In situ Jordfuktighetssensorer i uforstyrret jord

Summary

Bestemmelsen av jordvanninnhold er et kritisk oppdragskrav for mange statlige og føderale byråer. Denne protokollen syntetiserer multi-agency innsats for å måle jordvanninnhold ved hjelp av nedgravde in situ sensorer.

Abstract

Jordfuktighet påvirker direkte operativ hydrologi, matsikkerhet, økosystemtjenester og klimasystemet. Imidlertid har vedtakelsen av jordfuktighetsdata vært treg på grunn av inkonsekvent datainnsamling, dårlig standardisering og typisk kort rekordvarighet. Jordfuktighet, eller kvantitativt volumetrisk jordvanninnhold (SWC), måles ved hjelp av nedgravde, in situ sensorer som utleder SWC fra en elektromagnetisk respons. Dette signalet kan variere betydelig med lokale forhold på stedet som leireinnhold og mineralogi, jordens saltholdighet eller bulk elektrisk ledningsevne og jordtemperatur; Hver av disse kan ha varierende innvirkning avhengig av sensorteknologien.

Videre kan dårlig jordkontakt og sensorforringelse påvirke kvaliteten på disse avlesningene over tid. I motsetning til mer tradisjonelle miljøsensorer finnes det ingen aksepterte standarder, vedlikeholdsrutiner eller kvalitetskontroller for SWC-data. Som sådan er SWC en utfordrende måling for mange miljøovervåkingsnettverk å implementere. Her forsøker vi å etablere en fellesskapsbasert standard for praksis for in situ SWC-sensorer, slik at fremtidig forskning og applikasjoner har konsistent veiledning om valg av sted, sensorinstallasjon, datatolkning og langsiktig vedlikehold av målestasjoner.

Videografi fokuserer på en multi-byrå konsensus av beste praksis og anbefalinger for installasjon av in situ SWC sensorer. Denne rapporten presenterer en oversikt over denne protokollen sammen med de ulike trinnene som er avgjørende for høy kvalitet og langsiktig SWC-datainnsamling. Denne protokollen vil være til nytte for forskere og ingeniører som håper å distribuere en enkelt stasjon eller et helt nettverk.

Introduction

Jordfuktighet ble nylig anerkjent som en essensiell klimavariabel i Global Observing Climate System¹. Jordfuktighet, eller kvantitativt volumetrisk jordvanninnhold (SWC), spiller en viktig rolle i å partisjonere strømmen av innkommende stråling i latent og fornuftig varme mellom jordoverflaten og atmosfæren, og partisjonere nedbør mellom avrenning og infiltrasjon². Den spatiotemporale variasjonen av jordfuktighet på punkt-, felt- og vannskilleskalaene kompliserer imidlertid vår evne til å måle SWC i riktig skala som trengs for å oppfylle forsknings- eller ledelsesmål³. Nye metoder for å kvantifisere SWC, inkludert bakkebaserte nettverk av in situ sensorer, proksimale detektorer og fjernmåling, gir unike muligheter til å kartlegge variasjonen i SWC med en enestående oppløsning⁴. In situ SWC-sensorer gir de mest temporalt kontinuerlige og dybdespesifikke datapostene, men er også utsatt for små sensorvolumer og lokal skalavariasjon som er iboende i jordegenskaper, topografi og vegetasjonsdekke⁵.

Videre mangler det standarder eller allment aksepterte metoder for installasjon, kalibrering, validering, vedlikehold og kvalitetskontroll av in situ SWC-sensorer. Jordfuktighet er i seg selv en utfordrende parameter å måle og kan være den vanskeligste variabelen å kvalitetssikre⁶. Mens generelle protokoller for SWC-datainnsamling er produsert av Det internasjonale atomenergibyrået⁷, komiteen for jordobservasjonssatellitter⁸, føderale byrårapporter⁹ og American Association of State Climatologists¹⁰, er det begrenset spesifikk veiledning om installasjon, vedlikehold, kvalitetskontroll og verifisering av SWC-data fra begravet in situ Sonder. Dette har gjort adopsjon av slike teknologier utfordrende for operasjonelle overvåkingsnettverk, for eksempel statlige Mesonets, for å legge til SWC-målinger. På samme måte er det også utfordrende for operative hydrologer, for eksempel ved elveprognosesentre, å innlemme disse dataene i arbeidsflyten. Formålet med denne videografi og tilhørende papir er å gi slik veiledning og dokumentere en sammenhengende installasjonsprotokoll for begravde in situ SWC-sonder.

Velge et sted for in situ jordfuktighetsovervåking
Jordsmonnet innenfor ethvert interesseområde (AOI) dannes gjennom en unik og koblet tilbakemelding over tid mellom topografi, økologi, geologi og klima^11,12. Variasjonen av SWC på tvers av landskap gjør valg av sted til et kritisk aspekt for enhver jordfuktighetsstudie. For noen forskningsmål kan et nettsted velges for å representere en bestemt funksjon eller mikrosite på landskapet eller økosystemet. Med henblikk på overvåking av nett bør lokaliteten være romlig representativ for en større landskapskomponent. Målet er å finne et sted som gir den beste romlige representasjonen av AOI. På feltet må det tas mer pragmatiske hensyn, for eksempel kravene til annen meteorologisk instrumentering, tilgjengelighet eller tillatelse. Imidlertid er den dominerende jordkartenheten innenfor AOI vanligvis en god romlig representasjon av miljøforholdene i et større område¹³. Den dominerende jordkartenheten kan bestemmes ved hjelp av Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Denne jordkartenheten bør også verifiseres med en grunn grop eller testhull.

En typisk målestasjon kan oppta 5-50 m², avhengig av sensorbehov og antall tilleggsmålinger. Figur 1 viser en typisk målestasjon med et 3 m tårn som holder et anemometer for vindhastighet og retning, en lufttemperatur og relativ fuktighetssensor, et pyranometer for solstråling og et National Electrical Manufacturers Association (NEMA) værbestandig og vanntett kabinett (NEMA rating 4). NEMA-kabinettet huser datakontrollplattformen (DCP), mobilmodem, solcellepanelladningsregulator, batteri og annen relatert maskinvare (se materialfortegnelse; Systemkomponenter). Tårnet gir også en plattform for kommunikasjonsantennen, solcellepanelet og lynavlederen. En flytende nedbør (PPT) gage er også vanligvis inkludert, som bør plasseres vekk fra tårnet og i lavest mulig høyde for å redusere vindeffekter på PPT-fangst. SWC-sensorene bør installeres i tilstrekkelig avstand (3-4 m) og oppoverbakke slik at det ikke er potensiell forstyrrelse fra tårnet på verken nedbør eller overlandsstrøm. Eventuelle relaterte kabler skal graves ned i ledning minst 5 cm under overflaten.

Figur 1: En typisk målestasjon. USDA SCAN samler timeinformasjon om jordvanninnhold og temperatur ved standard dybder (5, 10, 20, 50 og 100 cm), lufttemperatur, relativ fuktighet, solstråling, vindhastighet og retning, nedbør og barometertrykk. Det er over 200 SCAN-nettsteder over hele USA. Forkortelser: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = National Electrical Manufacturers 'Association. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Måledybde, orientering og antall sensorer
In situ SWC-sensorer installeres vanligvis horisontalt for å representere bestemte dybder i jorda (figur 2). Føderalt finansierte, nasjonale nettverk som Soil Climate Network (SCAN) ¹⁴, Snow Telemetry Network (SNOTEL) 15 og US Climate Reference Network (USCRN) 16 måler SWC ved 5, 10, 20, 50 og ¹⁰⁰ cm. Disse dybdene ble nådd ved konsensus under SCAN-utvikling av en rekke årsaker. Dybden på 5 cm tilsvarer fjernmålingsfunksjoner¹⁷; 10 og 20 cm dybde er historiske mål for jordtemperatur¹⁸; 50 og 100 cm dybder fullfører rotsonen jordvannlagring.

Sonder kan være orientert vertikalt, horisontalt eller skrått/vinklet (figur 3). Horisontal installasjon er mest vanlig for å oppnå en jevn jordtemperaturmåling på diskret dybde. Mens sensoren kan være sentrert på en diskret dybde, er SWC-måling et volum rundt tindene (dvs. elektroder), som kan variere med fuktighetsnivåer, målefrekvens og geometrien til installasjonen (horisontal, vertikal eller vinklet). For horisontal installasjon integrerer sensorvolumet fuktighet over og under dybden, og 95 % av sensorvolumet er vanligvis innenfor 3 cm fra tindene¹⁹. Vertikale eller vinklede installasjoner integrerer SWC langs tindene, slik at vertikal installasjon kan representere lagringen langs hele lengden av sensordybden²⁰. Noen sensorer måler ikke jevnt langs tindene. For eksempel er overføringslinjeoscillatorer mer følsomme for fuktighet nær sondehodet der de elektromagnetiske pulsene genereres²¹. Vertikale installasjoner er mer egnet for dypere sonder der temperatur- og fuktighetsgradienter har en tendens til å bli redusert.

Figur 2: Installasjon av in situ SWC-sensorer. Horisontal sensorplassering på utvalgte dybder ved bruk av (A,B) en referansejigg med null dybde og (C) et nulldybdebrett eller (D) et spadehåndtak med null dybde som referanse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 3: Orientering av sonder vertikalt, horisontalt eller i helning . (A) Skrå og vertikal innsetting og (B) horisontal-vertikal innsetting og horisontal-horisontal innsettingssenterdybde for en trefarget SWC-sensor. Forkortelse: SWC = jordvanninnhold. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Installasjon til dybder mindre enn 50 cm er relativt intuitivt, mens dypere sensorer krever litt mer innsats. Rotsone SWC eller profil jordvannlagring krever vanligvis målinger til 1 eller 2 m. Som illustrert i denne protokollen, utføres 0-50 cm installasjoner i en utgravd grop eller skruehull med sonder installert horisontalt i uforstyrret jord, noe som minimerer overflateforstyrrelsen. For dypere sensorer (f.eks. 100 cm) installerer både SCAN og USCRN sensoren vertikalt i separate, håndavbøyde hull ved hjelp av en forlengelsesstang (figur 4).

Gitt heterogeniteten til SWC, spesielt nær overflaten, og de små målevolumene til sensorer, gir triplikate målinger en bedre statistisk representasjon av SWC. Imidlertid er en profil av in situ sensorer typisk for de fleste nettverk (f.eks. SCAN og SNOTEL). USCRN bruker tre profiler fordelt 3-4 m fra hverandre for å gjøre triplikate målinger på hver dybde¹⁶. Videre gir redundans i måling fleksibilitet og kontinuitet til stasjonsposten hvis økonomiske ressurser er tilgjengelige.

