Картирование границ почвенных горизонтов методом георадиолокации

Картирование границ почвенных горизонтов методом георадиолокации

Автор: Рязанцев П. А.

Журнал: Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева @byulleten-esoil

Рубрика: Статьи

Статья в выпуске: 105, 2020 года.

Бесплатный доступ

В статье рассмотрена роль георадиолокации в решении задач почвоведения, а также на примере полевых данных оценена точность прослеживания почвенных горизонтов. Исследование текущего состояния вопроса показало, что существует значительная вариативность электрофизических свойств разных типов почв. При этом диэлектрическая проницаемость почвенных горизонтов может как увеличиваться, так и уменьшаться с глубиной. Этим фактом обусловлена необходимость параметризации почвенного профиля при георадарных исследованиях для предотвращения ошибок. На основе обобщающего анализа практических примеров установлено, что погрешность определения отдельных почвенных горизонтов георадаром составляет в среднем 2-10 см в зависимости от частоты используемой антенны и особенностей строения почвенного профиля. Для обоснования сделанных выводов проведены опытно-методические работы по прослеживанию почвенных горизонтов методом георадиолокации на примере типовых подбуров, расположенных на Заонежском полуострове (Республика Карелия), строение и состав которых были детально описаны предшествующими исследователями. Съемка выполнена георадаром ОКО-2 (Логис-Геотех, Россия) с антенным блоком с центральной частотой 400 МГц. Работы на участке велись по отдельным трансектам, с привязкой к опорному почвенному разрезу. Детальный анализ радарограмм в первую очередь обеспечил прослеживание подошвы горизонта BC. Полученные результаты показали, что мощность почвы в пределах профиля варьирует от 23 до 32 см, а средняя ошибка наблюдений составила ± 3 см. Кроме того, выявлено влияние на запись обломков шунгитовых сланцев и дифференциация влажности в толще почвенных горизонтов. Присутствие шунгитовых сланцев приводит к формированию дифрагированных волн и увеличению амплитуд отраженного сигнала, тогда как увеличение влажности характеризуется уменьшением скоростей электромагнитной волны.

Еще

Диэлектрическая проницаемость, электропроводность, радарограмма, подбур, влажность, шунгитовые сланцы

Короткий адрес: https://sciup.org/143173101

IDR: 143173101   |   DOI: 10.19047/0136-1694-2020-105-57-90

Список литературы Картирование границ почвенных горизонтов методом георадиолокации

