土壤介电特性的研究分析 农业电气化与自动化专业.docx

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1、一、选题的目的和意义我国作为一个农业大国，实行节水灌溉，寻求高效的上壤水分监测是尤为重要的。中国人口占世界的22%,但是淡水资源仅占世界总量的8%,人均水资源占有量仅230Omy年，是世界上人均占有水资源最为贫乏的13个国家之,特别是占面积60%以上的北方地区水资源量竟不足全国总量的20%,有IO个省(市，自治区)的人均水资源占有量低于国际公认的水资源占有量的最低限100Om。我国水资源一方面比较Ig乏，一方面浪费量又是巨大的。我国农业用水占社会总耗水量的80%以上，但是有效利用率很差，日前仅有30%-40%,而先进的发达国家一般都在70%-80%,我国每立方厘米水的粮食生产能力不足1公斤，而

2、一些农业发达国家都在2公斤左右，例如以色列2.35公斤。显然,节水的重头戏是全面快速实施农业技术体系，而节水装备技术是保证节水农业体系实施的关键技术之一。就现代农业而言，土壤含水量直接影响到作物生长，农田小气候，土壤的机械性能。在农业，水利等的研究方面，塘水分含量是一个理要的参数。在农业生产中，上壤水分含量的准确测定对F有效水资源管理，灌溉策略.作物生长以及化学物质监测非常重要：在水利方面，土壤水分对于地球表面有效能fit的分配以及渗入径流的分配研究起着重要的作用。因此土壤水分含量的精确测定有利于更好地认识农业管理措施对土壤-植物-大气的连续体(SPAC)的影响以及地球表面物质和能量的传输理论

3、(Heathman2003).土壤物理学告诉我们土堞含水率和土壤的介电常数是密切相关的。在物理学中介电常数本来是用于描述介电材料在电场中的极化程度的物理量，然而上塔物理学的研究表明上填介电常数本身包含了反映土壤品质和性质的大量信息。利用统计学的回归方法已经证明，无论十.填的结构成分与质地有何差异，土壤含水址与水-土混合物组介电常数的实部分量总是呈现确定性的单值函数关系.这结论的重要性在于土壤含水量的测定可以根据通过测盘介电常数的测定而间接得到。而土壤介电常数测定的准确度以及土壤含水量和介电常数之间的关系模型则是土壤含水量测量的准确度的两个关键因素。此外，土壤中的耗分含量、水分含量、质地结构、有

4、机质含量都不同程度的影响若土一水混合物且介电常数的变化。尤其应当指出的是土壤盐分，F1.前土壤盐碱化问题在我国已经到不可忽视的地步。据统计我国农林牧十地面积68912万Iun-.受盐碱化危害的面积高达3382万hnf,占农林牧土地面积的4.91%。除此之外，作为个农业国，在面临耕地大面积减少，淡水资源匮乏的情况下，我国北方地区的盐喊土地是潜在的耕地后备资源，存在巨大的开发潜力。1995年，清华大学，日本东京大学合作对我国大面积的慈碱地改善进行了研究，并取得了显著的成效。因此，利用当代先进的高科技手段深入了解上填介电特性的测量理论与方法并由此开发出新一代具有实时采集与处理能力的反映土壤介电特性的

5、高精度仪器，无论对丁农业水资源的合理利用还是农作物生长的精细管理都具有难以估员的经济意义。另外由于我国土壤类型多种多样，土壤基本物理化学特性各不相同，因此，土康介电常数受多种因素的影响，如果想要得到高精度的上填含水量，就必须先搞清楚不同土填的介电特性常数，明确上填因素是如何影响上填介电常数的。本文旨在研究测试信号的频率、样品温度、含盐量、含水率和土壤容重等对十.堞介电特性的影响规律，建立描述十.康介电特性的数学模型，评价模型的可靠性，为开发便携式土壤含水率测量提供r基础数据。二、选题依据介电特性(die1.ectricProPCrIiCS)是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。评价介电

6、特性的主婆参数是介电常数Mie1.eciricCOnSIant)和介电损耗因数(die1.ectric1.ossfactor),此外，还有损耗角正切、等效阻抗、电阻电导和电容(Tong1994;RyynSnen1995:Goedeken1998)。无论何种介电材料，它的介电模型都可以通过一个RC并联等效电路来描述。图2-1介电等效电等在等效电路中，等效导纳Y是由电导G和电容C组成的，即Y=G+j(C若电容的相对介电常数定义为其中A为几何常数，它取决于测量传感器的几何形状.为真空下的介电常数，它等于8.85x10j2fu将上式代入2-1,得到(2-4)则住y=je,k(/-j=j中国农业大学的王

