Detection of the tree root system architecture using Ground penetrating radar.pdf Введение Корневая система является критически важной составляющей любого дерева, отвечая за функции питания, запасания полезных веществ и физического закрепления в грунте. Под архитектоникой корневой системы подразумевается конфигурация корней в пространстве, а её формирование зависит от множества факторов, таких как вид растения, тип вмещающих грунтов, получаемое питание и т.д. [1]. Несмотря на важность изучения этого органа в контексте процессов развития и жизнедеятельности дерева, представление о структуре корневого аппарата зачастую неполное, в том числе и П.А. Рязанцев, А.В. Кабонен, А.И. Родионов 180 вследствие ограничений доступных методов исследований. Основой экспериментального изучения корневых систем растений служит способ их раскопки [2, 3]. Однако это наносит значительный ущерб подземному пространству, а также самим растениям и в большинстве случаев приводит к их гибели. В некоторых случаях в черте города или на особо охраняемых природных территориях выполнение подобных работ невозможно или запрещено. Кроме того, данный способ требует значительных временных и физических затрат. Изучение корневых систем деревьев на сегодняшний день является актуальной задачей, и для ее решения систематически привлекаются новые дистанционные методы, как лабораторные, так и полевые [4]. Например, получен ряд значимых результатов по использованию пространственных моделей для оценки влияния наклона поверхности грунта на процессы формирования корневой системы в рамках борьбы с процессами эрозии [5, 6]. К неразрушающим способам анализа корневой архитектоники относится и применение геофизических методов, в частности, георадиолокации, которая базируется на изучении закономерностей распространения высокочастотных электромагнитных волн в почвенно-грунтовом массиве [7-9]. Георадиолокацию в качестве средства описания корневых систем древесных растений начали применять с конца 90-х гг., когда была показана принципиальная возможность локализации положения отдельных корней георадаром [10]. Дальнейшие исследования в этом направлении продемонстрировали достаточно убедительные примеры определения по данным георадиолокации диаметра скелетных корней и как следствие возможность оценки их биомассы [11-13]. При этом значительная часть работ касается вопросов физических ограничений и разрешающей способности георадиолокации [14, 15]. Корневая система растений развивается по наследственно закреплённой схеме, но имеет тенденцию к адаптации под влиянием окружающей среды, в том числе вследствие взаимодействия с вмещающими грунтами, что проявляется, например, в процессах гидротропизма и хемотропизма [16]. Одним из природных факторов, оказывающих влияние на рост, является уровень залегания корненепроницаемых горизонтов, вследствие чего изменяется как структура корневой системы, так и надземная часть растений. Изучение развития корневой системы в почвенно-грунтовом массиве относится к области научных и практических интересов для плодовых растений, среди которых одно из доминирующих мест занимает яблоня домашняя (Malus domestica Borkh.) [17]. Цель данной работы - продемонстрировать возможность исследования корневой архитектоники взрослых деревьев методом георадиолокации без применения способа раскопки. Кроме того, поставлена задача по определению пространственной конфигурации корневой системы в зависимости от глубины залегания кристаллических пород и оценке влияния подобных изменений на развитие надземной части деревьев. Определение архитектоники корневой системы 181 Материалы и методики исследования Метод георадиолокации основывается на излучении наносекундных электромагнитных импульсов определенной частоты в зондируемую среду с последующей регистрацией и анализом сигнала, отраженного от внутренних границ и локальных неоднородностей [18, 19]. К основным характеристикам, отвечающим за скорость распространения и затухания электромагнитной волны в грунтах, относятся относительная диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость, которые в свою очередь зависят от ряда физических свойств зондируемого грунта: минерального и гранулометрического состава, влажности, плотности, содержания органического вещества и т.