  • Бахмет О.Н. Остров Кижи. Литогенные почвы, сформировавшиеся на шунгитовых сланцах. Путеводитель почвенной экскурсии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2012. 44 с.
  • Бобров П.П., Беляева Т.А., Крошка Е.С., Родионова О.В. Определение влажности образцов почв диэлектрическим методом // Почвоведение. 2019. №. 7. C. 859-871. DOI: 10.1134/S0032180X19050034
  • Владов М.Л., Судакова М.С. Георадиолокация: от физических основ до перспективных направлений. Учебное пособие. М.: ГЕОС, 2017. 240 с.
  • Морозова Р.М., Федорец Н.Г., Бахмет О.Н. Почвы и почвенный покров Заонежья Карелии // Труды КарНЦ РАН. 2004. Вып. 6. С. 69-89.
  • Поздняков А.И. Полевая электрофизика почв. М.: МАИК "Наука/Интерпериодика", 2001. 187 с.
  • Разнообразие почв и биоразнообразие в лесных экосистемах средней тайги / Отв. редактор Н.Г. Федорец. М.: Наука, 2006. 287 с.
  • Рязанцев П.А., Бахмет О.Н. Использование электроразведочных методов для картирования почвенных неоднородностей // Почвоведение. 2020. №. 5. С. 535-546.
  • DOI: 10.31857/S0032180X20050123
  • Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М.: Изд-во МГУ, 2008. 191 с.
  • Чудинова С.М. Диэлектрические показатели почвы и категории почвенной влаги // Почвоведение. 2009. №. 4. C. 441-451.
  • Afshar F.A., Ayoubi S., Castrignanò A., Quarto R., Ardekani M.R.M. Using ground-penetrating radar to explore the cemented soil horizon in an arid region in Iran // Near Surface Geophysics. 2017. Vol. 15. No. 1. P. 103-110.
  • DOI: 10.3997/1873-0604.2016049
  • al Hagrey S.A., Müller C. GPR study of pore water content and salinity in sand // Geophysical Prospecting. 2000. Vol. 48. No. 1. P. 63-85.
  • DOI: 10.1046/j.1365-2478.2000.00180.x
  • Allred B.J., Daniels J.J., Ehsani M.R. (Eds.) Handbook of Agricultural Geophysics. Boca Raton: CRC Press, 2008. 432 p.
  • DOI: 10.1201/9781420019353
  • Allred B.J., Freeland R.S., Farahani H.J., Collins M.E. Agricultural geophysics: past, present, and future // 23rd EEGS Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems. 2010. P. 190-202.
  • DOI: 10.4133/1.3445432
  • Allred B.J. A GPR agricultural drainage pipe detection case study: Effects of antenna orientation relative to drainage pipe directional trend // Journal of Environmental & Engineering Geophysics. 2013. Vol. 18. No. 1. P. 55-69.
  • DOI: 10.2113/JEEG18.1.55
  • André F., Jonard F., Jonard M., Lambot S. In situ characterization of forest litter using ground-penetrating radar // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2016. Vol. 121. No. 3. P. 879-894.
  • DOI: 10.1002/2015JG002952
  • Annan A.P. Ground penetrating radar principles, procedures and applications. Mississauga: Sensors&Software, 2003. 278 p.
  • Ardekani M.R.M. Off- and on-ground GPR techniques for field-scale soil moisture mapping // Geoderma. 2013. Vol. 200-201. P. 55-66.
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2013.02.010
  • Bechtel T., Truskavetsky S., Pochanin G., Capineri L., Sherstyuk A., Viatkin K., Byndych T., Ruban V., Varyanitza-Roschupkina L., Orlenko O., Kholod P., Falorni P., Bulletti A., Bossi L., Crawford F. Characterization of electromagnetic properties of in situ soils for the design of landmine detection sensors: Application in Donbass, Ukraine // Remote Sensing. 2019. Vol. 11. No. 1232. P. 1-16.
  • DOI: 10.3390/rs11101232
  • Boll J., van Rijn R.P.G., Weiler K.W., Ewen J.A., Daliparthy J., Herbert S.J., Steenhuis T.S. Using ground-penetrating radar to detect layers in a sandy field soil // Geoderma. 1996. Vol. 70. No. 2-4. P. 117-132.
  • DOI: 10.1016/0016-7061(95)00077-1
  • Borden K.A., Thomas S.C., Isaac M.E. Interspecific variation of tree root architecture in a temperate agroforestry system characterized using ground-penetrating radar // Plant Soil. 2017. Vol. 410. P. 323-334.
  • DOI: 10.1007/s11104-016-3015-x
  • Butnor J.R., Doolittle J.A., Kress L., Cohen S., Johnsen K.H. Use of ground-penetrating radar to study tree roots in the southeastern United States // Tree Physiology. 2001. Vol. 21. No. 17. P. 1269-1278.
  • DOI: 10.1093/treephys/21.17.1269
  • Butnor J.R., Campbell J.L., Shanley J.B., Zarnoch S.J. Measuring soil frost depth in forest ecosystems with ground penetrating radar // Agricultural and Forest Meteorology. 2014. Vol. 192-193. P. 121-131.
  • DOI: 10.1007/s11104-015-2768-y
