EFFECT OF SOIL ORGANIC MATTER ON THE DIELECTRIC PERMITTIVITY AT THE FREQUENCIES 10 kHz - 8.5 GHz


Cite item

Full Text

Abstract

The results of measurements of the soils dielectric constant with different amounts of clay and organic matter (humus) are presented. It is shown that the growth of humus and the clay content increases the maximum amount of bound water. At frequencies above 1 GHz this leads to a decrease in the soil dielectric constant at high moistures. At frequencies 10-100 MHz the presence of clay leads to an increase of the soil dielectric constant, and the presence of humus leads to its reduction. It is also shown that the dielectric constant of transitional water depends on the frequency and increases rapidly at frequencies below 100 MHz. The results can be used to construct models of dielectric soil.

Full Text

Одним из важных показателей качества почвы является содержание гумуса. Его наличие в почвах необходимо учитывать при обработке данных дистанционного микроволнового зондирования. В работах [1; 2] показано, что присутствие гумуса проявляется в разной динамике коэффициента излучения почв в процессе высыхания. Для прогнозирования диэлектрических характеристик разрабатываются диэлектрические модели, вход ными параметрами которых являются физические и гидрологические характеристики почв [3; 4]. Благодаря развитию методики измерений [5] появилась возможность измерять спектры КДП в широком диапазоне частот. При этом диэлектрическая модель почвы может быть построена с использованием спектров, найденных для ограниченного числа значений влажности [6]. Для распространения моделей на широкий класс почв необходимо выяснить влияние гумуса на КДП. По методике, изложенной в [5], нами были проведены измерения спектров КДП почв, характеристики которых приведены в таблице, в диапазоне частот 10 кГц - 8,5 ГГц. Было установлено, что на частотах ниже 20-25 МГц при возрастании влажности может наблюдаться уменьшение действительной части КДП. Рефракционная модель на этих частотах не работает, поэтому для выявления влияния гумуса мы сравнивали диэлектрические характеристики почв на частотах выше 10 Гц. В соответствии с моделью [4] действительную n (показатель преломления) и мнимую к (показатель поглощения) части комплексного показателя преломления влажной почвы nS * = nS + /K, = л/ε* значения 0,42-0,55 в зависимости от диэлектрической проницаемости и плотности монолитного минерала. С учетом вышесказанного из (1) и (2) можно получить параметры Δη и Δκ, не зависящие от влажности и в первом приближении - от плотности: nS -1 Δη = (nb - 1)Mt = -S--(nu - 1)(M - Mt ) - А, Δκ = KbMt +- - к u (M - Mt ) можно представить в виде nS = nd + (nb - 1)MtP + (nu - 1)(M - Mt )P, (1) K S = K d + KbMt P + K u(M - Mt )P, (2) где nd, Kd, nb, Kb, nu, Ku - показатели преломления и поглощения сухой почвы, связанной и переходной воды, соответственно; Mt - максимальное количество связанной воды (массовая доля); M - общая влажность почвы (массовая доля); ρ - отношение плотности сухого сложения почвы к плотности воды. Формулы (1), (2) справедливы при влажностях M > Mt. Параметры nb, Kb, nu, Ku являются частотнозависимыми, а nd и Kd от частоты практически не зависят. Связь показателя преломления сухой почвы с плотностью сухого сложения можно представить в виде nd = 1 + Ар, где А - коэффициент, принимающий где n S и к, - экспериментально измеренные значения при M > Mt. Для определения частотных зависимостей Δn и Δκ достаточно произвести измерения n'S и к', при 3-х или 4-х значениях влажности, так чтобы максимальные значения M не выходили бы за пределы диапазона влажностей переходной воды. Поскольку в этом диапазоне влажностей значения nu и Ku не зависят от влажности, последние можно найти путем фиттирования так, чтобы частотные зависимости Δn и Δκ были бы одинаковыми для всех значений M, для которых произведены измерения n'S и к',. Частотные зависимости подобранных таким образом значений nu и Ku для почв, указанных в таблице под номерами 1, 2, 4, приведены на рис. 1. Видно, что для образцов 2 и 4 значения nu в диапазоне частот 0,1-4 ГГц остаются практически постоянными, а на частотах ниже 0,1 ГГц возрастают. При этом значения Ku около 1 ГГц имеют минимум, тогда как для бентонита значения nu и Ku непрерывно возрастают при уменьшении частоты. Частотные зависимости величины Δn = (nb - 1)Mt для почв, приведенных в таблице под номерами 1-6, приведены на рис. 2. Рис. 1 Рис. 2 96 Вестник СибГАУ. № 5 (51). 2013 Визуально заметно, что на частоте около 4 ГГц значение Δn тем больше, чем выше в почве содержание глины и гумуса. Также заметно, что в почвах, содержащих гумус, при понижении частоты значение Δn возрастает медленнее. Это отражается в следующих регрессионных уравнениях связи значений Δn с содержанием глины С и гумуса Н. На частоте 3,75 ГГц Δn = 1,36-С + 3,57-Н при квадрате коэффициента корреляции 0,945. На частоте 0,25 ГГц Δn = 2,71-С - 3,64-Н при квадрате коэффициента корреляции 0,80. Если в первом уравнении знак коэффициента регрессии при Н положителен, то во втором - отрицателен. Таким образом, в результате проведенного исследования показано, что показатель преломления переходной воды зависит от частоты и в среднеглинистых почвах резко возрастает на частотах ниже 100 МГц. На частотах 10-100 МГц наличие глины приводит к возрастанию диэлектрической проницаемости почвы, а наличие гумуса - к ее уменьшению.
×

About the authors

P. P. Bobrov

Omsk State Pedagogical University

Email: bobrov@omgpu.ru
14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia

O. V. Kondratieva

Omsk State Pedagogical University

14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia

M. M. Mustakova

Omsk State Pedagogical University

14 Tukhachevskiy st., Omsk, 644099, Russia

References

  1. Бобров П. П., Галеев О. В. Динамика радиояркостной температуры почв с различным содержанием гумуса // Исследование Земли из космоса. 2001. № 4. С. 74-80.
  2. Bobrov P. P., Galeyev O. W. Observed Effects of Soil Humus & Salt Contents on the Microwave Emissivity of Soils // Proceedings of the 2001 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium. Sydney, NSW. 2001. P. 2085-2087.
  3. Спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости почв, использующая стандартизованные агрофизические показатели / П. П. Бобров, В. Л. Миронов, О. А. Ивченко, В. Н. Красноухова // Исследование Земли из космоса. 2008. № 1. С. 15-23.
  4. Mironov V. L., Kosolapova L. G., Fomin S. V. Physically and Mineralogically Based Spectroscopic Di electric Model for Moist Soils // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2009. Vol. 47, № 7. Part 1. Р. 2059-2070.
  5. Бобров П. П., Кондратьева О. В., Репин А. В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости образца в одной ячейке от десятков герц до единиц гигагерц // Известия Вузов. Физика. 2012. № 8/3. С. 23-26.
  6. Data Processing Technique for Deriving Soil Water Spectroscopic Parameters in Microwave / V. L. Mironov, P. P. Bobrov, L. G. Kosolapova // Proc. of the 2006 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symp. 2006. Vol. 6. P. 2957-2961.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2013 Bobrov P.P., Kondratieva O.V., Mustakova M.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies