3He管中子土壤水分测量装置提高测量精度

张 杰，刘 刚，李保国，李贵桐



3He管中子土壤水分测量装置提高测量精度

张 杰，刘 刚※，李保国，李贵桐

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

宇宙射线中子法是一种先进的测定区域土壤水分含量的方法，但国内外对其制约因素的研究仍不成熟。该研究利用商业化宇宙射线中子仪（CRS1000）和自己组装的3He管中子水分探测器（3He管），在中国农业大学上庄试验站对土壤含水量进行持续监测，将测量的结果与烘干法测量的结果进行对比分析，验证2种仪器测量的准确性和稳定性，并比较2种仪器对土壤水分变化响应的灵敏性差异。研究结果显示，CRS1000和3He管具有较高的稳定性，在太阳活动剧烈时，有必要考虑对中子入射强度进行校正；通过与烘干法获得的土壤水分数据比较，CRS1000和3He管测量数据的均方根误差分别为0.036、0.015 cm3/cm3，说明2种仪器进行土壤水分测量的结果非常准确；利用2种仪器获得的土壤水分曲线的变化趋势具有较高的一致性，在降水事件发生时，2种仪器都迅速作出响应，但3He管对土壤水分变化的反应更加灵敏，测量精度更高。同时，组装的3He管中子水分探测器成本约为商业化宇宙射线中子仪的1/2，降低了成本，具有更加广阔的应用前景。

土壤；水分；传感器；CRS1000；3He管

0 引 言

土壤水分是生态系统中水资源循环的重要组成部分，在地表和大气之间的物质和能量交换过程中充当着非常重要的角色，土壤水分也是农田作物生长发育的基本条件和农田作物产量预报的重要参数[1]；同时也是水文学、气象学等科学研究领域的重要环境因子和过程参数，因此对土壤水分监测方法的研究受到众多学科研究人员的重视[2]。

迄今为止，测定土壤含水量的方法多达几十种，传统的土壤水分测量方法大多为点测量的方法[3]，如烘干法、电容法、时域反射法（TDR）等，其测量多为小尺度水平上的研究，区域代表性差，而且具有费时费力等缺点。遥感技术的发展成熟，为区域土壤含水量的研究提供了一种新的方法。遥感技术具有多源化、多时相等优势，可以获取大范围空间尺度上的土壤含水量，但是遥感技术一般只能反演近地表层5 cm以内的含水量情况，且受土壤质地、容重、植被覆盖情况等多种因素影响[4]。

