土壤水分儀中子法和烘干法測量差異實驗過程及結(jié)論

         中子法測量土壤含水量具有測量不用取樣、測速快、精確度高、測深不限的優(yōu)點(diǎn)，在非飽和水的測量及動態(tài)觀測方面，有著獨(dú)特的作用。烘干法是最基本最常用測量方法，也是其它測量方法的參照標(biāo)準(zhǔn)。本實驗分析比較了兩種測量方法的精度，其結(jié)論對中子土壤水分儀使用者有一定的參考作用。
土壤水分儀誤差實驗儀器與方法
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)計數(shù)為950脈沖/秒，標(biāo)定采用多項式回歸方程，在標(biāo)準(zhǔn)土桶內(nèi)的測量精確度優(yōu)于1％(容積含水量)。
1．2 實驗地點(diǎn)
        實驗地點(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 測量方法
        測量前先利用防護(hù)容器做一次標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)，作為測量的基準(zhǔn)，然后將儀器置一導(dǎo)管上，把探頭放至欲測深度進(jìn)行測量，測量時間一般為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測量點(diǎn)，烘干法在實驗地四角和中間每取5個土樣，中子法測量與烘干法取樣在同一測層，深度誤差控制在1厘米以內(nèi)，測層在地表以下30cm至lm處選取。
土壤水分儀測量結(jié)果誤差實驗結(jié)果與分析
2．1 兩種測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，測量的目的通過抽取若干個樣本估計整塊或整片田的總體含水量值，由于中子法和烘干法的測量機(jī)理不同，估計結(jié)果的精度也不同，我們將四根導(dǎo)管測量作為中子法測量對總體估計樣本，每次取的5個土樣。作為烘干法對總體的估計樣本，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，而中子法所測量的是一個半徑約為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)計原理，該實驗田的水分真值應(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，中子法測量的精密度比烘干法要高一倍以上，由于測量的準(zhǔn)確度主要依賴于標(biāo)定，這里不做討論。
2．2重復(fù)性實驗及結(jié)果重復(fù)性實驗的目的是觀察測量再現(xiàn)性精度，本實驗的中子法選擇了4個不同的測層，每次重新開機(jī)按測量程序復(fù)3次，烘干法則在相應(yīng)的測層取土，比較兩種測量的誤差，結(jié)果見表3，表4：

        由重復(fù)性實驗的結(jié)果看，中子法測量的樣本標(biāo)準(zhǔn)差要小得多，這主要是它不用取樣，土壤狀況及測量位置可以完全再現(xiàn)，測量的誤差主要來源于放射性計數(shù)的統(tǒng)計漲落，而它可以通過延長測量時間來減小，而烘干法測量誤差測很大，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，從本實驗的結(jié)果看，中子法測量的樣本標(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)行相對測量或用于觀察土壤水分動態(tài)變化方面更有優(yōu)越性。
土壤水分儀測量結(jié)果誤差實驗結(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量，都只能在一定的精度水平上進(jìn)行，從對整塊田某層含水量真值估計的角度看，如測量點(diǎn)數(shù)量基本相當(dāng)，中子法的測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得很準(zhǔn)，但這對總體估計的益處不大，所以在選擇測量方法時，應(yīng)注重方便、快速，能在多點(diǎn)獲取測量數(shù)據(jù)，以利于較準(zhǔn)確地對土壤水分進(jìn)行估計。
3．2 中子法在相對測量或觀察水分動態(tài)變化方面有其獨(dú)到之處，由于不用取樣，它可以測出某一點(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，能長年穩(wěn)定地工作，適宜作長達(dá)十年以上的超長期定點(diǎn)觀測與資料的積累。
3．3 中子測量方便快速，特別是深度超過1．5m以上的土層或在嚴(yán)寒帶凍土層測量對具有其他測量方法不可替代的優(yōu)越性。

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