In situ Sensores de umidade do solo em solos não perturbados

Summary

A determinação do teor de água do solo é um requisito de missão crítica para muitas agências estaduais e federais. Este protocolo sintetiza esforços de várias agências para medir o teor de água do solo usando sensores enterrados in situ .

Abstract

A umidade do solo afeta diretamente a hidrologia operacional, a segurança alimentar, os serviços ecossistêmicos e o sistema climático. No entanto, a adoção de dados de umidade do solo tem sido lenta devido à coleta de dados inconsistente, má padronização e duração de registro tipicamente curta. A umidade do solo, ou o teor de água do solo quantitativamente volumétrico (SWC), é medido usando sensores in situ enterrados que inferem o SWC a partir de uma resposta eletromagnética. Este sinal pode variar consideravelmente com as condições locais do local, como teor de argila e mineralogia, salinidade do solo ou condutividade elétrica a granel e temperatura do solo; cada um deles pode ter impactos variados, dependendo da tecnologia do sensor.

Além disso, o mau contato com o solo e a degradação do sensor podem afetar a qualidade dessas leituras ao longo do tempo. Ao contrário dos sensores ambientais mais tradicionais, não há padrões, práticas de manutenção ou controles de qualidade aceitos para dados SWC. Como tal, o SWC é uma medida desafiadora para muitas redes de monitoramento ambiental implementarem. Aqui, tentamos estabelecer um padrão de prática baseado na comunidade para sensores SWC in situ para que futuras pesquisas e aplicações tenham orientação consistente sobre seleção de locais, instalação de sensores, interpretação de dados e manutenção a longo prazo de estações de monitoramento.

A videografia se concentra em um consenso de várias agências de melhores práticas e recomendações para a instalação de sensores SWC in situ . Este artigo apresenta uma visão geral deste protocolo, juntamente com as várias etapas essenciais para a coleta de dados SWC de alta qualidade e longo prazo. Este protocolo será útil para cientistas e engenheiros que esperam implantar uma única estação ou uma rede inteira.

Introduction

A umidade do solo foi recentemente reconhecida como uma Variável Climática Essencial no Sistema Global de Observação do Clima¹. A umidade do solo, ou o teor de água do solo quantitativamente volumétrico (SWC), desempenha um papel importante na partição do fluxo de radiação recebida em calor latente e sensível entre a superfície da Terra e a atmosfera, e na partição da precipitação entre escoamento e infiltração². No entanto, a variabilidade espaço-temporal da umidade do solo nas escalas de ponto, campo e bacia hidrográfica complica nossa capacidade de medir o SWC na escala apropriada necessária para atender às metas de pesquisa ou manejo³. Novos métodos para quantificar SWC, incluindo redes terrestres de sensores in situ , detectores proximais e sensoriamento remoto, oferecem oportunidades únicas para mapear a variação do SWC em uma resolução sem precedentes⁴. In situ Os sensores SWC fornecem os registros de dados mais temporalmente contínuos e específicos de profundidade, mas também estão sujeitos a pequenos volumes de detecção e variabilidade em escala local inerente às propriedades do solo, topografia e cobertura vegetal⁵.

Além disso, há uma falta de padrões ou métodos amplamente aceitos para a instalação, calibração, validação, manutenção e controle de qualidade de sensores SWC in situ . A umidade do solo é inerentemente um parâmetro desafiador de medir e pode ser a variável mais difícil de garantir a qualidade⁶. Embora os protocolos gerais para a coleta de dados SWC tenham sido produzidos pela Agência Internacional de Energia Atômica⁷, pelo Comitê de Satélites de Observação da Terra⁸, pelos relatórios da agência federal⁹ e pela Associação Americana de Climatologistas Estaduais¹⁰, há orientações específicas limitadas sobre a instalação, manutenção, controle de qualidade e verificação de dados SWC de enterrados in situ Sondas. Isso tornou a adoção de tais tecnologias desafiadora para redes de monitoramento operacional, como mesonetas estaduais, para adicionar medições SWC. Da mesma forma, também é um desafio para os hidrólogos operacionais, por exemplo, em centros de previsão de rios, incorporar esses dados em seu fluxo de trabalho. O objetivo desta videografia e do artigo que a acompanha é fornecer essa orientação e documentar um protocolo de instalação coeso para sondas SWC enterradas in situ .

Selecionando um local para monitoramento in situ da umidade do solo
Os solos dentro de qualquer área de interesse (AOI) se formam por meio de um feedback único e acoplado ao longo do tempo entre a topografia, ecologia, geologia e clima^11,12. A variabilidade do SWC entre as paisagens torna a seleção do local um aspecto crítico para qualquer estudo de umidade do solo. Para alguns objetivos de pesquisa, um local pode ser escolhido para representar uma característica ou microsite específico na paisagem ou ecossistema. Para efeitos de monitorização das redes, o sítio deve ser espacialmente representativo de uma componente paisagística mais vasta. O objetivo é encontrar um local que forneça a melhor representação espacial do AOI. No campo, considerações mais pragmáticas devem ser alcançadas, como os requisitos de outra instrumentação meteorológica, acessibilidade ou permissão. No entanto, a unidade dominante do mapa do solo dentro do AOI é geralmente uma boa representação espacial das condições ambientais de uma área maior¹³. A unidade dominante do mapa do solo pode ser determinada usando o Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); esta unidade de mapa do solo também deve ser verificada com um poço raso ou orifício de teste.

