《International Soil and Water Conservation Research》：Evaluating black soil thickness under straw return practices by using ground penetrating radar
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本研究针对全球黑土因集约利用和侵蚀导致厚度减薄的问题，通过室内模拟和田间试验，系统分析了秸秆覆盖和翻埋条件下土壤介电特性变化，并评估了探地雷达（GPR）测量黑土厚度的可行性。结果表明，GPR在秸秆还田条件下的平均探测精度达86.5%-93.8%，明确了其适用于中高容重和含水量的秸秆翻埋条件，为黑土资源可持续管理提供了技术支撑。
黑土被誉为“耕地中的大熊猫”，是全球最肥沃的土壤类型之一，尤其在中国东北地区集中分布，承担着全国四分之一粮食产量的重任。然而，长期集约化耕作、不合理土地利用及气候变化导致黑土厚度平均减少40厘米，侵蚀速率高达每年每公顷15,000公斤，严重威胁国家粮食安全与生态稳定。保护性耕作如秸秆还田（包括地表覆盖和翻埋）虽能有效抑制侵蚀、提升土壤有机质，但其对黑土厚度精准监测技术——探地雷达（Ground Penetrating Radar, GPR）的应用效果尚不明确。秸秆层与黑土母质间的介电特性差异、秸秆松散结构对雷达信号的干扰，成为GPR技术能否精准识别黑土界面的关键科学问题。
为破解这一难题，西北农林科技大学水土保持科学与工程学院的研究团队在《International Soil and Water Conservation Research》发表论文，通过室内模拟与田间试验相结合，系统揭示了秸秆还田条件下土壤介电常数变化规律，并首次评估了GPR在不同还田模式下的探测精度与适用范围。
研究采用室内控制实验模拟不同土壤容重（1.1 g cm-3、1.3 g cm-3、1.5 g cm-3）、含水量（10%、20%、30%）及秸秆还田方式（覆盖与翻埋，设50%和100%还田量），利用GPR（SIR-4000系统，400 MHz天线）测量土壤介电常数；田间试验在吉林省梨树县典型坡耕地设置裸地、秸秆覆盖坡和秸秆翻埋坡，布设雷达测线并结合剖面开挖验证，通过对比实际埋藏铁管深度与GPR反演结果计算探测精度。数据处理采用RADAN7软件进行时零校正、背景去除和增益调整，结合结构方程模型（SEM）分析影响因素路径系数。
3.1. 不同秸秆还田条件下土壤介电常数变化
室内实验表明，土壤介电常数随含水量增加而升高，在秸秆覆盖下与容重呈正相关，而翻埋条件下则随还田量呈现异质性：50%翻埋时介电常数略增，100%翻埋时反而下降。SEM分析揭示，秸秆覆盖模式下，土壤含水量（路径系数0.68）和容重（0.33）是主导因素，秸秆覆盖率则呈负效应（-0.31）；而翻埋模式下，秸秆还田量成为最强负向因子（-0.76），其影响超过含水量（0.41），容重的作用则不显著。这表明翻埋秸秆通过形成“秸秆-土壤复合介质”显著改变了介电响应机制。
3.2. GPR探测精度评估
黑土与黄土母质介电常数在多数条件下差异显著（P<0.05），尤其在100%秸秆翻埋处理中差异最大，为GPR界面识别提供了基础。然而，在低容重（1.1 g cm-3）或低含水量（10%）的秸秆覆盖条件下，二者介电差异不显著，导致GPR探测受限。田间验证显示，GPR对裸地、秸秆覆盖坡和翻埋坡的黑土厚度探测精度分别为95%-97.7%、86.5%-93.8%和88.1%-91.9%，平均精度达91.86%±3.78%，且与实测值无显著差异（P>0.05）。
3.3. 秸秆还田下黑土厚度分布特征
沿坡面连续探测表明，裸地黑土厚度从坡顶至坡脚逐渐增加（16.4-48.7 cm）；秸秆覆盖坡厚度分布不均，坡中段较薄（26.6 cm）；翻埋坡则呈现“增-减-增”波动模式，坡脚厚度略升至33.3 cm。三种坡面平均厚度分别为29.1 cm、28.6 cm和34.6 cm，翻埋处理显著提升了黑土保存能力。
研究结论强调，GPR在秸秆还田条件下具备可靠探测能力，但需规避低容重（<1.3 g cm-3）和低含水量（<10%）等不利条件。秸秆翻埋通过优化介电差异提升了GPR适用性，而覆盖模式则需结合土壤水分调控优化探测时机。该研究为复杂农田环境下黑土厚度无损监测提供了关键技术参数，对推动保护性耕作的精准管理和黑土资源可持续利用具有重要实践意义。
