Summary
土壌水分量の決定は、多くの州および連邦機関にとって重要なミッション要件です。このプロトコルは 、埋設 現場センサーを使用して土壌水分量を測定するための複数機関の取り組みを統合します。
Abstract
土壌水分は、運用水文学、食料安全保障、生態系サービス、および気候システムに直接影響します。ただし、土壌水分データの採用は、データ収集の一貫性がなく、標準化が不十分で、通常は記録期間が短いため、遅れています。土壌水分、または定量的に体積土壌水分量(SWC)は、電磁応答からSWCを推測する埋設された in situ センサーを使用して測定されます。この信号は、粘土含有量と鉱物学、土壌塩分またはバルク電気伝導率、土壌温度などの地域のサイト条件によって大きく異なる可能性があります。これらはそれぞれ、センサー技術に応じてさまざまな影響を与える可能性があります。
さらに、土壌との接触不良やセンサーの劣化は、時間の経過とともにこれらの測定値の品質に影響を与える可能性があります。従来の環境センサーとは異なり、SWC データには受け入れられている標準、メンテナンス方法、または品質管理はありません。そのため、SWCは、多くの環境モニタリングネットワークが実装するのが難しい測定です。ここでは、 in situSWC センサーのコミュニティベースの実践基準を確立して、将来の研究とアプリケーションがサイトの選択、センサーの設置、データの解釈、および監視ステーションの長期メンテナンスに関する一貫したガイダンスを得られるようにします。
ビデオ撮影は、 in situSWC センサーの設置に関するベストプラクティスと推奨事項の複数機関のコンセンサスに焦点を当てています。このホワイトペーパーでは、このプロトコルの概要と、高品質で長期的なSWCデータ収集に不可欠なさまざまな手順について説明します。このプロトコルは、単一のステーションまたはネットワーク全体を展開することを望んでいる科学者やエンジニアに役立ちます。
Introduction
土壌水分は最近、全球観測気候システム1の必須気候変数として認識されました。土壌水分、または定量的に体積土壌水分量(SWC)は、入射する放射線のフラックスを地表と大気の間の潜熱と顕熱に分配し、流出と浸透の間で降水量を分配する上で主要な役割を果たします2。しかし、ポイント、フィールド、および流域スケールでの土壌水分の時空間変動は、研究または管理目標を達成するために必要な適切なスケールでSWCを測定する能力を複雑にします3。 in situ センサー、近位検出器、リモートセンシングの地上ネットワークなど、SWCを定量化する新しい方法は、SWCの変化を前例のない解像度でマッピングするユニークな機会を提供します4。 その場で SWCセンサーは、最も時間的に連続的で深さ固有のデータレコードを提供しますが、土壌特性、地形、および植生被覆に固有の小さな検出量と局所規模の変動も受けます5。
さらに、 in situSWC センサーの設置、校正、検証、メンテナンス、および品質管理のための標準または広く受け入れられている方法が不足しています。土壌水分は本質的に測定が困難なパラメータであり、品質保証が最も難しい変数である可能性があります6。SWCデータ収集の一般的なプロトコルは、国際原子力機関7、地球観測衛星委員会8、連邦機関の報告書9、および米国気候学者協会10によって作成されていますが、 埋設された 場所からのSWCデータの設置、保守、品質管理、および検証に関する具体的なガイダンスは限られています。プローブ。これにより、状態メゾネットなどの運用監視ネットワークでSWC測定値を追加するために、このようなテクノロジーを採用することが困難になっています。同様に、河川予報センターなどの水文学者がこれらのデータをワークフローに組み込むことも困難です。このビデオ撮影と添付論文の目的は、そのようなガイダンスを提供し、埋め込み 現場 SWCプローブのまとまりのある設置プロトコルを文書化することです。
原位置土壌水分モニタリングの場所の選択
あらゆる関心地域(AOI)内の土壌は、地形、生態学、地質学、および気候の間の時間の経過とともにユニークで結合されたフィードバックを通じて形成されます11,12。地形間のSWCの変動性により、サイトの選択は土壌水分調査にとって重要な側面になります。いくつかの研究目標のために、サイトは、景観または生態系上の特定の特徴またはマイクロサイトを表すように選択され得る。ネットワークを監視する目的で、サイトはより大きなランドスケープ コンポーネントを空間的に表す必要があります。目標は、AOI の最適な空間表現を提供する場所を見つけることです。現場では、他の気象計器の要件、アクセシビリティ、許可など、より実用的な考慮事項に到達する必要があります。しかしながら、AOI内の支配的な土壌マップユニットは、通常、より広い領域13の環境条件の良好な空間表現である。支配的な土壌マップ単位は、Web土壌調査(https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/)を使用して決定できます。この土壌マップユニットは、浅いピットまたはテストホールでも検証する必要があります。
典型的な監視ステーションは、センサーのニーズと補助的な測定の数に応じて、5〜50 m2を占める可能性があります。 図1 は、風速と風向の風速計、気温と相対湿度センサー、日射計、および全米電気工業会(NEMA)の耐候性と防水エンクロージャ(NEMA定格4)を保持する3mタワーを備えた典型的な監視ステーションを示しています。NEMAエンクロージャには、データ制御プラットフォーム(DCP)、セルラーモデム、ソーラーパネル充電レギュレータ、バッテリー、およびその他の関連ハードウェアが収容されています( 材料表を参照)。システムコンポーネント)。タワーは、通信アンテナ、ソーラーパネル、避雷針のプラットフォームも提供します。通常、液体沈殿(PPT)ゲージも含まれており、PPTキャプチャへの風の影響を減らすために、タワーから離して可能な限り低い標高に配置する必要があります。SWCセンサーは、降雨や陸路の流れにタワーからの潜在的な干渉がないように、十分な距離(3〜4 m)と上り坂に設置する必要があります。関連するケーブルは、表面から少なくとも5cm下の導管に埋め込む必要があります。
図1:一般的な監視ステーション。 USDA SCANは、標準深度(5、10、20、50、および100 cm)での土壌水分含有量と温度、気温、相対湿度、日射量、風速と風向、降水量、気圧に関する毎時情報を収集します。米国全土に200以上のSCANサイトがあります。略語:SCAN =土壌気候解析ネットワーク;NEMA = 全米電気工業会。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
測定深度、向き、センサー数
その場でSWCセンサーは通常、土壌の特定の深さを表すために水平に設置されます(図2)。土壌気候ネットワーク(SCAN)14、雪テレメトリネットワーク(SNOTEL)15、米国気候参照ネットワーク(USCRN)16などの連邦資金による全国ネットワークは、SWCを5、10、20、50、および100cmで測定します。これらの深さは、さまざまな理由でSCAN開発中にコンセンサスによって達成されました。5cmの深さはリモートセンシング機能17に対応します。深さ10cmと20cmは、土壌温度18の過去の測定値です。深さ50および100 cmは、根域の土壌貯水を完全にします。
プローブは、垂直、水平、または傾斜/角度に向けることができます(図3)。水平設置は、離散的な深さで均一な土壌温度測定を達成するために最も一般的です。センサーは離散的な深さの中央に配置されている場合がありますが、SWC測定はタイン(つまり、電極)の周りの体積であり、水分レベル、測定周波数、および設置の形状(水平、垂直、または角度)によって変化する可能性があります。水平設置の場合、検知容積は深さの上下の水分を統合し、検知容積の95%は通常、タイン19から3cm以内である。垂直または角度の付いた設置は、タインに沿ってSWCを統合するため、垂直設置は、センサーの深さ20の全長に沿ったストレージを表すことができます。一部のセンサーは、タインに沿って均等に測定されません。例えば、伝送線路発振器は、電磁パルスが生成されるプローブヘッド21の近くの水分に対してより敏感である。垂直設置は、温度と湿度の勾配が減少する傾向があるより深いプローブに適しています。
図2: 現場 SWCセンサーの設置。 (A、B)ゼロ深度基準治具と(C)ゼロ深度ボードまたは(D)参照用のゼロ深度ショベルハンドルを使用して、選択した深さでの水平センサー配置。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:プローブの垂直方向、水平方向、または傾斜方向 。 (A)傾斜および垂直挿入、および(B)3錫メッキSWCセンサーの水平-垂直挿入および水平-水平挿入中心の深さ。略称:SWC =土壌水分量。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
50cm未満の深さへの設置は比較的直感的ですが、より深いセンサーは少し手間がかかります。ルートゾーンSWCまたはプロファイル土壌貯留には、通常、1または2 mの測定が必要です。このプロトコルに示されているように、0〜50 cmの設置は、掘削されたピットまたはオーガー穴で完了し、プローブが乱されていない土壌に水平に設置され、表面の乱れを最小限に抑えます。より深いセンサー(100 cmなど)の場合、SCANとUSCRNの両方が、延長ポールを使用して別々の手作業でオーガーされた穴にセンサーを垂直に取り付けます(図4)。
SWCの不均一性、特に表面付近、およびセンサーの測定量が少ないことを考えると、3連の測定により、SWCのより良い統計的表現が可能になります。ただし、 in situ センサーの1つのプロファイルは、ほとんどのネットワーク(SCANやSNOTELなど)で一般的です。USCRNは、3〜4 m離れた3つのプロファイルを使用して、各深さ16で3つの測定を行います。さらに、測定の冗長性により、財源が利用可能な場合、ステーションレコードに回復力と継続性が追加されます。
図4:センサーの取り付け 。 (A)浅いセンサーは通常、掘削された土壌ピットの側壁に水平に設置されます。より深いセンサーの場合、(B)ハンドオーガーを使用して、深さゼロの基準(トレンチにまたがる木材など)を使用して穴を深く掘り、センサーは、(C)設置中にセンサーとケーブルを固定するように変更されたPVCパイプのセクション、または(D)取り付けツールを使用して、穴の底に垂直に押し込まれます。土壌層は表土(A地平線)および転位粘土(Bt)と炭酸塩蓄積(Bk)を伴う下層土地平線として記録されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
その場 SWCセンサタイプ
市販のセンサは、土壌22と直接接触するタインに沿って伝播する電磁信号に対する測定された応答からSWCを推測する。埋設センサは、伝搬する電磁波信号の種類や応答の測定方法によって、静電容量、インピーダンス、時間領域反射率、時間領域トランスミソメトリー、伝送線路発振の5つに分類されます(補足表S1、各メーカー情報へのリンク付き)。これらの技術は、動作周波数とメーカーによってグループ化される傾向があります。長いタインがより多くの土壌を統合します。ただし、それらは挿入がより困難になる可能性があり、粘土とより高いバルク電気伝導率(BEC)を含む土壌では信号損失の影響を受けやすくなります。メーカーは、SWC測定誤差が0.02〜0.03 m3m−3であると報告していますが、ユーザーは通常、これらが大幅に大きいと感じています23。電磁センサーの適切なキャリブレーションと標準化により、パフォーマンスが向上します22。ただし、これらの土壌固有のキャリブレーションは、設置に焦点を当てたこのプロトコルの範囲を超えています。
センサーの選択では、目的の出力、測定方法、動作周波数、および他の測定との互換性を考慮する必要があります。2010年以前は、ほとんどのSWCセンサーはアナログであり、差動電圧、抵抗、またはパルスカウントの測定を行うためにDCPを必要とし、各センサーに対してより高価なコンポーネントと個々のチャネル(またはマルチプレクサ)が必要でした。現在、1,200ボー(SDI-12)通信プロトコル(http://www.sdi-12.org/)のシリアルデータインターフェースにより、スマートセンサーは内部測定アルゴリズムを実装し、1本の通信ケーブルに沿ってデジタルデータを送信できます。各センサーは、レバーナットまたは端子ブロックコネクタ(図5)で接続された共通のワイヤを使用して、各センサを一意のSDI-12アドレス(0-9、a-z、およびAZ)で順番に配線できます(つまり、デイジーチェーン)。SDI-12センサーの共通通信線は、電源線とアース線とともに単一の回路を形成します。マルチプレクサやDCPでの測定は必要ありません。代わりに、DCPは単にデジタルコマンドとテキスト行を送受信します。多くのSDI-12 SWCセンサーには、土壌温度、比誘電率(ε)、およびBEC測定も含まれています。このような測定は、センサー診断や土壌固有のキャリブレーションに役立ちます。この時点で、ユーザーはサイトを選択し、センサーのタイプ、数、深度を決定し、必要なすべてのハードウェアとフィールドツールを入手しました(材料表)。したがって、インストールプロトコルに進むことができます。
