土壤介電特性與其影響因素的相關(guān)性研究

左佃云，田 昊，周晉成，趙燕東,*

(北京林業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)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(guān)性研究[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，29(10)： 1712-1719.

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.10.17

2017-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31371537)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z116100000916012)；城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室(北京市重點(diǎn))支持項(xiàng)目

左佃云(1991—)，女，山東東營(yíng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與信號(hào)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(guān)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(xué) a.工學(xué)院；b.城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

以北京市海淀區(qū)八家試驗(yàn)苗圃的黏壤土為研究對(duì)象，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀NA7300A和平行板技術(shù)，探索40～150 MHz頻率范圍內(nèi)，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(duì)土壤介電特性的影響，并構(gòu)建表征土壤介電特性的電抗估算模型。結(jié)果表明：土壤體積含水率在6%～30%范圍內(nèi)，不同測(cè)試頻率下，電抗與含水率均具有良好的線性關(guān)系，電抗隨含水率的增加而增大，當(dāng)測(cè)試頻率為100 MHz時(shí)，二者的線性度尤其好，決定系數(shù)(R2)大于0.97；尿素不會(huì)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(cè)試頻率為自變量建立的多元線性回歸模型的判定系數(shù)(R2)為0.92，概率P值小于顯著性水平0.05，說(shuō)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(cè)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(huì)對(duì)土壤介電特性產(chǎn)生影響。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于土壤介電特性與其影響因素相關(guān)性的研究：Topp等[1]提出了基于土壤介電常數(shù)的水分實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，建立了土壤體積含水率與土壤介電常數(shù)的三階多項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)方程式，為土壤水分實(shí)時(shí)檢測(cè)作出了貢獻(xiàn)；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(cè)量方法；Sreenivas等[3]指出土壤復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部主要受土壤水分影響，虛部則和鹽分密切相關(guān)；邵蕓等[4]對(duì)不同含水率、含鹽量土壤的介電特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試頻率小于5 GHz時(shí)土壤含鹽量對(duì)復(fù)介電常數(shù)的虛部起著決定性的作用；Campbell[5]在1～50 MHz頻率范圍內(nèi)開展了溫度與土壤介電特性的相關(guān)性研究，介電常數(shù)實(shí)部以5 MHz為分界點(diǎn)隨溫度的升高先增大后減?。还拇ǖ萚6-7]指出，當(dāng)頻率一定時(shí)，土壤介電常數(shù)隨溫度升高呈遞增趨勢(shì)；張鵬[8]研究表明，在含水率固定時(shí)，介電常數(shù)隨土壤容積密度的增大而增大；董曉晨等[9]驗(yàn)證了介電理論中的頻域反射法(frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR)對(duì)土壤氮含量快速測(cè)定的可行性。在介電特性研究中，測(cè)試頻率的選擇直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和精度；因此，確定合適的測(cè)試頻率是介電特性的研究重點(diǎn)之一。Heimovaara[10]指出，信號(hào)源頻率的選擇對(duì)于不同質(zhì)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(shí)驗(yàn)確定FDR傳感器的最佳工作頻段為62～110 MHz。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展了眾多關(guān)于土壤介電特性與其影響因素相關(guān)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(gè)或幾個(gè)為研究對(duì)象，而且很少有學(xué)者構(gòu)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(yàn)苗圃的黏壤土為對(duì)象，利用平行板技術(shù)，研究不同測(cè)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(duì)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(shù)學(xué)模型，為土壤介電特性研究提供合適的檢測(cè)頻率和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

NA7300A矢量網(wǎng)絡(luò)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(yàn)箱，溫度范圍-20～150 ℃，精度1 ℃；3010M鹽度計(jì)，鹽度范圍0～80.0‰，精度0.1。測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

自制平行板探針是15 mm(長(zhǎng))×80 mm(寬)、間距30 mm的黃銅片，探針結(jié)構(gòu)最佳性已通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[13]。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

從北京林業(yè)大學(xué)八家試驗(yàn)苗圃中(116°21′14″E、40°0′54″N)取土壤樣本，經(jīng)自然風(fēng)干，去除沙礫和植物殘?bào)w，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(shí)驗(yàn)均在精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 土壤介電特性與含水率、尿素含量、測(cè)試頻率的關(guān)系

取等量(800 g)預(yù)處理土壤3份，將計(jì)算好質(zhì)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(shí)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(cè)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(jì)108份土樣以備測(cè)試使用。使用NA7300A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以40、60、80、100、150 MHz作為測(cè)試頻率，對(duì)每份土樣進(jìn)行測(cè)量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內(nèi)。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(duì)土壤介電特性的影響。制備好的土樣確保在15 min內(nèi)完成測(cè)量，以下同。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

1.3.2 土壤介電特性與土壤容重的關(guān)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(wǎng)絡(luò)分析儀在40、100 MHz測(cè)試頻率進(jìn)行測(cè)量并記錄。通過壓實(shí)土壤來(lái)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(wǎng)絡(luò)分析儀在40、100 MHz測(cè)試頻率下進(jìn)行測(cè)量并記錄。配置體積含水率為18%的土樣，調(diào)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(cè)量步驟同上。

