左佃云，田 昊，周晉成，趙燕東,*

(北京林業(yè)大學 a.工學院；b.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京100083)

浙江農業(yè)學報ActaAgriculturaeZhejiangensis， 2017，29(10): 1712-1719

左佃云，田昊，周晉成，等. 土壤介電特性與其影響因素的相關性研究[J].浙江農業(yè)學報，2017，29(10)： 1712-1719.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.10.17

2017-03-10

國家自然科學基金資助項目(31371537)；北京市科技計劃項目(Z116100000916012)；城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室(北京市重點)支持項目

左佃云(1991—)，女，山東東營人，碩士研究生，研究方向為智能檢測與信號處理。E-mail: zuodywin@126.com

*通信作者，趙燕東，E-mail: yandongzh@bjfu.edu.cn

土壤介電特性與其影響因素的相關性研究

左佃云a，b，田 昊a，b，周晉成a，b，趙燕東a，b,*

(北京林業(yè)大學 a.工學院；b.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京100083)

以北京市海淀區(qū)八家試驗苗圃的黏壤土為研究對象，使用矢量網絡分析儀NA7300A和平行板技術，探索40～150 MHz頻率范圍內，土壤體積含水率(6%～36%)、土壤尿素含量(0～1%)、土壤容重(1.2～2.6 g·cm-3)、溫度(10～50 ℃)和含鹽量(0～0.42%)對土壤介電特性的影響，并構建表征土壤介電特性的電抗估算模型。結果表明：土壤體積含水率在6%～30%范圍內，不同測試頻率下，電抗與含水率均具有良好的線性關系，電抗隨含水率的增加而增大，當測試頻率為100 MHz時，二者的線性度尤其好，決定系數(R2)大于0.97；尿素不會引起電抗值有規(guī)律的改變；隨著土壤容重、含鹽量增大以及溫度升高，電抗增大。以電抗為因變量，含水率、容重、溫度、含鹽量、測試頻率為自變量建立的多元線性回歸模型的判定系數(R2)為0.92，概率P值小于顯著性水平0.05，說明該模型可作為土壤介電特性估算模型，用于北京地區(qū)粘壤土的介電特性研究。

土壤；介電特性；測試頻率；含水率；含鹽量；溫度；容重；含氮量

探索土壤介電特性的影響因素是研究土壤介電特性的重要組成部分，其中，土壤含水率、土壤含鹽量、土壤溫度、土壤容重和土壤含氮量等都會對土壤介電特性產生影響。多年來，國內外很多學者致力于土壤介電特性與其影響因素相關性的研究：Topp等[1]提出了基于土壤介電常數的水分實時檢測方法，建立了土壤體積含水率與土壤介電常數的三階多項經驗方程式，為土壤水分實時檢測作出了貢獻；趙燕東等[2]提出了一種基于駐波率(standing-wave ratio，SWR)原理的土壤含水率測量方法；Sreenivas等[3]指出土壤復介電常數的實部主要受土壤水分影響，虛部則和鹽分密切相關；邵蕓等[4]對不同含水率、含鹽量土壤的介電特性進行了實驗測量與分析，發(fā)現在測試頻率小于5 GHz時土壤含鹽量對復介電常數的虛部起著決定性的作用；Campbell[5]在1～50 MHz頻率范圍內開展了溫度與土壤介電特性的相關性研究，介電常數實部以5 MHz為分界點隨溫度的升高先增大后減小；郭文川等[6-7]指出，當頻率一定時，土壤介電常數隨溫度升高呈遞增趨勢；張鵬[8]研究表明，在含水率固定時，介電常數隨土壤容積密度的增大而增大；董曉晨等[9]驗證了介電理論中的頻域反射法(frequency domain reflectometry，FDR)對土壤氮含量快速測定的可行性。在介電特性研究中，測試頻率的選擇直接影響著實驗結果的可靠性和精度；因此，確定合適的測試頻率是介電特性的研究重點之一。Heimovaara[10]指出，信號源頻率的選擇對于不同質地土壤的適用性是采用介電方法不可回避的主要矛盾；許景輝等[11-12]通過實驗確定FDR傳感器的最佳工作頻段為62～110 MHz。綜上所述，國內外學者已開展了眾多關于土壤介電特性與其影響因素相關性的研究，但多是以土壤含水率、土壤含鹽量、土壤溫度、土壤容重和含氮量中的一個或幾個為研究對象，而且很少有學者構建便于土壤介電特性研究的模型。本研究以北京市海淀區(qū)八家試驗苗圃的黏壤土為對象，利用平行板技術，研究不同測試頻率下土壤含水率、土壤含鹽量、土壤溫度、土壤容重和土壤氮含量等因素對土壤介電特性的綜合影響，并建立可用于土壤介電特性研究的數學模型，為土壤介電特性研究提供合適的檢測頻率和數據支持。