図5:共通の電源、アース、および通信ワイヤをデータ収集プラットフォームの単一の入力に接続するために使用されるワイヤスプライスコネクタと端子台。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
Protocol
1. センサーの取り付け前準備
- SDI-12 アドレスを確認します。センサーは、製造元によってデフォルトのアドレスに設定されています。を使用して、各センサーをデータ制御プラットフォーム(DCP)に個別に配線しますか ?! コマンドを使用して、センサーのアドレスを照会します。
注意: 共通のデータライン上の各センサーには、一意のアドレス(0〜9など)が必要です。必要に応じて、SDI-12のアドレス指定とセンサーの値の変更については、センサーのマニュアルを参照してください。 - 空気中で測定(例:" aM!"、 a はアドレス)を行い、水に沈めます。
注:空気測定値は0.00 m 3 m-3(比誘電率[ε] ~1)、砂は0.02 m 3 m 3(ε < 4)、水~1.00 m 3 m-3(ε ~80)<する必要があります。 - これらの値を、各センサーのシリアル番号とSDI-12アドレスとともにラボブックに記録します。マーカーを使用して、センサーヘッドとケーブルの端にアドレス番号のラベルを付けます。
- DCP プログラムを確認します。一部のDCPはプラグアンドプレイですが、ほとんどの場合、測定を行い、データを記録するためのプログラムが必要です。ラボにSWCセンサーと補助センサーをセットアップし、それらすべてをDCPとバッテリーに接続します。SWCセンサーを空中に吊るしたり、乾いた砂に挿入したり、水に浸したりして、タインが触れないようにします。
注意: 空気測定値は0.00 m 3 m-3(比誘電率[ε] ~1)、砂は0.02 m 3 m 3(ε < 4)、水は~1.00 m 3 m-3(ε ~80)<する必要があります。 - システムを夜間またはそれ以上実行します。データが適切なレートで記録され、値 (適切な列数、有効桁数など) が適切であることを確認します。
- 補助的なSWCセンサー出力(温度やBECなど)も確認してください。システムを少なくとも 1 日間実行します。データ テーブルが正しいことを確認します。
メモ: 一部の DCP はプラグアンドプレイですが、ほとんどの場合、測定とデータの記録にはプログラムが必要です。
2. 項目レイアウトの決定
- 掘削を開始する前に、掘削の少なくとも2日前に 811(米国およびカナダ)に電話して、地下インフラストラクチャ(電線、水道、ガス管など)の存在を確認してください。そのようなクリアランスを保証しない場合、多額の罰則と責任につながる可能性があります。
- ピット位置の土壌マップユニットを確認します。iOSおよびAndroidスマートフォンで利用できる USDA SoilWebアプリを使用して、場所を照会します。直径5〜10 cmのハンドオーガーを使用してテスト穴を掘り、フィールドテクスチャがマップユニットの説明と一致していることを確認します。硬い層(すき鍋、カリッシュ、アルギリックの地平線など)や岩の破片が高い層などの問題がないか確認します。どちらの場合も、プローブの挿入が困難になるか、不可能になることさえあります。
- センサーの最適な場所を決定します。各センサーは、乱されていない土壌の垂直面に取り付けられます。
注: 勾配が存在する場合は、乱れた土壌やケーブルトレンチに沿って発生する優先的な流れを最小限に抑えるために、面を上り勾配にする必要があります。 - 小さな(1 m2)合板または防水シートを使用して、土壌表面を保護し、フィールドワーカーが邪魔されていない土壌でフライス盤を回らないようにします。
- 計器マストの位置を決定します。センサーがマストから適切に離れていることを確認して、歩行者やタワーからの影響を最小限に抑えます。
注意: ほとんどの設置には、通常、純正の5mケーブルで十分です。- 表面の乱れと破損の可能性を最小限に抑えるために、可能な限り短いケーブル長を使用してください。
注意: 計器マストがすでに既存のサイトに配置されている場合、代表的な土壌に到達するには、より長いリードが必要になる場合があります。あるいは、ワイヤレス技術を検討することもできます(「サイト選択に関する追加の考え」を参照)。 - 機器スタンドまでの合計距離がケーブル長の80%〜90%であることを確認して、設置深さからコンジットを通り、エンクロージャーにルーティングするために必要な追加のケーブルを考慮します。
注意: 多くのSWCセンサーが中心点に到達すると、ワイヤ管理が厄介になる可能性があります。 - 細いケーブルはPVCコンジットに埋め込む必要がありますが、より剛性の高い太いケーブルは直接埋め込むことができます。どちらの場合も、深さ>10 cm、幅10〜15 cmの溝を掘ります。
- エンクロージャに地上センサー用のエントリポイントと、地上センサー用のコンジットポートがあることを確認します(図5)。エンクロージャーを配線用の快適な高さ(1 m)に取り付けます。
- 推奨事項:センサーをほどきます。センサーヘッドをピット面に置き、計器スタンドのケーブル端に配置します。ケーブルの長さが正しいことを確認し、必要に応じて調整します。
- 表面の乱れと破損の可能性を最小限に抑えるために、可能な限り短いケーブル長を使用してください。
3.土壌ピットの掘削
注:土壌ピットは手動または機械的に掘削できます。目標は、サイト全体の障害を最小限に抑えることです。
- 手掘りピットの場合は、掘削エリアに隣接して別の大きな防水シート(2 m2)を敷きます。狭いスペード(狙撃兵など)を使用して、長方形の穴を~55cmの深さまで掘削します。現在合板または防水シートで保護されているピット面(ステップ2.4)が垂直(またはわずかに切り戻された)であることを確認して、各センサーの上に乱されていない土壌があることを確認します。また、ピットの幅が20〜40 cmで、センサーの全長より~25%長いことを確認してください。10 cm刻みで土を取り除き始め、各リフトを防水シートの遠端に配置し、各リフトを段階的に近づけます。土塊を砕き、大きな岩を取り除きます。
注意: 掘削エリアができるだけ小さく、最も深い水平プローブを挿入するのに十分なスペースがあることを確認してください。 - 油圧ポストホールオーガーには、広い直径(>30 cm)と長さ1 mのトレーラーマウントオーガーを使用してください。
注意: 2人または1人のフェンスポストオーガーは危険な場合があります。- オーガーを目的のピット面から~5cm後ろに設置します。
- >50 cmまでドリルダウンし、時々オーガーを上げて土を排出します。
- 狭いスペードを使用して、平らで垂直なピット面を作成します。
- スペードまたは手こてを使用して、ピットから防水シートに土を移動します。
注:掘削された土壌はよく混ざり合っています。これを回避する方法はありません。
- 重機を使用して機械的に掘った溝を作ります。
注意: 100cm未満の水平設置が必要でない限り、大型の掘削装置は推奨されません。腐敗した山(すなわち、掘削された土壌)に対処することは困難な場合があり、バックホウのトラックとスタビライザーは重大な妨害を引き起こします。- 狭いバケツ(理想的には50 cm未満)を備えた軽量のバックホウを使用して、同様の狭い溝を100または200 cmの深さまで掘ります。
注意: 表面への影響を最小限に抑えるために、バックホウを動かさないでください。 - 10 cm刻みで土を取り除き、各リフトを防水シートの遠端に配置し、増分ごとに近づきます。掘削エリアができるだけ小さく、深さが~55 cmであることを確認し、最も深い水平プローブを挿入するのに十分なスペースを確保します。
- 狭いバケツ(理想的には50 cm未満)を備えた軽量のバックホウを使用して、同様の狭い溝を100または200 cmの深さまで掘ります。
- センサーケーブルの溝については、土穴の後ろから計器塔まで溝を掘ります。硬いセクションでは、ピックマトックまたはプラスキによって支援されたトレンチングシャベルを使用します。まっすぐで狭い(~10 cm)、深さ>10 cmの溝を掘削し、溝の片側に土を敷きます。
4.計器スタンドとエンクロージャーの組み立て/組み立て
注意: 計器スタンドには、単純なポール、三脚、またはタワーの3つのオプションがあります。PPTゲージを備えた基本的な土壌水分ステーションには、亜鉛メッキ鋼製のポールまたは脚付きのステンレス鋼の計器スタンド(高さ120 cm)で十分です。基本的な気象測定では、2 mにセンサーを設置するためにより高いマストが必要です。ほとんどのメソネットは高さ10mの塔を好みます。ただし、そのようなタワーはこのプロトコルの範囲を超えています。
- 亜鉛メッキ鋼の棒を使用してください。
注:直径4cmの亜鉛メッキ鋼製水道管、長さ~3mが最も経済的な方法です。- 最小60cmの深さまで小さな穴を手で締めます。ポールを穴に配置します。ポールの高さが、エンクロージャー、ソーラーパネル、および必要なアンテナを保持するのに十分な地上にあることを確認してください。
注意: <2 mの高さをお勧めします。 - 指示に従って、クイックセットコンクリートまたはフェンスポストフォームを混合します。
注:一部の連邦の土地ではコンクリートは許可されておらず、一部の民間の土地所有者は反対する場合があります。フェンスポスト設置用のフォーム代替品は優れた代替品であり、水を必要としません。 - ポールの周りにいずれかの材料を注ぎ、魚雷レベルを使用して水平であることを確認します。コンクリートを数時間(理想的には一晩)硬化させ、ポールをブレースで固定して、水平に保たれるようにします。泡は30分で硬化しますが、パイプを少なくとも2分間所定の位置に保持し、垂直のままであることを確認してください。
- 最小60cmの深さまで小さな穴を手で締めます。ポールを穴に配置します。ポールの高さが、エンクロージャー、ソーラーパネル、および必要なアンテナを保持するのに十分な地上にあることを確認してください。
- 計器スタンドまたは三脚(製造元の指示を参照)
- 3本のスタンド脚のそれぞれを緩めるか、ボルトを外します。
- 各脚を回転または延長し、掘削したトレンチの端に配置します。
- 計器マストを脚に挿入して締めます。
- 各脚の長さを調整して、マストが垂直になるようにします。
- 各脚を土に杭打ちし、魚雷レベルでマストをもう一度確認します。
- Uボルトを使用して、エンクロージャーを計器スタンドに1〜1.5 mで取り付けます。ボルトを手で締めて固定します。その最終的な高さと締め付けは後で発生します。
注意: 後でソーラーパネルに頭をぶつけないように、ポールの北側に取り付けることをお勧めします。
5.土壌の特性評価とサンプル収集
注意: 土壌を視覚的に特徴付けることは、設置後の土壌水分動態を解釈するために重要です。サンプル収集は、定量的データによる解釈に役立ちます。資金が利用できない場合や、社内施設がサンプルを処理できない場合でも、サンプルを収集します。風乾してアーカイブし、将来土壌の特性評価が必要になった場合に備えて保管します。
- 基本的な土壌の説明については、土壌の色やテクスチャ(地平線)の明らかな変化の深さに注意してください。
注:国立土壌調査センターは、土壌プロファイルの説明と解釈の優れた概要を提供します24。場所が理想的でない場合は、今が移動の時です。 - 基本的な土壌特性評価のために、Lawrence et al.25の手順に従って、各センサーの深さで1クォート(1 L)のフリーザーバッグに代表的な土壌サンプルを収集します。
- オフィスまたはラボに戻ったら、1クォートのバッグをすべてカウンターに置き、開いて、少なくとも48時間風乾させます。
注:空気乾燥は、将来の分析のために有機的および化学的特性を維持しながら、土壌水分のほとんどを除去します。 - さらなる分析のために、サンプルを大学の普及研究所(https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/ など)または商業研究所(http://www.al-labs-west.com/ など)に提出してください。または、トレーニングを受けた技術者が、以下に示す承認された方法を使用して、サンプルを社内で実行します。
- 粒度分布26、岩石画分(RF、重量パーセンテージ2 mmを超える)、土壌画分(SF、2 mm未満のパーセンテージ)、テクスチャ(砂、シルト、粘土の割合)などの物理的な土壌パラメータを含む、基本的な実験室分析を実行します。飽和ペーストの電気伝導率(dS m-1)27 や有機物28などの基本的な化学パラメータを確認してください。
