文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.bgtech.2024.100155
引用格式：
Yan, W., Xu, W., Huang, T., Shen, P., & Zhou, W. H. (2025). High-temporal-resolution ERT characterization for vegetation effects on soil hydrological response under wet-dry cycles. Biogeotechnics, 100155. https://doi.org/10.1016/j.bgtech.2024.100155
文章导读
表征植被对土壤水文响应的影响对于理解特定场地的水文过程至关重要。本文首次提出一种数据驱动方法，结合高时间分辨率电阻率层析成像（ERT）数据，以量化土壤水文响应。在台风“海葵”引发的间歇性降雨期间，在植被坡地部署了ERT进行延时测量，平均时间间隔为2.7 h，共收集了97组ERT数据。采用高斯混合模型（GMM）对土壤响应水平进行量化；同时，通过现场传感器数据建立电阻率与含水量的相关关系，以表征干湿条件下的入渗与蒸散过程。相较于已有研究，本文展现了显著的时空优势，为表层土壤水文响应提供了更精细、准确的表征。
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主要内容
研究边坡位于广东省佛山市，坡长约230 m，前缘宽度约110 m。边坡由填土表层、下伏残积土层以及中-强风化砂岩组成，坡面植被类型不均匀，主要由乔木、灌木和杂草构成。坡面存在大量表面裂缝，裂缝数量随时间推移有所增加，可能存在地下层移动迹象。该区域的降雨主要集中在4月~9月，会导致地下水位上升，增加边坡失稳风险。
电阻率层析成像（ERT）测线及土壤含水量传感器布置如图1所示。ERT测线沿边坡纵向布设，并在坡顶、中部和坡脚分别埋设了三台浅层土壤含水量传感器。其中，S2和S3位于无植被区域，S1位于植被区边界。A区和C区植被稀少或几乎无植被，B区和D区植被较为密集，C区主要被杂草覆盖，而E区和F区则由杂草和灌木混合覆盖。
图2A和B展示了台风期间首次和最后一次测量的表层土ERT数据样本。尽管整体趋势相似，但部分测点的电阻率显著降低，电阻率较高的区域与图1中所示的植被状况高度一致。图2C和D显示了LogR和CR两个特征，可以看出，相较于无植被区域，植被覆盖区域内的电阻率更为敏感，且最敏感的区域通常位于较低海拔处。
图3A展示了表层土平均电阻率的变化以及降雨强度，高时间分辨率的 ERT 测量能清晰地反映整个台风期间的干湿循环变化。从数据中提取了4个降雨时段进行分析：RP1和RP4分别代表台风期的开始和结束，RP2和RP3代表台风期间的不同时段。这些时段的平均时间间隔分别为 3.6、2.4、2.3 和 2.1 h。RP1和 RP3发生了不同强度的降雨，而RP2和RP4没有降雨，视为蒸散阶段。
图3F至I展示了从LogR和CR的分布及其分类结果。可以观察到，被归类为低影响区的数据通常具有较低的LogR值，表现出较低的敏感性，而高影响区的数据LogR值较高，具有更强的敏感性，并表现出显著的变化趋势。电阻率变化的整体趋势与土壤电阻率和含水量之间的物理关系一致。例如，降雨期间土壤含水量增加，导致电阻率降低，使趋势向左偏移，而无降雨时则相反。
图4展示了RP1和RP4的指标计算和分类结果，可以看出，HIZ区域主要分布在标记为1~4号的区域，对应于图1中的B、D、E和F区域。现场观察证实，这4个区域植被较为茂密或中等茂密，这表明根区土壤的变化率较高，与先前研究结果一致。RP2和RP3的结果如图 4(G–L) ，影响区域的分类结果与 RP1和RP4的结果较为一致。除了RP1之外，其他时段的变化率表现出更大的波动性，因为这些时段更可能呈现相反的趋势。
为识别RP期间的趋势，采用线性回归方法对CR进行拟合，并用其斜率表示趋势。该方法忽略了局部变化，简化了水分入渗和蒸散作用之间的相互作用。
在RP1和RP3期间呈现相反趋势的特定误差如图 5A和5C所示。尽管发生了降雨入渗，电阻率在降雨增强前仍然表现出小幅上升。这种上升趋势的合理解释是测量误差，因为变化幅度较小，约 30 Ωm。随着降雨累积，误差的影响最终被削弱。
RP2和RP4的特定异常值如图5B和D所示，它们通常表现出相反的趋势，表明入渗量高于蒸散量，这种现象可能是由微地形起伏、高海拔地区的径流或植物枝叶存储水分导致的。基于现场观测，杂草、灌木和树木的大致位置如图 5E所示。为了进一步证明本研究的优势，采用了归一化植被指数（NDVI）进行对比分析，NDVI 值越高，表明该区域存在植被的可能性越大（见图 5F）。
2结论
1.高时间分辨率的 ERT 测量能有效刻画间歇性降雨期间的干湿循环特征。
2.提出的数据驱动方法成功融合地球物理 ERT 数据，可量化土壤水文响应，并客观分类高影响区和低影响区。
3.结合电阻率-含水量的相关性，本研究揭示了湿-干条件下的入渗与蒸散等水文过程。
4.与传统 NDVI 方法相比，该方法能够在中尺度条件下提供更详细的植被影响表征，从而增强后续岩土工程分析的准确性。
作者简介
周万欢，教授，澳门大学科技学院土木及环境工程系主任，智慧城市物联网国家重点实验室骨干成员，岩土力学实验室负责人，澳门岩土工程协会副理事长，2020年优秀青年基金（港澳）获得者，同时担任多个国际岩土工程学术组织的理事。长期从事岩土工程变形分析与智能监测、岩土工程多尺度计算不确定性分析，以及岩土材料高级室内试验等研究，在国内外优秀期刊和会议上发表了100余篇论文。主持了包括国家自然科学基金、广东省科技厅、澳门科学技术发展基金以及澳门大学研究基金在内的20余项科研项目；2022~2024连续三年位列全球前2%顶尖科学家终身科学影响力排行榜。
About Biogeotechnics
名誉主编：
Edward Kavazanjian 美国工程院院士，亚利桑那州立大学
主编：
刘汉龙 中国工程院院士，重庆大学
CHU Jian 新加坡工程院院士，南洋理工大学
执行副主编：
肖 杨 国家杰青，重庆大学
编委会：
自中国、美国、新加坡、英国、澳大利亚、德国、日本等20多个国家和地区的100余位业内顶尖学者与年轻学科骨干组成编委会。
收录数据库：
ESCI, DOAJ, Scopus, NASA ADS, GeoRef, CAS, EBSCO，GEOBASE, 维普等
发表范围：
涵盖生物矿化菌群激发与培育、生物矿化机理与理论、生物岩土仿生原理与理论、植物岩土相互作用、生物岩土材料特性、生物固化岩土与地基工程特性与理论以及液化灾害防治、文物保护、沙漠修复、土壤/水污染治理、碳封层等领域的相关研究进展及工程实践成果，推动全球绿色生态建设，服务国家 “双碳”战略，世界范围内第一本专注于该领域的英文期刊。
文章类型：
Full Length Article, Research Paper, Review Article, Sparking Points, Technical Note, Discussion, Editorial, Case Report, Short Review, etc.
Editorial Office
期刊网站：
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