Figur 4: Installasjon av sensorer. (A) Grunne sensorer installeres vanligvis horisontalt inn i sideveggen til en utgravd jordgrop. For dypere sensorer brukes (B) en håndskrue til å grave et hull i dybden ved hjelp av en nulldybdereferanse (f.eks. tre som spenner over grøften), og sensorene skyves vertikalt inn i bunnen av hullene ved hjelp av (C) en del av PVC-røret som er modifisert for å sikre sensoren og kabelen under installasjon eller (D) et installasjonsverktøy. Jordlag er notert som matjord (A-horisont) og undergrunnshorisonter med translokerte leire (Bt) og karbonatakkumulering (Bk). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

In situ SWC-sensortype
Kommersielt tilgjengelige sensorer utleder SWC fra den målte responsen på et elektromagnetisk signal forplantet langs tinder i direkte kontakt med jorda²². Begravde sensorer faller inn i fem klasser avhengig av typen elektromagnetisk signal som forplantes og metoden for å måle responsen: kapasitans, impedans, tidsdomenereflektometri, tidsdomenetransmissometri og transmisjonslinjeoscillasjon (tilleggstabell S1, med lenker til hver produsents informasjon). Disse teknologiene har en tendens til å gruppere etter driftsfrekvens og produsent. Lengre tinder integrerer et større volum jord; Imidlertid kan de være vanskeligere å sette inn og er mer utsatt for signaltap i jord med leire og høyere bulk elektrisk ledningsevne (BEC). Produsentene rapporterer SWC-målefeil på 0,02-0,03 m 3 ^m-3, mens brukerne typisk finner disse å være betydelig større²³. Riktig kalibrering og standardisering av elektromagnetiske sensorer forbedrer ytelsen²²; Disse jordspesifikke kalibreringene er imidlertid utenfor omfanget av denne protokollen, som fokuserer på installasjon.

Sensorvalg bør vurdere ønsket utgang, målemetode, driftsfrekvens og kompatibilitet med andre målinger. Før 2010 var de fleste SWC-sensorer analoge og krevde DCP for å gjøre målinger av differensialspenninger, motstander eller pulstelling, noe som krevde dyrere komponenter og individuelle kanaler (eller multipleksere) for hver sensor. Nå tillater serielle datagrensesnitt ved 1,200 baud (SDI-12) kommunikasjonsprotokoller (http://www.sdi-12.org/) smarte sensorer å implementere interne målealgoritmer og deretter overføre digitale data langs en enkelt kommunikasjonskabel. Hver sensor kan kobles sammen i rekkefølge (dvs. en tusenfrydkjede) ved hjelp av en felles ledning forbundet med spakmutter eller rekkeklemmekontakter (figur 5), der hver sensor har en unik SDI-12-adresse (0-9, a-z og A-Z). Den vanlige kommunikasjonsledningen til SDI-12-sensorer danner en enkelt krets sammen med en strøm- og jordledning. Multipleksere eller målinger ved DCP er ikke nødvendig; I stedet sender DCP ganske enkelt og mottar digitale kommandoer og tekstlinjer. Mange SDI-12 SWC-sensorer inkluderer også jordtemperatur, relativ permittivitet (ε) og BEC-målinger. Slike målinger er nyttige for sensordiagnostikk og jordspesifikk kalibrering. På dette tidspunktet har brukeren valgt et nettsted, bestemt sensortype, antall og dybder, og fått alle nødvendige maskinvare- og feltverktøy (materialfortegnelse). Dermed kan de fortsette til installasjonsprotokollen.

Figur 5: Ledningsskjøtekontakter og rekkeklemmer som brukes til å koble vanlige strøm-, jord- og kommunikasjonsledninger til en enkelt inngang på datainnsamlingsplattformen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Protocol

1. Klargjøring av sensorer før installasjon

1. Sjekk SDI-12-adressen. Sensorer er satt til en standardadresse av produsenten. Koble hver sensor separat til en datakontrollplattform (DCP) ved hjelp av ?! kommando for å spørre sensorens adresse.
   MERK: Hver sensor på en felles datalinje må ha en unik adresse (f.eks. 0-9). Se sensorhåndboken for SDI-12-adressering og endring av sensorens verdi, om nødvendig.
2. Ta en måling (f.eks. "aM!", der a er adressen) i luft, tørr sand og nedsenket i vann.
   MERK: Luftmålinger skal lese 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), lekesand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) og vann ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
3. Registrer disse verdiene sammen med serienummeret og SDI-12-adressen til hver sensor i en laboratoriebok. Bruk en markør til å merke sensorhodet og kabelenden med adressenummeret.
4. Sjekk DCP-programmet. Noen DCP-er er plug-and-play, men de fleste krever et program for å gjøre målinger og registrere data. Sett opp SWC-sensorene og eventuelle tilleggssensorer i laboratoriet, og koble dem alle til DCP og batteri. La SWC-sensorene henge i luften, settes inn i tørr lekesand eller senkes i vann, slik at tindene ikke berører hverandre.
   MERK: Luftmålinger skal lese 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), lekesand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) og vann ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
5. La systemet kjøre over natten eller lenger. Kontroller at dataene registreres med riktig hastighet, og at verdiene (f.eks. riktig antall kolonner, signifikante sifre) er passende.
6. Kontroller eventuelle tilleggs SWC-sensorutganger (f.eks. temperatur og BEC) også. La systemet kjøre i minst 1 dag. Kontroller at datatabellene er riktige.
   MERK: Noen DCP-er er plug-and-play, men de fleste krever et program for å foreta målinger og registrere data.

2. Bestem feltoppsettet

1. Før du begynner å grave, ring 811 (USA og Canada) minst 2 dager før utgravning for å bekrefte tilstedeværelsen av underjordisk infrastruktur (f.eks. elektriske ledninger, vannforsyning, gassrør). Unnlatelse av å sikre slike klareringer kan føre til betydelige straffer og ansvar.
2. Kontroller jordkartenheten på gropstedet. Bruk USDA SoilWeb-appen, tilgjengelig for iOS- og Android-smarttelefoner, for å spørre plasseringen. Grav et testhull med en håndskrue med en diameter på 5–10 cm for å kontrollere at feltteksturen stemmer overens med beskrivelsen av kartenheten. Se etter eventuelle problemer, for eksempel harde lag (f.eks. plogpanner, caliche eller argilliske horisonter) eller lag med høye steinfragmenter; Begge tilfeller kan gjøre sondeinnsetting vanskelig, eller til og med umulig.
3. Bestem den beste plasseringen for sensorene. Hver sensor vil bli installert i den vertikale siden av en uforstyrret jord.
   MERK: Hvis det finnes en skråning, bør ansiktet være oppoverbakke for å minimere fortrinnsrett som oppstår gjennom forstyrret jord og langs kabelgraver.
4. Bruk et lite (1 m²) ark med kryssfiner eller en presenning for å beskytte jordoverflaten og hindre feltarbeidere i å frese rundt på uforstyrret jord.
5. Bestem plasseringen av instrumentmasten. Sørg for at sensorene er tilstrekkelig langt unna masten for å minimere fottrafikk og eventuelle effekter fra tårnet.
   MERK: Lager 5 m kabler er generelt tilstrekkelig for de fleste installasjoner.
   1. Bruk kortest mulig kabellengde for å minimere overflateforstyrrelser og fare for brudd.
      MERK: Hvis instrumentmasten allerede er på plass på et eksisterende sted, kan det være nødvendig med en lengre ledning for å nå en representativ jord; alternativt kan trådløs teknologi vurderes (se "Ytterligere tanker om valg av nettsted").
   2. Forsikre deg om at den totale avstanden til instrumentstativet er 80% -90% av kabellengden for å ta hensyn til ekstra kabel som trengs for å føre fra installasjonsdybden, gjennom ledningen og opp i kabinettet.
      MERK: Wire management kan være vanskelig når mange SWC sensorer kommer til et sentralt punkt.
   3. Tynnere kabler krever nedgraving i PVC-rør, mens mer stive, tykke kabler kan begraves direkte. For begge, grave en grøft som er >10 cm dyp og 10-15 cm bred.
   4. Forsikre deg om at kabinettet har et inngangspunkt for eventuelle overjordiske sensorer og en kanalport for sensorer under bakken (figur 5). Monter kabinettet i behagelig høyde (1 m) for ledninger.
   5. Anbefaling: Løsne en sensor. Legg sensorhodet ved gropen og plasser det til kabelenden ved instrumentstativet. Kontroller at kabellengden er riktig, og juster etter behov.

3. Utgraving av jordgropen

MERK: Jordgropen kan graves ut manuelt eller mekanisk. Målet er å minimere den generelle forstyrrelsen på stedet.

1. For den håndgravde gropen legger du en annen større presenning (2 m²) ved siden av utgravningsområdet. Bruk en smal spade (f.eks. skarpskytter) til å grave ut et rektangulært hull til en dybde på ~55 cm. Forsikre deg om at gropflaten, som for øyeblikket er beskyttet av kryssfiner eller presenning (trinn 2.4), er vertikal (eller litt kuttet tilbake) slik at hver sensor vil ha uforstyrret jord over seg. Sørg også for at gropen er 20-40 cm bred og ~ 25% lengre enn den totale sensorlengden. Begynn å fjerne jord i trinn på 10 cm og plasser hvert løft på den fjerne enden av presenningen, og beveg deg nærmere med hvert trinn; Bryt opp eventuelle klumper og fjern store steiner.
   MERK: Sørg for at utgravningsområdet er så lite som mulig og gir nok plass til å sette inn den dypeste horisontale sonden.
2. For den hydrauliske stolpehullskruen, bruk en bred diameter (>30 cm) og en 1 m lang, tilhengermontert skrue.
   MERK: To- eller en-personers gjerdestolpeskruer kan være farlige.
   1. Sett opp skruen ~ 5 cm tilbake fra den tiltenkte gropflaten.
   2. Bor ned til >50 cm, løft skruen av og til for å utvise jord.
   3. Bruk en smal spade for å lage en flat og vertikal pitflate.
   4. Bruk en spade eller en håndsparkel for å flytte jord fra gropen til presenningen.
      MERK: Den utgravde jorda vil være godt blandet; Det er ingen måte å unngå dette.
3. Lag en mekanisk gravd grøft ved hjelp av tungt utstyr.
   MERK: Med mindre horisontal installasjon under 100 cm er nødvendig, oppfordres ikke stort graveutstyr. Håndtere spoil haug (dvs. utgravd jord) kan være utfordrende, og spor og stabilisatorer av traktorgravere forårsake betydelig forstyrrelse.
   1. Bruk en lett traktorgravere med en smal bøtte, ideelt mindre enn 50 cm, for å grave en lignende smal grøft til en 100 eller 200 cm dybde.
      MERK: Unngå å flytte traktorgravere for å minimere overflaten påvirkning.
   2. Begynn å fjerne jorda i trinn på 10 cm og plasser hvert løft på den fjerne enden av presenningen, og beveg deg nærmere med hvert trinn. Sørg for at utgravningsområdet er så lite som mulig og på en dybde på ~ 55 cm, slik at det er nok plass til å sette inn den dypeste horisontale sonden.
4. For sensorkabelgraven, grav en grøft fra baksiden av jordgropen til instrumenttårnet. Bruk en grøftespade assistert av en hakkematte eller Pulaski i harde seksjoner. Grav ut en rett, smal (~ 10 cm), >10 cm dyp grøft, legg jorden på den ene siden av grøften.