- 推奨:コアリングデバイスを使用して、深さ5、10、20、および50 cmで体積土壌コアサンプリングを実行し、乱されていない体積サンプルを収集します。総乾燥土壌重量とコア容積29から土壌かさ密度(BD;g cm-3)を求めます。土壌の気孔率(φ;[-])は SWC の物理的な上限です。鉱物性土壌の場合、φ 1-BD / PDと推定し、主に石英鉱物土壌の粒子密度(PD)は2.65 g cm-3です。
注:BDのサンプルは、既知の体積のコアに収集されるか、土壌ペッド29を使用して収集されます。
- オフィスまたはラボに戻ったら、1クォートのバッグをすべてカウンターに置き、開いて、少なくとも48時間風乾させます。
6. 5、10、20、および50cmのプローブの水平挿入
注意: 目標は、エアギャップを避けて、センサーの周りの土壌が完全に接触するようにすることです。
- 結束バンドを慎重に切り取り、各センサーを広げて、ケーブルのコイルをすべて取り外します。センサーヘッドを土穴の近くに配置し、ケーブルをトレンチに配置します。
- 設置深さは、センサーの面が円形か長方形かに関係なく、水平に設置したときのセンサーの中心として定義されます。センサーは、地表の下の正確な深さに、できるだけ水平に土壌に設置します。ゼロ深度基準と測定装置(巻尺または定規)を使用してセンサーの深さを正確にし(図2)、スペーサーを使用して挿入時に間隔を維持します(図2C)。
- まず、50cmセンサーを挿入します。センサーを水平に土に押し込み、隙間ができる可能性があるため、センサーを小刻みに動かさないようにしてください。50cmのプローブは最も難しいことが多いため、エポキシヘッドを壊したり、タインを分離したりしないように注意しながら、接地棒を使用してセンサーを押し込むためのレバレッジを増やします。挿入プロセスを繰り返し、センサーの深さ20、10、および5cmまで上向きに作業します。センサーをずらすか(図2D)、積み重ねます(図2B)。
注意: SDI-12プロトコルの測定タイミングは、通常、センサーが同時に読み取り、隣接するセンサー(深さ5cmと10cmなど)間で干渉を発生させないようにします。 - 各センサーケーブルをピット面の同じ側に向け、掘削ピットの底にぶら下がるようにします。掘削された穴とセンサーの写真をスケール用の巻尺で撮影します(図6A)。GPSを使用して、ピットから数メートル以内の緯度と経度を決定します。1日に複数のサイトを発掘する場合は、一意の識別子を持つプラカードを使用してピットを区別します。
図6:メタデータの写真の例 。 (A)スケール用の巻尺が付いた計装された土壌ピット、(B)計器マストまで掘削されたケーブルトレンチ、および(C)北と(D)南に面した最終現場の写真。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
7. 100cmプローブの垂直挿入
- 深さ50 cmを超えるセンサーを設置する場合は、ケーブルトレンチの中または近くにセンサーごとに個別の穴を開けます(図4A)。
- ハンドオーガー(直径5〜10 cm)を使用して、適切な設置深さまで掘ります。深さは、測定の中心(たとえば、50 cm)からゼロ深度基準に対するタインの長さの半分を引いたものとして定義されます(図4B)。
- 掘削した土を、取り除いた順に防水シートに並べます。
- 取り付けツールを使用してセンサーを穴の底に押し込み、垂直に取り付けます(図4C、4D)。掘削した土でオーガー穴を最も深いものから最も浅いものへと再梱包します。小さなリフトで土を交換し、穴に土が橋を架けてボイドができないように十分に梱包します。
注意: 梱包ツールは、蓋付きのPVCまたは木製のダボである場合があります。センサーヘッドまたはケーブルの損傷を避けてください。
8.センサーの取り付けとDCPへの配線を完了します
- センサーケーブルが直接埋設されている場合は、バルクヘッドコネクタを使用してエンクロージャに入るために、エンクロージャに通じる地上端がPVCコンジットにあることを確認します(図5)。
メモ: 別の雨量計を使用する場合(手順 9.1)、エンクロージャに配線するときに必ずこのケーブルを含めてください。 - コンジットを使用する場合は、ケーブルトレンチに配置し、希望の長さにカットします。ケーブルをコンジットに通します-これには、ケーブルを引っ張るためにプルストリングまたはフィッシュテープが必要になる場合があります。フレキシブルコンジットまたは90°スイープエルボと長さの垂直コンジットを使用して、ケーブルをコンジットポートからエンクロージャの底部に配線します。
- ケーブルまたはケーブル/コンジットをケーブルトレンチの下部に置きます。ケーブルの端を下部エンクロージャポートに通し、結束バンドで固定します。エンクロージャーに余分なケーブルがある場合は、コンジットを通してケーブルを引き戻し、掘削トレンチの底にコイルを巻きます。
- エンクロージャに戻るケーブルを使用して、設置ピットとトレンチの写真を撮ります(図6B)。
- 土壌水分センサーの配線には、SDI-5センサーごとに共通の電源(12〜12ボルト)とアース線を使用します。レバーコネクタ、スプライスコネクタ、または端子台(図5)を使用して、これらの接続をより簡単かつ安全にします。複数のタイプのセンサーを使用する場合は、DCP の別の通信ポートを使用します (使用可能な場合)。
注意: 1つの障害のあるSDI-12センサーは、シリーズ内の他のセンサーを中断する可能性があります。
9.補助センサーとハードウェアのセットアップ
- 降水量(PPT)ゲージ
注意: キャッチを改善するために、雨量計はできるだけ地面に近い別の垂直マストに取り付ける必要があります。ゲージをクロスアームマウントの高い位置に取り付けると、風速が速くなるため、キャッチを減らすことができます。- 場所を決定します。雨量計は、グラウンドカバー(~1 m)のできるだけ低く、近くの障害物30の高さの2倍の距離に設置します。理想的な場所はケーブルトレンチの近くです。
メモ: 雨量計ケーブルは、エンクロージャの底部に入る前にセンサーケーブルと一緒に埋め込まれます。 - 垂直マストを取り付けます。ハンドオーガーを使用して、~50cmの深さまで穴を開けます。セメントまたはフォームで十分な長さの亜鉛メッキ鋼管のセクションを設定します(手順4.1を参照)。
- 硬化後、センサーの指示に従って、ホースクランプまたはフラットマウントベースを使用してゲージを取り付けます。厚さ計が完全に水平であることを確認してください。
注:ほとんどの厚さ計には水準器が組み込まれています。 - 雨量計と地下導管の囲いの間に土壌水分ケーブルでケーブルを配線します。
- ティッピングゲージの場合は、2本のリード線をDCPのパルスカウントチャンネルに配線します。
注意: ワイヤーはどちらの側にも入ることができます。 - 必ず上部を取り外し、転倒機構が自由に動いていることを確認してください。バケットは、多くの場合、出荷中に輪ゴムで固定されます。
注意: 雨量計は定期的な清掃と校正が必要です。雨量計を計器スタンドまたはクロスアームに直接取り付ける場合は、手順9.2に従ってください。
- 場所を決定します。雨量計は、グラウンドカバー(~1 m)のできるだけ低く、近くの障害物30の高さの2倍の距離に設置します。理想的な場所はケーブルトレンチの近くです。
- その他のセンサー
- 補助的な測定値とアンテナを垂直マストまたはクロスアームマウントに地上10,30の適切な高さに取り付けます。
- ルートは地上のエンクロージャエントリに通じており、必要に応じてケーブルタイで固定します。DCPの適切な測定チャンネルに配線します。
- 接地棒
- 計器マストから0.5 mのところに長さ>1 mの銅製接地棒を取り付けます。フェンスポストドライバーを使用してロッドを地面に挿入し、~20cmを露出させます。
- アースクランプを使用して、重い(8-10)ゲージ銅線をロッドに固定します。もう一方の端をエンクロージャまたは三脚に固定します。
注意: 接地は、すべての状況で推奨されるとは限りません。
- バッテリーを接続します。
注意: ほとんどのDCPには5〜24ボルト(V)が必要ですが、12 Vが最も一般的であり、ほとんどの土壌水分ステーションに電力を供給するには7または12アンペア時(AH)で十分です。ここでは、12V 12AHバッテリーパックと電圧レギュレーターを使用しています。- 充電レギュレーターが オフ の位置にあることを確認します。直流電圧用に DC に設定されたマルチメーターを使用して、バッテリーの電圧が十分であることを確認し(>10Vバッテリーの場合は12V)、 マークされていない場合は+ 端子と - 端子を特定します。
- 黒い(-)線の端子コネクタをバッテリーのアース(-)ポストのスペード端子の上にスライドさせ、赤い線を+バッテリーポストの上にスライドさせます。赤/黒のワイヤのもう一方の端を電圧レギュレータのBATポートに差し込みます。
- ソーラーパネル
メモ: 通常は 10 ワットまたは 20 ワットのパネルで十分です。高緯度、日陰の多い領域、または消費電力の大きいシステム(セルラーモデム、カメラなど)では、ワット数を増やす必要があります。パネルは、1年間にわたって最大の入射日射を受けるように向けられる必要があります。- ソーラーパネルの各リード線の周りに電気テープを別々に巻き付けます。
注意: これらのワイヤは、パネルが日光にさらされると電流を流します。 - Uボルトを使用して、ソーラーパネルをエンクロージャーの上と赤道に面した計器スタンドの側面(米国の南など)に取り付けます。サイトの緯度に適した角度 (米国本土では通常 25°から 35°) を使用します。
- ケーブルを地上エンクロージャのエントリポイントに配線します。パネルリードからテープをはがします。アンペア数を A に設定したマルチメーターを使用して、ソーラーパネルの出力が>0.1Aであることを確認します。
- 直流電圧用にDCに設定されたマルチメーターを使用して、ソーラーパネルの出力が>10Vであることを確認し、マークされていない場合は+(通常は赤)と-(通常は黒)のリード線を特定します。ソーラーパネルからの-リード線をG(アース)ポートに接続し、次に充電レギュレーターのソーラーポートからの+リード線を接続します。
注意: 火花を最小限に抑えるために、ソーラーパネルを防水シートまたは不透明なもので覆います。 - CHGまたは充電ライトが点灯していることを確認します。
- ソーラーパネルの各リード線の周りに電気テープを別々に巻き付けます。
- リモートデータ通信
注: 携帯データ テレメトリは、DCP との間でデータを送受信する機能を提供します。OpenSignalなどのスマートフォンアプリは、信号強度と最寄りのセルタワーへの方位を測定できます。全方向性のマルチバンドアンテナが推奨されます。ただし、指向性(八木)タイプのアンテナは、より遠隔地の信号を改善できます。- 付属のUボルトを使用して、アンテナを計器マストの上部に取り付けます。
- 同軸ケーブルをアンテナに接続し、もう一方の端を地上センサーコンジットを介してエンクロージャーに配線します。結束バンドでケーブルを固定します。
- もう一方の端をエンクロージャ内のセルラーモデムに接続します。
- システムの電源投入
注:この時点では、DCPプログラムが記述されており、すべてのセンサーが適切な方法で配線されていることを前提としています。ソーラーパネルと充電式バッテリーは、DCP電源ポートに接続された赤/黒の電源線で電圧レギュレーターに配線されています。- 電圧レギュレーターのトグルを オンに切り替えます。DCP ソフトウェアを起動し、ラップトップを DCP に接続します。すべてのセンサーが値を報告しており、非数値 (NaN) やエラー値ではないことを確認します。
- 各土壌センサーでSWC、BEC、およびT値を確認します。SWC 値が >0.05 m 3/m 3 および <0.60 m 3/m 3 であることを確認します。範囲外のセンサーを確認してください。疑わしいセンサーを再挿入または交換します。雨量計に水を注ぎ、DCPがカウントを記録していることを確認します。
注意: BEC値が低い(<0.001)場合は、センサーの接触不良(または非常に乾燥した土壌)を示している可能性があります。暖かい季節に設置する場合、Tは通常、上部が最も暖かく、下部が最も涼しいです。 - セルラー通信強度を確認してください。製造元のマニュアルに従って、信号強度を確認します。
注意: 適切な信号品質を確保するには、信号強度を-100dBm>する必要があります。方向アンテナを回転させて、信号を改善できます。セルラー以外にも多くの通信オプションがあります(衛星など)。
10.Site 完了
- 地下のすべてが機能し、ケーブルまたはコンジット内のケーブルがすべてトレンチ内にあり、エンクロージャーに配線されていることを確認したら、地上および地下のエンクロージャーエントリの開口部を電気パテで埋めてシールし、湿気から保護し、昆虫をエンクロージャーに入れないようにします。
- 表面上のセンサー位置の外周を、明るいフラグ付きの恒久的な杭で描写します。
