淺談數學模型在茶樹種植土壤導電與酸堿性測量中的應用

董國玉

（廊坊職業技術學院，河北廊坊 065000）

淺談數學模型在茶樹種植土壤導電與酸堿性測量中的應用

董國玉

（廊坊職業技術學院，河北廊坊 065000）

茶葉科學種植加大了對信息技術的投入與研究，利用技術手段增強綜合實力，提高競爭力。在數學建模中理論與實踐的結合，可以將復雜的問題簡易化。鑒于此，將數學模型引入茶葉土壤導電、酸堿性的測量應用，以數學建模和茶葉土壤性質相結合為切入點，對比了茶葉土壤的導電性與酸堿性的評估方法。分析影響土壤酸堿性和導電性的因素；最后，通過茶葉土壤導電與酸堿性的實例應用，以其精確的衡量茶葉種植土壤的成分，將土壤性質分析定量化、可視化。

數學模型；茶葉種植；土壤；導電性；酸堿性

茶的品質大部分取決于茶葉的質量。茶館經營者以及愛茶人士追求觀好茶、品好茶。這就要求茶葉生產者在茶葉種植上不斷下功夫，加大技術要素的投入。運用合理的、恰當的數學模型結合茶葉種植土壤，完成精準化的分析數據處理質量控制，提高茶葉種植土壤營養度的高效應用。

1 茶葉種植土壤的導電性與酸堿性

我國茶葉種植主要集中東南丘陵地區，茶葉主產區分布零散，茶葉種植與經營比較分散。茶葉種植土壤中缺少定量分析與精準的栽培技術，造成我國茶葉未能科學化種植。因此，分析土質對于增加茶葉生產量，提升茶葉品質有著重要的意義。

1.1 茶葉土壤的導電性與酸堿性

土壤是附著在地球大陸表層的疏松物質，它能為植物的生長提供養分與環境。茶葉種植土壤的質量與土壤本身的導電性有著密切的聯系。在土壤中，存在著電解質，這種電解質是導致土壤導電的根本原因。因此，濕潤的土壤含水量高，所含的電解質溶液也就多，土壤的導電能力加強；越干燥的土壤，含水量越低，土壤中水質溶液中的電解質飽和度低，溶液的電阻率就大。從數學建模上講，土壤含水量與電阻率也存在一定的相關性。土壤中存在著各種微生物，也存在各種物質和分子，分子與分子之間也會有化學結合，所謂的土壤的酸堿性就是指這些化學反應發生后表現出來的酸堿程度。在化學農業中，土壤的酸堿程度用酸堿度來度量。

1.2 茶葉種植土壤的導電性與酸堿性的評估方法

1.2.1 導電性評估方法

從物理學角度來分析，茶葉土壤兼具兩種電學性質：第一是電容性，第二是電阻性。土壤具有激發極化效應，使得其同時具有電阻性和電容性。土壤具備電學性質的原因是土壤的激發極化效應。根據物理學原理，我們可以運用數學思維對變量進行建模。根據經驗我們可以知道，當土壤的電阻率高時，電容處于低頻率的階段，在低頻率的階段里，土壤有足夠的時間來緩沖，此時可以積攢電容，是放電能量,矢量位移也會增大。當低頻率慢慢增高時,土壤所需積攢電容的時間縮短，激發極化效應，慢慢變弱，此時的電阻力慢慢上升，矢量位移也漸漸的縮小。因此，電容與電阻之間具備了線性相關的特征。

1.2.2 酸堿性評估方法

土壤酸性與堿性的測量，常用PH試紙或者酚酞溶液來衡量，土壤之所以有酸堿性，土壤中存在的氫離子和氫氧離子是導致土壤有酸堿性的根本原因。茶葉土壤中具有一部分礦物質，礦物質的來源是巖石的風化侵蝕出現的成土母質，成土母質中有原生礦物。大氣中的酸性物質侵入土壤內層，使得土壤溶質中的一些離子，分子以及膠體性質發生變化，土壤溶液出現酸性堿性中性三個特性。當氫離子與負離子結合時，會使土壤呈酸性，當氫氧根離子跟正離子結合時，土壤呈堿性，土壤的鹽漬化也是這個原理，當氫離子遇到鹽溶液中的負離子時，會結合生成氯化氫，而HCL溶液呈酸性。當土壤中的氫氧根離子和Na鹽溶液結合時，會生成NaOH，而NaOH水溶液呈堿性。因此，土壤的鹽漬化會嚴重影響的土壤的酸堿性。土壤是由許許多多的物質構成的，其中有1/2是固體顆粒，也就是電解質溶液中的雜質。

1.3 茶葉土壤中酸堿性和導電性的因素

茶葉種植土壤好壞受土壤的鹽漬化和含水量的影響。從土壤的導電性能來說，導電性能好的土壤，越有利于茶葉的種植，而導電性能好，就需要土壤的含水量好。影響土壤含水量的因素有很多，大氣中的降水是直接因素，土層深厚的土壤，也有利于茶葉的種植，因為土層深度在60cm左右的土壤，土層的吸水性和含水量性好有利于茶樹的固根養基。此外，土壤的性質影響土層的涵養量，坡度適宜的地形，有利于茶葉的種植，平均坡度在25。的左右的梯田或者是丘陵地區，土壤的排水性能好，可以防止茶樹根的受水分浸食而壞根滋長；從土壤的酸堿性能來說，水源的平衡，影響著土壤的酸堿。而影響土壤酸堿性的有土壤中的微生物和化學分子。微生物和化學分子少的土壤，相互之間發生化學或是生物反應的可能性小。因此土壤大多呈酸性，在這樣的酸性土壤中，微生物酶會逐漸地失活，使得土壤中的硝化細菌作用增強，有利于土壤中氣體的排放，便于土壤的通氣和透氣。除此之外，土壤中的一些風險元素也會影響茶葉的種植，重度酸性土壤中也有可能含有重金屬。

