In situ Jordfugtighedssensorer i uforstyrret jord

Summary

Bestemmelsen af jordens vandindhold er et kritisk missionskrav for mange statslige og føderale agenturer. Denne protokol syntetiserer multi-agency indsats for at måle jordens vandindhold ved hjælp af nedgravede in situ sensorer.

Abstract

Jordfugtighed påvirker direkte driftshydrologi, fødevaresikkerhed, økosystemtjenester og klimasystemet. Imidlertid har vedtagelsen af jordfugtighedsdata været langsom på grund af inkonsekvent dataindsamling, dårlig standardisering og typisk kort rekordvarighed. Jordfugtighed eller kvantitativt volumetrisk jordvandindhold (SWC) måles ved hjælp af nedgravede in situ-sensorer , der udleder SWC fra en elektromagnetisk reaktion. Dette signal kan variere betydeligt med lokale forhold såsom lerindhold og mineralogi, jordens saltholdighed eller bulkelektriske ledningsevne og jordtemperatur; Hver af disse kan have varierende påvirkninger afhængigt af sensorteknologien.

Desuden kan dårlig jordkontakt og sensorforringelse påvirke kvaliteten af disse aflæsninger over tid. I modsætning til mere traditionelle miljøsensorer er der ingen accepterede standarder, vedligeholdelsespraksis eller kvalitetskontrol for SWC-data. Som sådan er SWC en udfordrende måling for mange miljøovervågningsnetværk at implementere. Her forsøger vi at etablere en fællesskabsbaseret standard for praksis for in situ SWC-sensorer, så fremtidig forskning og applikationer har konsekvent vejledning om valg af sted, sensorinstallation, datafortolkning og langsigtet vedligeholdelse af overvågningsstationer.

Videografien fokuserer på en konsensus mellem flere agenturer om bedste praksis og anbefalinger til installation af in situ SWC-sensorer. Dette papir giver et overblik over denne protokol sammen med de forskellige trin, der er afgørende for SWC-dataindsamling af høj kvalitet og på lang sigt. Denne protokol vil være til nytte for forskere og ingeniører, der håber at implementere en enkelt station eller et helt netværk.

Introduction

Jordfugtighed blev for nylig anerkendt som en væsentlig klimavariabel i det globale observationsklimasystem¹. Jordfugtighed eller kvantitativt volumetrisk jordvandindhold (SWC) spiller en vigtig rolle i opdeling af strømmen af indgående stråling i latent og fornuftig varme mellem jordens overflade og atmosfæren og opdeling af nedbør mellem afstrømning og infiltration². Den rumlige tidsmæssige variation i jordfugtigheden på punkt-, mark- og vandskelskalaer komplicerer imidlertid vores evne til at måle SWC i den passende skala, der er nødvendig for at opfylde forsknings- eller ledelsesmål³. Nye metoder til kvantificering af SWC, herunder jordbaserede netværk af in situ-sensorer , proksimale detektorer og telemåling, giver unikke muligheder for at kortlægge variationen af SWC ved en hidtil uset opløsning⁴. På stedet SWC-sensorer leverer de mest tidsmæssigt kontinuerlige og dybdespecifikke dataposter, men er også underlagt små sensormængder og lokal skalavariation, der er iboende i jordegenskaber, topografi og vegetationsdække⁵.

Desuden mangler der standarder eller bredt accepterede metoder til installation, kalibrering, validering, vedligeholdelse og kvalitetskontrol af in situ SWC-sensorer. Jordfugtighed er i sagens natur en udfordrende parameter at måle og kan være den sværeste variabel at kvalitetssikre⁶. Mens generelle protokoller for SWC-dataindsamling er blevet udarbejdet af Det Internationale Atomenergiagentur⁷, Udvalget for Jordobservationssatellitter⁸, føderale agenturrapporter⁹ og American Association of State Climatologists¹⁰, er der begrænset specifik vejledning om installation, vedligeholdelse, kvalitetskontrol og verifikation af SWC-data fra begravet in situ Sonder. Dette har gjort vedtagelsen af sådanne teknologier udfordrende for operationelle overvågningsnetværk, såsom statslige Mesonets, at tilføje SWC-målinger. På samme måde er det også udfordrende for operationelle hydrologer, for eksempel på flodprognosecentre, at indarbejde disse data i deres arbejdsgang. Formålet med denne videografi og ledsagende papir er at give en sådan vejledning og dokumentere en sammenhængende installationsprotokol for nedgravede in situ SWC-sonder.

Valg af placering til in situ-overvågning af jordfugtighed
Jordbunden inden for ethvert interesseområde (AOI) dannes gennem en unik og koblet feedback over tid mellem topografi, økologi, geologi og klima^11,12. SWC's variation på tværs af landskaber gør valg af sted til et kritisk aspekt for enhver jordfugtighedsundersøgelse. For nogle forskningsmål kan et sted vælges til at repræsentere et bestemt træk eller mikrosite på landskabet eller økosystemet. Med henblik på overvågningsnet bør lokaliteten være rumligt repræsentativ for en større landskabskomponent. Målet er at finde en placering, der giver den bedste rumlige repræsentation af AOI. I marken skal der tages mere pragmatiske hensyn, såsom kravene til andre meteorologiske instrumenter, tilgængelighed eller tilladelse. Den dominerende jordbundskortenhed inden for AOI er dog normalt en god rumlig repræsentation af miljøforholdene i et større område¹³. Den dominerende jordbundskortenhed kan bestemmes ved hjælp af Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Denne jordkortenhed skal også verificeres med en lav grop eller testhul.

En typisk overvågningsstation kan optage 5-50 m², afhængigt af sensorbehovet og antallet af supplerende målinger. Figur 1 viser en typisk overvågningsstation med et 3 m tårn, der indeholder et anemometer for vindhastighed og retning, en lufttemperatur- og relativfugtighedssensor, et pyranometer til solstråling og et National Electrical Manufacturers Association (NEMA) vejrbestandigt og vandtæt kabinet (NEMA-rating 4). NEMA-kabinettet huser datakontrolplatformen (DCP), mobilmodem, solpanelopladningsregulator, batteri og anden relateret hardware (se materialetabel; Systemkomponenter). Tårnet giver også en platform til kommunikationsantennen, solpanelet og lynstangen. En flydende nedbør (PPT) gage er også typisk inkluderet, som skal placeres væk fra tårnet og i den lavest mulige højde for at reducere vindeffekter på PPT-fangst. SWC-sensorerne skal installeres i tilstrækkelig afstand (3-4 m) og opad, så der ikke er nogen potentiel interferens fra tårnet på hverken nedbør eller landstrøm. Eventuelle tilhørende kabler skal nedgraves i ledninger mindst 5 cm under overfladen.

Figur 1: En typisk overvågningsstation. USDA SCAN indsamler timeinformation om jordens vandindhold og temperatur ved standarddybder (5, 10, 20, 50 og 100 cm), lufttemperatur, relativ luftfugtighed, solstråling, vindhastighed og retning, nedbør og barometrisk tryk. Der er over 200 SCAN-steder i hele USA. Forkortelser: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = National Electrical Manufacturers' Association. Klik her for at se en større version af denne figur.

Måledybde, orientering og antal sensorer
På stedet SWC-sensorer installeres typisk vandret for at repræsentere specifikke dybder i jorden (figur 2). Føderalt finansierede, nationale netværk såsom Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 og U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 måler SWC ved 5, 10, 20, 50 og ¹⁰⁰ cm. Disse dybder blev nået ved konsensus under udviklingen af SCAN af forskellige årsager. Dybden på 5 cm svarer til teledetektionsfunktioner¹⁷; 10 og 20 cm dybder er historiske målinger for jordtemperatur¹⁸; 50 og 100 cm dybder fuldender rodzone jord, vandopbevaring.

Sonder kan orienteres lodret, vandret eller skråt/vinkles (figur 3). Horisontal installation er mest almindelig for at opnå en ensartet jordtemperaturmåling på en diskret dybde. Mens sensoren kan være centreret i en diskret dybde, er SWC-måling et volumen omkring tænderne (dvs. elektroderne), som kan variere med fugtighedsniveauer, målefrekvens og installationens geometri (vandret, lodret eller vinklet). Ved vandret installation integrerer sensorvolumenet fugt over og under dybden, og 95% af sensorvolumenet er typisk inden for 3 cm fra tænderne¹⁹. Lodrette eller vinklede installationer integrerer SWC langs tænderne, så lodret installation kan repræsentere lageret i hele sensordybdens længde²⁰. Nogle sensorer måler ikke jævnt langs deres tænder. For eksempel er transmissionslinjeoscillatorer mere følsomme over for fugt nær sondehovedet, hvor de elektromagnetiske impulser genereres²¹. Lodrette installationer er mere velegnede til dybere sonder, hvor temperatur- og fugtgradienter har tendens til at blive reduceret.

Figur 2: Installation af in situ SWC-sensorer. Vandret sensorplacering på valgte dybder ved hjælp af (A,B) en referencejig med nuldybde og (C) et nuldybdebræt eller (D) et skovlhåndtag med nuldybde som reference. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 3: Sondernes orientering lodret, vandret eller skråt . (A) Skrå og lodret indsættelse og (B) vandret-lodret indsættelse og vandret-vandret indsættelsescenterdybde for en trefarvet SWC-sensor. Forkortelse: SWC = jordens vandindhold. Klik her for at se en større version af denne figur.

Installation til dybder mindre end 50 cm er relativt intuitiv, mens dybere sensorer kræver lidt mere indsats. Rodzone SWC eller profil jordvandsopbevaring kræver typisk målinger til 1 eller 2 m. Som illustreret i denne protokol afsluttes 0-50 cm installationer i en udgravet grube eller sneglehul med sonder installeret vandret i den uforstyrrede jord, hvilket minimerer overfladeforstyrrelsen. For dybere sensorer (f.eks. 100 cm) installerer både SCAN og USCRN sensoren lodret i separate, håndsneglede huller ved hjælp af en forlængerstang (figur 4).

I betragtning af SWC's heterogenitet, især nær overfladen, og sensorernes små målevolumener giver tredobbelte målinger mulighed for en bedre statistisk repræsentation af SWC. En profil af in situ-sensorer er dog typisk for de fleste netværk (f.eks. SCAN og SNOTEL). USCRN bruger tre profiler med en afstand på 3-4 m fra hinanden til at foretage tredobbelte målinger ved hver dybde¹⁶. Desuden tilføjer redundans i måling robusthed og kontinuitet til stationsposten, hvis der er økonomiske ressourcer til rådighed.

