頻率與含水率對殘膜—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殘膜進行回收。殘膜和土壤相對介電常數(shù)不同是分離殘膜的依據(jù)，介電常數(shù)受土壤含水量和測試頻率的很大影響。結(jié)果表明，在測試頻率（1～1 000 kHz）區(qū)間內(nèi)，風(fēng)干的殘留地膜相對介電常數(shù)為1.0～1.3，風(fēng)干的土壤相對介電常數(shù)為3～4，干土-干膜的相對介電常數(shù)可以區(qū)分；含水土壤相對介電系數(shù)為20～40，含水的殘留地膜相對介電常數(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。在測試頻率（100～600 kHz）范圍內(nèi)，含水土壤的相對介電常數(shù)為3.5～35.5，含水殘留地膜的相對介電常數(shù)為1.05～4.09，含水土壤的相對介電常數(shù)增加速度比含水殘留地膜快，說明可以用靜電吸附方法對殘膜進行分離。

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： S151.9+2文獻標(biāo)志碼： A文章編號：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134.09 kg/hm2，屬于重度污染區(qū)[3]。殘膜回收機具普遍存在殘膜回收工作效率低的問題，特別是春播前殘膜回收機只能對地表殘膜進行部分清除，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發(fā)育，而且也會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，在外加電場的作用下，電介質(zhì)會發(fā)生極化現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為電介質(zhì)貼近極板的2個表面會出現(xiàn)與相鄰極板所帶電荷異號的束縛電荷。

多年來很多研究人員一直致力于土壤介電特性檢測技術(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等測試了不同頻段的土壤介電特性[9-11]。Velazquez-Marti等測定了農(nóng)業(yè)土壤介電性質(zhì)[12]。雷磊等對干旱區(qū)鹽漬土介電常數(shù)特性進行測量與模型改進[13]。郭文川等研究了主要因素對土壤介電特性的影響和土壤介電特性與水分檢測頻率及溫度變化規(guī)律[14-15]。劉軍等對微波波段土壤的介電常數(shù)模型進行了研究[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展的土壤水分介電傳感技術(shù)，設(shè)計了一種水平放置管式結(jié)構(gòu)的介電水分傳感器測量系統(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，并進行曲線擬合，旨在為采用靜電吸附技術(shù)對棉花收獲后的殘膜和土壤進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未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。試驗前將采集的土壤進行預(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）過篩。

預(yù)處理：恒溫箱烘干法是國際公認的測定土壤水分的標(biāo)準方法[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試驗方法

測定土壤樣品時，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，試驗過程中控制溫度為18 ℃，為避免外界干擾，樣品在屏蔽箱內(nèi)進行測量。以測試頻率、含水率為試驗因素，以電容為考核指標(biāo)。在同一含水率條件下，測量土壤樣品頻率增大時土壤電容的變化情況（測量4組）。在同一測量頻率下，測量含水率增大時土壤電容的變化情況（測量6組，取平均值）。最后通過相關(guān)參數(shù)，計算相對介電常數(shù)。

介質(zhì)材料的介電常數(shù)一般采用相對介電常數(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)，通常采用測量樣品的電容量，經(jīng)過計算求出εr，它是一個無量綱數(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

本試驗中，樣品直徑、厚度均用游標(biāo)卡尺測量，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介電常數(shù)隨頻率的變化趨勢

相對介電常數(shù)表征材料極化并儲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之和。圖1為測試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時，風(fēng)干后土壤和殘留地膜相對介電常數(shù)隨頻率變化規(guī)律。

采用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，隨著頻率升高，風(fēng)干條件下的土壤樣品相對介電系數(shù)下降，1～100 kHz 頻率區(qū)間內(nèi)土壤樣品相對介電系數(shù)下降速度很快，說明在這一頻率區(qū)間，相對介電常數(shù)對頻率變化敏感。100～1 000 kHz頻率區(qū)間內(nèi)土壤樣品相對介電系數(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的相對介電常數(shù)為1.184～1.262，曬干的殘留地膜2的相對介電常數(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，理論上來看可以采用靜電吸附的方法進行分離。

圖2為當(dāng)測試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時，不同含水率的土壤和殘留地膜相對介電常數(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軟件對數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，隨著頻率升高，含水的殘留地膜相對介電常數(shù)下降，在1～100 kHz范圍內(nèi)下降速度很快，說明在這一頻率區(qū)間，含水的殘留地膜相對介電常數(shù)對頻率變化敏感。在100～1 000 kHz范圍內(nèi)含水的殘留地膜相對介電常數(shù)變化不明顯，基本上為2～4，說明在這一頻率區(qū)間，相對介電常數(shù)隨頻率變化下降趨勢趨于緩慢。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數(shù)方程，相關(guān)系數(shù)在0.92以上。對含水土壤而言，相對介電常數(shù)隨頻率f的增大逐漸下降，這和干土規(guī)律相同，說明含水率相同的曲線，相對介電常數(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介電常數(shù)隨頻率變化的模擬曲線方程為對數(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，從理論上來看可以用靜電吸附的方法進行分離。

2.2不同頻率條件下介電常數(shù)隨含水率的變化趨勢

圖3為當(dāng)測試電壓為1 V、土壤密度為1.1 g/cm3時，土壤樣品在不同頻率下相對介電常數(shù)隨含水率變化曲線。圖4為當(dāng)測試電壓為1 V時，殘留地膜在不同頻率下相對介電常數(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，隨著含水率增大，介電常數(shù)呈增大趨勢，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，變化范圍為1.05～4.09，同一頻率下與土壤的相對介電常數(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完全相同，但頻率對介電常數(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。本研究對阿克蘇地區(qū)棉田中的土壤和殘留地膜介電常數(shù)進行分析。結(jié)果表明：在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，介電常數(shù)隨測試頻率變化模擬曲線為對數(shù)方程；低頻（1～100 kHz）條件下相對介電常數(shù)變化明顯；當(dāng)頻率較大（100～1 000 kHz）時相對介電常數(shù)變化不明顯。在測試頻率區(qū)間內(nèi)（1～1 000 kHz），風(fēng)干土壤（相對介電常數(shù)為3～4）與風(fēng)干的殘留地膜（相對介電常數(shù)為1.0～1.3）可以區(qū)分；含水土壤（相對介電常數(shù)為20～40）與含水殘留地膜（相對介電常數(shù)為2～4）區(qū)分度更大。在測試頻率區(qū)間（100～600 kHz）內(nèi)，含水土壤的相對介電常數(shù)為3.5～35.5，含水殘留地膜的相對介電常數(shù)為1.05～4.09，含水土壤的相對介電常數(shù)增加速度較含水殘留地膜的相對介電常數(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行分離，這一研究結(jié)果可為靜電式農(nóng)田殘膜回收機的研制提供依據(jù)。

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