3He管中子土壤水分測(cè)量裝置提高測(cè)量精度

張 杰，劉 剛，李保國，李貴桐

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3He管中子土壤水分測(cè)量裝置提高測(cè)量精度

張 杰，劉 剛※，李保國，李貴桐

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

宇宙射線中子法是一種先進(jìn)的測(cè)定區(qū)域土壤水分含量的方法，但國內(nèi)外對(duì)其制約因素的研究仍不成熟。該研究利用商業(yè)化宇宙射線中子儀（CRS1000）和自己組裝的3He管中子水分探測(cè)器（3He管），在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站對(duì)土壤含水量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，將測(cè)量的結(jié)果與烘干法測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證2種儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并比較2種儀器對(duì)土壤水分變化響應(yīng)的靈敏性差異。研究結(jié)果顯示，CRS1000和3He管具有較高的穩(wěn)定性，在太陽活動(dòng)劇烈時(shí)，有必要考慮對(duì)中子入射強(qiáng)度進(jìn)行校正；通過與烘干法獲得的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)比較，CRS1000和3He管測(cè)量數(shù)據(jù)的均方根誤差分別為0.036、0.015 cm3/cm3，說明2種儀器進(jìn)行土壤水分測(cè)量的結(jié)果非常準(zhǔn)確；利用2種儀器獲得的土壤水分曲線的變化趨勢(shì)具有較高的一致性，在降水事件發(fā)生時(shí)，2種儀器都迅速作出響應(yīng)，但3He管對(duì)土壤水分變化的反應(yīng)更加靈敏，測(cè)量精度更高。同時(shí)，組裝的3He管中子水分探測(cè)器成本約為商業(yè)化宇宙射線中子儀的1/2，降低了成本，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

土壤；水分；傳感器；CRS1000；3He管

0 引 言

土壤水分是生態(tài)系統(tǒng)中水資源循環(huán)的重要組成部分，在地表和大氣之間的物質(zhì)和能量交換過程中充當(dāng)著非常重要的角色，土壤水分也是農(nóng)田作物生長發(fā)育的基本條件和農(nóng)田作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)的重要參數(shù)[1]；同時(shí)也是水文學(xué)、氣象學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域的重要環(huán)境因子和過程參數(shù)，因此對(duì)土壤水分監(jiān)測(cè)方法的研究受到眾多學(xué)科研究人員的重視[2]。

迄今為止，測(cè)定土壤含水量的方法多達(dá)幾十種，傳統(tǒng)的土壤水分測(cè)量方法大多為點(diǎn)測(cè)量的方法[3]，如烘干法、電容法、時(shí)域反射法（TDR）等，其測(cè)量多為小尺度水平上的研究，區(qū)域代表性差，而且具有費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)。遙感技術(shù)的發(fā)展成熟，為區(qū)域土壤含水量的研究提供了一種新的方法。遙感技術(shù)具有多源化、多時(shí)相等優(yōu)勢(shì)，可以獲取大范圍空間尺度上的土壤含水量，但是遙感技術(shù)一般只能反演近地表層5 cm以內(nèi)的含水量情況，且受土壤質(zhì)地、容重、植被覆蓋情況等多種因素影響[4]。