Uma estação de monitoramento típica pode ocupar de 5 a 50 m², dependendo das necessidades do sensor e do número de medições auxiliares. A Figura 1 mostra uma estação de monitoramento típica com uma torre de 3 m que contém um anemômetro para velocidade e direção do vento, um sensor de temperatura e umidade relativa do ar, um piranômetro para radiação solar e um gabinete resistente às intempéries e resistente às intempéries da National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (classificação NEMA 4). O gabinete NEMA abriga a plataforma de controle de dados (DCP), modem celular, regulador de carga do painel solar, bateria e outros hardwares relacionados (consulte Tabela de Materiais; Componentes do sistema). A torre também fornece uma plataforma para a antena de comunicação, painel solar e para-raios. Um medidor de precipitação líquida (PPT) também é tipicamente incluído, que deve ser colocado longe da torre e na menor elevação possível para reduzir os efeitos do vento na captura de PPT. Os sensores SWC devem ser instalados a uma distância suficiente (3-4 m) e inclinação ascendente para que não haja interferência potencial da torre na precipitação ou no fluxo terrestre. Quaisquer cabos relacionados devem ser enterrados em conduíte pelo menos 5 cm abaixo da superfície.

Figura 1: Uma estação de monitoramento típica. O USDA SCAN coleta informações horárias sobre o teor de água do solo e a temperatura em profundidades padrão (5, 10, 20, 50 e 100 cm), temperatura do ar, umidade relativa, radiação solar, velocidade e direção do vento, precipitação e pressão barométrica. Existem mais de 200 sites SCAN nos EUA. Abreviaturas: SCAN = Rede de Análise Climática do Solo; NEMA = Associação Nacional de Fabricantes de Eletricidade. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Profundidade de medição, orientação e número de sensores
In situ Os sensores SWC são normalmente instalados horizontalmente para representar profundidades específicas no solo (Figura 2). Financiadas pelo governo federal, redes nacionais como a Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, a Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 e a U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 medem SWC em 5, 10, 20, 50 e ¹⁰⁰ cm. Essas profundidades foram alcançadas por consenso durante o desenvolvimento da SCAN por uma variedade de razões. A profundidade de 5 cm corresponde às capacidades de sensoriamento remoto¹⁷; As profundidades de 10 e 20 cm são medidas históricas para a temperatura do solo¹⁸; 50 e 100 cm de profundidade completa o armazenamento de água do solo na zona radicular.

As sondas podem ser orientadas verticalmente, horizontalmente ou inclinadas/angulares (Figura 3). A instalação horizontal é mais comum para alcançar uma medição uniforme da temperatura do solo a uma profundidade discreta. Embora o sensor possa estar centrado em uma profundidade discreta, a medição SWC é um volume ao redor dos dentes (ou seja, eletrodos), que pode variar com os níveis de umidade, a frequência de medição e a geometria da instalação (horizontal, vertical ou angulada). Para a instalação horizontal, o volume de detecção integra a umidade acima e abaixo da profundidade, e 95% do volume de detecção está tipicamente dentro de 3 cm dos dentes¹⁹. Instalações verticais ou angulares integram SWC ao longo dos tines, de modo que a instalação vertical pode representar o armazenamento ao longo de todo o comprimento das profundidades do sensor²⁰. Alguns sensores não medem uniformemente ao longo de seus dentes. Por exemplo, os osciladores de linha de transmissão são mais sensíveis à umidade perto da cabeça da sonda onde os pulsos eletromagnéticos são gerados²¹. As instalações verticais são mais adequadas para sondas mais profundas, onde os gradientes de temperatura e umidade tendem a ser reduzidos.

Figura 2: Instalação de sensores SWC in situ . Posicionamento horizontal do sensor nas profundidades escolhidas usando (A,B) um gabarito de referência de profundidade zero e (C) uma placa de profundidade zero ou (D) uma alça de pá de profundidade zero para referência. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Orientação das sondas verticalmente, horizontalmente ou em uma inclinação . (A) Inserção inclinada e vertical e (B) inserção horizontal-vertical e profundidade central de inserção horizontal-horizontal de um sensor SWC de três latas. Abreviatura: SWC = teor de água do solo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A instalação em profundidades inferiores a 50 cm é relativamente intuitiva, enquanto sensores mais profundos exigem um pouco mais de esforço. O SWC da zona radicular ou o armazenamento de água do solo de perfil normalmente requer medições de 1 ou 2 m. Como ilustrado neste protocolo, as instalações de 0-50 cm são concluídas em um poço escavado ou furo de trado com sondas instaladas horizontalmente no solo não perturbado, minimizando a perturbação da superfície. Para sensores mais profundos (por exemplo, 100 cm), tanto o SCAN quanto o USCRN instalam o sensor verticalmente em orifícios separados e trados à mão usando um poste de extensão (Figura 4).

