土壤中子水分儀 503DR

 CPN 503DR HYDROPROBE? 中子土壤水分測試儀（以下簡稱中子儀）安裝有一個雙層密封的 Americium-241:Beryllium(镅-241鈹)中子放射源和中子的氦-3探測器，可用于檢測土壤的濕度。在測試過程中，中子源向土壤放出高能量的快中子射線。高能量的快中子與土壤中的氫原子碰撞后成為低能量的慢中子。中子的氦-3探測器只探測低能量的慢中子。每次測試中，土壤較濕的話，慢中子的計數值就較高；相反的，如果土壤較干的話，慢中子的計數值就較低。被測試的土壤的體積大約是以儀器探頭為球心，半徑為15厘米左右的球體。 

503DR中子土壤水分監測儀特點 

* 內置微處理器，操作簡便。 

*  重量輕，便攜。 

*  快速、，可以重復測試土壤濕度。 

*  按任意鍵開機，開機后可以立即工作，不需預熱。完成檢測后自動關機，省時、省電，提高工作效率。 

*  13k大容量存儲器，可儲存1023個測點的所有測試數據和用戶輸入的其它測試信息。并可通過標準 RS232 串行接線將數據傳輸至電腦上或通過打印機打印。所有的測試數據可以通過鍵盤進行編號，并可以隨時查閱任何一個測點的數據。 

*  儀器內置時鐘和日歷，測試時的時間和日期與測試結果同時顯示、同時保存。可以和測試數據同時到電腦上。 

*  操作人員可以自由設定測量時間、存儲模式和測試結果的單位。 

*  16種土壤檢定模式，用戶自行選擇。 

*  堅固耐用。 制作工藝精益求精，外殼用高強度的鋁合金制成，重量輕，抗撞擊。所有電子系統防塵防水，電路板均噴漆保護，以消除各種惡劣環境對測試的影響。 

*  安全。中子儀采用不銹鋼雙層密封的微量放射源，通過專門的設計，中子儀的表面劑量率低于操作人員或是公眾需進行特別防護的水平。手提式核子密度/濕度土壤測試儀的商業應用已經超過35年之久，目前大約有20,000臺核子儀在全世界范圍內應用于土木工程、地質學、農業和環境測試中。新型的503DR-16中子儀使用了屬于V類源的镅-241/鈹源，比以前更加縮小了放射源的活度，中國的用戶在向政府環保部門申請購置和使用儀器的輻射安全許可證時不需要編制環評表。 

*  用戶可以使用CPN廠家提供的工具對儀器進行現場維護和配件更換。 

                                                                                    503DR中子土壤水分監測儀參數 

  功能：測量表層以下的水分 

  范圍：測量范圍：0～40%vol (百分容積) 或0～0.40gm/cc (克/厘米3) 或0～25pcf (磅/英尺3) 

  ：1分鐘計數，水分為24%時，為0.24%。 

        典型測試為±0.002克/立方厘米。 

  計數時間：從1～960S 可任意設定 

  溫度范圍：-20℃～60℃ 

  電源：AA鎘鎳蓄電池包(0.5安時)，每包8節電池。 

  電池壽命：500~1000次充放電循環。 

  功耗：平均為6.5毫安。電池充滿電后，可作3000多次16秒計數。 

  充電：使用充電器，以50毫安（）電流充電14小時。 

  顯示器：字母/數字液晶顯示器，8字符。顯示方便。 

  數據存儲：有24576個單元可供存儲計數值、標識號或鍵盤輸入的輔助數據。數據格式可由操作員編制。每個數據表可有0~15個鍵入數據和0~15個計數值。 

  數據輸出：通過RS232C串行接口傳送到外接的打印機、計算機、CRT終端或耦合器（調制解調器）。 

  檢定：16條用戶自選標定模式 

  單位：可由用戶選定，in/ft(英寸/英尺)、pcf(磅/英尺3)、gm/cc (克/厘米3)、%vol (百分容積)、cm/30cm (每30厘米土壤中水的厘米數)、count(計數值)及count ratio(計數比)。 

