土壤水分儀的室內(nèi)標(biāo)定和田間標(biāo)定測試實(shí)驗(yàn)

      中子土壤水分儀的標(biāo)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(jì)數(shù)。為了要得到上壤水分含量,就必須明確熱中子計(jì)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(shí)踐也證明了這一事實(shí).但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),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(duì)標(biāo)定曲線的形狀、截距和斜率都有影響。所以,嚴(yán)格地說,對(duì)于每一臺(tái)儀器和每一種類土壤都需要有其特定的標(biāo)定曲線,這樣才能得到較準(zhǔn)確的測定結(jié)果。
      通常應(yīng)用的標(biāo)定方法有兩種:室內(nèi)標(biāo)定法和田間標(biāo)定法.室內(nèi)標(biāo)定法就是采集有代表性的土壤,根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù),并根據(jù)已知的容積含水量和相應(yīng)的熱中子計(jì)數(shù)作出關(guān)系曲線。田間標(biāo)定法就是在實(shí)地選擇不同土壤含水量的測點(diǎn),用儀器測定熱中子計(jì)數(shù)；同時(shí)在側(cè)點(diǎn)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(jì)數(shù)與容積含水量的標(biāo)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(biāo)定曲線,側(cè)量田間土壤水分,往往差異較大.因此,要準(zhǔn)確地測量田間土壤含水量就必須要做田間標(biāo)定。本研究應(yīng)用LZS犁中子水分儀,進(jìn)行了室內(nèi)和田間標(biāo)定試驗(yàn)。
一、儀器與材料
    試驗(yàn)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(jī)質(zhì)含量小于2%。
二、室內(nèi)標(biāo)定
    1.標(biāo)定土捅的規(guī)格
    土桶的大小對(duì)標(biāo)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(dāng)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(shí)驗(yàn),在土壤介質(zhì)中熱中子云球體的半徑可由以下公式計(jì)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(jì)算,需采用直徑100cm、高100cm的圓柱形鐵桶。在土桶中心安置一個(gè)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(shí)先在田間進(jìn)行細(xì)碎,并通過5mm孔徑的上篩,以便在隨后加水配制時(shí)能得到較均勻的含水分布。將土樣運(yùn)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(jì)劃配制從風(fēng)干土到接近田間持水量間四級(jí)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(shí)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(yàn)用的粉砂質(zhì)粘壤土只能壓實(shí)到1.39/cm³�？紤]到制作條件,試驗(yàn)中均選用1.39/cm³的容重.
    配制各級(jí)水分土樣時(shí),應(yīng)用了以下計(jì)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(jì)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(shí),使土面正好與10cm的刻度線相平。以后按此法分層進(jìn)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(jìn)行儀器標(biāo)定。
     3.儀器標(biāo)定
     標(biāo)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(jí)水分土桶除上下各1scm以內(nèi)的計(jì)數(shù)受界面影響外,20-7ocm深度內(nèi)計(jì)數(shù)較一致。因此確定每個(gè)土桶選50cm深度作為標(biāo)定的測點(diǎn).
     實(shí)驗(yàn)對(duì)LZS-30、LZS-50和LZS-100三種儀器分別進(jìn)行了標(biāo)定測量.每次標(biāo)定前后,將儀器放在聚乙烯塑料標(biāo)準(zhǔn)塊上各作5次一分鐘計(jì)數(shù),共10次,以其平均值作為探頭的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)。標(biāo)定時(shí)將探頭降至各土桶50cm深度測點(diǎn)位置,作10個(gè)一分鐘計(jì)數(shù),以其平均值作為相應(yīng)的水分計(jì)數(shù)。由各測點(diǎn)平均計(jì)數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)平均值分別計(jì)算出各測點(diǎn)的計(jì)數(shù)率比值,作為標(biāo)定的中子計(jì)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(jì)數(shù)比與相應(yīng)的容積含水量進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì),并作出土壤水分標(biāo)定曲線。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hù)容器,其佘為聚乙烯防護(hù)客器。標(biāo)定所用的土桶是一年前制備的。高含水鼠的兩個(gè)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(shí)水分過高,拌和成團(tuán),不易裝桶;因而改作拌上時(shí)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(shí)定容。標(biāo)定儀器時(shí)發(fā)現(xiàn),高含水量土壤經(jīng)過長時(shí)間放置,土樣有沉實(shí)現(xiàn)家,容積有所改變。因此,在標(biāo)定測量后再用容重取土器采樣,測定實(shí)際的容重和含水鼠。從測量結(jié)果(表2)看出,兩個(gè)低含水量上桶(0號(hào)、1號(hào))約土壤容重和含水量基本來變,而高含水量1均兩個(gè)土桶(2號(hào)、3號(hào))則變化較大。因此離含水量土桶的制備方法還須進(jìn)一步改進(jìn)。