2 茶葉種植土壤性質測量的數學模型的構建

用數學的思維對茶葉土壤性質的檢測進行相應的建模處理，可以將數學理論方法應用解決茶葉實際的生產問題，體會應用數學解決問題的科學方法，并不斷完善，優化現有的技術方案。

2.1 數學模型的設計

掌握數學模型的變化規律，優化產業的問題可以更加的直觀和簡便化，有利于選擇中的計算。利用數學模型解析對象可以提質提優。數學模型沒有固定的應用格式。近年來，數學建模應用于各種領域，尤其是在農業和化學領域，數學模型的建立最大的好處就是可以優化選擇，而數學模型與茶葉種植相結合，可以有效地分析土壤的營養成分，在短時間內高效率的提高茶葉種植技術。而數學模型的建立需要驗證，獲取到茶葉土壤的基本信息后，需要建立一個科學的算法模型，之后要根據理論數據與實際情況相對比，得出可靠的結論。茶葉的種植適合于酸性土壤，PH在4.6到6.5的值利于茶樹的生長。相反堿性的土壤不適合茶葉的種植，更不利于提高茶葉的品質。

2.2 數學模型在茶葉種植土壤性質檢測中的方法

2.2.1 數學模型融入元素分析法

茶葉種植的土壤越肥沃，有益于茶葉的提質提優，還能夠因為合理的選擇而降低成本。因此，在很多條茶葉優化選擇道路中，對土壤的優化是最有效的。但是在現實生活中，由于不同的地區土壤的性質不同，對土壤中的營養要素的權衡也會不一樣。通過建立數學模型，可以確定土壤中哪些元素能提高茶葉的質量。比如，可以對土壤中不同元素建立正態分布的數學模型，采用數據采集和方程運算的方法，獲得茶葉土壤中所有的元素分布情況。在這樣可以清晰、明了的調整茶葉土壤中的元素配比。在土壤PH值的測定中，也可以運用建立相應的數學模型。適合茶葉種植的土壤應該把PH值控制在5.0到6.0的范圍之內，在這個范圍內的酸性土壤生長出來的茶樹，發芽會很早，而且根系會很粗壯發達。當土壤的酸度過強，PH值小于4.0的時候，會影響茶樹對土壤中物質中N、P、K元素的吸收。

2.2.2 數學模型融入阻抗分析法

在測量分析法中，通過評估、分析種植土壤的性質即酸堿度和導電性，控制酸堿性或者導電性中的元素進行實驗，這樣的實驗設計具有一定的片面性。但是在常規的分析法的過程中，對于反映哪一個元素對茶葉種植土壤的影響最大的評估很難，容易造成實驗誤差。而在阻抗分析法中，會對現有元素進行分析，包括土壤的酸堿度和導電性以外的性質分析，就大大降低了數學模型中估算的誤差。阻抗分析法，可以在有效的時間內，把影響茶葉種植土壤的因素反映出來，選擇不同的影響因子為變量，加入個別的除酸堿度和導電性以外的影響因子，建立L9(3^4)正交表的數學模型，通過9次的實驗結果的測定，對數據進行科學的計算和分析，然后權衡酸堿度和導電性等影響因子的最優情況，找出影響茶葉土壤的最大的影響因子。

3 數學模型在茶葉種植土壤導電與酸堿性中的應用

3.1 數學模型在茶葉種植土壤導電與酸堿性中的實例

對茶樹種植提優，從種植土壤優化方面是最常見的。在茶樹種植土壤優化方面，優化的土壤性質還要適用于特殊環境的行為對象。某茶葉生產區比較適合種植a和b兩種茶樹，當兩種茶葉在市場上的反響都很好的情況下，生產者需要在a和b品種上作出選擇，從而達到提高經濟效益的目的。我國東南丘陵的地區，土壤的酸堿度和導電性影響茶樹的種植，生產廠家會想要協調土壤的酸堿度和導電性時，可能會有兩種方法：第一種方法是控制土壤的酸堿度不變，然后增加土壤的導電性；第二種方法是控制土壤的導電性不變，降低土壤的堿性，提高土壤的酸度。此時，可以建立線性相關方程，不考慮茶葉品種原因的影響下，作出2相應的函數圖像，得出2種類方法對茶葉產量的影響。基于此，根據不同的外界條件，選擇合理的種植方案，以期提高茶葉產量。

3.2 數學模型在茶樹種植土壤導電與酸堿性中的總結

通過以上的分析，我們可以知道茶樹種植土壤的營養成分，是影響茶葉產量和質量的重要的原因。有效的權衡土壤中的影響因子，比如酸堿度和導電性，并不斷優化土壤的質地，可以從根本上有效地提高茶葉的產量和品質，從而將利潤最大化。而數學模型在茶樹種植土壤導電性與酸堿性色量中的運用，有利于推進茶產業面向信息化、技術化、合理化。

4 結論

現如今，茶經營者面臨的最大的問題是茶葉的提質、提優，其中最難的是技術攻關問題。數學模型在茶樹種植土壤導電性和酸堿性的測量應用，能夠有效地對土壤的性質進行數據分析，以便合理規劃。調整種植土壤培優在經濟成本中的比重，這為我國的茶葉界開辟了一條可循環的綠色經濟通道。

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[3]郭廣杰.農業計算機信息技術在茶葉種植中的應用分析[J].福建茶葉.2016(4)：86-87.

董國玉（1979-），女，河北廊坊人，碩士，副教授，研究方向：應用數學。