- 防水シートの土を使用して、除去の逆の順序(ステップ3.1)で掘削された領域を埋め戻します(最も深いものから最も浅いものへ)。まず、センサーを乱さないように注意しながら、トレンチ面とセンサーヘッドの周囲に50cmで土を手作業で梱包します。センサータインが動かないように、センサーヘッドの周りに土を詰めながらセンサーヘッドを支えます。
- 残りのすべてのセンサーケーブルがトレンチの下部近くに配置されていることを確認します。次に、防水シートからのより深い土で慎重にそれらを覆います。土をピットの底に圧縮してケーブルを固定し、力を入れて下に引っ張らないように注意します。圧縮中に十分な力を使用して、除去された材料の同様のかさ密度を保証します。
注意: 設置中の湿った土壌は簡単に過度に圧縮される可能性がありますが、乾燥した土壌は力に関係なく緩んだままになる可能性があります。 - ピットを10cmのリフトで埋め戻し、20cmのセンサーに到達するまで表面を滑らかにして圧縮します。繰り返しになりますが、センサーの下と周囲の土壌を慎重に手で梱包してから、さらに10cmの土壌リフトを埋め戻します。
- 最後に、10 cmセンサーの周りに土を手で詰め、次に5 cmセンサーを手で梱包し、両方が水平で所定の位置に保たれるようにします。残りの土壌ピットを防水シートの上部の土壌で満たします。
注:除去されたすべての土壌はピットに戻る必要があります。残った土壌は、土壌が元のかさ密度まで充填されなかったことを示します。 - トレンチングシャベルを使用して、トレンチの横にある掘削土を導管の上に押し込みます。すべてが完全に埋められ、5 cm未満であることを確認してください。
- スチールレーキを使用して、ピットとトレンチで再梱包された土壌を元の表面と同じ高さに水平にします。コンジットトレンチ内の土壌を十分にコンパクトにして、設置場所への優先的な流れを最小限に抑えます。
- オプション:アリ、ナメクジ、その他の昆虫を思いとどまらせるために、地下の開口部の周りと表面に珪藻土を振りかけます。
- 推奨:ポータブルSWCセンサーを使用して、 in situ センサー周辺の表層土壌を読み取り、時間の経過に伴うデータ検証とスケーリングのニーズを支援します。基本的な方向(北、南、東、西)の一定の距離(5、10、25、50 mなど)で読み取りを行います。
11.レコードステーションのメタデータ、データの背後にあるデータ23
メモ: インストール時および各サイト訪問時にメタデータを文書化します( 表 1 を参照)。一貫性のあるメタデータレポートは、成長する実践コミュニティをサポートし、データとネットワークの整合性を確保するために重要です。
- 一意のサイト識別子、設置日、センサーのシリアル番号、対応するSDI-12アドレス、挿入方向(水平または垂直)、深さなど、設置の詳細を文書化します。
- 土壌プロファイルを説明し、関連する写真を撮ります。収集された土壌サンプルのサンプル識別子を記録します。
- サイトの場所について、緯度と経度、標高、傾斜角、傾斜方向、土地利用、および土地被覆を記録します。
- 土地所有者と連絡先情報、およびゲートコードやロックコードなどのサイトアクセシビリティをメモします。
- スマートフォン(または実際のコンパス)と巻尺の コンパスアプリ を使用して、2つの基準点(接地棒や三脚脚など)からセンサーピット(およびセンサーオーガー穴)までの角度と距離を測定します。
注:これは、後でそれらの位置を三角測量するのに役立ちます。 - 完成したステーションと、計器マストから北(図6C)、南(図6D)、東、西の向きの写真を撮ります。センサーの設置場所をフラグやその他の個別の項目で描写します。
表 1: 土壌水分データ収集の観測点メタデータ。 略語:12月=減少;GPS =全地球測位システム。3DEP = 3D 標高プログラム。O&M = 運用と保守;SSURGO = 土壌調査地理データベース;Mukey = マップユニットキー。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
12. 運用と保守
注意: センサーの交換、植生の健全性や変化、サイトの障害など、詳細なメンテナンスログをメタデータレコードに追加する必要があります。
- 少なくとも毎年、定期的な現場検査を実施してください(表2)。センサーのキャリブレーションまたは交換を記録します。
- 特に常設ステーションの場合は、サイトが周囲に生い茂ったり異常になったりしないように、定期的な植生管理を確保してください。
- 動物管理を、おそらくフェンシングを含む地元の野生生物に適応させます。
- センサーに障害が発生した場合は、緊急サイトを訪問し、交換品を取り付けます(表2)。
表 2: メンテナンス スケジュールの例。 略称: DCP = データ制御プラットフォーム。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Representative Results
SCANネットワークは、1991年にNRCSのパイロットプロジェクトとして始まりました。これは、最も長く動作しているSWCデータ収集ネットワーク15であり、このプロトコルにおける代表的な結果の基礎となる。すべてのSCANサイトは、もともとアナログ静電容量センサーから始まりました。このプロトコルのビデオコンポーネントで使用されているメリーランド州ベルツビルのフィールド設置サイト(SCAN 2049)は、深さ5、10、20、50、および100 cmで、毎時の気温と土壌の温度と(図7B)毎時のSWCを監視します。毎日のPPT、20cmまでの土壌水分貯留量(SWS)、およびその経時変化(dSWS)を図7Cに示す。各PPTイベントについて、表面近く(5および10 cm)でSWCが急激に増加し、湿潤前線が重力下で下向きに伝播するにつれて、より深い深さでより減衰および遅延した増加がありました。2022年2月上旬と4月のイベント中に、100 cmの最も深いセンサーは0.33 m 3 / m3のプラトーに達し、数日間持続しました。このような条件は、飽和期間が短いことを示しています。特性評価データ(表3)からの土壌地平線乾燥かさ密度は1.73 g / cm3であり、推定空隙率(φ)は0.35 [-]であり、間隙空間が完全に水で満たされているという追加の証拠を提供しました。土壌プロファイルの砂壌土/ローム質砂を考えると、飽和状態は、排水が不十分であるか、排水を阻害する浅い地下水面によって生成された可能性が最も高いです。このサイトの気温は、4月までのほとんどの晩に氷点下になることに注意してください。しかし、土壌温度は2°Cを超えたままであり、どの深さでもSWCデータに凍結水の兆候はありませんでした。
図7:メリーランド州ベルツビルにあるフィールドステーション(SCAN 2049)の結果の例。 (A)毎時気温と土壌温度、(B)毎時SWC、(C)日降水量、土壌貯水量20cm、およびその経時差。略語:SWC =土壌水分量。PPT =降水量;SWS = 土壌貯水;dSWS = SWS の経時的な違い。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表3:代表的な結果に示されているデータ例のサイトデータと土壌特性。 図と表に示されているすべてのデータは、各サイトに記載されているURLのNRCSオンラインデータベースから取得されました。テーブルマウンテン(#808)の土壌特性評価データは利用できませんでした。略語: NRCS = 天然資源保護サービス;URL = ユニフォームリソースロケータ。c =粘土;FSL =細かい砂壌土;ls =ローム質の砂。s =砂;sc =砂質粘土;SCL =砂質粘土ローム;si =シルト;シル=シルトローム;sl =砂壌土;nd = データなし。BD =かさ密度33キロパスカル。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
飽和のより極端な例は、ミシシッピ州ヤズー近くのSCAN位置(2110)の図8に示されています。土壌は粘土含有量が非常に高く(60%以上)、かさ密度は1.06〜1.23 g / cm 3、φは0.54〜0.60 [-]です(表3)。2020年4月13日の~40mmの最初のPPTイベントでは、12日間連続して、すべての深さで土壌を>0.60 m 3 / m3のSWCに飽和させましたφ。2020年4月20日に発生した2回目の70mm/日はdSWSに影響を及ぼさず、飽和過剰流出を示唆した。同様の飽和期間は2020年11月に顕著でした。100 cmでの測定値はありませんでしたが、50 cmでのSWCは、夏の終わりに0.36 m 3 / m 3にわずかに低下した場合を除き、0.39 m3 / m3で安定していました。サイトノート(補足表S2)は、ほとんどのSCANおよびUSCRNサイトで使用される静電容量センサの場合と同様に、「ローム」センサ固有の較正31が使用されたことを示している。どちらの例も、SWCデータの解釈における、サイトの特性評価(ステップ5)中に収集された土壌特性評価とBDデータの重要性を示しています。
図8:ミシシッピ州ヤズーの近くにある湿度の高い温帯のサイト(SCAN 2110)の結果の例 。 (A)毎時の気温と土壌温度、(B)毎時のSWC、(C)毎日の降水量と土壌貯水量の変化。略語:SWC =土壌水分量。PPT =降水量;SWS = 土壌貯水;dSWS = SWS の経時的な違い。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9は、土壌プロファイルで湿潤前線が下向きに順次伝播する5つの湿潤イベントを伴う5つの深さでのin situSWCのより簡単な時系列を示しています。このSCANサイト(2189)は、カリフォルニア州サンルイスオビスポの近く、地中海性気候の湿った春と長く乾燥した夏の砂壌土にあり、φは0.37から0.51 [-]の範囲でした(表3)。土壌表面の湿潤に対する応答は急速であり、深さとともに大きさが小さくなりました。5日間にわたる最後の大きなPPTイベントは、50cmと100cmの深さで反応を示すのに十分でした。深さが大きくなるにつれて、土壌温度振幅の日周サイクルは減少し、極大温度と最小温度の時間は気温と浅い深さにさらに遅れをとった(図9A)。これらの特性は、次のセクションで説明するように、センサーの深さを区別するのに役立ちますが、深さ5cmと10cmでのSWCの変動にも顕著な影響がありました。SWC振幅は、5cmで~0.02 m 3/m 3、10cmで~0.01 m 3/m 3であり、より深いセンサーでは無視できる程度であった。また、土壌温度と同調しており、温度変動によってセンサーにノイズが誘発される可能性が高く、土壌水分の物理的な動きや実際の降水量の結果である可能性は低いです。この乾燥した場所(2189)は、SWCデータに温度ノイズが見られない、よりメシックなフィールド設置場所(2049)よりも土壌温度の日周変化がはるかに大きくなっています(図7B)。
図9:カリフォルニア州サンルイスオビスポの近くにある半乾燥の地中海サイト(SCAN 2189)の結果の例 。 (A)毎時気温と土壌温度、(B)毎時SWC、(C)日降水量と土壌貯水量の変化。略語:SWC =土壌水分量。PPT =降水量;SWS = 土壌貯水;dSWS = SWS の経時的な違い。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図10は、凍った土壌と積雪に存在する最も困難なSWCデータの解釈の1つを示しています。このサイト(808)は、モンタナ州ボーズマンの近く、海抜4,474フィートにありました。2020年の冬(12月、1月、2月)は、毎日の気温が氷点下を超えることがありました。土壌温度は3月まで0°Cをわずかに上回っていました。表面に雪が存在すると、気温の変化から土壌が断熱されます。さらに、湿った土壌では、潜熱の放出とエネルギーの消費は、凍結融解サイクルに関連する相転移プロセス、緩衝土壌温度を伴い、これらの相変化が完了するまでそれらを0°Cに非常に近く保ちます。凍結土壌中の氷の小さなεは、SWCの劇的な減少とそれに続くPPTの兆候なしに融解中に増加するように見えます。これは、気温が急速に低下し、5cmと10cmのSWCが3日間減少した後、回復した12月中旬と3月中旬に最も顕著でした。100cmの土壌温度は11月中旬に氷点下に達し、前秋から冬の間ずっとSWCが低く、春の融解中に変化しなかったため、誤動作している可能性が示唆されました。ただし、他のセンサーの急速な落下と回復は、液体土壌水の実際の変化である場合とそうでない場合があります。このようなデータの解釈は、雪の存在や深さの補助的な測定なしでは非常に困難な場合があります。多くの場合、氷点下以下のSWCデータは品質管理において打ち切られます。氷点下の土壌温度に関するさらなる議論は、データ記録の品質管理のセクションで提示されています。
図10:モンタナ州スリーフォークスの近くにある半乾燥の高山サイト(SCAN 808)の結果の例 。 (A)毎時気温と土壌温度、(B)毎時SWC、(C)日降水量と土壌貯水量の変化。略語:SWC =土壌水分量。PPT =降水量;SWS = 土壌貯水;dSWS = SWS の経時的な違い。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
