張 杰，劉 剛，李保國，李貴桐

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3He管中子土壤水分測量裝置提高測量精度

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的測定區(qū)域土壤水分含量的方法，但國內(nèi)外對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管中子水分探測器（3He管），在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站對土壤含水量進行持續(xù)監(jiān)測，將測量的結(jié)果與烘干法測量的結(jié)果進行對比分析，驗證2種儀器測量的準確性和穩(wěn)定性，并比較2種儀器對土壤水分變化響應(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，在太陽活動劇烈時，有必要考慮對中子入射強度進行校正；通過與烘干法獲得的土壤水分數(shù)據(jù)比較，CRS1000和3He管測量數(shù)據(jù)的均方根誤差分別為0.036、0.015 cm3/cm3，說明2種儀器進行土壤水分測量的結(jié)果非常準確；利用2種儀器獲得的土壤水分曲線的變化趨勢具有較高的一致性，在降水事件發(fā)生時，2種儀器都迅速作出響應(yīng)，但3He管對土壤水分變化的反應(yīng)更加靈敏，測量精度更高。同時，組裝的3He管中子水分探測器成本約為商業(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)報的重要參數(shù)[1]；同時也是水文學(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)，因此對土壤水分監(jiān)測方法的研究受到眾多學(xué)科研究人員的重視[2]。

迄今為止，測定土壤含水量的方法多達幾十種，傳統(tǒng)的土壤水分測量方法大多為點測量的方法[3]，如烘干法、電容法、時域反射法（TDR）等，其測量多為小尺度水平上的研究，區(qū)域代表性差，而且具有費時費力等缺點。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、多時相等優(yōu)勢，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)用填補了傳統(tǒng)點測量方法和遙感方法之間的空白，對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、非接觸測量土壤水分的方法，具有不破壞土壤結(jié)構(gòu)、測量范圍廣、測量深度較深、可實現(xiàn)原位自動監(jiān)測等優(yōu)點，其觀測結(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器測量周圍環(huán)境中快中子的強度，繼而反演出以探測器為圓心、目標半徑約為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度的決定性因素。Kodama等[9]初步探索出宇宙射線中子強度與土壤水分含量之間呈負相關(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，明確計算出中子傳感器測量的半徑及垂直距離，并與TDR傳感器的測量結(jié)果進行了比較，初步證實了該方法的可靠性。Desilets等[6]提出了中子數(shù)量與土壤水分含量的轉(zhuǎn)化方程，并提出了利用點測量方法進行校正的理論。Franz等[10]提出了通用的校準方程，對大氣壓力、空氣濕度、中子入射強度等因素進行了校正。目前，該方法已在宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)中得到貫徹實施，并在美國本土長期監(jiān)測土壤水分含量的動態(tài)變化[11]。與此同時，大量研究人員對宇宙射線中子法的應(yīng)用進行了更深入的研究，并開始分析影響該方法測量精度的一些環(huán)境因素，Rivera等[12]定量研究了當?shù)孛嬗蟹e雪覆蓋以及地面有植被覆蓋2種情況對土壤水分測量的影響，證明了少量雪覆蓋對宇宙射線中子法準確性的影響遠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測量結(jié)果進行校正，證實了作物對測量結(jié)果的影響較大，而不同深度的土壤水分對宇宙射線中子法的測量結(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快中子強度的影響，并在理論上證明近地面空氣中的水汽對快中子強度最大會產(chǎn)生12%的影響，對土壤水分的測量造成計算誤差，需要作出相關(guān)修正。雖然原位宇宙射線中子水分探測系統(tǒng)可以測量半徑300 m范圍內(nèi)土壤平均含水量隨時間的動態(tài)變化，但最新的車載宇宙射線中子水分探測系統(tǒng)可以在更大區(qū)域范圍內(nèi)對土壤水分的空間變異性進行研究。Chrisman等[15]利用車載宇宙射線中子水分探測系統(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)進行校準驗證。Almeida等[16]將快中子、電容探針網(wǎng)絡(luò)測定的土壤水分含量和適應(yīng)神經(jīng)推理系統(tǒng)進行結(jié)合，并可靠估計了濕潤時期內(nèi)表層土壤水分含量。Baroni等[17]主要針對目前快中子的修正問題，提出不需要進行一一修正，而是利用一種擴展的方法直接估計土壤水分含量。