近年來，宇宙射線中子法的提出和應(yīng)用填補(bǔ)了傳統(tǒng)點(diǎn)測(cè)量方法和遙感方法之間的空白，對(duì)中尺度范圍的土壤水分研究具有重大的意義。宇宙射線中子法是一種被動(dòng)、非接觸測(cè)量土壤水分的方法，具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)、測(cè)量范圍廣、測(cè)量深度較深、可實(shí)現(xiàn)原位自動(dòng)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，其觀測(cè)結(jié)果幾乎不受到土壤化學(xué)性質(zhì)的影響[5-6]。宇宙射線中子法測(cè)定土壤含水量依據(jù)的原理是地表以上的宇宙射線快中子強(qiáng)度與土壤含水量之間呈反比例關(guān)系，利用固定在地表的宇宙射線中子探測(cè)器測(cè)量周圍環(huán)境中快中子的強(qiáng)度，繼而反演出以探測(cè)器為圓心、目標(biāo)半徑約為300 m區(qū)域內(nèi)的平均土壤含水量[5,7]。Hess等[8]首先提出了宇宙射線在大氣中廣泛存在的理論，并指出近地面的土壤水分含量是影響由宇宙射線慢化而成的快中子強(qiáng)度的決定性因素。Kodama等[9]初步探索出宇宙射線中子強(qiáng)度與土壤水分含量之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。Zreda等[5]將該方法發(fā)展，并做了大量相關(guān)研究，明確計(jì)算出中子傳感器測(cè)量的半徑及垂直距離，并與TDR傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，初步證實(shí)了該方法的可靠性。Desilets等[6]提出了中子數(shù)量與土壤水分含量的轉(zhuǎn)化方程，并提出了利用點(diǎn)測(cè)量方法進(jìn)行校正的理論。Franz等[10]提出了通用的校準(zhǔn)方程，對(duì)大氣壓力、空氣濕度、中子入射強(qiáng)度等因素進(jìn)行了校正。目前，該方法已在宇宙射線土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)中得到貫徹實(shí)施，并在美國本土長期監(jiān)測(cè)土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化[11]。與此同時(shí)，大量研究人員對(duì)宇宙射線中子法的應(yīng)用進(jìn)行了更深入的研究，并開始分析影響該方法測(cè)量精度的一些環(huán)境因素，Rivera等[12]定量研究了當(dāng)?shù)孛嬗蟹e雪覆蓋以及地面有植被覆蓋2種情況對(duì)土壤水分測(cè)量的影響，證明了少量雪覆蓋對(duì)宇宙射線中子法準(zhǔn)確性的影響遠(yuǎn)大于地面玉米覆蓋的影響。之后，Rivera等[13]又嘗試在作物下墊面條件下使用不同校正方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，證實(shí)了作物對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響較大，而不同深度的土壤水分對(duì)宇宙射線中子法的測(cè)量結(jié)果并沒有權(quán)重上的不同。另外，Rosolem等[14]研究了空氣水分因素對(duì)快中子強(qiáng)度的影響，并在理論上證明近地面空氣中的水汽對(duì)快中子強(qiáng)度最大會(huì)產(chǎn)生12%的影響，對(duì)土壤水分的測(cè)量造成計(jì)算誤差，需要作出相關(guān)修正。雖然原位宇宙射線中子水分探測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量半徑300 m范圍內(nèi)土壤平均含水量隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，但最新的車載宇宙射線中子水分探測(cè)系統(tǒng)可以在更大區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)土壤水分的空間變異性進(jìn)行研究。Chrisman等[15]利用車載宇宙射線中子水分探測(cè)系統(tǒng)繪制地表土壤水分含量圖，用土壤水分的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證。Almeida等[16]將快中子、電容探針網(wǎng)絡(luò)測(cè)定的土壤水分含量和適應(yīng)神經(jīng)推理系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，并可靠估計(jì)了濕潤時(shí)期內(nèi)表層土壤水分含量。Baroni等[17]主要針對(duì)目前快中子的修正問題，提出不需要進(jìn)行一一修正，而是利用一種擴(kuò)展的方法直接估計(jì)土壤水分含量。

宇宙射線中子水分探測(cè)系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用目前還處于起步階段，由于該方法受到海拔和緯度等許多地理因素的制約，其在中國的地理?xiàng)l件下的應(yīng)用還不能完全確定。國內(nèi)焦其順等[18]和賈曉俊等[19]將該方法分別應(yīng)用于甘肅黑河流域和北京海淀區(qū)上莊鄉(xiāng)測(cè)量土壤水分含量，證實(shí)宇宙射線中子法可以準(zhǔn)確測(cè)量該儀器測(cè)量范圍內(nèi)土壤含水量。趙純等[20]將宇宙射線中子水分觀測(cè)方法應(yīng)用在黃土高原草地植被中，結(jié)果證實(shí)該土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)能夠很好地測(cè)量黃土高原草地植被半徑約300 m范圍內(nèi)0～30 cm表層的土壤平均含水量。王秋銘等[21]將COSMOS系統(tǒng)應(yīng)用于陜北六道溝流域，通過對(duì)比分析COSMOS和TDT 2種方式測(cè)定的土壤含水量，驗(yàn)證了宇宙射線土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性，并證實(shí)了宇宙射線土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)槠旅娉叨韧寥浪趾蛷搅黝A(yù)測(cè)模型提供數(shù)據(jù)。由于快中子數(shù)受氣壓、空氣水汽、中子入射強(qiáng)度、地表及地下生物量、土壤中的晶格水等許多因素的影響，而且對(duì)大多數(shù)制約因素的研究仍不成熟，所以推廣宇宙射線中子法在土壤水分監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用仍需要做進(jìn)一步的研究。

