中子土壤水分儀的標定是中子測水技術(shù)的基礎(chǔ)。中子法測定土壤的水分,雖是利用快中子與上壤中水的氫核直接作用,但所測得的結(jié)果是快中子經(jīng)氫核慢終后生成的熱中子計數(shù)。為了要得到上壤水分含量,就必須明確熱中子計數(shù)與含水量的關(guān)系。這是利用中子水分儀測定土壤含水量的先決條件。
      一般地說,生成的熱中子密度與土壤含水量有一定的直線關(guān)系。實踐也證明了這一事實.但在實際應(yīng)用時,不同的儀器(主要是探頭的結(jié)構(gòu)和源的兒何位置不同),士壤理化性質(zhì)的羞異(如化學(xué)組成、質(zhì)地、容重等),對標定曲線的形狀、截距和斜率都有影響。所以,嚴格地說,對于每一臺儀器和每一種類土壤都需要有其特定的標定曲線,這樣才能得到較準確的測定結(jié)果。
      通常應(yīng)用的標定方法有兩種:室內(nèi)標定法和田間標定法.室內(nèi)標定法就是采集有代表性的土壤,根據(jù)實驗要求,配制成一定容重、不同容積含水量的土桶,然后用儀器測定各土桶中的熱中子計數(shù),并根據(jù)已知的容積含水量和相應(yīng)的熱中子計數(shù)作出關(guān)系曲線。田間標定法就是在實地選擇不同土壤含水量的測點,用儀器測定熱中子計數(shù)；同時在側(cè)點采土,用烘干法測定土壤的容重和含水量,以所得的數(shù)據(jù)作出熱中子計數(shù)與容積含水量的標定曲線。土壤的結(jié)構(gòu)和理化特性千差萬別,在不同的土壤中用室內(nèi)標定曲線,側(cè)量田間土壤水分,往往差異較大.因此,要準確地測量田間土壤含水量就必須要做田間標定。本研究應(yīng)用LZS犁中子水分儀,進行了室內(nèi)和田間標定試驗。
一、儀器與材料
    試驗所用的儀器為本所研制的LZS-30、LZS-50、LZS-100型中子土壤水分儀(241Am-Be中子源)、托普牌土壤水分溫度檢測儀.測定用的導(dǎo)管為商品硬質(zhì)鋁管,內(nèi)徑5cm,壁厚0.25cm。
    供試土壤為黃棕壤,采集于本院農(nóng)場旱地,能代表江蘇省西南丘陵區(qū)主要旱作土壤.土壤質(zhì)地為粉砂質(zhì)粘壤土,剖面的容重除耕作層外,2m土層內(nèi)均在1.6g/cm³左右,質(zhì)地結(jié)構(gòu)較一致。有機質(zhì)含量小于2%。
二、室內(nèi)標定
    1.標定土捅的規(guī)格
    土桶的大小對標定關(guān)系很大.一般應(yīng)用“重要球體”(Sphere of importance)概念.定義為:若將球體外的介質(zhì)和水分除去,在此范圍內(nèi)所得到的中子通量密度,相當于無窮大介質(zhì)中所獲得的中子通量密度的99%。亦有用神“有效球體”(Sphere of influence)概念的,即指能獲得95%中子通量密度的球體。根據(jù)實驗,在土壤介質(zhì)中熱中子云球體的半徑可由以下公式計算:
                                         R=100/(1.4+loQv)cm
       式中R為“重要球休”的半徑,Qv為容積含水量,1.4為常數(shù)。參考有關(guān)資料和理論計算,需采用直徑100cm、高100cm的圓柱形鐵桶。在土桶中心安置一個鋁質(zhì)導(dǎo)管,底端密封,頂端加蓋,并懸一硅膠袋以保持干燥。在桶的內(nèi)壁和導(dǎo)管外壁上每10cm作一刻度線,作為裝土的指示。
    2.不同含水量土樣的制備
    土樣采自大田,采集時先在田間進行細碎,并通過5mm孔徑的上篩,以便在隨后加水配制時能得到較均勻的含水分布。將土樣運至室內(nèi),經(jīng)過充分風(fēng)干,用土壤水分記錄儀測定土壤含水量。
    原計劃配制從風(fēng)干土到接近田間持水量間四級不同含水量的土樣,土壤吝重盡可能做成相同于田間土壤的情況。但在實際制備過程中發(fā)現(xiàn),在風(fēng)干土水分含量的情況下,試驗用的粉砂質(zhì)粘壤土只能壓實到1.39/cm³�？紤]到制作條件,試驗中均選用1.39/cm³的容重.