4. Montering/oppføring av instrumentstativ og kabinett

MERK: Instrumentstativet har tre alternativer: en enkel stang, et stativ eller et tårn. For en grunnleggende jordfuktighetsstasjon med PPT-måler, er en galvanisert stålstang eller rustfritt stål instrumentstativ (120 cm høy) med ben tilstrekkelig. For grunnleggende meteorologiske målinger er det nødvendig med en høyere mast for å installere sensorer på 2 m. De fleste mesonetter foretrekker 10 m høye tårn; Slike tårn er imidlertid utenfor rammen av denne protokollen.

1. Bruk en galvanisert stålstolpe.
   MERK: Et 4 cm diameter, galvanisert stål vannrør, ~ 3 m lang er den mest økonomiske metoden.
   1. Håndskrue et lite hull til minimum 60 cm dybde. Plasser stangen i hullet. Sørg for at stanghøyden er tilstrekkelig over bakken til å holde kabinettet, solcellepanelet og eventuelle antenner som trengs.
      MERK: En høyde på <2 m anbefales.
   2. Bland hurtigsett betong eller gjerdestolpeskum, i henhold til instruksjonene.
      MERK: Betong er ikke tillatt på noen føderale landområder, og noen private grunneiere kan protestere. Skumalternativer for gjerdestolpeinstallasjoner er et godt alternativ og krever ikke vann.
   3. Hell et av materialene rundt stangen og sørg for at det er i vater ved hjelp av et torpedonivå. La betongen herde i flere timer (helst over natten) og fest stangen med seler for å sikre at den forblir i vater. Selv om skum herder på 30 minutter, må du sørge for å holde røret på plass i minst 2 minutter, slik at det forblir vertikalt.
2. Instrumentstativ eller stativ (se produsentens instruksjoner)
   1. Løsne eller løsne hver av de tre stativbena.
   2. Roter eller forleng hvert ben og posisjon over enden av den utgravde grøften.
   3. Sett instrumentmasten inn i bena og stram til.
   4. Juster lengden på hvert ben for å sikre at masten er vertikal.
   5. Stake hvert ben i jorden og kontroller masten igjen med et torpedonivå.
3. Bruk U-bolter til å montere kabinettet på instrumentstativet på 1-1,5 m. Stram boltene for hånd for å feste den; Den endelige høyden og strammingen vil skje senere.
   MERK: Det anbefales å montere på nordsiden av stangen for å unngå å treffe hodet på solcellepanelet senere.

5. Jordkarakterisering og prøveinnsamling

MERK: Visuell karakterisering av jorda er avgjørende for å tolke jordfuktighetsdynamikken etter installasjon. Prøveinnsamling kan hjelpe tolkningen med kvantitative data. Samle prøver selv om finansiering ikke er tilgjengelig eller interne fasiliteter ikke kan behandle dem. Lufttørk og arkiver dem, i tilfelle jordkarakterisering er nødvendig i fremtiden.

1. For grunnleggende jordbeskrivelse, merk dybden av eventuelle åpenbare endringer i jordfarge eller tekstur (horisonter).
   MERK: National Soil Survey Center gir en utmerket oversikt over jordprofilbeskrivelser og tolkninger²⁴. Hvis plasseringen ikke er ideell, er det nå på tide å flytte.
2. For grunnleggende jordkarakterisering, samle representative jordprøver i en 1 liter (1 L) frysepose på hver sensordybde, etter prosedyren til Lawrence et ^al.25.
   1. Når du kommer tilbake til kontoret eller laboratoriet, legger du alle 1 literposene på benken, åpner og lar dem lufttørke i minst 48 timer.
      MERK: Lufttørking fjerner det meste av jordfuktigheten samtidig som de organiske og kjemiske egenskapene bevares for fremtidige analyser.
   2. Send prøvene enten til et universitetsutvidelseslaboratorium (f.eks. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) eller et kommersielt laboratorium (f.eks. http://www.al-labs-west.com/) for videre analyser. Alternativt kan du kjøre prøven internt av opplærte teknikere ved hjelp av de godkjente metodene som er angitt nedenfor.
   3. Utføre grunnleggende laboratorieanalyser, inkludert fysiske jordparametere som partikkelstørrelsesfordeling²⁶, bergfraksjon (RF; vektprosent større enn 2 mm), jordfraksjon (SF; prosent mindre enn 2 mm) og tekstur (sand-, silt- og leireprosent). Kontroller de grunnleggende kjemiske parametrene, inkludert mettet pasta, elektrisk ledningsevne (dS ^m-1) ²⁷ og organisk materiale²⁸.
   4. Anbefalt: Utfør volumetrisk jordkjerneprøvetaking på 5, 10, 20 og 50 cm dybde ved hjelp av en kjerneanordning for å samle en uforstyrret, volumetrisk prøve. Bestem jordens bulkdensitet (BD; g ^cm-3) fra den totale tørre jordvekten og kjernevolumet²⁹. Jordporøsitet (φ; [-]) er den fysiske øvre grensen for SWC. For mineraljord, estimere φ som 1 - BD / PD, hvor partikkeltettheten (PD) for overveiende kvarts mineraljord er 2,65 g ^cm-3.
      MERK: Prøver for BD samles enten i en kjerne av kjent volum eller ved hjelp av jordpeds²⁹.

6. Horisontal innsetting av sonder på 5, 10, 20 og 50 cm

MERK: Målet er å sikre fullstendig jordkontakt rundt sensortennene, og unngå luftspalter.

1. Klipp forsiktig eventuelle glidelåser og rull ut hver sensor, fjern eventuelle spoler i kablene. Plasser sensorhodet i nærheten av jordgropen og kabelen i grøften.
2. Installasjonsdybde er definert som midten av sensoren når den er installert horisontalt, uavhengig av om sensorens overflate er rund eller rektangulær. Installer sensoren på nøyaktig dybde under landoverflaten og så horisontalt ned i jorden som mulig. Bruk en nulldybdereferanse og en måleenhet (målebånd eller linjal) for nøyaktig sensordybde (figur 2) og et avstandsstykke for å opprettholde tindeavstand under innsetting (figur 2C).
3. Sett først inn 50 cm sensoren. Skyv sensoren horisontalt ned i jorden, og prøv å ikke vri sensoren, da dette kan skape hull. Siden sonden på 50 cm ofte er den vanskeligste, bruk en jordingsstang for å gi mer innflytelse for å skyve sensoren inn, og vær forsiktig så du ikke bryter epoksyhodet eller skiller tindene. Gjenta innsettingsprosessen, og arbeid oppover til sensordybden på 20, 10 og 5 cm. Forskyve (figur 2D) eller stable (figur 2B) sensorene.
   MERK: Måletidspunktet i SDI-12-protokoller forhindrer generelt sensorer i å lese samtidig og generere interferens mellom tilstøtende sensorer (f.eks. 5 og 10 cm dybder).
4. Orienter hver sensorkabel til samme side av gropen, slik at de kan henge til bunnen av gravegropen. Ta et bilde av det utgravde hullet og sensorer med et målebånd for skala (figur 6A). Bruk en GPS for å bestemme breddegrad og lengdegrad innen noen få meter fra gropen. Hvis du graver ut flere steder på en dag, bruk en plakat med en unik identifikator for å skille mellom gropene.

Figur 6: Eksempel på fotografier for metadata . (A) Den instrumenterte jordgropen med målebånd for målestokk, (B) kabelgrøften gravd tilbake til instrumentmasten, og sluttbilder mot (C) nord og (D) sør. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

7. Vertikal innsetting for sonden på 100 cm

1. For sensorinstallasjoner på dybder større enn 50 cm, skru et eget hull for hver sensor i eller nær kabelgrøften (figur 4A).
2. Bruk en håndskrue (5-10 cm diameter) til å grave til riktig installasjonsdybde(r). Dybden er definert som målesenteret (f.eks. 50 cm) minus halvparten av tindelengden i forhold til nulldybdereferansen (figur 4B).
3. Ordne den utgravde jorden på en presenning i den rekkefølgen den ble fjernet.
4. Installer sensoren vertikalt ved å skyve den inn i bunnen av hullet ved hjelp av et installasjonsverktøy (figur 4C, 4D). Pakk om skruehullet med den utgravde jorda fra det dypeste til grunneste. Bytt jorda i små heiser, pakk den tilstrekkelig til å forhindre jordbro i hullet og dannelse av hulrom.
   MERK: Pakkeverktøy kan være et kappet stykke PVC eller treplugger. Unngå skade på sensorhodet eller kabelen.