7、一鸣教授带领课题组将此技术进一步创新应用到土壤含水率测量上并取得JZ成功.与TDR相比，驻波比虽然精度低，但仪器成本低,是种很有前途的测量方案，实际上驻波比方法可视为FDR方法的一种特殊形式，因为它的测量思路是将信号源须率提高到足够高以致将更介电常数的虚部影响减小到最小。2 .介电常数与含水率关系研究现状早在20世界40年代，人们就对上填介电常数进行了深入的研究，推导了描述不同频率下介电常数的不同模型.土体是由土壤颗粒，水，空气构成的混合物，土颗粒是非极性材料，由丁只能发生电子极化和离子极化，它们的介电常数比较低，大多数在3左右：空气的介电常数我们一般认为只有1。但对于极性材料，如水，除了发生

8、电子极化和离子极化外，还能发生转向极化，因此它的介电常数很高。另外温度会影响转向极化带来的介也损失(1.in1999),指出水的介电常数与频率和温度有关。土体的介电常数与三相体介电常数，组份比例以及上体种类有关。Brickak等(1974)给出了一个指数模型的混合公式,Chen等(2008)建立了电磁波与混合介电介质的相互模型,并给出了土壤介电常数的表达式。很多学者(DObSOn等，Routh)发现，对于有机土，细粒土和粘土的土壤含水量和介电常数的关系不符合Topp公式，于是设计了四相介电混合模里：JaCObSCn和SChjonning(1993)则考虑了土体干密度，粘粒含量和有机质含量，提出

9、了更加一般化的改进经验关系式。目前,我国上填介电特性的讲兜主要应用于土壤含水率的监测上。国家对此研究投入大量的人力物力，无论在国家自然科学基金，国家863项目等重大科研项目中都有立项.，早在20世纪70年代，西安电子科技大学就开发了SVJ-3型微波水分测量仪，同时,兰州大学，南京大学也对此做了相关的研究：20世纪末期，中国农业大学电气信息学院王一鸣教授等人研制了施于驻波比原理的快速上填水分测量仪，在上壤水分测量方面取得了全大的突破，缩短了我国上塘水分快速测量技术与国际先进水平的差距。3 .影响土壤介电特性的因素(1)测试侑号频率对于介电特性的影响HaS1.ed在1973年对土壤介电行为的频率特

10、性做了大量研究，指出在测试频率的低频段(.IMHz),介电常数起主要作用的是一,即虚部分量。随着测试频率的增加，/的作用显著下降，这也是为什么在选择测量上填电导率的时候选择测试频率低于IMHZ的主耍原因。Ha1.1.ikainen(1985)测试/几种类型土壤的介电常数,发现土壤介电常数与频率的相关性。测试是在23C下进行，丁纯水而言，当频率低于弛世频率时，随频率的增加.介电常数实部减少，虚部增加。表明了水土混合物也具有类似的波谱行为。图3-1、3-2描述了不同含水量条件卜.，土壤介电常数大部和虚部的波谱变化行为。1994年，HaStCd和DirkSen对粘土，粉粒，沙粒的介电常数的实部分量随

11、测试频率的不同进了比较研究，他们发现在100-50()MHZ范围内，3者的曲线交汇在一起，认为在这个频率段上堞介电常数受土壤质地的影响效果最小.*e壬女&WW80WS，504030图3/土壤介电常数实部与频率、土堆体枳含水质之间的关系(引自HaUikainenJ985)W*f图3-3士康三种基本成分拈粒、粉粒、沙粒介电常数的频率特性（引自HaMed和DirkWn.1994）（2）土填容对介电特性的影响、*心5+ttiW(gcm)SX*ty图3-4土壤容流与介电常数之间的关系（引白普乃红，1999）西巧红等（1999）和Gong等（2（X）3）通过实验得出三种红壤的介电常数与容重之间的关系，并发

