中子土壤水分仪的标定是中子测水技术的基础。中子法测定土壤的水分,虽是利用快中子与上壤中水的氢核直接作用,但所测得的结果是快中子经氢核慢终后生成的热中子计数。为了要得到上壤水分含量,就必须明确热中子计数与含水量的关系。这是利用中子水分仪测定土壤含水量的先决条件。
一般地说,生成的热中子密度与土壤含水量有一定的直线关系。实践也证明了这一事实.但在实际应用时,不同的仪器(主要是探头的结构和源的儿何位置不同), 士壤理化性质的羞异(如化学组成、质地、容重等),对标定曲线的形状、截距和斜率都有影响。所以,严格地说,对于每一台仪器和每一种类土壤都需要有其特定 的标定曲线,这样才能得到较准确的测定结果。
通常应用的标定方法有两种:室内标定法和田间标定法.室内标定法就是采集有代表性的土壤,根据实验要求,配制成一定容重、不同容积含水量的土桶,然后用仪 器测定各土桶中的热中子计数,并根据已知的容积含水量和相应的热中子计数作出关系曲线。田间标定法就是在实地选择不同土壤含水量的测点,用仪器测定热中子 计数；同时在侧点采土,用烘干法测定土壤的容重和含水量,以所得的数据作出热中子计数与容积含水量的标定曲线。土壤的结构和理化特性千差万别,在不同的土 壤中用室内标定曲线,侧量田间土壤水分,往往差异较大.因此,要准确地测量田间土壤含水量就必须要做田间标定。本研究应用LZS犁中子水分仪,进行了室内 和田间标定试验。
一、仪器与材料
试验所用的仪器为本所研制的LZS-30、LZS-50、LZS-100型中子土壤水分仪(241Am-Be中子源)、托普牌土壤水分温度检测仪.测定用的导管为商品硬质铝管,内径125px,壁厚6.25px。
供试土壤为黄棕壤,采集于本院农场旱地,能代表江苏省西南丘陵区主要旱作土壤.土壤质地为粉砂质粘壤土,剖面的容重除耕作层外,2m土层内均在1.6g/cm³左右,质地结构较一致。有机质含量小于2%。
二、室内标定
1.标定土捅的规格
土桶的大小对标定关系很大.一般应用“重要球体”(Sphere of importance)概念.定义为:若将球体外的介质和水分除去,在此范围内所得到的中子通量密度,相当于无穷大介质中所获得的中子通量密度的99%。 亦有用神“有效球体”(Sphere of influence)概念的,即指能获得95%中子通量密度的球体。根据实验,在土壤介质中热中子云球体的半径可由以下公式计算:
R=100/(1.4+loQv)cm
式中R为“重要球休”的半径,Qv为容积含水量,1.4为常数。参考有关资料和理论计算,需采用直径2500px、高2500px的圆柱形铁桶。在土桶中心安 置一个铝质导管,底端密封,顶端加盖,并悬一硅胶袋以保持干燥。在桶的内壁和导管外壁上每250px作一刻度线,作为装土的指示。
2.不同含水量土样的制备
土样采自大田,采集时先在田间进行细碎,并通过5mm孔径的上筛,以便在随后加水配制时能得到较均匀的含水分布。将土样运至室内,经过充分风干,用土壤水分记录仪测定土壤含水量。
原计划配制从风干土到接近田间持水量间四级不同含水量的土样,土壤吝重尽可能做成相同于田间土壤的情况。但在实际制备过程中发现,在风干土水分含量的情况 下,试验用的粉砂质粘壤土只能压实到1.39/cm³。考虑到制作条件,试验中均选用1.39/cm³的容重.
配制各级水分土样时,应用了以下计算公式:
(l)铸次装土的容积V
V=π(R²-r²)h
式中:R为土桶内半径,r为导管外半径,h为每次装土高度.
(2)每次加风干土重Ws
Ws=Vp(1+Q)
式中:p为千土容重,Q为风干土含水率(重量)。
(3)配制成容积含水量Qv所需加入的水重W
W=V(Qv-PQ〕
为了使土桶中土样的容重一致,装土时以250px为一层,每桶分10层。根据以上公式计算出定量的风干土,置于塑料薄膜上,将土铺成薄层,用喷雾法分次加入 定量的水,并分次充分拌匀,然后装桶.待250px层的土壤全部加入后,用压土板压实,使土面正好与250px的刻度线相平。以后按此法分层进行,直至装满 2500px为止.在此过程中,分次抽采拌和水后的土样,以烘干法测定水分,作为土桶真正的土壤重量含水量。装土完毕后在土表盖塑料薄膜,膜上再加约75px 一层砾石,最后加上桶盖以减少水分蒸发.土桶静置3-5日,待土壤中水分充分平衡后进行仪器标定。
3.仪器标定
标定前,先用探头在每一土桶由土表至桶底,每250px深度作一次测定,以检查水分分布的均匀性。测定结果表明,各级水分土桶除上下各1scm以内的计数受 界面影响外,20-7ocm深度内计数较一致。因此确定每个土桶选1250px深度作为标定的测点.