Figur 4: Installation af sensorer. (A) Lavvandede sensorer installeres typisk vandret i sidevæggen i en udgravet jordgrav. For dybere sensorer bruges (B) en håndsnegl til at grave et hul til dybde ved hjælp af en nuldybdereference (f.eks. Træ, der spænder over grøften), og sensorerne skubbes lodret ind i bunden af huller ved hjælp af (C) en sektion af PVC-rør, der er modificeret for at sikre sensoren og kablet under installationen eller (D) et installationsværktøj. Jordlag noteres som muldjord (A-horisont) og undergrundshorisonter med translokeret ler (Bt) og karbonatakkumulering (Bk). Klik her for at se en større version af denne figur.

In situ SWC-sensortype
Kommercielt tilgængelige sensorer udleder SWC fra den målte respons på et elektromagnetisk signal, der udbredes langs tænder i direkte kontakt med jorden²². Nedgravede sensorer falder i fem klasser afhængigt af typen af elektromagnetisk signal, der udbredes, og metoden til måling af responsen: kapacitans, impedans, tidsdomænereflektometri, tidsdomænetransmissometri og transmissionslinjesvingning (supplerende tabel S1 med links til hver producents oplysninger). Disse teknologier har tendens til at gruppere efter driftsfrekvens og producent. Længere tænder integrerer et større volumen jord; De kan dog være vanskeligere at indsætte og er mere udsat for signaltab i jord med ler og højere elektrisk ledningsevne i bulk (BEC). Producenter rapporterer SWC-målefejl på 0,02-0,03 m 3 ^m-3, mens brugerne typisk finder disse betydeligt større²³. Korrekt kalibrering og standardisering af elektromagnetiske sensorer forbedrer ydeevnen²²; Disse jordspecifikke kalibreringer ligger imidlertid uden for denne protokols anvendelsesområde, som fokuserer på installation.

Valg af sensor skal tage højde for det ønskede output, målemetode, driftsfrekvens og kompatibilitet med andre målinger. Før 2010 var de fleste SWC-sensorer analoge og krævede, at DCP foretog målinger af differensspændinger, modstande eller pulstal, hvilket krævede dyrere komponenter og individuelle kanaler (eller multiplexere) for hver sensor. Nu giver seriel datagrænseflade ved 1.200 baud (SDI-12) kommunikationsprotokoller (http://www.sdi-12.org/) smarte sensorer mulighed for at implementere interne målealgoritmer og derefter overføre digitale data langs et enkelt kommunikationskabel. Hver sensor kan forbindes sammen i rækkefølge (dvs. en daisy chain) ved hjælp af en fælles ledning forbundet med håndtagsmøtrik eller terminalblokstik (figur 5), hvor hver sensor har en unik SDI-12-adresse (0-9, a-z og A-Z). Den fælles kommunikationsledning af SDI-12-sensorer danner et enkelt kredsløb sammen med en strøm- og jordledning. Multiplexere eller målinger ved DCP er ikke påkrævet; i stedet sender og modtager DCP'en simpelthen digitale kommandoer og tekstlinjer. Mange SDI-12 SWC-sensorer inkluderer også jordtemperatur, relativ permittivitet (ε) og BEC-målinger. Sådanne målinger er nyttige til sensordiagnostik og jordspecifik kalibrering. På dette tidspunkt har brugeren valgt et sted, bestemt sensortype, antal og dybder og opnået alle de nødvendige hardware- og feltværktøjer (materialetabel). Således kan de fortsætte til installationsprotokollen.

Figur 5: Ledningssplejsningsstik og klemmeblokke, der bruges til at forbinde almindelige strøm-, jord- og kommunikationsledninger til en enkelt indgang på dataindsamlingsplatformen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Protocol

1. Forberedelse af sensorer til forudinstallation

1. Kontroller SDI-12-adressen. Sensorer er indstillet til en standardadresse af producenten. Tilslut hver sensor separat til en datakontrolplatform (DCP) ved hjælp af ?! kommando til at forespørge sensorens adresse.
   BEMÆRK: Hver sensor på en fælles datalinje skal have en unik adresse (f.eks. 0-9). Se sensormanualen for SDI-12, der adresserer og ændrer en sensors værdi, hvis det er nødvendigt.
2. Tag en måling (f.eks. "aM!", hvor a er adressen) i luft, tørt sand og nedsænket i vand.
   BEMÆRK: Luftmålinger skal læse 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), legesand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) og vand ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
3. Optag disse værdier sammen med serienummeret og SDI-12-adressen på hver sensor i en laboratoriebog. Brug en markør til at mærke sensorhovedet og kabelenden med adressenummeret.
4. Tjek DCP-programmet. Nogle DCP'er er plug-and-play, men de fleste kræver et program til at foretage målinger og registrere data. Opsæt SWC-sensorerne og eventuelle hjælpesensorer i laboratoriet, og tilslut dem alle til DCP'en og batteriet. Lad SWC-sensorerne hænge i luften, indsættes i tørt legesand eller nedsænkes i vand, og sørg for, at tænderne ikke rører hinanden.
   BEMÆRK: Luftmålinger skal læse 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), legesand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) og vand ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
5. Lad systemet køre natten over eller længere. Kontroller, at dataene registreres med de relevante hastigheder, og at værdierne (f.eks. det rigtige antal kolonner, betydende cifre) er passende.
6. Kontroller også eventuelle ekstra SWC-sensorudgange (f.eks. temperatur og BEC). Lad systemet køre i mindst 1 dag. Kontroller, at datatabellerne er korrekte.
   BEMÆRK: Nogle DCP'er er plug-and-play, men de fleste kræver et program til at foretage målinger og registrere data.

2. Bestem feltlayoutet

1. Før du begynder at grave, skal du ringe til 811 (USA og Canada) mindst 2 dage før udgravning for at kontrollere tilstedeværelsen af underjordisk infrastruktur (f.eks. Elektriske ledninger, vandforsyning, gasrør). Manglende sikring af sådanne godkendelser kan føre til betydelige sanktioner og ansvar.
2. Kontroller jordkortenheden på grubeplaceringen. Brug USDA SoilWeb-appen, der er tilgængelig til iOS- og Android-smartphones, til at forespørge placeringen. Grav et testhul ved hjælp af en håndsnegl med en diameter på 5-10 cm for at kontrollere, at feltteksturen er i overensstemmelse med beskrivelsen af kortenheden. Kontroller, om der er problemer såsom hårde lag (f.eks. Plovpander, caliche eller argilliske horisonter) eller lag med høje stenfragmenter; Begge tilfælde kan gøre sondeindsættelse vanskelig eller endda umulig.
3. Bestem den bedste placering for sensorerne. Hver sensor installeres i den lodrette overflade af en uforstyrret jord.
   BEMÆRK: Hvis der findes en hældning, skal brydningsfronten være opadgående for at minimere præferencestrømning, der forekommer gennem forstyrret jord og langs kabelgrave.
4. Brug en lille (1 m²) plade krydsfiner eller en presenning til at beskytte jordoverfladen og forhindre markarbejdere i at fræse rundt på den uforstyrrede jord.
5. Bestem placeringen af instrumentmasten. Sørg for, at sensorerne er passende langt væk fra masten for at minimere fodtrafik og eventuelle påvirkninger fra tårnet.
   BEMÆRK: Lager 5 m kabler er generelt tilstrækkelige til de fleste installationer.
   1. Brug den kortest mulige kabellængde for at minimere overfladeforstyrrelser og risikoen for brud.
      BEMÆRK: Hvis instrumentmasten allerede er på plads på et eksisterende sted, kan det være nødvendigt med en længere ledning for at nå en repræsentativ jord; alternativt kan trådløse teknologier overvejes (se "Yderligere tanker om valg af sted").
   2. Sørg for, at den samlede afstand til instrumentstativet er 80% -90% af kabellængden for at tage højde for ekstra kabel, der er nødvendigt for at føre fra installationsdybden, gennem ledningen og op i kabinettet.
      BEMÆRK: Ledningsstyring kan være akavet, når mange SWC-sensorer kommer til et centralt punkt.
   3. Tyndere kabler kræver nedgravning i PVC-ledninger, mens mere stive, tykke kabler kan nedgraves direkte. For begge skal du grave en grøft, der er >10 cm dyb og 10-15 cm bred.
   4. Sørg for, at kabinettet har et indgangspunkt til eventuelle overjordiske sensorer og en rørport til underjordiske sensorer (figur 5). Monter kabinettet i en behagelig højde (1 m) til ledninger.
   5. Anbefaling: Fjern en sensor. Læg sensorhovedet ved pitfladen, og placer det i forhold til kabelenden ved instrumentstativet. Kontroller, at kabellængden er korrekt, og juster efter behov.

3. Udgravning af jordgraven

OBS: Jordgraven kan udgraves manuelt eller mekanisk. Målet er at minimere den samlede forstyrrelse af stedet.

1. Til den håndgravede grav lægges en anden større presenning (2 m²) ved siden af udgravningsområdet. Brug en smal spade (f.eks. Skarpskytte) til at udgrave et rektangulært hul til en dybde på ~ 55 cm. Sørg for, at grubefladen, der i øjeblikket er beskyttet af krydsfiner eller presenning (trin 2.4), er lodret (eller let skåret ned), så hver sensor har uforstyrret jord over den. Sørg også for, at gruben er 20-40 cm bred og ~25% længere end den samlede sensorlængde. Begynd at fjerne jord i trin på 10 cm og placer hvert løft på den fjerneste ende af presenningen, og bevæg dig tættere på med hvert trin; Bryd eventuelle klumper op og fjern store sten.
   BEMÆRK: Sørg for, at udgravningsområdet er så lille som muligt og giver plads nok til at indsætte den dybeste vandrette sonde.
2. Til den hydrauliske stolpehulsnegl skal du bruge en bred diameter (>30 cm) og en 1 m lang, trailermonteret snegl.
   BEMÆRK: To- eller en-personers hegnspædsnegle kan være farlige.
   1. Sæt sneglen ~ 5 cm tilbage fra den tilsigtede pitflade.
   2. Bor ned indtil >50 cm, hæv sneglen lejlighedsvis for at udvise jord.
   3. Brug en smal spade til at skabe en flad og lodret pitflade.
   4. Brug en spade eller en håndmurske til at flytte jord fra gruben til presenningen.
      BEMÆRK: Den udgravede jord vil være godt blandet; Der er ingen måde at undgå dette på.
3. Lav en mekanisk gravet grøft ved hjælp af tungt udstyr.
   BEMÆRK: Medmindre vandret installation under 100 cm er nødvendig, tilskyndes der ikke til stort graveudstyr. Håndtering af ødelæggelsesbunken (dvs. udgravet jord) kan være udfordrende, og sporene og stabilisatorerne på rendegraveren forårsager betydelig forstyrrelse.
   1. Brug en let rendegraver med en smal skovl, ideelt mindre end 50 cm, til at grave en lignende smal rende til en dybde på 100 eller 200 cm.
      BEMÆRK: Undgå at flytte rendegraveren for at minimere overfladepåvirkningen.
   2. Begynd at fjerne jorden i trin på 10 cm og placer hvert løft på den fjerneste ende af presenningen, og bevæg dig tættere på med hvert trin. Sørg for, at udgravningsområdet er så lille som muligt og i en dybde på ~ 55 cm, hvilket giver plads nok til at indsætte den dybeste vandrette sonde.
4. Til sensorkabelgraven skal du grave en grøft fra bagsiden af jordgraven til instrumenttårnet. Brug en grøftskovl assisteret af en hakke mattock eller Pulaski i hårde sektioner. Udgrav en lige, smal (~ 10 cm), >10 cm dyb grøft, der lægger jorden på den ene side af grøften.