本研究利用美國生產(chǎn)的商業(yè)化宇宙射線中子儀（簡稱CRS1000）和自己組裝的3He管中子水分探測(cè)器（簡稱3He管），對(duì)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站的土壤水分含量進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)所測(cè)中子強(qiáng)度進(jìn)行氣壓、空氣濕度以及中子入射強(qiáng)度的修正，分析CRS1000與3He管測(cè)量土壤水分含量結(jié)果變化趨勢(shì)的一致性，并比較2種裝置對(duì)于土壤水分變化的敏感性。

1 基本原理

在地球磁場(chǎng)的作用下，太空中存在的宇宙射線中子進(jìn)入地球。到達(dá)地球大氣上邊界時(shí)會(huì)與大氣中的原子核不斷碰撞發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，初級(jí)中子逐漸失去能量轉(zhuǎn)化為次級(jí)中子（或稱為高能中子），高能中子進(jìn)入地球表面與空氣和土壤中的原子核發(fā)生反應(yīng)，從而引起快中子的釋放，由于釋放的快中子能量不足而不能再次發(fā)生激發(fā)反應(yīng)，只能不斷與地表和大氣中的核子碰撞，不斷被慢化[5,22]。核子慢化快中子的作用主要由元素的宏觀散射橫截面積、每次碰撞所消耗能量以及核子數(shù)3個(gè)因素決定。研究表明，氫原子對(duì)快中子具有非常高的慢化能力，地表以上的快中子數(shù)量與周圍土壤中的氫原子數(shù)量具有顯著的相關(guān)性[23]。

在近地表面，氫原子主要存在于土壤水中，因此土壤水分含量是影響地面快中子強(qiáng)度的決定性因素，氫原子在慢化快中子中起決定性作用是宇宙射線中子方法測(cè)量土壤水分的主要理論依據(jù)。在前人理論研究基礎(chǔ)上，Desilets等[6]提出了中子強(qiáng)度與土壤含水量之間的函數(shù)關(guān)系

式中，()是測(cè)量范圍內(nèi)土壤含水量，cm3/cm3；是經(jīng)過氣壓、空氣濕度等修正后的中子數(shù)，個(gè)；0是在土壤不含水的情況下測(cè)量得到的中子數(shù)，個(gè)；通過蒙特卡洛模擬得到以下常數(shù)：0=0.080 8，1=0.372，2=0.115。

1.1 測(cè)量范圍

1.1.1 半 徑

通常定義宇宙射線中子水分觀測(cè)系統(tǒng)的水平探測(cè)范圍為86%的快中子的來源范圍[5]。因?yàn)橹凶拥钠骄⑸渥杂沙膛c每立方米空氣中的分子數(shù)成反比關(guān)系，即空氣密度越大，單位體積空氣中的分子數(shù)就會(huì)越多，中子傳輸?shù)木嚯x也就越小，測(cè)量范圍也就越小[11]。通常情況下測(cè)量半徑與氣壓的關(guān)系可由下式表示[14]

式中R,0為參考?xì)鈮?i>p,0的測(cè)量半徑（通常使用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的半徑值，為300m），m；R為當(dāng)前氣壓p下的半徑值，m。

1.1.2 深 度

宇宙射線中子儀的測(cè)量深度與測(cè)量區(qū)域內(nèi)的土壤水分含量呈反比。當(dāng)土壤含水量高時(shí)，近地表環(huán)境中含有的氫原子數(shù)也會(huì)多，加速土壤中快中子的慢化和吸收，使其無法繼續(xù)傳播下去。根據(jù)MCNPX的模擬結(jié)果，探測(cè)深度范圍為12～76 cm[5]。近年來，F(xiàn)ranz等[7]提出了基于土壤成分僅為水分和礦物質(zhì)成分的測(cè)量深度和土壤水分的計(jì)算公式

式中ρ為土壤的容重，g/cm3；為質(zhì)量含水量，通常忽略不計(jì)，g/g；為土壤體積含水量，cm3/cm3。

1.2 修正原理

1.2.1 大氣氣壓修正

高能宇宙射線粒子受到地球引力的吸引到達(dá)地球表面土壤的過程中，會(huì)不斷與大氣粒子發(fā)生碰撞，并且產(chǎn)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而丟失能量最終被慢化和吸收。當(dāng)大氣壓高時(shí)，由于空氣粒子密集，高能宇宙射線粒子與大氣粒子發(fā)生碰撞的次數(shù)相對(duì)較多，而到達(dá)地面附近的高能粒子強(qiáng)度就相對(duì)較弱，因此，當(dāng)測(cè)量土壤水分處于同一值時(shí)，測(cè)得的快中子個(gè)數(shù)相對(duì)較少；同理，當(dāng)大氣壓低時(shí)，測(cè)得的快中子個(gè)數(shù)相對(duì)較多，因此要對(duì)氣壓變化帶來的影響進(jìn)行修正。氣壓的修正系數(shù)f，見公式

