(gè)土壤取樣剖面，分別為第8～9電極之間(水平位置3.25m處)、第12～13電極之間(水平位置5.75m處)和第16～17電極之間(水平位置7.75m處)。采集的土樣用密封袋收集，帶回實(shí)驗(yàn)室用烘干法測(cè)量含水率，將3個(gè)剖面上同一層次的土壤含水率進(jìn)行平均。鉆取土樣后對(duì)取樣孔洞進(jìn)行填土并踩實(shí)，以減小對(duì)后續(xù)測(cè)量結(jié)果的影響。

　　本試驗(yàn)的測(cè)量時(shí)段為2016年8月19日-10月12日(圖3)。8月17日、18日有兩次較大的降水事件，降水后，8月19日第1次測(cè)量(記為CL1)，9月2日(15日以后)第2次測(cè)量(記為CL2)，10月12日(55日以后)第3次測(cè)量(記為CL3)，CL2和CL3之間沒有大的降雨事件。

　　1.3數(shù)據(jù)處理與分析

　　應(yīng)用Res2DInvver3.4軟件對(duì)土壤電阻率數(shù)據(jù)反演，Office2010軟件整理土壤電阻率與含水率數(shù)據(jù)并作圖，SAS9.0軟件進(jìn)行回歸關(guān)系的顯著性檢驗(yàn)，Surfer8.0軟件繪制土壤電阻率和土壤含水率空間格局圖。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同時(shí)期土壤不同深度的電阻率特征

　　從土壤采樣剖面上電阻率均值隨采樣深度的變化趨勢(shì)可以(圖4)看出，CL1的土壤電阻率整體最小，11.82～125.56Ω·m;CL3的值最大，25.65～583.97Ω·m;CL2的值居中，13.69～341.84Ω·m。3個(gè)不同時(shí)期的土壤電阻率整體上均表現(xiàn)為深層土壤電阻率顯著小于淺層電阻率，從上到下的變化趨勢(shì)均可用線性方程y=-ax+b來表示，且均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但決定系數(shù)有一定差距(R2分別為0.45、0.99、0.94)，CL2的相關(guān)性明顯高于CL1和CL3。此外，CL1的電阻率值在75cm處出現(xiàn)了極大值，125.56Ω·m。

　　2.2不同時(shí)期土壤不同深度的含水率特征

　　圖5顯示，3個(gè)不同時(shí)期100cm處的土壤含水率極顯著高于其它4個(gè)層次，CL2和CL3的土壤含水率在剖面上(0～100cm)表現(xiàn)為從上到下增加的趨勢(shì)，0～50cm內(nèi)增加趨勢(shì)不顯著，50cm以下增加趨勢(shì)顯著。CL1同其它兩個(gè)時(shí)期存在明顯的區(qū)別，土壤含水率在75cm處存在折點(diǎn)，達(dá)到最低值(3.0%)。此外，CL1的土壤含水率0～50cm高于CL2和CL3，而50～100cm低于CL2和CL3，尤其是75cm處。

　　2.3土壤電阻率與土壤含水率的關(guān)系

　　對(duì)野外測(cè)量的土壤電阻率數(shù)據(jù)和室內(nèi)烘干法所獲取的土壤含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)關(guān)系分析，并建立最優(yōu)回歸模型(圖6)。從圖中可以看出，土壤電阻率與土壤含水率之間為反比例關(guān)系，可以用冪函數(shù)y=axb來表示，y為土壤含水率(%)，x為土壤電阻率(Ω·m)。經(jīng)SAS9.0軟件對(duì)模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該回歸模型達(dá)到了極顯著水平(R2=0.81，P<0.01，N=45)。

