频率与含水率对残膜—土壤介电常数的影响

徐爱英+马少辉+牛旭+唐玉荣

摘要：地膜覆盖技术已经被广泛应用于新疆地区棉花种植中，为解决残膜回收这一难题，提出利用静电吸附原理对残膜进行回收。残膜和土壤相对介电常数不同是分离残膜的依据，介电常数受土壤含水量和测试频率的很大影响。结果表明，在测试频率（1～1 000 kHz）区间内，风干的残留地膜相对介电常数为1.0～1.3，风干的土壤相对介电常数为3～4，干土-干膜的相对介电常数可以区分；含水土壤相对介电系数为20～40，含水的残留地膜相对介电常数基本为2～4，从理论上看采用静电吸附方法分离湿土-湿膜比干土-干膜区分度更大。在测试频率（100～600 kHz）范围内，含水土壤的相对介电常数为3.5～35.5，含水残留地膜的相对介电常数为1.05～4.09，含水土壤的相对介电常数增加速度比含水残留地膜快，说明可以用静电吸附方法对残膜进行分离。

关键词：静电吸附；介电常数；品质因数；曲线拟合

中图分类号： S151.9+2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）07-0269-03

阿克苏位于塔克拉玛干沙漠西北边缘、塔里木河上游，属于暖温带干旱地区，土壤为棕漠土，该地区出产的棉花在全国享有盛名。地膜覆盖技术被广泛应用于新疆棉花种植中，但残膜回收不完整和自然条件对地膜的破坏，造成大量残膜碎片混入土壤中。每年新疆覆膜量的20%以上残留在土壤中，残留量是全国平均地膜残留量的4～5倍[1-2]。阿克苏地区棉田平均地膜残留量达134.09 kg/hm2，属于重度污染区[3]。残膜回收机具普遍存在残膜回收工作效率低的问题，特别是春播前残膜回收机只能对地表残膜进行部分清除，清除效率不高。

土壤是由固相、液相、气相组成的复杂混合物。土壤的基础物理参数包括土壤密度、温度、含水率等参数[4-5]。其中，土壤含水率是气象学、水文学、生态学、农业科学等领域所关注和研究的重要内容[6]，它不仅影响作物的生长发育，而且也会影响土壤的介电特性。土壤作为一种代表性的电介质材料，在外加电场的作用下，电介质会发生极化现象，宏观表现为电介质贴近极板的2个表面会出现与相邻极板所带电荷异号的束缚电荷。

多年来很多研究人员一直致力于土壤介电特性检测技术的研究。Logsdon等描述了含水量和频率与土壤介电特性关系[7-8]。Skierucha等测试了不同频段的土壤介电特性[9-11]。Velazquez-Marti等测定了农业土壤介电性质[12]。雷磊等对干旱区盐渍土介电常数特性进行测量与模型改进[13]。郭文川等研究了主要因素对土壤介电特性的影响和土壤介电特性与水分检测频率及温度变化规律[14-15]。刘军等对微波波段土壤的介电常数模型进行了研究[16]。杨攀构建了土壤湿度和电容值的回归方程[17]。周海洋等基于水平尺度扩展的土壤水分介电传感技术，设计了一种水平放置管式结构的介电水分传感器测量系统[18]。本研究从静电吸附理论入手，研究新疆阿拉尔市棉花农田中土壤介电特性随频率和含水率变化的规律，并进行曲线拟合，旨在为采用静电吸附技术对棉花收获后的残膜和土壤进行分离提供理论依据。

1材料与方法

1.1材料及预处理

供试土壤样品采自新疆阿拉尔市十团未耕作棉花地，采集深度0～20 cm。试验前将采集的土壤进行预处理，将土壤中的残膜和杂质去除，土壤自然风干后，将干燥后的土壤研磨后用18目筛（孔径1 mm）过筛。

预处理：恒温箱烘干法是国际公认的测定土壤水分的标准方法[19]。因此采用烘干法将土壤在105 ℃烤箱中烘干 14 h，按照质量比1 ∶1加适量水，配制成不同湿度的样本土，将土壤样品装入相同大小的容器内静置1 d，保证土壤样品的均匀性。

1.2仪器与设备

TH2828S型高频LCR数字电桥（江苏省常州市优高电子科技有限公司）；GZX-9140MBE型电热鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）；0.02 mm游标卡尺（广西桂林量具刃具厂）等。

1.3试验方法

测定土壤样品时，将直径为3.605 cm铜制探头与样品表面紧密接触，设定相同电压、相同受力大小，试验过程中控制温度为18 ℃，为避免外界干扰，样品在屏蔽箱内进行测量。以测试频率、含水率为试验因素，以电容为考核指标。在同一含水率条件下，测量土壤样品频率增大时土壤电容的变化情况（测量4组）。在同一测量频率下，测量含水率增大时土壤电容的变化情况（测量6组，取平均值）。最后通过相关参数，计算相对介电常数。

