摘要
土壤氮肥监测一直是国内外学者研究的重点内容之一，土壤含氮量监测对农业生产以及生态环境等多个方面均有重要意义。现阶段土壤含氮量测量手段和技术主要是依靠实验室内的仪器如连续流动分析仪或有关化学分析方法完成，其测量精度虽然较高，但速度较慢，测量结果存在一定滞后性，不能及时指导灌溉施肥。基于目前缺乏田间氮素长期监测设备以及相关测量理论的背景，本文采用矢量网络分析仪、同轴探头等介电测量设备，基于介电极化、介电弛豫、介电损耗、不同相界面双电层模型等理论，开展土壤与碳酸氢铵耦合条件下的介电测量试验及研究。 研究过程中，考虑影响土壤介电特性的主要因素，设计了铵根离子含量N、体积含水量θυ、土壤类型、试验温度及测试频率5个变量。分别以黑土、塿土、绵土为对象，制备5种不同铵根离子含量、5种不同含水量的测试土样，通过介电测量获取土壤介电谱（1MHz~4GHz）。基于试验结果及相关理论，分析土壤与碳酸氢铵耦合条件下的介电极化行为与特性，研究其介电弛豫及介电损耗特性，并分别构建土壤含水量及土壤铵态氮含量的介电测量模型。经研究，本文得出以下主要结论： （1）土壤与碳酸氢铵耦合条件下，在低于1GHz的频率范围内，影响土壤介电弛豫及损耗特性的微观极化机制主要是界面极化、松弛极化和转向极化。随着铵根离子含量N及含水量θυ增大，土壤整体介电弛豫及介电损耗特性与频率的关系更加显著。 （2）土壤与碳酸氢铵耦合条件下，铵根离子在多相混合体系中分布不均匀，在紧贴土壤颗粒（胶粒）表面的斯特恩层中分布较密，随距离增大，铵根离子浓度下降并趋于均匀分布。随碳酸氢铵施用量增大，铵根离子数量增加，更多阳离子吸附至土壤颗粒界面双电层中，土壤中偶极矩数量增加；反之，随铵根离子含量减少，土壤中偶极矩数量减少。 （3）根据介电特性实部ε′同土壤体积含水量θυ之间的相关关系，在146.96MHz频率下建立的含水量介电测量模型具有较高的相关系数及适用性，其相关系数R2为0.869。根据介电特性虚部ε″同铵根离子含量N以及介电特性实部ε′的相互作用关系，在4.00GHz频率下建立的含氮量介电测量模型具有较高的相关系数及适用性，其相关系数R2为0.897。 （4）基于Maxwell-Garnett理论及公式，结合Debye弛豫模型，提出一种介电混合模型对土壤含水量进行估算，通过与等效串联模型以及Bruggeman模型进行对比分析，确定本文研究提出的“半物理-半经验”含水量介电测量模型具有更好的估算精度以及适用性。 本研究尚存在不足之处：在研究铵根离子对土壤多孔介质介电特性影响时，对其他盐分离子考虑不足。在后续试验及研究中，需联系其他含量较大的盐分离子进行研究分析。
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