д. Вариации таких параметров определяют, насколько глубоко и как точно можно выявить отражающие границы в грунтовом массиве. Важным параметром в георадиолокации служит частота излучаемого сигнала, с которой связаны глубинность и разрешающая способность зондирования. Существует оптимальный диапазон частот, так называемое «георадарное плато», в интервале частот от 10 до 2 000 МГц [20]. В методе георадиолокации используются сверхширокополосные импульсы, частотный спектр которых в приёмнике представляет собой произведение исходного зондирующего сигнала на частотные характеристики среды. Таким образом, существует принципиальная возможность спектрального анализа регистрируемого сигнала для определения параметров зондируемой среды [19]. Например, повышение электрической проводимости грунта за счёт увлажнения приводит к увеличению низкочастотной составляющей сигнала вследствие затухания высокочастотных гармоник. Для выполнения полевой съёмки используется георадар - прибор, который состоит из передающей и принимающей антенны с фиксированной центральной частотой, блока регистрации и обработки. Наземные георадиолокационные (георадарные) измерения проводятся вдоль профильной линии или по системе профилей. Конфигурация сети наблюдений зависит от характера, размеров и глубины исследуемых границ и объектов. Принимаемый сигнал регистрируется как функция изменения амплитуды отражённого электромагнитного импульса во времени - георадарная трасса, совокупность таких трасс формирует радарограмму. Прослеживая на радарограмме ряд одинаковых импульсов на соседних трассах, так называемую ось син-фазности, можно проследить отражающую границу (рефлектор). Кроме отраженных, существуют и другие типы регистрируемых волн, например дифрагированная. Её отличие в том, что электромагнитный импульс, отражённый от точки дифракции к поверхности, не подчиняется закону отражения, требующего равенства углов падения и отражения. Точками дифракции выступают локальные объекты: валуны, корни, подземные коммуникации, размеры которых сравнимы или меньше длины волны зондирующего сигнала [19]. На радарограммах дифрагированные волны выделяются по своему 182 П.А. Рязанцев, А.В. Кабонен, А.И. Родионов годографу (зависимость времени прихода отражённой волны от пройденной дистанции) в форме гипербол, поиск и локализация которых является важной составляющей интерпретации (рис. 1). Вершина гиперболы указывает на положение искомого локального объекта, а по наклону «крыльев» гиперболы определяется скорость электромагнитной волны во вмещающей среде, что важно в случаях отсутствия информации о строении и электрофизических параметрах изучаемого разреза. Пикет [Distance] Корень 1 I [Tree root]\\ Почва [Soil] Подстилающим грунт [Bedrock] ос Рис. 1. Схема выполнения георадарной съемки (Tx - источник, Rx - приемник) и регистрируемая радарограмма, где: 1 - прямая волна в грунте; 2 - гипербола дифрагированной волны на локальном объекте; 3 - рефлектор от подстилающих пород [Fig. 1. Schematic illustration of GPR reflection profiling (Tx - Transmitter, Rx - Receiver) and recorded radargram, where: 1 - Direct ground wave; 2 - Hyperbola of the diffracted wave; 3 - Bedrock reflections] Глубина залегания отражающих границ (Z) рассчитана следующим образом: Z = V х t 2 (1) где V - скорость электромагнитной волны; t - время прихода импульса. Скорость распространения электромагнитной волны в геологической среде определяется на основе параметров среды: ѵ = 1 П у у2 ] P-S AM-] +1 \\ 2 V V юе ) К' ) (2) где е - относительная диэлектрическая проницаемость; р - магнитная проницаемость; о - электропроводность; ю - угловая частота (ю = 2nf f - центральная частота сигнала). Так как большинство грунтов - диэлектрики (р = 1) и имеют относительно невысокую проводимость (о - м >42kh, (6) 4 где h - глубина залегания отражающего объекта. Для относительно низких георадарных частот разрешающая способность составляет десятки сантиметров, тогда как для самых высоких разрешение - первые сантиметры. Например, заявленная характеристика для антенного блока с центральной частотой 150 МГц составляет 35 см, а для антенны с частотой 1 500 МГц равна 5 см. Точность определения положения отражающего объекта также зависит от шага измерения по профилю и дискретизации сигнала. Георадиолокация при исследовании корневых систем деревьев. С точки зрения георадиолокации древесные корни выступают в качестве локальных линейных объектов, т.е. их поисковый признак, как уже отмечалось выше, -гипербола дифрагированной волны. Относительная диэлектрическая проницаемость древесины зависит от ряда факторов, основные из которых водонасыщенность и плотность, при этом существует зависимость от температуры, частоты импульса, содержания целлюлозы и т.д. Как показывают лабораторные исследования, нормальное значение для сухой (влажность менее 30%) древесины е

Скачать электронную версию публикации