实验对LZS-30、LZS-50和LZS-100三种仪器分别进行了标定测量.每次标定前后,将仪器放在聚乙烯塑料标准块上各作5次一分钟计数,共10 次,以其平均值作为探头的标准计数。标定时将探头降至各土桶1250px深度测点位置,作10个一分钟计数,以其平均值作为相应的水分计数。由各测点平均计数 值与标准计数平均值分别计算出各测点的计数率比值,作为标定的中子计数,以消除环境及仪器漂移的影响。用每种仪器在各桶的计数比与相应的容积含水量进行回 归统计,并作出土壤水分标定曲线。实验结果(表1)表明,三种探头均有良好的线性关系.除LZS-100型在高含水量时误差略大,为1.5%(容积含水 量)外,其余均小于l%。LZS-30型的灵敏度为每1%容积含水量906cpm,LZS-100型为每1%容积含水量1480cpm,LZS-50型为 每L容积含水量886cpm。
这里应指出的是,LZS-30型为聚氛乙烯防护容器,其佘为聚乙烯防护客器。标定所用的土桶是一年前制备的。高含水鼠的两个土桶,其上壤容重和容积含水量 未能保持恒定.其原因是配制土壤时水分过高,拌和成团,不易装桶;因而改作拌上时先加一定量的水,装桶后再把其余应加的水均匀喷入,压实定容。标定仪器时 发现,高含水量土壤经过长时间放置,土样有沉实现家,容积有所改变。因此,在标定测量后再用容重取土器采样,测定实际的容重和含水鼠。从测量结果(表2) 看出,两个低含水量上桶(0号、1号)约土壤容重和含水量基本来变,而高含水量1均两个土桶(2号、3号)则变化较大。因此离含水量土桶的制备方法还须进一步改进。
由所得结果的良好线性相关情况来看,可以认为:在土壤组成和质地均匀的条件下,子计数与容积含水量的关系密切相关。当容重在0.130-0.143g/cm³吕的范围内变动时,重的变化对标定的影响并不明显。
三、田间标定
田间标定是在一块有代表性的田块中,选择剖面情况比较一致,自然的 或以人工加纽截水方法建立的一仃一定含水量级差的几个点,石同时测定中子水分仪计数和田间实际含水量(烘干法),以求得中子仪计数和含水量的关系,作出标 定曲线。本试验曾作过两次探索:一次在测水试验开始时,先挖两个检查剖面,主要是观察试验田块的土壤质地和结构状况。同时,根据剖面的自然发育层次,用圆 筒取上器采取原状土样,在宝内测定容重和含水量。埋置测水导管钻孔时分层采取上样,用烘干法测定土壤水分。在同一孔内插入导管,两天后待导管与周围土壤结 合稳定,用中子水分仪汉七之与采样测水同二深度各点的热巾子计数.这样可节省时间和工作量。所得结果表明,计数率和容积含水量经统计分析虽有一定相关性, 但误差较大。这可能是采土样和埋导管过程中造成的误差所致。另一次结合桃园灌溉试验进行,由于经过一定时间,导管与周围土壤结合稳定.根据中子仪在各导管 中测定的计数分布,选择计数率不同的各点.为了少扰动导管周围的土壤,在距导管1250px周围同样深度,每一测点用土钻采三点土样,用烘干祛测量土镶水分含 量。根据用、间剖面容重侧定结果标定容积含水量,求得热中子计数与容积含术量的类系。所得结果也有一定的相关性,但各点比较分散,误差也大。其原因可能是 土壤含水量空间变异和植物根漂的影响,各点本身3次重复的差异就较大。
第3次标定所用仪器为LZS-30型中子土壤水分仪,在高产栽培麦田试验区进行测定。试验结束时,根据最后一次测水的结果,在各导管选择不同含水量的测 点,在同一深度紧靠导管处用容重取土器在测点上下各l0处来样,用烘千法测定土壤容重和重量含水量。每点重复3次。在已知容重的土壤中,也可以只测合 水量。由所得不同计数比和容积含水量,经回归统计分析得标准曲线(见图)。其线性方程为:
Re=5.173Qv+0.924
相关系数为0.994,有良好的直线关系。
比较室内标定和田间标定的结果(如图，表3),可以看到,两条标定曲线是斜率基本相同的平行线,说明仪器的性能准确可靠。田间标定曲线的截距高于室内标定 曲线,表明田间的土壤情况与室内土桶中的土壤情况有所不同。室内土壤经过人工处理,基本上是均匀介质。而由间土壤则比较复杂,是非均质的,容重 1.6g/cm³左右。一反映在水分标准误差上,室内标定的平均标准误差为正负0.008,相对标准误差为正负0.004,土壤分析仪的最大误差为正负0.018，田间标定的相应标准误差分别为正负0.009，正负0.011和正负0.029。后者的误差虽然略大,但从实际应用的观点来说,也有相当的准确性,甚至更能代表田间实际情况,所以具有实用价值。
四、结束语
从探索田间标定方法的过程可以看出,技术关键在于导管的设置.设置时应尽可能少扰动周围的土壤,设置后要经过一段较长时间使导管与周围土壤结合稳定。采土 样烘干测水时,采土点应尽量靠近导管的周围,以免由于距离远,受土壤水分空间变异的影响而产生误差.田间标定方法一般比空内制作土桶标定的方法更简便易 行。而室内标定则比较准确,如只测定土壤巾水分的变异,亦可应用。同时,宝内标定是检验仪器性能的一种方法.所以两者各有特点,不能互相取代.
