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物理介电特性差分解析土壤水分快速测定新方法

批准号:
32071890
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
胡建东
依托单位:
学科分类:
农业信息学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
胡建东

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
目前物理介电特性土壤水分测定研究主要集中在建立适应多土壤类型含水量测定的标定模型上,土壤中孔隙度对水分、土壤和空气三者之间物理介电特性影响问题亟待深入研究。本项目在团队前期已经明确土壤水分多参数调制技术机理基础上,深入分析土壤孔隙度引起介电特性变化规律,结合多年土壤物理化学性质现场测定工作经验,创新性提出物理介电特性参数差分解析法,拟开展以下研究工作:1)物理介电特性参数差分解析法水分测定基础理论;2)土壤含水量测定过程中温度变化不明显或呈单调性时,多相电容网络土壤传感器体系简化为当量并联结构,土壤物理介电特性参数差分解析消减土壤孔隙度等产生的测量误差;3)土壤、水分和空气三相依存下物理介电特性之间作用机制,揭示无需土类标定土壤水分信号快速获取规律。本项目从非匀质、多相和多孔土壤结构出发,解析不同孔隙度下土壤物理介电特性数学描述,为物理介电特性参数差分解析法土壤水分测定奠定理论基础。
英文摘要
Currently, dielectric properties based soil water content measurement mainly focus on how to eliminate the influence factors caused by the conductance in time-domain or frequency-domain method. Then calibration equations used for multiple soil types have been established for obtaining precise results of soil water content measurement. However, theoretical problems of soil porosity that produced by the physical interaction among water, soil and air need further to be understood and validated after analyzing the driving mechanism of soil porosity in both temporal and spatial domains. This project has been come up with an innovative idea, i.e. to implement the concept of parameter modulation of the frequency-domain capacitance soil water content sensor and dielectric properties involved soil water content measurement. Proposed research on this project: 1) accurate determination of soil water content using dielectric properties based differential parsing (DPDP) method; 2) the sensor system of soil water content in association with the multi-phase capacitance network can be simplified as an equivalent parallel structure when the changes in temperature are not obvious or monotonous during the measurement process of soil water content. The errors caused by soil type and soil porosity will be eliminated in the measurement of soil water content. 3) the mechanism of the physical interactions happened in dielectric properties of soil, water and air in soil sample, and rapid and accurate acquisition of soil water content signals without calibrations. This project will be initiated by the theory of heterogeneous, multi-phase and porous soil structure and the mathematical expressions of dielectric properties under different porosity. A novel theory of the DPDP method will be established and a novel approach will be put forward for the high-precision detection of water content of agricultural materials.
本项目针对解决土壤物理介电特性复杂性,包括土壤类型、颗粒大小、容重、有机质等因素制约土壤含水量准确快速测定问题,研究了土壤中孔隙度对水分、土壤颗粒和空气三者之间物理介电特性影响规律,研究了土壤含水量快速准确测定的土壤基质成分、孔隙度与表观介电常数之间的物理关系,探讨了传统介电物理模型在土壤含水量测定中产生偏差的原因。研究结果表明,传统介电模型测量偏差主要源于孔隙度效应而非质地效应。农田表层土壤孔隙度通常在0.39到0.70之间,而传统模型孔隙度范围仅为0.46到0.48,这一差异是导致传统介电模型对高孔隙度土壤含水量低估和低孔隙度土壤含水量高估的原因。通过本项目研究,提出了一种考虑土壤孔隙度和残余含水量物理介电修正模型,并通过9类土壤实验室和田间实验,对该修正模型的测量精度进行了比较分析。研究了用于土壤特定校准的二次压缩方法,基于粉质壤土和石英砂介电测量实验数据,获得了介电常数与土壤含水量两者之间关系三阶多项式拟合方程,建立了物理介电特性参数差分解析法水分测定基础理论,同时分析了测量频率、孔隙度和比表面积对土壤物理介电特性影响规律,确定了介电物理法测量土壤含水量最佳频率范围。项目基于介电物理时域反射法(TDR)理论,研究了J型TDR探头土壤水分快速敏感理论,建立了J型TDR探头土壤水分与介电常数关系模型,由于高频电磁波分布区域更广,从而提高了对不均匀土壤水分测定精度,其相对标准偏差为0.5%~3.6%,相关系数R²达到0.9958。此外,项目还研究了与介电特性相关的水敏感膜法光纤光栅传感器应用于土壤含水量在线测定方法,在线测量值与常规实验室法最大相对误差为2.334%,探讨了介电物理频域反射(FDR)法在农田面源污染监测中的应用,建立了土壤水分与土壤淋溶液提取量之间的变化规律,形成了介电物理特性频域法农业面源污染自动化在线监测技术体系。项目研究期间,共发表相关学术论文5篇,其中SCI/EI收录论文4篇,中文核心期刊论文1篇,并申请了1项发明专利;培养研究生6名,其中博士生3名,硕士生3名。
核酸适配体金纳米颗粒光学局域表面等离子共振小麦内源激素检测新方法研究
  • 批准号:
    31671581
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    胡建东
  • 依托单位:
国内基金
海外基金