頻率與含水率對(duì)殘膜—土壤介電常數(shù)的影響

徐愛英+馬少輝+牛旭+唐玉榮

摘要：地膜覆蓋技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于新疆地區(qū)棉花種植中，為解決殘膜回收這一難題，提出利用靜電吸附原理對(duì)殘膜進(jìn)行回收。殘膜和土壤相對(duì)介電常數(shù)不同是分離殘膜的依據(jù)，介電常數(shù)受土壤含水量和測(cè)試頻率的很大影響。結(jié)果表明，在測(cè)試頻率（1～1 000 kHz）區(qū)間內(nèi)，風(fēng)干的殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)為1.0～1.3，風(fēng)干的土壤相對(duì)介電常數(shù)為3～4，干土-干膜的相對(duì)介電常數(shù)可以區(qū)分；含水土壤相對(duì)介電系數(shù)為20～40，含水的殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)基本為2～4，從理論上看采用靜電吸附方法分離濕土-濕膜比干土-干膜區(qū)分度更大。在測(cè)試頻率（100～600 kHz）范圍內(nèi)，含水土壤的相對(duì)介電常數(shù)為3.5～35.5，含水殘留地膜的相對(duì)介電常數(shù)為1.05～4.09，含水土壤的相對(duì)介電常數(shù)增加速度比含水殘留地膜快，說(shuō)明可以用靜電吸附方法對(duì)殘膜進(jìn)行分離。

關(guān)鍵詞：靜電吸附；介電常數(shù)；品質(zhì)因數(shù)；曲線擬合

中圖分類號(hào)： S151.9+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）07-0269-03

阿克蘇位于塔克拉瑪干沙漠西北邊緣、塔里木河上游，屬于暖溫帶干旱地區(qū)，土壤為棕漠土，該地區(qū)出產(chǎn)的棉花在全國(guó)享有盛名。地膜覆蓋技術(shù)被廣泛應(yīng)用于新疆棉花種植中，但殘膜回收不完整和自然條件對(duì)地膜的破壞，造成大量殘膜碎片混入土壤中。每年新疆覆膜量的20%以上殘留在土壤中，殘留量是全國(guó)平均地膜殘留量的4～5倍[1-2]。阿克蘇地區(qū)棉田平均地膜殘留量達(dá)134.09 kg/hm2，屬于重度污染區(qū)[3]。殘膜回收機(jī)具普遍存在殘膜回收工作效率低的問(wèn)題，特別是春播前殘膜回收機(jī)只能對(duì)地表殘膜進(jìn)行部分清除，清除效率不高。

土壤是由固相、液相、氣相組成的復(fù)雜混合物。土壤的基礎(chǔ)物理參數(shù)包括土壤密度、溫度、含水率等參數(shù)[4-5]。其中，土壤含水率是氣象學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等領(lǐng)域所關(guān)注和研究的重要內(nèi)容[6]，它不僅影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且也會(huì)影響土壤的介電特性。土壤作為一種代表性的電介質(zhì)材料，在外加電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為電介質(zhì)貼近極板的2個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)與相鄰極板所帶電荷異號(hào)的束縛電荷。

多年來(lái)很多研究人員一直致力于土壤介電特性檢測(cè)技術(shù)的研究。Logsdon等描述了含水量和頻率與土壤介電特性關(guān)系[7-8]。Skierucha等測(cè)試了不同頻段的土壤介電特性[9-11]。Velazquez-Marti等測(cè)定了農(nóng)業(yè)土壤介電性質(zhì)[12]。雷磊等對(duì)干旱區(qū)鹽漬土介電常數(shù)特性進(jìn)行測(cè)量與模型改進(jìn)[13]。郭文川等研究了主要因素對(duì)土壤介電特性的影響和土壤介電特性與水分檢測(cè)頻率及溫度變化規(guī)律[14-15]。劉軍等對(duì)微波波段土壤的介電常數(shù)模型進(jìn)行了研究[16]。楊攀構(gòu)建了土壤濕度和電容值的回歸方程[17]。周海洋等基于水平尺度擴(kuò)展的土壤水分介電傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種水平放置管式結(jié)構(gòu)的介電水分傳感器測(cè)量系統(tǒng)[18]。本研究從靜電吸附理論入手，研究新疆阿拉爾市棉花農(nóng)田中土壤介電特性隨頻率和含水率變化的規(guī)律，并進(jìn)行曲線擬合，旨在為采用靜電吸附技術(shù)對(duì)棉花收獲后的殘膜和土壤進(jìn)行分離提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料及預(yù)處理