他の例および特性評価データは、SCANデータベースから取得された(ユニフォームリソースロケータ[URL]については 表3 を参照)。これらのデータのレポートと品質管理には、不安定な動作を説明するための物理的メカニズムがあるかどうかを判断するために、ある程度の解釈が必要です。私たちの解釈にはローカルサイトの知識が不足しており、SWCの時系列を何年にもわたって評価してきたにもかかわらず、故障したセンサーや悪いセンサーや設置から良いセンサーや設置を評価することは依然として難しい場合があります。
図11は、2020年から2021年の間に40のSCANステーションからランダムに選択された問題データレコードの一般的な例を示しています。最も一般的なエラーには、国際土壌水分ネットワーク32によってフラグが立てられているように、スパイク(図11A)および上向き(図11B)または下向き(図11C)のステップ変化が含まれます。これらのそれぞれについて、そのような変更を説明する同時PPTイベントはなく、それらは誤りと見なすことができます。瞬間的なスパイクまたはディップの問題は、毎日の手段だけを見ると悪化し、そのようなイベントを隠すことができます。平均計算を行う前に、それらを削除することをお勧めします。ステップ変更の開始と終了は明らかかもしれませんが、その間のデータを入力することは困難です。このプロトコルではデータ入力にアプローチせず、誤ったデータにフラグを立てるだけです。不安定な動作(図11D)は、PPTイベントに応答することなく、野生の変動として現れます。場合によっては、2020年8月以降の図11Aに示すように、配線チェックとマルチプレクサの交換後にスパイクがなくなることがあります。多くの場合、不安定な動作は、図11Eに示すように、センサーの故障の前兆です。深さ10cmのセンサーは、1月に不安定な動作を警告し、3月下旬に故障しました。しかし、深さ5cmのセンサーは、2021年3月1日に警告なしに故障しました。
図 11: 問題レコードの例。 (A)SCAN 2084、アーカンソー州Uapb-Marianna、5 cmで周期的な落ち込みを示す、(B)SCAN 2015、アダムズランチ#1、ニューメキシコ、深さ50 cmで正のステップ変化、(C)SCAN 808、モンタナ州テーブルマウンテン、下向きのステップ変化、スパイク、さらには深さ50 cmでの回復(D)SCAN 2006、ブッシュランド#1、テキサス州、5または10 cmセンサーでの降水イベントへの応答を示さず、10 cmセンサーのいくらかの回復とそれに続く両方の顕著な故障、および(E)SCAN 2027、ジョージア州リトルリバー、20 cmのグリッチセンサーと5と20 cmの両方の深さでの壊滅的な故障。センサーの深さは、5 cm(黒)、10 cm(青)、20 cm(オレンジ)、50 cm(濃い灰色)、および100 cm(黄色)で表されます。略語:SWC =土壌水分量。PPT =降水量。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
SCAN 2084で、サイトは2004年2月6日にデータの記録を開始し、SDI-12マルチプレクサに関連する不安定な動作のいくつかのメモがあり、それらは数回交換されました(補足表S2)。ただし、センサーはオリジナルであり、18年後も機能し続けます。SCAN 2015では、データ収集は1993年10月25日に開始され、 図11B の50cmセンサーは2017年に疑わしいと見なされました(補足表S2)。最も古いサイトであるSCAN 808は、1986年9月30日に報告を開始し、2006年10月25日にSCANステーションに変換されました。現在までセンサーの交換は行われていません。 図 11E に示すように、 図 10 には妥当なデータがあるため、異常によって障害が発生するとは限りません。SCAN 2006は1993年10月1日に報告を開始しました。 図11D の元の5cmセンサーと10cmセンサーは、2022年1月24日に交換されました。SCAN 2027は1999年5月19日に報告を開始しました。 図11E の元の5cmおよび10cmセンサーは、2021年8月13日に交換されました。前述のように、SCANサイトはアナログ静電容量センサーから始まりました。これらのセンサーの多くは20年以上使用されており、必ずしも全体で最高品質のデータを生成するわけではありませんが、機能を維持しています。センサーを交換するポイントを決定することは、開業医にとって未解決の問題のままです。 図11 のサイトのサイトメタデータと土壌特性は、 補足表S3に記載されています。
データレポート
連続的なin situSWCセンサーは、タイムレコーディング間隔ごとに3〜6つの値を報告します。補助的な測定に加えて、SWCセンサーの長期的な展開により、保存および配信する必要のある大量の単位値データが生成されます。環境測定は、時間の経過と共に集計され、データ レコードとして報告される離散サンプリング間隔で行われます。大気測定サンプリング周波数は測定によって異なります。風と日射量の測定(<10秒)では大きく、気温と湿度(60秒)では大きくなります30。これらのサンプル値は、5 分から 1 時間の範囲のレポート間隔で平均化または累積されます。同様に、SWCのダイナミクスは比較的遅いため、SWCはレポート間隔で瞬時にサンプリングするか、サンプリングして(たとえば、5分ごと)、30分または60分の平均に平均化することができます。より頻繁なサンプリングからの平均化は、温度変動、電気的干渉、および固有のセンサー変動によるノイズを低減できますが、前述のようにデータスパイクによって平均値に偏りが生じる可能性があるため、お勧めできません。ほとんどのSWCデータレコードは、毎時のセンシングで満たすことができますが、より高速な排水条件(砂質土壌)と集中的なPPT(モンスーン条件)の地域では、一部のネットワークは20分の時間間隔で記録して降雨イベントを完全にキャプチャします。最後に、データ送信またはテレメトリは、テクノロジー(衛星システムなど)によって制限されるか、データのサイズと頻度に基づいてコスト階層を持つことができます。レポート間隔と遠隔測定された変数を最適化すると、コストの管理に役立ちます。例えば、後処理で計算できる導出値(例えば、SWC)よりも、生の値(例えば、εまたはカウント)を送信することが好ましい。データ解決は、テレメトリ パッケージのサイズにも影響する可能性があります。ただし、SWC は、分解能 0.1% でのパーセンテージ (0.0-100.0%) または解像度 0.001 m 3m-3での 10 進数 (0.00-1.00) として表すことが重要です。m 3 m-3の10進バージョンは、後の分析およびレポートでの含水率の変化率との混同を避け、含水率としても報告される可能性のある質量基準含水量(g / g)との混同を避けるために非常に好ましい。土壌温度、ε、およびBECは、それぞれ0.1°C、0.1 [-]、および0.1 dS m-1の解像度で一般的に報告されます。
データレコードの品質管理
データレコード品質管理プロセスでは、データを検証し、その品質を文書化します。正確なフィールドノートとキャリブレーションログは、データレコードの処理に不可欠です。レコードを処理する一般的な手順は、初期評価、明らかな誤ったデータの削除、導出値の計算または修正の適用、および最終的なデータ評価です。SWCレコードは通常、信号(ε、カウント、mVなど)、土壌温度、およびSWCを導出するためにさまざまな程度で使用されるBECで構成されます。センサーは、メーカー由来のSWCを出力することもできます。ただし、SWCを直接測定するセンサーはありません。この計算は、適切な較正式が利用可能であり、メタデータレコードの一部になっていると仮定して、データ計算ステップの一部とすることができる。レコードは、瞬間的な測定値または一定期間の平均である可能性があります。品質管理に最適なフォーマットを計算し、キャリブレーション方程式の改善やセンサーの理解を生データに適用できるように、生データを維持することが望ましいです。センサーの特性は、瞬時値または複数の読み取り値の平均値を記録するかどうかを決定する必要がありますが、前述の理由から瞬時値が優先されます。
補助データ (以下のデータ検証を参照) を品質管理ワークフローに組み込むには、いくつかの方法があります。降水量は最初のチェックです-「SWCは雨イベントの後に増加しましたか?」SWCがPPTなしで増加する可能性がある状況があります(例えば、融雪、地下水排出、灌漑)。2番目のチェックは、土壌貯水量の変化を特定のイベントのPPTの総量と比較することです(図7C)。理想的には、このイベントは孤立した低強度の降雨イベントである必要があります。降水量は表面から土壌に浸透し、下向きに浸透します。SWCのピークは、下向きに同様のパターンに従うはずです(図7B)。ただし、優先的な流れにより、浸透する水が浅いセンサーをバイパスしたり、より深いセンサーで迅速な応答を引き起こしたりする可能性があります。これらは「実際の」応答かもしれませんが、設置トレンチまたは個々のセンサーの周りの圧縮が不十分な場合、水が優先的にセンサーに向かって注がれる可能性があります。湿潤前線到着のバイアスは、降雨や融雪イベントに対する異常な反応を解釈する際には、注意と常識をもって使用する必要があります。 表3に示すように、BDは鉱物性土壌における土壌間隙空間の上限φ[-]を決定します。日常的にφを超える水分含有量は、センサーの誤動作または不適切なセンサーキャリブレーションのいずれかを示しています。前者の場合、データはレコードから消去される可能性があります。後者の場合、再キャリブレーションにより、再キャリブレーションに従って値が変更された状態で、レコードを保持できる場合があります。
土壌温度は、品質管理データに役立つ別の変数です。土壌温度は土壌柱内で下向きに伝播し、深さとともに減衰します(図7A)。温度は、センサーの深さが増加するにつれて、表面ピークからのラグタイムが長くなるにつれて、表面近くでより早くピークおよび高くなるはずです。センサーの遅延が順不同の場合は、深度の誤認またはSDI-12アドレスの誤りを示している可能性があります。図10に示すように、電磁センサは、氷の~3から水の~80までの範囲のεの変化に依存しています。水と氷の変化はSWCセンサーによって記録されます。ただし、センサの検出量が土壌温度サーミスタの検出量と異なり、しきい値が4°Cにもなる可能性があるため、フラグしきい値を上げる必要がある場合があります。 凍結の程度と液体の水の相対量は、土壌水文学の評価に重要である可能性があるため、これらのデータには凍結の影響を受けているというフラグを付ける必要があり、必ずしも削除する必要はありません。最も基本的なレベルでは、品質管理は、何らかの物理的メカニズムに対する不安定なセンサー応答を合理化する必要があり、そうでなければそれはエラーです。自動化された品質管理ルーチンは、大規模なネットワークと異種のデータソース13、33、34、35の要件ですが、長期的なデータ品質を維持するために、データに目を向けることに代わるものはありません。
データ検証
SWCデータの最も困難な側面の1つは、「センサーが良好で正確なデータを提供しているか」という検証です。ほとんどの環境センサーは展開後にアクセスでき、一定期間後に新しいセンサーと交換したり、メーカーまたは研究所に返送して標準に対して再校正したり、現場から収集したサンプルに対してデータを検証したりできます。気象機関は、センサーの回転、センサーのメンテナンス、および予防保守がデータ検証の最初のパスとして機能することを可能にする現場でのキャリブレーションなど、大気センサーの厳格な手順に従います10,30。SWCセンサーはその場で埋め込まれており、重大なサイト障害やセンサーの潜在的な損傷なしに監査または再校正することはできません。さらに、SWCセンサーには受け入れられている規格がないため、データ検証には、予想されるセンサー応答に関するある程度の知識と、センサー自体に対するある程度の信頼性が必要です。どちらも、現場で従う実践的な経験とベストプラクティス(つまり、サイトの保守と検査)を必要とします。図 11 に示すような異常なパフォーマンスの問題が慢性化する場合は、センサーに障害が発生する可能性が高いため、センサーを交換する必要があります。
電磁センサには可動部品がなく、ワイヤと回路は堅牢である傾向があります。3年後、テキサス土壌観測ネットワークは、伝送線路発振センサー21の2%の故障率を報告しました。10年以上のサービスの後、米国気候応答ネットワークは、2014年から2017年にかけて、100個あたり15〜18個のプローブでインピーダンスセンサーの故障率が著しく増加したと報告しました36。 図11に示すように、ほとんどのSCANセンサーは故障する前に20年以上経過していました。空気、水、砂の中でセンサーを再評価して、展開前の値に対するドリフトをチェックできるように、故障前にセンサーを交換することをお勧めします(例:ステップ1)。SWCセンサーでは定期的な交換はやや実用的ではなく、大規模なネットワークではめったに行われず、電磁SWCセンサーの経時的な変化の長期的な評価は認識されていません。USCRNネットワークは、静電容量センサーを使用して10年以上経った後、現在、新しいセンサー技術に移行しています。計画では、調整を行うために、古いセンサーと新しいセンサーの間に最低2年の重複があります。