其中，為高能中子的質(zhì)量衰減長度，mbar或g/cm2（在高緯度地區(qū)約為128 g/cm2，赤道附近約為142 g/cm2）；為采樣地點(diǎn)的氣壓值，kPa；0為任意參考?jí)簭?qiáng)，kPa[24]。

1.2.2 空氣濕度修正

當(dāng)空氣中的濕度不同時(shí)，也會(huì)對(duì)快中子的強(qiáng)度造成不同程度的影響，從而使土壤水分的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)誤差。對(duì)空氣濕度的修正系數(shù)為f，計(jì)算公式

式中ρ為測(cè)量期間的絕對(duì)濕度，g/m3；0為所設(shè)定參考條件下地表的絕對(duì)濕度，g/m3[25]。

1.2.3 中子入射強(qiáng)度修正

星際輻射波動(dòng)及太陽活動(dòng)也會(huì)對(duì)宇宙射線的傳播產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致地球上宇宙射線中子強(qiáng)度波動(dòng)?；诖耍凶訌?qiáng)度校正系數(shù)為f，公式為

式中I為儀器監(jiān)測(cè)到的中子強(qiáng)度，counts/h；0為基準(zhǔn)參考強(qiáng)度，counts/h[11,26]。

最終經(jīng)氣壓、空氣濕度以及中子入射強(qiáng)度校正后的公式為

式中為修正后的中子計(jì)數(shù)，cph；N為探測(cè)到的原始中子計(jì)數(shù)，cph。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站內(nèi)（40°8′N，116°10′E），該地區(qū)屬于華北山前沖積平原，是典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均降雨量約為600 mm，降雨多集中于6－9月份，該時(shí)期的降雨量占全年降雨總量的72.5%，且強(qiáng)降雨大多出現(xiàn)在午后及夜間[27]。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)主要種植玉米和小麥等農(nóng)作物以及葡萄、花卉等經(jīng)濟(jì)作物。

2.2 試驗(yàn)裝置

2015年4月到2016年7月期間，試驗(yàn)站內(nèi)安裝了美國Hydroinnova公司生產(chǎn)制造的商業(yè)化宇宙射線中子儀（型號(hào)為CRS1000），如圖1a所示，該裝置主要由中子探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機(jī)箱、GSM傳輸模塊等組成，由于本試驗(yàn)只研究土壤水分變化情況，故只應(yīng)用到快中子傳感器，該傳感器外觀呈圓柱狀，高122 cm，底面直徑11.5 cm，內(nèi)充BF3氣體。試驗(yàn)時(shí)，該中子傳感器底部距離地面150 cm。同時(shí)，該套裝置自帶氣壓傳感器、空氣溫度和濕度傳感器等。

在氣壓等條件相同的情況下，同等型號(hào)的BF3正比計(jì)數(shù)管的中子探測(cè)效率要遠(yuǎn)低于3He正比計(jì)數(shù)管的探測(cè)效率[28]。因而，為獲取更準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)，有必要采用3He正比計(jì)數(shù)管。另外，為了降低宇宙射線中子儀的成本，可采購的部件自己組裝而非采購成品商業(yè)化宇宙射線中子儀。實(shí)驗(yàn)室于2015年10月份從國外購買3He正比計(jì)數(shù)管（上端直徑2.5 cm，長為40 cm，2個(gè)大氣壓，英國Centronic公司）和中子脈沖監(jiān)測(cè)模塊（Model PDT-20A-HN，Precision Data Technology, Inc），自己組裝成3He管中子水分探測(cè)器，并于2015年10月份安裝在商業(yè)化宇宙射線中子儀附近。整套儀器包括：機(jī)箱、太陽能供電系統(tǒng)（20W太陽能電池板、太陽能控制器、12 V蓄電池）、3He正比計(jì)數(shù)管中子脈沖監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集儀（ModelCR1000，Campbell Scientific，Logan，UT）等。自行組裝3He管中子水分探測(cè)器的成本（11萬元人民幣）僅為Hydroinnova公司生產(chǎn)制造的商業(yè)化宇宙射線中子儀（型號(hào)為CRS1000，價(jià)格28萬元人民幣）的不到一半。

a.CRS1000數(shù)采儀 b.BF3正比計(jì)數(shù)器 c.數(shù)據(jù)采集器 d.中子脈沖檢測(cè)模塊 e.3He正比計(jì)數(shù)器