12、现在相同容揖下，红壤的介电常数儡高.这是由南方土壤中含有大垃的铁铝矿物造成介电损失，进而导致介电常数的偏大。随后依据不同土壤类型的介电常数与土填容重的关系式，在应用HoOk模型中，指出TSzra的值应介于1.61180,且土爆容重越大，TsZTa的值越大，并将TsTa=1.68作为平均值，其中TS为电磁波在具有一定孔隙度的干燥土填中探针的传播时间，Ta为电磁波在其空中的传播时间。JaCObSen（1993）认为不同土壤固相与水的相互作用机制不同,进而影响相对介电常数的测量。他根据自己的研究推出包括土壤容重、粘粒含量的介电特性校正曲线.Ma1.iCki（1996）把不同土壤固相对土壤介电常数的影

13、响归结于土塔的用实程度,也就是容重和孔隙度。他认为土壤比重相对稳定而I1.不同土壤相差不大，土壤有机质和土壤固相的影响可以通过容垂和孔隙度来克服。（3）温度对介电特性的影响Pcpin等（1995）在不同温度下测量了上填介电常数的。他们发现在湿上和质地较细的土壤中温度对介电常数的影响很大，因而推断温度的影响可能因为束缚水的缘故，因为束缚水比自由水的介电常数受温度变化影响小。Wraith和Or（1999）从理论和实骏分析了温度对介电常数的影响.他们认为土壤粘粒含量及土壤颗粒的不同所造成束缚水含量的不同是温度影响介电常数的主要原因。龚元石（1999）对于妙质填土在实际含水域不变的情况下，TDR测定的

14、含水量在实际含水量大于0.3（km*cmJ时有明显的偏差,温度升高时，测得的土壤含水量偏高，反之亦然。原因是由于温度的变化导致了土填孔隙中的水的介电常数，虽然不同温度下土壤矿物质本身也有所改变，但是对丁水而言它们是微不足道的。图3-5表示了在1（）GHZ下温度对粘土介电常数的影响。在OC附近区域，介电常数实部与虚部随温度变化较大，这可能与自由水和束缚水的比例有关。oc图3-8不同含水含盐土在0-20（；HZ频率能国内介电常数虚部变化情况（引自胡庆紫，2003）4. 土壤介电特性研究存在问题在大量实验和论证的基础上，国内外科研工作者已经开发出了根据土壤介电特性或电导特性测量土填含水率的仪器，并提

15、出了很多土壤介电常数模型。但是主要的测量对缴是适用于所在地区地质特点，而适用于我省所处的黄土高原类型上煨的含水量测量仪器几乎没有.我省位下西北黄土高J京地区，该地区的十堪主要有坡土、黑炉土、黄绵十不同种类的土壤类型所具有的物理化学特性不同，导致透水性各不相同,因此必须根据黄土高原地区的土壤类型及其特征，建立出适合该地区的士壤介电常数与各种影响因子的数学模型，并为开发土塔含水量测量仪提供基础数据。四、研究内容以杨凌附近的上填样品为研究对象，研究含水率、温度、上壤容武、含盐量等3个不同地点的土壤在IOMHZ4500MHZ频率范围内介电特性的影响,建立介电参数与频率、温度、含盐量、含水率和上填容求的

16、数学模型，并验证模型的正确性，主要进行以下方面的研究：1 .频率和含水附对土壤介电特性的影响在室温25C下，研究频率（IO45（X）MH）和含水率（IO%3O%）对土壤介电特性的影响,建立介电参数和含水率之间的数学模型，为新型的基于介电特性的FDR水分检测仪的开发提供数据基础。2 .温度对上塔介电特性的影响在室温25*C下，1.（M500MHz的频率范围内，以含水率10%30%的上填为研究对象,研究湿度对土壤介电特性的影响.3 .土壤容重对土壤介电特性的影响在室温25C下，1045（M）MHz的频率范用内，根据测盘计算得到的土壤容重绘制出土壤容重和介电常数的关系。4 .含盐量对土壤介电特性的影

17、响在室温25cC下，IO45OOMHz范用内，用同轴探头技术和电导率仪分别检测5种含盐量的介电参数和直流电导率值，研究含盐地对土壤介电特性和直流电导率的影响.探索土壤介电特性和土壤含盐量之间的关系，片在为基于介电特性的FDR土壤含水量检测仪器的开发提供支持。5 .建立介电参数与频率、温度、含盐量、土堆容重和含水量的数学模型。五、研究方法与技术路线1 .研究方法11土壤样品的预处理,配制样品从田间采集回来后要进行定的预处理才能在实验中使用：干燥、磨细、过土壤筛。（1） 土壤样品预处理由于从田间采集回来的土壤含水员介于水分饱和和风干的状态之间,通常需要进行干燥。为了尽量保持土壤的原有特性，采用在3