1 材料與方法

1.1 實驗儀器

NA7300A矢量網絡分析儀，頻率范圍300 KHz～3 000 MHz，精度1 Hz；202型電熱恒溫干燥箱，溫度范圍10～300 ℃，精度1 ℃；高低溫試驗箱，溫度范圍-20～150 ℃，精度1 ℃；3010M鹽度計，鹽度范圍0～80.0‰，精度0.1。測試系統如圖1所示。

自制平行板探針是15 mm(長)×80 mm(寬)、間距30 mm的黃銅片，探針結構最佳性已通過實驗驗證[13]。

1.2 實驗材料

從北京林業(yè)大學八家試驗苗圃中(116°21′14″E、40°0′54″N)取土壤樣本，經自然風干，去除沙礫和植物殘體，用木棒壓磨過40目篩(孔徑0.4 mm)后，放入烘箱中160 ℃烘干48 h，以確保土壤中氮素和水分徹底揮發(fā)。本研究涉及的實驗均在精準節(jié)水灌溉控制實驗室進行。

1.3 實驗設計

1.3.1 土壤介電特性與含水率、尿素含量、測試頻率的關系

取等量(800 g)預處理土壤3份，將計算好質量的尿素完全溶解于適量去離子水中，然后使用噴壺將尿素溶液均勻噴灑于土中，同時攪拌均勻，即可獲得同含水率、同尿素含量的3份土樣以備測試使用。使用上述方法分別制備體積含水率為6%、12%、18%、24%、30%、36%，尿素含量為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%的合計108份土樣以備測試使用。使用NA7300A矢量網絡分析儀，以40、60、80、100、150 MHz作為測試頻率，對每份土樣進行測量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內。尿素含氮量約為46.67%，是目前含氮量最高的氮肥，以尿素為氮素的代表研究其對土壤介電特性的影響。制備好的土樣確保在15 min內完成測量，以下同。

圖1 測試系統組成Fig.1 System composition

1.3.2 土壤介電特性與土壤容重的關系

配置體積含水率12%、土壤容重1.17 g·cm-3的土樣，使用矢量網絡分析儀在40、100 MHz測試頻率進行測量并記錄。通過壓實土壤來改變土壤容重，依次獲得土壤容重為1.25、1.46、1.67、2.00、2.60 g·cm-3的土樣，同樣使用矢量網絡分析儀在40、100 MHz測試頻率下進行測量并記錄。配置體積含水率為18%的土樣，調整其土壤容重分別為1.23、1.35、1.46、1.60、1.74、2.00 g·cm-3，測量步驟同上。

1.3.3 土壤介電特性與溫度的關系

配置體積含水率為18%的土樣21份，同時放入高低溫試驗箱中，設置試驗箱的初始溫度為10 ℃，逐漸升溫，直至土壤溫度接近50 ℃為止，期間每升溫2 ℃從試驗箱中取出1份土樣，分別使用40、100、150 MHz作為測試頻率進行測量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內。

1.3.4 土壤介電特性與含鹽量的關系

將計算好質量的NaCl完全溶解于適量去離子水中，得NaCl溶液，將其均勻噴灑在3份等量(800 g)預處理土壤上，攪拌均勻，即可獲得同含水率、同含鹽量的3份土樣以備測試使用。使用上述方法制備體積含水率為6%、12%、18%、24%、30%，含鹽量為0、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%、0.4%、0.42%的土樣，使用NA7300A矢量網絡分析儀，以100 MHz作為測試頻率進行測量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內。本研究土樣的初始含鹽量在0.03%左右，在實驗設計中忽略不計。

1.3.5 土壤介電特性與其影響因素相關性驗證

隨機配置7個體積含水率在6%～36%、尿素含量在0～1%、土壤容重在1.2～2.6 g·cm-3、溫度在10～50 ℃、含鹽量在0～0.42%范圍內的土樣，分別使用NA7300A矢量網絡分析儀，以40、60、80、100、150 MHz中的某一個頻率進行測量并記錄。