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2種宇宙射線中子儀自安裝完成后便開始計(jì)數(shù)工作，設(shè)置為每小時(shí)測(cè)量一次。同時(shí)，本試驗(yàn)采用烘干法測(cè)定宇宙射線中子儀測(cè)量范圍內(nèi)的土壤含水量，采樣點(diǎn)以CRS1000為圓心，60°夾角為間隔，分別在25、75、175 m半徑處取土，取樣深度為30 cm，每隔5 cm作為一個(gè)樣本，總共采集108個(gè)土樣[24]。用這108個(gè)點(diǎn)0～30 cm的平均土壤含水量代表該儀器測(cè)量范圍內(nèi)的表層土壤平均含水量，同時(shí)作為標(biāo)定儀器所需要的數(shù)據(jù)并與儀器測(cè)量值進(jìn)行比較，分別于2015年5月26日、6月5日、10月17日和2016年4月14日進(jìn)行了4次田間取樣。

3 結(jié)果與分析

3.1 標(biāo)定系數(shù)

本試驗(yàn)采用烘干法來測(cè)定CRS1000測(cè)量范圍內(nèi)的土壤含水量，對(duì)該儀器測(cè)量范圍內(nèi)的系數(shù)0進(jìn)行標(biāo)定。圖2是2015年6月5日下午利用土鉆取樣的位置示意圖，此次取樣測(cè)得區(qū)域內(nèi)土壤平均體積含水量為0.179 cm3/cm3，所有樣本含水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.035 cm3/cm3，說明該儀器測(cè)量范圍內(nèi)土壤水分含量存在一定程度的變異性。將儀器觀測(cè)到的中子強(qiáng)度進(jìn)行修正后，經(jīng)公式（1），反推得到商業(yè)化宇宙射線中子儀的系數(shù)0為1 150 cph。2015年10月份，自己組裝了一套3He管中子水分探測(cè)器，由于該儀器的型號(hào)以及所探測(cè)的中子強(qiáng)度不同，需要對(duì)3He管中子水分探測(cè)器采用同樣的方法，對(duì)系數(shù)0進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 土壤取樣位置分布

3.2 CRS1000中子入射強(qiáng)度波動(dòng)校正分析

CRS1000自帶有氣壓、濕度探測(cè)器，在應(yīng)用該儀器測(cè)量土壤水分含量的過程中主要分析并修正了氣壓與空氣濕度的影響。由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心宇宙射線觀測(cè)站的記錄顯示，2015年6月22日至30日發(fā)生了一次較強(qiáng)的太陽活動(dòng)，導(dǎo)致北京地區(qū)該時(shí)期的宇宙射線中子強(qiáng)度減弱。圖3a、圖3b、圖3c顯示了2015年6月3日至7月3日CRS1000氣壓校正系數(shù)、空氣濕度校正系數(shù)與中子入射強(qiáng)度校正系數(shù)的變化范圍，由圖可知，氣壓校正系數(shù)與空氣濕度校正系數(shù)并未受太陽活動(dòng)的影響，而中子入射強(qiáng)度的校正系數(shù)受太陽活動(dòng)的影響很大。由圖3d可知，當(dāng)太陽活動(dòng)較弱時(shí)，中子入射強(qiáng)度是否進(jìn)行校正所得到的土壤水分含量結(jié)果相差不大；但是當(dāng)太陽活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，CRS1000經(jīng)過中子強(qiáng)度校正后所計(jì)算的土壤水分含量與未經(jīng)中子強(qiáng)度校正計(jì)算得到的土壤含水量出現(xiàn)明顯偏差。由此可知，在應(yīng)用宇宙射線中子法計(jì)算土壤水分含量過程中，除了進(jìn)行氣壓與空氣濕度校正外，當(dāng)太陽活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，有必要考慮校正中子入射強(qiáng)度的影響，這與已有文獻(xiàn)的結(jié)論一致[13]。