4. Montering/opstilling af instrumentstativ og kabinet

BEMÆRK: Instrumentstativet har tre muligheder: en simpel stang, et stativ eller et tårn. For en grundlæggende jordfugtighedsstation med en PPT-gage er en galvaniseret stålstang eller instrumentstativ i rustfrit stål (120 cm høj) med ben tilstrækkelig. Til grundlæggende meteorologiske målinger er der brug for en højere mast for at installere sensorer på 2 m. De fleste mesonetter foretrækker 10 m høje tårne; Sådanne tårne er imidlertid uden for denne protokols anvendelsesområde.

1. Brug en galvaniseret stålstang.
   BEMÆRK: Et vandrør i galvaniseret stål med en diameter på 4 cm, ~ 3 m langt, er den mest økonomiske metode.
   1. Håndsnegl et lille hul til mindst 60 cm dybde. Placer stangen i hullet. Sørg for, at stanghøjden er tilstrækkelig over jorden til at holde kabinettet, solpanelet og eventuelle nødvendige antenner.
      BEMÆRK: En højde på <2 m anbefales.
   2. Bland hurtighærdet beton eller hegnstolpeskum i henhold til instruktionerne.
      BEMÆRK: Beton er ikke tilladt på nogle føderale lande, og nogle private grundejere kan gøre indsigelse. Skumalternativer til hegnspæleinstallationer er et godt alternativ og kræver ikke vand.
   3. Hæld begge materialer rundt om stangen, og sørg for, at den er plan ved hjælp af et torpedoniveau. Lad betonen hærde i flere timer (ideelt natten over) og fastgør stangen med seler for at sikre, at den forbliver plan. Selvom skum hærder på 30 minutter, skal du sørge for at holde røret på plads i mindst 2 minutter, så det forbliver lodret.
2. Instrumentstativ eller stativ (se producentens anvisninger)
   1. Løsn eller løsn hvert af de tre stativben.
   2. Drej eller stræk hvert ben og position over enden af den udgravede grøft.
   3. Sæt instrumentmasten i benene og stram den.
   4. Juster længden på hvert ben for at sikre, at masten er lodret.
   5. Stik hvert ben i jorden og kontroller masten igen med et torpedoniveau.
3. Brug U-bolte til at montere kabinettet på instrumentstativet på 1-1,5 m. Stram boltene i hånden for at fastgøre dem; Dens endelige højde og stramning vil ske senere.
   BEMÆRK: Det anbefales at montere på den nordlige side af stangen for at undgå at ramme hovedet på solpanelet senere.

5. Jordkarakterisering og prøveindsamling

BEMÆRK: Visuel karakterisering af jorden er afgørende for fortolkning af jordfugtighedsdynamik efter installation. Prøveindsamling kan hjælpe fortolkningen med kvantitative data. Indsaml prøver, selvom finansiering ikke er tilgængelig, eller interne faciliteter ikke er i stand til at behandle dem. Lufttør og arkiver dem, hvis der er behov for jordkarakterisering i fremtiden.

1. For grundlæggende jordbeskrivelse skal du bemærke dybden af eventuelle åbenlyse ændringer i jordfarve eller tekstur (horisonter).
   BEMÆRK: National Soil Survey Center giver et glimrende overblik over jordprofilbeskrivelser og fortolkninger²⁴. Hvis placeringen ikke er ideel, er det nu tid til at flytte.
2. Til grundlæggende jordkarakterisering indsamles repræsentative jordprøver i en 1 liter (1 L) frysepose ved hver sensordybde efter proceduren i Lawrence et ^al.25.
   1. Når du vender tilbage til kontoret eller laboratoriet, skal du lægge alle poser på 1 liter på disken, åbne og lade dem lufttørre i mindst 48 timer.
      BEMÆRK: Lufttørring fjerner det meste af jordens fugtighed, samtidig med at de organiske og kemiske egenskaber bevares til fremtidige analyser.
   2. Indsend prøverne enten til et universitetsudvidelseslaboratorium (f.eks. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) eller et kommercielt laboratorium (f.eks. http://www.al-labs-west.com/) til yderligere analyser. Alternativt kan du køre prøven internt af uddannede teknikere ved hjælp af accepterede metoder, der er angivet nedenfor.
   3. Udfør grundlæggende laboratorieanalyser, herunder fysiske jordparametre såsom partikelstørrelsesfordeling²⁶, stenfraktion (RF; vægtprocent større end 2 mm), jordfraktion (SF; procentdel mindre end 2 mm) og tekstur (sand-, silt- og lerprocenter). Kontroller de grundlæggende kemiske parametre, herunder mættet pasta, elektrisk ledningsevne (dS ^m-1)²⁷ og organisk stof²⁸.
   4. Anbefalet: Udfør volumetrisk jordkerneprøvetagning i 5, 10, 20 og 50 cm dybde ved hjælp af en kernekerne til at indsamle en uforstyrret, volumetrisk prøve. Bestem jordens massefylde (BD; g ^cm-3) ud fra den samlede tørjordsvægt og kernevolumen²⁹. Jordens porøsitet (φ; [-]) er SWC's fysiske øvre grænse. For mineraljord estimeres φ som 1 - BD / PD, hvor partikeldensiteten (PD) for overvejende kvarts mineraljord er 2,65 g ^cm-3.
      BEMÆRK: Prøver til BD indsamles enten i en kerne af kendt volumen eller ved hjælp af jordpeds²⁹.

6. Vandret indsættelse af 5, 10, 20 og 50 cm sonderne

BEMÆRK: Målet er at sikre fuldstændig jordkontakt omkring sensortænderne og undgå luftspalter.

1. Klip forsigtigt eventuelle lynlåsbånd af, rul hver sensor ud, fjern eventuel spole i kablerne. Placer sensorhovedet nær jordgraven og kablet i grøften.
2. Installationsdybde defineres som sensorens centrum, når den installeres vandret, uanset om sensorens overflade er rund eller rektangulær. Installer sensoren i den præcise dybde under jordoverfladen og så vandret ned i jorden som muligt. Brug en dybdereference og en måleenhed (målebånd eller lineal) til nøjagtig sensordybde (figur 2) og en afstandsstykke til at opretholde tandafstand under indsættelse (figur 2C).
3. Indsæt først 50 cm sensoren. Skub sensoren vandret ned i jorden, og prøv ikke at vrikke sensoren, da dette kan skabe huller. Da 50 cm sonden ofte er den sværeste, skal du bruge en jordingsstang til at give mere gearing til at skubbe sensoren ind, og pas på ikke at bryde epoxyhovedet eller adskille tænderne. Gentag indføringsprocessen, og arbejd opad til sensordybderne på 20, 10 og 5 cm. Forskyde (figur 2D) eller stable (figur 2B) sensorerne.
   BEMÆRK: Måletimingen i SDI-12-protokoller forhindrer generelt sensorer i at aflæse samtidigt og generere interferens mellem tilstødende sensorer (f.eks. 5 og 10 cm dybder).
4. Vend hvert sensorkabel til den samme side af grubefladen, så de kan hænge i bunden af udgravningsgraven. Tag et billede af det udgravede hul og sensorer med et målebånd til skala (figur 6A). Brug en GPS til at bestemme breddegrad og længdegrad inden for få meter fra gruben. Hvis du udgraver flere steder på en dag, skal du bruge et plakat med en unik identifikator til at skelne mellem gruberne.

Figur 6: Eksempler på fotografier til metadata . (A) Den instrumenterede jordgrav med målebånd til skala, (B) kabelrenden udgravet tilbage til instrumentmasten og endelige stedfotos mod (C) nord og (D) syd. Klik her for at se en større version af denne figur.

7. Lodret indsættelse af 100 cm sonden

1. For sensorinstallationer på dybder større end 50 cm skal der skrues et separat hul for hver sensor i eller nær kabelgraven (figur 4A).
2. Brug en håndsnegl (5-10 cm i diameter) til at grave til den eller de relevante installationsdybder. Dybden defineres som målecentret (f.eks. 50 cm) minus halvdelen af tandlængden i forhold til nuldybdereferencen (figur 4B).
3. Arranger den udgravede jord på en presenning i den rækkefølge, den blev fjernet.
4. Sensoren installeres lodret ved at skubbe den ind i bunden af hullet ved hjælp af et installationsværktøj (figur 4C,4D). Pak sneglehullet med den udgravede jord fra den dybeste til den laveste. Udskift jorden i små elevatorer, pakk den tilstrækkeligt til at forhindre jordbro i hullet og dannelse af hulrum.
   BEMÆRK: Pakkeværktøj kan være et stykke PVC eller trædyvler. Undgå beskadigelse af sensorhovedet eller kablet.

8. Afslutning af sensorinstallation og ledninger til DCP

1. Hvis sensorkablerne er direkte nedgravet, skal du sikre dig, at de overjordiske ender, der løber ind i kabinettet, er i PVC-ledning ved hjælp af et skotstik til at komme ind i kabinettet (figur 5).
   BEMÆRK: Hvis du bruger en separat regnmåler (trin 9.1), skal du sørge for at medtage dette kabel, når du fører det ind i kabinettet.
2. Hvis du bruger ledning, skal du lægge den ud i kabelgraven og skære til den ønskede længde. Før kablet gennem ledningen - dette kan kræve en træksnor eller fisketape for at trække kablerne igennem. Brug fleksibel ledning eller en 90° fejelbue plus en længde lodret ledning til at føre kablerne fra til en rørport til bunden af kabinettet.
3. Læg kablet eller kablet/ledningen i bunden af kabelrenden. Træk kabelenderne gennem den nederste kabinetport, og fastgør dem med lynlås. Hvis der er overskydende kabel i kabinettet, skal du trække det tilbage gennem ledningen og spolen i bunden af udgravningsgraven.
4. Tag et billede af installationsgraven og grøften med kabler, der fører tilbage til kabinettet (figur 6B).
5. Til jordfugtighedssensorledninger skal du bruge en fælles effekt (5-12 volt) og jordledning til hver SDI-12-sensor. Brug håndtagsstik, splejsningsstik eller klemmeblokke (figur 5) for at gøre disse forbindelser nemmere og mere sikre. Hvis du bruger mere end én type sensor, skal du bruge en anden kommunikationsport på DCP'en, hvis den er tilgængelig.
   BEMÆRK: En defekt SDI-12-sensor kan afbryde andre sensorer i en serie.