宇宙射線中子水分探測系統(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，其在中國的地理條件下的應(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)測量土壤水分含量，證實宇宙射線中子法可以準確測量該儀器測量范圍內(nèi)土壤含水量。趙純等[20]將宇宙射線中子水分觀測方法應(yīng)用在黃土高原草地植被中，結(jié)果證實該土壤水分觀測系統(tǒng)能夠很好地測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，通過對比分析COSMOS和TDT 2種方式測定的土壤含水量，驗證了宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)的可靠性，并證實了宇宙射線土壤水分觀測系統(tǒng)能夠為坡面尺度土壤水分和徑流預(yù)測模型提供數(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)測領(lǐng)域的應(yīng)用仍需要做進一步的研究。

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管中子水分探測器（簡稱3He管），對中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗站的土壤水分含量進行長期連續(xù)監(jiān)測，并對測量范圍內(nèi)所測中子強度進行氣壓、空氣濕度以及中子入射強度的修正，分析CRS1000與3He管測量土壤水分含量結(jié)果變化趨勢的一致性，并比較2種裝置對于土壤水分變化的敏感性。

1 基本原理

在地球磁場的作用下，太空中存在的宇宙射線中子進入地球。到達地球大氣上邊界時會與大氣中的原子核不斷碰撞發(fā)生級聯(lián)反應(yīng)，初級中子逐漸失去能量轉(zhuǎn)化為次級中子（或稱為高能中子），高能中子進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個因素決定。研究表明，氫原子對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]提出了中子強度與土壤含水量之間的函數(shù)關(guān)系

式中，()是測量范圍內(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；0是在土壤不含水的情況下測量得到的中子數(shù)，個；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 測量范圍

1.1.1 半 徑

通常定義宇宙射線中子水分觀測系統(tǒng)的水平探測范圍為86%的快中子的來源范圍[5]。因為中子的平均散射自由程與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)就會越多，中子傳輸?shù)木嚯x也就越小，測量范圍也就越小[11]。通常情況下測量半徑與氣壓的關(guān)系可由下式表示[14]

式中R,0為參考氣壓p,0的測量半徑（通常使用1個標準氣壓下的半徑值，為300m），m；R為當前氣壓p下的半徑值，m。

1.1.2 深 度

宇宙射線中子儀的測量深度與測量區(qū)域內(nèi)的土壤水分含量呈反比。當土壤含水量高時，近地表環(huán)境中含有的氫原子數(shù)也會多，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)成分的測量深度和土壤水分的計算公式

式中ρ為土壤的容重，g/cm3；為質(zhì)量含水量，通常忽略不計，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地球表面土壤的過程中，會不斷與大氣粒子發(fā)生碰撞，并且產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，從而丟失能量最終被慢化和吸收。當大氣壓高時，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)相對較多，而到達地面附近的高能粒子強度就相對較弱，因此，當測量土壤水分處于同一值時，測得的快中子個數(shù)相對較少；同理，當大氣壓低時，測得的快中子個數(shù)相對較多，因此要對氣壓變化帶來的影響進行修正。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）；為采樣地點的氣壓值，kPa；0為任意參考壓強，kPa[24]。

1.2.2 空氣濕度修正

當空氣中的濕度不同時，也會對快中子的強度造成不同程度的影響，從而使土壤水分的計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。對空氣濕度的修正系數(shù)為f，計算公式

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

1.2.3 中子入射強度修正

星際輻射波動及太陽活動也會對宇宙射線的傳播產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致地球上宇宙射線中子強度波動?；诖?，中子強度校正系數(shù)為f，公式為

式中I為儀器監(jiān)測到的中子強度，counts/h；0為基準參考強度，counts/h[11,26]。

最終經(jīng)氣壓、空氣濕度以及中子入射強度校正后的公式為

式中為修正后的中子計數(shù)，cph；N為探測到的原始中子計數(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，該時期的降雨量占全年降雨總量的72.5%，且強降雨大多出現(xiàn)在午后及夜間[27]。試驗區(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)濟作物。

2.2 試驗裝置

2015年4月到2016年7月期間，試驗站內(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（型號為CRS1000），如圖1a所示，該裝置主要由中子探測器、數(shù)據(jù)采集器、太陽能供電系統(tǒng)、安裝支架、機箱、GSM傳輸模塊等組成，由于本試驗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。試驗時，該中子傳感器底部距離地面150 cm。同時，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，同等型號的BF3正比計數(shù)管的中子探測效率要遠低于3He正比計數(shù)管的探測效率[28]。因而，為獲取更準確的探測數(shù)據(jù)，有必要采用3He正比計數(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。實驗室于2015年10月份從國外購買3He正比計數(shù)管（上端直徑2.5 cm，長為40 cm，2個大氣壓，英國Centronic公司）和中子脈沖監(jiān)測模塊（Model PDT-20A-HN，Precision Data Technology, Inc），自己組裝成3He管中子水分探測器，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正比計數(shù)管中子脈沖監(jiān)測模塊、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（型號為CRS1000，價格28萬元人民幣）的不到一半。

