calibración de una sonda de neutrones en un suelo haploxerands
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1. Figure 1 Neutron moisture meter CPN 503 DR Hydroprobe in position of standard count and soil measuring 216 RESULTADOS Y DISCUSI N La curva de calibraci n de la sonda de neutrones es afectada por el tipo de suelo profundidad y elementos qu micos que tienen la capacidad de termalizar neutrones En la Figura 2 se presenta la relaci n entre contenido de agua volum trico y conteo relativo para la profundidad de 20 cm obteni ndose una baja correlaci n R 0 66 y ECMP 25 08 probablemente por efecto de la dispersi n de neutrones hacia la atm sfera y contenido de materia org nica Esto concuerda con Gornat y Goldberg 1972 quienes determinaron que la baja tasa de conteo en estratas superiores de suelos arenosos y franco arcillosos se debe al escape de neutrones desde el suelo Al respecto Otto y Gimenez 2000 midieron el contenido de agua del suelo con sonda de neutrones instalando tubos de acceso a 90 cm para r bano y 105 cm de profundidad para remolacha y espinaca pero usaron TDR en los 20 cm superiores de suelo Por su parte Hillel 2004 expresa que mediciones en los primeros 20 cm del suelo son imprecisas debido al posible Agro Sur Vol 38 3 2010 escape de neutrones hacia la atm sfera Para las profundidades de 40 60 y 80 cm Figuras 3 4 y 5 se observa una alta relaci n entre conteo relativo y contenido de agua volum trico ya que se obtienen coeficientes de determinaci n entre 0 90 y 0 94 y ECMP infer2. D 1972 The relation between moisture measurements with a neutron probe and soil texture Soil Sci 114 254 258 HANSON B R PETERS D W 2000 Using dielectric soil moisture sensors for irrigation scheduling Acta Hort 537 471 477 HAVERKAMP R VAUCLIN M VACHUD G 1984 Error analysis in estimating soil water content from neutron probe measurements 1 Local standpoint Soil Sci 137 78 90 HILLEL D 2004 Introduction to environmental soil physics Elsevier Academic Press New York 494 p INFOSTAT 2004 InfoStat Sofware estad stico Manual del usuario Versi n 2004 Grupo InfoStat FCA Universidad Nacional de C rdoba Editorial Brujas C rdoba Argentina LAL R 1974 The effect of soil texture and density on the neutron and density probe calibration for some tropical soils Soil Sci 117 183 190 LAL R 1979 Concentration and size of gravel in relation to neutron moisture and density probe calibration Soil Sci 127 41 50 LEIB B G JABRO J D MATTHEWS G R 2003 Field evaluation and performance comparison of soil moisture sensors Soil Sci 168 396 408 MWALE S5 S AZAMALI S N SPARKES D L 2005 Can the PR capacitance probe replace the neutron probe forroutinesoil watermeasurements Soil Use and Management 21 340 347 OTTO R F GIMENEZ C 2000 Evapotranspiration and dry matter production of horticultural crops under cover Acta Hort 516 23 30 QUEZADA C FERN NDEZ B 1977 Calibraci
3. en suelos con alto contenido de materia org nica Gornat y Goldberg 1974 La hip tesis planteada es que la calibraci n de la sonda de neutrones debe realizarse para cada horizonte de suelo y que las ecuaciones de calibraci n obtenidas pueden ser usadas para horizontes con textura similar Por lo anterior el objetivo de esta investigaci n fue calibrar una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a diferentes profundidades en un suelo Haploxerands y as dar mayor precisi n a la determinaci n del contenido de agua del Agro Sur Vol 38 3 2010 suelo en investigaciones sobre eficiencia de uso del agua MATERIALES Y M TODOS Esta investigaci n se realiz en la Estaci n Experimental El Nogal de la Facultad de Agronom a de la Universidad de Concepci n en Chill n Chile 3635 43 2 lat S 720439 long O 140 msnm durante los meses de noviembre 2007 a marzo del 2008 El suelo pertenece a la serie Diguill n Haploxerands derivado de cenizas volc nicas modernas que descansa sobre un substrato constituido por toba volc nica de textura franca topograf a plana profundo y buen drenaje Stolpe 2006 Las caracter sticas f sicas e h dricas son las siguientes El equipo utilizado es marca CPN 303 DR Hydrprobe con actividad de 50 mCi y una fuente radioactiva de Am Be Cuadro 2 La parcela ten a una superficie de 20 x 20 m donde se instalaron tres tubos de acceso de aluminio di metro interior de 47 mm y d
