最新发表:基于探地雷达粗根反射信号构建根区土壤水分的二维和三维空间分布

发布日期:2020-05-10 17:10
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       根区土壤水分是水循环过程的重要组成部分,其空间分布控制着生态系统中水和能量的收支,从而影响生态系统和生物多样性的组织和地球关键带过程。能够无损获取不同尺度的根区土壤水分分布一直是相关研究的热点和难点问题。目前,探地雷达已被认为是最具潜力的中尺度土壤水分测量手段之一,不仅具有无损、高分辨率和深探测深度的优势,而且弥补了传统点尺度测量和遥感大尺度测量的空缺。
      本研究基于探地雷达在不同空间位置获取的粗根反射信号,联合双曲线自动识别算法和空间插值技术,重构了灌丛地下根区土壤水分的二维和三维分布。研究方法主要包括四个步骤:(1)使用探地雷达获取在不同空间位置的粗根反射信号;(2)利用双曲线自动识别方法确定粗根的空间位置,然后反演在不同空间位置处的剖面土壤水储量;(3)利用去趋势的倒距离权重插值方法构建不同土壤厚度的剖面土壤水储量分布;(4)计算不同土壤层的根区土壤含水量,从而绘制根区土壤水分的二维和三维空间分布。
      在受灌丛化影响的中国内蒙古草原上,本研究利用提出的方法,重构了两个灌丛样方(30 m×30 m)的地下根区土壤水分在不同深度的二维分布和0.9 m以上的三维分布。与实地测量的土壤水分数据对比,基于探地雷达所反演的土壤含水量分布在两个样方中不仅实现了一致的趋势变化(相关系数在不同土壤层的变化范围为0.502~0.798),而且具有较高的反演精度(平均RMSE为0.017 m3·m-3)。所构建的三维根区土壤含水量分布很好地展示了根区土壤水分的空间变化。
       本研究实现了灌丛地下根区土壤水分分布的二维和三维重建,扩展了探地雷达对根-水无损测量的应用。研究所提出的方法促进了地下根区土壤水分遥感测量研究,为探索地下复杂的根-水相互作用和联系地上与地下之间的生态水文过程研究提供了有效手段。该成果已发表水文水资源旗舰期刊《Water Resources Research》上。

REFERENCE: Liu X., Chen J., Butnor J.R., Qin G., Cui X., Fan B., Lin H., Guo L. (2020). Non-invasive 2D and 3D mapping of root zone soil moisture through the detection of coarse roots with ground-penetrating radar. Water Resources Research. 56, e2019WR026930.

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