     由所得結(jié)果的良好線性相關(guān)情況來看,可以認(rèn)為:在土壤組成和質(zhì)地均勻的條件下,子計(jì)數(shù)與容積含水量的關(guān)系密切相關(guān)。當(dāng)容重在0.130-0.143g/cm³呂的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),重的變化對(duì)標(biāo)定的影響并不明顯。
三、田間標(biāo)定
     田間標(biāo)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(jí)差的幾個(gè)點(diǎn),石同時(shí)測定中子水分儀計(jì)數(shù)和田間實(shí)際含水量(烘干法),以求得中子儀計(jì)數(shù)和含水量的關(guān)系,作出標(biāo)定曲線。本試驗(yàn)曾作過兩次探索:一次在測水試驗(yàn)開始時(shí),先挖兩個(gè)檢查剖面,主要是觀察試驗(yàn)田塊的土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)狀況。同時(shí),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(shí)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(diǎn)的熱巾子計(jì)數(shù).這樣可節(jié)省時(shí)間和工作量。所得結(jié)果表明,計(jì)數(shù)率和容積含水量經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(yàn)進(jìn)行,由于經(jīng)過一定時(shí)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(jì)數(shù)分布,選擇計(jì)數(shù)率不同的各點(diǎn).為了少擾動(dòng)導(dǎo)管周圍的土壤,在距導(dǎo)管50cm周圍同樣深度,每一測點(diǎn)用土鉆采三點(diǎn)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(biāo)定容積含水量,求得熱中子計(jì)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(diǎn)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(diǎn)本身3次重復(fù)的差異就較大。

     第3次標(biāo)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(yàn)區(qū)進(jìn)行測定。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),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(diǎn),在同一深度緊靠導(dǎo)管處用容重取土器在測點(diǎn)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(diǎn)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(jì)數(shù)比和容積含水量,經(jīng)回歸統(tǒng)計(jì)分析得標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)定和田間標(biāo)定的結(jié)果(如圖，表3),可以看到,兩條標(biāo)定曲線是斜率基本相同的平行線,說明儀器的性能準(zhǔn)確可靠。田間標(biāo)定曲線的截距高于室內(nèi)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)誤差上,室內(nèi)標(biāo)定的平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為正負(fù)0.008,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為正負(fù)0.004,土壤分析儀的最大誤差為正負(fù)0.018，田間標(biāo)定的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為正負(fù)0.009，正負(fù)0.011和正負(fù)0.029。后者的誤差雖然略大,但從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)來說,也有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性,甚至更能代表田間實(shí)際情況,所以具有實(shí)用價(jià)值。
四、結(jié)束語
     從探索田間標(biāo)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(shí)應(yīng)盡可能少擾動(dòng)周圍的土壤,設(shè)置后要經(jīng)過一段較長時(shí)間使導(dǎo)管與周圍土壤結(jié)合穩(wěn)定。采土樣烘干測水時(shí),采土點(diǎn)應(yīng)盡量靠近導(dǎo)管的周圍,以免由于距離遠(yuǎn),受土壤水分空間變異的影響而產(chǎn)生誤差.田間標(biāo)定方法一般比空內(nèi)制作土桶標(biāo)定的方法更簡便易行。而室內(nèi)標(biāo)定則比較準(zhǔn)確,如只測定土壤巾水分的變異,亦可應(yīng)用。同時(shí),寶內(nèi)標(biāo)定是檢驗(yàn)儀器性能的一種方法.所以兩者各有特點(diǎn),不能互相取代.