基于探地雷达的沙地灌木根含水量探测研究

Root water content, a direct indicator of root activity, is essential for studying the Soil-Plant-Atmosphere Continuum (SPAC) and plant ecohydrological processes. Long-term investigation of root water content in sandy lands not only reflects root/soil interactions and water use efficiency (WUE) of shrubs but also reveals the adaptation of shrubs to water deficiency condition. However, limited by the traditional root investigation methods in field, quantitative and repeated studies in root water content are so far seriously insufficient. In this project, a noninvasive method for root water content estimation using ground-penetrating radar (GPR) has been established and validated upon carefully designed theoretical forward simulations and field controlled experiments. The effect of root depth and root orientation on root GPR signal is corrected, and root dry weight and fresh weight are estimated by GPR index, respectively. Root water content is then calculated from the estimated root dry weight and fresh weight. The established GPR method will be applied in the sandy lands of Northern China to characterize the seasonal dynamic of shrub root water content. Seasonal variation in environmental factors (such as soil moisture, temperature, and local precipitation) will also be measured to shed some light on the mechanism of such temporal trend in shrub root water content. This project provides a new method for noninvasive and repeated measurement of root water content under field settings, which enhances the noninvasive study of plant root. Findings in this project are of great scientific interest in understanding the ecohydrological processes in sandy lands, the prediction of shrub distribution under the context of global climate change, and the protection of the sandy land ecosystem in future.

根含水量是土壤-植物-大气连续体水分运移过程的重要组分，是建立植物生态水文模型的核心参数，同时也是定量表征根系活性的直接指标。对于沙地灌木根含水量的长期观测可以揭示灌木根系与土壤的交互作用，反映灌木的水分利用效率，解释灌木对干旱环境的适应机制。受传统根系调查方法的制约，植物根含水量的野外观测研究极为缺乏。本研究拟采用探地雷达技术，建立根含水量的非侵入性探测方法；在此基础上，将以中国北方沙地为研究区域，选择沙地常见灌木为研究对象，运用探地雷达开展沙地灌木根含水量的季节性调查；并结合环境因子的时空动态规律讨论灌木根含水量季节性格局的成因及其生态意义。本研究将为根含水量的野外长期观测提供方法，推进根系的非侵入性探测研究，对理解沙地生态水文过程，进而稳定和保护沙地生态系统具有重要科学意义。

根含水量是土壤-植物-大气连续体水分运移过程的重要组分，是建立植物生态水文模型的核心参数，同时也是定量表征根系活性的直接指标。受传统根系调查方法的制约，植物根含水量的野外观测研究极为缺乏。本研究探索了基于探地雷达的根系含水量探测方法。利用野外控制实验和计算机模拟实验，本研究建立了粗根含水量的两种反演模型。模型I：建立粗根雷达信号与粗根生物量和粗根含水量的最优多元回归模型，通过多次测量的数据，同时求解粗根生物量和粗根含水量；模型II：利用粗根探地雷达信号的强度信息和走时信息，分别反演粗根的鲜重和干重，进而计算获得粗根含水量。在验证两种方法有效性的同时，本研究比较了两种方法各自的优势和局限。为进一步提高根含水量的探测精度，本研究完善了基于探地雷达的粗根生物量反演方法，同时建立了基于探地雷达的根系自动识别方法。本研究提出利用交叉测线的数据采集方式，结合土壤背景的雷达信号信息，增强粗根雷达信号强度与粗根生物量间的相关性，进而提高探地雷达反演粗根生物量的精度。本研究将随机霍夫变换方法引入探地雷达根系探测领域。优化后的随机霍夫变换方法可以有效完成对于根系探地雷达信号的自动识别，大大提高了探地雷达识别、定位根系的效率。在此基础之上，为解释粗根的空间分布特征和粗根含水量的时间动态，本研究建立了基于延时探地雷达技术的土壤侧向流网络重建方法，揭示了粗根对土壤侧向流发生的重要影响。此外，本研究初步探索了利用根系含水量代表地下物候，利用卫星遥感获得的植被指数作为地上物候，进而比较地上-地下物候的可行性。最后，为探讨根系吸收水分如何影响土壤含水量的时空变异性，本研究发展了量化空间变异性、时间变异性，和时空变异性的统计方法。本研究的开展为根含水量的野外长期观测提供了新方法，推进了根系的非侵入性探测研究。本研究突显了根系作为连接关键带地上部分和地下部分的纽带，是联系生物圈、大气圈、土壤圈的关键结构的重要意义。