土壤含水量的測量方法很多,烘干法是應用品廣泛的方法之一,它也是對其他所有測量土壤含水量方法進行校核的標準。烘干法的優點是,使用土鉆或取土器就可方便地取出土樣,而且土壤含水量計算簡便,精度高。缺點是在非均質土壤剖面中,取得各代表性位置的土壤含水量值是比較困難的。
在監測土壤水分的時空分布時,采用烘干法將嚴重破壞土壤,不能原位測量土壤含水量的變化。這時研究土壤水分運動,特別是對土壤水分通量方法的研究和應用是很不利的。
原子核法、中子散射法、射線法、電磁方法(電阻法、電容法、時間域反射儀法、微波法、遙感法等等)、負壓計法以及儀器法(快速土壤水分儀、土壤水分速測儀、土壤溫度數據采集器等等)等都是原位測量土壤含水量的方法。但相對而言,中子測水技術更有利于土壤水分運動的研究。中子儀的使用日趨廣泛,本文僅簡略介紹中子測水效術有關原理。
中子測水原理
中子測水的基本原理是應用氫原子對中子的慢化效應測定土壤含水量(體積含水量)。中子儀由中子源、慢中子檢測器、計數器、電源等部分組成。
應用zui廣泛的中子源是放射性同位素镅-鈹(Am-Be)源,也有采用鐳-鈹(Ra- Be)或釙-鈹(Pu-Be)源的。放射性同位素放出的射線碰撞鈹,產生高達效百萬電子伏待能量的快中子,它與周圍的原子核碰撞而喪失能量。如果與快中子相碰撞的原子核質量很大,快中子被彈回并保持原運動速度。若被快中子碰撞的粒子與中子的大小和質量相同,快中子的能量和速度均會損失一半。
所以當中子與大小大致相同的顆粒反復碰撞時中子逐漸喪失能量使速度減慢,并稱此中子為慢中子或熱中子、快中子與其他原子碰撞損失能量的過程通常稱為慢化效應。土壤中氫原子的質量(1.0079原子質量單位)與中子質量(1.0086原子質量單位)非常接近,所以氫原子能zui有效地慢化快中子。土壤中氫原子絕大部分存在于土壤水分中,快中子慢化過程是相當短暫的,因此這些慢中子在中子源周圍很快形成一個處于動態平衡的慢中子云。
在土壤中氫原子慢化快中子能力比其他質量大的原子要大兩個數量級以上,而且土壤中氫原子絕大部分存在于土壤水分中。慢中子云的有效強度是土壤含水且的函數,因此,由熱中子檢測器檢測出慢中子率,利用預先建立好的中子儀標定曲線就可計算得到土壤含水量。