4. la variabilidad en las caracter sticas f sicas y qu micas del suelo BIBLIOGRAFIA BABAOLA O 1972 Influence of bound water on the calibration of neutron moisture meter Soil Sci 114 323 324 CORBEELS M HARTMANN R HOFFMAN G VANCLEEMPUT O 1999 Field calibration of a neutron moisture meter in Vertisols Soil Sci Soc Am J 63 11 18 EVETT S R STEINER J L 1995 Precision of neutron scattering and capacitance type soil water content gaugues from field calibration Soil Sci Soc Am J 59 961 968 EVETT S R TOLK J A HOWELL T A 2003 A depth control stand for improved accuracy with Agro Sur Vol 38 3 2010 the neutron probe Vadose Zone Journal 2 642 649 EVETT S R IBRAGIMOV N KAMILOV B ESANBEKOV Y SARIMSAKOYV M SHADMANOV J MIRHASHIMOV R MUSAEV Rus RADJALBOIV T MUHAMMADIEV B 2007 Neutron moisture meter calibration in six soils of Uzbekistan affected by carbonate accumulation Vadose Zone Journal 6 406 412 FARAH S M REGINATO R J NAKAYAMA F S 1984 Calibration of soil surface neutron moisture meter Soil Sci 138 235 239 FARES A BUSS P DALTON M L KADLA L PARSONS L R 2004 Dual field calibration of capacitance and neutron soil water sensors in a shrinking swelling clay soil Vadose Zone Journal 3 1390 1399 FRUEH W T HOPMANS J W 1997 Soil moisture calibration of a TDR multilevel probe in gravely soils Soil Sci 162 554 565 GORNAT B GOLDBERG
5. n de una sonsa Celerino Quezada et al Determinaci n de conductividad no saturada mediante el m todo del perfil instant neo Agric Tec 37 106 111 SHIRAZI G A ISOBE M 1976 Calibration of neutron probe in some selected Hawaiian soil Soil Sci 122 165 170 STOLPE N 2006 Descripciones de los principales suelos de la VIII Regi n de Chile Universidad de Concepci n Facultad de Agronom a Departamento de Suelos y Recursos Naturales 221 Publicaciones N 1 84 p TOLK J A EVETT S R 2009 Lysimetry versus neutron moisture meter for evapotranspiration determination in four soils Soil Sci Soc Am J 73 1693 1698 YAO T WIERENGA P J GRAHAM A R NEU MAN S P 2004 Neutron probe calibration in a vertically stratified vadose zone Vadose Zone Journal 3 1400 1406
6. 1 Figure 3 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe to a depth of 40 cm in a Haploxerands soil 29 53 CR 12 71 R lt 0 91 ECMP 9 12 1 46 1 60 Conteo Relativo CR Figura 4 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a profundidad de 60 cm en un suelo Haploxerands O 23 84CR 11 18 Figure 4 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe to a depth of 60 cm in a Haploxerands soil 23 84 CR 11 18 218 Agro Sur Vol 38 3 2010 R lt 0 90 ECMP 7 34 1 48 1 61 Conteo Relativo CR Figura 5 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe profundidad de 80 cm en un suelo Haploxerands O 24 62CR 12 43 Figure 5 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe to a depth of 80 cm in a Haploxerands soil O 24 62 CR 12 43 R lt 0 66 ECMP 23 05 1 43 1 58 1 74 Conteo Relativo CR Figura 6 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a profundidad de 100 cm en un suelo Haploxerands O 17 52CR 0 03 Figure 6 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe to a of 100 cm depth in a Haploxerands soil O 17 52 CR 0 03 Calibraci n de una sonsa Celerino Quezada et al 219 R lt 0 59 ECMP 18 75 0 63 1 06 1 50 Conteo Relativo CR Figura 7 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a profundidades entre 20 y 100