18、560C的温度下进行，烘干后在碾碎并去除土塘中大的团粒，尽可能使土壤样品均匀，因为土壤介电常数的测量（同轴探头技术）要求被测物质均匀，且土壤粒径小于03mm,（2） 土填样品的配制样品制备的目的：I.剔除土堆以外的侵入体（如植物残在、昆虫、石块等）和新生体（如铁钻结核和石灰结核等），以除去非土壤的组成部分；2.适当磨细，充分混匀，使分析时所称取的少量样品具有较高的代表性，以减少称样误差：3.全量分析项目，样品需要磨细，以使分解样品的反应能够完全和彻底：4.使样品可以长期保存，不致因微生物活动而福坏.方法步骤：（I）测定样品土壤的初始含水量。采样回来的土和铝盒称重记做ma,经烘干后称其质域为m测

19、定每类上填的初始含水量血，测定具体过程在下节提到。（2）确定要配制每一份样品应取货处理后土壤质量。每种取样品土质量m,相应预处理后的质量X%+机）（3）根据土壤质量小，计算每一个含水量级别应加入的水的质量。%=豳声）,其中立是要配制样品的土壤含水氏。I+四,（4）分别取0%”j,0.2%，%,0.4%/0.8%啊，2%nj,4%SZNaC1.加入到3）中计算相应的水中，每种样品配制5个含水员级别，6个含盐量级别，共有90个样品。（5）每份土壤样品配制完成时，用保鲜膜保存24小时，使水分，盐分，土壤充分混合均匀，然后装入容器中，装入过程中注意要均匀，在室温条件卜封装部置24小时,用来介电常数的测

20、量。1.2土壤样品初始含水率的测定土壤样品初始含水率的测定采用经典的烘干法（1）定温：调节干燥箱的温度，使上升到105度左右（2）烘干铝盒：取干净的空铝盒，在烘箱内烘30min至Ih,取出放在干燥器内称重，在烘30min后，在进行称重，称重前后质量差不超过0003g,即为恒重，也就是信盒质量明。（3）称取样品：称取样品并放在已烘干的铝盒中一起称量，记做町,（4）烘干样品：将铝盒放入烘箱内烘干，在1.05110度（冷度过育有机质会碳化散逸）下烘1214h取出铝盒,在干燥器中冷却20min后称量质量,记做叫（5）结果计算mm*m；=-2-100,=-_S叫一见，式中：用“空铝盒质量加一一烘前铝盒和

21、样品质量叫一一烘后铝盒和样品质量叫样品中水含量i,样品的干质量件,土样的质量含水率，也称为脑量含水量1.3测定土壤样品质地以及土壤样品物理特性（土壤容重，质地分类）上堰容隶一般采用环刀法，测量原理如下：用一定容枳的环刀（一般为100）切割未搅动的自然状态十样，使土样充满其中，烘干后称量计算单位容积的烘干土重量,本法适用一般土壤，对坚硬和易碎的土壤不适用.十壤容重严格地讲应该称为干容重，又称土壤密度，是土壤干基质的质量与总容积之比。14土填介电特性的测量介电特性的测量采用同轴探头技术。同轴探头测量系统主要由网络分析仪，同轴电缆和终端开路的同轴探头组成。网络分析仪主要由打频信号发生器，测试装置，接

22、收器,微处理器组成.其工作原理：将探头插入待测土样中，扫描信号发生器发出激励信号，信号通过与端口连接的同轴电缆传辘至探头湍口.由T探头与土壤样品接口的输入阻抗和网络分析仪的输出阻抗不能理想的匹配，则会产生反射信号和传1信号送回网络分析仪，接着将反射信号中所包含的幅值和相位信息转印到中频段或者低频段,进行幅值和相位的比较，从而计算出介电特性关系，并将测量的数据传到计算机，测量原理图如图5-1所图51介电特性测量原理在研究土壤微波介电特性过程中，采用E5O7IC矢量网络分析仪测定介电参数，FA2IO4N电子天平用来称取土堆并配置不同含水率含盐量的土壤样品，DK-98-I型电热恒温水浴锅制备待测的不

