CPN土壤中子水分仪 503DR

 CPN 503DR HYDROPROBE® 中子土壤水分测试仪（以下简称中子仪）安装有一个双层密封的 Americium-241:Beryllium(镅-241铍)中子放射源和中子的氦-3探测器，可用于检测土壤的湿度。在测试过程中，中子源向土壤放出高能量的快中子射线。高能量的快中子与土壤中的氢原子碰撞后成为低能量的慢中子。中子的氦-3探测器只探测低能量的慢中子。每次测试中，土壤较湿的话，慢中子的计数值就较高；相反的，如果土壤较干的话，慢中子的计数值就较低。被测试的土壤的体积大约是以仪器探头为球心，半径为15厘米左右的球体。 

503DR中子土壤水分监测仪特点 

* 内置微处理器，操作简便。 

*  重量轻，便携。 

*  快速、精确，可以重复测试土壤湿度。 

*  按任意键开机，开机后可以立即工作，不需预热。完成检测后自动关机，省时、省电，提高工作效率。 

*  13k大容量存储器，可储存1023个测点的所有测试数据和用户输入的其它测试信息。并可通过标准 RS232 串行接线将数据传输至电脑上或通过打印机打印。所有的测试数据可以通过键盘进行编号，并可以随时查阅任何一个测点的数据。 

*  仪器内置时钟和日历，测试时的时间和日期与测试结果同时显示、同时保存。可以和测试数据同时下载到电脑上。 

*  操作人员可以自由设定测量时间、存储模式和测试结果的单位。 

*  16种土壤检定模式，用户自行选择。 

*  坚固耐用。 制作工艺精益求精，外壳用高强度的铝合金制成，重量轻，抗撞击。所有电子系统防尘防水，电路板均喷漆保护，以消除各种恶劣环境对测试的影响。 

*  安全。中子仪采用不锈钢双层密封的微量放射源，通过专门的设计，中子仪的表面剂量率低于操作人员或是公众需进行特别防护的水平。手提式核子密度/湿度土壤测试仪的商业应用已经超过35年之久，目前大约有20,000台核子仪在全世界范围内应用于土木工程、地质学、农业和环境测试中。新型的503DR-16中子仪使用了属于V类源的镅-241/铍源，比以前更加缩小了放射源的活度，中国的用户在向政府环保部门申请购置和使用仪器的辐射安全许可证时不需要编制环评报告表。 

*  用户可以使用CPN厂家提供的工具对仪器进行现场维护和配件更换。 

                                                                                    503DR中子土壤水分监测仪参数 

  功能：测量表层以下的水分 

  范围：测量范围：0～40%vol (百分容积) 或0～0.40gm/cc (克/厘米3) 或0～25pcf (磅/英尺3) 

  精度：1分钟计数，水分为24%时，精度为0.24%。 

        典型测试精度为±0.002克/立方厘米。 

  计数时间：从1～960S 可任意设定 

  温度范围：-20℃～60℃ 

  电源：AA镉镍蓄电池包(0.5安时)，每包8节电池。 

  电池寿命：500~1000次充放电循环。 

  功耗：平均为6.5毫安。电池充满电后，可作3000多次16秒计数。 

  充电：使用充电器，以50毫安（最大）电流充电14小时。 

  显示器：字母/数字液晶显示器，8字符。显示方便。 

  数据存储：有24576个单元可供存储计数值、标识号或键盘输入的辅助数据。数据格式可由操作员编制。每个数据表可有0~15个键入数据和0~15个计数值。 

  数据输出：通过RS232C串行接口传送到外接的打印机、计算机、CRT终端或耦合器（调制解调器）。 

  检定：16条用户自选标定模式 

  单位：可由用户选定，in/ft(英寸/英尺)、pcf(磅/英尺3)、gm/cc (克/厘米3)、%vol (百分容积)、cm/30cm (每30厘米土壤中水的厘米数)、count(计数值)及count ratio(计数比)。 

  中子源：镅-241/铍源，活度1.85GBq（50mCi），V类源。 

  辐射源封装：CPN-131型双层密封盒。 

  屏蔽：硅基石蜡。 

  特种结构核准：USA/0115/S 

  金属构件：涂有环氧树脂漆或经阳极氧化抛光的铝部件。不锈钢耐磨零件。 

  外观：7.12 千克，宽172.7毫米×深177.8毫米×高355.6毫米 

  探头：直径1.5英寸，1.043千克，直径47.4毫米，长322.6毫米 

  装箱：16.56千克，609.6毫米×330.2毫米×254毫米

土壤水分仪的应用

   利用CPN 503DR中子仪进行农田墒情预报，优化农田灌溉和提高作物、果树的生产管理水平 

CPN中子仪可以准确快速地测试土壤含水量。土壤的水分对于决定各种作物和果蔬的产量和品质是一个非常重要的因素。每一种作物和果蔬在不同的生长时期都有一个最适宜的土壤含水量。如果不能满足作物和果蔬的这一要求，就不可能获得最高的产量和最好的品质。在作物和果蔬的生长过程中，经常需要进行灌溉。无论使用传统的大水漫灌，还是使用现代的喷灌、滴灌等各种节水灌溉方法，我们都需要对土壤的含水量进行准确的测定，以确定灌溉时间和灌溉量。如果没有有效的方法快速测定土壤的含水量，就可能使得灌水太少，土壤含水量过低，不能满足作物的生长需要；或者灌水太多，土壤含水量过高，也会抑制作物的生长，并造成人力和水电等资源的浪费。 

使用CPN中子仪，可以适时监测土壤含水量，及时进行土壤墒情预报。结合作物需水情况和降雨情况，制定正确的灌溉计划，提高灌溉效率，保证作物、果股的产量，提高作物的品质，减少各种资源的浪费。 利用中子仪进行农田含水量测定和优化灌溉计划时所要求的基本技术是确定每个农田的土壤饱灌点和补灌点，以及定期测定土壤水分含量的变化。

如何使用中子仪进行灌溉管理

    首先，在要进行土壤水分测试的农田中选择3个适当位置安插检测导管（测点）。检测导管可以临时或一直保留在土壤中。种植多年生作物或树木的田块，检测导管将根据实际需要而长期保留使用。 第二，使用中子仪测定土壤含水量，一般情况下，可以每2-7天测定一次。测定时，将中子仪的探头放入检测导管中，测定并记录土壤剖面各个测定层次的水分读数，测定层次数和深度可根据实际情况决定（如深度层次为12个，测定深度为2米，在20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，80cm，100cm，120cm，140cm，160cm，180cm，200cm每个层次上测定一次土壤含水量），测定完一个测点后转到下一个。土壤剖面上各深度层的水分数据完整地反映了整个作物或树木根区范围内的土壤水分状况。 第三，将中子仪的水分读数进行记录或存储在仪器的内存中。如果用户从厂家购买了数据下载电缆和灌溉管理软件，可以将仪器的测试数据传输到电脑上，然后进行数据处理。最后，数据经过计算和处理以后，可以给出当前农田土壤有效水和日耗水量数据，对土壤商情判断以及土壤灌溉时间和灌溉量提供依据。

测定数据的应用 

    中子仪测定的土壤水分数据可反映出土壤剖面每一深度层次的土壤含水量变化，从而得知不同深度范围内的土壤水分变化，如根层土壤水分含量的变化可反映出作物对土壤水分的吸收利用等重要信息。一个典型的土壤容积含水量（VSW%）随深度变化的深度图如图表20-1所示。图中根据不同时间某一测点土壤剖面含水量变化绘制的曲线清楚地反映了土壤剖面上水分含量的变化。图表20-1中的两条曲线，分别是1992年12月20日和12月27日在深度为20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、90cm、100cm、120cm深度层次上土壤含水量曲线，从变化可以清楚地看出在0-80cm土壤含水量明显减少，而在80cm以下几乎没有变化，这就说明作物的根系主要活动在0-80cm 范围的土壤深度层次内，而两条曲线之间的面积和即为两次测定时间间隔内的作物耗水量，80cm则为作物的根系深度。 

一个曲型的深度图 

    由土壤容积含水量（VSW%）在深度层次上的曲线可以计算出某一时间的土壤在测定深度和根层内总的水分含量，也就是曲线到纵轴的面积，土壤总水分含量以mm表示。通过将两次测定的根层范围土壤总水分含量（mm）的差值除以两次测定相隔的天数就能计算出作物的每日耗水量，单位为mm.d-1。当将中子仪计数时间设置为16秒，每个测点布置三个检测导管进行土壤水分测定时，必须注意只有所测定土壤含水量数据的变化大于等于0.5%以上才可认为土壤含水量发生了明显变化，否则当土壤含水量变化值小于0.5%时，则认为此变化可能是由于测定误差造成的非显著性变化。如果要了解不同时间土壤水分含量的变化情况，不仅要看连续测定的数据间的差异，还要看间隔几天或几周所测定的土壤水分含量的变化。及时和准确地知道土壤中水分含量的变化对于最大限度地利用好中子仪进行科学的作物管理和制定最优化的灌溉计划是非常重要的。同时还要清楚地知道作物在特定土壤中生长所需要的最佳土壤水分含量范围，使土壤水分在作物整个生长季内总是保持在这最佳范围内，这对作物最大限度地发挥其增产和优质的潜力是至关重要的。 

    当然，要确定作物生长所需要的最佳土壤水分含量范围，就必须首先确定这一田块的土壤饱灌点和补灌点。 不同的田块和作物都有各自不同的饱灌点和补灌点。 

即使同一地点土壤类型和作物相同，其饱灌点和补灌点也可能由于耕作措施不同而发生变化，尤其是机械耕作农田。

饱灌点及其测定 

    饱灌点是指土壤达到最湿润且根层没有深层排水发生时的土壤水分含量，它表示某一农田的土壤最大持水能力。通常等于土壤田间持水量，但在某些情况下可能略大于或小于实验室测定的田间持水量值，这是因为本系统中使用的饱灌点是在田间实地测定的饱灌点，而田间持水量是在实验室测定的，所以有时存在和实际情况不符的情况。 

    土壤饱灌点通常在一次过量灌溉或降雨后（灌溉或降雨量大于饱灌点）整个土壤剖面充分吸水达到饱和并将发生深层排水现象，所以在灌溉和降雨后连续监测土壤含水量变化，通常为每天1次，直到根层内土壤深排水作用停止时，就可将该时刻测定的土壤含水量曲线作为饱灌点曲线，根层总的土壤水分含量即为该地点的饱灌点。饱灌点的测定一般是从灌溉或降雨24小时后开始测定，连续测定几天，到连续两天内测定的结果不变时，这时就说明土壤的深排水已经停止，这一时刻的土壤水分含量就是饱灌点。 

    大多数情况下，确定饱灌点的过程比较简单，容易操作，然而也可能会遇到很多新的问题。如在漫灌方式中，可能会出现由于地表板结，灌溉时田间发生局部径流，使灌溉不能均匀进行，影响测定的准确性。这时可以通过中耕作业打破土壤板结，然后再实施大水灌溉，测定出土壤饱灌点。 降雨通常能够均匀有效地湿润整个土壤剖面，因此大规模降雨事件后测定的土壤剖面含水量变化是确定饱灌点的最好时机。 

    在喷灌系统中，表层土壤板结、渗透性较差也是一个较头疼的问题，这就可能因为发生水分径流，使喷灌条件下比较难使土壤整个剖面完全湿润而达到土壤饱灌点，所以在这种情况下要注意破板结，使水分充分渗透而达到饱灌点。 

   长期降雨可以很好地湿润整个土壤剖面，使其达到土壤饱灌点，但也可能使土壤含水量超过饱灌点。特别是在上砂下粘的土壤，由于下层是不透水或透水性较差的粘土层，而其上是透水性很好的砂性土壤，可能会出现上层土壤含水量已超过饱灌点而下层土壤却阻止了多余水分的排出，较难测定土壤饱灌点。 

   漫灌方式下，则较难甚至无法准确地控制进入土壤中的水量，如果土壤的通透性好，可以在深排水停止后测出土壤饱灌点。在土壤通透性不好的农田中，灌溉后的土壤含水量可能高于作物所需的最佳土壤水分范围，将会发生水涝，在这种情况下，饱灌点常被定义为灌溉后24小时的土壤水分含量，即使此时土壤仍然处于水涝状态。

补灌点及其测定 

    补灌点是作物生长最佳土壤水分含量的最低点，当土壤水分含量达到这一点时就应立即实施补充灌溉。定义比较简单，也很容易理解，但要准确测定补灌点却并非很简单。 

    补灌点是作物发生水分胁迫的临界值，土壤含水量低于补灌点后，作物的蒸腾作用受阻，气孔阻力增加，光合作用减少，根系下扎寻水，棉花的日耗水量急剧减小，所以可以认为，当正常气候条件下作物日耗水量剧烈下降和根系下扎开始消耗土壤深层水分时的土壤含水量就是该田块的补灌点。补灌点可以看作是土壤水分刚刚开始不能满足作物最大需水量时的土壤水分含量，此时，土壤水分不能充分供应作物最佳的生长状态，将导致作物生理生态上的一些变化，如关闭气孔等，而使作物的日耗水量减小。在补灌点以下，作物将逐渐生长缓慢直至萎蔫，日耗水量必然降低。另外，一些直观的症状，如幼叶颜色变暗和营养生长变慢等，都可作为确定补灌点的参考依据。补灌点的确定要考虑到土壤类型、作物种类和品种、种植方式等多种因素，但只要在生产实践中多测定和分析所获得的数据资料是不难确定的。 

    另外，补灌点在不同的耕作方式或轮作条件下也会在年际间发生些许变化。所以，在新的耕作制度下，可能需要重新确定补灌点。 

实例1：澳大利亚内鲁比漫灌条件下确定棉花的饱灌点和补灌点 

    在澳大利亚内鲁比漫灌条件下，由于该地土壤质地为重粘土，土壤导水率接近于零，所以确定棉花土壤饱灌点可以简单地通过过量灌溉后24小时所测定的土壤水分含量确定。该数据重复性强，在每次灌溉中，土壤水分含量都达到或很接近于第一次确定的饱灌点。在这个地区当土壤水分达到饱灌点时，土壤往往处于水涝状态。 

补灌点正好是土壤不能充分供给作物生长所需要的最佳需水量的临界值。当土壤水分低于补灌点时，其日耗水量将明显下降，但这时作物的表象变化仍较小，由于植物根系具有向水性，所以其吸水过程将同时发生在植物正常的根区以下的深层土壤中，但随着水分胁迫的加剧，植物为保存水分和减少水分损失，将部分关闭其叶片上的气孔，气孔阻力的增大使植物吸入二氧化碳（光合作用的基本物质）的能力减小，光合作用将减弱，碳水化合物生产将下降，由于棉花的产量主要依赖于植株中的碳水化合物积累，所以将导致棉花产量和品质的下降，而且这种下降是无可挽回的。作物表观发生的某些明显变化，如植株的嫩叶发黑、生殖生长期间的生长速度减缓、幼果脱落等都可以用来帮助确定补灌点。 

实例2：盐碱土壤饱灌点和补灌点的确定（ROBINVALE 酒用葡萄） 

    该地区的土壤疏松，排水性好，但灌溉用水含盐量较高。在ROBINVALE地区，由于过量灌溉引起的地下水位上升及土壤盐碱化是非常严重的。一方面需要过量灌溉以冲洗土壤根区范围内的盐分，另一方面这又会引起地下水位的上升。通过利用中子仪测定和数据分析认为需要多灌溉10%的水分用于淋洗盐分，防止土壤根区范围的盐分累积，减轻盐分对植物正常生长的影响。按照上述方法灌溉（增加10%的水用于淋洗盐分），地下水位保持不变，因为由于灌溉增加的地下水量将被地下水向河流系统的排渗抵消掉。 

    在进行一次充分灌溉后，用中子仪进行定期的监测以确定土壤根层深排水停止的时间，从而能够很容易地确定土壤饱灌点。这需要一天进行2-3次水分测定，直到掌握该地点土壤水分的动力学特性为止。但在某些土壤中，通过测定水分来确定土壤饱灌点并不总是那么容易，如在排水非常快的土壤中，灌溉后24小时再进行水分测定可能已经太迟了。在排水很慢的土壤中，水分含量变化很小，则很容易被由于作物耗水所引起的土壤水分变化掩盖真实的饱灌点。无论如何，确定农田土壤中是否有排水发生是很重要的，在这一地区通常土壤深排水速度非常快。 

作物在土壤水分达到补灌点时并不会表现出明显的水分胁迫特征。当作物表现出明显的水分胁迫特征时已经意味着作物处于某种较严重的水分胁迫状态，此时作物潜在的产量损失已很大。农民一般根据自己过去的经验以及其它农民或农业技术人员的研究结果，大致确定出每种土壤类型下作物可利用的土壤有效水分范围（饱灌点和补灌点之间的差值），通常为50-70mm。喷灌条件下，用户可以很容易并准确地向农田实施灌溉作物所需水分。 

    在ROBINVALE地区，酒用葡萄的种植者每次灌溉还要多灌适量的水分使土壤水分含量高于饱灌点，而高于饱灌点的那部分水量正好可以淋洗根区范围的盐分，而不需要浪费更多的水分。这样做的目的一方面是避免盐分在土壤中的积累，另一方面也能避免过量灌溉使地下水位上升，造成土壤次生盐渍化。如果灌溉水质较好，不存在上述土壤盐碱化问题，那么就应避免过量灌溉使土壤含水量超过饱灌点。因为过量灌溉不但增加了成本，浪费了宝贵的水资源，而且还能使土壤中的营养元素从作物根区随深排水作用而淋溶损失，地下水位也可能上升。 

实例3：蔬菜作物饱灌点和补灌点确定（芹菜） 

    芹菜种植者从生产芹菜中获得利益在极大程度上取决于芹菜茎秆的长度。芹菜茎秆越长，效益就越好。而芹菜茎秆长度又取决于芹菜生长过程中茎杆细胞的分裂速度。由于植物的细胞分裂速度是当土壤含水量接近饱灌点时最大，因此要尽可能在芹菜的生长期内使土壤水分一直保持在接近饱灌点的范围内。同时土壤水分含量的大幅度变化还可以影响到营养元素的吸收，特别是钙，会使芹菜的经济效益受到影响。所以在这种情况下，补灌点确定就应不同于大田作物，选择适当靠近饱灌点的位置作为补灌点。使用滴灌或喷灌系统，可以实现少量多次灌溉，使根层土壤一直保持在较湿润的范围内，这样就可使蔬菜的营养生长最快和果品含水量高、品质优良。 

   在澳大利亚芹菜生产中，每天浇灌两次，使灌溉水量正好能补充作物所吸收利用的水量。定期测定土壤水分，确保土壤水分一直保持在适宜的范围。