  中子源：镅-241/鈹源，活度1.85GBq（50mCi），V類源。 

  輻射源封裝：CPN-131型雙層密封盒。 

  屏蔽：硅基石蠟。 

  特種結構核準：USA/0115/S 

  金屬構件：涂有環氧樹脂漆或經陽極氧化拋光的鋁部件。不銹鋼耐磨零件。 

  外觀：7.12 千克，寬172.7毫米×深177.8毫米×高355.6毫米 

  探頭：直徑1.5英寸，1.043千克，直徑47.4毫米，長322.6毫米 

  裝箱：16.56千克，609.6毫米×330.2毫米×254毫米

土壤水分儀的應用

   利用CPN 503DR中子儀進行農田墑情預報，優化農田灌溉和提高作物、果樹的生產管理水平 

CPN中子儀可以準確快速地測試土壤含水量。土壤的水分對于決定各種作物和果蔬的產量和品質是一個非常重要的因素。每一種作物和果蔬在不同的生長時期都有一個適宜的土壤含水量。如果不能滿足作物和果蔬的這一要求，就不可能獲得的產量和的品質。在作物和果蔬的生長過程中，經常需要進行灌溉。無論使用傳統的大水漫灌，還是使用現代的噴灌、滴灌等各種節水灌溉方法，我們都需要對土壤的含水量進行準確的測定，以確定灌溉時間和灌溉量。如果沒有有效的方法快速測定土壤的含水量，就可能使得灌水太少，土壤含水量過低，不能滿足作物的生長需要；或者灌水太多，土壤含水量過高，也會抑制作物的生長，并造成人力和水電等資源的浪費。 

使用CPN中子儀，可以適時監測土壤含水量，及時進行土壤墑情預報。結合作物需水情況和降雨情況，制定正確的灌溉計劃，提高灌溉效率，保證作物、果股的產量，提高作物的品質，減少各種資源的浪費。 利用中子儀進行農田含水量測定和優化灌溉計劃時所要求的基本技術是確定每個農田的土壤飽灌點和補灌點，以及定期測定土壤水分含量的變化。

如何使用中子儀進行灌溉管理

    首先，在要進行土壤水分測試的農田中選擇3個適當位置安插檢測導管（測點）。檢測導管可以臨時或一直保留在土壤中。種植多年生作物或樹木的田塊，檢測導管將根據實際需要而長期保留使用。 第二，使用中子儀測定土壤含水量，一般情況下，可以每2-7天測定。測定時，將中子儀的探頭放入檢測導管中，測定并記錄土壤剖面各個測定層次的水分讀數，測定層次數和深度可根據實際情況決定（如深度層次為12個，測定深度為2米，在20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm每個層次上測定土壤含水量），測定完一個測點后轉到下一個。土壤剖面上各深度層的水分數據完整地反映了整個作物或樹木根區范圍內的土壤水分狀況。 第三，將中子儀的水分讀數進行記錄或存儲在儀器的內存中。如果用戶從廠家購買了數據電纜和灌溉管理軟件，可以將儀器的測試數據傳輸到電腦上，然后進行數據處理。后，數據經過計算和處理以后，可以給出當前農田土壤有效水和日耗水量數據，對土壤商情判斷以及土壤灌溉時間和灌溉量提供依據。

測定數據的應用 

    中子儀測定的土壤水分數據可反映出土壤剖面每一深度層次的土壤含水量變化，從而得知不同深度范圍內的土壤水分變化，如根層土壤水分含量的變化可反映出作物對土壤水分的吸收利用等重要信息。一個典型的土壤容積含水量（VSW%）隨深度變化的深度圖如圖表20-1所示。圖中根據不同時間某一測點土壤剖面含水量變化繪制的曲線清楚地反映了土壤剖面上水分含量的變化。圖表20-1中的兩條曲線，分別是1992年12月20日和12月27日在深度為20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、90cm、100cm、120cm深度層次上土壤含水量曲線，從變化可以清楚地看出在0-80cm土壤含水量明顯減少，而在80cm以下幾乎沒有變化，這就說明作物的根系主要活動在0-80cm 范圍的土壤深度層次內，而兩條曲線之間的面積和即為兩次測定時間間隔內的作物耗水量，80cm則為作物的根系深度。 

一個曲型的深度圖 

    由土壤容積含水量（VSW%）在深度層次上的曲線可以計算出某一時間的土壤在測定深度和根層內總的水分含量，也就是曲線到縱軸的面積，土壤總水分含量以mm表示。通過將兩次測定的根層范圍土壤總水分含量（mm）的差值除以兩次測定相隔的天數就能計算出作物的每日耗水量，單位為mm.d-1。當將中子儀計數時間設置為16秒，每個測點布置三個檢測導管進行土壤水分測定時，必須注意只有所測定土壤含水量數據的變化大于等于0.5%以上才可認為土壤含水量發生了明顯變化，否則當土壤含水量變化值小于0.5%時，則認為此變化可能是由于測定誤差造成的非顯著性變化。如果要了解不同時間土壤水分含量的變化情況，不僅要看連續測定的數據間的差異，還要看間隔幾天或幾周所測定的土壤水分含量的變化。及時和準確地知道土壤中水分含量的變化對于限度地利用好中子儀進行科學的作物管理和制定優化的灌溉計劃是非常重要的。同時還要清楚地知道作物在特定土壤中生長所需要的土壤水分含量范圍，使土壤水分在作物整個生長季內總是保持在這范圍內，這對作物限度地發揮其增產和優質的潛力是至關重要的。 

    當然，要確定作物生長所需要的土壤水分含量范圍，就必須首先確定這一田塊的土壤飽灌點和補灌點。 不同的田塊和作物都有各自不同的飽灌點和補灌點。 

即使同一地點土壤類型和作物相同，其飽灌點和補灌點也可能由于耕作措施不同而發生變化，尤其是機械耕作農田。

飽灌點及其測定 

    飽灌點是指土壤達到濕潤且根層沒有深層排水發生時的土壤水分含量，它表示某一農田的土壤持水能力。通常等于土壤田間持水量，但在某些情況下可能略大于或小于實驗室測定的田間持水量值，這是因為本系統中使用的飽灌點是在田間實地測定的飽灌點，而田間持水量是在實驗室測定的，所以有時存在和實際情況不符的情況。 

    土壤飽灌點通常在過量灌溉或降雨后（灌溉或降雨量大于飽灌點）整個土壤剖面充分吸水達到飽和并將發生深層排水現象，所以在灌溉和降雨后連續監測土壤含水量變化，通常為每天1次，直到根層內土壤深排水作用停止時，就可將該時刻測定的土壤含水量曲線作為飽灌點曲線，根層總的土壤水分含量即為該地點的飽灌點。飽灌點的測定一般是從灌溉或降雨24小時后開始測定，連續測定幾天，到連續兩天內測定的結果不變時，這時就說明土壤的深排水已經停止，這一時刻的土壤水分含量就是飽灌點。 

    大多數情況下，確定飽灌點的過程比較簡單，容易操作，然而也可能會遇到很多新的問題。如在漫灌方式中，可能會出現由于地表板結，灌溉時田間發生局部徑流，使灌溉不能均勻進行，影響測定的準確性。這時可以通過中耕作業打破土壤板結，然后再實施大水灌溉，測定出土壤飽灌點。 降雨通常能夠均勻有效地濕潤整個土壤剖面，因此大規模降雨事件后測定的土壤剖面含水量變化是確定飽灌點的時機。 