近年来，宇宙射线中子法的提出和应用填补了传统点测量方法和遥感方法之间的空白，对中尺度范围的土壤水分研究具有重大的意义。宇宙射线中子法是一种被动、非接触测量土壤水分的方法，具有不破坏土壤结构、测量范围广、测量深度较深、可实现原位自动监测等优点，其观测结果几乎不受到土壤化学性质的影响[5-6]。宇宙射线中子法测定土壤含水量依据的原理是地表以上的宇宙射线快中子强度与土壤含水量之间呈反比例关系，利用固定在地表的宇宙射线中子探测器测量周围环境中快中子的强度，继而反演出以探测器为圆心、目标半径约为300 m区域内的平均土壤含水量[5,7]。Hess等[8]首先提出了宇宙射线在大气中广泛存在的理论，并指出近地面的土壤水分含量是影响由宇宙射线慢化而成的快中子强度的决定性因素。Kodama等[9]初步探索出宇宙射线中子强度与土壤水分含量之间呈负相关的关系。Zreda等[5]将该方法发展，并做了大量相关研究，明确计算出中子传感器测量的半径及垂直距离，并与TDR传感器的测量结果进行了比较，初步证实了该方法的可靠性。Desilets等[6]提出了中子数量与土壤水分含量的转化方程，并提出了利用点测量方法进行校正的理论。Franz等[10]提出了通用的校准方程，对大气压力、空气湿度、中子入射强度等因素进行了校正。目前，该方法已在宇宙射线土壤水分观测系统中得到贯彻实施，并在美国本土长期监测土壤水分含量的动态变化[11]。与此同时，大量研究人员对宇宙射线中子法的应用进行了更深入的研究，并开始分析影响该方法测量精度的一些环境因素，Rivera等[12]定量研究了当地面有积雪覆盖以及地面有植被覆盖2种情况对土壤水分测量的影响，证明了少量雪覆盖对宇宙射线中子法准确性的影响远大于地面玉米覆盖的影响。之后，Rivera等[13]又尝试在作物下垫面条件下使用不同校正方法对测量结果进行校正，证实了作物对测量结果的影响较大，而不同深度的土壤水分对宇宙射线中子法的测量结果并没有权重上的不同。另外，Rosolem等[14]研究了空气水分因素对快中子强度的影响，并在理论上证明近地面空气中的水汽对快中子强度最大会产生12%的影响，对土壤水分的测量造成计算误差，需要作出相关修正。虽然原位宇宙射线中子水分探测系统可以测量半径300 m范围内土壤平均含水量随时间的动态变化，但最新的车载宇宙射线中子水分探测系统可以在更大区域范围内对土壤水分的空间变异性进行研究。Chrisman等[15]利用车载宇宙射线中子水分探测系统绘制地表土壤水分含量图，用土壤水分的卫星数据进行校准验证。Almeida等[16]将快中子、电容探针网络测定的土壤水分含量和适应神经推理系统进行结合，并可靠估计了湿润时期内表层土壤水分含量。Baroni等[17]主要针对目前快中子的修正问题，提出不需要进行一一修正，而是利用一种扩展的方法直接估计土壤水分含量。

宇宙射线中子水分探测系统在国内的应用目前还处于起步阶段，由于该方法受到海拔和纬度等许多地理因素的制约，其在中国的地理条件下的应用还不能完全确定。国内焦其顺等[18]和贾晓俊等[19]将该方法分别应用于甘肃黑河流域和北京海淀区上庄乡测量土壤水分含量，证实宇宙射线中子法可以准确测量该仪器测量范围内土壤含水量。赵纯等[20]将宇宙射线中子水分观测方法应用在黄土高原草地植被中，结果证实该土壤水分观测系统能够很好地测量黄土高原草地植被半径约300 m范围内0～30 cm表层的土壤平均含水量。王秋铭等[21]将COSMOS系统应用于陕北六道沟流域，通过对比分析COSMOS和TDT 2种方式测定的土壤含水量，验证了宇宙射线土壤水分观测系统的可靠性，并证实了宇宙射线土壤水分观测系统能够为坡面尺度土壤水分和径流预测模型提供数据。由于快中子数受气压、空气水汽、中子入射强度、地表及地下生物量、土壤中的晶格水等许多因素的影响，而且对大多数制约因素的研究仍不成熟，所以推广宇宙射线中子法在土壤水分监测领域的应用仍需要做进一步的研究。

本研究利用美国生产的商业化宇宙射线中子仪（简称CRS1000）和自己组装的3He管中子水分探测器（简称3He管），对中国农业大学上庄试验站的土壤水分含量进行长期连续监测，并对测量范围内所测中子强度进行气压、空气湿度以及中子入射强度的修正，分析CRS1000与3He管测量土壤水分含量结果变化趋势的一致性，并比较2种装置对于土壤水分变化的敏感性。

1 基本原理

在地球磁场的作用下，太空中存在的宇宙射线中子进入地球。到达地球大气上边界时会与大气中的原子核不断碰撞发生级联反应，初级中子逐渐失去能量转化为次级中子（或称为高能中子），高能中子进入地球表面与空气和土壤中的原子核发生反应，从而引起快中子的释放，由于释放的快中子能量不足而不能再次发生激发反应，只能不断与地表和大气中的核子碰撞，不断被慢化[5,22]。核子慢化快中子的作用主要由元素的宏观散射横截面积、每次碰撞所消耗能量以及核子数3个因素决定。研究表明，氢原子对快中子具有非常高的慢化能力，地表以上的快中子数量与周围土壤中的氢原子数量具有显著的相关性[23]。