a.CRS1000數(shù)采儀 b.BF3正比計數(shù)器 c.數(shù)據(jù)采集器 d.中子脈沖檢測模塊 e.3He正比計數(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數(shù)工作，設(shè)置為每小時測量一次。同時，本試驗采用烘干法測定宇宙射線中子儀測量范圍內(nèi)的土壤含水量，采樣點以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作為一個樣本，總共采集108個土樣[24]。用這108個點0～30 cm的平均土壤含水量代表該儀器測量范圍內(nèi)的表層土壤平均含水量，同時作為標定儀器所需要的數(shù)據(jù)并與儀器測量值進行比較，分別于2015年5月26日、6月5日、10月17日和2016年4月14日進行了4次田間取樣。

3 結(jié)果與分析

3.1 標定系數(shù)

本試驗采用烘干法來測定CRS1000測量范圍內(nèi)的土壤含水量，對該儀器測量范圍內(nèi)的系數(shù)0進行標定。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準偏差為0.035 cm3/cm3，說明該儀器測量范圍內(nèi)土壤水分含量存在一定程度的變異性。將儀器觀測到的中子強度進行修正后，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管中子水分探測器，由于該儀器的型號以及所探測的中子強度不同，需要對3He管中子水分探測器采用同樣的方法，對系數(shù)0進行標定。

圖2 土壤取樣位置分布

3.2 CRS1000中子入射強度波動校正分析

CRS1000自帶有氣壓、濕度探測器，在應(yīng)用該儀器測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)中心宇宙射線觀測站的記錄顯示，2015年6月22日至30日發(fā)生了一次較強的太陽活動，導(dǎo)致北京地區(qū)該時期的宇宙射線中子強度減弱。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)并未受太陽活動的影響，而中子入射強度的校正系數(shù)受太陽活動的影響很大。由圖3d可知，當太陽活動較弱時，中子入射強度是否進行校正所得到的土壤水分含量結(jié)果相差不大；但是當太陽活動增強時，CRS1000經(jīng)過中子強度校正后所計算的土壤水分含量與未經(jīng)中子強度校正計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算土壤水分含量過程中，除了進行氣壓與空氣濕度校正外，當太陽活動強烈時，有必要考慮校正中子入射強度的影響，這與已有文獻的結(jié)論一致[13]。

3.3 商業(yè)化宇宙射線中子儀測量結(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次田間取樣測定結(jié)果的對比。測量期間，由CRS1000探測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次不同時間人工取樣獲得的土樣含水量結(jié)果與 CRS1000的觀測結(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、中子強度校正系數(shù)和土壤體積含水量

圖4 CRS1000測量結(jié)果與烘干法結(jié)果對比

圖5為4次田間取樣前后48 h內(nèi)CRS1000探測到的水分含量與烘干法測定的土壤水分含量的結(jié)果比較。由圖可知，4次田間取樣的測量值與CRS1000的水分探測曲線擬合的較好；經(jīng)計算得到，2種方法所測結(jié)果的平均絕對差值為0.020 cm3/cm3，說明CRS1000測量土壤水分含量具有較高的準確性，這也證明了CRS1000經(jīng)過校正后，監(jiān)測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管測定結(jié)果對比分析

3.4.1 2種儀器測量結(jié)果一致性分析

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

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

圖6 3He管測量結(jié)果與烘干法測量值比較

在3He管應(yīng)用于野外進行土壤體積含水量觀測前期（2015年11月～2016年4月），2種儀器的測量結(jié)果差別較大，平均絕對差值達到0.104 cm3/cm3；從2016年5月份開始，兩者土壤含水量的測量結(jié)果減小，平均絕對差值降為0.044 cm3/cm3，并且逐漸趨于一致，這與我們對3He管保護箱體內(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3He正比計數(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曲線比較。

如圖8所示，2種儀器的原始中子計數(shù)相差10倍左右。據(jù)文獻[29]知，Knoll在2000年曾提出關(guān)于中子探測器測量誤差的定義，指出測量結(jié)果誤差取決于探測器原始中子計數(shù)的大?。ㄕ扔贜-0.5），3He管中子水分探測器的平均原始中子計數(shù)可達7 225 cph，而CRS1000原始中子計數(shù)平均值為684 cph，由此表明3He管中子水分探測器的測量誤差要低于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管中子水分探測器給出的趨勢變化更準確可靠。