    在噴灌系統中，表層土壤板結、滲透性較差也是一個較頭疼的問題，這就可能因為發生水分徑流，使噴灌條件下比較難使土壤整個剖面完全濕潤而達到土壤飽灌點，所以在這種情況下要注意破板結，使水分充分滲透而達到飽灌點。 

   長期降雨可以很好地濕潤整個土壤剖面，使其達到土壤飽灌點，但也可能使土壤含水量超過飽灌點。特別是在上砂下粘的土壤，由于下層是不透水或透水性較差的粘土層，而其上是透水性很好的砂性土壤，可能會出現上層土壤含水量已超過飽灌點而下層土壤卻阻止了多余水分的排出，較難測定土壤飽灌點。 

   漫灌方式下，則較難甚至無法準確地控制進入土壤中的水量，如果土壤的通透性好，可以在深排水停止后測出土壤飽灌點。在土壤通透性不好的農田中，灌溉后的土壤含水量可能高于作物所需的土壤水分范圍，將會發生水澇，在這種情況下，飽灌點常被定義為灌溉后24小時的土壤水分含量，即使此時土壤仍然處于水澇狀態。

補灌點及其測定 

    補灌點是作物生長土壤水分含量的點，當土壤水分含量達到這一點時就應立即實施補充灌溉。定義比較簡單，也很容易理解，但要準確測定補灌點卻并非很簡單。 

    補灌點是作物發生水分脅迫的臨界值，土壤含水量低于補灌點后，作物的蒸騰作用受阻，氣孔阻力增加，光合作用減少，根系下扎尋水，棉花的日耗水量急劇減小，所以可以認為，當正常氣候條件下作物日耗水量劇烈下降和根系下扎開始消耗土壤深層水分時的土壤含水量就是該田塊的補灌點。補灌點可以看作是土壤水分剛剛開始不能滿足作物需水量時的土壤水分含量，此時，土壤水分不能充分供應作物的生長狀態，將導致作物生理生態上的一些變化，如關閉氣孔等，而使作物的日耗水量減小。在補灌點以下，作物將逐漸生長緩慢直至萎蔫，日耗水量必然降低。另外，一些直觀的癥狀，如幼葉顏色變暗和營養生長變慢等，都可作為確定補灌點的參考依據。補灌點的確定要考慮到土壤類型、作物種類和品種、種植方式等多種因素，但只要在生產實踐中多測定和分析所獲得的數據資料是不難確定的。 

    另外，補灌點在不同的耕作方式或輪作條件下也會在年際間發生些許變化。所以，在新的耕作制度下，可能需要重新確定補灌點。 

實例1：澳大利亞內魯比漫灌條件下確定棉花的飽灌點和補灌點 

    在澳大利亞內魯比漫灌條件下，由于該地土壤質地為重粘土，土壤導水率接近于零，所以確定棉花土壤飽灌點可以簡單地通過過量灌溉后24小時所測定的土壤水分含量確定。該數據重復性強，在每次灌溉中，土壤水分含量都達到或很接近于次確定的飽灌點。在這個地區當土壤水分達到飽灌點時，土壤往往處于水澇狀態。 

補灌點正好是土壤不能充分供給作物生長所需要的需水量的臨界值。當土壤水分低于補灌點時，其日耗水量將明顯下降，但這時作物的表象變化仍較小，由于植物根系具有向水性，所以其吸水過程將同時發生在植物正常的根區以下的深層土壤中，但隨著水分脅迫的加劇，植物為保存水分和減少水分損失，將部分關閉其葉片上的氣孔，氣孔阻力的增大使植物吸入二氧化碳（光合作用的基本物質）的能力減小，光合作用將減弱，碳水化合物生產將下降，由于棉花的產量主要依賴于植株中的碳水化合物積累，所以將導致棉花產量和品質的下降，而且這種下降是無可挽回的。作物表觀發生的某些明顯變化，如植株的嫩葉發黑、生殖生長期間的生長速度減緩、幼果脫落等都可以用來幫助確定補灌點。 