定期的なメンテナンス訪問には、理想的にはさまざまな水分条件にわたるSWCデータの検証を含める必要があります。これは、ポータブルセンサーを使用して間接的に達成でき、理想的には一部の土壌サンプルに校正するか、現場で収集された体積土壌コアに直接校正します。最良のアプローチは、同等の深さ37の体積土壌サンプルからのその場センサーの読み取り値をSWCと比較することです(図12)。定期メンテナンスでは、直接/間接のSWC測定値と一致するセンサーの読み取り値の間の単純な回帰を比較できるように、さまざまな土壌水分条件をカバーするようにする必要があります。より深い土壌サンプリングは、オーガー穴または機械的なコアリング装置を使用して行うことができます。表面センサー(5cmや10cmなど)の検証は、前述のように、より深いセンサーがPPTと同様の特性応答に従う必要があるため、十分な場合があります。この事後 SWC 評価にはいくつかの制限があります。主な欠点は、体積サンプルをセンサーで直接採取することはできず(またそうすべきでもなく)、タイン周辺の検出体積(3 cm以内)内のSWCを真に代表していない可能性があることです。これは2番目の欠点につながります。代表的なフィールドSWC値を取得するには、さらに多くのサンプリング場所と深度が必要になる場合があります。これにより、サイトの周りに多くの穴や障害が発生する可能性があります。3番目の欠点は、土壌プロファイルを混乱させる掘削なしで、深部で体積土壌サンプルを取得するのが難しいことです。
図12:体積SWCデータ。 60 cm3 の土壌コアからのSWCデータをフィールドキャリブレーションデータとして、ローム質の細かい砂から粘土までのテクスチャで、深さ15、30、45、および60 cmの in situ センサーからのSWCと比較しました。この図は、Evettら37から改作されました。略称:SWC =土壌水分量。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
NRCSは、オーガー穴38の底にあるサンプル用の延長ロッドに体積サンプリングチューブ(マデラスタイルのプローブ)を使用して、オーガー穴の土壌サンプリング方法を開発しました。これらの直接測定は、携帯型センサ37、39、40からの間接測定と組み合わせて、in situセンサの空間的代表性13、41の較正された評価を提供することもできる。プロトコルステップ10.10で説明したように、このプロセスを繰り返して、SWCの直接サンプリングまたは間接推定値からのin situセンサの最近の偏差を決定するために、いくつかのメトリック(例えば、二乗平均平方根誤差、バイアス、相関)を決定することを可能にすることができる。詳細は、国際原子力機関IAEA7によっても提示されています。ステップ3と5で提示された土壌掘削および特性評価データも、φに関するデータを提供します(SWCはこの値を超えてはなりません)。土壌の質感と水平線は、高/低導電率と土壌保水性のゾーンを示しています。これらのステップは、森林土壌サンプリングプロトコル25と非常によく一致しています。代表性の所望のスケールを使用して検証データセットを収集することができ、その後、ステーションを検証済みフットプリント42にスケーリングすることができる。ステーションセンサータイプを交換する場合は、さまざまな土壌水条件にわたる検証データの別のセットを収集して、設置バイアスを再度キャプチャするのが合理的です。
補助データセットは、SWCデータの検証と評価に役立ちます。オンサイトのPPTゲージを使用して、イベントのタイミング、期間、および規模を検証することで、水文時系列が劇的に改善されることは明らかです。土壌マトリックス電位センサーは、植物の利用可能な水を定量化するために重要な土壌水のエネルギー状態を提供します。気温、相対湿度、風速、太陽放射照度などの気象センサーは、相対的な植物の水分摂取量、したがって土壌乾燥速度43への有用なガイドである基準蒸発散量(ET)の直接計算を可能にします。SDI-12出力を備えた経済的なオールインワン気象センサーがいくつかあります。地下水面が地表近くにあり、監視井を設置できる場合、圧力トランスデューサからの地下水位情報は別の貴重な測定値です。最後に、フィールドカメラは科学的価値とサイトセキュリティ価値の両方を提供できます。デジタル画像は植生の成長と緑度を記録することができ44、ステーションの一般的な状態は現地視察なしで評価できます。
補足表S1:一般的な(ただし包括的ではない) in situSWC センサー技術。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表S2:このプロトコルで提示されたすべてのサイトのNRCSオンラインデータベースから抽出されたセンサー履歴ログ。 各 URL から入手できるデータ。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足表S3:図11に示すデータ例のサイトデータと土壌特性評価。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
Discussion
土壌水分状態は、降水量、植生、日射強度、相対湿度など、さまざまな環境要因と、土壌の水理および物理的特性の結果です。これらは、異なる空間的および時間的スケールで空間的および時間的に相互作用します。水・エネルギー・炭素循環をモデル化・予測するには、SWCの状態を理解する必要があります。最も一般的なタイプの自動測定技術の1つは、乱されていない土壌に その場で 挿入することを意図したタインを備えた電磁SWCセンサーです。このプロトコルは、これらの一般的なタイプの埋め込み可能なセンサーをインストールするプロセスのガイダンスを提供するように設計されています。精度、性能、およびコストは、通常、センサーの動作周波数に比例します。低周波センサーはコストが低くなりますが、土壌や環境要因によってより混乱します45。土壌またはサイト固有のキャリブレーションにより、低周波センサーの精度を向上させることができます。測定方法は、電磁界(EMF)の基礎となる物理学のためにセンサーの性能にも影響します。
電磁センシングには、2つの主要な電磁物理法則が支配しています。1つはガウスの法則で、センサーの伝搬EMFが媒体のεとBECの両方にどのように依存するかを記述します。ただし、誘電率はSWCとともに増加し、BECも増加します。したがって、ガウスの法則に依存するセンサーは、SWC、BEC、BECに対する温度の影響、および塩分からの干渉の影響を受けます。静電容量検出方法はガウスの法則に従うため、これらの影響を受けやすくなります46。さらに、ガウスの法則は、静電容量が土壌中のEMFの形状によって変化する幾何学的要因に依存することを説明しています。EMFの形状は、土壌構造やセンサータイン周辺の水分量の小さな空間変動によって変化することが研究によって実証されています。ほとんどの土壌では、含水率と土壌構造の小さな空間変動が大きく、幾何学的要因の変化とその結果としての静電容量の変化は、バルク平均土壌含水率の変化とはほとんど関係がありません。これらの要因は、静電容量センサーの精度を低下させ、データのばらつきを増加させます46,47,48。インピーダンスと伝送線路の発振方法もガウスの法則に依存しますが、時間領域の反射率測定と時間領域の透過率の方法は、幾何学的要因を含まず、BECに依存しないマクスウェルの方程式に依存します。問題のないセンサーはありませんが、時間領域の方法は、容量またはインピーダンスベースの方法よりもかなり正確でバイアスが少ない傾向があります。
手順にはいくつかの重要なステップがあります。スパースネットワークの場合、SWC の最も適切な空間表現を行うには、適切なサイト選択とセンサー位置が必要です。サイトの選択は、土地へのアクセスなどの外部要因、または土壌水分が補助的な測定値であるその他の大気モニタリング要件によってより影響を受ける可能性があります。メソスケールの気象サイトは、マイクロスケールの影響を最小限に抑えるために、広くて開放的で手入れの行き届いた草の表面にあります。このような場所は、SWC の監視にはあまり適していない可能性があります。該当する場合、ワイヤレスセンサーテクノロジーは、既存の環境モニタリングステーションから離れて代表的な土壌でSWCモニタリングを実行できるようにするために、49,50,51,52,53と見なす必要があります。活発な農場運営と灌漑設備を回避することは困難です。ほとんどのネットワーク(SCANやUSDA-ARSなど)は、ケーブルを切断してセンサーを発掘する可能性のあるプラウやハーベスターなどの耕作活動を避けるために、畑の周辺にとどまります。in situセンサーとケーブルは、農場での作業での推論を避けるために、十分に埋設され、表面プロファイルが十分に低い必要があります。無線システム53および取り外し可能なボアホールセンサ47がより適切であり得る。大規模な土壌水分ベースの灌漑54を使用した地下水保全は、SWCセンサーの成長分野です。このプロトコルは、乱されていない土壌における空間的に代表的な長期SWCデータに関係します。
一部の土壌は他の土壌よりも測定が困難です。岩が多い、砂利が多い、または非常に乾燥した土壌では、損傷することなくタインを挿入することは不可能な場合があります。1つのオプションは、土壌ピットを掘削し、埋め戻し中にセンサーを所定の位置に置き、元のBDに圧縮しようとすることです。 岩石質の土壌は構造がほとんどない傾向があり、数回の湿潤および乾燥サイクルの後に治癒する可能性があります。しかし、そのような擾乱は、サイトの土壌水文学を真に代表することは決してないかもしれません。あるいは、センサーがオーガー穴の底に設置されている場合は、除去された土壌をふるいにかけて石を取り除き、センサータインを収容するのに十分な深さで穴に再梱包することができます。その後、センサーを垂直に設置し、オーガー穴に残りのふるいにかけられていない土壌を補充し、土壌が追加されると頻繁に圧縮されます。
森林土壌の根は、プローブの挿入と同様の課題をもたらしますが、状況によっては根を切ることができます。森林土壌は、鉱物土壌の上に有機(O)地平線を有することが多く、これは非常に低いBDおよび高い比表面積を有することができ、大量の結合水は、より高いSWCで非常に非線形のセンサー応答をもたらす55。さらに、開業医はゼロデータムをO地平線の頂点または鉱物土壌のいずれかとして設定します。粘土が豊富な土壌や膨張/膨張電位の高い粘土は、濡れると電磁信号に対して非常に導電性が高く、乾燥するとひびが入る可能性があります。そのような土壌は、生の測定値から合理的なSWCを得るために追加の修正が必要な場合があります56,57。浅い土壌では、理想的な最大深度に達する前に、岩盤または制限的な土壌の地平線(カリッシュやハードパンなど)に遭遇する可能性があります。場所を変更するか、単により深いセンサーを取り付けない必要がある場合があります。過度に乾燥した土壌や湿った土壌は困難な場合があり、極端な季節以外の設置日を選択することもできます。乾燥した土壌は非常に強い場合があり、損傷せずにセンサーを挿入することは不可能であることが判明する場合があります。必要に応じて、土壌が自然状態に戻るまでに時間がかかる場合がありますが、ピット面を柔らかくするために、前向きの穴を水で満たすことができます。湿った土壌は弱すぎてピット面を支えることができないか、トレンチが水で満たされる可能性があります。湿った土を過度に圧縮することも簡単です。
センサー出力には、SWCだけでなく誘電率を含めて、後で補正や土壌固有のキャリブレーションを行えるようにする必要があります。高周波センサーはBECの高い土壌に適していますが、短いタインはよりコンパクトな土壌に設置しやすい場合があります。しかし、おそらく最も重要なステップは土壌接触です。接触不良は、電磁センサーからの信号を劣化させます。最後に、掘削を埋め戻すことは些細なことのように聞こえますが、センサーの領域への優先的な流れを最小限に抑え、ケーブルを保護し、動物がその領域を邪魔するのを思いとどまらせることが重要です。土壌またはサイト固有のキャリブレーションにより、センサーの精度を向上させることができますが、このプロトコルで可能なよりも詳細な情報が必要です。さまざまなSWCレベルに調整または再梱包されたフィールド土壌は、応答の直線性をチェックするのに理想的であり、一部のセンサータイプ21のサイト固有のキャリブレーションとして機能します。誘電体液体はまた、センサ応答58をチェックするための有効な媒体となり得る。温度制御されたウォーターバスは、土壌温度校正を改善するために使用できます59。このプロトコルは、SWCセンサー60,61の既存の方法も受け入れられているキャリブレーション方法もないため、in situSWCセンサー設置の標準操作手順の確立に向けた最初のステップです。