1.4 實驗原理

圖2為平行平板示意圖，其填充物質的阻抗可表示為如下公式[14]：

(1)

圖2 平行平板Fig.2 Parallel plate

式(1)中：Z，平行平板填充物質的阻抗；μ，平行平板填充物質的磁導率；ε，平行平板填充物質的介電常數；ω，極板長度；b，極板距離。

由式(1)可得，在平行平板形狀固定的前提下，填充物質的阻抗值由其磁導率和介電常數決定。土壤中含量甚低的鐵磁質(如Fe、Co、Ni及其一部分合金和氧化物)是決定土壤磁學特性的關鍵[15]。因本研究涉及的所有變量因素均不會改變土壤的磁導率，故當選定好土壤樣本后，其磁導率μ可認為是恒定值，那么土壤阻抗值則僅由介電常數決定。

NA7300A矢量網絡分析儀可測量被檢測物質的阻抗值：

Z=R+jX。

(2)

式(2)中：Z，被檢測物質的阻抗；R，被檢測物質的電阻；X，被檢測物質的電抗；j，虛數單位。

前人研究結果表明，當土壤樣本電導率很低時，在分析過程中阻抗的實部即電阻可忽略不計[16]。本研究所用土樣電導率均低于0.2 mS·cm-1，所以在討論阻抗時只考慮電抗值。聯系公式(1)、(2)可得，土壤電抗值由介電常數決定，即NA7300A矢量網絡分析儀可間接檢測土壤的介電常數。

1.5 數據分析

使用Excel 2010進行數據記錄和處理，使用OriginPro 9.1進行繪圖，使用SPSS 19進行數據分析。

2 結果與分析

2.1土壤介電特性與其影響因素的相關性分析

2.1.1 含水率與土壤介電特性

如圖3所示，土壤體積含水率在6%～36%范圍內，電抗與其存在線性關系，電抗隨含水率的增高而增大，但是當土壤質量含水率高于30%時，電抗不再隨著含水率的增加而改變。在同一含水率下，測試頻率在40～150 MHz范圍內，測試頻率越高電抗越大。

表1詳細記錄了不同測試頻率下，當尿素含量不同時，電抗與土壤體積含水率的線性回歸參數及判定系數。觀察表中數據可知，測試頻率在40～150 MHz范圍內，就整體而言，測試頻率越高，電抗隨含水率的變化率越低，即單位含水率的變化所引起的電抗值的變化逐漸減小，在圖3中表現為直線的坡度逐漸變緩。這說明在線性度良好的前提下，較低的測試頻率更容易觀察到土壤介電特性的變化。在體積含水率6%～30%范圍內，電抗與土壤含水率線性回歸模型的判定系數均在0.85以上，線性度較好，尤其是測試頻率為100 MHz時在不同尿素含量下模型的判定系數均高于0.97，電抗與含水率線性度最好。這說明100 MHz可以作為基于介電理論的土壤含水率測量方法的測試頻率。

圖3 不同測試頻率下電抗隨土壤含水率的變化Fig.3 Change in reactance with moisture content at different frequencies

表1不同測試頻率和尿素含量下電抗與土壤含水率的線性回歸參數和判定系數

Table1Linear regression parameters and the determination coefficient between reactance and moisture content at different frequencies and urea contents

頻率Frequency/MHz尿素含量Ureacontent/%abR2400178-35810984302180-35960990504186-38770973206180-36140974108172-35730995810167-348609931600105-22180958102103-21760964504107-23160919906103-2203097310898-2137098301095-211809589800141-25540885202137-24770876604136-25440909406134-24910900408137-25920898810132-2501091391000108-19910990902104-19770995604105-20260970806102-19710986808100-1959098961096-189709902150089-1412098210287-1384099770488-1426097610683-1312098670880-1310097131079-130009837

2.1.2 尿素含量與土壤介電特性

圖4所示為土壤介電特性與尿素含量的變化關系。在同一頻率下，隨尿素含量改變，電抗變化無規(guī)律且電抗值浮動很小。為提高測試數據的準確性，實驗中尿素含量最高達到1%，即氮含量最高達到0.47%，遠遠高于土壤實際氮含量(不高于0.3%)，因此，氮含量對土壤介電特性的影響可忽略不計。