3.3 商業(yè)化宇宙射線中子儀測(cè)量結(jié)果與烘干法比較

圖4為CRS1000在2015年5月份至2016年4月份記錄的區(qū)域內(nèi)土壤水分含量與4次田間取樣測(cè)定結(jié)果的對(duì)比。測(cè)量期間，由CRS1000探測(cè)的土壤水分含量最低值為0.116 cm3/cm3，最高值為0.445 cm3/cm3，由圖可以看出，4次不同時(shí)間人工取樣獲得的土樣含水量結(jié)果與 CRS1000的觀測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，均方根誤差為0.036 cm3/cm3。

圖3 CRS1000氣壓、水汽、中子強(qiáng)度校正系數(shù)和土壤體積含水量

圖4 CRS1000測(cè)量結(jié)果與烘干法結(jié)果對(duì)比

圖5為4次田間取樣前后48 h內(nèi)CRS1000探測(cè)到的水分含量與烘干法測(cè)定的土壤水分含量的結(jié)果比較。由圖可知，4次田間取樣的測(cè)量值與CRS1000的水分探測(cè)曲線擬合的較好；經(jīng)計(jì)算得到，2種方法所測(cè)結(jié)果的平均絕對(duì)差值為0.020 cm3/cm3，說明CRS1000測(cè)量土壤水分含量具有較高的準(zhǔn)確性，這也證明了CRS1000經(jīng)過校正后，監(jiān)測(cè)得到的土壤含水量具有較高的穩(wěn)定性，這與Zreda等[11]得到的結(jié)論一致。

3.4 CRS1000和3He管測(cè)定結(jié)果對(duì)比分析

3.4.1 2種儀器測(cè)量結(jié)果一致性分析

圖6為2次（2016年4月14日與5月8日）田間取樣測(cè)得的土樣水分含量與3He管測(cè)量值的比較結(jié)果，由圖可以看出烘干法測(cè)量得到的土壤水分結(jié)果與3He管測(cè)量曲線的擬合度較高，其計(jì)算得到的均方根誤差為0.015 cm3/cm3，表明自己組裝的3He管中子水分探測(cè)器測(cè)量土壤水分含量非常準(zhǔn)確，可以應(yīng)用于野外，進(jìn)行土壤水分的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

圖5 48 h內(nèi)CRS1000測(cè)量結(jié)果與烘干法測(cè)量值比較

圖6 3He管測(cè)量結(jié)果與烘干法測(cè)量值比較

在3He管應(yīng)用于野外進(jìn)行土壤體積含水量觀測(cè)前期（2015年11月～2016年4月），2種儀器的測(cè)量結(jié)果差別較大，平均絕對(duì)差值達(dá)到0.104 cm3/cm3；從2016年5月份開始，兩者土壤含水量的測(cè)量結(jié)果減小，平均絕對(duì)差值降為0.044 cm3/cm3，并且逐漸趨于一致，這與我們對(duì)3He管保護(hù)箱體內(nèi)加了屏蔽材料以及將蓄電池裝入屏蔽箱有關(guān)，減少了外部環(huán)境對(duì)3He正比計(jì)數(shù)管的輻射影響。圖7為2016年5月3日至2016年7月6日，2種儀器的土壤水分探測(cè)曲線比較。

如圖8所示，2種儀器的原始中子計(jì)數(shù)相差10倍左右。據(jù)文獻(xiàn)[29]知，Knoll在2000年曾提出關(guān)于中子探測(cè)器測(cè)量誤差的定義，指出測(cè)量結(jié)果誤差取決于探測(cè)器原始中子計(jì)數(shù)的大?。ㄕ扔贜-0.5），3He管中子水分探測(cè)器的平均原始中子計(jì)數(shù)可達(dá)7 225 cph，而CRS1000原始中子計(jì)數(shù)平均值為684 cph，由此表明3He管中子水分探測(cè)器的測(cè)量誤差要低于CRS1000，誤差（0.012）僅為后者（0.038）的不到三分之一，由此可以推斷，在圖8中，由3He管中子水分探測(cè)器給出的趨勢(shì)變化更準(zhǔn)確可靠。

圖7 2016年CRS1000與3He管測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖8 2016年CRS100與3He管原始中子計(jì)數(shù)比較

3.4.2 2種儀器對(duì)土壤水分變化的敏感性分析

3He管中子水分探測(cè)器在重新安裝應(yīng)用后，由于各種原因，部分月份數(shù)據(jù)丟失，直到5月份數(shù)據(jù)記錄穩(wěn)定。幾次大的降水主要發(fā)生在5、6月份，故采用了該時(shí)期的數(shù)據(jù)。圖9a是2016年5月份記錄的2種儀器對(duì)降雨事件的響應(yīng)，5月份共發(fā)生了3次較大的降水過程，2種儀器都做出了響應(yīng)，但對(duì)第1次降水事件做出的響應(yīng)非常明顯。