Dada a heterogeneidade do SWC, particularmente perto da superfície, e os pequenos volumes de medição dos sensores, as medições triplicadas permitem uma melhor representação estatística do SWC. No entanto, um perfil de sensores in situ é típico para a maioria das redes (por exemplo, SCAN e SNOTEL). O USCRN usa três perfis espaçados de 3 a 4 m de distância para fazer medições triplicadas em cada profundidade¹⁶. Além disso, a redundância na medição adiciona resiliência e continuidade ao registro da estação se os recursos financeiros estiverem disponíveis.

Figura 4: Instalação de sensores . (A) Os sensores rasos são normalmente instalados horizontalmente na parede lateral de um poço de solo escavado. Para sensores mais profundos, (B) um trado manual é usado para cavar um buraco até a profundidade usando uma referência de profundidade zero (por exemplo, madeira que abrange a trincheira) e os sensores são empurrados verticalmente para o fundo dos orifícios usando (C) uma seção de tubo de PVC modificada para prender o sensor e o cabo durante a instalação ou (D) uma ferramenta de instalação. As camadas de solo são observadas como horizontes de solo superficial (horizonte A) e subsolo com argilas translocadas (Bt) e acúmulo de carbonato (Bk). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tipo de sensor SWC in situ
Sensores comercialmente disponíveis inferem SWC a partir da resposta medida a um sinal eletromagnético propagado ao longo de tines em contato direto com o solo²². Os sensores enterrados se dividem em cinco classes, dependendo do tipo de sinal eletromagnético propagado e do método de medição da resposta: capacitância, impedância, reflectometria no domínio do tempo, transmissometria no domínio do tempo e oscilação da linha de transmissão (Tabela Suplementar S1, com links para as informações de cada fabricante). Essas tecnologias tendem a se agrupar por frequência de operação e fabricante. Dentes mais longos integram um volume maior de solo; no entanto, podem ser mais difíceis de inserir e estão mais sujeitos à perda de sinal em solos com argila e maior condutividade elétrica a granel (BEC). Os fabricantes relatam erros de medição SWC de 0,02-0,03 m³m−3, enquanto os usuários normalmente acham que estes são significativamente maiores ²³. A calibração e padronização adequadas dos sensores eletromagnéticos melhoram o desempenho²²; no entanto, essas calibrações específicas do solo estão além do escopo deste protocolo, que se concentra na instalação.

A seleção do sensor deve considerar a saída desejada, o método de medição, a frequência de operação e a compatibilidade com outras medições. Antes de 2010, a maioria dos sensores SWC eram analógicos e exigiam que o DCP fizesse medições de tensões diferenciais, resistências ou contagens de pulsos, o que exigia componentes mais caros e canais individuais (ou multiplexadores) para cada sensor. Agora, a interface de dados seriais a 1.200 baud (SDI-12) protocolos de comunicação (http://www.sdi-12.org/) permite que sensores inteligentes implementem algoritmos de medição interna e, em seguida, transmitam dados digitais ao longo de um único cabo de comunicação. Cada sensor pode ser conectado em sequência (ou seja, uma corrente em margarida) usando um fio comum conectado por conectores de porca de alavanca ou bloco de terminais (Figura 5) com cada sensor tendo um endereço SDI-12 exclusivo (0-9, a-z e A-Z). O fio de comunicação comum dos sensores SDI-12 forma um único circuito, juntamente com um fio de energia e aterramento. Multiplexadores ou quaisquer medições no DCP não são necessários; em vez disso, o DCP simplesmente envia e recebe comandos digitais e linhas de texto. Muitos sensores SDI-12 SWC também incluem temperatura do solo, permissividade relativa (ε) e medições BEC. Tais medições são úteis para o diagnóstico do sensor e calibração específica do solo. Neste ponto, o usuário selecionou um local, determinou o tipo de sensor, o número e as profundidades e obteve todo o hardware necessário e as ferramentas de campo (Tabela de Materiais). Assim, eles podem prosseguir para o protocolo de instalação.

Figura 5: Conectores de emenda de fio e blocos de terminais usados para unir fios comuns de alimentação, aterramento e comunicação a uma única entrada na plataforma de coleta de dados. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. Preparação pré-instalação de sensores

1. Verifique o endereço SDI-12. Os sensores são definidos para um endereço padrão pelo fabricante. Conecte separadamente cada sensor a uma plataforma de controle de dados (DCP) usando o ?! para consultar o endereço do sensor.
   NOTA: Cada sensor em uma linha de dados comum deve ter um endereço exclusivo (por exemplo, 0-9). Consulte o manual do sensor para endereçamento SDI-12 e alteração do valor de um sensor, se necessário.
2. Faça uma medição (por exemplo, "aM!", onde a é o endereço) no ar, areia seca e submersa na água.
   NOTA: As medições de ar devem ler 0,00 m 3 m-3 (permissividade relativa [ε] ~1), jogar areia < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) e água ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80).
3. Registre esses valores junto com o número de série e o endereço SDI-12 de cada sensor em um livro de laboratório. Usando um marcador, rotule a cabeça do sensor e a extremidade do cabo com o número do endereço.
4. Verifique o programa DCP. Alguns DCPs são plug-and-play, mas a maioria requer um programa para fazer medições e registrar dados. Configure os sensores SWC e quaisquer sensores auxiliares no laboratório, conectando todos eles ao DCP e à bateria. Deixe os sensores SWC suspensos no ar, inseridos em areia seca ou submersos na água, garantindo que os dentes não estejam se tocando.
   NOTA: As medições de ar devem ler 0,00 m 3 m-3 (permissividade relativa [ε] ~1), jogar areia < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) e água ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80).
5. Deixe o sistema funcionar durante a noite ou por mais tempo. Verifique se os dados estão sendo registrados nas taxas apropriadas e se os valores (por exemplo, número certo de colunas, dígitos significativos) são apropriados.
6. Verifique também quaisquer saídas auxiliares do sensor SWC (por exemplo, temperatura e BEC). Permita que o sistema seja executado por pelo menos 1 dia. Verifique se as tabelas de dados estão corretas.
   NOTA: Alguns DCPs são plug-and-play, mas a maioria requer um programa para fazer medições e registrar dados.

