土壤水分仪中子法和烘干法测量差异实验过程及结论

         中子法测量土壤含水量具有测量不用取样、测速快、精确度高、测深不限的优点，在非饱和水的测量及动态观测方面，有着独特的作用。烘干法是最基本最常用测量方法，也是其它测量方法的参照标准。本实验分析比较了两种测量方法的精度，其结论对中子土壤水分仪使用者有一定的参考作用。
土壤水分仪误差实验仪器与方法
1．1仪器参数
       仪器采用江苏农科院原子能所研制生产的I，520型智能中子土壤水份仪，源的中子发射率为6．6×104中子/秒，水中标准计数为950脉冲/秒，标定采用多项式回归方程，在标准土桶内的测量精确度优于1％(容积含水量)。
1．2 实验地点
        实验地点远在江苏农科院原子能所西院的大田中，面积400㎡，黄壤土，1米以内土壤质地基本相同，平均干容重1.389/m³。
1．3 测量方法
        测量前先利用防护容器做一次标准计数，作为测量的基准，然后将仪器置一导管上，把探头放至欲测深度进行测量，测量时间一般为30秒至1分钟，在田的四角相隔10米处埋四根1．1米的薄壁不锈钢导管，作为中子法泓量的四个测量点，烘干法在实验地四角和中间每取5个土样，中子法测量与烘干法取样在同一测层，深度误差控制在1厘米以内，测层在地表以下30cm至lm处选取。
土壤水分仪测量结果误差实验结果与分析
2．1 两种测量方法的误差分析与比较
       土壤含水量在空间分布上是一随机变量，假定土壤含水量在水平面上是按正态分布的，测量的目的通过抽取若干个样本估计整块或整片田的总体含水量值，由于中子法和烘干法的测量机理不同，估计结果的精度也不同，我们将四根导管测量作为中子法测量对总体估计样本，每次取的5个土样。作为烘干法对总体的估计样本，比较两种结果的误差，其结果见表1及表2。中子测量的平均样本标准差为0．66，烘干法为1．60。两者相差较大，我们认为这主要是由于样本容量的影响，烘干法每次只能取出体积不足120cm³的土样，而中子法所测量的是一个半径约为15cm，体积为1．4x 104cm³球体内土壤的加权平均值，其样本容量要大得多，由于样本容量和误差成反比，它的样本标准差必然要小。

      根据数理统计原理，该实验田的水分真值应在在(X±入√S2/n)范围内。其中x为样本均值，n为样本数，S为样本标准差，入为t分布的临界值。由公式可知，样本标准差越小，则真值散布的范围越小，测量结果的精密度也就越高，因此在样本数量基本相同的条件下，中子法测量的精密度比烘干法要高一倍以上，由于测量的准确度主要依赖于标定，这里不做讨论。
2．2重复性实验及结果重复性实验的目的是观察测量再现性精度，本实验的中子法选择了4个不同的测层，每次重新开机按测量程序复3次，烘干法则在相应的测层取土，比较两种测量的误差，结果见表3，表4：

        由重复性实验的结果看，中子法测量的样本标准差要小得多，这主要是它不用取样，土壤状况及测量位置可以完全再现，测量的误差主要来源于放射性计数的统计涨落，而它可以通过延长测量时间来减小，而烘干法测量误差测很大，这主要是每次取土的位置是不能重复的，因此要考虑土壤结构、质地。取样深度带来的误差，土时的上层的土粒会落在土样上，以及烘干法要经历称盒重、湿土重、烘干、称干土重、计算等一系列过程，又要引入一些误差甚至人为粗差，误差来源多而复杂，并且难以消除，从本实验的结果看，中子法测量的样本标准差要比烘干法小2倍以上，因此中子法测量的重复性比烘干法要好许多，所以用中子法进行相对测量或用于观察土壤水分动态变化方面更有优越性。
土壤水分仪测量结果误差实验结论
3．1 由于土壤含水量空间分布的变异性，无论用哪一种方法测量，都只能在一定的精度水平上进行，从对整块田某层含水量真值估计的角度看，如测量点数量基本相当，中子法的测量精度要高于烘干法1倍以上，尽管烘干法可以采用高精度天平将水分值测得很准，但这对总体估计的益处不大，所以在选择测量方法时，应注重方便、快速，能在多点获取测量数据，以利于较准确地对土壤水分进行估计。
3．2 中子法在相对测量或观察水分动态变化方面有其独到之处，由于不用取样，它可以测出某一点水分的很小的变化值，又由于中子慢化过程受盐分，温度等因素影响较小，能长年稳定地工作，适宜作长达十年以上的超长期定点观测与资料的积累。
3．3 中子测量方便快速，特别是深度超过1．5m以上的土层或在严寒带冻土层测量对具有其他测量方法不可替代的优越性。

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