7. 212 Agro Sur Vol 38 3 212 221 2010 CALIBRACI N DE UNA SONDA DE NEUTRONES EN UN SUELO HAPLOXERANDS CALIBRATION OF NEUTRON PROBE INA HAPLOXERANDS SOIL Celerino Quezada Marco Sandoval Adriana Nario Universidad de Concepci n Facultad de Agronom a Departamento de Suelos y Recursos Naturales Casilla 537 Chill n Chile E mail cequezad Oudec cl Comisi n Chilena de Energ a Nuclear Nueva Bilbao 12501 Las Condes Santiago Chile ABSTRACT Key words neutron probe calibration curve volumetric water content The neutron moisture meter is the indirect sensor more accuracy for soil water monitoring that require calibration for site specific The experiment was conducted in a silt loam soil Diguill n serie Haploxerands The objective of this study was to calibrate a neutron probe CPN 503 DR Hydroprobe The water volumetric contendt and count ratio was measured to 20 40 60 80 and 100 cm depth in aluminum tubes inserted to 1 20 m depth The results showed a low accuracy for the 20 cm depth R 0 62 and RMSE 23 08 by escape of neutrons into the atmosphere and the hydrogen thermalizing of the soil organic matter A high accuracy was obtained at 40 R 0 94 and RMSE 9 32 60 R 0 91 and RMSE 9 12 and 80 R 0 90 and RMSE 7 34 cm depths due to uniforms physical properties The accuracy decreased to 100 cm depth R 0 66 and RMSE 23 05 by presence of iron and manganese concretions The calibration curve fo
8. cm un suelo Haploxerands O 13 93 CR 5 89 Figure 7 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe between the 20 to 100 cm depth in a Haploxerands soil O 13 93 CR 5 89 Quezada y Fern ndez 1977 en suelos gran ticos con un R 0 66 por el aumento del contenido de arcilla en profundidad Esto indica la necesidad de realizar calibraciones individuales por horizonte de suelo para disminuir los efectos de los cambios texturales en la tasa de conteo de neutrones Corbeels ef al 1999 Yao et al 2004 Evett et al 2007 Similar planteamiento tienen Fares et al 2004 quienes determinan que la calibraci n individual cada 10 cm de profundidad mejora la precisi n comparada con una sola curva de calibraci n para todo el perfil especialmente en subsuelos afectados por compresi n y dilataci n debido al aumento Cuadro3 Ecuaciones de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe para diferentes profundidades usando un modelo l neal Table 3 Neutron scattering calibrations equation CPN 503 DR Hydroprobe for different soil depths using a linear model Prof cm a b 20 9 21 12 01 40 29 53 12 71 60 23 84 11 18 80 24 62 12 43 100 17 52 0 03 Perfil 13 93 5 89 R ECMP N 0 62 25 08 6 0 94 9 32 6 0 91 9 12 6 0 90 7 34 6 0 66 23 05 6 0 59 18 75 30 Los coeficientes a y b son para la ecuaci n de calibraci n O aCR b donde es el contenido volum trico de agua y CR el
9. conteo relativo de neutrones R coeficiente de determinaci n ECMP error cuadr tico medio ponderado N n mero de muestras 220 del contenido de arcilla Por otra parte Frueh y Hopmans 1997 utilizaron la sonda de neutrones para calibrar sondas TDR y tambi n concluyen que deben ser calibradas por profundidad al igual como se realiza la calibraci n de la sonda de neutrones El an lisis de las ecuaciones de regresi n por profundidad Cuadro 3 y su relaci n con las caracter sticas f sicas del suelo indicar a que por tratarse de un perfil homog neo es posible utilizar las ecuaciones de regresi n de mayor precisi n en horizontes de textura similar minimizando as el efecto de la dispersi n de neutrones hacia la atm sfera y de las caracter sticas f sicas y qu micas del suelo CONCLUSIONES La sonda de neutrones usada con estrictas normas de seguridad y capacitaci n del personal es un instrumento preciso para la determinaci n del contenido de agua del suelo en la investigaci n sobre eficiencia de uso del agua balance h drico y programaci n de riego La calibraci n por horizonte mejora la precisi n en la determinaci n del contenido de agua del suelo en comparaci n con el uso de una sola ecuaci n para todo el perfil Adem s permitir a usar la curva de calibraci n de mayor precisi n en horizontes de textura similar y as reducir el efecto de la dispersi n de neutrones en el horizonte superficial y de