2. Determine o layout do campo

1. Antes de iniciar qualquer escavação, ligue para o 811 (EUA e Canadá) pelo menos 2 dias antes da escavação para verificar a presença de qualquer infraestrutura subterrânea (por exemplo, fios elétricos, abastecimento de água, tubos de gás). A falta de garantia de tais autorizações pode levar a penalidades e responsabilidades substanciais.
2. Verifique a unidade do mapa do solo no local da cava. Use o aplicativo USDA SoilWeb, disponível para smartphones iOS e Android, para consultar a localização. Cave um orifício de teste usando um trado manual de 5-10 cm de diâmetro para verificar se a textura do campo é consistente com a descrição da unidade do mapa. Verifique se há problemas, como camadas duras (por exemplo, panelas de arado, caliche ou horizontes argilosos) ou camadas com fragmentos de rocha altos; qualquer um dos casos pode dificultar a inserção da sonda ou mesmo impossibilitar.
3. Determine a melhor localização para os sensores. Cada sensor será instalado na face vertical de um solo não perturbado.
   NOTA: Se houver alguma inclinação, a face deve ser inclinada para cima para minimizar o fluxo preferencial que ocorre através do solo perturbado e ao longo das trincheiras de cabos.
4. Use uma pequena folha (1 m²) de madeira compensada ou uma lona para proteger a superfície do solo e impedir que os trabalhadores do campo moam no solo não perturbado.
5. Determine a localização do mastro do instrumento. Certifique-se de que os sensores estão adequadamente longe do mastro para minimizar o tráfego de pedestres e quaisquer efeitos da torre.
   NOTA: Os cabos de estoque de 5 m geralmente são suficientes para a maioria das instalações.
   1. Use o menor comprimento de cabo possível para minimizar a perturbação da superfície e o potencial de quebra.
      NOTA: Se o mastro do instrumento já estiver instalado num local existente, pode ser necessário um cabo mais longo para atingir um solo representativo; alternativamente, as tecnologias sem fio podem ser consideradas (consulte "Pensamentos adicionais sobre a seleção do local").
   2. Certifique-se de que a distância total até o suporte do instrumento seja de 80% a 90% do comprimento do cabo para levar em conta o cabo extra necessário para rotear da profundidade de instalação, através do conduíte e até o gabinete.
      NOTA: O gerenciamento de fios pode ser estranho quando muitos sensores SWC chegam a um ponto central.
   3. Cabos mais finos requerem enterro em conduítes de PVC, enquanto cabos mais rígidos e espessos podem ser enterrados diretamente. Para ambos, cave uma trincheira com >10 cm de profundidade e 10 a 15 cm de largura.
   4. Certifique-se de que o gabinete tenha um ponto de entrada para quaisquer sensores acima do solo e uma porta de conduíte para sensores abaixo do solo (Figura 5). Monte o gabinete a uma altura confortável (1 m) para fiação.
   5. Recomendação: Desenrole um sensor. Coloque a cabeça do sensor na face do poço e posicione-a na extremidade do cabo no suporte do instrumento. Verifique se o comprimento do cabo está correto e ajuste conforme necessário.

3. Escavação do poço de solo

NOTA: O poço de solo pode ser escavado manualmente ou mecanicamente. O objetivo é minimizar a perturbação geral do local.