在近地表面，氢原子主要存在于土壤水中，因此土壤水分含量是影响地面快中子强度的决定性因素，氢原子在慢化快中子中起决定性作用是宇宙射线中子方法测量土壤水分的主要理论依据。在前人理论研究基础上，Desilets等[6]提出了中子强度与土壤含水量之间的函数关系

式中，()是测量范围内土壤含水量，cm3/cm3；是经过气压、空气湿度等修正后的中子数，个；0是在土壤不含水的情况下测量得到的中子数，个；通过蒙特卡洛模拟得到以下常数：0=0.080 8，1=0.372，2=0.115。

1.1 测量范围

1.1.1 半 径

通常定义宇宙射线中子水分观测系统的水平探测范围为86%的快中子的来源范围[5]。因为中子的平均散射自由程与每立方米空气中的分子数成反比关系，即空气密度越大，单位体积空气中的分子数就会越多，中子传输的距离也就越小，测量范围也就越小[11]。通常情况下测量半径与气压的关系可由下式表示[14]

式中R,0为参考气压p,0的测量半径（通常使用1个标准气压下的半径值，为300m），m；R为当前气压p下的半径值，m。

1.1.2 深 度

宇宙射线中子仪的测量深度与测量区域内的土壤水分含量呈反比。当土壤含水量高时，近地表环境中含有的氢原子数也会多，加速土壤中快中子的慢化和吸收，使其无法继续传播下去。根据MCNPX的模拟结果，探测深度范围为12～76 cm[5]。近年来，Franz等[7]提出了基于土壤成分仅为水分和矿物质成分的测量深度和土壤水分的计算公式

式中ρ为土壤的容重，g/cm3；为质量含水量，通常忽略不计，g/g；为土壤体积含水量，cm3/cm3。

1.2 修正原理

1.2.1 大气气压修正

高能宇宙射线粒子受到地球引力的吸引到达地球表面土壤的过程中，会不断与大气粒子发生碰撞，并且产生级联反应，从而丢失能量最终被慢化和吸收。当大气压高时，由于空气粒子密集，高能宇宙射线粒子与大气粒子发生碰撞的次数相对较多，而到达地面附近的高能粒子强度就相对较弱，因此，当测量土壤水分处于同一值时，测得的快中子个数相对较少；同理，当大气压低时，测得的快中子个数相对较多，因此要对气压变化带来的影响进行修正。气压的修正系数f，见公式

其中，为高能中子的质量衰减长度，mbar或g/cm2（在高纬度地区约为128 g/cm2，赤道附近约为142 g/cm2）；为采样地点的气压值，kPa；0为任意参考压强，kPa[24]。

1.2.2 空气湿度修正

当空气中的湿度不同时，也会对快中子的强度造成不同程度的影响，从而使土壤水分的计算结果出现误差。对空气湿度的修正系数为f，计算公式

式中ρ为测量期间的绝对湿度，g/m3；0为所设定参考条件下地表的绝对湿度，g/m3[25]。

1.2.3 中子入射强度修正

星际辐射波动及太阳活动也会对宇宙射线的传播产生影响，从而导致地球上宇宙射线中子强度波动。基于此，中子强度校正系数为f，公式为

式中I为仪器监测到的中子强度，counts/h；0为基准参考强度，counts/h[11,26]。

最终经气压、空气湿度以及中子入射强度校正后的公式为

式中为修正后的中子计数，cph；N为探测到的原始中子计数，cph。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

研究区位于中国农业大学上庄试验站内（40°8′N，116°10′E），该地区属于华北山前冲积平原，是典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均降雨量约为600 mm，降雨多集中于6－9月份，该时期的降雨量占全年降雨总量的72.5%，且强降雨大多出现在午后及夜间[27]。试验区内主要种植玉米和小麦等农作物以及葡萄、花卉等经济作物。