介质材料的介电常数一般采用相对介电常数εr表示，表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数，通常采用测量样品的电容量，经过计算求出εr，它是一个无量纲数，因此单位是1，它们满足如下关系：

式中：ε为绝对介电常数，ε0为真空介电常数，ε0=8.85×1012F/m，S为样品有效面积，h为样品厚度，C为被测样品电容量。

表面积与直径关系：

式中：d为样品直径。

将（2）式带入（1）式，得

本试验中，样品直径、厚度均用游标卡尺测量，直径平均值为30.08 mm，厚度平均值为63.02 mm。

1.4数据处理

采用Excel软件和MATLAB软件处理数据。

2结果与分析

2.1不同含水率条件下相对介电常数随频率的变化趋势

相对介电常数表征材料极化并储存电荷能力的物理量。土壤介电常数是土壤各组分的介电贡献之和。图1为测试电压为1 V、土壤密度为1.1 g/cm3时，风干后土壤和残留地膜相对介电常数随频率变化规律。

采用MATLAB软件对数据进行分析，结果表明，随着频率升高，风干条件下的土壤样品相对介电系数下降，1～100 kHz 频率区间内土壤样品相对介电系数下降速度很快，说明在这一频率区间，相对介电常数对频率变化敏感。100～1 000 kHz频率区间内土壤样品相对介电系数变化不明显，基本上为3～4。1～1 000 kHz频率变化范围内，风干的残留地膜1的相对介电常数为1.184～1.262，晒干的残留地膜2的相对介电常数为1.055～1.101，风干残留地膜介电常数为 1.0～1.3，與风干的土壤样品介电常数差值明显，理论上来看可以采用静电吸附的方法进行分离。

图2为当测试电压为1 V、土壤密度为1.1 g/cm3时，不同含水率的土壤和残留地膜相对介电常数随频率变化规律，表1所示为图2模拟曲线的方程和相关系数。

采用MATLAB软件对数据进行分析，结果表明，随着频率升高，含水的残留地膜相对介电常数下降，在1～100 kHz范围内下降速度很快，说明在这一频率区间，含水的残留地膜相对介电常数对频率变化敏感。在100～1 000 kHz范围内含水的残留地膜相对介电常数变化不明显，基本上为2～4，说明在这一频率区间，相对介电常数随频率变化下降趋势趋于缓慢。含水的残留地膜介电常数随频率变化模拟曲线方程为对数方程，相关系数在0.92以上。对含水土壤而言，相对介电常数随频率f的增大逐渐下降，这和干土规律相同，说明含水率相同的曲线，相对介电常数在低频的变化比高频下更明显。由表1可以看出，残留的地膜和棉田中的土壤相对介电常数随频率变化的模拟曲线方程为对数方程，相关系数在 0.90 以上，拟合度良好。含水的残留地膜和含水的土壤之间介电常数相差较大，从理论上来看可以用静电吸附的方法进行分离。

2.2不同频率条件下介电常数随含水率的变化趋势

图3为当测试电压为1 V、土壤密度为1.1 g/cm3时，土壤样品在不同频率下相对介电常数随含水率变化曲线。图4为当测试电压为1 V时，残留地膜在不同频率下相对介电常数随含水率变化曲线。

由图3可以看出，棉田土壤在频率为100～600 kHz条件下，在含水率小于20%时，随着含水率增大，介电常数呈增大趋势，变化范围为3.5～35.5。由图4可以看出，随着含水率增大，棉田土壤中的残留地膜介电常数呈增大趋势，变化范围为1.05～4.09，同一频率下与土壤的相对介电常数相差较大。由图3、图4可知，棉田中土壤和残膜在有水情况下变化趋势完全相同，但频率对介电常数的影响小于含水率的影响。由表2、表3可以看出，残留地膜和棉田中土壤相对介电常数随含水率变化的模拟曲线方程为线性方程，相关系数在0.96以上，拟合度很好。

3结论

相对介电常数不同是残留地膜和土壤分离的依据，介电常数受含水量和频率的影响很大。本研究对阿克苏地区棉田中的土壤和残留地膜介电常数进行分析。结果表明：在试验参数范围内，介电常数随测试频率变化模拟曲线为对数方程；低频（1～100 kHz）条件下相对介电常数变化明显；当频率较大（100～1 000 kHz）时相对介电常数变化不明显。在测试频率区间内（1～1 000 kHz），风干土壤（相对介电常数为3～4）与风干的残留地膜（相对介电常数为1.0～1.3）可以区分；含水土壤（相对介电常数为20～40）与含水残留地膜（相对介电常数为2～4）区分度更大。在测试频率区间（100～600 kHz）內，含水土壤的相对介电常数为3.5～35.5，含水残留地膜的相对介电常数为1.05～4.09，含水土壤的相对介电常数增加速度较含水残留地膜的相对介电常数迅速。因此，从理论上分析，风干残膜-风干土壤和含水残膜-含水土壤均可以用静电吸附方法进行分离，这一研究结果可为静电式农田残膜回收机的研制提供依据。

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