供試土壤樣品采自新疆阿拉爾市十團(tuán)未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。試驗(yàn)前將采集的土壤進(jìn)行預(yù)處理，將土壤中的殘膜和雜質(zhì)去除，土壤自然風(fēng)干后，將干燥后的土壤研磨后用18目篩（孔徑1 mm）過(guò)篩。

預(yù)處理：恒溫箱烘干法是國(guó)際公認(rèn)的測(cè)定土壤水分的標(biāo)準(zhǔn)方法[19]。因此采用烘干法將土壤在105 ℃烤箱中烘干 14 h，按照質(zhì)量比1 ∶1加適量水，配制成不同濕度的樣本土，將土壤樣品裝入相同大小的容器內(nèi)靜置1 d，保證土壤樣品的均勻性。

1.2儀器與設(shè)備

TH2828S型高頻LCR數(shù)字電橋（江蘇省常州市優(yōu)高電子科技有限公司）；GZX-9140MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠）；0.02 mm游標(biāo)卡尺（廣西桂林量具刃具廠）等。

1.3試驗(yàn)方法

測(cè)定土壤樣品時(shí)，將直徑為3.605 cm銅制探頭與樣品表面緊密接觸，設(shè)定相同電壓、相同受力大小，試驗(yàn)過(guò)程中控制溫度為18 ℃，為避免外界干擾，樣品在屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。以測(cè)試頻率、含水率為試驗(yàn)因素，以電容為考核指標(biāo)。在同一含水率條件下，測(cè)量土壤樣品頻率增大時(shí)土壤電容的變化情況（測(cè)量4組）。在同一測(cè)量頻率下，測(cè)量含水率增大時(shí)土壤電容的變化情況（測(cè)量6組，取平均值）。最后通過(guò)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算相對(duì)介電常數(shù)。

介質(zhì)材料的介電常數(shù)一般采用相對(duì)介電常數(shù)εr表示，表征介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的物理參數(shù)，通常采用測(cè)量樣品的電容量，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出εr，它是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，因此單位是1，它們滿足如下關(guān)系：

式中：ε為絕對(duì)介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，ε0=8.85×1012F/m，S為樣品有效面積，h為樣品厚度，C為被測(cè)樣品電容量。

表面積與直徑關(guān)系：

式中：d為樣品直徑。

將（2）式帶入（1）式，得

本試驗(yàn)中，樣品直徑、厚度均用游標(biāo)卡尺測(cè)量，直徑平均值為30.08 mm，厚度平均值為63.02 mm。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件和MATLAB軟件處理數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1不同含水率條件下相對(duì)介電常數(shù)隨頻率的變化趨勢(shì)

相對(duì)介電常數(shù)表征材料極化并儲(chǔ)存電荷能力的物理量。土壤介電常數(shù)是土壤各組分的介電貢獻(xiàn)之和。圖1為測(cè)試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時(shí)，風(fēng)干后土壤和殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化規(guī)律。

采用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著頻率升高，風(fēng)干條件下的土壤樣品相對(duì)介電系數(shù)下降，1～100 kHz 頻率區(qū)間內(nèi)土壤樣品相對(duì)介電系數(shù)下降速度很快，說(shuō)明在這一頻率區(qū)間，相對(duì)介電常數(shù)對(duì)頻率變化敏感。100～1 000 kHz頻率區(qū)間內(nèi)土壤樣品相對(duì)介電系數(shù)變化不明顯，基本上為3～4。1～1 000 kHz頻率變化范圍內(nèi)，風(fēng)干的殘留地膜1的相對(duì)介電常數(shù)為1.184～1.262，曬干的殘留地膜2的相對(duì)介電常數(shù)為1.055～1.101，風(fēng)干殘留地膜介電常數(shù)為 1.0～1.3，與風(fēng)干的土壤樣品介電常數(shù)差值明顯，理論上來(lái)看可以采用靜電吸附的方法進(jìn)行分離。

圖2為當(dāng)測(cè)試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時(shí)，不同含水率的土壤和殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化規(guī)律，表1所示為圖2模擬曲線的方程和相關(guān)系數(shù)。