2.2 试验装置

2015年4月到2016年7月期间，试验站内安装了美国Hydroinnova公司生产制造的商业化宇宙射线中子仪（型号为CRS1000），如图1a所示，该装置主要由中子探测器、数据采集器、太阳能供电系统、安装支架、机箱、GSM传输模块等组成，由于本试验只研究土壤水分变化情况，故只应用到快中子传感器，该传感器外观呈圆柱状，高122 cm，底面直径11.5 cm，内充BF3气体。试验时，该中子传感器底部距离地面150 cm。同时，该套装置自带气压传感器、空气温度和湿度传感器等。

在气压等条件相同的情况下，同等型号的BF3正比计数管的中子探测效率要远低于3He正比计数管的探测效率[28]。因而，为获取更准确的探测数据，有必要采用3He正比计数管。另外，为了降低宇宙射线中子仪的成本，可采购的部件自己组装而非采购成品商业化宇宙射线中子仪。实验室于2015年10月份从国外购买3He正比计数管（上端直径2.5 cm，长为40 cm，2个大气压，英国Centronic公司）和中子脉冲监测模块（Model PDT-20A-HN，Precision Data Technology, Inc），自己组装成3He管中子水分探测器，并于2015年10月份安装在商业化宇宙射线中子仪附近。整套仪器包括：机箱、太阳能供电系统（20W太阳能电池板、太阳能控制器、12 V蓄电池）、3He正比计数管中子脉冲监测模块、数据采集仪（ModelCR1000，Campbell Scientific，Logan，UT）等。自行组装3He管中子水分探测器的成本（11万元人民币）仅为Hydroinnova公司生产制造的商业化宇宙射线中子仪（型号为CRS1000，价格28万元人民币）的不到一半。

a.CRS1000数采仪 b.BF3正比计数器 c.数据采集器 d.中子脉冲检测模块 e.3He正比计数器

2.3 数据获取

2种宇宙射线中子仪自安装完成后便开始计数工作，设置为每小时测量一次。同时，本试验采用烘干法测定宇宙射线中子仪测量范围内的土壤含水量，采样点以CRS1000为圆心，60°夹角为间隔，分别在25、75、175 m半径处取土，取样深度为30 cm，每隔5 cm作为一个样本，总共采集108个土样[24]。用这108个点0～30 cm的平均土壤含水量代表该仪器测量范围内的表层土壤平均含水量，同时作为标定仪器所需要的数据并与仪器测量值进行比较，分别于2015年5月26日、6月5日、10月17日和2016年4月14日进行了4次田间取样。

3 结果与分析

3.1 标定系数

本试验采用烘干法来测定CRS1000测量范围内的土壤含水量，对该仪器测量范围内的系数0进行标定。图2是2015年6月5日下午利用土钻取样的位置示意图，此次取样测得区域内土壤平均体积含水量为0.179 cm3/cm3，所有样本含水量的标准偏差为0.035 cm3/cm3，说明该仪器测量范围内土壤水分含量存在一定程度的变异性。将仪器观测到的中子强度进行修正后，经公式（1），反推得到商业化宇宙射线中子仪的系数0为1 150 cph。2015年10月份，自己组装了一套3He管中子水分探测器，由于该仪器的型号以及所探测的中子强度不同，需要对3He管中子水分探测器采用同样的方法，对系数0进行标定。

图2 土壤取样位置分布

3.2 CRS1000中子入射强度波动校正分析

CRS1000自带有气压、湿度探测器，在应用该仪器测量土壤水分含量的过程中主要分析并修正了气压与空气湿度的影响。由中国科学院国家空间科学中心宇宙射线观测站的记录显示，2015年6月22日至30日发生了一次较强的太阳活动，导致北京地区该时期的宇宙射线中子强度减弱。图3a、图3b、图3c显示了2015年6月3日至7月3日CRS1000气压校正系数、空气湿度校正系数与中子入射强度校正系数的变化范围，由图可知，气压校正系数与空气湿度校正系数并未受太阳活动的影响，而中子入射强度的校正系数受太阳活动的影响很大。由图3d可知，当太阳活动较弱时，中子入射强度是否进行校正所得到的土壤水分含量结果相差不大；但是当太阳活动增强时，CRS1000经过中子强度校正后所计算的土壤水分含量与未经中子强度校正计算得到的土壤含水量出现明显偏差。由此可知，在应用宇宙射线中子法计算土壤水分含量过程中，除了进行气压与空气湿度校正外，当太阳活动强烈时，有必要考虑校正中子入射强度的影响，这与已有文献的结论一致[13]。