2.1.3 容重與土壤介電特性

如圖5所示，土壤介電特性與土壤容重密切相關，電抗隨土壤容重的增加單調增加。土壤容重的改變一方面會引起土壤孔隙度的改變進而影響土壤介電特性，另一方面會使土壤電介質的極化情況以及存儲電荷的能力發(fā)生改變從而影響土壤介電特性。在相同土壤容重下，縱向觀察同測試頻率不同含水率或者同含水率不同測試頻率的電抗，可發(fā)現測試頻率越高含水率越大電抗越大，這與2.1.1中的結論相同。

圖4 含水率18%時不同測試頻率下電抗隨土壤尿素含量的變化Fig.4 Change in reactance with urea content at 18% moisture content and different frequencies

圖5 不同測試頻率和含水率下電抗隨土壤容重的變化Fig.5 Change in reactance with soil bulk density at different frequencies and moisture contents

2.1.4 溫度與土壤介電特性

不同測試頻率下電抗隨土壤溫度的變化趨勢如圖6所示。不同測試頻率下，電抗隨溫度的變化趨勢相同。電抗隨溫度升高而增大，當溫度高于30 ℃時，電抗增長速度變快。

2.1.5 含鹽量與土壤介電特性

土壤鹽分會溶解于土壤水中以離子形式存在。土壤含鹽量不同導致離子位移極化不同，從而影響土壤介電特性。圖7為測試頻率100 MHz時不同含水率下電抗與含鹽量的關系，可以看出，電抗與土壤含鹽量正相關。

2.2 土壤介電特性估算模型的構建與驗證

2.2.1 土壤介電特性估算模型構建

圖6 含水率18%時不同測試頻率下電抗隨土壤溫度的變化Fig.6 Change in reactance with soil temperature at 18% moisture content under different frequencies

圖7 不同含水率下電抗隨含鹽量的變化Fig.7 Change in reactance with salt content at 100 MHz under different moisture contents

為深入研究不同測試頻率下土壤含水率、土壤容重、土壤溫度和土壤含鹽量等因素對土壤介電特性的綜合影響，以電抗為因變量，含水率、容重、溫度、含鹽量、測試頻率為自變量建立多元線性回歸模型。由2.1.2節(jié)內容可知，在研究土壤介電特性的影響因素時，氮含量對其的影響可忽略不計，故在建立多元線性回歸模型時不將其作為自變量。

多元線性回歸模型調整的R2為0.923，說明模型擬合效果較好，方差分析結果中概率P值為0.000，小于顯著性水平0.05，所以該模型具有統計學意義，即土壤含水率、土壤容重、土壤溫度、土壤含鹽量、測試頻率和土壤介電特性之間具有顯著的線性關系。表2為構建模型的回歸系數，給出了回歸模型的常數項以及各自變量的偏相關系數，由表中標準化系數可知，含水率對土壤介電特性的影響大于其他因素的影響。各因素的概率P值均小于顯著性水平0.05，因此各自變量的偏相關系數顯著不等于0?；貧w方程如下：

y=-380.21+7.07x1+27.59x2+1.14x3+46.48x4+x5。

(3)

式(3)中：y，電抗；x1，含水率；x2，容重；x3，溫度；x4，含鹽量；x5，測試頻率。

2.2.2 土壤介電特性估算模型的驗證

為驗證式(3)的有效性，將模型所得的電抗估計值與實測值進行線性擬合，結果如圖8所示。擬合曲線的判定系數(R2)為0.98，斜率0.913，截距-6.289，說明電抗估計值與實測值相近，測量結果較為理想。

表2回歸系數表

Table2Regression coefficients

模型Model非標準化系數Unstandardizedcoefficients標準化系數StandardizedcoefficientstSig．常量Constant含水率Moisturecontent/%容重Bulkdensity/(g·cm-3)溫度Temperature/℃含鹽量Saltcontent/%測試頻率Frequency/MHz-3802067．07027．5941．14446．4761．00007040068014100870609-2615034．6333．3286．8894．21729．712000000000001000000000000

圖8 電抗估計值與實測值的關系Fig.8 Relationship of estimated values and measured values on reactance

3 討論

土壤是地球生物圈的重要組成部分，是農業(yè)和自然生態(tài)系統的基礎[17]。土壤介電特性蘊含了有關土壤品質和性質的大量信息。在本研究中，當土壤體積含水率在6%～30%范圍內，電抗與含水率具有良好的線性關系，當含水率高于30%時，電抗為恒定值。這與Topp等[1]、高志濤等[18]研究結果一致，可能是因為結合水介電常數為4.5～5.0，自由水介電常數接近80[19]，含水率越高，自由水的含量越多，其極化作用越加劇，土壤介電特性亦增強，當含水率高于30%時，土壤介質的極化作用達到平衡，土壤介電特性不再改變。

