中子土壤水分儀的標定是中子測水技術的基礎。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,但所測得的結果是快中子經氫核慢終后生成的熱中子計數。為了要得到上壤水分含量,就必須明確熱中子計數與含水量的關系。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系。實踐也證明了這一事實.但在實際應用時,不同的儀器(主要是探頭的結構和源的兒何位置不同),士壤理化性質的羞異(如化學組成、質地、容重等),對標定曲線的形狀、截距和斜率都有影響。所以,嚴格地說,對于每一臺儀器和每一種類土壤都需要有其特定的標定曲線,這樣才能得到較準確的測定結果。
      通常應用的標定方法有兩種:室內標定法和田間標定法.室內標定法就是采集有代表性的土壤,根據實驗要求,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數,并根據已知的容積含水量和相應的熱中子計數作出關系曲線。田間標定法就是在實地選擇不同土壤含水量的測點,用儀器測定熱中子計數；同時在側點采土,用烘干法測定土壤的容重和含水量,以所得的數據作出熱中子計數與容積含水量的標定曲線。土壤的結構和理化特性千差萬別,在不同的土壤中用室內標定曲線,側量田間土壤水分,往往差異較大.因此,要準確地測量田間土壤含水量就必須要做田間標定。本研究應用LZS犁中子水分儀,進行了室內和田間標定試驗。
一、儀器與材料
    試驗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.測定用的導管為商品硬質鋁管,內徑5cm,壁厚0.25cm。
    供試土壤為黃棕壤,采集于本院農場旱地,能代表江蘇省西南丘陵區主要旱作土壤.土壤質地為粉砂質粘壤土,剖面的容重除耕作層外,2m土層內均在1.6g/cm³左右,質地結構較一致。有機質含量小于2%。
二、室內標定
    1.標定土捅的規格
    土桶的大小對標定關系很大.一般應用“重要球體”(Sphere of importance)概念.定義為:若將球體外的介質和水分除去,在此范圍內所得到的中子通量密度,相當于無窮大介質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。根據實驗,在土壤介質中熱中子云球體的半徑可由以下公式計算:
                                         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。參考有關資料和理論計算,需采用直徑100cm、高100cm的圓柱形鐵桶。在土桶中心安置一個鋁質導管,底端密封,頂端加蓋,并懸一硅膠袋以保持干燥。在桶的內壁和導管外壁上每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,采集時先在田間進行細碎,并通過5mm孔徑的上篩,以便在隨后加水配制時能得到較均勻的含水分布。將土樣運至室內,經過充分風干,用土壤水分記錄儀測定土壤含水量。
    原計劃配制從風干土到接近田間持水量間四級不同含水量的土樣,土壤吝重盡可能做成相同于田間土壤的情況。但在實際制備過程中發現,在風干土水分含量的情況下,試驗用的粉砂質粘壤土只能壓實到1.39/cm³。考慮到制作條件,試驗中均選用1.39/cm³的容重.
    配制各級水分土樣時,應用了以下計算公式:
    (l)鑄次裝土的容積V
              V=π(R²-r²)h
    式中:R為土桶內半徑,r為導管外半徑,h為每次裝土高度.
    (2)每次加風干土重Ws
             Ws=Vp(1+Q)
    式中:p為千土容重,Q為風干土含水率(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,裝土時以10cm為一層,每桶分10層。根據以上公式計算出定量的風干土,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,使土面正好與10cm的刻度線相平。以后按此法分層進行,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.土桶靜置3-5日,待土壤中水分充分平衡后進行儀器標定。
     3.儀器標定
     標定前,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。測定結果表明,各級水分土桶除上下各1scm以內的計數受界面影響外,20-7ocm深度內計數較一致。因此確定每個土桶選50cm深度作為標定的測點.
     實驗對LZS-30、LZS-50和LZS-100三種儀器分別進行了標定測量.每次標定前后,將儀器放在聚乙烯塑料標準塊上各作5次一分鐘計數,共10次,以其平均值作為探頭的標準計數。標定時將探頭降至各土桶50cm深度測點位置,作10個一分鐘計數,以其平均值作為相應的水分計數。由各測點平均計數值與標準計數平均值分別計算出各測點的計數率比值,作為標定的中子計數,以消除環境及儀器漂移的影響。用每種儀器在各桶的計數比與相應的容積含水量進行回歸統計,并作出土壤水分標定曲線。實驗結果(表1)表明,三種探頭均有良好的線性關系.除LZS-100型在高含水量時誤差略大,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。