9. Hjælpesensorer og hardwareopsætning

1. Udfældning (PPT) gage
   BEMÆRK: For at forbedre fangsten skal regnmålere installeres på en separat lodret mast så tæt på jordoverfladen som muligt. Installation af gage højere på tværarmbeslaget kan reducere fangsten på grund af større vindhastigheder.
   1. Bestem placeringen. Installer regnmåleren så lavt som muligt over bunddækket (~ 1 m) og i en afstand, der er dobbelt så høj som enhver nærliggende forhindring³⁰. Den ideelle beliggenhed er tæt på kabelgraven.
      BEMÆRK: Regnmålerkablet vil blive begravet sammen med sensorkablerne, inden det kommer ind i bunden af kabinettet.
   2. Installer en lodret mast. Brug en håndsnegl til at udgrave et hul til ~ 50 cm dybde. Anbring en sektion af galvaniseret stålrør af tilstrækkelig længde i cement eller skum (se trin 4.1).
   3. Efter hærdning skal du installere måleren ved hjælp af slangeklemmer eller en fladmonteret base i henhold til sensorinstruktionerne. Sørg for, at gage er perfekt plan.
      BEMÆRK: De fleste gages har et indbygget bobleniveau.
   4. Kør kabler mellem regngage og kabinet i den underjordiske ledning med jordfugtighedskablerne.
   5. For en tipping gage, ledning de to ledninger til en pulstælling kanal på DCP.
      BEMÆRK: Ledningerne kan gå i begge sider.
   6. Sørg for at fjerne toppen og kontroller, at vippemekanismen bevæger sig frit. Skovlene er ofte sikret under forsendelse med elastikker.
      BEMÆRK: Regnmålere kræver rutinemæssig rengøring og kalibrering. Hvis regnmåleren monteres direkte på instrumentstativet eller tværarmen, skal du følge trin 9.2.
2. Andre sensorer
   1. Der anbringes supplerende målinger og eventuelle antenner på den lodrette mast eller tværarmbeslagene i en passende højde over jorden^10,30.
   2. Ruten fører ind i indgangen til kabinettet over jorden og sikrer om nødvendigt med kabelbindere. Tilslut til de relevante målekanaler på DCP'en.
3. Jordforbindelse stang
   1. Installer en >1 m lang kobberjordstang 0,5 m fra instrumentmasten. Brug en hegnspældriver til at indsætte stangen i jorden, så ~ 20 cm er udsat.
   2. Fastgør tung (8-10) gage kobbertråd til stangen ved hjælp af en jordklemme. Fastgør den anden ende af kabinettet eller stativet.
      BEMÆRK: Jordforbindelse er muligvis ikke tilrådeligt i alle situationer.
4. Tilslut batteriet.
   BEMÆRK: De fleste DCP'er har brug for 5-24 volt (V), selvom 12 V er mest almindelig, og 7 eller 12 ampere timer (AH) er tilstrækkelig til at drive de fleste jordfugtighedsstationer. En 12V 12AH batteripakke og spændingsregulator bruges her.
   1. Sørg for, at opladningsregulatoren er i slukket position. Brug et multimeter indstillet til DC til jævnstrømsspænding til at kontrollere, at spændingen på batteriet er tilstrækkelig (>10V for et 12V batteri) og identificer + og - terminalerne, hvis de ikke er markeret.
   2. Skub terminalstikket på den sorte (-) ledning over spadeterminalen på batteriets jordstolpe (-) og den røde ledning over + batteristolpen. Sæt den anden ende af de røde/sorte ledninger i BAT-porten på spændingsregulatoren.
5. Solpanel
   BEMÆRK: Et 10 eller 20 watt panel er typisk tilstrækkeligt. Øget wattforbrug er nødvendig på højere breddegrader, mere skyggefulde områder eller på systemer med et højt strømforbrug (f.eks. Mobilmodemer, kameraer). Panelet skal orienteres til at modtage maksimal indfaldende solstråling i løbet af 1 år.
   1. Sæt elektrisk tape separat omkring hver ledning på solpanelet.
      BEMÆRK: Disse ledninger vil bære strøm, hvis panelet udsættes for sollys.
   2. Brug U-bolte til at montere solpanelet over kabinettet og på siden af instrumentstativet mod ækvator (f.eks. Syd i USA). Brug den passende vinkel til stedets breddegrad, typisk 25° til 35° i det sammenhængende USA.
   3. Før kablet ind i det overjordiske kabinets indgangspunkt. Fjern båndet fra panelledningerne. Brug et multimeter indstillet til A for strømstyrke, og kontroller, at solpanelets output er >0,1 A .
   4. Brug et multimeter indstillet til DC til jævnstrømsspænding til at kontrollere, at solpanelets output er >10V, og identificer + (normalt røde) og - (normalt sorte) ledninger, hvis de ikke er markeret. Tilslut - ledningen fra solpanelet til G (jord) porten, derefter + ledningen fra SOLAR-porten på opladningsregulatoren.
      BEMÆRK: Dæk solpanelet med en presenning eller noget uigennemsigtigt for at minimere gnister.
   5. Kontroller, at CHG - eller opladningsindikatoren nu lyser.
6. Datakommunikation på afstand
   BEMÆRK: Cellulær datatelemetri giver mulighed for at sende og sende data fra DCP. Smartphone-apps, såsom OpenSignal, kan måle signalstyrken og kursen mod nærmeste mobilmast. Omni-direktionelle, multi-band antenner foretrækkes; dog kan en retningsbestemt antenne (Yagi) forbedre signalet i mere fjerntliggende områder.
   1. Fastgør antennen til toppen af instrumentmasten ved hjælp af medfølgende U-bolte.
   2. Tilslut koaksialkablet til antennen, og før den anden ende ind i kabinettet gennem sensorledningen over jorden. Fastgør kablet med lynlås.
   3. Tilslut den anden ende til mobilmodemet i kabinettet.
7. Tænding af systemet
   BEMÆRK: På dette tidspunkt antages det, at DCP-programmet er skrevet, og alle sensorer er kablet på en passende måde. Solpanelet og det genopladelige batteri er forbundet til en spændingsregulator med en rød / sort strømledning tilsluttet DCP-strømportene.
   1. Tænd for kontakten på spændingsregulatoren. Start DCP-softwaren, og tilslut en bærbar computer til DCP'en. Bekræft, at alle sensorer rapporterer værdier og ikke ikke-et-tal (NaN) eller en fejlværdi.
   2. Kontroller hver jordsensor for SWC-, BEC- og T-værdier. Sørg for, at SWC-værdierne er >0,05 m 3/m 3 og <0,60 m 3/m ³. Kontroller enhver sensor uden for rækkevidde; Indsæt eller udskift enhver sensor, der er tvivlsom. Hæld lidt vand gennem regnmåleren, og kontroller, at DCP'en registrerer tællinger.
      BEMÆRK: Lave BEC-værdier (<0,001) kan indikere dårlig sensorkontakt (eller meget tør jord). Ved installation i varmere årstider er T generelt varmeste øverst og køligst nederst.
   3. Kontroller cellulær kommunikationsstyrke. Følg producentens dokumentation for at bestemme signalstyrken.
      BEMÆRK: Signalstyrken skal være > -100 dBm for at sikre anstændig signalkvalitet. Retningsantenner kan drejes for muligvis at forbedre signalet. Der findes mange andre kommunikationsmuligheder ud over mobilnetværk (f.eks. Satellit).

10.Site færdiggørelse

1. Når alt under jorden fungerer, og kablerne eller kablerne i ledningen alle er i grøften og ført ind i kabinettet, skal du fylde og forsegle åbningerne i de over- og underjordiske kabinetindgange med elektrisk kitt for at beskytte mod fugt og holde insekter ude af kabinettet.
2. Afgræns den udvendige omkreds af sensorplaceringer på overfladen med permanente indsatser med lyse markeringer.
3. Fyld det udgravede område op igen med jorden på presenningen og i omvendt rækkefølge af fjernelsen (trin 3.1) (dybeste til laveste). Start med at pakke jorden i hånden mod grøftfladen og rundt om sensorhovedet ved 50 cm, og sørg for at undgå at forstyrre sensoren. Understøt sensorhovedet, mens du pakker jord omkring det, så sensortænderne ikke bevæger sig.
4. Sørg for, at alle de resterende sensorkabler stadig er placeret nær bunden af grøften; Dæk dem derefter forsigtigt med dybere jord fra presenningen. Komprimer jorden i bunden af gruben for at fastgøre kablerne, og pas på ikke at trække dem nedad med nogen kraft. Brug tilstrækkelig kraft under komprimering for at sikre tilsvarende bulkdensitet af det fjernede materiale.
   BEMÆRK: Vådere jord under installationen kan let overkomprimeres, mens tørre jordarter kan forblive løse uanset kraft.
5. Fyld brønden tilbage i 10 cm elevatorer, udjævn og komprimer overfladen, indtil sensoren på 20 cm er nået. Igen skal du forsigtigt håndpakke jorden under og omkring sensoren, før du vender tilbage til genopfyldning af endnu et 10 cm løft af jord.
6. Til sidst skal du håndpakke jorden omkring 10 cm sensoren og derefter 5 cm sensoren, så begge forbliver vandrette og på plads. Fyld resten af jordgraven med øvre jord fra presenningen.
   BEMÆRK: Al den fjernede jord skal gå tilbage i gruben. Resterende jord indikerer, at jorden ikke blev pakket til den oprindelige bulkdensitet.
7. Brug grøftskovlen til at skubbe den udgravede jord ved siden af grøften over ledningen. Sørg for, at alt er begravet helt og under 5 cm.
8. Brug en stålrive til at udjævne den ompakkede jord i gruben og grøft flugte med den oprindelige overflade. Kompakt jord i rørgraven tilstrækkeligt til at minimere enhver præferencestrøm til installationsstedet.
9. Valgfrit: Drys lidt kiselgurjord omkring enhver åbning under overfladen og på overfladen for at afskrække myrer, snegle og andre insekter.
10. Anbefalet: Brug en bærbar SWC-sensor til at foretage aflæsninger af overfladejorden omkring in situ-sensorerne for at hjælpe dataverifikation over tid og eventuelle skaleringsbehov. Foretag aflæsninger i kardinalretninger (nord, syd, øst og vest) i ensartede afstande væk (f.eks. 5, 10, 25 og 50 m).