10. etector de neutrones lentos la cual se introduce a trav s de un tubo de acceso de aluminio instalado en forma fija en el suelo Los neutrones tiene un radio de influencia de 15 a 18 cm Shirazi y Isobe 1976 y al colisionar con los n cleos de H del agua del suelo pierden energ a cin tica y son captados por un detector de trifluoruro de boro BF cuando un neutr n termalizado se encuentra con n cleos de B y es adsorbido una part cula alfa es emitida generando un pulso el ctrico Hillel 2004 La sonda de neutrones es una t cnica r pida y precisa para determinar el contenido de agua del suelo Gornat y Goldberg 1972 Yao et al 2004 pero tiene baja precisi n a profundidades menores de 30 cm zona de mayor densidad de ra ces absorci n de agua y donde los procesos de infiltraci n y evaporaci n ocasionan grandes cambios en el contenido de agua del suelo Evett et al 2003 Al respecto Farah et al 1984 establecen que la estrata de O a 10 cm es muy importante en zonas ridas y semi ridas donde los cambios de humedad son muy r pidos despu s de un riego y de gran efecto en las plantas debido a que los estados 213 error por efectos del escape de neutrones hacia la atm sfera termalizaci n por elementos qu micos y caracter sticas f sicas del suelo La sonda de neutrones usada con estrictas normas de seguridad y capacitaci n del personal es una herramienta clave para obtener mayor precisi n en la invest
11. i metro exterior de 51 mm a una profundidad de 1 20 m sellado en el fondo con una extensi n de 10 cm sobre el nivel del suelo El orificio para el tubo de acceso se realiz con barreno de di metro similar para obtener buen contacto suelo pared del tubo y as evitar espacios con aire La parcela se reg hasta capacidad de campo y el conteo de neutrones se midi a profundidades Cuadro 1 Caracter sticas f sicas e h dricas del suelo Serie Diguill n Haploxerands Table 1 Physical and hydric characteristics of a soil Series Diguillin Haploxerands Prof cm Textura Color H 20 Franca 10 YR 2 2 40 Franca 10 YR 3 2 60 Franca 10 YR 4 4 80 Fco limosa 10 YR 4 3 100 Fco limosa 10 YR 5 4 M todo de Bouyoucos Capacidad de campo khbss Punto de marchitez permanente hbss Densidad aparente g cm Humedad aprovechable CC PMP Dap HA 44 46 23 74 0 77 20 72 44 46 24 48 0 94 19 98 40 84 21 09 0 83 19 75 40 32 19 29 0 82 21 03 41 89 23 38 0 94 18 51 Calibraci n de una sonsa Celerino Quezada ef al Cuadro 2 Descripci n de la sonda de neutrones Table 2 Description of neutron probe Caracter sticas t cnicas 215 Sonda Marca CPN 503 DR Hydroprobe Peso 6 8 kg Fuente radioactiva Am Be Actividad 50 mCi Detector BP Radio influencia 18 cm Di metro sonda 3 8 cm Ciclo de conteo 30 s de 20 40 60 80 y 100 cm Previo a la medici n en el suelo se obten a el conteo est ndar de
12. igaci n sobre eficiencia de uso del agua balance h drico y programaci n de riego de germinaci n y floraci n son muy sensibles al d ficit h drico Por otra parte la presencia de una fuente radioactiva constituye un peligro potencial para la salud de los usuarios y en las ltimas d cadas su utilizaci n ha tendido a disminuir debido a que las legislaciones a trav s del mundo son m s restrictivas para el uso de sustancias radioactivas Mwale et al 2005 En la actualidad ninguno de los sensores basados en propiedades electromagn ticas son suficientemente precisos para el manejo del riego por lo que el neutr metro continua siendo til para investigaci n en eficiencias de uso del agua Evett et al 2007 Larelaci n entre el contenido de agua del suelo y los neutrones