圖9 CRS1000與3He管在土壤水分發(fā)生變化時(shí)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖9b為2016年6月份CRS1000與3He管中子水分探測(cè)器對(duì)土壤水分變化敏感性的對(duì)比圖。根據(jù)上莊試驗(yàn)站雨量傳感器的記錄，較大的一次降水事件發(fā)生在6月10日上午，累計(jì)降水量為21.6 mm，2種儀器都對(duì)此次降水事件做出了非常明顯的響應(yīng)，但3He管的反應(yīng)更加迅速，變化趨勢(shì)更加明顯，說明3He管的靈敏性更高，這與3He管的中子計(jì)數(shù)效率遠(yuǎn)高于CRS1000有關(guān)。從圖中還可以看出，在沒有降水發(fā)生時(shí)，探測(cè)的土壤含水量仍然會(huì)有周期性的升降變化，且每天正午左右探測(cè)曲線位于低位，晚上12點(diǎn)左右位于高位，這與每天的太陽輻射強(qiáng)度變化以及地面蒸發(fā)有關(guān)，同時(shí)溫度的日變化與淺層土壤含水量的日變化規(guī)律一致。接下來，我們還會(huì)對(duì)此現(xiàn)象做進(jìn)一步的研究。

4 討 論

4.1 溫度以及風(fēng)速影響儀器對(duì)降水事件的響應(yīng)

溫度、風(fēng)速等天氣因素都會(huì)對(duì)土壤水分變化產(chǎn)生不可忽視的影響，特別是表層的土壤。溫度越高、風(fēng)速越快，土壤表層的水分蒸發(fā)就會(huì)加快，這可能導(dǎo)致儀器失去對(duì)小規(guī)模降水的響應(yīng)。從圖9a可以看出，第二次降水出現(xiàn)時(shí)，2種儀器測(cè)量的水分含量均未發(fā)生明顯的升高，由當(dāng)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)得知，第二次降水是從14日凌晨4點(diǎn)左右開始，持續(xù)了近12 h，但降水量僅為6.5 mm，非常少；且降水前12 h的平均溫度達(dá)到了22.5 ℃，土壤溫度較高，水分的蒸發(fā)很快，在降水接觸到地面時(shí)，水分瞬間被蒸發(fā)掉，導(dǎo)致儀器失去了對(duì)此次降水的響應(yīng)。由此，可以了解到，宇宙射線中子儀對(duì)降水的響應(yīng)有一定的局限性，但這并不影響儀器對(duì)土壤水分測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4.2 測(cè)區(qū)內(nèi)的環(huán)境因素對(duì)儀器測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響

快中子的數(shù)量受地表及地下生物量、土壤中的晶格水等許多因素的影響，故測(cè)量區(qū)域內(nèi)的作物種植情況、積雪以及積水狀況等環(huán)境因素，都會(huì)影響宇宙射線中子儀對(duì)區(qū)域水分含量的測(cè)量結(jié)果。但由于研究區(qū)內(nèi)作物種類繁多，本次研究未能考慮其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。接下來，將利用2種儀器對(duì)研究區(qū)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)，并充分考慮測(cè)量區(qū)域內(nèi)作物種植的情況以及其他環(huán)境因素；同時(shí)考慮人為控制作物的種植方案，比較3He管中子水分探測(cè)器和商業(yè)化宇宙射線中子儀在不同種植條件下，其測(cè)量結(jié)果的差異性，并探索提高2種儀器測(cè)量精度的方法。