  • Cassidy N.J. Evaluating LNAPL contamination using GPR signal attenuation analysis and dielectric property measurements: Practical implications for hydrological studies // Journal of Contaminant Hydrology. 2007. Vol. 94. No. 1-2. P. 49-75.
  • DOI: 10.1016/j.jconhyd.2007.05.002
  • Collins M.E., Doolittle J.A. Using ground-penetrating radar to study soil microvariability // Soil Science Society of America Journal. 1987. Vol. 51. No. 2. P. 491-493.
  • DOI: 10.2136/sssaj1987.03615995005100020045x
  • Daniels J.J., Roberts R., Vendl M. Ground penetrating radar for the detection of liquid contaminants // Journal of Applied Geophysics. 1995. Vol. 33. No. 1-3. P. 195-207.
  • DOI: 10.1016/0926-9851(95)90041-1
  • De Benedetto D., Montemurro F., Diacono M. Mapping an agricultural field experiment by electromagnetic Induction and ground penetrating radar to improve soil water content estimation // Agronomy. 2019. Vol. 9. No. 638. P. 1-16.
  • DOI: 10.3390/agronomy9100638
  • Doolittle, J.A., Collins M.E. Use of soil information to determine application of ground penetrating radar // Journal of Applied Geophysics. 1995. Vol. 33. No. 1-3. P. 101-108.
  • DOI: 10.1016/0926-9851(95)90033-0
  • Doolittle J.A., Minzenmayer F.E., Waltman S.W., Benham E.C., Tuttle J.W., Peaslee S.D. Ground-penetrating radar soil suitability map of the conterminous United States // Geoderma. 2007. Vol. 141. No. 3-4. P. 416-421.
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2007.05.015
  • Doolittle J.A., Butnor J.R. Soils, peatlands, and biomonitoring // Ground penetrating radar. Theory and Applications. 2009. P. 179-202.
  • DOI: 10.1016/B978-0-444-53348-7.00006-5
  • Doolittle J., Dobos R., Peaslee S., Waltman S., Benham E., Tuttle W. Revised ground-penetrating radar soil suitability maps // Journal of Environmental and Engineering Geophysics. 2010. Vol. 15. No. 3. P. 111-118.
  • DOI: 10.2113/JEEG15.3.111
  • Doolittle J.A., Brevik E.C. The use of electromagnetic induction techniques in soils studies // Geoderma. 2014. Vol. 223-225. P. 33-45.
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.01.027
  • Grote K., Anger C., Kelly B., Hubbard S., Rubin Y. Characterization of soil water content variability and soil texture using GPR ground wave techniques // Journal of Environmental and Engineering Geophysics. 2010. Vol. 15. No. 3. P. 93-110.
  • DOI: 10.2113/JEEG15.3.93
  • Guo L., Chen J., Cui X.H., Fan B.H., Lin H. Application of ground penetrating radar for coarse root detection and quantification: A review // Plant and Soil. 2013. Vol. 362. P. 1-23.
  • DOI: 10.1007/s11104-012-1455-5
  • Hruška J., Čermák J., Sustek S. Mapping tree root systems with ground-penetrating radar // Tree Physiology. 1999. Vol. 19. P. 125-130.
  • DOI: 10.1093/treephs/19.2.125
  • Huisman J.A., Hubbard S.S., Redman J.D., Annan A.P. Measuring soil water content with ground penetrating radar: A review // Vadose Zone Journal. 2003. Vol. 2. No. 4. P. 476-491.
  • DOI: 10.2136/vzj2003.4760
  • Igel J. On the small-scale variability of electrical soil properties and its influence on geophysical measurements: PhD Thesis. Frankfurt am Main, 2007. 173 p.
  • Ikazaki K., Nagumo F., Simporé S., Barro A. Soil toposequence, productivity, and a simple technique to detect petroplinthites using ground-penetrating radar in the Sudan Savanna // Soil Science and Plant Nutrition. 2018. Vol. 64. No. 5. P. 623-631.
  • DOI: 10.1080/00380768.2018.1502604
  • James I.T., Waine T.W., Bradley R.I., Taylor J.C., Godwin R.J. Determination of Soil Type Boundaries using Electromagnetic Induction Scanning Techniques // Biosystems Engineering. 2003. Vol. 86. No. 4. P. 421-430.
  • DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2003.09.001
  • Léger E., Dafflon B., Soom F., Peterson J., Ulrich C., Hubbard S. Quantification of Arctic soil and permafrost properties using ground-penetrating radar and electrical resistivity tomography datasets // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2017. Vol. 10. No. 10. P. 4348-4359.
  • DOI: 10.1109/JSTARS.2017.2694447
  • Liu X., Dong X., Leskovar D.I. Ground penetrating radar for underground sensing in agriculture: a review // International Agrophysics. 2016. Vol. 30. P. 533-543.
  • DOI: 10.1515/intag-2016-0010
  • Lunt I.A., Hubbard S.S., Rubin Y. Soil moisture content estimation using ground-penetrating radar reflection data // Journal of Hydrology. 2005. Vol. 307. No. 1-4. P. 254-269.
  • DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.10.014
  • McKee A.M. The application of ground penetrating radar at the Kanorado locality, northwest Kansas: Master's Thesis. Lawrence, 2009. 90 p.
  • Minet J., Bogaert P., Vanclooster M., Lambot S. Validation of ground penetrating radar full-waveform inversion for field scale soil moisture mapping // Journal of Hydrology. 2012. Vol. 424-425. P. 112-123.
  • DOI: 10.1016/j.jhydrol.2011.12.034
  • Pogosyan L., Sedov S., Pi-Puig T., Ryazantsev P., Rodionov A., Yudina A., Krasilnikov P. Pedogenesis of a Retisol with fragipan in Karelia in the context of the Holocene landscape evolution // Baltica. 2018. Vol. 31. No. 2. P. 134-145.
  • DOI: 10.5200/baltica.2018.31.13
  • Robinson D.A., Jones S.B., Wraith J.M., Or D., Friedman S.P. A Review of Advances in Dielectric and Electrical Conductivity Measurement in Soils Using Time Domain Reflectometry // Vadose Zone Journal. 2003. Vol. 2. P. 444-475.
  • DOI: 10.2113/2.4.444
  • Rejšek K., Hruška J., Kuba L., Tichá R., Drobný D., Formánek P., Vranová V. A methodological contribution to use of Ground-penetrating radar (GPR) as a tool for monitoring contamination of urban soils with road salt // Urban Ecosystems. 2015. Vol. 18. P. 169-188.
  • DOI: 10.1007/s11252-014-0391-y
  • Samouëlian A., Cousin I., Tabbagh A., Bruand A., Richarde G. Electrical resistivity survey in soil science: a review // Soil & Tillage Research. 2005. Vol. 83. P. 173-193.
  • DOI: 10.1016/j.still.2004.10.004
  • Shih S.F., Myhre D.L. Ground-penetrating radar for salt-affected soil assessment // Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 1994. Vol. 120. No. 2. P. 322-333.
  • Simeoni M.A., Galloway P.D., O'Neil A.J., Gilkes R.J. A procedure for mapping the depth to the texture contrast horizon of duplex soils in south-western Australia using ground penetrating radar, GPS and kriging // Australian Journal of Soil Research. 2009. Vol. 47. P. 613-621.
  • DOI: 10.1071/SR08241
  • Steelman C.M., Endres A.L., Jones J.P. High-resolution ground-penetrating radar monitoring of soil moisture dynamics: Field results, interpretation, and comparison with unsaturated flow model // Water resources research. 2012. Vol. 48. W09538. P. 1-17.
  • DOI: 10.1029/2011WR011414
  • Steelman C.M., Endres A.L., van der Kruk J. Field observations of shallow freeze and thaw processes using high-frequency ground-penetrating radar // Hydrological Processes. 2010. Vol. 24. P. 2022-2033.
  • DOI: 10.1002/hyp.7688
  • Stover D.B., Day F.P., Butnor J.R., Drake B.G. Effect of elevated CO2 on coarse-root biomass in Florida scrub detected by ground-penetrating radar // Ecology. 2007. Vol. 88. No. 5. P. 1328-1334.
  • DOI: 10.1890/06-0989
  • Szuch R.P., White J.G., Vepraskas M.J., Doolittle J.A. Application of ground penetrating radar to aid restoration planning for a drained Carolina bay // Wetlands. 2006. Vol. 26. No. 1. P. 205-216.
  • Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines // Water Resources Research. 1980. Vol. 16. P. 574-582.
  • Tsoflias G.P., Becker M.W. Ground-penetrating radar response to fracture-fluid salinity: Why lower frequencies are favorable for resolving salinity changes // Geophysics. 2008. Vol. 73. No. 5. P. 25-30.
  • DOI: 10.1190/1.2957893
  • Weihermüller L., Huisman J.A., Lambot S., Herbst M., Vereecken H. Mapping the spatial variation of soil water content at the field scale with different ground penetrating radar techniques // Journal of Hydrology. 2007. Vol. 340. P. 205-216.
  • DOI: 10.1016/j.jhydrol.2007.04.013
  • Winkelbauer J., Vӧlkel J., Leopold M., Bernt N. Methods of surveying the thickness of humous horizons using ground penetrating radar (GPR): an example from the Garmisch-Partenkirchen area of the Northern Alps // European Journal of Forest Research. 2011. Vol. 130. P. 799-812.
  • DOI: 10.1007/s10342-010-0472-2
  • Zajícová K., Chumana T. Application of ground penetrating radar methods in soil studies: A review // Geoderma. 2019. Vol. 343. P. 116-129.
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2019.02.024
  • Zhang J., Lin H., Doolittle J. Soil layering and preferential flow impacts on seasonal changes of GPR signals in two contrasting soils // Geoderma. 2014. Vol. 213. P. 560-569.
  • DOI: 10.1016/j.geoderma.2013.08.035
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp