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地球物理方法应用于土壤结构的表征

发表时间：2020/7/28 来源：《论证与研究》2020年6期作者：尚志远

[导读] 摘要：研究人员对保持良好的土壤结构越来越感兴趣，这主要是由于其在植物生长、土壤生态功能以及对地表水和能量通量的影响方面扮演着核心角色。土壤结构的孔隙和固体成分的空间分布、聚集与力学状态有关。土壤结构是土壤生物活动的产物，包括无形的成分(机械状态和生态状态)，很难严格定义土壤结构，相关指标的测量常常依赖核心样本或片段点测量。土壤结构的存在尚未被明确地纳入气候和地球系统模型，部分原因是在相关尺度上对其

                                                                 尚志远
                     （吉林大学地球探测科学与技术学院吉林长春 130000）
        摘要：研究人员对保持良好的土壤结构越来越感兴趣，这主要是由于其在植物生长、土壤生态功能以及对地表水和能量通量的影响方面扮演着核心角色。土壤结构的孔隙和固体成分的空间分布、聚集与力学状态有关。土壤结构是土壤生物活动的产物，包括无形的成分(机械状态和生态状态)，很难严格定义土壤结构，相关指标的测量常常依赖核心样本或片段点测量。土壤结构的存在尚未被明确地纳入气候和地球系统模型，部分原因是在相关尺度上对其进行表征和在空间广泛的模型中对其进行参数化的方法不完整。我们利用地球物理方法直接(通过土壤孔隙、运移和机械特性对地球物理信号的影响)或间接测量替代变量(湿度和排水速率)来填补土壤结构表征方面的规模空白的潜力。我们回顾了土壤结构的基本概念，跨越空间和时间尺度的表征，以及如何使用地球物理方法来完成这项任务。此外，我们建议使用地球物理模型、反演技术和地球物理方法的组合，在以前未探索的空间和时间尺度上提取土壤结构信息。
        关键词：土壤结构；地球物理；模型；方法
        1前言
        土壤结构是土壤中固体成分(矿物质和有机质)和空隙的空间排列，是生物活性(蚯蚓和根系)、非生物因子(冻融和湿润-干燥)或土壤耕作操作结果的反映。土壤结构动力学发生在相当不同的时间尺度上(从秒到世纪)，尽管它基本上发生在孔隙尺度上，但更大的空间尺度(场、流域和区域)也与之相关，因为广泛的水文和生态土壤功能是由土壤结构控制的1。人们日益认识到土壤结构在为所有陆地表面提供土壤生态系统功能和服务方面发挥的关键作用，这促使研究人员最近试图在相关的空间和时间尺度上量化这一重要但难以捉摸的土壤特征。就这些服务和功能而言，理想的土壤结构是能够支持从微生物群落到中型动物(如蚯蚓和白蚁)和植被等的生物活动;这些生物体的活动反过来有助于进一步发展和维持这种理想的土壤结构。
        几个过程和机制在多个时空尺度上影响土壤结构。这些过程一般都是众所周知的，包括对土壤结构退化(例如压实)有一定程度的了解;然而，我们对土壤结构产生、形成和恢复的认识仍然有限。作用在土壤上或土壤内部的机械和水力应力可能产生或降解土壤结构。这些压力可能是由自然过程(生物和非生物)或人类活动产生的。导致土壤结构退化的活动包括农业作业，这些作业可能破坏团聚体并形成压实的犁层，被重型农具压实，以及被放牧动物践踏。湿润-干燥和冻融循环在土壤中产生膨胀-收缩效应并使其开裂。生物活性在土壤结构形成和稳定中起着重要作用。蚯蚓和植物根系穿透土壤，产生生物物质，为水和气体提供优先通道，并帮助植物根系生长。根系分泌物、细菌机身和蚯蚓的铸造对土壤结构的稳定有很大的贡献2。土壤结构的产生和稳定过程是缓慢的，可能需要几十年到几百年。退化过程(以秒为单位的快速压缩)的特征时间尺度与极长的再生过程(数年到数十年)之间的巨大差异，助长了对土壤的破坏。
        在应用地球物理和水文地球物理中，利用地球物理场的测量来推断地球物理组成的空间变化，从而划定地质边界;确定矿产、石油和天然气的储藏;追踪地下水和污染物的范围等等。对这些高级地球物理性质模型的分析和解释通常依赖于岩石物理关系，这些岩石物理关系将所推断的大量地球物理性质与感兴趣的水文、运移和力学性质联系起来。这些关系大多是为固结多孔岩层开发的，但它们的应用已广泛地扩展到松散地层和土壤中。在过去的20年里，我们努力发展和标准化地球物理学在测绘土壤属性(如孔隙度、密度和粘土含量)和状态变量(如含水量和盐度)方面的应用。
        对土壤结构的描述侧重于次生孔隙空间的表示，而不是与纹理有关，或者更一般地侧重于固体相的空间排列、堆积和机械特性，如团聚体和压实层。由于孔隙空间对土壤生态功能的重要性，我们将强调孔隙空间的观点，而不忽视夯实和聚集是土壤结构的重要组成部分。主要的挑战是容易测量的土壤体积特性(孔隙度或体积密度)对土壤结构和功能的认识有限。为了说明这一点，考虑图1中的示意图，三个面板的土壤纹理是相同的，而大孔隙度是相似的，主要区别在于土壤结构的不同状态。不幸的是，这种与土壤孔隙空间有关的结构的微妙观点很难量化，特别是用地球物理方法，通常不能区分图1中不同面板的土壤特性。土壤很可能被当作一个没有生物活性特征的均质区域来处理。

