土壤水分儀中子法和烘干法測(cè)量差異實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論

         中子法測(cè)量土壤含水量具有測(cè)量不用取樣、測(cè)速快、精確度高、測(cè)深不限的優(yōu)點(diǎn)，在非飽和水的測(cè)量及動(dòng)態(tài)觀測(cè)方面，有著獨(dú)特的作用。烘干法是最基本最常用測(cè)量方法，也是其它測(cè)量方法的參照標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)分析比較了兩種測(cè)量方法的精度，其結(jié)論對(duì)中子土壤水分儀使用者有一定的參考作用。
土壤水分儀誤差實(shí)驗(yàn)儀器與方法
1．1儀器參數(shù)
       儀器采用江蘇農(nóng)科院原子能所研制生產(chǎn)的I，520型智能中子土壤水份儀，源的中子發(fā)射率為6．6×104中子/秒，水中標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)為950脈沖/秒，標(biāo)定采用多項(xiàng)式回歸方程，在標(biāo)準(zhǔn)土桶內(nèi)的測(cè)量精確度優(yōu)于1％(容積含水量)。
1．2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)
        實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)遠(yuǎn)在江蘇農(nóng)科院原子能所西院的大田中，面積400㎡，黃壤土，1米以內(nèi)土壤質(zhì)地基本相同，平均干容重1.389/m³。
1．3 測(cè)量方法
        測(cè)量前先利用防護(hù)容器做一次標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，作為測(cè)量的基準(zhǔn)，然后將儀器置一導(dǎo)管上，把探頭放至欲測(cè)深度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間一般為30秒至1分鐘，在田的四角相隔10米處埋四根1．1米的薄壁不銹鋼導(dǎo)管，作為中子法泓量的四個(gè)測(cè)量點(diǎn)，烘干法在實(shí)驗(yàn)地四角和中間每取5個(gè)土樣，中子法測(cè)量與烘干法取樣在同一測(cè)層，深度誤差控制在1厘米以內(nèi)，測(cè)層在地表以下30cm至lm處選取。
土壤水分儀測(cè)量結(jié)果誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2．1 兩種測(cè)量方法的誤差分析與比較
       土壤含水量在空間分布上是一隨機(jī)變量，假定土壤含水量在水平面上是按正態(tài)分布的，測(cè)量的目的通過抽取若干個(gè)樣本估計(jì)整塊或整片田的總體含水量值，由于中子法和烘干法的測(cè)量機(jī)理不同，估計(jì)結(jié)果的精度也不同，我們將四根導(dǎo)管測(cè)量作為中子法測(cè)量對(duì)總體估計(jì)樣本，每次取的5個(gè)土樣。作為烘干法對(duì)總體的估計(jì)樣本，比較兩種結(jié)果的誤差，其結(jié)果見表1及表2。中子測(cè)量的平均樣本標(biāo)準(zhǔn)差為0．66，烘干法為1．60。兩者相差較大，我們認(rèn)為這主要是由于樣本容量的影響，烘干法每次只能取出體積不足120cm³的土樣，而中子法所測(cè)量的是一個(gè)半徑約為15cm，體積為1．4x 104cm³球體內(nèi)土壤的加權(quán)平均值，其樣本容量要大得多，由于樣本容量和誤差成反比，它的樣本標(biāo)準(zhǔn)差必然要小。

      根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，該實(shí)驗(yàn)田的水分真值應(yīng)在在(X±入√S2/n)范圍內(nèi)。其中x為樣本均值，n為樣本數(shù)，S為樣本標(biāo)準(zhǔn)差，入為t分布的臨界值。由公式可知，樣本標(biāo)準(zhǔn)差越小，則真值散布的范圍越小，測(cè)量結(jié)果的精密度也就越高，因此在樣本數(shù)量基本相同的條件下，中子法測(cè)量的精密度比烘干法要高一倍以上，由于測(cè)量的準(zhǔn)確度主要依賴于標(biāo)定，這里不做討論。
2．2重復(fù)性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的目的是觀察測(cè)量再現(xiàn)性精度，本實(shí)驗(yàn)的中子法選擇了4個(gè)不同的測(cè)層，每次重新開機(jī)按測(cè)量程序復(fù)3次，烘干法則在相應(yīng)的測(cè)層取土，比較兩種測(cè)量的誤差，結(jié)果見表3，表4：

        由重復(fù)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，中子法測(cè)量的樣本標(biāo)準(zhǔn)差要小得多，這主要是它不用取樣，土壤狀況及測(cè)量位置可以完全再現(xiàn)，測(cè)量的誤差主要來源于放射性計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落，而它可以通過延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間來減小，而烘干法測(cè)量誤差測(cè)很大，這主要是每次取土的位置是不能重復(fù)的，因此要考慮土壤結(jié)構(gòu)、質(zhì)地。取樣深度帶來的誤差，土?xí)r的上層的土粒會(huì)落在土樣上，以及烘干法要經(jīng)歷稱盒重、濕土重、烘干、稱干土重、計(jì)算等一系列過程，又要引入一些誤差甚至人為粗差，誤差來源多而復(fù)雜，并且難以消除，從本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，中子法測(cè)量的樣本標(biāo)準(zhǔn)差要比烘干法小2倍以上，因此中子法測(cè)量的重復(fù)性比烘干法要好許多，所以用中子法進(jìn)行相對(duì)測(cè)量或用于觀察土壤水分動(dòng)態(tài)變化方面更有優(yōu)越性。
土壤水分儀測(cè)量結(jié)果誤差實(shí)驗(yàn)結(jié)論
3．1 由于土壤含水量空間分布的變異性，無論用哪一種方法測(cè)量，都只能在一定的精度水平上進(jìn)行，從對(duì)整塊田某層含水量真值估計(jì)的角度看，如測(cè)量點(diǎn)數(shù)量基本相當(dāng)，中子法的測(cè)量精度要高于烘干法1倍以上，盡管烘干法可以采用高精度天平將水分值測(cè)得很準(zhǔn)，但這對(duì)總體估計(jì)的益處不大，所以在選擇測(cè)量方法時(shí)，應(yīng)注重方便、快速，能在多點(diǎn)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，以利于較準(zhǔn)確地對(duì)土壤水分進(jìn)行估計(jì)。
3．2 中子法在相對(duì)測(cè)量或觀察水分動(dòng)態(tài)變化方面有其獨(dú)到之處，由于不用取樣，它可以測(cè)出某一點(diǎn)水分的很小的變化值，又由于中子慢化過程受鹽分，溫度等因素影響較小，能長(zhǎng)年穩(wěn)定地工作，適宜作長(zhǎng)達(dá)十年以上的超長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)與資料的積累。
3．3 中子測(cè)量方便快速，特別是深度超過1．5m以上的土層或在嚴(yán)寒帶凍土層測(cè)量對(duì)具有其他測(cè)量方法不可替代的優(yōu)越性。

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