《基於探地雷達的沙地灌木根含水量探測研究》是依託北京師範大學，由郭立擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於探地雷達的沙地灌木根含水量探測研究
- 依託單位：北京師範大學
- 項目負責人：郭立
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
根含水量是土壤-植物-大氣連續體水分運移過程的重要組分，是建立植物生態水文模型的核心參數，同時也是定量表征根系活性的直接指標。對於沙地灌木根含水量的長期觀測可以揭示灌木根系與土壤的互動作用，反映灌木的水分利用效率，解釋灌木對乾旱環境的適應機制。受傳統根系調查方法的制約，植物根含水量的野外觀測研究極為缺乏。本研究擬採用探地雷達技術，建立根含水量的非侵入性探測方法；在此基礎上，將以中國北方沙地為研究區域，選擇沙地常見灌木為研究對象，運用探地雷達開展沙地灌木根含水量的季節性調查；並結合環境因子的時空動態規律討論灌木根含水量季節性格局的成因及其生態意義。本研究將為根含水量的野外長期觀測提供方法，推進根系的非侵入性探測研究，對理解沙地生態水文過程，進而穩定和保護沙地生態系統具有重要科學意義。
結題摘要
根含水量是土壤-植物-大氣連續體水分運移過程的重要組分，是建立植物生態水文模型的核心參數，同時也是定量表征根系活性的直接指標。受傳統根系調查方法的制約，植物根含水量的野外觀測研究極為缺乏。本研究探索了基於探地雷達的根系含水量探測方法。利用野外控制實驗和計算機模擬實驗，本研究建立了粗根含水量的兩種反演模型。模型I：建立粗根雷達信號與粗根生物量和粗根含水量的最優多元回歸模型，通過多次測量的數據，同時求解粗根生物量和粗根含水量；模型II：利用粗根探地雷達信號的強度信息和走時信息，分別反演粗根的鮮重和乾重，進而計算獲得粗根含水量。在驗證兩種方法有效性的同時，本研究比較了兩種方法各自的優勢和局限。為進一步提高根含水量的探測精度，本研究完善了基於探地雷達的粗根生物量反演方法，同時建立了基於探地雷達的根系自動識別方法。本研究提出利用交叉測線的數據採集方式，結合土壤背景的雷達信號信息，增強粗根雷達信號強度與粗根生物量間的相關性，進而提高探地雷達反演粗根生物量的精度。本研究將隨機霍夫變換方法引入探地雷達根系探測領域。最佳化後的隨機霍夫變換方法可以有效完成對於根系探地雷達信號的自動識別，大大提高了探地雷達識別、定位根系的效率。在此基礎之上，為解釋粗根的空間分布特徵和粗根含水量的時間動態，本研究建立了基於延時探地雷達技術的土壤側向流網路重建方法，揭示了粗根對土壤側向流發生的重要影響。此外，本研究初步探索了利用根系含水量代表地下物候，利用衛星遙感獲得的植被指數作為地上物候，進而比較地上-地下物候的可行性。最後，為探討根系吸收水分如何影響土壤含水量的時空變異性，本研究發展了量化空間變異性、時間變異性，和時空變異性的統計方法。本研究的開展為根含水量的野外長期觀測提供了新方法，推進了根系的非侵入性探測研究。本研究突顯了根系作為連線關鍵帶地上部分和地下部分的紐帶，是聯繫生物圈、大氣圈、土壤圈的關鍵結構的重要意義。