1.3.3 土壤介電特性與溫度的關(guān)系

配置體積含水率為18%的土樣21份，同時(shí)放入高低溫試驗(yàn)箱中，設(shè)置試驗(yàn)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(yàn)箱中取出1份土樣，分別使用40、100、150 MHz作為測(cè)試頻率進(jìn)行測(cè)量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內(nèi)。

1.3.4 土壤介電特性與含鹽量的關(guān)系

將計(jì)算好質(zhì)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(yù)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(cè)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(wǎng)絡(luò)分析儀，以100 MHz作為測(cè)試頻率進(jìn)行測(cè)量并記錄。每份土樣容重在(1.5±0.1) g·cm-3范圍內(nèi)。本研究土樣的初始含鹽量在0.03%左右，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中忽略不計(jì)。

1.3.5 土壤介電特性與其影響因素相關(guān)性驗(yàn)證

隨機(jī)配置7個(gè)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(nèi)的土樣，分別使用NA7300A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以40、60、80、100、150 MHz中的某一個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)量并記錄。

1.4 實(shí)驗(yàn)原理

圖2為平行平板示意圖，其填充物質(zhì)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(zhì)的阻抗；μ，平行平板填充物質(zhì)的磁導(dǎo)率；ε，平行平板填充物質(zhì)的介電常數(shù)；ω，極板長(zhǎng)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(zhì)的阻抗值由其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)決定。土壤中含量甚低的鐵磁質(zhì)(如Fe、Co、Ni及其一部分合金和氧化物)是決定土壤磁學(xué)特性的關(guān)鍵[15]。因本研究涉及的所有變量因素均不會(huì)改變土壤的磁導(dǎo)率，故當(dāng)選定好土壤樣本后，其磁導(dǎo)率μ可認(rèn)為是恒定值，那么土壤阻抗值則僅由介電常數(shù)決定。

NA7300A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可測(cè)量被檢測(cè)物質(zhì)的阻抗值：

Z=R+jX。

(2)

式(2)中：Z，被檢測(cè)物質(zhì)的阻抗；R，被檢測(cè)物質(zhì)的電阻；X，被檢測(cè)物質(zhì)的電抗；j，虛數(shù)單位。

前人研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤樣本電導(dǎo)率很低時(shí)，在分析過程中阻抗的實(shí)部即電阻可忽略不計(jì)[16]。本研究所用土樣電導(dǎo)率均低于0.2 mS·cm-1，所以在討論阻抗時(shí)只考慮電抗值。聯(lián)系公式(1)、(2)可得，土壤電抗值由介電常數(shù)決定，即NA7300A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可間接檢測(cè)土壤的介電常數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理，使用OriginPro 9.1進(jìn)行繪圖，使用SPSS 19進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤介電特性與其影響因素的相關(guān)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(nèi)，電抗與其存在線性關(guān)系，電抗隨含水率的增高而增大，但是當(dāng)土壤質(zhì)量含水率高于30%時(shí)，電抗不再隨著含水率的增加而改變。在同一含水率下，測(cè)試頻率在40～150 MHz范圍內(nèi)，測(cè)試頻率越高電抗越大。

表1詳細(xì)記錄了不同測(cè)試頻率下，當(dāng)尿素含量不同時(shí)，電抗與土壤體積含水率的線性回歸參數(shù)及判定系數(shù)。觀察表中數(shù)據(jù)可知，測(cè)試頻率在40～150 MHz范圍內(nèi)，就整體而言，測(cè)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(xiàn)為直線的坡度逐漸變緩。這說(shuō)明在線性度良好的前提下，較低的測(cè)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(nèi)，電抗與土壤含水率線性回歸模型的判定系數(shù)均在0.85以上，線性度較好，尤其是測(cè)試頻率為100 MHz時(shí)在不同尿素含量下模型的判定系數(shù)均高于0.97，電抗與含水率線性度最好。這說(shuō)明100 MHz可以作為基于介電理論的土壤含水率測(cè)量方法的測(cè)試頻率。

圖3 不同測(cè)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(cè)試頻率和尿素含量下電抗與土壤含水率的線性回歸參數(shù)和判定系數(shù)

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(guān)系。在同一頻率下，隨尿素含量改變，電抗變化無(wú)規(guī)律且電抗值浮動(dòng)很小。為提高測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中尿素含量最高達(dá)到1%，即氮含量最高達(dá)到0.47%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土壤實(shí)際氮含量(不高于0.3%)，因此，氮含量對(duì)土壤介電特性的影響可忽略不計(jì)。

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(guān)，電抗隨土壤容重的增加單調(diào)增加。土壤容重的改變一方面會(huì)引起土壤孔隙度的改變進(jìn)而影響土壤介電特性，另一方面會(huì)使土壤電介質(zhì)的極化情況以及存儲(chǔ)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(cè)試頻率不同含水率或者同含水率不同測(cè)試頻率的電抗，可發(fā)現(xiàn)測(cè)試頻率越高含水率越大電抗越大，這與2.1.1中的結(jié)論相同。