5 結(jié) 論

該研究主要利用商業(yè)化宇宙射線中子儀（CRS1000)以及實(shí)驗(yàn)室自己組裝的3He管中子水分探測(cè)器（3He管）進(jìn)行土壤水分的持續(xù)監(jiān)測(cè)，并利用烘干法測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行系數(shù)0標(biāo)定和對(duì)比分析。試驗(yàn)表明，CRS1000經(jīng)過一次系數(shù)標(biāo)定后，測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，不需要進(jìn)行連續(xù)校正；當(dāng)太陽活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，應(yīng)用宇宙射線中子法計(jì)算土壤水分含量時(shí)有必要對(duì)中子入射強(qiáng)度進(jìn)行校正；田間取樣獲得的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)與2種儀器的測(cè)量曲線擬合度較高，說明2種儀器進(jìn)行土壤水分測(cè)量的結(jié)果可靠，準(zhǔn)確性高，而3He管單位時(shí)間內(nèi)的原始中子計(jì)數(shù)約為CRS1000的10倍，這說明3He管具有更高的測(cè)量精度；試驗(yàn)后期，2種儀器測(cè)量的土壤水分曲線的變化趨勢(shì)具有較高的一致性，在有降水事件發(fā)生時(shí)，2種儀器都對(duì)降水做出響應(yīng)，但3He管對(duì)于土壤水分變化反應(yīng)更加靈敏。與此同時(shí)，3He管中子水分探測(cè)器的組裝費(fèi)用約為商業(yè)化宇宙射線中子儀的購買價(jià)格的一半，成本更加便宜，所以3He管中子水分探測(cè)器具有更好的應(yīng)用前景。

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3He tube neutron moisture measurement device improving measuring accuracy

Zhang Jie , Liu Gang※, Li Baoguo, Li Guitong

(100193)

As a significant part of water resources in the ecosystem cycle, soil moisture plays an extremely important role in the process of matter and energy exchange between the surface and the atmosphere. But it is very difficult to accurately measure large scale soil moisture. Cosmic-ray neutron method is a promising way to measure soil moisture for intermediate spatial scales. This method bridges the scale gap between point measurements of soil moisture and remote sensing, making significant contribution to the measurement of soil moisture within a regional level. In 2008, Zreda et al. introduced a method to measure average soil water content over a larger area with a cosmic-ray neutron sensor (CRS). The footprint of a CRS covers a circle with an approximate radius of 300 m and the effective measurement depth varies between 10 and 70 cm below the soil surface. Desilets et al. proposed an equation with three constant shape parameters (0,1,2) and one calibration parameter (0), which needs to be calibrated with soil moisture values determined by oven-drying method from field soil samples in 2010. Franz et al. (2013) developed a universal calibration function for determination of soil moisture with cosmic-ray neutrons that takes into account three influencing factors including pressure, incoming neutron flux and water vapor in the air. Meanwhile, other scholars have explored other factors that influence the soil moisture content, including the depth and range of detection, the lattice water, soil organic carbon and vegetation biomass. In this study, experiments were conducted in China Agricultural University Experiment Station with commercial cosmic-ray neutron sensors (CRS1000) and self-assembly3He tube neutron moisture detector (3He tube). In order to verify the accuracy and stability of these two instruments, we compared the soil moisture content data with the result from oven-drying method. Meanwhile, we made a comparison between the sensitivity of these two instruments for the response of precipitation event. Before using the two instruments, we needed to calibrate the0from neutron conversion equation. And the calibration was based on soil moisture content derived directly from soil samples taken within the footprint of the sensor. After one correction,0had certain stability over a long time. The intensity of the incoming neutron was one factor that affected the neutron count of the instruments, and it was necessary to calibrate the intensity of the incoming neutron when the solar activity was intense. Oven-drying method was used to measure the average moisture content within the footprint of the sensors. Then we used the average moisture content data to verify the stability of the two kinds of measurement. Comparing the soil moisture content data obtained from oven-drying method, it can be calculated that the root mean square error of the two instruments were respectively 0.036 and 0.015 cm3/cm3. It showed that the measurement results of two instruments were more accurate. The original neutron counts per hour of3He tube were about 10 times more than CRS1000, so we can conclude that the former was far more accurate than the latter. After corrected, soil moisture measurement results of CRS1000 and3He tube were more consistent. When precipitation event occurred, the change in3He tube was even more pronounced than CRS1000, showing that3He tube was more sensitive than CRS1000. At the same time, the cost of self-assembly3He tube neutron moisture detector was about half of commercial cosmic-ray neutron sensors. So3He tube will have a better application prospect.

soils; moisture; sensors; CRS1000;3He tube

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.012

TL817+.1

A

1002-6819(2018)-02-0090-08

2017-06-13

2018-01-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41371231）

張 杰，主要研究方向?yàn)橹谐叨葏^(qū)域土壤水分含量的測(cè)定。 Email：1362216651@qq.com

劉 剛，博士，教授，研究方向?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)中的能量與質(zhì)量傳遞輸運(yùn)過程、溶質(zhì)和水分的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、熱脈沖探針方法的改進(jìn)等。 Email：liug@cau.edu.cn

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