11. Optag stationens metadata, dataene bag dataene²³

BEMÆRK: Dokumentmetadata ved installation og hvert besøg på stedet (se tabel 1). Konsistent metadatarapportering understøtter det voksende praksisfællesskab og er afgørende for at sikre data- og netværksintegritet.

1. Dokumentér installationsdetaljerne, herunder en unik stedidentifikator, installationsdato, sensorserienumre, tilsvarende SDI-12-adresser, indsættelsesretninger (vandret eller lodret) og dybder.
2. Beskriv jordprofilen og tag tilhørende fotos. Registrer prøveidentifikatorer for alle indsamlede jordprøver.
3. For stedets placering skal du registrere breddegrad og længdegrad, højde, hældning, aspekt, arealanvendelse og arealdække.
4. Notér grundejer- og kontaktoplysninger samt tilgængelighed på stedet, herunder port- eller låsekoder.
5. Brug Compass-appen på en smartphone (eller et rigtigt kompas) og et målebånd til at måle vinklen og afstanden til sensorgraven (og eventuelle sensorsneglehuller) fra to referencepunkter (f.eks. jordingsstang eller et stativben).
   BEMÆRK: Dette vil hjælpe med at triangulere deres positioner senere.
6. Tag billeder af den færdige station og retninger nord (figur 6C), syd (figur 6D), øst og vest fra instrumentmasten. Afgræns sensorinstallationsplacering med markering eller andre særskilte elementer.

Tabel 1: Stationmetadata til indsamling af jordfugtighedsdata. Forkortelser: dec. = faldende; GPS = globalt positioneringssystem; 3DEP = 3D-højdeprogram; O&M = drift og vedligeholdelse; SSURGO = geografisk database for jordbundsundersøgelser; Mukey = kort enhedsnøgle. Klik her for at downloade denne tabel.

12. Drift og vedligeholdelse

BEMÆRK: Der skal føjes en detaljeret vedligeholdelseslog til metadataposten, herunder udskiftning af sensor, vegetationssundhed eller ændringer eller enhver forstyrrelse af stedet.

1. Udfør rutinemæssige inspektioner på stedet mindst årligt (tabel 2). Registrer eventuelle sensorkalibreringer eller udskiftninger.
2. Sørg for regelmæssig vegetationsforvaltning, især for permanente stationer, så stedet ikke bliver tilgroet eller unormalt i forhold til det omkringliggende område.
3. Tilpasse dyreforvaltningen til det lokale dyreliv, herunder eventuelt hegn.
4. I tilfælde af sensorfejl skal du foretage et nødbesøg på stedet og installere et nyt (tabel 2).

Tabel 2: Eksempel på vedligeholdelsesplan. Forkortelse: DCP = datakontrolplatform. Klik her for at downloade denne tabel.

Representative Results

SCAN-netværket begyndte som et pilotprojekt for NRCS i 1991. Det er det længst fungerende SWC-dataindsamlingsnetværk¹⁵ og grundlaget for de repræsentative resultater i denne protokol. Alle SCAN steder begyndte oprindeligt med en analog kapacitanssensor. Feltinstallationsstedet (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland, der bruges i videokomponenten i denne protokol, overvåger (figur 7A) luft- og jordtemperatur hver time og (figur 7B) SWC hver time ved 5, 10, 20, 50 og 100 cm dybder. Daglig PPT, jordvandslagring (SWS) til 20 cm og dens ændring over tid (dSWS) er vist i figur 7C. For hver PPT-hændelse var der en kraftig stigning i SWC nær overfladen (5 og 10 cm) og en mere svækket og forsinket stigning på større dybder, da befugtningsfronten forplantede sig nedad under tyngdekraften. Under begivenheder i begyndelsen af februar og april 2022 nåede den dybeste sensor på 100 cm et plateau på 0,33 m 3/m³, hvilket blev opretholdt i flere dage. Sådanne forhold indikerer kort mætningsvarighed. Jordhorisontens tørmassefylde fra karakteriseringsdata (tabel 3) var 1,73 g/^cm3, med en estimeret porøsitet (φ) på 0,35 [-], hvilket giver yderligere bevis for, at porerummet var helt fyldt med vand. I betragtning af det sandede ler/lerholdige sand i jordprofilen blev mættede forhold sandsynligvis produceret af dårlig dræning eller et lavt vandspejl, der hæmmede dræning. Bemærk, at lufttemperaturen på dette sted falder til under frysepunktet de fleste aftener indtil april; jordtemperaturerne forblev imidlertid over 2 °C, og der var ingen tegn på frossent vand i SWC-dataene i nogen dybde.

Figur 7: Eksempler på resultater fra feltstationen (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland. (A) Luft- og jordtemperatur pr. time, (B) SWC pr. time og (C) daglig nedbør, opbevaring af jordvand til 20 cm og dens forskel over tid. Forkortelser: SWC = jordens vandindhold; PPT = nedbør; SWS = opbevaring af jordvand dSWS = forskelle i SWS over tid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Tabel 3: Lokalitetsdata og jordbundskarakterisering for dataeksempler præsenteret i de repræsentative resultater. Alle data præsenteret i figurer og tabeller blev hentet fra NRCS-onlinedatabasen på den URL, der er noteret for hvert websted. Jordkarakteriseringsdata var ikke tilgængelige for Table Mountain (#808). Forkortelser: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = ensartet ressource locator; c = ler; FSL = fin sandet ler; ls = lerholdigt sand; s = sand; sc = sandet ler; scl = sandet lerjord; si = silt; sil = siltet ler; sl = sandet ler; nd = ingen data; BD = massefylde 33 kPa. Klik her for at downloade denne tabel.

Et mere ekstremt eksempel på mætning er vist i figur 8 for en SCAN-placering (2110) nær Yazoo, Mississippi. Jordbunden har meget højt lerindhold (over 60%), lave bulktætheder fra 1,06 til 1,23 g /^cm3 og en φ fra 0,54 til 0,60 [-] (tabel 3). Den første PPT-hændelse på ~40 mm den 13. april 2020 mættede jorden til en SWC på >0,60 m³/^m3 i alle dybder i 12 på hinanden følgende dage - værdier meget tæt på den målte φ. En anden hændelse på 70 mm/dag den 20. april 2020 havde ingen effekt på dSWS, hvilket tyder på mætning-overskydende afstrømning. En lignende mætningsperiode var bemærkelsesværdig i november 2020. Mens der ikke var nogen måling ved 100 cm, forblev SWC ved 50 cm stabil på 0,39 m 3/m 3, undtagen i sensommeren, hvor den beskedent faldt til 0,36 m 3/m ³. Webstedsnoter (supplerende tabel S2) angiver, at den 'loam' sensorspecifikke kalibrering³¹ blev brugt, som det er tilfældet for kapacitanssensorer, der anvendes på de fleste SCAN- og USCRN-steder. Begge eksempler illustrerer betydningen af jordbundskarakterisering og BD-data, indsamlet under karakterisering af stedet (trin 5), for fortolkningen af SWC-data.

Figur 8: Eksempler på resultater fra et fugtigt, tempereret sted (SCAN 2110) i nærheden af Yazoo, Mississippi . (A) Luft- og jordtemperatur pr. time, (B) SWC pr. time og (C) daglig nedbør og ændring i opbevaring af jordvand. Forkortelser: SWC = jordens vandindhold; PPT = nedbør; SWS = opbevaring af jordvand dSWS = forskelle i SWS over tid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 9 viser en mere ligetil tidsserie af in situ SWC i fem dybder med fem befugtningshændelser, der resulterer i sekventiel udbredelse af befugtningsfronten nedad i jordprofilen. Dette SCAN-sted (2189) var beliggende nær San Luis Obispo, CA, i et middelhavsklima med en våd forår og en lang, tør sommer på en sandet lerjord med en φ fra 0,37 til 0,51 [-] (tabel 3). Reaktionen på befugtning af jordoverfladen var hurtig og faldt i størrelse med dybden. Den sidste store PPT-begivenhed over 5 dage var nok til at vise respons på 50 og 100 cm dybder. Efterhånden som dybden steg, faldt den daglige cyklus af jordtemperaturamplituden, og tiden for maksima og minima temperaturer lå længere bag lufttemperatur og lavere dybder (figur 9A). Selvom disse egenskaber kan være nyttige til at skelne mellem sensordybder, som diskuteret i næste afsnit, var der også en bemærkelsesværdig effekt på udsvingene i SWC ved 5 og 10 cm dybder. SWC-amplituden var ~ 0,02 m 3 / m 3 ved 5 cm, ~ 0,01 m 3 / m ³ ved 10 cm og mere ubetydelig i de dybere sensorer. Det var også i fase med jordtemperaturer, og støj blev mere sandsynligt induceret i sensoren af temperatursvingninger og usandsynligt at være resultatet af nogen fysisk bevægelse af jordfugtighed eller faktisk nedbør. Dette tørreanlæg (2189) har meget større daglige ændringer i jordtemperaturen end det mere mesiske feltinstallationssted (2049), som ikke viser nogen temperaturstøj i SWC-dataene (figur 7B).

Figur 9: Eksempler på resultater fra et halvtørt middelhavsområde (SCAN 2189) i nærheden af San Luis Obispo, Californien . (A) luft- og jordtemperatur pr. time, (B) SWC pr. time og (C) daglig nedbør og ændring i jordens vandopbevaring. Forkortelser: SWC = jordens vandindhold; PPT = nedbør; SWS = opbevaring af jordvand dSWS = forskelle i SWS over tid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 10 viser en af de mere udfordrende SWC-datafortolkninger, der findes med frossen jord og snedække. Dette websted (808) var placeret nær Boseman, MT, på 4.474 fod over havets overflade. Daglige lufttemperaturer oversteg lejlighedsvis frysende temperaturer om vinteren (december, januar og februar) i 2020. Jordtemperaturerne forblev lige over 0 °C indtil marts. Tilstedeværelsen af sne på overfladen ville isolere jorden fra lufttemperaturvariationer. I fugtig jord frigives latent varme og energiforbrug desuden ledsaget af faseovergangsprocesser i forbindelse med fryse-optøningscyklusser, bufferede jordtemperaturer, der holder dem meget tæt på 0 °C, indtil disse faseændringer var afsluttet. Den lille ε af is i frysende jord fremstår som dramatiske fald i SWC efterfulgt af stigninger under optøning uden nogen indikation af PPT. Dette var mest tydeligt i midten af december og midten af marts, da lufttemperaturerne hurtigt faldt, og SWC på 5 og 10 cm faldt i 3 dage og derefter steg igen. Jordtemperaturen på 100 cm nåede frysepunktet i midten af november og var på et lavt SWC det foregående efterår, hele vinteren, og ændrede sig ikke i løbet af forårets tø, hvilket tyder på, at det måske ikke fungerede. Imidlertid er de hurtige fald og genopretning i de andre sensorer måske eller måske ikke reelle ændringer i flydende jordvand; Fortolkning af sådanne data kan være ekstremt udfordrende uden supplerende målinger af snetilstedeværelse eller dybde. Ofte censureres SWC-data ved eller under frysepunktet i kvalitetskontrollen. Mere diskussion om jordtemperaturer nær frysepunktet præsenteres i afsnittet om kvalitetskontrol af dataposter.

