淺談數(shù)學(xué)模型在茶樹(shù)種植土壤導(dǎo)電與酸堿性測(cè)量中的應(yīng)用

董國(guó)玉

（廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000）

淺談數(shù)學(xué)模型在茶樹(shù)種植土壤導(dǎo)電與酸堿性測(cè)量中的應(yīng)用

董國(guó)玉

（廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北廊坊 065000）

茶葉科學(xué)種植加大了對(duì)信息技術(shù)的投入與研究，利用技術(shù)手段增強(qiáng)綜合實(shí)力，提高競(jìng)爭(zhēng)力。在數(shù)學(xué)建模中理論與實(shí)踐的結(jié)合，可以將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)易化。鑒于此，將數(shù)學(xué)模型引入茶葉土壤導(dǎo)電、酸堿性的測(cè)量應(yīng)用，以數(shù)學(xué)建模和茶葉土壤性質(zhì)相結(jié)合為切入點(diǎn)，對(duì)比了茶葉土壤的導(dǎo)電性與酸堿性的評(píng)估方法。分析影響土壤酸堿性和導(dǎo)電性的因素；最后，通過(guò)茶葉土壤導(dǎo)電與酸堿性的實(shí)例應(yīng)用，以其精確的衡量茶葉種植土壤的成分，將土壤性質(zhì)分析定量化、可視化。

數(shù)學(xué)模型；茶葉種植；土壤；導(dǎo)電性；酸堿性

茶的品質(zhì)大部分取決于茶葉的質(zhì)量。茶館經(jīng)營(yíng)者以及愛(ài)茶人士追求觀好茶、品好茶。這就要求茶葉生產(chǎn)者在茶葉種植上不斷下功夫，加大技術(shù)要素的投入。運(yùn)用合理的、恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型結(jié)合茶葉種植土壤，完成精準(zhǔn)化的分析數(shù)據(jù)處理質(zhì)量控制，提高茶葉種植土壤營(yíng)養(yǎng)度的高效應(yīng)用。

1 茶葉種植土壤的導(dǎo)電性與酸堿性

我國(guó)茶葉種植主要集中東南丘陵地區(qū)，茶葉主產(chǎn)區(qū)分布零散，茶葉種植與經(jīng)營(yíng)比較分散。茶葉種植土壤中缺少定量分析與精準(zhǔn)的栽培技術(shù)，造成我國(guó)茶葉未能科學(xué)化種植。因此，分析土質(zhì)對(duì)于增加茶葉生產(chǎn)量，提升茶葉品質(zhì)有著重要的意義。

1.1 茶葉土壤的導(dǎo)電性與酸堿性

土壤是附著在地球大陸表層的疏松物質(zhì)，它能為植物的生長(zhǎng)提供養(yǎng)分與環(huán)境。茶葉種植土壤的質(zhì)量與土壤本身的導(dǎo)電性有著密切的聯(lián)系。在土壤中，存在著電解質(zhì)，這種電解質(zhì)是導(dǎo)致土壤導(dǎo)電的根本原因。因此，濕潤(rùn)的土壤含水量高，所含的電解質(zhì)溶液也就多，土壤的導(dǎo)電能力加強(qiáng)；越干燥的土壤，含水量越低，土壤中水質(zhì)溶液中的電解質(zhì)飽和度低，溶液的電阻率就大。從數(shù)學(xué)建模上講，土壤含水量與電阻率也存在一定的相關(guān)性。土壤中存在著各種微生物，也存在各種物質(zhì)和分子，分子與分子之間也會(huì)有化學(xué)結(jié)合，所謂的土壤的酸堿性就是指這些化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后表現(xiàn)出來(lái)的酸堿程度。在化學(xué)農(nóng)業(yè)中，土壤的酸堿程度用酸堿度來(lái)度量。