    配制各級水分土樣時,應(yīng)用了以下計算公式:
    (l)鑄次裝土的容積V
              V=π(R²-r²)h
    式中:R為土桶內(nèi)半徑,r為導(dǎo)管外半徑,h為每次裝土高度.
    (2)每次加風(fēng)干土重Ws
             Ws=Vp(1+Q)
    式中:p為千土容重,Q為風(fēng)干土含水率(重量)。
    (3)配制成容積含水量Qv所需加入的水重W
             W=V(Qv-PQ〕
    為了使土桶中土樣的容重一致,裝土?xí)r以10cm為一層,每桶分10層。根據(jù)以上公式計算出定量的風(fēng)干土,置于塑料薄膜上,將土鋪成薄層,用噴霧法分次加入定量的水,并分次充分拌勻,然后裝桶.待10cm層的土壤全部加入后,用壓土板壓實,使土面正好與10cm的刻度線相平。以后按此法分層進行,直至裝滿100cm為止.在此過程中,分次抽采拌和水后的土樣,以烘干法測定水分,作為土桶真正的土壤重量含水量。裝土完畢后在土表蓋塑料薄膜,膜上再加約3cm一層礫石,最后加上桶蓋以減少水分蒸發(fā).土桶靜置3-5日,待土壤中水分充分平衡后進行儀器標定。
     3.儀器標定
     標定前,先用探頭在每一土桶由土表至桶底,每10cm深度作一次測定,以檢查水分分布的均勻性。測定結(jié)果表明,各級水分土桶除上下各1scm以內(nèi)的計數(shù)受界面影響外,20-7ocm深度內(nèi)計數(shù)較一致。因此確定每個土桶選50cm深度作為標定的測點.
     實驗對LZS-30、LZS-50和LZS-100三種儀器分別進行了標定測量.每次標定前后,將儀器放在聚乙烯塑料標準塊上各作5次一分鐘計數(shù),共10次,以其平均值作為探頭的標準計數(shù)。標定時將探頭降至各土桶50cm深度測點位置,作10個一分鐘計數(shù),以其平均值作為相應(yīng)的水分計數(shù)。由各測點平均計數(shù)值與標準計數(shù)平均值分別計算出各測點的計數(shù)率比值,作為標定的中子計數(shù),以消除環(huán)境及儀器漂移的影響。用每種儀器在各桶的計數(shù)比與相應(yīng)的容積含水量進行回歸統(tǒng)計,并作出土壤水分標定曲線。實驗結(jié)果(表1)表明,三種探頭均有良好的線性關(guān)系.除LZS-100型在高含水量時誤差略大,為1.5%(容積含水量)外,其余均小于l%。LZS-30型的靈敏度為每1%容積含水量906cpm,LZS-100型為每1%容積含水量1480cpm,LZS-50型為每L容積含水量886cpm。

     這里應(yīng)指出的是,LZS-30型為聚氛乙烯防護容器,其佘為聚乙烯防護客器。標定所用的土桶是一年前制備的。高含水鼠的兩個土桶,其上壤容重和容積含水量未能保持恒定.其原因是配制土壤時水分過高,拌和成團,不易裝桶;因而改作拌上時先加一定量的水,裝桶后再把其余應(yīng)加的水均勻噴入,壓實定容。標定儀器時發(fā)現(xiàn),高含水量土壤經(jīng)過長時間放置,土樣有沉實現(xiàn)家,容積有所改變。因此,在標定測量后再用容重取土器采樣,測定實際的容重和含水鼠。從測量結(jié)果(表2)看出,兩個低含水量上桶(0號、1號)約土壤容重和含水量基本來變,而高含水量1均兩個土桶(2號、3號)則變化較大。因此離含水量土桶的制備方法還須進一步改進。

     由所得結(jié)果的良好線性相關(guān)情況來看,可以認為:在土壤組成和質(zhì)地均勻的條件下,子計數(shù)與容積含水量的關(guān)系密切相關(guān)。當容重在0.130-0.143g/cm³呂的范圍內(nèi)變動時,重的變化對標定的影響并不明顯。
三、田間標定