Figur 10: Eksempler på resultater fra et halvtørt, alpint område (SCAN 808) beliggende nær Three Forks, Montana . (A) luft- og jordtemperatur pr. time, (B) SWC pr. time og (C) daglig nedbør og ændring i opbevaring af jordvand. Forkortelser: SWC = jordens vandindhold; PPT = nedbør; SWS = opbevaring af jordvand dSWS = forskelle i SWS over tid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Andre eksempler og karakteriseringsdata blev hentet fra SCAN-databasen (se tabel 3 for Uniform Resource Locator, [URL]). Rapportering og kvalitetskontrol af disse data har brug for en vis fortolkning for at afgøre, om der er en fysisk mekanisme til at forklare enhver uberegnelig adfærd. Vores fortolkning mangler lokal viden om stedet, og på trods af mange års evaluering af SWC-tidsserier kan det stadig være udfordrende at vurdere en god sensor eller installation fra en svigtende eller dårlig.

Figur 11 viser almindelige eksempler på problemdataposter, tilfældigt udvalgt fra 40 SCAN-stationer mellem 2020 og 2021. De mest almindelige fejl omfatter pigge (figur 11A) og trinændringer enten opad (figur 11B) eller nedad (figur 11C), som markeret af International Soil Moisture Network³². For hver af disse er der ingen samtidig PPT-begivenhed til at forklare sådanne ændringer, og de kan betragtes som fejlagtige. Problemet med øjeblikkelige pigge eller dips forværres, når man kun ser på daglige midler, som kan skjule sådanne begivenheder. Det er bedst at fjerne dem, før du foretager nogen gennemsnitlig beregning. Starten og slutningen af en trinændring kan være indlysende, men det er svært at udfylde data imellem. Vi nærmer os ikke dataudfyldning i denne protokol, men markerer kun fejlagtige data. Uregelmæssig adfærd (figur 11D) præsenterer sig selv som vilde udsving uden nogen reaktion på PPT-begivenheder. I nogle tilfælde kan pigge forsvinde efter ledningskontrol og udskiftning af multiplexor, som vist i figur 11A efter august 2020. Oftere er uberegnelig adfærd en optakt til en svigtende sensor, som vist i figur 11E. Sensoren på 10 cm dybde gav en rimelig advarsel om uberegnelig adfærd i januar og svigt i slutningen af marts. Sensoren i 5 cm dybde svigtede dog uden varsel den 1. marts 2021.

Figur 11: Eksempler på problemposter. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, der viser periodiske dyk ved 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, med en positiv trinændring ved 50 cm dybde, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, med en nedadgående trinændring, pigge og jævn genopretning i 50 cm dybde, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, der ikke viser nogen reaktion på nedbørshændelser ved 5 eller 10 cm sensoren, med en vis genopretning af 10 cm sensoren efterfulgt af den fremtrædende fejl i begge, og (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, med en glitching sensor på 20 cm og katastrofale fejl på både 5 og 20 cm dybder. Sensordybder er angivet som 5 cm (sort), 10 cm (blå), 20 cm (orange), 50 cm (mørkegrå) og 100 cm (gul). Forkortelser: SWC = jordens vandindhold; PPT = nedbør. Klik her for at se en større version af denne figur.

På SCAN 2084 begyndte webstedet at registrere data den 2/6/2004 og havde flere noter af uberegnelig adfærd relateret til SDI-12 multiplexere, som blev udskiftet flere gange (supplerende tabel S2). Sensorerne er dog originale og forbliver funktionelle efter 18 år. På SCAN 2015 begyndte dataindsamlingen den 25.10.1993, og 50 cm-sensoren i figur 11B blev betragtet som mistænkelig i 2017 (supplerende tabel S2). Det ældste sted, SCAN 808, begyndte at rapportere den 30/9/1986 og blev omdannet til en SCAN station den 25/10/2006; Det har ikke haft nogen sensorer udskiftet til dato. Uregelmæssigheder, som vist i figur 11E, resulterer ikke altid i fejl, da figur 10 har rimelige data. SCAN 2006 begyndte at rapportere den 10/1/1993; de originale 5 og 10 cm sensorer i figur 11D blev udskiftet den 24/1/2022. SCAN 2027 begyndte at rapportere den 19.5.1999; de originale 5 og 10 cm sensorer i figur 11E blev udskiftet den 13/8/2021. Som nævnt begyndte SCAN sites med en analog kapacitanssensor. Mange af disse sensorer har varet i over 20 år, og selvom de ikke nødvendigvis producerer data af højeste kvalitet hele vejen igennem, er de forblevet funktionelle. Bestemmelse af det punkt, hvor en sensor skal udskiftes, forbliver et åbent spørgsmål for praktikere. Lokalitetsmetadata og jordbundsegenskaber for lokaliteter i figur 11 findes i supplerende tabel S3.

Indberetning af data
Kontinuerlige in situ SWC-sensorer rapporterer tre til seks værdier pr. tidsregistreringsinterval. Sammen med eventuelle supplerende målinger genererer den langsigtede implementering af SWC-sensorer store mængder enhedsværdidata, der skal lagres og leveres. Miljømålinger foretages med diskrete prøvetagningsintervaller, der aggregeres over tid og rapporteres som dataposten. Prøveudtagningsfrekvensen for atmosfærisk måling varierer efter måling; Den er større til måling af vind- og solstråling (<10 s) og større til lufttemperatur og fugtighed (60 s)³⁰. Disse prøveværdier beregnes som gennemsnit eller akkumuleres over et rapporteringsinterval, der kan variere fra 5 min til 1 time. På samme måde kan SWC udtages øjeblikkeligt ved rapporteringsintervallet eller udtages prøver (f.eks. hvert 5. minut) og beregnes som gennemsnit i gennemsnit på 30 minutter eller 60 minutter, da dynamikken i SWC er relativt langsommere i sammenligning. Selvom gennemsnit fra hyppigere prøveudtagning kan reducere støj fra temperatursvingninger, elektrisk interferens og iboende sensorvariation, er det ikke tilrådeligt, fordi dataspidser kan skævvride middelværdien som diskuteret tidligere. De fleste SWC-dataposter kan nøjes med registrering hver time, men for regioner med dræningsforhold med højere hastighed (sandjord) og intensiv PPT (monsunforhold) optager nogle netværk med et tidsinterval på 20 minutter for fuldt ud at registrere nedbørshændelser. Endelig kan datatransmission eller telemetri begrænses af teknologien (f.eks. satellitsystemer) eller have omkostningsniveauer baseret på datastørrelse og -frekvens. Optimering af rapporteringsintervaller og telemetervariabler kan hjælpe med at kontrollere omkostningerne. For eksempel foretrækkes overførsel af råværdier (f.eks. ε eller tællinger) frem for afledte værdier (f.eks. SWC), der kan beregnes i efterbehandling. Dataopløsning kan også påvirke telemetripakkestørrelsen; Det er dog vigtigt at repræsentere SWC som enten en procentdel (0,0-100,0%) ved en opløsning på 0,1% eller som en decimal (0,00-1,00) ved en opløsning på 0,001 m 3 ^m-3. Decimalversionen i m 3 ^m-3 foretrækkes i høj grad for at undgå forveksling med procentvise ændringer i vandindholdet i senere analyser og rapportering og for at undgå forveksling med massebasisvandindhold (g/g), der også kan rapporteres som procent vandindhold. Jordtemperatur, ε og BEC rapporteres almindeligvis ved henholdsvis 0,1 ° C, 0,1 [-] og 0,1 dS ^m-1 opløsninger.

Kvalitetskontrol af dataposter
Kvalitetskontrolprocessen for dataposten verificerer dataene og dokumenterer deres kvalitet. Nøjagtige feltnoter og kalibreringslogfiler er afgørende for behandlingen af dataposten. De typiske trin i behandlingen af en post er en indledende evaluering, fjernelse af åbenlyse fejlagtige data, anvendelse af eventuelle beregninger eller korrektioner af afledt værdi og en endelig dataevaluering. SWC-registreringer består generelt af et signal (f.eks. ε, tællinger eller mV), jordtemperatur og BEC, der bruges i varierende grad til at udlede SWC. Sensorer kan også udsende en SWC, der er afledt af producenten. Ingen sensor måler dog SWC direkte; Denne beregning kan være en del af databeregningstrinnet, forudsat at en passende kalibreringsligning er tilgængelig og gjort til en del af metadataposten. En rekord kan være en øjeblikkelig måling eller et gennemsnit over en periode. Det er ønskeligt, at rådata opretholdes, således at de mest hensigtsmæssige formater kan beregnes til kvalitetskontrol, og forbedringer i kalibreringsligninger eller sensorforståelse kan anvendes på rådataene. Sensoregenskaber bør diktere, om øjeblikkelige værdier eller middelværdier for flere aflæsninger registreres, selvom øjeblikkelige værdier foretrækkes af tidligere angivne grunde.