8. Fullføre sensorinstallasjonen og kabling til DCP

1. Hvis sensorkablene er direkte nedgravd, må du sørge for at de overjordiske endene som går inn i kabinettet, er i PVC-rør ved hjelp av en skottkontakt for å komme inn i kabinettet (figur 5).
   MERK: Hvis du bruker en separert regnmåler (trinn 9.1), må du huske å inkludere denne kabelen når du fører inn i kabinettet.
2. Hvis du bruker ledning, legg den ut i kabelgrøften og kutt til ønsket lengde. Før kabelen gjennom ledningen - dette kan kreve en trekkstreng eller fisketape for å trekke kablene gjennom. Bruk fleksibel ledning eller en 90 ° feiealbue pluss en lengde av vertikal ledning for å rute kablene fra inn i en kanalport på bunnen av kabinettet.
3. Legg kabelen eller kabelen/ledningen i bunnen av kabelgrøften. Trekk kabelendene gjennom den nederste kabinettporten og fest den med glidelåser. Hvis det er overflødig kabel i kabinettet, trekk den tilbake gjennom ledningen og spolen i bunnen av gravegravergraven.
4. Ta et bilde av installasjonsgropen og grøften med kabler som fører tilbake til kabinettet (figur 6B).
5. For ledninger til jordfuktighetssensoren, bruk en felles effekt (5-12 volt) og jordledning for hver SDI-12-sensor. Bruk spakkontakter, skjøtekontakter eller rekkeklemmer (figur 5) for å gjøre disse tilkoblingene enklere og sikrere. Hvis du bruker mer enn én type sensor, må du bruke en annen kommunikasjonsport på DCP, hvis tilgjengelig.
   MERK: En defekt SDI-12-sensor kan forstyrre andre sensorer i en serie.

9. Tilleggssensorer og maskinvareoppsett

1. Nedbør (PPT) gage
   MERK: For å forbedre fangsten bør regnmålere installeres på en separat vertikal mast så nær bakkenivå som mulig. Montering av måleren høyere på tverrarmsfestet kan redusere fangsten på grunn av større vindhastigheter.
   1. Bestem plasseringen. Monter regnmåleren så lavt som mulig over bakken (~1 m) og i en avstand som er dobbelt så høy som en nærliggende hindring³⁰. Den ideelle beliggenheten er nær kabelgrøften.
      MERK: Regnmålerkabelen vil bli begravet sammen med sensorkablene før den kommer inn i bunnen av kabinettet.
   2. Monter en vertikal mast. Bruk en håndskrue til å grave et hull til ~50 cm dybde. Sett en del galvanisert stålrør med tilstrekkelig lengde i sement eller skum (se trinn 4.1).
   3. Etter herding, installer måleren ved hjelp av slangeklemmer eller en flatmontert base, i henhold til sensorinstruksjonene. Sørg for at gage er perfekt nivå.
      MERK: De fleste gages har et innebygd boblenivå.
   4. Kjør kabler mellom regnmåleren og innhegningen i den underjordiske ledningen med jordfuktighetskablene.
   5. For en tippende gage, koble de to ledningene til en pulstellingskanal på DCP.
      MERK: Ledningene kan gå inn på begge sider.
   6. Pass på å fjerne toppen og kontroller at tippemekanismen beveger seg fritt. Skuffene er ofte sikret under forsendelse med gummistrikk.
      MERK: Regn gages krever rutinemessig rengjøring og kalibrering. Hvis du monterer regnmåleren direkte på instrumentstativet eller tverrarmen, følger du trinn 9.2.
2. Andre sensorer
   1. Monter tilleggsmålinger og eventuell antenne til den vertikale masten eller tverrarmsfestene i passende høyde over bakken^10,30.
   2. Rute fører inn i den overjordiske kabinettinngangen, og sikre der det er nødvendig med buntebånd. Koble til passende målekanaler på DCP.
3. Jordingsstang
   1. Monter en >1 m lang jordingsstang i kobber 0,5 m fra instrumentmasten. Bruk en gjerdestolpedriver for å sette stangen i bakken, slik at ~ 20 cm blir eksponert.
   2. Fest tung (8-10) kobbertråd til stangen ved hjelp av en jordklemme. Fest den andre enden til kabinettet eller stativet.
      MERK: Jording er kanskje ikke tilrådelig i alle situasjoner.
4. Koble til batteriet.
   MERK: De fleste DCP-er trenger 5-24 volt (V), selv om 12 V er mest vanlig og 7 eller 12 Ampere timer (AH) er tilstrekkelig til å drive de fleste jordfuktighetsstasjoner. En 12V 12AH batteripakke og spenningsregulator brukes her.
   1. Forsikre deg om at laderegulatoren er i av-posisjon . Bruk en multimeter satt til DC for likestrømspenning, kontroller at spenningen på batteriet er tilstrekkelig (>10V for et 12V batteri) og identifiser + og - terminalene, hvis ikke merket.
   2. Skyv terminalkontakten på den svarte (-) ledningen over spadeterminalen på bakken (-) på batteriet, og den røde ledningen over + batteristolpen. Koble den andre enden av de røde/svarte ledningene til BAT-porten på spenningsregulatoren.
5. Solfanger
   MERK: Et 10 eller 20 watts panel er vanligvis tilstrekkelig. Økt wattstyrke er nødvendig på høyere breddegrader, mer skyggefulle områder eller på systemer med høyt strømforbruk (f.eks. mobilmodemer, kameraer). Panelet skal være orientert for å motta maksimal innfallende solstråling i løpet av 1 år.
   1. Pakk elektrisk tape separat rundt hver ledning på solcellepanelet.
      MERK: Disse ledningene vil bære strøm hvis panelet utsettes for sollys.
   2. Bruk U-bolter til å montere solcellepanelet over kabinettet og på siden av instrumentstativet som vender mot ekvator (f.eks. sør i USA). Bruk riktig vinkel for områdets breddegrad, vanligvis 25° til 35° i det sammenhengende USA.
   3. Før kabelen inn i inngangspunktet til kabinettet ovenfor. Fjern båndet fra panelledningene. Bruk en multimeter satt til A for strømstyrke, og kontroller at utgangen fra solcellepanelet er >0,1 A .
   4. Bruk en multimeter satt til DC for likestrømspenning, kontroller at utgangen fra solcellepanelet er >10V og identifiser + (vanligvis rød) og - (vanligvis svart) ledninger, hvis ikke merket. Koble - ledningen fra solcellepanelet til G (bakken) -porten, deretter + -ledningen fra SOLAR-porten på laderegulatoren.
      NOTAT: Dekk solcellepanelet med en presenning eller noe ugjennomsiktig for å minimere gnistdannelse.
   5. Kontroller at CHG eller ladelampen nå lyser.
6. Ekstern datakommunikasjon
   MERK: Mobildatatelemetri gir muligheten til å overføre og sende data fra DCP. Smarttelefonapper, for eksempel OpenSignal, kan måle signalstyrken og kursen til nærmeste mobilmast. Omni-directional, multi-band antenner foretrekkes; Imidlertid kan en retningsbestemt antenne (Yagi) forbedre signalet i mer avsidesliggende områder.
   1. Fest antennen til toppen av instrumentmasten ved hjelp av medfølgende U-bolter.
   2. Koble koaksialkabelen til antennen og før den andre enden inn i kabinettet gjennom den overjordiske sensorledningen. Fest kabelen med glidelåser.
   3. Koble den andre enden til mobilmodemet i kabinettet.
7. Slå på systemet
   MERK: På dette punktet er antagelsen at DCP-programmet er skrevet, og alle sensorer er kablet på en passende måte. Solcellepanelet og det oppladbare batteriet er koblet til en spenningsregulator med en rød / svart strømledning koblet til DCP-strømportene.
   1. Slå bryteren på spenningsregulatoren til på. Start DCP-programvaren og koble en bærbar PC til DCP. Bekreft at alle sensorer rapporterer verdier og ikke ikke-et nummer (NaN) eller en feilverdi.
   2. Kontroller hver jordsensor for SWC-, BEC- og T-verdier. Sørg for at SWC-verdiene er >0,05 m 3/m 3 og <0,60 m 3/m ³. Sjekk hvilken som helst sensor utenfor rekkevidde; Sett inn igjen eller bytt ut en sensor som er tvilsom. Hell litt vann gjennom regnmåleren og kontroller at DCP registrerer tellinger.
      MERK: Lave BEC-verdier (<0,001) kan indikere dårlig sensorkontakt (eller veldig tørr jord). Ved installasjon i varmere årstider er T generelt varmest øverst og kaldest nederst.
   3. Sjekk styrken på mobilkommunikasjonen. Følg produsentens dokumentasjon for å fastslå signalstyrken.
      MERK: Signalstyrken bør være > -100 dBm for å sikre anstendig signalkvalitet. Retningsantenner kan roteres for å muligens forbedre signalet. Mange andre kommunikasjonsalternativer eksisterer utover mobilnettet (f.eks. satellitt).

10.Site ferdigstillelse

1. Når alt under bakken fungerer, og kablene eller kablene i ledningen er alle i grøften og ført inn i kabinettet, fyll og forsegle åpningene til de over- og underjordiske kapslingsinngangene med elektrisk kitt for å beskytte mot fuktighet og holde insekter ut av kabinettet.
2. Avgrens den ytre omkretsen av sensorplasseringer på overflaten med permanente innsatser med lys flagging.
3. Fyll igjen det utgravde området med jorda på presenningen og i motsatt rekkefølge av fjerning (trinn 3.1) (dypest til grunneste). Start med å pakke jorden for hånd mot grøfteflaten og rundt sensorhodet på 50 cm, og pass på at du ikke forstyrrer sensoren. Støtt sensorhodet mens du pakker jord rundt det, slik at sensortindene ikke beveger seg.
4. Forsikre deg om at alle gjenværende sensorkabler fortsatt er plassert nær bunnen av grøften; Deretter dekker du dem forsiktig med dypere jord fra tarpen. Komprimer jorda i bunnen av gropen for å sikre kablene, vær forsiktig så du ikke trekker dem nedover med noen kraft. Bruk tilstrekkelig kraft under komprimering for å sikre tilsvarende bulktetthet av det fjernede materialet.
   MERK: Våtere jord under installasjon kan lett overkomprimeres, mens tørrere jord kan holde seg løs uavhengig av kraft.
5. Fyll igjen gropen i 10 cm heiser, glatt ut og komprimer overflaten til 20 cm sensoren er nådd. Igjen, pakk forsiktig jorden under og rundt sensoren, før du går tilbake til å fylle opp et annet 10 cm løft med jord.
6. Til slutt, håndpakk jorden rundt 10 cm sensoren, deretter 5 cm sensoren, slik at begge forblir horisontale og på plass. Fyll resten av jordgropen med øvre jord fra presenningen.
   MERK: All jord som fjernes skal gå tilbake i gropen. Rester av jord indikerer at jorda ikke ble pakket til den opprinnelige bulkdensiteten.
7. Bruk grøftespaden til å skyve den utgravde jorden ved siden av grøften over ledningen. Sørg for at alt er begravd helt og under 5 cm.
8. Bruk en stålrake til å jevne ut den ompakkede jorden i gropen og grøften i flukt med den opprinnelige overflaten. Kompakt jord i ledningsgrøften tilstrekkelig til å minimere fortrinnsrett til installasjonsstedet.
9. Valgfritt: Dryss litt kiselgur rundt en hvilken som helst undergrunnsåpning og på overflaten for å motvirke maur, snegler og andre insekter.
10. Anbefalt: Bruk en bærbar SWC-sensor til å ta avlesninger av overflatejorda rundt in situ-sensorene for å hjelpe dataverifisering over tid og eventuelle skaleringsbehov. Ta målinger i kardinalretninger (nord, sør, øst og vest) på konsekvente avstander unna (f.eks. 5, 10, 25 og 50 m).