23、同温度下的上煨样品。1 .5土壤可溶性盐总量的测量土壤可溶性盐是盐碱上的一个重要属性，对J解土壤盐分是十分必要的.土壤可溶性盐是强电解痂，其水溶液具有导电性痂。在一定浓度范用内，溶液的含盐量与电导率呈正相关。因此，土壤浸出液的电导率的数值能反映土壤含盐员的高低。土壤浸出液的电导率可用DDSJ-3O8A型电导率仪测定，将连接电源的两个电极插入土壤浸出液（电解质溶液）中，构成一个电导池。正负两种离子在电场作用下发生移动，并在电极上发生电化学反应而传递电子，因此电解质溶液具有导电作用。根据欧姆定律，当温度定时，电阻与电极间的距离（八）成正比，与电极的敬面积（八）成反比。R=p-A当1.=ICm,A=

24、ICm2则R=O,此时测得的电阻称为电阻率O。溶液的电导是电阻的倒数，溶液的电阻率g则是电阻率的倒数。将已经配置好的土壤浸出液放入烧杯中,将电极用待测液冲洗，花将其插入待测液中，使信片全部浸没在液面下，并尽量插在液体的中心部位，每个样品应重读23次,以防偶尔出现的误差。测量一批样品时应保证测量时间一致.2 .实验步骤（1）频率对土壤介电特性的影响选取不同含水率（IO%3O%）,不同含盐量的（0%7%）的土壤固体样品，将配置好的样品放入恒温沸水锅中，根据Agi1.ent公司的仪潺操作说明，将同轴探头与被测物质（本实验为上填样品）紧密接触测量，在室温，频率为IOM45OOMHz下测定土壤介电参数，

25、每个样品测量3次，测量结果取3次平均值。（2）含水率对土壤介电特性的影响将以前配制好的不同含水率级别的样品取出用于实验测量，同轴探头置于土壤样品上方紧密接触，由计算机控制网络分析仪而完成介电参数测量。测量的频率选为IOMHz到4500MHZ范围内，在对数坐标卜选取IOI个须点。测量中，注意探头和样品之间要充分接触不能残留空气，每个样品测三次，记下所测数据以备分析处理。（3）温度对土壤介电特性的影响在室温下，将每一种的含水率的土壤样品放入恒温水浴锅中.实验前，将电热恒湿水浴锅的水槽中加满水，仪胧通电,并设置温度点为高于待测温度12C。待测温度分别为：以每I（TC为一个梯度，分别为OC、KrC、2

26、0C、30C、40C、50*Co将配制的土填样品放于水槽中，当槽内水温达到设定值时，保温20分钟，然后将水浴据连同土塔样品一起巴于同轴探头测量系统下，保持样品处于水溶锅中的状态下完成介电参数的测量，测量的频率选为IOMHZ到4500MHZ范用内，每个样品测量3次，测量过程中探头和样品之间紧密接触.（4）含盐量对土壤介电特性的影响首先,制备不同浓度的Naa溶液.UniversityofWagcningcn.,1.,hcNether1.ands.1998PepinS,1.ivngsionNJ,HookWR.Temerturede)ende11measurementerrorsintime-doma

27、inrcxto11c(rydete11nina1.ionsofsoi1.-wa1.erJ.Soi1.ScienceSOCietyofAmerciaJourna1.1995,59(1):38-43OrD.WraithJM.Temperatureeffectsonsoi1.bu1.kdie1.ectricpcrmiivi1.ymeasuredbytimemainNneCIOme1.ry:Aphysica1.node1.J.WaterResourcesResearch.1999.35(2):371-383OrD.WraithJM.Anewsoi1.matricPO(Cntia1.sensorbase

28、dontimedomainrcf1.xtonctryJJ.WaterResourcesResearch.1999.35(11):3399-3407Ma1.ickiMA,P1.aggcR,RXhCH.Improvingtheca1.ibrationofdie1.ectricTDRsoi1.moisturedeterminationtakingi11oaccount(heso1.idsoi1.J.EurofycanJourna1.ofSoi1.Science.1996.47(3):357-366JacobsenOi1.SchjonningP.FIE1.D-EVA1.UATIONOFTIME-DOMAINREF1.ECTOMETRYFORSO11.-WATERMEASUREMENTSJ.，例/勿.Vdmoq1993.151(24):159/72JacobscnOH.SchjonningBA1.ABORORYCA1.1.BRxnoNOFTIME-DOMAINREF1.ECTOMETRYFORSOI1.-WATERMEASUREMENTINC1.UDINGEFFECTSOFBu1.kdensityandtexturej.jm11aiy11,1993.15i(2-4)：i47.i57