     田間標定是在一塊有代表性的田塊中,選擇剖面情況比較一致,自然的或以人工加紐截水方法建立的一仃一定含水量級差的幾個點,石同時測定中子水分儀計數(shù)和田間實際含水量(烘干法),以求得中子儀計數(shù)和含水量的關(guān)系,作出標定曲線。本試驗曾作過兩次探索:一次在測水試驗開始時,先挖兩個檢查剖面,主要是觀察試驗田塊的土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)狀況。同時,根據(jù)剖面的自然發(fā)育層次,用圓筒取上器采取原狀土樣,在寶內(nèi)測定容重和含水量。埋置測水導(dǎo)管鉆孔時分層采取上樣,用烘干法測定土壤水分。在同一孔內(nèi)插入導(dǎo)管,兩天后待導(dǎo)管與周圍土壤結(jié)合穩(wěn)定,用中子水分儀漢七之與采樣測水同二深度各點的熱巾子計數(shù).這樣可節(jié)省時間和工作量。所得結(jié)果表明,計數(shù)率和容積含水量經(jīng)統(tǒng)計分析雖有一定相關(guān)性,但誤差較大。這可能是采土樣和埋導(dǎo)管過程中造成的誤差所致。另一次結(jié)合桃園灌溉試驗進行,由于經(jīng)過一定時間,導(dǎo)管與周圍土壤結(jié)合穩(wěn)定.根據(jù)中子儀在各導(dǎo)管中測定的計數(shù)分布,選擇計數(shù)率不同的各點.為了少擾動導(dǎo)管周圍的土壤,在距導(dǎo)管50cm周圍同樣深度,每一測點用土鉆采三點土樣,用烘干祛測量土鑲水分含量。根據(jù)用、間剖面容重側(cè)定結(jié)果標定容積含水量,求得熱中子計數(shù)與容積含術(shù)量的類系。所得結(jié)果也有一定的相關(guān)性,但各點比較分散,誤差也大。其原因可能是土壤含水量空間變異和植物根漂的影響,各點本身3次重復(fù)的差異就較大。

     第3次標定所用儀器為LZS-30型中子土壤水分儀,在高產(chǎn)栽培麥田試驗區(qū)進行測定。試驗結(jié)束時,根據(jù)最后一次測水的結(jié)果,在各導(dǎo)管選擇不同含水量的測點,在同一深度緊靠導(dǎo)管處用容重取土器在測點上下各l0cm處來樣,用烘千法測定土壤容重和重量含水量。每點重復(fù)3次。在已知容重的土壤中,也可以只測合水量。由所得不同計數(shù)比和容積含水量,經(jīng)回歸統(tǒng)計分析得標準曲線(見圖)。其線性方程為:
         Re=5.173Qv+0.924
相關(guān)系數(shù)為0.994,有良好的直線關(guān)系。
     比較室內(nèi)標定和田間標定的結(jié)果(如圖，表3),可以看到,兩條標定曲線是斜率基本相同的平行線,說明儀器的性能準確可靠。田間標定曲線的截距高于室內(nèi)標定曲線,表明田間的土壤情況與室內(nèi)土桶中的土壤情況有所不同。室內(nèi)土壤經(jīng)過人工處理,基本上是均勻介質(zhì)。而由間土壤則比較復(fù)雜,是非均質(zhì)的,容重1.6g/cm³左右。一反映在水分標準誤差上,室內(nèi)標定的平均標準誤差為正負0.008,相對標準誤差為正負0.004,土壤分析儀的最大誤差為正負0.018，田間標定的相應(yīng)標準誤差分別為正負0.009，正負0.011和正負0.029。后者的誤差雖然略大,但從實際應(yīng)用的觀點來說,也有相當?shù)臏蚀_性,甚至更能代表田間實際情況,所以具有實用價值。
四、結(jié)束語
     從探索田間標定方法的過程可以看出,技術(shù)關(guān)鍵在于導(dǎo)管的設(shè)置.設(shè)置時應(yīng)盡可能少擾動周圍的土壤,設(shè)置后要經(jīng)過一段較長時間使導(dǎo)管與周圍土壤結(jié)合穩(wěn)定。采土樣烘干測水時,采土點應(yīng)盡量靠近導(dǎo)管的周圍,以免由于距離遠,受土壤水分空間變異的影響而產(chǎn)生誤差.田間標定方法一般比空內(nèi)制作土桶標定的方法更簡便易行。而室內(nèi)標定則比較準確,如只測定土壤巾水分的變異,亦可應(yīng)用。同時,寶內(nèi)標定是檢驗儀器性能的一種方法.所以兩者各有特點,不能互相取代.