土壤介电特性的研究分析 农业电气化与自动化专业VIP免费

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（Heathman2003）。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(dielectricproperties)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(dielectricconstant)和介电损耗因数(dielectriclossfactor)，此外，还有损耗角正切、等效阻抗、电阻电导和电容(Tong1994;Ryynänen1995;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(2-1)若电容的相对介电常数定义为(2-2)其中k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8.85×10-12F/m。将上式代入2-1，得到(2-3)令(2...