11. Ta opp stasjonsmetadata, dataene bak dataene²³

MERK: Dokumenter metadata ved installasjon og hvert besøk på stedet (se tabell 1). Konsekvent metadatarapportering støtter det voksende praksisfellesskapet og er avgjørende for å sikre data- og nettverksintegritet.

1. Dokumenter installasjonsdetaljene, inkludert en unik identifikator, installasjonsdato, sensorserienumre, tilsvarende SDI-12-adresser, innsettingsretninger (horisontale eller vertikale) og dybder.
2. Beskriv jordprofilen og ta tilhørende bilder. Registrer eksempelidentifikatorer for eventuelle jordprøver som samles inn.
3. For stedets beliggenhet registrerer du breddegrad og lengdegrad, høyde, helning, aspekt, arealbruk og arealdekke.
4. Noter grunneier- og kontaktinformasjon, samt tilgjengelighet på stedet, inkludert port- eller låsekoder.
5. Ved hjelp av Compass App på en smarttelefon (eller et faktisk kompass) og et målebånd, måle vinkelen og avstanden til sensorgropen (og eventuelle sensorskruehull) fra to referansepunkter (f.eks. jordingsstang eller et stativben).
   MERK: Dette vil bidra til å triangulere sine posisjoner senere.
6. Ta bilder av den ferdige stasjonen og orienteringene nord (figur 6C), sør (figur 6D), øst og vest fra instrumentmasten. Avgrens sensorens installasjonssted med flagging eller andre distinkte elementer.

Tabell 1: Stasjonsmetadata for innsamling av jordfuktighetsdata. Forkortelser: Dec. = avtagende; GPS = Global Positioning System; 3DEP = 3D høydeprogram; O&M = drift og vedlikehold; SSURGO = Jordundersøkelse geografisk database; Mukey = kartenhetsnøkkel. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

12. Drift og vedlikehold

MERK: En detaljert vedlikeholdslogg bør legges til metadataposten, inkludert sensorutskifting, vegetasjonshelse eller endringer, eller forstyrrelser på stedet.

1. Utfør rutinemessige befaringer minimum årlig (tab 2). Registrer eventuelle sensorkalibreringer eller utskiftninger.
2. Sørg for regelmessig vegetasjonsforvaltning, spesielt for permanente stasjoner, slik at området ikke blir gjengrodd eller uregelmessig for det omkringliggende området.
3. Tilpasse dyreforvaltningen til lokalt dyreliv, eventuelt inkludert gjerder.
4. I tilfelle sensorfeil, gjør et nødbesøk og installer en erstatning (tabell 2).

Tabell 2: Eksempel på vedlikeholdsplan. Forkortelse: DCP = datakontrollplattform. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

Representative Results

SCAN-nettverket startet som et pilotprosjekt for NRCS i 1991. Det er det lengste operative SWC-datainnsamlingsnettverket¹⁵ og grunnlaget for de representative resultatene i denne protokollen. Alle SCAN-steder begynte opprinnelig med en analog kapasitanssensor. Feltinstallasjonsstedet (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland, som brukes i videokomponenten i denne protokollen, overvåker (figur 7A) luft- og jordtemperatur hver time og (figur 7B) timebasert SWC på 5, 10, 20, 50 og 100 cm dybde. Daglig PPT, lagring av jordvann (SWS) til 20 cm, og endring over tid (dSWS) er vist i figur 7C. For hver PPT-hendelse var det en kraftig økning i SWC nær overflaten (5 og 10 cm) og en mer dempet og forsinket økning på større dyp da fuktefronten forplantet seg nedover under tyngdekraften. Under arrangementer i begynnelsen av februar og april 2022 nådde den dypeste sensoren på 100 cm et platå på 0,33 m 3/m³, som ble opprettholdt i flere dager. Slike forhold indikerer kort metningsvarighet. Jordhorisontens tørrbulktetthet fra karakteriseringsdata (tabell 3) var 1,73 g/cm³, med en estimert porøsitet (φ) på 0,35 [-], noe som gir ytterligere bevis for at porerommet var helt fylt med vann. Gitt sandleire/leiraktig sand i jordprofilen, ble mettede forhold mest sannsynlig produsert av dårlig drenering eller et grunt vannspeil som hemmet drenering. Merk at lufttemperaturen på dette nettstedet faller under frysepunktet de fleste kvelder til april; Jordtemperaturen holdt seg imidlertid over 2 °C, og det var ingen indikasjon på frosset vann i SWC-dataene på noen dybde.

Figur 7: Eksempelresultater fra feltstasjonen (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland. (A) Timeluft og jordtemperatur, (B) SWC per time og (C) daglig nedbør, lagring av jordvann til 20 cm, og forskjellen over tid. Forkortelser: SWC = jordvanninnhold; PPT = nedbør; SWS = lagring av jordvann; dSWS = forskjeller i SWS over tid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tabell 3: Stedsdata og jordkarakterisering for dataeksempler presentert i de representative resultatene. Alle data presentert i figurer og tabeller ble hentet fra NRCS on-line database på URL notert for hvert nettsted. Data om karakterisering av jordsmonn var ikke tilgjengelig for Table Mountain (#808). Forkortelser: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = enhetlig ressurslokalisator; c = leire; FSL = fin sandleire; ls = lammende sand; s = sand; sc = sandaktig leire; scl = sandleire; si = silt; sil = silty loam; sl = sandleire; nd = ingen data; BD = bulktetthet 33 kPa. Klikk her for å laste ned denne tabellen.

Et mer ekstremt eksempel på metning er vist i figur 8 for en skanneplassering (2110) nær Yazoo, Mississippi. Jordsmonnet har svært høyt leireinnhold (over 60%), lave bulktettheter fra 1,06 til 1,23 g/^cm3, og en φ fra 0,54 til 0,60 [-] (tabell 3). Den første PPT-hendelsen på ~40 mm den 13. april 2020 mettet jorda til en SWC på >0,60 m 3/m³ på alle dybder i 12 påfølgende dager-verdier svært nær de målte φ. En andre hendelse på 70 mm/dag 20. april 2020 hadde ingen effekt på dSWS, noe som tyder på metningsoverskudd. En tilsvarende metningsperiode var bemerkelsesverdig i november 2020. Mens det ikke var måling på 100 cm, holdt SWC på 50 cm seg stabil på 0,39 m 3/m 3, bortsett fra på sensommeren hvor den beskjedent falt til 0,36 m 3/m ³. Nettstedsnotater (tilleggstabell S2) indikerer at den "loam" sensorspesifikke kalibreringen³¹ ble brukt, slik tilfellet er for kapasitanssensorer som brukes på de fleste SCAN og USCRN-steder. Begge eksemplene illustrerer viktigheten av jordkarakterisering og BD-data, samlet inn under karakterisering av stedet (trinn 5), på tolkningen av SWC-data.

Figur 8: Eksempelresultater fra et fuktig, temperert sted (SCAN 2110) i nærheten av Yazoo, Mississippi . (A) Timeluft og jordtemperatur, (B) timebasert SWC, og (C) daglig nedbør og endring i jordvannlagring. Forkortelser: SWC = jordvanninnhold; PPT = nedbør; SWS = lagring av jordvann; dSWS = forskjeller i SWS over tid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 9 presenterer en enklere tidsserie av in situ SWC på fem dybder med fem fuktehendelser som resulterer i sekvensiell forplantning av fuktefronten nedover i jordprofilen. Dette SCAN området (2189) var lokalisert i nærheten av San Luis Obispo, CA, i et middelhavsklima med en våt vår og en lang, tørr sommer på en sandjord med en φ fra 0,37 til 0,51 [-] (tabell 3). Responsen på fukting av jordoverflaten var rask og avtok i størrelse med dybden. Den siste store PPT-hendelsen over 5 dager var nok til å vise respons på 50 og 100 cm dyp. Etter hvert som dybden økte, ble den daglige syklusen til jordtemperaturamplituden redusert, og tiden for maksima- og minimatemperaturer lå lenger bak lufttemperatur og grunnere dybder (figur 9A). Selv om disse egenskapene kan være nyttige for å skille mellom sensordybder, som diskutert i neste avsnitt, var det også en merkbar effekt på svingningen av SWC på 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 mer ubetydelig i de dypere sensorene. Det var også i fase med jordtemperaturer, og støy var mer sannsynlig indusert i sensoren av temperatursvingninger og usannsynlig å være et resultat av fysisk bevegelse av jordfuktighet eller faktisk nedbør. Dette tørrere stedet (2189) har mye større daglige endringer i jordtemperatur enn det mer mesiske feltinstallasjonsstedet (2049), som ikke viser temperaturstøy i SWC-dataene (figur 7B).

Figur 9: Eksempel resultater fra en semi-tørre, Middelhavet området (SCAN 2189) ligger nær San Luis Obispo, California . (A) Timeluft og jordtemperatur, (B) timebasert SWC, og (C) daglig nedbør og endring i jordvannlagring. Forkortelser: SWC = jordvanninnhold; PPT = nedbør; SWS = lagring av jordvann; dSWS = forskjeller i SWS over tid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur 10 presenterer en av de mer utfordrende tolkningene av SWC-data som finnes med frossen jord og snødekke. Dette stedet (808) lå i nærheten av Boseman, MT, på 4,474 fot over havet. Daglige lufttemperaturer oversteg tidvis frysetemperaturer om vinteren (desember, januar og februar) i 2020. Jordtemperaturen holdt seg like over 0 °C fram til mars. Tilstedeværelsen av snø på overflaten vil isolere jorda mot variasjoner i lufttemperaturen. Videre, i fuktig jord, frigjøring av latent varme og forbruk av energi, ledsaget av faseovergangsprosesser relatert til fryse-tine-sykluser, bufret jordtemperatur, holde dem svært nær 0 ° C til disse faseendringene var fullført. Den lille ε av is i frysende jord fremstår som dramatiske reduksjoner i SWC etterfulgt av økninger under tining uten indikasjon på PPT. Dette var mest tydelig i midten av desember og midten av mars, da lufttemperaturene raskt falt og SWC på 5 og 10 cm sank i 3 dager og deretter tok seg opp igjen. Jordtemperaturen på 100 cm nådde frysepunktet i midten av november og var på et lavt SWC høsten før, hele vinteren, og endret seg ikke i løpet av vårtiningen, noe som tyder på at det kan ha vært funksjonsfeil. Imidlertid kan de raske fallene og utvinningen i de andre sensorene være eller ikke være reelle endringer i flytende jordvann; Å tolke slike data kan være svært utfordrende uten tilleggsmålinger av snøtilstedeværelse eller dybde. Ofte blir SWC-data ved eller under frysepunktet sensurert i kvalitetskontroll. Mer diskusjon om jordtemperaturer nær frysepunktet er presentert i delen om kvalitetskontroll av dataposter.

