探索使用非侵入式的基于无人机的地面穿透雷达（GPR）来研究亚热带泥炭土壤中生物气体的动态特性

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Exploring the Use of Non-Invasive Drone-Based Ground-Penetrating Radar (GPR) to Characterize Biogenic Gas Dynamics in Subtropical Peat Soils

本研究利用无人机地面穿透雷达技术，在佛罗里达沼泽地两个网格区域测量了泥炭土厚度及生物气体（甲烷、二氧化碳）的时空动态变化。结果显示，无人机GPR有效捕捉了1%-25%体积气体含量的季节性变化，并估算出甲烷排放峰值达135 mg/m2·天，与地面气体陷阱数据一致。研究证实地形（高地/洼地）和季节（旱/雨季）显著影响气体分布及释放。

　　

摘要

泥炭土是全球碳循环的关键组成部分，它们是生物源温室气体（如甲烷和二氧化碳）的自然产生者，这些气体在土壤中积累后释放到大气中。先前的研究表明，基于地面的、侵入性较小的地球物理方法（如探地雷达GPR）能够用于表征泥炭土中的碳动态。然而，基于地面的GPR受到测量范围的限制，并且在部署过程中可能会对气体释放产生干扰。在这里，我们探讨了使用无人机搭载的GPR技术来识别亚热带土壤中气体积累和释放的热点区域的潜力。我们在2023年1月（旱季）、9月和11月（雨季）期间，在大沼泽地的两个网格区域（约17,500平方米）收集了无人机搭载的GPR数据，以研究泥炭厚度和气体含量的季节性变化。结果表明，无人机搭载的GPR技术在以下方面表现出高效性：(a) 能够捕捉泥炭土中生物源气体含量的时间变化，重复测量时体积气体含量变化范围为1%至25%；(b) 可以估算出泥炭厚度在0.8至1.2米之间；(c) 对于特定地点和时间段，估算出的气体释放通量分别为63毫克和135毫克CH?每平方米每天，这些结果与同时进行的气体捕集测量结果高度一致。此外，这项研究还表明：(a) 大沼泽地中气体含量的空间分布受到地形特征（如山脊和洼地）的强烈影响；(b) 气体含量的时间变化具有季节性，在雨季气体产量会增加。

通俗语言总结

湿地系统是甲烷气体的主要自然产生源，这些气体由土壤中的微生物产生，在某些区域积累后释放到大气中或被泥炭层内的生化过程消耗。一旦释放，这些气体就会在大气中积聚，捕获太阳的能量并引发“温室效应”。在这项研究中，我们使用无人机搭载的地球物理传感器对大沼泽地的土壤厚度和气体分布进行了成像。这种新方法既高效又可重复，能够提供超出传统地面测量方法的空间分辨率。结果显示，大沼泽地中的土壤气体含量在空间和时间上都有变化，形成了气体积累的热点区域，某些区域的体积气体含量可达到近25%，偶尔的气体释放量高达135毫克CH?每平方米每天。最后，研究表明气体含量和释放量受到土壤厚度和季节性（旱季与雨季）的显著影响。这些结果展示了基于无人机的测量技术在量化湿地中甲烷气体通量（包括连续性和间歇性）方面的潜力，这些数据有望用于改进现有的气候模型。

要点

• 基于无人机的探地雷达（GPR）是测量大沼泽地泥炭厚度的有效非侵入性方法

• 基于无人机的GPR时间序列测量可以捕捉土壤中生物源气体的季节性变化，从而推断甲烷气体的释放量

• 大沼泽地泥炭土中生物源气体的空间和时间分布与地形特征（如山脊和洼地）密切相关

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。