1. Para o poço cavado à mão, coloque outra lona maior (2 m²) adjacente à área de escavação. Use uma pá estreita (por exemplo, atirador de elite) para escavar um buraco retangular a uma profundidade de ~ 55 cm. Certifique-se de que a face do poço, atualmente protegida por compensado ou lona (etapa 2.4), seja vertical (ou ligeiramente cortada) para que cada sensor tenha solo não perturbado acima dele. Certifique-se também de que o poço tenha 20-40 cm de largura e ~25% mais longo do que o comprimento total do sensor. Comece a remover o solo em incrementos de 10 cm e coloque cada elevação na extremidade da lona, aproximando-se a cada incremento; quebre todos os torrões e remova grandes rochas.
   NOTA: Certifique-se de que a área de escavação é a menor possível e permite espaço suficiente para inserir a sonda horizontal mais profunda.
2. Para o trado do furo do poste hidráulico, use um diâmetro largo (>30 cm) e um trado montado no reboque de 1 m de comprimento.
   NOTA: Trados de poste de cerca de duas ou uma pessoa podem ser perigosos.
   1. Configure o trado ~ 5 cm para trás da face do poço pretendido.
   2. Perfure até >50 cm, levantando o trado ocasionalmente para expelir o solo.
   3. Use uma pá estreita para criar uma face plana e vertical.
   4. Use uma pá ou uma espátula de mão para mover o solo do poço para a lona.
      NOTA: O solo escavado será bem misturado; não há como evitar isso.
3. Faça uma trincheira cavada mecanicamente usando equipamentos pesados.
   NOTA: A menos que a instalação horizontal abaixo de 100 cm seja necessária, o equipamento de escavação grande não é encorajado. Lidar com a pilha de despojos (ou seja, solo escavado) pode ser um desafio, e os trilhos e estabilizadores da retroescavadeira causam distúrbios significativos.
   1. Use uma retroescavadeira leve com uma caçamba estreita, idealmente com menos de 50 cm, para cavar uma trincheira estreita semelhante a uma profundidade de 100 ou 200 cm.
      NOTA: Evite mover a retroescavadeira para minimizar o impacto na superfície.
   2. Comece a remover o solo em incrementos de 10 cm e coloque cada elevação na extremidade da lona, aproximando-se a cada incremento. Certifique-se de que a área de escavação seja a menor possível e a uma profundidade de ~ 55 cm, permitindo espaço suficiente para inserir a sonda horizontal mais profunda.
4. Para a trincheira do cabo do sensor, cave uma trincheira da parte de trás do poço de solo até a torre do instrumento. Use uma pá de trincheira assistida por uma esteira de picareta ou Pulaski em seções duras. Escavar uma trincheira reta, estreita (~ 10 cm), >10 cm de profundidade, colocando o solo de um lado da trincheira.

4. Montagem/montagem do suporte e do compartimento do instrumento

NOTA: O suporte para instrumentos tem três opções: um poste simples, um tripé ou uma torre. Para uma estação básica de umidade do solo com um medidor PPT, um poste de aço galvanizado ou suporte de instrumentos de aço inoxidável (120 cm de altura) com pernas é suficiente. Para medições meteorológicas básicas, é necessário um mastro mais alto para instalar sensores a 2 m. A maioria dos mesonetos prefere torres de 10 m de altura; no entanto, tais torres estão além do escopo deste protocolo.

1. Use um poste de aço galvanizado.
   NOTA: Um tubo de água de aço galvanizado de 4 cm de diâmetro, ~ 3 m de comprimento é o método mais econômico.
   1. Trado manual de um pequeno orifício a um mínimo de 60 cm de profundidade. Posicione o poste no buraco. Certifique-se de que a altura do poste esteja suficientemente acima do solo para conter o gabinete, o painel solar e quaisquer antenas necessárias.
      NOTA: Recomenda-se uma altura de <2 m.
   2. Misture concreto de ajuste rápido ou espuma de poste de cerca, de acordo com as instruções.
      NOTA: O concreto não é permitido em algumas terras federais, e alguns proprietários privados podem se opor. Alternativas de espuma para instalações de postes de cerca são uma boa alternativa e não requerem água.
   3. Despeje qualquer material ao redor do poste e certifique-se de que ele esteja nivelado usando um nível de torpedo. Deixe o concreto curar por várias horas (idealmente durante a noite) e prenda o poste com aparelhos para garantir que ele permaneça nivelado. Embora a espuma cure em 30 minutos, certifique-se de manter o tubo no lugar por pelo menos 2 minutos, garantindo que ele permaneça vertical.
2. Suporte para instrumentos ou tripé (consulte as instruções do fabricante)
   1. Solte ou desparafuse cada uma das três pernas em pé.
   2. Gire ou estenda cada perna e posição sobre a extremidade da trincheira escavada.
   3. Insira o mastro do instrumento nas pernas e aperte.
   4. Ajuste o comprimento de cada perna para garantir que o mastro esteja vertical.
   5. Coloque cada perna no solo e verifique o mastro novamente com um nível de torpedo.
3. Usando parafusos em U, monte o gabinete no suporte do instrumento a 1-1,5 m. Aperte manualmente os parafusos para prendê-lo; sua altura final e aperto ocorrerão mais tarde.
   NOTA: Recomenda-se montar no lado norte do polo para evitar bater a cabeça no painel solar mais tarde.

5. Caracterização do solo e coleta de amostras

NOTA: Caracterizar visualmente o solo é fundamental para interpretar a dinâmica da umidade do solo após a instalação. A coleta de amostras pode auxiliar na interpretação com dados quantitativos. Colete amostras mesmo que o financiamento não esteja disponível ou as instalações internas não possam processá-las. Secar ao ar e arquivá-los, caso seja necessária a caracterização do solo no futuro.