Figur 10: Eksempel resultater fra et halvtørt, alpint sted (SCAN 808) som ligger i nærheten av Three Forks, Montana . (A) Timeluft og jordtemperatur, (B) timebasert SWC, og (C) daglig nedbør og endring i jordvannlagring. Forkortelser: SWC = jordvanninnhold; PPT = nedbør; SWS = lagring av jordvann; dSWS = forskjeller i SWS over tid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Andre eksempler og karakteriseringsdata ble hentet fra SCAN-databasen (se tabell 3 for Uniform Resource Locator, [URL]). Rapportering og kvalitetskontroll av disse dataene trenger noen tolkning for å avgjøre om det er en fysisk mekanisme for å forklare uberegnelig oppførsel. Vår tolkning mangler kunnskap på stedet, og til tross for mange års evaluering av SWC-tidsserier, kan det fortsatt være utfordrende å vurdere en god sensor eller installasjon fra en sviktende eller dårlig en.

Figur 11 viser vanlige eksempler på problemdataposter, tilfeldig plukket fra 40 skannestasjoner mellom 2020 og 2021. De vanligste feilene inkluderer pigger (figur 11A) og trinnendringer enten oppover (figur 11B) eller nedover (figur 11C), som flagget av International Soil Moisture Network³². For hver av disse er det ingen samtidig PPT-hendelse for å forklare slike endringer, og de kan betraktes som feilaktige. Problemet med øyeblikkelige pigger eller fall er sammensatt når man bare ser på daglige midler, som kan skjule slike hendelser. Det er best å fjerne dem før du foretar noen gjennomsnittlig beregning. Starten og slutten av en trinnendring kan være åpenbar, men det er vanskelig å fylle ut data i mellom. Vi nærmer oss ikke datautfylling i denne protokollen, men flagger bare feilaktige data. Uberegnelig oppførsel (figur 11D) presenterer seg som vill svingning uten respons på PPT-hendelser. I noen tilfeller kan pigger forsvinne etter ledningskontroll og utskifting av multipleksor, som vist i figur 11A etter august 2020. Oftere er uberegnelig oppførsel et forspill til en sviktende sensor, som vist i figur 11E. Måleren på 10 cm dybde ga et rimelig varsel om uberegnelig oppførsel i januar og sviktende i slutten av mars. Måleren på 5 cm dyp sviktet imidlertid uten forvarsel 1.mars 2021.

Figur 11: Eksempler på problemposter. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, som viser periodiske fall på 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, med en positiv trinnendring på 50 cm dybde, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, med en nedadgående trinnendring, pigger og til og med utvinning på 50 cm dybde, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, viser ingen respons på nedbørshendelser på 5 eller 10 cm sensoren, med noe gjenoppretting av 10 cm sensoren etterfulgt av den eminente feilen i begge, og (E) SCAN 2027, Little, Georgia, med en glitching sensor på 20 cm og katastrofal svikt på både 5 og 20 cm dyp. Sensordybder er angitt som 5 cm (svart), 10 cm (blå), 20 cm (oransje), 50 cm (mørkegrå) og 100 cm (gul). Forkortelser: SWC = jordvanninnhold; PPT = nedbør. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Ved SCAN 2084 begynte nettstedet å registrere data den 2/6/2004 og hadde flere notater om uberegnelig oppførsel relatert til SDI-12 multipleksere, som ble erstattet flere ganger (tilleggstabell S2). Sensorene er imidlertid originale, og etter 18 år forblir de funksjonelle. Ved SCAN 2015 startet datainnsamlingen 25.10.1993, og 50 cm-sensoren i figur 11B ble vurdert som mistenkelig i 2017 (tilleggstabell S2). Det eldste nettstedet, SCAN 808, begynte å rapportere den 9/30/1986 og ble konvertert til en SCAN-stasjon den 10/25/2006; Den har ikke fått byttet ut noen sensorer til dags dato. Avvik, som vist i figur 11E, fører ikke alltid til feil, siden figur 10 har rimelige data. SCAN 2006 begynte å rapportere 10.1.1993; de originale 5 og 10 cm sensorene i figur 11D ble byttet ut 24.01.2022. SCAN 2027 begynte å rapportere 19.5.1999; de originale 5 og 10 cm sensorene i figur 11E ble byttet ut 13.08.2021. Som nevnt begynte SCAN-steder med en analog kapasitanssensor. Mange av disse sensorene har vart i over 20 år, og selv om de ikke nødvendigvis produserer data av høyeste kvalitet hele veien, har de forblitt funksjonelle. Å bestemme punktet for å erstatte en sensor forblir et åpent spørsmål for utøvere. Stedets metadata og jordegenskaper for lokaliteter i figur 11 finnes i tilleggstabell S3.

Rapportering av data
Continuous in situ SWC-sensorer rapporterer tre til seks verdier per tidsregistreringsintervall. Sammen med eventuelle tilleggsmålinger genererer langsiktig distribusjon av SWC-sensorer store mengder enhetsverdidata som må lagres og leveres. Miljømålinger gjøres ved diskrete utvalgsintervaller som aggregeres over tid og rapporteres som datapost. Atmosfærisk målesamplingsfrekvens varierer etter måling; Den er større for vind- og solstrålingsmålinger (<10 s) og større for lufttemperatur og fuktighet (60 s) ³⁰. Disse eksempelverdiene beregnes i gjennomsnitt eller akkumuleres over et rapporteringsintervall som kan variere fra 5 minutter til 1 time. På samme måte kan SWC umiddelbart samples ved rapporteringsintervallet eller samples (f.eks. hvert 5. minutt) og gjennomsnittes i gjennomsnitt på 30 minutter eller 60 minutter, siden dynamikken til SWC er relativt langsommere i sammenligning. Selv om gjennomsnitt fra hyppigere prøvetaking kan redusere støy fra temperatursvingninger, elektrisk interferens og iboende sensorvariabilitet, er det ikke tilrådelig, fordi datatopper kan forstyrre middelverdien som diskutert tidligere. De fleste SWC-dataposter kan tilfredsstilles med sensing hver time, men for regioner med høyere hastighetsdreneringsforhold (sandjord) og intensiv PPT (monsunforhold), registrerer noen nettverk med et 20 minutters tidsintervall for å fange nedbørshendelser fullt ut. Til slutt kan dataoverføring eller telemetri begrenses av teknologien (f.eks. satellittsystemer) eller ha kostnadsnivåer basert på datastørrelse og frekvens. Optimalisering av rapporteringsintervaller og telemetervariabler kan bidra til å kontrollere kostnadene. For eksempel foretrekkes overføring av råverdier (f.eks. ε eller tellere) fremfor avledede verdier (f.eks. SWC) som kan beregnes i etterbehandling. Dataoppløsning kan også påvirke størrelsen på telemetripakken. Det er imidlertid viktig å representere SWC som enten en prosentandel (0,0-100,0%) ved en oppløsning på 0,1% eller som et desimal (0,00-1,00) ved en oppløsning på 0,001 m 3 ^m-3. Desimalversjonen i m 3 ^m-3 er sterkt foretrukket for å unngå forveksling med prosentvise endringer i vanninnhold i senere analyser og rapportering, og for å unngå forveksling med massebasis vanninnhold (g / g) som også kan rapporteres som prosent vanninnhold. Jordtemperatur, ε og BEC rapporteres vanligvis ved henholdsvis 0,1 °C, 0,1 [-] og 0,1 dS ^m-1 oppløsninger.

Kvalitetskontroll av dataregistrering
Kvalitetskontrollprosessen for dataregistrering verifiserer dataene og dokumenterer kvaliteten. Nøyaktige feltnotater og kalibreringslogger er avgjørende for behandling av dataposten. De typiske trinnene i behandlingen av en post er en innledende evaluering, fjerning av åpenbare feilaktige data, anvendelse av eventuelle beregninger eller korreksjoner med avledet verdi, og en endelig dataevaluering. SWC-poster består vanligvis av et signal (f.eks. ε, teller eller mV), jordtemperatur og BEC som brukes i varierende grad for å utlede SWC. Sensorer kan også sende ut en produsentavledet SWC. Ingen sensor måler imidlertid SWC direkte; Denne beregningen kan være en del av databeregningstrinnet, forutsatt at en passende kalibreringsligning er tilgjengelig og gjort til en del av metadataposten. En post kan være en øyeblikkelig måling eller et gjennomsnitt over en periode. Det er ønskelig at rådata vedlikeholdes slik at de mest hensiktsmessige formatene kan beregnes for kvalitetskontroll og forbedringer i kalibreringsligninger eller sensorforståelse kan brukes på rådataene. Sensoregenskaper bør diktere om øyeblikkelige verdier eller middelverdier for flere avlesninger registreres, selv om øyeblikkelige verdier foretrekkes av grunner gitt tidligere.

Det finnes flere måter å innlemme tilleggsdata på (se dataverifisering nedenfor) i en arbeidsflyt for kvalitetskontroll. Nedbør er den første sjekken - "økte SWC etter en regnhendelse?" Det er situasjoner der SWC kan øke uten PPT (f.eks. snøsmelting, grunnvannsutslipp, vanning). Den andre kontrollen er å sammenligne endringen i lagring av jordvann mot den totale mengden PPT for en bestemt hendelse (figur 7C). Ideelt sett bør denne hendelsen være en isolert, lavintensiv nedbørshendelse. Nedbør infiltrerer jorda fra overflaten og perkolerer nedover. Toppen i SWC bør følge et lignende mønster nedover (figur 7B). Foretrukket strømning kan imidlertid føre til at infiltrerende vann omgår en grunn sensor eller forårsaker rask respons ved dypere sensorer. Selv om dette kan være "ekte" responser, kan dårlig komprimering av installasjonsgrøften eller rundt en individuell sensor fortrinnsvis lede vann mot en sensor. Bias i fukting foran ankomst bør brukes med forsiktighet og sunn fornuft når man tolker uvanlige reaksjoner på nedbør eller snøsmelting. Som illustrert i tabell 3, dikterer BD den øvre grensen for porerom i jord, φ [-], i mineraljord. Vanninnhold som rutinemessig er større enn φ indikerer enten en sensor som ikke fungerer, eller en upassende sensorkalibrering. I førstnevnte tilfelle kan data bli fjernet fra posten. I sistnevnte tilfelle kan rekalibrering tillate at posten beholdes, med verdier endret i henhold til rekalibreringen.