termalizados es dependiente de la textura densidad aparente contenido de materia org nica composici n qu mica del suelo y profundidad de la medici n El error en la calibraci n proviene de tres fuentes la alta variabilidad espacial del suelo el instrumento y el m todo de calibraci n que es el de mayor contribuci n a la varianza total asociada con la determinaci n del contenido de agua del suelo Haverkamp et al 1984 Corbeels et al 1999 La alta correlaci n entre contenido agua volum trico y conteo relativo de neutrones permite que la sonda de neutrones pueda ser usada para calibrar los sensores diel ctricos Leib et al 2003 ya que p
13. iores a 10 Seg n Gornat y Goldberg 1972 en suelos de textura uniforme y con cambios graduales en el contenido de humedad la desviaci n del contenido de humedad promedio del suelo para incrementos con diferente espesor son peque os En cambio para la profundidad de 100 cm Figura 6 la precisi n es menor R 0 66 y ECMP 23 05 probablemente por la presencia de concreciones de Fe y Mn debido al substratum de toba volc nica que restringe el movimiento del agua haciendo variar el drenaje interno de bueno a moderado Stolpe 2006 Seg n Lal 1974 una concentraci n de 5 de fierro introduce un error de 4 5 en la termalizaci n de neutrones El an lisis de la calibraci n para todo el perfil Figura 7 presenta baja precisi n R 0 59 y ECMP 18 75 por efecto de los cambios texturales Similares resultados obtuvieron R lt 0 62 ECMP 25 08 0 54 0 88 1 22 Conteo Relativo CR Figura 2 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a profundidad de 20 cm en un suelo Haploxerands 0 9 21 CR 12 01 Figure 2 Calibration curve of the CPN DR 503 Hydroprobe neutron probe to a depth of 20 cm in a Haploxerands soil O 9 21 CR 12 01 Calibraci n de una sonsa Celerino Quezada et al 217 R lt 0 94 ECMP 9 32 1 34 1 49 1 63 Conteo Relativo CR Figura 3 Curva de calibraci n de una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe a profundidad de 40 cm en un suelo Haploxerands O 29 53CR 12 7
14. l equipo en la posici n de blindaje Figura 1 Al mismo tiempo se tomaron muestras de suelo con barreno para la determinaci n de humedad gravim trica a 105 C por 24 horas La densidad aparente se determin por el m todo del cilindro extrayendo muestras de una calicata a profundidades de 20 40 60 80 y 100 cm utilizando cilindros met licos de 50 mm de di metro interior por 51 mm de altura 100 09 cm La curva de calibraci n se realiz mediante la relaci n entre conteo relativo de neutrones CR y contenido de agua volum trico por profundidad y para todo el perfil La tasa de conteo relativo CR se obtuvo dividiendo el conteo de neutrones en el suelo por el conteo est ndar en posici n de blindaje El contenido volum trico de agua O se determin mediante la siguiente relaci n 6 W Dap O Donde W contenidodeaguagravim trico Dap densidad aparente g cm 0 densidad del agua 1 0 g cm Los datos de contenido de agua volum trico 8 y conteo relativo de neutrones CR fueron sometidos a un an lisis de regresi n obteniendo el coeficiente de determinaci n R y el error cuadr tico medio ponderado ECMP utilizando el programa Infostat 2004 La relaci n es de tipo lineal O aCR b y var a seg n el tipo de suelo donde a representa la pendiente y b el intercepto Figura 1 Sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe en posici n de conteo est ndar y medici n en el suelo