1. Para a descrição básica do solo, observe a profundidade de quaisquer mudanças óbvias na cor ou textura do solo (horizontes).
   NOTA: O National Soil Survey Center fornece uma excelente visão geral das descrições e interpretações do perfil do solo²⁴. Se o local não é ideal, agora é a hora de se mudar.
2. Para caracterização básica do solo, coletar amostras representativas de solo em saco congelador de 1 litro (1 L) a cada profundidade do sensor, seguindo o procedimento de Lawrence et ^al.25.
   1. Ao retornar ao escritório ou laboratório, coloque todos os sacos de 1 litro no balcão, abra e deixe-os secar ao ar por pelo menos 48 horas.
      NOTA: A secagem ao ar remove a maior parte da umidade do solo, preservando as propriedades orgânicas e químicas para análises futuras.
   2. Envie as amostras a um laboratório de extensão universitária (por exemplo, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) ou a um laboratório comercial (por exemplo, http://www.al-labs-west.com/) para análises adicionais. Alternativamente, execute a amostra internamente por técnicos treinados, usando os métodos aceitos indicados abaixo.
   3. Realizar análises laboratoriais básicas, incluindo parâmetros físicos do solo, como distribuição granulométrica²⁶, fração rochosa (RF; porcentagem ponderal maior que 2 mm), fração do solo (SF; porcentagem menor que 2 mm) e textura (porcentagens de areia, silte e argila). Verificar os parâmetros químicos básicos, incluindo a condutividade elétrica da pasta saturada (dS ^m-1)²⁷ e a matéria orgânica²⁸.
   4. Recomendado: Realizar amostragem volumétrica do núcleo do solo a 5, 10, 20 e 50 cm de profundidade usando um dispositivo de coring para coletar uma amostra volumétrica não perturbada. Determinar a densidade do solo (BD; g ^cm-3) a partir do peso total do solo seco e do volume central²⁹. Porosidade do solo (φ; [-]) é o limite superior físico do SWC. Para solos minerais, estimar φ como 1 - BD/PD, onde a densidade de partículas (PD) para solos minerais predominantemente quartzosos é de 2,65 g ^cm-3.
      NOTA: As amostras para BD são coletadas em um núcleo de volume conhecido ou usando peds de solo²⁹.

6. Inserção horizontal das sondas de 5, 10, 20 e 50 cm

NOTA: O objetivo é garantir o contato completo do solo ao redor dos dentes do sensor, evitando quaisquer lacunas de ar.

1. Recorte cuidadosamente todos os laços de zíper e desenrole cada sensor, removendo qualquer bobina nos cabos. Posicione a cabeça do sensor perto do poço de solo e do cabo na trincheira.
2. A profundidade de instalação é definida como o centro do sensor quando instalado horizontalmente, independentemente de a face do sensor ser redonda ou retangular. Instale o sensor na profundidade precisa abaixo da superfície da terra e da forma mais horizontal possível no solo. Use uma referência de profundidade zero e um dispositivo de medição (fita métrica ou régua) para obter a profundidade precisa do sensor (Figura 2) e um espaçador para manter o espaçamento durante a inserção (Figura 2C).
3. Primeiro, insira o sensor de 50 cm. Empurre o sensor horizontalmente para o solo, tentando não mexer o sensor, pois isso pode criar lacunas. Como a sonda de 50 cm é muitas vezes a mais difícil, use uma haste de aterramento para fornecer mais alavancagem para empurrar esse sensor, tomando cuidado para não quebrar a cabeça do epóxi ou separar os dentes. Repita o processo de inserção, trabalhando para cima até as profundidades do sensor de 20, 10 e 5 cm. Escalonar (Figura 2D) ou empilhar (Figura 2B) os sensores.
   NOTA: O tempo de medição nos protocolos SDI-12 geralmente impede que os sensores leiam simultaneamente e gerem interferência entre sensores adjacentes (por exemplo, as profundidades de 5 e 10 cm).
4. Oriente cada cabo do sensor para o mesmo lado da face do poço, permitindo que eles fiquem pendurados no fundo do poço de escavação. Tire uma foto do orifício escavado e dos sensores com uma fita métrica para escala (Figura 6A). Use um GPS para determinar a latitude e longitude dentro de alguns metros do poço. Se escavar vários locais em um dia, use um cartaz com um identificador exclusivo para diferenciar entre os poços.

Figura 6: Exemplos de fotografias para metadados . (A) O poço de solo instrumentado com fita métrica para escala, (B) a trincheira de cabo escavada de volta ao mastro do instrumento e as fotos finais do local voltadas para (C) norte e (D) sul. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

7. Inserção vertical para a sonda de 100 cm

1. Para instalações de sensores em profundidades superiores a 50 cm, faça um furo separado para cada sensor dentro ou perto da trincheira do cabo (Figura 4A).
2. Usando um trado manual (5-10 cm de diâmetro), cave a(s) profundidade(s) de instalação apropriada(s). A profundidade é definida como o centro de medição (por exemplo, 50 cm) menos metade do comprimento da tina em relação à referência de profundidade zero (Figura 4B).
3. Organize o solo escavado em uma lona na ordem em que foi removido.
4. Instale o sensor verticalmente empurrando-o para o fundo do orifício usando uma ferramenta de instalação (Figura 4C,4D). Reembale o orifício do trado com o solo escavado do mais profundo para o mais profundo. Substitua o solo em pequenos elevadores, embalando-o o suficiente para evitar que o solo faça a ponte no buraco e a criação de vazios.
   NOTA: As ferramentas de embalagem podem ser uma peça tampada de PVC ou cavilhas de madeira. Evite danos à cabeça ou ao cabo do sensor.

