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土壤水分仪的室内标定和田间标定测试实验

      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 土壤水分测试仪 。测定用的导管为商品硬质铝管,内径5cm,壁厚0.25cm。
  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/cm?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100cm、高100cm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10cm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/cm?。考虑到制作条件,试验中均选用1.39/cm?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(R?-r?)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10cm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10cm层的土壤全部加入后,用压土板压实,使土面正好与10cm的刻度线相平。以后按此法分层进行,直至装满100cm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3cm一层砾石,*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10cm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50cm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50cm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/cm?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50cm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*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l0cm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/cm?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*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。

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