15. na alta precisi n se obtuvo a profundidades de 40 cm R 0 94 y ECMP 9 32 60 cm R 0 91 y ECMP 9 12 80 cm R 0 90 y ECMP 7 34 por caracter sticas f sicas homog neas de los horizontes Sin embargo la precisi n disminuy a los 100 cm R 0 66 y ECMP 23 05 debido a la presencia de concreciones de fierro y manganeso La curva de calibraci n para el perfil de suelo tiene una baja precisi n R 0 59 y ECMP 18 75 Los resultados demuestran que la calibraci n por horizonte mejora la precisi n en la determinaci n del contenido de agua en comparaci n con el uso de una sola ecuaci n para el perfil Esto permitir a usar la relaci n lineal de mayor precisi n en horizontes de textura similar y as reducir el Calibraci n de una sonsa Celerino Quezada et al INTRODUCCI N La determinaci n del contenido de agua del suelo es un aspecto clave en estudios de respuesta de los cultivos al estr s h drico y programaci n de riego Mwale et al 2005 eficiencia de uso del agua Corbeels et al 1999 Evett et al 2007 y balance de agua Tolk y Evett 2009 Los m todos indirectos m s comunes son la sonda de neutrones y los sensores diel ctricos pero el primero tiene mayor precisi n que la sonda de capacitancia Evett y Steiner 1995 ya que los valores obtenidos por la sonda de neutrones son casi id nticos con los valores gravim tricos Mwale et al 2005 El instrumento contiene una fuente radioactiva de Am Be y un d
16. r all depths have a low accuracy R 0 59 and RMSE 18 75 Separate calibration by horizon improve the determination of soil water content as compared with the use of single calibration equation for the entire profile and permitted the use in horizon with similar texture decreasing the error by depth chemical elements and physical characteristics The neutron probe used with strict observances of safety and training is a key tool to get a better accuracy in scientific works on water use efficiency water balance and irrigation scheduling Fecha recepci n originales 27 de marzo de 2011 RESUMEN Palabras claves sonda de neutrones curva de calibraci n contenido de agua volum trico La sonda de neutrones es uno de los sensores indirectos m s precisos para el monitoreo del contenido de agua del suelo pero requiere calibraci n por sitio espec fico Este estudio se realiz en un suelo franco limoso serie Diguill n Haploxerands y su objetivo fue calibrar una sonda de neutrones CPN 503 DR Hydroprobe El conteo relativo de neutrones CR y el contenido de agua volum trico 6O se midieron a profundidades de 20 40 60 80 y 100 cm en tubos de acceso de aluminio instalados hasta una profundidad de 1 20 m Los resultados mostraron que a la profundidad de 20 cm la precisi n es baja R 0 62 y ECMP 23 08 por efectos del escape de neutrones hacia la atm sfera y termalizaci n de neutrones por el hidr geno de la materia org nica U
17. resenta errores cuadr ticos medios ponderados muy bajos entre 2 9 a 3 7 para suelos de textura franco arenosa a franco limosa Hanson y Peters 2000 La sonda de neutrones requiere calibraci n por tipo de suelo y por horizonte Lal 1974 Lal 1979 por el efecto de la textura y la densidad aparente y heterogeneidad de los suelos Por lo anterior la calibraci n por sitio espec fico mejora la precisi n de los instrumentos de monitoreo de la humedad del suelo comparado al uso de ecuaciones de calibraci n de f brica 214 Fares et al 2004 Al respecto Lal 1974 determin que para un contenido de agua volum trico del 20 el conteo relativo variaba de 0 568 para una densidad aparente de 1 0 g cm a 0 943 para el doble del valor de densidad del suelo El conteo de neutrones es influenciado por la presencia de tomos de hidr geno de las capas de arcilla materia org nica y ciertos elementos qu micos que tienen la capacidad para capturar neutrones termalizados Babaola 1972 Seg n Lal 1974 y Hillel 2004 elementos como el boro cadmio cloro cobalto fierro y manganeso exhiben una alta capacidad de absorci n de neutrones lentos y pueden alterar la tasa de conteo Al respecto Lal 1974 establece que la sonda de neutrones tiene un uso limitado en suelos tropicales con alto contenido de Fe Altas tasas de conteo son obtenidos en suelos de textura fina por efecto del hidr geno en los cristales de arcilla y tambi n
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