        图1 沿样条的土壤结构示意图。每个面板对应不同的土壤结构:均质土壤(a);具有次生生物诱导结构的同一土壤(b);和土壤结构从(b)被压实破坏(c)
        2 土壤科学中的地球物理方法
        直流电阻率法是一种测量空间分布电压的方法，该电压由电流注入到通常布置在土壤表面或钻孔中的电极阵列中产生。电磁干扰方法测量在土壤中通过感应响应指定电磁场形成的电磁场的选定分量。测量电压或感应电磁场的特性可以与地下电阻率联系起来。它们都对电阻率有响应，尽管潜在的物理原理和灵敏度模式有很大的不同。
        激电法（IP）是直流电阻率法的扩展。考虑到控制激电响应的机制(如颗粒和孔喉的极化)主要发生在孔隙空间和固体基质的界面上，这种方法在表征土壤结构方面具有很强的潜力，值得进一步关注。这应该意味着，IP特性与所研究土壤的结构方面密切相关。例如，在地下水研究的背景下，Slater提供了一个关于IP属性的价值来估计含水层的水力传导性的讨论。在时域IP中，主要针对的地球物理特性是带电性(M = Vs∕Vp)，定义为二次电压(电流切断后的电压Vs)与一次电压Vp的比值3。在光谱IP (SIP),频率依赖复杂的导电性(𝜎∗= 1∕𝜌∗)是衡量使用交流电。IP特性对土壤比表面积非常敏感，而比表面积主要由粘土含量和粘土类型决定。IP测量通过限制表面电导率对电导率的贡献来补充直流电阻率测量。如上所述，IP法是dc -电阻率法的扩展，可以使用典型的四电极结构进行测量。然而，从技术上来说，获得高质量的IP数据相当困难，因为需要使用电缆屏蔽和特殊电极，以避免电容耦合抑制土壤的极化效应。
        探地雷达是一种受波动方程控制的高频电磁方法4。在典型的设置中，一个电磁脉冲是由放置在与土壤表面接触的发射天线发射的，响应是由放置在固定距离的第二接收天线随时间测量的。系统沿着配置文件移动，同时以短的测量间隔重复测量。探地雷达响应由电磁波在土壤-空气界面的相互作用、电磁波在土壤中的传播和界面上的散射给出。地震法包括测量地面位移速度(或加速度)，这是由(通常)人工震源(如炸药爆炸或锤击)产生的纵波和横波产生的。在土壤科学研究中，地震方法的使用不像电气或电磁方法那样普遍。然而，地震波场包含了有关地下力学特性的信息，并可能提供其他地球物理方法无法提供的关于土壤结构的见解。
        3 结论
        土壤结构决定着广泛的土壤水文和生态功能，但目前还没有令人满意的方法在相关的野外尺度上对其进行非侵入性的测量。我们已经研究了地球物理学如何利用其对大空间和时间域成像的能力来对土壤结构进行表征。许多地球物理性质与土壤结构有关，但缺乏将它们与土壤结构属性联系起来的岩石物理模型。我们强调了通过结合多种地球物理数据类型来减少解释模糊度和提高图像分辨率的必要性。我们认为，通过将地球物理时移响应与状态变量的动力学联系起来，并结合适当的流体力学和生物模型来间接推断土壤结构，为定量评估土壤结构提供了多种可能性。
        参考文献：
        [1]Algeo, J.; Van Dam, R. L.; Slater, L. J. V. Z. J., Early‐time GPR: A method to monitor spatial variations in soil water content during irrigation in clay soils. 2016, 15 (11), 1-9.
        [2]Annan, A. P., GPR methods for hydrogeological studies. In Hydrogeophysics, Springer: 2005; pp 185-213.
        [3]Bhowmick, S. J. G.; Engineering, G., Role of Vp/Vs and Poisson’s ratio in the assessment of foundation (s) for important civil structure (s). 2017, 35 (1), 527-534.
        [4]何雪洲 In GPR在精准农业土壤调查中可能的应用, 中国地球物理学会第18届年会.