采用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著頻率升高，含水的殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)下降，在1～100 kHz范圍內(nèi)下降速度很快，說(shuō)明在這一頻率區(qū)間，含水的殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)對(duì)頻率變化敏感。在100～1 000 kHz范圍內(nèi)含水的殘留地膜相對(duì)介電常數(shù)變化不明顯，基本上為2～4，說(shuō)明在這一頻率區(qū)間，相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化下降趨勢(shì)趨于緩慢。含水的殘留地膜介電常數(shù)隨頻率變化模擬曲線方程為對(duì)數(shù)方程，相關(guān)系數(shù)在0.92以上。對(duì)含水土壤而言，相對(duì)介電常數(shù)隨頻率f的增大逐漸下降，這和干土規(guī)律相同，說(shuō)明含水率相同的曲線，相對(duì)介電常數(shù)在低頻的變化比高頻下更明顯。由表1可以看出，殘留的地膜和棉田中的土壤相對(duì)介電常數(shù)隨頻率變化的模擬曲線方程為對(duì)數(shù)方程，相關(guān)系數(shù)在 0.90 以上，擬合度良好。含水的殘留地膜和含水的土壤之間介電常數(shù)相差較大，從理論上來(lái)看可以用靜電吸附的方法進(jìn)行分離。

2.2不同頻率條件下介電常數(shù)隨含水率的變化趨勢(shì)

圖3為當(dāng)測(cè)試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時(shí)，土壤樣品在不同頻率下相對(duì)介電常數(shù)隨含水率變化曲線。圖4為當(dāng)測(cè)試電壓為1 V時(shí)，殘留地膜在不同頻率下相對(duì)介電常數(shù)隨含水率變化曲線。

由圖3可以看出，棉田土壤在頻率為100～600 kHz條件下，在含水率小于20%時(shí)，隨著含水率增大，介電常數(shù)呈增大趨勢(shì)，變化范圍為3.5～35.5。由圖4可以看出，隨著含水率增大，棉田土壤中的殘留地膜介電常數(shù)呈增大趨勢(shì)，變化范圍為1.05～4.09，同一頻率下與土壤的相對(duì)介電常數(shù)相差較大。由圖3、圖4可知，棉田中土壤和殘膜在有水情況下變化趨勢(shì)完全相同，但頻率對(duì)介電常數(shù)的影響小于含水率的影響。由表2、表3可以看出，殘留地膜和棉田中土壤相對(duì)介電常數(shù)隨含水率變化的模擬曲線方程為線性方程，相關(guān)系數(shù)在0.96以上，擬合度很好。

3結(jié)論

相對(duì)介電常數(shù)不同是殘留地膜和土壤分離的依據(jù)，介電常數(shù)受含水量和頻率的影響很大。本研究對(duì)阿克蘇地區(qū)棉田中的土壤和殘留地膜介電常數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，介電常數(shù)隨測(cè)試頻率變化模擬曲線為對(duì)數(shù)方程；低頻（1～100 kHz）條件下相對(duì)介電常數(shù)變化明顯；當(dāng)頻率較大（100～1 000 kHz）時(shí)相對(duì)介電常數(shù)變化不明顯。在測(cè)試頻率區(qū)間內(nèi)（1～1 000 kHz），風(fēng)干土壤（相對(duì)介電常數(shù)為3～4）與風(fēng)干的殘留地膜（相對(duì)介電常數(shù)為1.0～1.3）可以區(qū)分；含水土壤（相對(duì)介電常數(shù)為20～40）與含水殘留地膜（相對(duì)介電常數(shù)為2～4）區(qū)分度更大。在測(cè)試頻率區(qū)間（100～600 kHz）內(nèi)，含水土壤的相對(duì)介電常數(shù)為3.5～35.5，含水殘留地膜的相對(duì)介電常數(shù)為1.05～4.09，含水土壤的相對(duì)介電常數(shù)增加速度較含水殘留地膜的相對(duì)介電常數(shù)迅速。因此，從理論上分析，風(fēng)干殘膜-風(fēng)干土壤和含水殘膜-含水土壤均可以用靜電吸附方法進(jìn)行分離，這一研究結(jié)果可為靜電式農(nóng)田殘膜回收機(jī)的研制提供依據(jù)。

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