8. Concluindo a instalação do sensor e a fiação para DCP

1. Se os cabos do sensor estiverem diretamente enterrados, certifique-se de que as extremidades acima do solo que correm para o gabinete estejam em um conduíte de PVC usando um conector de antepara para entrar no gabinete (Figura 5).
   NOTA: Se estiver a utilizar um pluviómetro separado (passo 9.1), certifique-se de que inclui este cabo ao encaminhar para o compartimento.
2. Se estiver usando conduíte, coloque-o na trincheira do cabo e corte no comprimento desejado. Alimente o cabo através do conduíte - isso pode exigir uma corda de tração ou fita de peixe para puxar os cabos. Use um conduíte flexível ou um cotovelo de varredura de 90° mais um comprimento de conduíte vertical para encaminhar os cabos de uma porta de conduíte para a parte inferior do gabinete.
3. Coloque o cabo ou cabo/conduíte na parte inferior da trincheira do cabo. Puxe as extremidades do cabo através da porta inferior do compartimento e prenda com laços zip. Se houver excesso de cabo no gabinete, puxe-o de volta através do conduíte e bobina no fundo da trincheira de escavação.
4. Tire uma foto do poço de instalação e da trincheira com cabos que levam de volta ao gabinete (Figura 6B).
5. Para a fiação do sensor de umidade do solo, use uma alimentação comum (5-12 volts) e um fio terra para cada sensor SDI-12. Use conectores de alavanca, conectores de emenda ou blocos de terminais (Figura 5) para tornar essas conexões mais fáceis e seguras. Se estiver usando mais de um tipo de sensor, use uma porta de comunicação diferente no DCP, se disponível.
   NOTA: Um sensor SDI-12 defeituoso pode interromper outros sensores em série.