　　2.4不同測(cè)量時(shí)期土壤二維剖面含水率特征

　　圖6土壤電阻率與土壤含水率的關(guān)系Figure6Therelationshipbetweensoilresistivityandsoilmoisturecontent通過土壤電阻率與土壤含水率之間的關(guān)系，計(jì)算了土壤二維剖面上的含水率值，并繪制出土壤水分含量的二維剖面圖(圖7)。從圖中可以清楚地看出3個(gè)不同測(cè)量時(shí)期土壤水分的空間分布狀況。CL1的土壤水分表現(xiàn)為1m以下土壤層高于上層，下層土壤含水量比較穩(wěn)定，空間變異性較小，而上層土壤水分空間變異性較大，表現(xiàn)為多斑塊狀分布。CL2同樣表現(xiàn)為下層高于上層，上層土壤的含水量比較均一，分層明顯，但是水分含量低于CL1，而下層土壤含水量高于CL1，分布不均，形成了水分聚積的高值區(qū)域。CL3上層部分土壤含水量明顯低于CL1和CL2，但是上層土壤水分分布均一，而下層土壤含水量正好與之相反，且出現(xiàn)了一個(gè)明顯的高值斑塊區(qū)域。

　　3討論與結(jié)論

　　3.1土壤電阻率與土壤含水率的相關(guān)關(guān)系

　　當(dāng)前，眾多關(guān)于土壤電阻率與土壤含水率關(guān)系的研究結(jié)果中，對(duì)兩者進(jìn)行最優(yōu)擬合的模型主要有線性模型、指數(shù)模型和冪函數(shù)模型。如，岳寧等基于高密度電法對(duì)黃土高原玉米地的土壤水分進(jìn)行了雨前與雨后的連續(xù)監(jiān)測(cè)，認(rèn)為黃土高原玉米地的土壤體積含水量與土壤電阻率之間為極顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.68～0.86)[32];Nijland等在法國南部不同土壤類型樣地所開展的研究表明，土壤電阻率與土壤體積含水量之間為冪函數(shù)關(guān)系(R2=0.83)[25];Celano等在意大利南部?jī)煞N不同經(jīng)營(yíng)模式人工橄欖園開展的土壤水分監(jiān)測(cè)研究結(jié)果表明，土壤電阻率與土壤體積含水量之間也為冪函數(shù)關(guān)系(R=0.87)[26];張虎元等利基于高密度電阻率法對(duì)鹽漬土含水率的測(cè)定得到同樣的結(jié)果，即土壤電阻率與土壤含水率為冪函數(shù)關(guān)系(R=0.98)[29];段旭等人在六盤山地區(qū)的研究結(jié)果顯示草地坡面和刺槐林坡面的土壤體積含水率與電阻率之間均為指數(shù)函數(shù)關(guān)系(R2=0.78，0.64)[30，31]。本研究中，土壤含水率與土壤電阻率之間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，即土壤水分含量較低的地方土壤電阻率值較高，反之，亦然(圖6)。土壤含水率與土壤電阻率之間的相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)y=88.68x-0.63來表示，且達(dá)到了極顯著水平(R2=0.81，P<0.01)。本研究結(jié)果與上述國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果類似，只是最優(yōu)擬合模型中系數(shù)(a，b)、決定系數(shù)(R2)及顯著水平(P)有所差異，這主要可能是因?yàn)椴煌芯空叩难芯繀^(qū)域不同，土壤類型不同，土地利用類型不同所導(dǎo)致。

　　沙區(qū)灌木林地土壤電阻率隨著土壤含水率增大而顯著降低(R2=0.81，P<0.01)，說明利用土壤電阻儀的測(cè)定值來計(jì)算土壤含水率是可行的，且電阻率成像技術(shù)具有微擾動(dòng)原位監(jiān)測(cè);多尺度(水平和垂直)同步監(jiān)測(cè);可重復(fù)連續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。因此認(rèn)為，高密度電阻率成像技術(shù)可以成為今后定量、非破壞性監(jiān)測(cè)沙地土壤水分的一個(gè)技術(shù)途徑。

　　相關(guān)期刊推薦：《干旱區(qū)資源與環(huán)境》Journal of Arid Land Resources and Environment(月刊)1987年創(chuàng)刊，是綜合性學(xué)術(shù)刊物。主管單位：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，主辦單位：中國自然資源學(xué)會(huì)干旱半干旱地區(qū)研究委員會(huì);內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)。特點(diǎn)是綜合性強(qiáng)、審稿快、發(fā)文量大，凡研究干旱半干旱甚至季節(jié)性干旱區(qū)的論文，研究干旱半干旱問題及防治技術(shù)的論文，特別是綠洲建設(shè)的論文，不論屬于社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域或者自然科學(xué)領(lǐng)域均可刊用;每年刊載論文440篇左右;網(wǎng)上投稿4周左右即可收到反饋意見，最多兩個(gè)月即可收到審稿結(jié)果;不收審稿費(fèi)，有利于年輕學(xué)子投稿。有投稿的，可以咨詢期刊天空在線編輯聯(lián)系。

