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土壤层次结构是土壤的一项非常重要的基本属性。准确获知土壤田间断面层次结构信息，不但有助于深入研究溶质运移规律和探知水文水资源信息，还对土壤资源的管理与利用起指导作用，对区域农业可用水资源的调查、评价和管理起基础支撑作用。
常规土壤层次结构信息的获取方法，如开挖剖面、打钻取样等，对土壤有破坏性和扰动性，耗时费力且获取的仅是开挖点上的层次结构信息。探地雷达作为一种被广泛应用的高新技术仪器，能够克服上述不足，可快速高效、无损、高分辨率、可视化地探测土壤田间断面层次结构信息，甚至还可形成层次结构的三维图像。
本研究首先通过探地雷达分别对不同水处理下已知层次结构的均质和非均质分层土壤进行人工土槽探测试验，研究异常体和土壤层次界面的反射波对介电性质主导因子水分及不同质地土壤层次界面的响应，了解探地雷达不同天线频率探测土壤的实际表现。然后进行了田间长期探测试验，并结合田间土壤开挖剖面的实际观察结果，开展了田间验证探测试验。在土槽试验与验证试验结果综合对比分析的基础上，对田间探测的雷达剖面图像进行处理和解译。主要研究结论如下：
1、水分是土壤介电性质的主控因子。首先，土壤含水量增加会导致雷达波能量的衰减，相同水处理条件下，不同质地土壤对雷达波能量的衰减程度按壤质粘土、砂质壤土、粗砂土的次序减小；其次，土壤含水量增加会导致异常体和周围土壤之间、各土层之间的介电差异大小发生变化，介电差异变小时，土层界面和异常体反射信号变弱，加上土壤对雷达波的衰减作用，反射信号易被噪声信号掩盖，造成探地雷达图像处理与解译的困难；再次，土壤含水量增加导致雷达波速下降，异常体反射波双程走时延长，其各点反射波双程走时之间的差距增大，反射双曲线变尖，垂直间隔异常体反射波走时之间的差异增大，其反射双曲线的位置逐渐拉开，探地雷达的水平和垂直分辨率提高。因此，只要土壤水分含量合适，分辨率的提高能够部分补偿雷达波能量衰减的损失。通过介电常数测值准确获取雷达波速，根据反射波双程走时，便可准确计算异常体埋深。粗砂土探测试验中异常体深度探测误差在0.015m以内，砂质壤土和壤质粘土试验中探测误差均在0.04m范围之内。
2、土壤层次界面反射波组包含多条连续同相轴，它们都与土层界面的起伏一致，近似呈直线形，根据第一条连续同相轴可拾取土层界面的深度；土层之间的介电差异和雷达波在土壤中传播时能量的衰减程度，都会影响同相轴条数，当雷达波能量衰减小、土层间介电差异大时，土层界面反射波组包含的连续同相轴条数就多。
3、土壤层次界面和异常体能否被探测识别由土层之间介电差异大小、雷达波能量衰减程度与天线频率高低共同决定。土层界面深度和异常体埋深的探测准确性受天线分辨率和雷达波速准确性的共同影响。
剖面层次结构分别为粗砂土-壤质粘土-粗砂土和砂质壤土-壤质粘土-粉砂土的探测试验表明：土层间介电差异较大时，土层界面反射信号强度大，土层界面易被探测识别；土层界面以上含水土壤对雷达波能量的衰减很严重时，土层界面无法被探测识别;天线频率较低时，浅层土层界面的反射易被直达波噪声信号掩盖，使得浅层土层界面无法被探测识别，高频率天线则不存在此问题；探地雷达天线分辨率较高时，深度探测误差较小。雷达波速能准确获取时(本研究通过介电常数测值计算)，层次界面的深度探测误差也较小，0.3m深土层界面的深度探测误差小于0.04m，0.6m深土层界面的深度探测误差小于0.07m。波速获取有较大误差时，土层界面深度探测误差高达0.18m。
4、100MHz天线频率可辅助250和500MHz天线频率进行土壤层次结构的探测，但不适宜单独进行土壤层次结构探测。一方面，100MHz天线频率的分辨率有限，实际探测分辨率较理论分辨率低，大于0.3m，不能探测间隔小于0.3m的土层界面；另一方面，100MHz天线频率雷达图像较大双程走时处存在连续反射同相轴，代表了较深土层界面的反射。
5、250和500MHz天线频率适宜配合探测田间土壤层次结构。250MHz天线频率探测深度较大弥补了500MHz天线频率探深浅的不足，500MHz天线频率的分辨率很高，使得探测获取详细的土壤层次结构信息成为可能。两天线频率相结合可很好地探测获取土壤的层次结构信息。实际探测结果表明，对土层含水量随深度逐渐增加的土壤剖面的探测取得了很好的效果，探地雷达图像的解译结果如下：
250MHz天线频率探测图像解译结果：①第一条连续反射同相轴表示直达波噪声信号，即空气直达波噪声信号。②第二条连续反射同相轴包含砂质壤土-壤质粘土层界面的反射信号，但同时也包含天线外壳、滑行底板及地表面反射信号。③第三条连续反射同相轴代表0.64m深壤质粘土-粘砂混层界面反射信号。④第四条连续反射同相轴代表0.89m深粘砂混层-粉砂土层界面反射信号。⑤第五、六条连续反射同相轴可能是噪声信号，也可能是较深土层界面的反射信号，因为0.89m以下粉砂土层中也有较薄的壤质粘土层存在。
500MHz天线频率探测图像解译结果：①第一、二条连续反射同相轴表示直达波噪声信号。②第三条连续反射同相轴包含0.3m深砂质壤土-壤质粘土层界面的反射信号。③第五条连续反射同相轴代表0.64m深壤质粘土-粘砂混层界面反射信号。④第七条连续反射同相轴代表0.89m深粘砂混层-粉砂土层界面反射信号。⑤第八条连续反射同相轴可能是噪声信号，也可能是较深土层界面的反射信号，因为0.89m以下粉砂土层中也有较薄壤质粘土的存在。⑥第四条连续反射同相轴可能是0.57m左右壤质粘土层内纯壤质粘土和带点砂性的壤质粘土的界面反射，第六条连续反射同相轴可能是0.64m到0.89m之间壤质粘土粉砂土交互界面反射，但它们也可能是第三、五条反射同相轴的拖尾振荡导致。