實例2：鹽堿土壤飽灌點和補灌點的確定（ROBINVALE 酒用葡萄） 

    該地區的土壤疏松，排水性好，但灌溉用水含鹽量較高。在ROBINVALE地區，由于過量灌溉引起的地下水位上升及土壤鹽堿化是非常嚴重的。一方面需要過量灌溉以沖洗土壤根區范圍內的鹽分，另一方面這又會引起地下水位的上升。通過利用中子儀測定和數據分析認為需要多灌溉10%的水分用于淋洗鹽分，防止土壤根區范圍的鹽分累積，減輕鹽分對植物正常生長的影響。按照上述方法灌溉（增加10%的水用于淋洗鹽分），地下水位保持不變，因為由于灌溉增加的地下水量將被地下水向河流系統的排滲抵消掉。 

    在進行充分灌溉后，用中子儀進行定期的監測以確定土壤根層深排水停止的時間，從而能夠很容易地確定土壤飽灌點。這需要一天進行2-3次水分測定，直到掌握該地點土壤水分的動力學特性為止。但在某些土壤中，通過測定水分來確定土壤飽灌點并不總是那么容易，如在排水非常快的土壤中，灌溉后24小時再進行水分測定可能已經太遲了。在排水很慢的土壤中，水分含量變化很小，則很容易被由于作物耗水所引起的土壤水分變化掩蓋真實的飽灌點。無論如何，確定農田土壤中是否有排水發生是很重要的，在這一地區通常土壤深排水速度非常快。 

作物在土壤水分達到補灌點時并不會表現出明顯的水分脅迫特征。當作物表現出明顯的水分脅迫特征時已經意味著作物處于某種較嚴重的水分脅迫狀態，此時作物潛在的產量損失已很大。農民一般根據自己過去的經驗以及其它農民或農業技術人員的研究結果，大致確定出每種土壤類型下作物可利用的土壤有效水分范圍（飽灌點和補灌點之間的差值），通常為50-70mm。噴灌條件下，用戶可以很容易并準確地向農田實施灌溉作物所需水分。 

    在ROBINVALE地區，酒用葡萄的種植者每次灌溉還要多灌適量的水分使土壤水分含量高于飽灌點，而高于飽灌點的那部分水量正好可以淋洗根區范圍的鹽分，而不需要浪費更多的水分。這樣做的目的一方面是避免鹽分在土壤中的積累，另一方面也能避免過量灌溉使地下水位上升，造成土壤次生鹽漬化。如果灌溉水質較好，不存在上述土壤鹽堿化問題，那么就應避免過量灌溉使土壤含水量超過飽灌點。因為過量灌溉不但增加了成本，浪費了寶貴的水資源，而且還能使土壤中的營養元素從作物根區隨深排水作用而淋溶損失，地下水位也可能上升。 

實例3：蔬菜作物飽灌點和補灌點確定（芹菜） 

    芹菜種植者從生產芹菜中獲得利益在極大程度上取決于芹菜莖稈的長度。芹菜莖稈越長，效益就越好。而芹菜莖稈長度又取決于芹菜生長過程中莖桿細胞的分裂速度。由于植物的細胞分裂速度是當土壤含水量接近飽灌點時，因此要盡可能在芹菜的生長期內使土壤水分一直保持在接近飽灌點的范圍內。同時土壤水分含量的大幅度變化還可以影響到營養元素的吸收，特別是鈣，會使芹菜的經濟效益受到影響。所以在這種情況下，補灌點確定就應不同于大田作物，選擇適當靠近飽灌點的位置作為補灌點。使用滴灌或噴灌系統，可以實現少量多次灌溉，使根層土壤一直保持在較濕潤的范圍內，這樣就可使蔬菜的營養生長快和果品含水量高、品質優良。 

   在澳大利亞芹菜生產中，每天澆灌兩次，使灌溉水量正好能補充作物所吸收利用的水量。定期測定土壤水分，確保土壤水分一直保持在適宜的范圍。