Jordtemperatur er en annen variabel som bidrar til kvalitetskontroll av data. Jordtemperaturen forplanter seg nedover i jordsøylen og dempes med dybden (figur 7A). Temperaturen skal toppe seg tidligere og høyere nærmere overflaten med økende lagtid fra overflatetoppen når sensordybden øker. Eventuelle forsinkelser i sensoren som ikke er i drift, kan være en indikasjon på en feilidentifisert dybde eller feil SDI-12-adresse. Som vist i figur 10 og diskutert der, avhenger elektromagnetiske sensorer av endringer i ε, som varierer fra ~ 3 for is til ~ 80 for vann. Endringer mellom vann og is registreres av SWC-sensorer. Det kan imidlertid være nødvendig å heve flaggingsterskelen, da sensorvolumet til sensoren er forskjellig fra sensorvolumet til jordtemperaturtermistoren, og terskelen kan være så høy som 4 °C. Fordi graden av frysing og den relative mengden flytende vann kan være viktig for å vurdere jordhydrologi, bør disse dataene flagges som påvirket av frysing og ikke nødvendigvis fjernes. På det mest grunnleggende nivået bør kvalitetskontroll rasjonalisere enhver uberegnelig sensorrespons på noen fysisk mekanisme, ellers er det en feil. Selv om automatiserte kvalitetskontrollrutiner er et krav for store nettverk og ulike datakilder 13,33,34,35^, er det ingen erstatning for data for å opprettholde langsiktig datakvalitet.

Verifisering av data
En av de mest utfordrende aspektene ved SWC-data er verifisering - "gir sensoren gode og nøyaktige data?" De fleste miljøsensorer er tilgjengelige etter distribusjon og kan erstattes med en ny sensor etter en viss varighet, returneres til produsenten eller laboratoriet for å bli rekalibrert mot standarder, og / eller få dataene verifisert mot en prøve samlet inn fra feltet. Meteorologiske organisasjoner følger strenge prosedyrer for atmosfæriske sensorer, inkludert sensorrotasjoner, sensorvedlikehold og kalibreringer i felt som gjør at forebyggende vedlikehold kan tjene som første passering av dataverifisering^10,30. SWC-sensorer er begravd in situ og kan ikke revideres eller kalibreres på nytt uten betydelig forstyrrelse på stedet og potensiell skade på sensoren. Videre er det ingen aksepterte standarder for SWC-sensorer, og som sådan krever dataverifisering litt kunnskap om den forventede sensorresponsen og en viss tillit til selve sensoren. Begge krever praktisk erfaring og beste praksis som følges i feltet (dvs. vedlikehold og inspeksjoner på stedet). Hvis uvanlige ytelsesproblemer, som presentert i figur 11, blir kroniske, er det stor sannsynlighet for at sensoren svikter, og den bør byttes ut.

Elektromagnetiske sensorer har ingen bevegelige deler, og ledningen og kretsene har en tendens til å være robuste. Etter 3 år rapporterte Texas Soil Observation Network en feilrate på 2% for oscillatorsensorer for overføringslinjer²¹. Etter mer enn 10 års tjeneste rapporterte US Climate Response Network en markant økning i feilfrekvensen av impedanssensorer ved 15-18 sonder per 100 fra 2014 til 2017³⁶. Som presentert i figur 11 var de fleste SCAN-sensorer over 20 år gamle før svikt. Utskifting av en sensor før svikt foretrekkes, slik at sensoren kan evalueres på nytt i luft, vann og sand for å kontrollere for avdrift mot forhåndsdistribusjonsverdier, hvis disse ble registrert (f.eks. trinn 1), blant andre årsaker. Rutinemessig utskifting er noe upraktisk med SWC-sensorer og gjøres sjelden i store nettverk, og vi er ikke kjent med noen langsiktige evalueringer av elektromagnetisk SWC-sensorendring over tid. USCRN-nettverket migrerer for tiden til en ny sensorteknologi etter over 10 år ved hjelp av kapasitanssensorer. Planen er å ha minimum 2 års overlapp mellom gamle og nye sensorer for å gjøre eventuelle justeringer.

Regelmessige vedlikeholdsbesøk bør omfatte verifisering av SWC-data, ideelt sett under en rekke fuktforhold. Dette kan gjøres indirekte ved hjelp av en bærbar sensor, ideelt kalibrert til noen jordprøver eller direkte til volumetriske jordkjerner samlet på stedet. Den beste tilnærmingen er å sammenligne in situ sensoravlesninger med SWC fra volumetriske jordprøver på tilsvarende dybde³⁷ (figur 12). Planlagt vedlikehold bør forsøke å dekke en rekke jordfuktighetsforhold, slik at en enkel regresjon mellom direkte/indirekte SWC-målinger og sammenfallende sensoravlesninger kan sammenlignes. Dypere jordprøvetaking kan gjøres i skruehull eller med mekaniske kjerneanordninger. Verifikasjon av overflatesensorene (f.eks. 5 og 10 cm) kan være tilstrekkelig siden de dypere sensorene bør følge en lignende karakteristisk respons som PPT, som tidligere diskutert. Det er flere begrensninger i denne post hoc SWC-vurderingen. Den primære ulempen er at de volumetriske prøvene ikke kan (og bør heller ikke) tas direkte på sensorene og kanskje ikke er virkelig representative for SWC innenfor sensorvolumet rundt tindene (innen 3 cm). Dette fører til den andre ulempen; mange flere prøvetakingssteder og dybder kan være nødvendig for å få en representativ felt-SWC-verdi. Dette kan også resultere i mange hull og forstyrrelser rundt området. En tredje ulempe er vanskeligheten med å skaffe volumetriske jordprøver i dybden uten utgraving som forstyrrer jordprofilen.

Figur 12: Volumetriske SWC-data. SWC-data fra 60 cm³ jordkjerner tatt som feltkalibreringsdata sammenlignet med SWC fra in situ-sensorer på dybder på 15, 30, 45 og 60 cm, i teksturer som spenner fra leiraktig, fin sand til leire. Denne figuren ble tilpasset fra Evett et ^al.37. Forkortelse: SWC = jordvanninnhold. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

NRCS utviklet en jordprøvetakingsmetode i skruehull ved hjelp av et volumetrisk prøvetakingsrør (en sonde i Madera-stil) på en forlengelsesstang for prøver i bunnen av et skruehull³⁸. Disse direkte målingene kan også kombineres med indirekte målinger fra bærbare sensorer^37,39,40 for å gi en kalibrert vurdering av in situ-sensorenes romlige representativitet^13,41. Som beskrevet i protokolltrinn 10.10, kan denne prosessen gjentas for å tillate noen metriske (f.eks. rotmiddelkvadratfeil, skjevhet, korrelasjon) for å bestemme eventuelle nylige avvik fra in situ-sensorene fra direkte prøvetaking eller indirekte estimater av SWC. Flere detaljer presenteres også av Det internasjonale atomenergibyrået IAEA⁷. Jordutgravnings- og karakteriseringsdata presentert i trinn 3 og 5 gir også data om φ (SWC bør ikke overstige denne verdien). Jordtekstur og horisontering illustrerer soner med høy / lav ledningsevne og jordvannretensjon. Disse trinnene er i stor grad i tråd med prøvetakingsprotokollen for skogjord²⁵. Den ønskede representativitetsskalaen kan brukes til å samle inn valideringsdatasettet, og deretter kan stasjonen skaleres til det validerte fotavtrykket⁴². Hvis en stasjonssensortype byttes ut, vil det være rimelig å samle inn et annet sett med valideringsdata på tvers av en rekke grunnvannsforhold for å fange installasjonsskjevheten igjen.

Hjelpedatasett kan bistå i verifisering og vurdering av SWC-data. Det er åpenbart at en hydrologisk tidsserie er dramatisk forbedret med en PPT-måler på stedet for å verifisere tidspunktet, varigheten og størrelsen på hendelsene. Jordmatriske potensielle sensorer gir energistatusen til jordvannet, avgjørende for å kvantifisere plantens tilgjengelige vann. Meteorologiske sensorer, inkludert lufttemperatur, relativ fuktighet, vindhastighet og solinnstråling, tillater direkte beregning av referansefordampning (ET), som er en nyttig veiledning for relativt plantevannopptak, og dermed jordtørkehastighet⁴³. Flere økonomiske, alt-i-ett værsensorer er tilgjengelige med SDI-12-utgang. Grunnvannstandsinformasjon fra en trykkmåler er en annen verdifull måling, hvis vannspeilet er nær overflaten og en overvåkingsbrønn kan installeres. Endelig kan et feltkamera gi både vitenskapelig verdi og stedssikkerhetsverdi. Digitale bilder kan registrere vegetasjonsvekst og grønnhet⁴⁴, og stasjonens generelle tilstand kan vurderes uten feltbesøk.

Tilleggstabell S1: Vanlig (men ikke inkludert) in situ SWC-sensorteknologi. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggstabell S2: Sensorhistorikklogger hentet fra NRCS online-database for alle steder presentert i denne protokollen. Data tilgjengelig via hver nettadresse. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggstabell S3: Stedsdata og jordkarakterisering for dataeksempler presentert i figur 11. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

Jordfuktighetstilstand er et resultat av mange forskjellige miljøfaktorer, inkludert nedbør, vegetasjon, solinnstråling og relativ fuktighet, sammen med jordhydrauliske og fysiske egenskaper. Disse samhandler over tid og rom på forskjellige romlige og tidsmessige skalaer. For å modellere og forutsi vann-, energi- og karbonsyklusene, er det nødvendig å forstå SWC-tilstanden. En av de vanligste typene automatiserte måleteknologier er en elektromagnetisk SWC-sensor med tinder som er ment å settes in situ inn i uforstyrret jord. Denne protokollen er utformet for å gi veiledning for prosessen med å installere disse vanlige typene nedgravbare sensorer. Nøyaktighet, ytelse og kostnad er vanligvis proporsjonal med driftsfrekvensen til sensorene. Lavfrekvente sensorer koster mindre, men er mer forvirret av jord- og miljøfaktorer⁴⁵. Jord- eller stedsspesifikk kalibrering kan forbedre nøyaktigheten til lavfrekvente sensorer. Målemetoden påvirker også sensorens ytelse på grunn av den underliggende fysikken til det elektromagnetiske feltet (EMF).