SWCモニタリングはこのプロトコルの焦点でしたが、この方法には限界があり、SWCだけでは土壌水の状態の全体像を把握することはできません。多くの生態系プロセスは、土壌水ポテンシャルによっても規制されていますが、これはその場ではあまり一般的に測定されません62。S. Luo、N. Lu、C. Zhang、およびW. Likos 63によって最近レビューされた土壌水ポテンシャルは、水のエネルギー状態です。このようなセンサは、土壌特性の影響を少なくし、SWCセンサ64の品質管理を提供する場合がある。さらに、バルクフィールドSWCは、砂利、岩石、根、および空隙空間(例えば、優先流路)を含む。 その場で SWCセンサーは通常、岩石や根の周りに再配置され、限られた測定量はタインの周りに集中しているため、バルクフィールドSWCの離散的ではあるが重要な側面を見逃す可能性があります。
このプロトコルは、干ばつモニタリング、給水予測、流域管理、農業管理、作物計画など、幅広いアプリケーションに対して、より調和のとれた均一なSWCデータにつながることを願っています。リモートセンシングプラットフォーム4 の出現により、SWCをグローバルに推定する能力が大幅に向上しましたが、これらの製品は地上検証が必要であり、それでも in situ ネットワーク65によって合理的に収集されます。コンピュータの進歩により、超解像SWCモデリング66 が開発され、高解像度でサブデイリーSWC状態が生成されましたが、これらの製品は、不確実性を計算するための何らかの基礎を提供するためにSWCのその場 推定も必要です。多くの場合、新製品が導入されたときに最初に尋ねられる質問は、「不確実性は何ですか?」です。SWC製品の場合、検証のための一次比較は in situ ネットワークデータ67です。
米国陸軍工兵隊のミズーリ川上流域土壌水分プロジェクトやNOAAが支援する米国南東部ネットワークの構築など、全国調整土壌水分モニタリングネットワーク(NCSMMN)に関連する最近のネットワーク拡張があり、すべて水害の予測、監視を改善し、リソース管理の意思決定サポートを提供するように設計されています。このようなアプリケーションのSWC推定の確実性と正確性は、データの整合性に自信を与えるための徹底したプロトコルと手順によってのみ達成できます。NCSMMNは、土壌水分の測定、解釈、およびアプリケーションに関する実践コミュニティ、つまりデータプロバイダー、研究者、および一般の人々をつなぐ「人々のネットワーク」を構築することにより、支援、ガイダンス、およびサポートを提供することを目的とした、連邦主導の複数機関の取り組みです68。このプロトコルは、NCSMMNの取り組みの成果です。データ品質管理ワークフローが近日公開されます。
Disclosures
商号、会社名、または製品名の使用は、説明のみを目的としており、米国政府による承認を意味するものではありません。この記事は米国政府の著作物であり、米国ではパブリックドメインです。USDAは機会均等の雇用主およびプロバイダーです。
Acknowledgments
著者らは、NOAA-NIDIS、National Coordination Soil Moisture Monitoring Network(NCSMMN)、およびUSGS次世代水観測システム(NGWOS)プログラムからの財政的支援を認めている。我々は、このプロトコルに関するインプットを提供してくれたB. Baker、J. Bolten、S. Connelly、P. Goble、T. Ochsner、S. Quiring、M. Svoboda、M. Woloszynを含むNCSMMN執行委員会のメンバーに感謝する。我々は、M. Weaver(USGS)が議定書草案を最初にレビューしてくれたことに感謝する。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| System components, essential | This system is the typcial micro-station used in the TxSON soil moisture network. The TxSON meteorlogical station is listed under optional components. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034 | ||
| Battery, sealed rechargable 12 V 12 AH | Campbell Scientific | BP12 | 7 amp-hour (AH) minimum |
| Charging regulator | Campbell Scientific | CH200 | Charge regulator, needed for any unregulated solar panel |
| Conduit, schedule 40 PVC, 1 to 2" diameter | Any home supply store | Diameter sized appropriate to number of sensors and cable thickness. Length dependent on height of enclosure | |
| Data aquistion software | Campbell Scientific | PC400 | Free versions with limited programability, for more basic applications, manual downloads and simple sensor configurations |
| Data control platform | Campbell Scientific | CR300 | Any SDI-12 compatible DCP is sufficint. Many also have integrated cellular modems available |
| Enclosure (NEMA), 10 x 12 inch, -DC 2 conduits for cables, -MM tripod mast mount | Campbell Scientific | ENC10/12-DC-MM | Two bottom conduits are required for above and below ground instruments |
| Mounting pole (47 inch) with pedestal legs | Campbell Scientific | CM305-PL | Smaller footprint, not tall enough for weather sensors |
| Rain Gage with 8 in. Orifice, 20 ft of cable | Campbell Scientific | TE525WS-L20-PT | Recommend installing rain gage on a separate vertical pole some distance from the instrument stand |
| Sensors, 12 cm water content reflectometer, 17ft cable, -VS SDI-12 address varies | Campbell Scientific | CS655-17-PT-VS | See Supplement Table 1 for more options |
| Solar panel, 20 W | Campbell Scientific | SP20 | Use higher wattage panels for northern sites and lower for southern sites with higher exposre |
| System components, optional | |||
| Cellular Antenna, 2 dB multiband omnidirectional | Campbell Scientific | 32262 | Directional antennas can improve signal, if the tower location is known. |
| Cellular modem for Verizon/ATT | Campbell Scientific | CELL210/205 | Provider is site-dependent |
| Crossarm mount, 4 feet | Campbell Scientific | CM204 | Ideal for mounting 2 m sensors |
| Data aquistion software, advanced | Campbell Scientific | Loggernet | More advanced commercial sofware that includes remote communications options and advanced programming |
| DIN Rail Perforated Steel | Phoenix Contact | 1207639 | Used to mount terminal blocks inside enclosure |
| Galvanized steel water pipe, 1.5 or 2 inch diameter, 10 ft in length | Any home supply store | The most economical option for an instrument mast. Can be cut to length. Replaces the 47 inch mounting pole with legs | |
| Instrument tripod, 10 foot stainless-Steel with grounding kit | Campbell Scientific | CM110 | Taller instrument stand for 2 m meteorologic sensors |
| Lever nut connectors, five ports (Figure 5) | Digi-Key | 222-415/VE00/1000 | Connect one SDI-12 wire to 4 sensor wires. Alternative to DIN rail. |
| Null modem cable | Campbell Scientific | 18663 | Inteface cable between DCP with modem. Not required for integrated cellular modems |
| Plug-in bridge - FBS 3-5 | Phoenix Contact | 3030174 | Used to connect the curcuit of multiple terminal blocks. Available at mouser.com |
| Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 gallon) | Any home supply store | Altnerative to concrete when using a steel pipe mast or for precipation gage pole. Two part foam mixture | |
| Sensor, air temperature and relative humidity, 10 ft cable | Campbell Scientific | HygroVUE10-10-PT | Lower accuracy and pression option. Replacable chips are the fastest means to meet annual calibration cycles. |
| Sensor, solar radiation pyranometer, digital thermopile | Campbell Scientific | CS320 | Most inexpensive, ISO class C (second class). Better options are available but much more expensive |
| Sensor, wind speed anemometer, 10 ft cable | Met One | 014A-10 | More expensive options include wind direction, or sonic sensors with no moving parts |