氮是作物增產的主要營養(yǎng)元素之一[20]，研究土壤含氮量與土壤介電特性的關系于農業(yè)生產而言具有重要意義。但本研究表明，尿素含量與土壤介電特性之間不存在單調性關系，這與董曉晨等[9]得到的兩者之間存在線性關系的研究結果不同：一方面可能是因為尿素對土壤介電特性的影響較弱，而水的影響很強，該項試驗中土樣的體積含水率(18%)較高，使得尿素對土壤介電特性的影響難以被準確觀測；另一方面可能是因為實驗中尿素含量很低，實驗過程中可能會出現較大的誤差而抵消尿素對土壤介電特性的影響。

土壤中固相成分的密度和松緊狀況決定了土壤的容重，而土壤容重可以通過土壤孔性影響土壤肥力。本研究表明，電抗與土壤容重存在正相關關系，這與張鵬[8]研究結果一致。土壤是一種固-液-氣三相混合介質，溫度升高時，土壤中氣相、固相隨溫度變化較小，但土壤中自由水的介電特性會增強，同時土壤介電弛豫時間會隨溫度的升高而降低，土壤介電常數增大。這與本研究中溫度與土壤介電特性關系的實驗結果相吻合。

在本研究中，電抗與土壤含鹽量正相關。這是因為在土壤鹽溶液飽和前，含鹽量越高意味著帶電離子越多，則極化程度越高，土壤介電常數越大。本研究發(fā)現，100 MHz可以作為土壤介電特性的檢測頻率，此時土壤介電特性與其各影響因素的實驗效果都較好，且100 MHz也較易在嵌入式系統中實現，這與Kizito等[21]和Thompson等[22]提出的土壤介電測量的理想頻率為50 MHz以上一致。

綜上，本研究認為土壤介電特性與土壤含水率、容重、溫度、含鹽量密切相關，電抗隨土壤含水率、容重、含鹽量的增大以及溫度的升高而增大?；谏鲜鰞热荩梢钥紤]開發(fā)基于土壤介電特性的實時在線土壤水分、含鹽量檢測傳感器，并可以考慮使用容重、溫度對其進行修正，這對于精準農業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本研究選擇多元線性回歸模型作為土壤介電特性估算模型，經驗證，基本可以滿足北京地區(qū)黏壤土介電特性的研究需求，但測試精度有待進一步提高。在今后的研究中，可以嘗試構建多元逐步回歸等估算模型。另外，土壤介電特性與氮素的關系需要進一步研究，土壤中含氮量的測定可以考慮使用其他方法，如光譜法等。

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Studyoncorrelationamongsoildielectricpropertiesanditsinfluencingfactors

ZUO Dianyuna，b，TIAN Haoa，b，ZHOU Jinchenga，b，ZHAO Yandonga，b，*

(a.SchoolofTechnology; b.BeijingLaboratoryofUrbanandRuralEcologicalEnvironment，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China)

Clay loam in Haidian District， Beijing was selected as research object and the impacts of soil volume moisture content (6%-36%)， soil urea content (0-1%)， soil bulk density (1.2-2.6 g·cm-3)， temperature (10-50 ℃)， salt content (0-0.42%) on soil dielectric properties were explored and analyzed by vector network analyzer NA7300A based on parallel plate technology within the test frequency (40-150 MHz)， and estimation model of reactance with soil dielectric properties was built. It was shown that the reactance had good linear relation with soil moisture content at the range of 6%-30% under different test frequencies. The reactance value increased with the increase of moisture content. When the test frequency was 100 MHz， the determination coefficient (R2) of the constructed linearity was higher than 0.97. Urea did not cause the change of reactance value regularly. With the increase of bulk density， soil salinity and temperature， reactance value increased. The multiple linear regression model was established with reactance as the dependent variable and soil moisture content， bulk density， temperature， salt content and test frequency as independent variables， of which the determination coefficient (R2) was 0.92， and the probability (P) was less than the significance level of 0.05. The results showed that the model could be used as estimation model to study the dielectric properties of clay loam in Beijing.

soil; dielectric properties; test frequency; moisture content; salinity; temperature; bulk density; nitrogen content

S153.6；S126

A

1004-1524(2017)10-1712-08

（責任編輯高 峻)