3.3 商业化宇宙射线中子仪测量结果与烘干法比较

图4为CRS1000在2015年5月份至2016年4月份记录的区域内土壤水分含量与4次田间取样测定结果的对比。测量期间，由CRS1000探测的土壤水分含量最低值为0.116 cm3/cm3，最高值为0.445 cm3/cm3，由图可以看出，4次不同时间人工取样获得的土样含水量结果与 CRS1000的观测结果具有较好的一致性，均方根误差为0.036 cm3/cm3。

图3 CRS1000气压、水汽、中子强度校正系数和土壤体积含水量

图4 CRS1000测量结果与烘干法结果对比

图5为4次田间取样前后48 h内CRS1000探测到的水分含量与烘干法测定的土壤水分含量的结果比较。由图可知，4次田间取样的测量值与CRS1000的水分探测曲线拟合的较好；经计算得到，2种方法所测结果的平均绝对差值为0.020 cm3/cm3，说明CRS1000测量土壤水分含量具有较高的准确性，这也证明了CRS1000经过校正后，监测得到的土壤含水量具有较高的稳定性，这与Zreda等[11]得到的结论一致。

3.4 CRS1000和3He管测定结果对比分析

3.4.1 2种仪器测量结果一致性分析

图6为2次（2016年4月14日与5月8日）田间取样测得的土样水分含量与3He管测量值的比较结果，由图可以看出烘干法测量得到的土壤水分结果与3He管测量曲线的拟合度较高，其计算得到的均方根误差为0.015 cm3/cm3，表明自己组装的3He管中子水分探测器测量土壤水分含量非常准确，可以应用于野外，进行土壤水分的监测试验。

图5 48 h内CRS1000测量结果与烘干法测量值比较

图6 3He管测量结果与烘干法测量值比较

在3He管应用于野外进行土壤体积含水量观测前期（2015年11月～2016年4月），2种仪器的测量结果差别较大，平均绝对差值达到0.104 cm3/cm3；从2016年5月份开始，两者土壤含水量的测量结果减小，平均绝对差值降为0.044 cm3/cm3，并且逐渐趋于一致，这与我们对3He管保护箱体内加了屏蔽材料以及将蓄电池装入屏蔽箱有关，减少了外部环境对3He正比计数管的辐射影响。图7为2016年5月3日至2016年7月6日，2种仪器的土壤水分探测曲线比较。

如图8所示，2种仪器的原始中子计数相差10倍左右。据文献[29]知，Knoll在2000年曾提出关于中子探测器测量误差的定义，指出测量结果误差取决于探测器原始中子计数的大小（正比于N-0.5），3He管中子水分探测器的平均原始中子计数可达7 225 cph，而CRS1000原始中子计数平均值为684 cph，由此表明3He管中子水分探测器的测量误差要低于CRS1000，误差（0.012）仅为后者（0.038）的不到三分之一，由此可以推断，在图8中，由3He管中子水分探测器给出的趋势变化更准确可靠。

图7 2016年CRS1000与3He管测量结果对比

图8 2016年CRS100与3He管原始中子计数比较

3.4.2 2种仪器对土壤水分变化的敏感性分析

3He管中子水分探测器在重新安装应用后，由于各种原因，部分月份数据丢失，直到5月份数据记录稳定。几次大的降水主要发生在5、6月份，故采用了该时期的数据。图9a是2016年5月份记录的2种仪器对降雨事件的响应，5月份共发生了3次较大的降水过程，2种仪器都做出了响应，但对第1次降水事件做出的响应非常明显。