To store elektromagnetiske fysiske lover styrer elektromagnetisk sensing. Den ene er Gauss' lov, som beskriver hvordan sensorens forplantede EMF er avhengig av mediets ε og BEC. Permittiviteten øker med SWC, men det gjør også BEC. Derfor påvirkes sensorer avhengig av Gauss 'lov av SWC, BEC og temperatureffekten på BEC, samt eventuelle forstyrrelser fra saltholdighet. Kapasitansfølende metoder adlyder Gauss' lov og er dermed mer utsatt for disse effektene⁴⁶. I tillegg beskriver Gauss 'lov avhengigheten av kapasitansen på en geometrisk faktor, som endres med formen på EMF i jorda. Forskning har vist at EMF-formen endres med jordstrukturen og den småskala romlige variasjonen av vanninnhold rundt sensortindene. Småskala romlig variasjon av vanninnhold og jordstruktur er stor i de fleste jordarter, noe som resulterer i geometriske faktorendringer og påfølgende kapasitansendringer som har lite å gjøre med bulk gjennomsnittlige endringer i jordvannet. Disse faktorene reduserer kapasitanssensorens nøyaktighet og øker datavariabiliteten^46,47,48. Impedans- og transmisjonslinjeoscillasjonsmetodene er også avhengige av Gauss' lov, mens tidsdomenereflektometri og tidsdomenetransmissometrimetoder avhenger av Maxwells ligninger, som ikke inkluderer en geometrisk faktor og ikke er avhengige av BEC. Selv om ingen sensor er problemfri, har tidsdomenemetodene en tendens til å være betydelig mer nøyaktige og mindre partiske enn enten kapasitans- eller impedansbaserte metoder.

Det er flere kritiske trinn i prosedyren. For et spredt nettverk er riktig valg av sted og sensorplassering nødvendig for å ha den mest hensiktsmessige romlige representasjonen av SWC. Valg av sted kan være mer påvirket av eksterne faktorer, for eksempel tilgang til land, eller andre atmosfæriske overvåkingskrav der jordfuktighet er tilleggsmåling. Meso-skala meteorologiske steder ligger på brede og åpne, velstelte gressflater for å minimere mikroskalapåvirkninger. Slike steder kan være mindre ideelle for SWC-overvåking. Hvis det er relevant, bør trådløs sensorteknologi vurderes 49,50,51,52,53 for å tillate SWC-overvåking å skje utenfor den eksisterende miljøovervåkingsstasjonen og i representativ jord. Å jobbe rundt aktiv gårdsdrift og vanningsutstyr er utfordrende. De fleste nettverk (f.eks. SCAN og USDA-ARS) holder seg i utkanten av feltene for å unngå jordbearbeidingsaktiviteter som ploger eller hogstmaskiner som kan kutte kablene og avdekke sensorer. Enhver in situ sensor og kabel må være tilstrekkelig nedgravd og ha en lav nok overflateprofil for å unngå å utledes med drift på gården. Trådløse systemer⁵³ og flyttbare borehullssensorer⁴⁷ kan være mer hensiktsmessig. Bevaring av grunnvann ved hjelp av storskala, jordfuktighetsbasert vanning⁵⁴ er et voksende felt for SWC-sensorer; Denne protokollen gjelder romlig representative langsiktige SWC-data i uforstyrret jord.

Noen jordarter er vanskeligere å måle enn andre. I steinete, grusete eller veldig tørr jord kan det være umulig å sette inn tindene uten skade. Et alternativ er å grave ut jordgropen og legge sensorene på plass mens du fyller på igjen, og prøver å komprimere til den opprinnelige BD. Steinete jord har en tendens til å ha liten struktur, noe som sannsynligvis vil helbrede etter flere fuktings- og tørkesykluser; Imidlertid kan en slik forstyrrelse aldri være virkelig representativ for jordhydrologien på stedet. Alternativt, hvis sensorer er installert i bunnen av skruehull, kan jorden som fjernes siktes for å fjerne steiner og pakkes om i hullet akkurat dypt nok til å imøtekomme sensortindene. Sensoren kan deretter installeres vertikalt, og skruehullet fylles på nytt med gjenværende ikke-siktet jord, med hyppig komprimering når jord tilsettes.

Røtter i skogsjord gir lignende utfordringer som sondeinnsetting, men røtter kan kuttes i noen situasjoner. Skogsjord har ofte organiske (O) horisonter på toppen av mineraljorda, som kan ha svært lav BD og høyt spesifikt overflateareal, med store mengder bundet vann som resulterer i svært ikke-lineære sensorresponser ved høyere SWC⁵⁵. Videre setter utøveren null-datumet som enten toppen av O-horisonten eller mineraljordnoteringen som i metadataene. Leirerik jord og ekspansiv leire med høyt krympe-/svellepotensial kan være ekstremt ledende for elektromagnetiske signaler når de er våte og kan sprekke når de er tørre. Slike jordarter kan trenge ytterligere korreksjoner for å få rimelig SWC fra råmålingene^56,57. I grunt jordsmonn kan berggrunn eller en restriktiv jordhorisont (f.eks. kalk eller hardpanne) påtreffes før man når den ideelle maksimale dybden. Det kan være nødvendig å endre plassering eller rett og slett ikke installere dypere sensor(er). For tørr eller våt jord kan være utfordrende, og det er også å foretrekke å velge installasjonsdatoer utenfor sesongmessige ekstremer. Tørr jord kan være veldig sterk, og det kan vise seg umulig å sette inn en sensor uten skade. Om nødvendig kan hullene fylles med vann for å myke opp gropen, selv om det kan ta litt tid før jorda går tilbake til en naturlig tilstand. Våt jord kan være for svak til å støtte gropflater, eller grøften kan fylles med vann. Det er også lettere å overkomprimere en våt jord.

Sensorutgangen bør inkludere permittivitet, ikke bare SWC, slik at korreksjoner eller jordspesifikke kalibreringer kan gjøres senere. Høyfrekvente sensorer er mer hensiktsmessige i jord med høy BEC, mens kortere tinder kan være enklere å installere i mer kompakte jordarter. Det kanskje mest kritiske trinnet er imidlertid jordkontakt; Dårlig kontakt forringer signalet fra en elektromagnetisk sensor. Til slutt høres tilbakefylling av utgravningen trivielt ut, men det er nøkkelen til å minimere fortrinnsrett til sensorens område, holde kabler beskyttet og motvirke dyr fra å forstyrre området. En jord- eller stedsspesifikk kalibrering kan forbedre sensornøyaktigheten, men krever flere detaljer enn det som er mulig i denne protokollen. Jordsmonn justert eller pakket om til varierende SWC-nivåer er ideelle for å kontrollere lineariteten til responsen og kan fungere som en stedsspesifikk kalibrering for noen sensortyper²¹. Dielektriske væsker kan også være effektive medier for å sjekke sensorrespons⁵⁸. Temperaturkontrollerte vannbad kan brukes til å forbedre jordtemperaturkalibreringer⁵⁹. Denne protokollen er det første skrittet mot etablering av en standard driftsprosedyre for in situ SWC-sensorinstallasjon, da det ikke finnes noen eksisterende metode, og heller ingen akseptert kalibreringsmetode for SWC-sensorer^60,61.

Mens SWC-overvåking har vært fokus for denne protokollen, har metoden begrensninger, og SWC alene kan ikke gi et fullstendig bilde av jordvannsstatus. Mange økosystemprosesser er også regulert av jordvannspotensialet, som er mindre vanlig målt in situ⁶². Jordvannpotensial, nylig gjennomgått av S. Luo, N. Lu, C. Zhang og W. Likos ⁶³, er vannets energitilstand; slike sensorer kan være mindre påvirket av jordegenskaper og gi kvalitetskontroll for SWC-sensorer⁶⁴. Videre inkluderer bulkfeltet SWC grus, bergarter, røtter og tomrom (f.eks. foretrukne strømningsbaner). In situ SWC-sensorer er vanligvis plassert rundt bergarter og røtter, og det begrensede målevolumet, konsentrert rundt tindene, kan gå glipp av diskrete, men viktige aspekter ved bulkfeltet SWC.

Denne protokollen vil forhåpentligvis føre til en mer harmonisert og ensartet SWC-data for et bredt spekter av applikasjoner, inkludert tørkeovervåking, vannforsyningsprognoser, vannskilleforvaltning, landbruksforvaltning og avlingsplanlegging. Fremkomsten av fjernmålingsplattformer⁴ har i stor grad forbedret evnen til å estimere SWC globalt, men disse produktene trenger bakkevalidering, som fortsatt bare er rimelig samlet inn av in situ nettverk⁶⁵. Datamaskinfremskritt har gjort det mulig å utvikle hyperoppløsnings SWC-modellering⁶⁶ , noe som gir høyoppløselig og sub-daglig SWC-status, men disse produktene trenger også in situ estimater av SWC for å gi et visst grunnlag for å beregne usikkerhet. Ofte er det første spørsmålet som stilles når et nytt produkt introduseres, "hva er usikkerheten?" For SWC-produkter er den primære sammenligningen for validering in situ nettverksdata⁶⁷.

Det har vært nylige nettverksutvidelser knyttet til National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), inkludert US Army Corps of Engineers Upper Missouri Basin jordfuktighetsprosjekt og NOAA-støttet sørøst amerikansk nettverksoppbygging, alle designet for å forbedre prediksjon, overvåking og gi beslutningsstøtte for ressursforvaltning. Sikkerhet og nøyaktighet av SWC-estimater for slike applikasjoner kan bare oppnås med grundige protokoller og prosedyrer for å gi tillit til dataintegritet. NCSMMN er en føderalt ledet, multiinstitusjonell innsats som tar sikte på å gi hjelp, veiledning og støtte ved å bygge et fellesskap av praksis rundt jordfuktighetsmåling, tolkning og applikasjon - et "nettverk av mennesker" som knytter dataleverandører, forskere og publikum⁶⁸. Denne protokollen er et produkt av NCSMMNs innsats. En arbeidsflyt for datakvalitetskontroll er nært forestående.

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