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第9期 聂向晖等：大港土电阻率的测量及其导电模型 .983 从图2还可以看出：对于大港土来说，其电阻率 时土壤导电主要是通过离子在土壤溶液中导电来实 随含水量增加而降低，特别是在含水量较低的情况 现的，土壤颗粒表面导电对土壤导电性的影响较小， 下，电阻率随含水量的变化比较明显，而对于高含水 随含水量增加，一方面增加了液态导电通道截面，降 量土壤，其电阻率随含水量的变化较小，最小电阻率 低了土壤溶液黏度，增加了土壤导电能力，土壤电阻 数值随含水量的变化见表1. 率降低：另一方面，由于土壤溶液中离子浓度随含水 表1不同含水量大港土的电阻率 量增加而降低，因而其电阻率反而增加，在这两种 Table 1 Electrical resistivity of Dagang soil at different water content 作用下，土壤电阻率在含水量较低的情况下，随含水 levels 量增加而迅速降低，随含水量的增加，电阻率的变化 含水量/% 10 15 20 5 34 逐渐减缓，最终达到一个相对的稳定值（图3）， 电阻率/(0m)7.151.010.530.370.27 1000 3分析与讨论 100 3.1土壤电阻率的影响因素 影响土壤电阻率的因素很多，归纳起来主要有 1 三类：第一类是与土壤结构有关的因素，包含孔隙 0 10 20 30 含水量% 率、含水量和土壤结构；第二类是表征土壤颗粒特征 的因素，包含土壤颗粒形状与方位、土壤颗粒粒度分 图3土端电阻率随含水量的变化 布、离子交换能力与润湿性等；第三类是与土壤溶液 Fig.3 Relation of soil electrical resistivity with water content 有关的因素，它随着土壤外界环境条件的变化而改 3.2土壤液相中的离子导电 变，主要有孔隙水电阻率、孔隙水中离子组成与外界 对于中、高含水量的土壤，其导电主要是通过土 温度等.这三类因素对土壤电阻率的影响并不是独 壤电解质溶液中离子导电来实现的，在外电场作用 立的，而是相互影响、相互作用的，房纯纲等门研究 下，离子受到电场力作用而定向运动，从而在电解质 了汉江遥堤电导率与土壤参数间的关系，发现电导 溶液中形成电流，电流强度随离子定向运动速度的 率与黏粒含量、含水量和孔隙比呈正相关，与土壤干 增加而增大，在不考虑溶液中各种离子间相互作用 密度呈反相关，而与粉粒含量相关性不大，Mc 的情况下，强电解质溶液中的电流强度可表示 Carter、Kaminski和Abu Hassanein-0]等对击实土 为山： 壤的电阻率特性进行了室内实验研究，得到土壤电 1=I4+1--∑C:lzll000NAes(⑤) 阻率随击实土含水量、饱和度、击实功、渗透性和温 度等变化的变化规律，总结了击实土壤的电阻率特 其中，I+为正电荷离子定向运动产生的电流，I-为 征. 负电荷离子定向运动产生的电流，C:为各种离子浓 在土壤中主要是靠离子来导电的，大多数完全 度，「z:为各种离子所带的单位电荷数，v:为各种 干燥的土壤和岩石是具有很高电阻率的电绝缘体. 离子运动速度，NA为阿伏伽德罗常数，e为单位电 只有在土壤中含有足够量的水，填充孔穴形成导电 荷电量，S为电解质溶液有效截面积， 通路的条件下，土壤才具有导电性，水对土壤电导 离子在电场中的运动速度：主要受电场力和 率的影响来自三方面：含水量影响导电通路截面积 其运动过程中阻力的影响，由Stokes定律可知其阻 和带电离子溶液黏度，即影响带电离子迁移率；土壤 力大小与其运动速度成正比： 溶入水中的带电离子种类和数量；流入土壤的水中 f=-6πIrv=-kv (6) 原有的带电离子种类和数量， 当离子所受到的电场力和阻力大小相等时其运 在含水量较低的情况下，由于土壤空穴大多为 动速度达到最大值vmm: 空气填充，有效的电解液通道截面积相对较小，通过 -8-9 (7) 土壤溶液导电的阻力较大，此时土壤导电主要是通 式中，？为电解液黏度，T为离子半径，k为常数， 过离子在土壤溶液中的导电和土壤颗粒表面导电共 G为电位梯度，由式(5)一(7)可得： 同实现.