1.2 茶葉種植土壤的導(dǎo)電性與酸堿性的評(píng)估方法

1.2.1 導(dǎo)電性評(píng)估方法

從物理學(xué)角度來(lái)分析，茶葉土壤兼具兩種電學(xué)性質(zhì)：第一是電容性，第二是電阻性。土壤具有激發(fā)極化效應(yīng)，使得其同時(shí)具有電阻性和電容性。土壤具備電學(xué)性質(zhì)的原因是土壤的激發(fā)極化效應(yīng)。根據(jù)物理學(xué)原理，我們可以運(yùn)用數(shù)學(xué)思維對(duì)變量進(jìn)行建模。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們可以知道，當(dāng)土壤的電阻率高時(shí)，電容處于低頻率的階段，在低頻率的階段里，土壤有足夠的時(shí)間來(lái)緩沖，此時(shí)可以積攢電容，是放電能量,矢量位移也會(huì)增大。當(dāng)?shù)皖l率慢慢增高時(shí),土壤所需積攢電容的時(shí)間縮短，激發(fā)極化效應(yīng)，慢慢變?nèi)酰藭r(shí)的電阻力慢慢上升，矢量位移也漸漸的縮小。因此，電容與電阻之間具備了線性相關(guān)的特征。

1.2.2 酸堿性評(píng)估方法

土壤酸性與堿性的測(cè)量，常用PH試紙或者酚酞溶液來(lái)衡量，土壤之所以有酸堿性，土壤中存在的氫離子和氫氧離子是導(dǎo)致土壤有酸堿性的根本原因。茶葉土壤中具有一部分礦物質(zhì)，礦物質(zhì)的來(lái)源是巖石的風(fēng)化侵蝕出現(xiàn)的成土母質(zhì)，成土母質(zhì)中有原生礦物。大氣中的酸性物質(zhì)侵入土壤內(nèi)層，使得土壤溶質(zhì)中的一些離子，分子以及膠體性質(zhì)發(fā)生變化，土壤溶液出現(xiàn)酸性堿性中性三個(gè)特性。當(dāng)氫離子與負(fù)離子結(jié)合時(shí)，會(huì)使土壤呈酸性，當(dāng)氫氧根離子跟正離子結(jié)合時(shí)，土壤呈堿性，土壤的鹽漬化也是這個(gè)原理，當(dāng)氫離子遇到鹽溶液中的負(fù)離子時(shí)，會(huì)結(jié)合生成氯化氫，而HCL溶液呈酸性。當(dāng)土壤中的氫氧根離子和Na鹽溶液結(jié)合時(shí)，會(huì)生成NaOH，而NaOH水溶液呈堿性。因此，土壤的鹽漬化會(huì)嚴(yán)重影響的土壤的酸堿性。土壤是由許許多多的物質(zhì)構(gòu)成的，其中有1/2是固體顆粒，也就是電解質(zhì)溶液中的雜質(zhì)。

1.3 茶葉土壤中酸堿性和導(dǎo)電性的因素

茶葉種植土壤好壞受土壤的鹽漬化和含水量的影響。從土壤的導(dǎo)電性能來(lái)說(shuō)，導(dǎo)電性能好的土壤，越有利于茶葉的種植，而導(dǎo)電性能好，就需要土壤的含水量好。影響土壤含水量的因素有很多，大氣中的降水是直接因素，土層深厚的土壤，也有利于茶葉的種植，因?yàn)橥翆由疃仍?0cm左右的土壤，土層的吸水性和含水量性好有利于茶樹(shù)的固根養(yǎng)基。此外，土壤的性質(zhì)影響土層的涵養(yǎng)量，坡度適宜的地形，有利于茶葉的種植，平均坡度在25。的左右的梯田或者是丘陵地區(qū)，土壤的排水性能好，可以防止茶樹(shù)根的受水分浸食而壞根滋長(zhǎng)；從土壤的酸堿性能來(lái)說(shuō)，水源的平衡，影響著土壤的酸堿。而影響土壤酸堿性的有土壤中的微生物和化學(xué)分子。微生物和化學(xué)分子少的土壤，相互之間發(fā)生化學(xué)或是生物反應(yīng)的可能性小。因此土壤大多呈酸性，在這樣的酸性土壤中，微生物酶會(huì)逐漸地失活，使得土壤中的硝化細(xì)菌作用增強(qiáng)，有利于土壤中氣體的排放，便于土壤的通氣和透氣。除此之外，土壤中的一些風(fēng)險(xiǎn)元素也會(huì)影響茶葉的種植，重度酸性土壤中也有可能含有重金屬。

2 茶葉種植土壤性質(zhì)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

用數(shù)學(xué)的思維對(duì)茶葉土壤性質(zhì)的檢測(cè)進(jìn)行相應(yīng)的建模處理，可以將數(shù)學(xué)理論方法應(yīng)用解決茶葉實(shí)際的生產(chǎn)問(wèn)題，體會(huì)應(yīng)用數(shù)學(xué)解決問(wèn)題的科學(xué)方法，并不斷完善，優(yōu)化現(xiàn)有的技術(shù)方案。

2.1 數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)

掌握數(shù)學(xué)模型的變化規(guī)律，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)的問(wèn)題可以更加的直觀和簡(jiǎn)便化，有利于選擇中的計(jì)算。利用數(shù)學(xué)模型解析對(duì)象可以提質(zhì)提優(yōu)。數(shù)學(xué)模型沒(méi)有固定的應(yīng)用格式。近年來(lái)，數(shù)學(xué)建模應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其是在農(nóng)業(yè)和化學(xué)領(lǐng)域，數(shù)學(xué)模型的建立最大的好處就是可以優(yōu)化選擇，而數(shù)學(xué)模型與茶葉種植相結(jié)合，可以有效地分析土壤的營(yíng)養(yǎng)成分，在短時(shí)間內(nèi)高效率的提高茶葉種植技術(shù)。而數(shù)學(xué)模型的建立需要驗(yàn)證，獲取到茶葉土壤的基本信息后，需要建立一個(gè)科學(xué)的算法模型，之后要根據(jù)理論數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相對(duì)比，得出可靠的結(jié)論。茶葉的種植適合于酸性土壤，PH在4.6到6.5的值利于茶樹(shù)的生長(zhǎng)。相反堿性的土壤不適合茶葉的種植，更不利于提高茶葉的品質(zhì)。

2.2 數(shù)學(xué)模型在茶葉種植土壤性質(zhì)檢測(cè)中的方法

2.2.1 數(shù)學(xué)模型融入元素分析法

茶葉種植的土壤越肥沃，有益于茶葉的提質(zhì)提優(yōu)，還能夠因?yàn)楹侠淼倪x擇而降低成本。因此，在很多條茶葉優(yōu)化選擇道路中，對(duì)土壤的優(yōu)化是最有效的。但是在現(xiàn)實(shí)生活中，由于不同的地區(qū)土壤的性質(zhì)不同，對(duì)土壤中的營(yíng)養(yǎng)要素的權(quán)衡也會(huì)不一樣。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，可以確定土壤中哪些元素能提高茶葉的質(zhì)量。比如，可以對(duì)土壤中不同元素建立正態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)據(jù)采集和方程運(yùn)算的方法，獲得茶葉土壤中所有的元素分布情況。在這樣可以清晰、明了的調(diào)整茶葉土壤中的元素配比。在土壤PH值的測(cè)定中，也可以運(yùn)用建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。適合茶葉種植的土壤應(yīng)該把PH值控制在5.0到6.0的范圍之內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)的酸性土壤生長(zhǎng)出來(lái)的茶樹(shù)，發(fā)芽會(huì)很早，而且根系會(huì)很粗壯發(fā)達(dá)。當(dāng)土壤的酸度過(guò)強(qiáng)，PH值小于4.0的時(shí)候，會(huì)影響茶樹(shù)對(duì)土壤中物質(zhì)中N、P、K元素的吸收。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型融入阻抗分析法

在測(cè)量分析法中，通過(guò)評(píng)估、分析種植土壤的性質(zhì)即酸堿度和導(dǎo)電性，控制酸堿性或者導(dǎo)電性中的元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有一定的片面性。但是在常規(guī)的分析法的過(guò)程中，對(duì)于反映哪一個(gè)元素對(duì)茶葉種植土壤的影響最大的評(píng)估很難，容易造成實(shí)驗(yàn)誤差。而在阻抗分析法中，會(huì)對(duì)現(xiàn)有元素進(jìn)行分析，包括土壤的酸堿度和導(dǎo)電性以外的性質(zhì)分析，就大大降低了數(shù)學(xué)模型中估算的誤差。阻抗分析法，可以在有效的時(shí)間內(nèi)，把影響茶葉種植土壤的因素反映出來(lái)，選擇不同的影響因子為變量，加入個(gè)別的除酸堿度和導(dǎo)電性以外的影響因子，建立L9(3^4)正交表的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)9次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)定，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算和分析，然后權(quán)衡酸堿度和導(dǎo)電性等影響因子的最優(yōu)情況，找出影響茶葉土壤的最大的影響因子。