图9 CRS1000与3He管在土壤水分发生变化时的测量结果对比

图9b为2016年6月份CRS1000与3He管中子水分探测器对土壤水分变化敏感性的对比图。根据上庄试验站雨量传感器的记录，较大的一次降水事件发生在6月10日上午，累计降水量为21.6 mm，2种仪器都对此次降水事件做出了非常明显的响应，但3He管的反应更加迅速，变化趋势更加明显，说明3He管的灵敏性更高，这与3He管的中子计数效率远高于CRS1000有关。从图中还可以看出，在没有降水发生时，探测的土壤含水量仍然会有周期性的升降变化，且每天正午左右探测曲线位于低位，晚上12点左右位于高位，这与每天的太阳辐射强度变化以及地面蒸发有关，同时温度的日变化与浅层土壤含水量的日变化规律一致。接下来，我们还会对此现象做进一步的研究。

4 讨 论

4.1 温度以及风速影响仪器对降水事件的响应

温度、风速等天气因素都会对土壤水分变化产生不可忽视的影响，特别是表层的土壤。温度越高、风速越快，土壤表层的水分蒸发就会加快，这可能导致仪器失去对小规模降水的响应。从图9a可以看出，第二次降水出现时，2种仪器测量的水分含量均未发生明显的升高，由当时的气象数据得知，第二次降水是从14日凌晨4点左右开始，持续了近12 h，但降水量仅为6.5 mm，非常少；且降水前12 h的平均温度达到了22.5 ℃，土壤温度较高，水分的蒸发很快，在降水接触到地面时，水分瞬间被蒸发掉，导致仪器失去了对此次降水的响应。由此，可以了解到，宇宙射线中子仪对降水的响应有一定的局限性，但这并不影响仪器对土壤水分测量的准确性。

4.2 测区内的环境因素对仪器测量结果准确性的影响

快中子的数量受地表及地下生物量、土壤中的晶格水等许多因素的影响，故测量区域内的作物种植情况、积雪以及积水状况等环境因素，都会影响宇宙射线中子仪对区域水分含量的测量结果。但由于研究区内作物种类繁多，本次研究未能考虑其对测量结果的影响。接下来，将利用2种仪器对研究区进行长期监测，并充分考虑测量区域内作物种植的情况以及其他环境因素；同时考虑人为控制作物的种植方案，比较3He管中子水分探测器和商业化宇宙射线中子仪在不同种植条件下，其测量结果的差异性，并探索提高2种仪器测量精度的方法。

5 结 论

该研究主要利用商业化宇宙射线中子仪（CRS1000)以及实验室自己组装的3He管中子水分探测器（3He管）进行土壤水分的持续监测，并利用烘干法测定的结果进行系数0标定和对比分析。试验表明，CRS1000经过一次系数标定后，测量的数据稳定性较高，不需要进行连续校正；当太阳活动强烈时，应用宇宙射线中子法计算土壤水分含量时有必要对中子入射强度进行校正；田间取样获得的土壤水分数据与2种仪器的测量曲线拟合度较高，说明2种仪器进行土壤水分测量的结果可靠，准确性高，而3He管单位时间内的原始中子计数约为CRS1000的10倍，这说明3He管具有更高的测量精度；试验后期，2种仪器测量的土壤水分曲线的变化趋势具有较高的一致性，在有降水事件发生时，2种仪器都对降水做出响应，但3He管对于土壤水分变化反应更加灵敏。与此同时，3He管中子水分探测器的组装费用约为商业化宇宙射线中子仪的购买价格的一半，成本更加便宜，所以3He管中子水分探测器具有更好的应用前景。

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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

国家自然科学基金资助项目（41371231）

张 杰，主要研究方向为中尺度区域土壤水分含量的测定。 Email：1362216651@qq.com

刘 刚，博士，教授，研究方向为多孔介质中的能量与质量传递输运过程、溶质和水分的运动规律、热脉冲探针方法的改进等。 Email：liug@cau.edu.cn

张 杰，刘 刚，李保国，李贵桐.3He管中子土壤水分测量装置提高测量精度[J]. 农业工程学报，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