| Solar shield for air temperature and relative humidity sensor | Campbell Scientific | RAD10E | All air temperature sensors require sheilded from the sun |
| Terminal blocks (Figure 5), feed-through | Phoenix Contact | 3064085 | The most secure method to connect multiple SDI-12 sensor wires. Available at mouser.com |
| Field tools, essential | |||
| Freezer bags: quart and gallon sized | Any grocery store | Storage for soil samples collected for characterization | |
| Miscellaneous digging tools including hand trowl, flat spade, and pointed spade | Any home supply store | Backup tools to aid excavation' | |
| Shovel (Sharpshooter) 16 in. D-handle drain spade | Razorback | Manual tool for excavating soil pit. Any narrow pointed spade will work. | |
| Shovel, trenching, 4 in wide steel blade | Any home supply store | Ideal trenching tool for burying cable or conduit | |
| Soil auger (<4 in diameter) with T-handle or and extension bar as needed for r test holes | AMS Samplers | 400.06 | Recommended for test holes. The auger type should match soil, but 'regular' performs well in most soils |
| Tarp (plastic) or plywood sheet | Any home supply store | Soil management during excavation and trenching | |
| Field tools, optional | |||
| 2,000 lb Mini Excavator | Sunbelt Rentals | 350110 | Rental equipment for mechanical excavation |
| Breaker or digging bar | Any home supply store | Useful to break rocks and cut roots during excavation | |
| Galvanized Cattle Fence Panel, 16 ft x 50 in | Tractor Supply Co. | 350207799 | Recommend cutting fencing panels into 8' sections |
| Pick mattock or pulaski | Any home supply store | Great for loosening in hard or rocky soils | |
| Post Hole Auger Hydraulic Tow Behind with 18" diameter auger | Sunbelt Rentals | 700033 | Rental equipment for mechanical excavation |
| Post hole digger, 48 in handle | Any home supply store | Useful to clear soil in bottom of pit, or for test holes | |
| Steel fence T-posts, 6 feet tall and fence post driver, ~14 lb. | Any home supply store | Fencing support and installation | |
| Steel rake | Any home supply store | Ideal for smoothing disturbed soil at field area | |
| Every Day Carry (EDC), recommendations for any field technician's toolbag | |||
| Adjustable wrench with insulated handle | Any home supply store | ||
| Assorted UV-resistant zip ties | Any home supply store | Critical for neat wiring | |
| Diagonal cutting pliers | Any home supply store | Efficient way to cut light and heavy wires and snip zip ties | |
| Digital camera, GPS, and compass | Misc. | Ideally, these are all on your smartphone | |
| Digital multimeter | Any home supply store | Key tool for troubleshooting power and connectivity issues in electrical systems | |
| Electrical tape | Any home supply store | Non-black tape can be used for labeling | |
| Electrician's Puddy for filling entrance holes of enclosures | Any home supply store | Needed to close and seal all conduit ports in the enclosure | |
| Hex key sets in both standard and metric sizes | Any home supply store | Required for many sensor mounts | |
| Magnetic torpedo level (8 to 12") | Any home supply store | Needed to get instrument stand vertical and leveling any meteorlogical sensors | |
| Metric tape measure | Any home supply store | Critical for inserting probes and sampling soils - both use metric depths. | |
| Pliers: needle nose, lineman's, and channel-lock | Any home supply store | Lineman's pliers are essential for bailing wire fences. | |
| Portable drill, bits, nut drivers | Any home supply store | ||
| Ratchet wrench and appropriate socket sizes | Any home supply store | Ratch wrenches can get into tight spaces around sensor mounts where standard box wrenches do not work | |
| Safety: first aid kit, water (5 gallons), trash bags, gloves, sunscreen, insect repellent | Any home supply store | ||
| Screw drivers: small and large size with insulated handles | Any home supply store | Screws on DCP and terminal blocks are very small. Small flat and phillips heads are required. Larger tools will also come in handy | |
| Sharpies, pencils, and notebook | Forestry Supplier | Basic record keeping is essential for metadata | |
| Step ladder, 6 ft | Any home supply store | Hard to install 2m sensors without a ladder | |
| Utility knife and box cutter | Any home supply store | ||
| Vegetation control: hand loppers, weed whacker, saw | Any home supply store | Depending on the environment, vegetation can quickly overwhelm a fenced off areas. | |
| Wire strippers (8-20 gage) | Any home supply store | Essential tool for preparing wires for insertion into DCP or terminal blocks. Self-adjusting strippers are the latest rage | |
| Annual Maintenance Supplies | |||
| Battery cleaner (baking soda) and brush | Any grocery store | ||
| Cleaning:compressed air, isopropyl alcohol, tooth brush, pipe cleaners, paper towels | Any grocery store | ||
| Desiccant, silica gel bags | Clariant | Desi Pak | Reusable after oven drying at 105 °C for over 24 h. Swap out annually. |
| Field calibration device for rain gage | R.M. Young | 52260 | Device that drips water into a rain gage at varying intensity |
| Handheld Weather Meter | Kestrel Instruments | 0830 | Direct measurement of air temperature, relative humidity, and wind speed for field verification |
| One quart and one gallon freezer bags | Any grocery store | Storage for any gravimetric soil samples | |
| Portable soil moisture sensor | Delta-T Devics | SM150T | A variety of sensors exist. See evaluation at https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033 |
| Soil core sampler, 2-1/4 in. Diameter | Soilmoisture Equipment Corp. | 0200 | Gravimetric soil moisture and bulk density sampler |
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