圖7 2016年CRS1000與3He管測量結(jié)果對比

圖8 2016年CRS100與3He管原始中子計數(shù)比較

3.4.2 2種儀器對土壤水分變化的敏感性分析

3He管中子水分探測器在重新安裝應(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，故采用了該時期的數(shù)據(jù)。圖9a是2016年5月份記錄的2種儀器對降雨事件的響應(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)生變化時的測量結(jié)果對比

圖9b為2016年6月份CRS1000與3He管中子水分探測器對土壤水分變化敏感性的對比圖。根據(jù)上莊試驗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，累計降水量為21.6 mm，2種儀器都對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，變化趨勢更加明顯，說明3He管的靈敏性更高，這與3He管的中子計數(shù)效率遠高于CRS1000有關(guān)。從圖中還可以看出，在沒有降水發(fā)生時，探測的土壤含水量仍然會有周期性的升降變化，且每天正午左右探測曲線位于低位，晚上12點左右位于高位，這與每天的太陽輻射強度變化以及地面蒸發(fā)有關(guān)，同時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，我們還會對此現(xiàn)象做進一步的研究。

4 討 論

4.1 溫度以及風速影響儀器對降水事件的響應(yīng)

溫度、風速等天氣因素都會對土壤水分變化產(chǎn)生不可忽視的影響，特別是表層的土壤。溫度越高、風速越快，土壤表層的水分蒸發(fā)就會加快，這可能導(dǎo)致儀器失去對小規(guī)模降水的響應(yīng)。從圖9a可以看出，第二次降水出現(xiàn)時，2種儀器測量的水分含量均未發(fā)生明顯的升高，由當時的氣象數(shù)據(jù)得知，第二次降水是從14日凌晨4點左右開始，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，水分瞬間被蒸發(fā)掉，導(dǎo)致儀器失去了對此次降水的響應(yīng)。由此，可以了解到，宇宙射線中子儀對降水的響應(yīng)有一定的局限性，但這并不影響儀器對土壤水分測量的準確性。

4.2 測區(qū)內(nèi)的環(huán)境因素對儀器測量結(jié)果準確性的影響

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，都會影響宇宙射線中子儀對區(qū)域水分含量的測量結(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測量結(jié)果的影響。接下來，將利用2種儀器對研究區(qū)進行長期監(jiān)測，并充分考慮測量區(qū)域內(nèi)作物種植的情況以及其他環(huán)境因素；同時考慮人為控制作物的種植方案，比較3He管中子水分探測器和商業(yè)化宇宙射線中子儀在不同種植條件下，其測量結(jié)果的差異性，并探索提高2種儀器測量精度的方法。

5 結(jié) 論

該研究主要利用商業(yè)化宇宙射線中子儀（CRS1000)以及實驗室自己組裝的3He管中子水分探測器（3He管）進行土壤水分的持續(xù)監(jiān)測，并利用烘干法測定的結(jié)果進行系數(shù)0標定和對比分析。試驗表明，CRS1000經(jīng)過一次系數(shù)標定后，測量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，不需要進行連續(xù)校正；當太陽活動強烈時，應(yīng)用宇宙射線中子法計算土壤水分含量時有必要對中子入射強度進行校正；田間取樣獲得的土壤水分數(shù)據(jù)與2種儀器的測量曲線擬合度較高，說明2種儀器進行土壤水分測量的結(jié)果可靠，準確性高，而3He管單位時間內(nèi)的原始中子計數(shù)約為CRS1000的10倍，這說明3He管具有更高的測量精度；試驗后期，2種儀器測量的土壤水分曲線的變化趨勢具有較高的一致性，在有降水事件發(fā)生時，2種儀器都對降水做出響應(yīng)，但3He管對于土壤水分變化反應(yīng)更加靈敏。與此同時，3He管中子水分探測器的組裝費用約為商業(yè)化宇宙射線中子儀的購買價格的一半，成本更加便宜，所以3He管中子水分探測器具有更好的應(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)基金資助項目（41371231）

張 杰，主要研究方向為中尺度區(qū)域土壤水分含量的測定。 Email：1362216651@qq.com

劉 剛，博士，教授，研究方向為多孔介質(zhì)中的能量與質(zhì)量傳遞輸運過程、溶質(zhì)和水分的運動規(guī)律、熱脈沖探針方法的改進等。 Email：liug@cau.edu.cn

張 杰，劉 剛，李保國，李貴桐.3He管中子土壤水分測量裝置提高測量精度[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(2)：90－97. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.012 http://www.tcsae.org

Zhang Jie, Liu Gang, Li Baoguo, Li Guitong.3He tube neutron moisture measurement device improving measuring accuracy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 90－97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.012 http://www.tcsae.org