3 數(shù)學(xué)模型在茶葉種植土壤導(dǎo)電與酸堿性中的應(yīng)用

3.1 數(shù)學(xué)模型在茶葉種植土壤導(dǎo)電與酸堿性中的實(shí)例

對(duì)茶樹(shù)種植提優(yōu)，從種植土壤優(yōu)化方面是最常見(jiàn)的。在茶樹(shù)種植土壤優(yōu)化方面，優(yōu)化的土壤性質(zhì)還要適用于特殊環(huán)境的行為對(duì)象。某茶葉生產(chǎn)區(qū)比較適合種植a和b兩種茶樹(shù)，當(dāng)兩種茶葉在市場(chǎng)上的反響都很好的情況下，生產(chǎn)者需要在a和b品種上作出選擇，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。我國(guó)東南丘陵的地區(qū)，土壤的酸堿度和導(dǎo)電性影響茶樹(shù)的種植，生產(chǎn)廠家會(huì)想要協(xié)調(diào)土壤的酸堿度和導(dǎo)電性時(shí)，可能會(huì)有兩種方法：第一種方法是控制土壤的酸堿度不變，然后增加土壤的導(dǎo)電性；第二種方法是控制土壤的導(dǎo)電性不變，降低土壤的堿性，提高土壤的酸度。此時(shí)，可以建立線性相關(guān)方程，不考慮茶葉品種原因的影響下，作出2相應(yīng)的函數(shù)圖像，得出2種類方法對(duì)茶葉產(chǎn)量的影響。基于此，根據(jù)不同的外界條件，選擇合理的種植方案，以期提高茶葉產(chǎn)量。

3.2 數(shù)學(xué)模型在茶樹(shù)種植土壤導(dǎo)電與酸堿性中的總結(jié)

通過(guò)以上的分析，我們可以知道茶樹(shù)種植土壤的營(yíng)養(yǎng)成分，是影響茶葉產(chǎn)量和質(zhì)量的重要的原因。有效的權(quán)衡土壤中的影響因子，比如酸堿度和導(dǎo)電性，并不斷優(yōu)化土壤的質(zhì)地，可以從根本上有效地提高茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而將利潤(rùn)最大化。而數(shù)學(xué)模型在茶樹(shù)種植土壤導(dǎo)電性與酸堿性色量中的運(yùn)用，有利于推進(jìn)茶產(chǎn)業(yè)面向信息化、技術(shù)化、合理化。

4 結(jié)論

現(xiàn)如今，茶經(jīng)營(yíng)者面臨的最大的問(wèn)題是茶葉的提質(zhì)、提優(yōu)，其中最難的是技術(shù)攻關(guān)問(wèn)題。數(shù)學(xué)模型在茶樹(shù)種植土壤導(dǎo)電性和酸堿性的測(cè)量應(yīng)用，能夠有效地對(duì)土壤的性質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以便合理規(guī)劃。調(diào)整種植土壤培優(yōu)在經(jīng)濟(jì)成本中的比重，這為我國(guó)的茶葉界開(kāi)辟了一條可循環(huán)的綠色經(jīng)濟(jì)通道。

[1]田啟燕.基于模糊數(shù)學(xué)方法的茶葉品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究[J].福建茶葉,2016(9):24-25.

[2]潘玉成,葉乃興,潘玉華等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在坦洋工夫紅茶感官品質(zhì)評(píng)定中的應(yīng)用研究[J].茶葉科學(xué),2015(5):465-472.

[3]郭廣杰.農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)信息技術(shù)在茶葉種植中的應(yīng)用分析[J].福建茶葉.2016(4)：86-87.

董國(guó)玉（1979-），女，河北廊坊人，碩士，副教授，研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)。