土壤介电特性的研究

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，寻求高效的土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2300m3/年，是世界上人均占有水资源最为贫乏的13个国家之一，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10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1000m3。我国水资源一方面比较匮乏，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，目前仅有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，土壤水分含量是一个重要的参数。在农业生产中，土壤水分含量的准确测定对于有效水资源管理，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量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（Heathman 2003）。

土壤物理学告诉我们土壤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，然而土壤物理学的研究表明土壤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，无论土壤的结构成分与质地有何差异，土壤含水量与水-土混合物复介电常数的实部分量总是呈现确定性的单值函数关系，这一结论的重要性在于土壤含水量的测定可以根据通过测量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，土壤中的盐分含量、水分含量、质地结构、有机质含量都不同程度的影响着土—水混合物复介电常数的变化。尤其应当指出的是土壤盐分，目前土壤盐碱化问题在我国已经到了不可忽视的地步。据统计我国农林牧土地面积68912万hm2，受盐碱化危害的面积高达3382万hm2，占农林牧土地面积的4.91%。除此之外，作为一个农业国，在面临耕地大面积减少，淡水资源匮乏的情况下，我国北方地区的盐碱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盐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土壤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高精度仪器，无论对于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量的经济意义。

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，土壤介电常数受多种因素的影响，如果想要得到高精度的土壤含水量，就必须先搞清楚不同土壤的介电特性常数，明确土壤因素是如何影响土壤介电常数的。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土壤介电特性的影响规律，建立描述土壤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了基础数据。

二、选题依据

介电特性(dielectric properties)是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。评价介电特性的主要参数是介电常数(dielectric constant)和介电损耗因数(dielectric loss factor )，此外，还有损耗角正切、等效阻抗、电阻电导和电容(Tong 1994; Ryynänen 1995;Goedeken 1998)。

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。

G

图2-1 介电等效电路

在等效电路中，等效导纳Y 是由电导G 和电容C 组成的，即

C j G Y ω+=

(2-1)

若电容的相对介电常数定义为'ε

k C o εε=

' (2-2)

其中k 为几何常数，它取决于测量传感器的几何形状。o ε为真空下的介电常数，它等于8.85×10-12F/m 。

将上式代入2-1，得到

)('k

G j k j Y o o ωεεωε-= (2-3) 令

k G j o ωεε=''

(2-4)

则有:

)('''εεωεj k j Y o -==εεωo k j

(2-5)

其中

'''εεεj -=

(2-6)

显然，介电材料的相对介电常数ε为一个复数，它的实部和虚部分别取决于等效电容C 和等效电导G 。若用σ介电材料的电导率，可进一步推知：

''εωεσo =

为了表征'ε和''ε的相关性，通常定义损耗角

''

'tan ε

εδ= 来反映电介质损耗的大小。

目前，测量介电常数的方法有很多，其中包括平行板技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术等（郭文川和朱新华2009）。同轴探头测量技术最早起源于上世纪80年代由布雷克里和斯塔奇利发明，且最早的目的是为了解决活体生物组织电参数无损测量的问题。当终端开路的同轴探头放入样品中或与表面相互接触时，根据测试件反射给网络分析仪的信号幅值和相位，就可以计算出该物体的介电常数。测量系统由网络分析仪，同轴电缆，测试探头，测试软件和计算机组成。此外，同轴探头技术能够测量宽频范围内的介电特性，此外，该技术测量频率范围广，对样品制备较简单，适合与介电常数较小，介电损耗较大的非磁性样品，是目前研究介电特性的主要手段。同轴探头测试技术具有简单，无损，快捷，精度较高等优点，特别适用于宽频范围内的介电特性测量（吕俊峰 2009）。

三、国内外研究现状

1.国内外土壤介电特性研究进展

首先对土壤介电特性研究的是前苏联学者Chernyak G.Ya 在1964年所写的《湿土介电特性研究方法》一书中对含水土壤的介电特性做了全面的分析。该书引出了一种湿土介电常数的测量方法——电容探头Q 值谐振法。这种方法在田间采样过程中由于破坏土壤样本，所以只适合在实验条件下做介电特性的分析。

20世纪八十年代以来，时域反射仪(Time Domain Reflectometry ，简称TDR )逐渐发展成为一种可靠的测定土壤体积含水量的技术(Topp 等，1980)。它具有快速，准确，连续测定等优点。它通过电磁波在介质中的传播速度随着介质的介电常数变化而改变这一物理事实来测量物料的介电特性。

加拿大农业土地资源研究中心的Topp 等（1980）利用TDR 技术测定土壤介电常数，