     這里應指出的是,LZS-30型為聚氛乙烯防護容器,其佘為聚乙烯防護客器。標定所用的土桶是一年前制備的。高含水鼠的兩個土桶,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水分過高,拌和成團,不易裝桶;因而改作拌上時先加一定量的水,裝桶后再把其余應加的水均勻噴入,壓實定容。標定儀器時發現,高含水量土壤經過長時間放置,土樣有沉實現家,容積有所改變。因此,在標定測量后再用容重取土器采樣,測定實際的容重和含水鼠。從測量結果(表2)看出,兩個低含水量上桶(0號、1號)約土壤容重和含水量基本來變,而高含水量1均兩個土桶(2號、3號)則變化較大。因此離含水量土桶的制備方法還須進一步改進。

     由所得結果的良好線性相關情況來看,可以認為:在土壤組成和質地均勻的條件下,子計數與容積含水量的關系密切相關。當容重在0.130-0.143g/cm³呂的范圍內變動時,重的變化對標定的影響并不明顯。
三、田間標定
     田間標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差的幾個點,石同時測定中子水分儀計數和田間實際含水量(烘干法),以求得中子儀計數和含水量的關系,作出標定曲線。本試驗曾作過兩次探索:一次在測水試驗開始時,先挖兩個檢查剖面,主要是觀察試驗田塊的土壤質地和結構狀況。同時,根據剖面的自然發育層次,用圓筒取上器采取原狀土樣,在寶內測定容重和含水量。埋置測水導管鉆孔時分層采取上樣,用烘干法測定土壤水分。在同一孔內插入導管,兩天后待導管與周圍土壤結合穩定,用中子水分儀漢七之與采樣測水同二深度各點的熱巾子計數.這樣可節省時間和工作量。所得結果表明,計數率和容積含水量經統計分析雖有一定相關性,但誤差較大。這可能是采土樣和埋導管過程中造成的誤差所致。另一次結合桃園灌溉試驗進行,由于經過一定時間,導管與周圍土壤結合穩定.根據中子儀在各導管中測定的計數分布,選擇計數率不同的各點.為了少擾動導管周圍的土壤,在距導管50cm周圍同樣深度,每一測點用土鉆采三點土樣,用烘干祛測量土鑲水分含量。根據用、間剖面容重側定結果標定容積含水量,求得熱中子計數與容積含術量的類系。所得結果也有一定的相關性,但各點比較分散,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,各點本身3次重復的差異就較大。

     第3次標定所用儀器為LZS-30型中子土壤水分儀,在高產栽培麥田試驗區進行測定。試驗結束時,根據最后一次測水的結果,在各導管選擇不同含水量的測點,在同一深度緊靠導管處用容重取土器在測點上下各l0cm處來樣,用烘千法測定土壤容重和重量含水量。每點重復3次。在已知容重的土壤中,也可以只測合水量。由所得不同計數比和容積含水量,經回歸統計分析得標準曲線(見圖)。其線性方程為:
         Re=5.173Qv+0.924
相關系數為0.994,有良好的直線關系。
     比較室內標定和田間標定的結果(如圖，表3),可以看到,兩條標定曲線是斜率基本相同的平行線,說明儀器的性能準確可靠。田間標定曲線的截距高于室內標定曲線,表明田間的土壤情況與室內土桶中的土壤情況有所不同。室內土壤經過人工處理,基本上是均勻介質。而由間土壤則比較復雜,是非均質的,容重1.6g/cm³左右。一反映在水分標準誤差上,室內標定的平均標準誤差為正負0.008,相對標準誤差為正負0.004,土壤分析儀的最大誤差為正負0.018，田間標定的相應標準誤差分別為正負0.009，正負0.011和正負0.029。后者的誤差雖然略大,但從實際應用的觀點來說,也有相當的準確性,甚至更能代表田間實際情況,所以具有實用價值。
四、結束語
     從探索田間標定方法的過程可以看出,技術關鍵在于導管的設置.設置時應盡可能少擾動周圍的土壤,設置后要經過一段較長時間使導管與周圍土壤結合穩定。采土樣烘干測水時,采土點應盡量靠近導管的周圍,以免由于距離遠,受土壤水分空間變異的影響而產生誤差.田間標定方法一般比空內制作土桶標定的方法更簡便易行。而室內標定則比較準確,如只測定土壤巾水分的變異,亦可應用。同時,寶內標定是檢驗儀器性能的一種方法.所以兩者各有特點,不能互相取代.