在含水量较高的情况下，水填充了土壤颗 粒间的大部分空穴，形成了有效的液态导电通道，此 0-RS-AVS-GS_ L IL I从图2还可以看出：对于大港土来说其电阻率 随含水量增加而降低特别是在含水量较低的情况 下电阻率随含水量的变化比较明显而对于高含水 量土壤其电阻率随含水量的变化较小最小电阻率 数值随含水量的变化见表1． 表1 不同含水量大港土的电阻率 Table1 Electrical resistivity of Dagang soil at different water content levels 含水量／％ 10 15 20 25 34 电阻率／（Ω·m） 7∙15 1∙01 0∙53 0∙37 0∙27 3 分析与讨论 3∙1 土壤电阻率的影响因素 影响土壤电阻率的因素很多归纳起来主要有 三类：第一类是与土壤结构有关的因素包含孔隙 率、含水量和土壤结构；第二类是表征土壤颗粒特征 的因素包含土壤颗粒形状与方位、土壤颗粒粒度分 布、离子交换能力与润湿性等；第三类是与土壤溶液 有关的因素它随着土壤外界环境条件的变化而改 变主要有孔隙水电阻率、孔隙水中离子组成与外界 温度等．这三类因素对土壤电阻率的影响并不是独 立的而是相互影响、相互作用的．房纯纲等［7］研究 了汉江遥堤电导率与土壤参数间的关系发现电导 率与黏粒含量、含水量和孔隙比呈正相关与土壤干 密度呈反相关而与粉粒含量相关性不大．McCarter、Kaminski 和 Abu Hassanein ［8－10］等对击实土 壤的电阻率特性进行了室内实验研究得到土壤电 阻率随击实土含水量、饱和度、击实功、渗透性和温 度等变化的变化规律总结了击实土壤的电阻率特 征． 在土壤中主要是靠离子来导电的大多数完全 干燥的土壤和岩石是具有很高电阻率的电绝缘体． 只有在土壤中含有足够量的水填充孔穴形成导电 通路的条件下土壤才具有导电性．水对土壤电导 率的影响来自三方面：含水量影响导电通路截面积 和带电离子溶液黏度即影响带电离子迁移率；土壤 溶入水中的带电离子种类和数量；流入土壤的水中 原有的带电离子种类和数量． 在含水量较低的情况下由于土壤空穴大多为 空气填充有效的电解液通道截面积相对较小通过 土壤溶液导电的阻力较大此时土壤导电主要是通 过离子在土壤溶液中的导电和土壤颗粒表面导电共 同实现．在含水量较高的情况下水填充了土壤颗 粒间的大部分空穴形成了有效的液态导电通道此 时土壤导电主要是通过离子在土壤溶液中导电来实 现的土壤颗粒表面导电对土壤导电性的影响较小． 随含水量增加一方面增加了液态导电通道截面降 低了土壤溶液黏度增加了土壤导电能力土壤电阻 率降低；另一方面由于土壤溶液中离子浓度随含水 量增加而降低因而其电阻率反而增加．在这两种 作用下土壤电阻率在含水量较低的情况下随含水 量增加而迅速降低随含水量的增加电阻率的变化 逐渐减缓最终达到一个相对的稳定值（图3）． 图3 土壤电阻率随含水量的变化 Fig．3 Relation of soil electrical resistivity with water content 3∙2 土壤液相中的离子导电 对于中、高含水量的土壤其导电主要是通过土 壤电解质溶液中离子导电来实现的．在外电场作用 下离子受到电场力作用而定向运动从而在电解质 溶液中形成电流电流强度随离子定向运动速度的 增加而增大．在不考虑溶液中各种离子间相互作用 的情况下强电解质溶液中的电流强度可表示 为［11］： I＝I＋＋I－＝ ∑ Ci｜z i｜vi1000NA eS （5） 其中I＋为正电荷离子定向运动产生的电流I－为 负电荷离子定向运动产生的电流Ci 为各种离子浓 度｜z i｜为各种离子所带的单位电荷数vi 为各种 离子运动速度NA 为阿伏伽德罗常数e 为单位电 荷电量S 为电解质溶液有效截面积． 离子在电场中的运动速度 vi 主要受电场力和 其运动过程中阻力的影响由 Stokes 定律可知其阻 力大小与其运动速度成正比： f＝－6πηrv＝－kv （6） 当离子所受到的电场力和阻力大小相等时其运 动速度达到最大值 v max： v max＝ z ieG 6πηr ＝ z ieG k （7） 式中η为电解液黏度r 为离子半径k 为常数 G 为电位梯度．由式（5）～（7）可得： ρ＝ RS L ＝ ΔV S IL ＝ GS I ＝ 第9期 聂向晖等： 大港土电阻率的测量及其导电模型 ·983·