圖4 含水率18%時(shí)不同測(cè)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(cè)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(cè)試頻率下電抗隨土壤溫度的變化趨勢(shì)如圖6所示。不同測(cè)試頻率下，電抗隨溫度的變化趨勢(shì)相同。電抗隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí)，電抗增長(zhǎng)速度變快。

2.1.5 含鹽量與土壤介電特性

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

2.2 土壤介電特性估算模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

2.2.1 土壤介電特性估算模型構(gòu)建

圖6 含水率18%時(shí)不同測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)試頻率為自變量建立多元線性回歸模型。由2.1.2節(jié)內(nèi)容可知，在研究土壤介電特性的影響因素時(shí)，氮含量對(duì)其的影響可忽略不計(jì)，故在建立多元線性回歸模型時(shí)不將其作為自變量。

多元線性回歸模型調(diào)整的R2為0.923，說(shuō)明模型擬合效果較好，方差分析結(jié)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即土壤含水率、土壤容重、土壤溫度、土壤含鹽量、測(cè)試頻率和土壤介電特性之間具有顯著的線性關(guān)系。表2為構(gòu)建模型的回歸系數(shù)，給出了回歸模型的常數(shù)項(xiàng)以及各自變量的偏相關(guān)系數(shù)，由表中標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)可知，含水率對(duì)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(guān)系數(shù)顯著不等于0。回歸方程如下：

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(cè)試頻率。

2.2.2 土壤介電特性估算模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證式(3)的有效性，將模型所得的電抗估計(jì)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。擬合曲線的判定系數(shù)(R2)為0.98，斜率0.913，截距-6.289，說(shuō)明電抗估計(jì)值與實(shí)測(cè)值相近，測(cè)量結(jié)果較為理想。

表2回歸系數(shù)表

Table2Regression coefficients

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

圖8 電抗估計(jì)值與實(shí)測(cè)值的關(guān)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(nóng)業(yè)和自然生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[17]。土壤介電特性蘊(yùn)含了有關(guān)土壤品質(zhì)和性質(zhì)的大量信息。在本研究中，當(dāng)土壤體積含水率在6%～30%范圍內(nèi)，電抗與含水率具有良好的線性關(guān)系，當(dāng)含水率高于30%時(shí)，電抗為恒定值。這與Topp等[1]、高志濤等[18]研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)榻Y(jié)合水介電常數(shù)為4.5～5.0，自由水介電常數(shù)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(qiáng)，當(dāng)含水率高于30%時(shí)，土壤介質(zhì)的極化作用達(dá)到平衡，土壤介電特性不再改變。

氮是作物增產(chǎn)的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一[20]，研究土壤含氮量與土壤介電特性的關(guān)系于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(diào)性關(guān)系，這與董曉晨等[9]得到的兩者之間存在線性關(guān)系的研究結(jié)果不同：一方面可能是因?yàn)槟蛩貙?duì)土壤介電特性的影響較弱，而水的影響很強(qiáng)，該項(xiàng)試驗(yàn)中土樣的體積含水率(18%)較高，使得尿素對(duì)土壤介電特性的影響難以被準(zhǔn)確觀測(cè)；另一方面可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中尿素含量很低，實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)較大的誤差而抵消尿素對(duì)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(guān)關(guān)系，這與張鵬[8]研究結(jié)果一致。土壤是一種固-液-氣三相混合介質(zhì)，溫度升高時(shí)，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(huì)增強(qiáng)，同時(shí)土壤介電弛豫時(shí)間會(huì)隨溫度的升高而降低，土壤介電常數(shù)增大。這與本研究中溫度與土壤介電特性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

在本研究中，電抗與土壤含鹽量正相關(guān)。這是因?yàn)樵谕寥利}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(shù)越大。本研究發(fā)現(xiàn)，100 MHz可以作為土壤介電特性的檢測(cè)頻率，此時(shí)土壤介電特性與其各影響因素的實(shí)驗(yàn)效果都較好，且100 MHz也較易在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這與Kizito等[21]和Thompson等[22]提出的土壤介電測(cè)量的理想頻率為50 MHz以上一致。

綜上，本研究認(rèn)為土壤介電特性與土壤含水率、容重、溫度、含鹽量密切相關(guān)，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?nèi)容，可以考慮開發(fā)基于土壤介電特性的實(shí)時(shí)在線土壤水分、含鹽量檢測(cè)傳感器，并可以考慮使用容重、溫度對(duì)其進(jìn)行修正，這對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)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(jīng)驗(yàn)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(cè)試精度有待進(jìn)一步提高。在今后的研究中，可以嘗試構(gòu)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(guān)系需要進(jìn)一步研究，土壤中含氮量的測(cè)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(zé)任編輯高 峻)