Der er flere måder at inkorporere supplerende data (se dataverifikation nedenfor) i en kvalitetskontrolarbejdsgang. Nedbør er den første kontrol - "steg SWC efter en regnhændelse?" Der er situationer, hvor SWC kan øges uden PPT (f.eks. Snesmeltning, grundvandsudledning, kunstvanding). Den anden kontrol er at sammenligne ændringen i jordvandsopbevaring mod den samlede mængde PPT for en bestemt begivenhed (figur 7C). Ideelt set bør denne begivenhed være en isoleret, lavintensiv nedbørshændelse. Nedbør infiltrerer jorden fra overfladen og siver nedad. Toppen i SWC bør følge et lignende mønster nedad (figur 7B). Imidlertid kan præferenceflow få infiltrerende vand til at omgå en lav sensor eller forårsage en hurtig reaktion på dybere sensorer. Selvom disse kan være 'rigtige' reaktioner, kan dårlig komprimering af installationsgraven eller omkring en individuel sensor fortrinsvis tragte vand mod en sensor. Bias i befugtning foran ankomst bør bruges med forsigtighed og sund fornuft, når man fortolker usædvanlige reaktioner på nedbør eller snesmeltning. Som illustreret i tabel 3 dikterer BD den øvre grænse for jordens porerum, φ [-], i mineraljord. Vandindhold, der rutinemæssigt er større end φ indikerer enten en defekt sensor eller uhensigtsmæssig sensorkalibrering. I førstnævnte tilfælde kan data slettes fra posten. I sidstnævnte tilfælde kan rekalibrering gøre det muligt at bevare recorden, idet værdierne ændres i overensstemmelse med rekalibreringen.

Jordtemperatur er en anden variabel, der hjælper med at kontrollere data. Jordtemperaturen forplanter sig nedad i jordsøjlen og dæmpes med dybden (figur 7A). Temperaturen skal toppe tidligere og højere tættere på overfladen med stigende forsinkelsestid fra overfladetoppen, efterhånden som sensordybden øges. Eventuelle sensorforsinkelser, der ikke er i drift, kan være en indikation af en forkert identificeret dybde eller forkert SDI-12-adresse. Som vist i figur 10 og diskuteret deri afhænger elektromagnetiske sensorer af ændringer i ε, som spænder fra ~ 3 for is til ~ 80 for vand. Ændringer mellem vand og is registreres af SWC-sensorer. Det kan dog være nødvendigt at hæve markeringstærsklen, da sensorens sensorvolumen er forskellig fra sensorvolumenet for jordtemperaturtermistoren, og tærsklen kan være så høj som 4 °C. Da frysegraden og den relative mængde flydende vand kan være vigtige for vurderingen af jordens hydrologi, bør disse data markeres som værende påvirket af frysning og ikke nødvendigvis fjernes. På det mest grundlæggende niveau bør kvalitetskontrol rationalisere ethvert uberegneligt sensorrespons på en fysisk mekanisme, ellers er det en fejl. Selvom automatiserede kvalitetskontrolrutiner er et krav til store netværk og forskellige datakilder 13,33,34,35^, er der ingen erstatning for øje-på-data for at opretholde langsigtet datakvalitet.

Bekræftelse af data
Et af de mest udfordrende aspekter ved SWC-data er verifikation - "leverer sensoren gode og nøjagtige data?" De fleste miljøsensorer er tilgængelige efter implementering og kan udskiftes med en ny sensor efter en vis varighed, returneres til producenten eller laboratoriet for at blive kalibreret i forhold til standarder og/eller få dataene verificeret mod en prøve indsamlet fra marken. Meteorologiske organisationer følger strenge procedurer for atmosfæriske sensorer, herunder sensorrotationer, sensorvedligeholdelse og kalibreringer i marken, der gør det muligt for forebyggende vedligeholdelse at fungere som det første pas til dataverifikation^10,30. SWC-sensorer er nedgravet på stedet og kan ikke revideres eller kalibreres igen uden væsentlig forstyrrelse af stedet og potentiel skade på sensoren. Desuden er der ingen accepterede standarder for SWC-sensorer, og som sådan kræver dataverifikation en vis viden om den forventede sensorrespons og en vis tillid til selve sensoren. Begge kræver praktisk erfaring og bedste praksis, der følges i marken (dvs. vedligeholdelse og inspektioner på stedet). Hvis usædvanlige ydelsesproblemer, som vist i figur 11, bliver kroniske, er der stor sandsynlighed for, at sensoren svigter, og den skal udskiftes.

Elektromagnetiske sensorer har ingen bevægelige dele, og ledningen og kredsløbet har tendens til at være robuste. Efter 3 år rapporterede Texas Soil Observation Network en fejlrate på 2% for transmissionslinjeoscillatorsensorer²¹. Efter mere end 10 års tjeneste rapporterede US Climate Response Network en markant stigning i fejlraten for impedanssensorer ved 15-18 sonder pr. 100 fra 2014 til 2017³⁶. Som vist i figur 11 var de fleste SCAN-sensorer over 20 år gamle, før de svigtede. Udskiftning af en sensor før fejl foretrækkes, så sensoren kan revurderes i luft, vand og sand for at kontrollere for afdrift mod præimplementeringsværdier, hvis disse blev registreret (f.eks. Trin 1), blandt andre årsager. Rutinemæssig udskiftning er noget upraktisk med SWC-sensorer og udføres sjældent i store netværk, og vi er ikke bekendt med nogen langsigtede evalueringer af elektromagnetiske SWC-sensorændringer over tid. USCRN-netværket migrerer i øjeblikket til en ny sensorteknologi efter over 10 år ved hjælp af kapacitanssensorer. Planen er at have et minimum overlap på 2 år mellem gamle og nye sensorer for at foretage eventuelle justeringer.

Regelmæssige vedligeholdelsesbesøg bør omfatte verifikation af SWC-data, ideelt set på tværs af en række fugtforhold. Dette kan opnås indirekte ved hjælp af en bærbar sensor, ideelt kalibreret til nogle jordprøver eller direkte til volumetriske jordkerner indsamlet på stedet. Den bedste fremgangsmåde er at sammenligne in situ-sensoraflæsninger med SWC fra volumetriske jordprøver i ækvivalente dybder³⁷ (figur 12). Planlagt vedligeholdelse bør forsøge at dække en række jordfugtighedsforhold, så en simpel regression mellem direkte/indirekte SWC-målinger og sammenfaldende sensoraflæsninger kan sammenlignes. Dybere jordprøvetagning kan foretages i sneglehuller eller med mekaniske kerneindretninger. Verifikation af overfladesensorerne (f.eks. 5 og 10 cm) kan være tilstrækkelig, da de dybere sensorer skal følge et lignende karakteristisk svar på PPT, som tidligere diskuteret. Der er flere begrænsninger i denne post hoc SWC-vurdering. Den primære ulempe er, at de volumetriske prøver ikke kan (og heller ikke bør) udtages direkte ved sensorerne og muligvis ikke er virkelig repræsentative for SWC inden for sensorvolumenet omkring tænderne (inden for 3 cm). Dette fører til den anden ulempe; Der kan være behov for mange flere prøveudtagningssteder og -dybder for at opnå en repræsentativ SWC-værdi i feltet. Dette kan også resultere i mange huller og forstyrrelser omkring stedet. En tredje ulempe er vanskeligheden ved at opnå volumetriske jordprøver i dybden uden udgravning, der forstyrrer jordprofilen.

Figur 12: Volumetriske SWC-data. SWC-data fra 60 cm³ jordkerner taget som feltkalibreringsdata sammenlignet med SWC fra in situ-sensorer i dybder på 15, 30, 45 og 60 cm i teksturer, der spænder fra lerholdigt, fint sand til ler. Denne figur blev tilpasset fra Evett et ^al.37. Forkortelse: SWC = jordens vandindhold. Klik her for at se en større version af denne figur.

NRCS udviklede en jordprøvetagningsmetode i sneglehuller ved hjælp af et volumetrisk prøveudtagningsrør (en sonde i Madera-stil) på en forlængerstang til prøver i bunden af et sneglhul³⁸. Disse direkte målinger kan også kombineres med indirekte målinger fra bærbare sensorer^37,39,40 for at give en kalibreret vurdering af in situ-sensorernes rumlige repræsentativitet^13,41. Som beskrevet i protokoltrin 10.10 kan denne proces gentages for at tillade nogle metriske (f.eks. kvadratisk rodmiddelfejl, bias, korrelation) at bestemme enhver nylig afvigelse af in situ-sensorerne fra SWC's direkte prøveudtagning eller indirekte estimater. Flere detaljer præsenteres også af Det Internationale Atomenergiagentur IAEA⁷. Jordudgravnings- og karakteriseringsdata, der præsenteres i trin 3 og 5, giver også data om φ (SWC bør ikke overstige denne værdi). Jordtekstur og horisontering illustrerer zoner med høj/lav ledningsevne og tilbageholdelse af jordvand. Disse skridt er i høj grad i overensstemmelse med protokollen om prøvetagning af skovjord²⁵. Den ønskede repræsentativitetsskala kan bruges til at indsamle valideringsdatasættet, og derefter kan stationen skaleres til det validerede fodaftryk⁴². Hvis en stationssensortype udskiftes, vil det være rimeligt at indsamle endnu et sæt valideringsdata på tværs af forskellige jordvandsforhold for at fange installationsbias igen.

Supplerende datasæt kan bidrage til verifikation og vurdering af SWC-data. Det er indlysende, at en hydrologisk tidsserie forbedres dramatisk med en PPT-måler på stedet for at verificere timingen, varigheden og størrelsen af begivenheder. Sensorer for matricpotentiale i jorden giver energistatus for jordvandet, hvilket er afgørende for kvantificering af tilgængeligt vand i anlægget. Meteorologiske sensorer, herunder lufttemperatur, relativ luftfugtighed, vindhastighed og solindstråling, muliggør direkte beregning af referencefordampning (ET), hvilket er en nyttig vejledning til relativ optagelse af plantevand og dermed jordtørringshastighed⁴³. Flere økonomiske, alt-i-en vejrsensorer er tilgængelige med SDI-12 output. Oplysninger om grundvandsniveauet fra en tryktransducer er en anden værdifuld måling, hvis vandspejlet er tæt på overfladen, og der kan installeres en overvågningsbrønd. Endelig kan et feltkamera give både videnskabelig værdi og site-sikkerhedsværdi. Digitale billeder kan registrere vegetationens vækst og grønhed⁴⁴, og stationens generelle tilstand kan vurderes uden et feltbesøg.

Supplerende tabel S1: Almindelige (men ikke inklusive) in situ SWC-sensorteknologier. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende tabel S2: Logfiler over sensorhistorik udtrukket fra NRCS' onlinedatabase for alle lokaliteter, der præsenteres i denne protokol. Data tilgængelige via hver webadresse. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende tabel S3: Lokalitetsdata og jordbundskarakterisering for dataeksempler vist i figur 11. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Jordfugtighedstilstand er et resultat af mange forskellige miljøfaktorer, herunder nedbør, vegetation, solindstråling og relativ fugtighed sammen med jordhydrauliske og fysiske egenskaber. Disse interagerer over rum og tid i forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer. For at modellere og forudsige vand-, energi- og kulstofkredsløbene er det nødvendigt at forstå SWC-tilstanden. En af de mest almindelige typer automatiserede måleteknologier er en elektromagnetisk SWC-sensor med tænder, der er beregnet til at blive indsat in situ i uforstyrret jord. Denne protokol er designet til at give vejledning til processen med installation af disse almindelige typer nedgravbare sensorer. Nøjagtighed, ydeevne og omkostninger er typisk proportionale med sensorernes driftsfrekvens; Lavfrekvente sensorer koster mindre, men er mere forvirrede af jord- og miljøfaktorer⁴⁵. Jord- eller stedspecifik kalibrering kan forbedre nøjagtigheden af lavfrekvente sensorer. Målemetoden påvirker også sensorens ydeevne på grund af den underliggende fysik i det elektromagnetiske felt (EMF).