　　3.2沙地土壤含水率時(shí)空動(dòng)態(tài)特征

　　土壤含水量在較大的降水事件后，隨著時(shí)間延長(zhǎng)在剖面上有著明顯的變化過程。具體表現(xiàn)為:1m以上的土壤層有明顯的從“濕”到“干”的變化過程，而1m以下的土壤層存在明顯變濕的過程，土壤含水率由15%左右增加至約20%，部分區(qū)域增加至26%(圖7)，研究結(jié)果與岳寧等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致[32]。3次測(cè)量結(jié)果顯示，土壤含水率在1m附近均有明顯的分界，通過現(xiàn)場(chǎng)挖掘剖面發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)地垂直深度1m處存在一層黏質(zhì)土壤，對(duì)上層水分下滲和對(duì)下層水分向上運(yùn)輸均存在一定阻隔作用。因此降雨后土壤水在該層次有聚集現(xiàn)象，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該層次的水分也會(huì)逐漸慢慢下滲，進(jìn)而使下層水分含量明顯增加，這同Nijland等的監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致[25]。沙地土壤保水性較差，降水后土壤水分會(huì)很快下滲，上層的土壤含水量開始逐漸減少。土壤水入滲過程中，受土壤質(zhì)地變異性、入滲的非均勻性、植物根部對(duì)土壤水分的吸收等因素影響，導(dǎo)致入滲速度不一致而出現(xiàn)不同的斑塊狀分布區(qū)域[26，32]。

　　試驗(yàn)期間，氣溫處于較高時(shí)期(日均溫24.27℃)，蒸發(fā)量較強(qiáng)烈(日均蒸發(fā)量6.52mm)(圖3)，植物生長(zhǎng)也尚處于旺盛時(shí)期，蒸騰作用較強(qiáng)。1m以上的土壤水分由于受土壤蒸發(fā)和植物吸收利用，其含量進(jìn)一步降低，尤其是0.5m以上土壤層更為明顯。這與Celano等所得的結(jié)論一致，橄欖園的土壤水分在長(zhǎng)期沒有得到降雨補(bǔ)給下，0～0.6m(草本植物根系的最大深度)土壤水分消耗特別明顯[26]。降雨后的第55d(CL3)，由于長(zhǎng)時(shí)間沒有得到有效降水補(bǔ)給，表層水分已降至2%左右，而且還出現(xiàn)兩個(gè)極低值區(qū)域，而恰恰這兩個(gè)位置正是兩叢花棒植株生長(zhǎng)的位置。

　　本研究應(yīng)用高密度電阻率成像技術(shù)對(duì)沙地土壤水分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并建立了土壤電阻率與土壤含水率之間的關(guān)系模型，進(jìn)而推算了整個(gè)二維剖面上的土壤含水率，研究結(jié)果符合實(shí)際情況，且研究結(jié)果與前人研究相一致，因此認(rèn)為該技術(shù)可為今后土壤水分的中尺度監(jiān)測(cè)提供可行的方法。

　　但是，本研究還存在一定的不足，需在今后的研究中加強(qiáng)與彌補(bǔ)。一是試驗(yàn)時(shí)間比較短，缺乏對(duì)灌木林地不同季節(jié)土壤含水量的測(cè)量與對(duì)比分析，后續(xù)的試驗(yàn)需延長(zhǎng)試驗(yàn)周期，對(duì)植物生長(zhǎng)周期內(nèi)不同時(shí)期的土壤水分進(jìn)行測(cè)量;二是本試驗(yàn)選擇的電極間距為0.5m，僅測(cè)量了垂直深度0～2m范圍內(nèi)的土壤含水量，后續(xù)的試驗(yàn)還應(yīng)該增大電極間距，以獲取更深層次的土壤水分含量。

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