To store elektromagnetiske fysiske love styrer elektromagnetisk sensing. Den ene er Gauss' lov, som beskriver, hvordan sensorens udbredte EMF er afhængig af både mediets ε og BEC. Permittiviteten øges med SWC, men det gør BEC også. Derfor påvirkes sensorer, der er afhængige af Gauss' lov, af SWC, BEC og temperatureffekten på BEC samt enhver interferens fra saltholdigheden. Kapacitansfølermetoder adlyder Gauss' lov og er derfor mere tilbøjelige til disse virkninger⁴⁶. Derudover beskriver Gauss 'lov afhængigheden af kapacitansen af en geometrisk faktor, som ændrer sig med formen af EMF i jorden. Forskning har vist, at EMF-formen ændrer sig med jordstrukturen og den lille rumlige variation i vandindholdet omkring sensortænderne. Lille rumlig variation i vandindhold og jordstruktur er stor i de fleste jordarter, hvilket resulterer i geometriske faktorændringer og deraf følgende kapacitansændringer, der ikke har meget at gøre med ændringer i jordens gennemsnitlige vandindhold. Disse faktorer reducerer kapacitanssensorens nøjagtighed og øger datavariabiliteten^46,47,48. Impedans- og transmissionslinjeoscillationsmetoderne afhænger også af Gauss' lov, mens tidsdomænereflektometri og tidsdomænetransmissometrimetoder afhænger af Maxwells ligninger, som ikke inkluderer en geometrisk faktor og ikke er afhængige af BEC. Selvom ingen sensor er problemfri, har tidsdomænemetoderne tendens til at være betydeligt mere nøjagtige og mindre forudindtagede end både kapacitans- eller impedansbaserede metoder.

Der er flere kritiske trin i proceduren. For et sparsomt netværk er korrekt valg af placering og sensorplacering nødvendig for at have den mest passende rumlige repræsentation af SWC. Valg af lokalitet kan i højere grad påvirkes af eksterne faktorer, såsom adgang til jord eller andre krav til atmosfærisk overvågning, hvor jordfugtigheden er den supplerende måling. Meso-skala meteorologiske steder er placeret på brede og åbne, velplejede græsklædte overflader for at minimere eventuelle mikroskalapåvirkninger. Sådanne placeringer kan være mindre ideelle til SWC-overvågning. Hvis det er relevant, bør trådløse sensorteknologier overvejes^som 49,50,51,52,53 for at muliggøre SWC-overvågning uden for den eksisterende miljøovervågningsstation og i repræsentativ jord. Det er udfordrende at arbejde omkring aktiv landbrugsdrift og vandingsudstyr. De fleste netværk (f.eks. SCAN og USDA-ARS) forbliver i udkanten af markerne for at undgå jordbearbejdningsaktiviteter såsom plove eller høstmaskiner, der kan skære kablerne og afdække sensorer. Enhver in situ-sensor og ethvert kabel skal være tilstrækkeligt nedgravet og have en tilstrækkelig lav overfladeprofil til at undgå at udlede med operationer på gården. Trådløse systemer⁵³ og aftagelige borehulssensorer⁴⁷ kan være mere passende. Grundvandsbesparelse ved hjælp af storstilet, jordfugtighedsbaseret kunstvanding⁵⁴ er et voksende felt for SWC-sensorer; denne protokol vedrører rumligt repræsentative langsigtede SWC-data i uforstyrret jord.

Nogle jordarter er vanskeligere at måle end andre. I stenet, gruset eller meget tør jord kan det være umuligt at indsætte tænderne uden skader. En mulighed er at udgrave jordgraven og lægge sensorerne på plads, mens de genopfyldes, og forsøger at komprimere til den originale BD. Stenet jord har tendens til at have ringe struktur, som sandsynligvis vil helbrede efter flere befugtnings- og tørringscyklusser; En sådan forstyrrelse er dog måske aldrig rigtig repræsentativ for stedets jordhydrologi. Alternativt, hvis sensorer er installeret i bunden af sneglehuller, kan den fjernede jord sigtes for at fjerne sten og pakkes om i hullet lige dybt nok til at rumme sensortænderne. Sensoren kan derefter installeres lodret, og sneglehullet genopfyldes med den resterende ikke-sigtede jord med hyppig komprimering, når jord tilsættes.

Rødder i skovjord udgør lignende udfordringer som sondeindsættelse, men rødder kan skæres i nogle situationer. Skovjord har ofte organiske (O) horisonter oven på mineraljorden, som kan have meget lav BD og højt specifikt overfladeareal med store mængder bundet vand, hvilket resulterer i meget ikke-lineære sensorresponser ved højere SWC'er⁵⁵. Desuden indstiller udøveren nul-datumet som enten toppen af O-horisonten eller mineraljord-noteringen som i metadataene. Lerrig jord og ekspansiv ler med højt krympe-/svulmepotentiale kan være ekstremt ledende for elektromagnetiske signaler, når de er våde og kan revne, når de er tørre. Sådanne jordarter kan have brug for yderligere korrektioner for at få rimelig SWC fra de rå målinger^56,57. I lavvandede jordarter kan man støde på grundfjeld eller en restriktiv jordhorisont (f.eks. caliche eller hardpan), før man når den ideelle maksimale dybde. Det kan være nødvendigt at ændre placering eller simpelthen ikke installere de(n) dybere sensor(er). Overdreven tør eller våd jord kan være udfordrende, og det er også at foretrække at vælge installationsdatoer uden for sæsonbestemte ekstremer. Tør jord kan være meget stærk, og det kan vise sig umuligt at indsætte en sensor uden skader. Om nødvendigt kan forskruede huller fyldes med vand for at blødgøre pitfladen, selvom det kan tage lidt tid, før jorden vender tilbage til en naturlig tilstand. Våd jord kan være for svag til at understøtte grubeflader, eller grøften kan fyldes med vand. Det er også lettere at overkomprimere en våd jord.

Sensoroutputtet skal omfatte permittivitet, ikke kun SWC, så korrektioner eller jordspecifikke kalibreringer kan foretages senere. Højfrekvente sensorer er mere velegnede i jord med høj BEC, mens kortere tænder kan være lettere at installere i mere kompakte jordarter. Måske er det mest kritiske trin imidlertid jordkontakt; Dårlig kontakt nedbryder signalet fra enhver elektromagnetisk sensor. Endelig lyder genopfyldning af udgravningen trivielt, men det er nøglen til at minimere præferencestrømmen ind i sensorområdet, holde kabler beskyttet og afskrække dyr fra at forstyrre området. En jord- eller stedspecifik kalibrering kan forbedre sensorens nøjagtighed, men kræver flere detaljer, end det er muligt i denne protokol. Markjord, der justeres eller ompakkes til forskellige SWC-niveauer, er ideel til at kontrollere responsens linearitet og kan fungere som stedspecifik kalibrering for nogle sensortyper²¹. Dielektriske væsker kan også være effektive medier til at kontrollere sensorrespons⁵⁸. Temperaturstyrede vandbade kan bruges til at forbedre jordtemperaturkalibreringer⁵⁹. Denne protokol er det første skridt i retning af etablering af en standardprocedure for in situ SWC-sensorinstallation, da der ikke findes nogen eksisterende metode eller nogen accepteret kalibreringsmetode for SWC-sensorer^60,61.

Mens SWC-overvågning har været fokus for denne protokol, har metoden begrænsninger, og SWC alene kan ikke give et fuldstændigt billede af jordens vandtilstand. Mange økosystemprocesser reguleres også af jordens vandpotentiale, som mindre almindeligt måles in situ⁶². Jordvandpotentiale, der for nylig blev gennemgået af S. Luo, N. Lu, C. Zhang og W. Likos ⁶³, er vandets energitilstand; sådanne sensorer kan være mindre påvirket af jordegenskaber og giver kvalitetskontrol for SWC-sensorer⁶⁴. Desuden omfatter bulkfelt-SWC grus, klipper, rødder og tomrum (f.eks. præferencestrømningsveje). På stedet SWC-sensorer er generelt omplaceret omkring sten og rødder, og det begrænsede målevolumen, koncentreret omkring tænderne, kan gå glip af diskrete, men vigtige aspekter af bulkfeltet SWC.

Denne protokol vil forhåbentlig føre til mere harmoniserede og ensartede SWC-data til en lang række applikationer, herunder tørkeovervågning, vandforsyningsprognoser, vandområdeforvaltning, landbrugsforvaltning og afgrødeplanlægning. Fremkomsten af teledetektionsplatforme⁴ har i høj grad forbedret muligheden for at estimere SWC globalt, men disse produkter har brug for jordvalidering, som stadig kun med rimelighed indsamles af in situ-netværk ⁶⁵. Computerfremskridt har gjort det muligt at udvikle SWC-modellering⁶⁶ med hyperopløsning, hvilket giver SWC-status med høj opløsning og sub-daglig tilstand, men disse produkter har også brug for in situ-estimater af SWC for at give et vist grundlag for beregning af usikkerhed. Ofte er det første spørgsmål, der stilles, når et nyt produkt introduceres, "hvad er usikkerheden?" For SWC-produkter er den primære sammenligning for validering in situ-netværksdata ⁶⁷.

Der har været nylige netværksudvidelser forbundet med National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), herunder US Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin jordfugtighedsprojekt og NOAA-støttet sydøstlige amerikanske netværksopbygning, alle designet til at forbedre forudsigelse, overvågning af vandfare og yde beslutningsstøtte til ressourcestyring. Sikkerhed og nøjagtighed af SWC-estimater for sådanne applikationer kan kun opnås med grundige protokoller og procedurer, der giver tillid til dataintegritet. NCSMMN er en føderalt ledet indsats med flere institutioner, der sigter mod at yde bistand, vejledning og støtte ved at opbygge et praksisfællesskab omkring jordfugtighedsmåling, fortolkning og anvendelse - et "netværk af mennesker", der forbinder dataudbydere, forskere og offentligheden⁶⁸. Denne protokol er et produkt af NCSMMN-indsatsen. En arbejdsgang til datakvalitetskontrol er på vej.

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