9. Sensores auxiliares e configuração de hardware

1. Medição de precipitação (PPT)
   NOTA: Para melhorar a captura, os pluviômetros devem ser instalados em um mastro vertical separado o mais próximo possível do nível do solo. A instalação do medidor mais alto no suporte do braço cruzado pode reduzir a captura devido à maior velocidade do vento.
   1. Determine o local. Instale o pluviômetro o mais baixo possível acima da cobertura do solo (~1 m) e a uma distância duas vezes maior que a altura de qualquer obstrução próxima³⁰. A localização ideal é perto da trincheira de cabos.
      NOTA: O cabo do pluviômetro será enterrado ao lado dos cabos do sensor antes de entrar na parte inferior do gabinete.
   2. Instale um mastro vertical. Usando um trado manual, escavar um buraco a ~ 50 cm de profundidade. Fixar uma secção de tubo de aço galvanizado de comprimento suficiente em cimento ou espuma (ver passo 4.1).
   3. Após a cura, instale o medidor usando braçadeiras de mangueira ou uma base de montagem plana, de acordo com as instruções do sensor. Certifique-se de que o medidor está perfeitamente nivelado.
      NOTA: A maioria dos medidores tem um nível de bolha incorporado.
   4. Execute cabos entre o pluviômetro e o gabinete no conduto subterrâneo com os cabos de umidade do solo.
   5. Para um medidor basculante, conecte os dois cabos em um canal de contagem de pulsos no DCP.
      NOTA: Os fios podem entrar em ambos os lados.
   6. Certifique-se de remover a parte superior e verifique se o mecanismo de inclinação está livre em movimento. Os baldes são frequentemente fixados durante o embarque com elásticos.
      NOTA: Os pluviômetros requerem limpeza e calibração de rotina. Se montar o pluviômetro diretamente no suporte do instrumento ou na cruz do braço, siga a etapa 9.2.
2. Outros sensores
   1. Instale medições auxiliares e qualquer antena no mastro vertical ou nos suportes de braço cruzado na altura apropriada acima do solo^10,30.
   2. A rota leva à entrada do compartimento acima do solo e segura onde necessário com abraçadeiras. Ligue os canais de medição apropriados no DCP.
3. Haste de aterramento
   1. Instale uma haste de aterramento de cobre de >1 m de comprimento a 0,5 m do mastro do instrumento. Use um driver de poste de cerca para inserir a haste no chão, deixando ~ 20 cm expostos.
   2. Prenda o fio de cobre de medição pesado (8-10) à haste usando uma braçadeira de terra. Prenda a outra extremidade ao compartimento ou tripé.
      NOTA: O aterramento pode não ser aconselhável em todas as situações.
4. Conecte a bateria.
   NOTA: A maioria dos DCPs precisa de 5-24 volts (V), embora 12 V seja mais comum e 7 ou 12 horas de Ampere (AH) sejam suficientes para alimentar a maioria das estações de umidade do solo. Uma bateria de 12V 12AH e um regulador de tensão são usados aqui.
   1. Certifique-se de que o regulador de carga esteja na posição off. Usando um multímetro definido como DC para tensão de corrente contínua, verifique se a tensão na bateria é suficiente (>10V para uma bateria de 12V) e identifique os terminais + e -, se não estiverem marcados.
   2. Deslize o conector do terminal do fio preto (-) sobre o terminal de pá no poste de terra (-) da bateria e o fio vermelho sobre o poste + da bateria. Ligue a outra extremidade dos fios vermelho/preto à porta MTD do regulador de tensão.
5. Painel solar
   NOTA: Um painel de 10 ou 20 watts é normalmente suficiente. O aumento da potência é necessário em latitudes mais altas, áreas mais sombreadas ou em sistemas com um alto consumo de energia (por exemplo, modems celulares, câmeras). O painel deve ser orientado para receber a radiação solar incidente máxima ao longo de 1 ano.
   1. Enrole a fita adesiva separadamente em torno de cada cabo no painel solar.
      NOTA: Estes fios transportarão corrente se o painel estiver exposto à luz solar.
   2. Usando parafusos em U, monte o painel solar acima do gabinete e no lado do suporte do instrumento voltado para o equador (por exemplo, sul dos EUA). Use o ângulo apropriado para a latitude do local, tipicamente 25° a 35° nos EUA contíguos.
   3. Encaminhe o cabo para o ponto de entrada do compartimento acima do solo. Remova a fita dos cabos do painel. Usando um multímetro definido como A para amperagem, verifique se a saída do painel solar é >0,1 A .
   4. Usando um multímetro definido como DC para tensão de corrente contínua, verifique se a saída do painel solar é de >10V e identifique os cabos + (geralmente vermelhos) e - (geralmente pretos), se não marcados. Conecte o cabo - do painel solar à porta G (terra) e, em seguida, o cabo + da porta SOLAR no regulador de carga.
      NOTA: Cubra o painel solar com uma lona ou algo opaco para minimizar a faísca.
   5. Verifique se o CHG ou a luz de carregamento está agora acesa.
6. Comunicações de dados remotas
   NOTA: A telemetria de dados celulares fornece a capacidade de transmitir e enviar dados do DCP. Aplicativos de smartphone, como o OpenSignal, podem medir a intensidade do sinal e a direção para a torre de celular mais próxima. Antenas omnidirecionais e multibanda são preferidas; no entanto, uma antena do tipo direcional (Yagi) pode melhorar o sinal em áreas mais remotas.
   1. Conecte a antena à parte superior do mastro do instrumento usando parafusos em U fornecidos.
   2. Conecte o cabo coaxial à antena e encaminhe outra extremidade para o gabinete através do conduíte do sensor acima do solo. Prenda o cabo com fecho de correr.
   3. Conecte a outra extremidade ao modem celular no gabinete.
7. Ligando o sistema
   NOTA: Neste ponto, a suposição é que o programa DCP é escrito e todos os sensores são conectados de maneira apropriada. O painel solar e a bateria recarregável são conectados a um regulador de tensão com um fio de energia vermelho / preto conectado às portas de energia DCP.
   1. Ligue a alternância do regulador de tensão. Inicie o software DCP e conecte um laptop ao DCP. Confirme se todos os sensores estão relatando valores e não um número (NaN) ou um valor de erro.
   2. Verifique cada sensor de solo para valores SWC, BEC e T. Certifique-se de que os valores de SWC sejam >0,05 m 3/m 3 e <0,60 m 3/m ³. Verifique qualquer sensor fora do alcance; reinsira ou substitua qualquer sensor que seja questionável. Despeje um pouco de água através do pluviômetro e verifique se o DCP está registrando contagens.
      NOTA: Baixos valores de BEC (<0,001) podem indicar um mau contato do sensor (ou solos muito secos). Ao instalar em estações mais quentes, T é geralmente mais quente na parte superior e mais frio na parte inferior.
   3. Verifique a força da comunicação celular. Siga a documentação do fabricante para determinar a intensidade do sinal.
      NOTA: A intensidade do sinal deve ser > -100 dBm para garantir uma qualidade de sinal decente. As antenas de direção podem ser giradas para possivelmente melhorar o sinal. Muitas outras opções de comunicação existem além do celular (por exemplo, satélite).

10.Site conclusão

1. Uma vez certo que tudo abaixo do solo está funcionando, e os cabos ou cabos no conduíte estão todos na trincheira e encaminhados para o recinto, encha e sele as aberturas das entradas do compartimento acima e abaixo do solo com massa elétrica para proteger da umidade e manter os insetos fora do recinto.
2. Delineie o perímetro externo dos locais do sensor na superfície com estacas permanentes com sinalização brilhante.
3. Encher a área escavada utilizando o solo na lona e na ordem inversa de remoção (Passo 3.1) (mais profundo a shallowest). Comece embalando manualmente o solo contra a face da trincheira e ao redor da cabeça do sensor a 50 cm, tomando cuidado para evitar perturbar o sensor. Apoie a cabeça do sensor enquanto embala o solo em torno dela para que os dentes do sensor não se movam.
4. Certifique-se de que todos os cabos de sensor restantes ainda estejam posicionados perto do fundo da trincheira; em seguida, cubra-os cuidadosamente com solo mais profundo da lona. Compacte o solo no fundo do poço para prender os cabos, tomando cuidado para não puxá-los para baixo com qualquer força. Use força suficiente durante a compactação para garantir uma densidade aparente semelhante do material removido.
   NOTA: Solos mais úmidos durante a instalação podem ser facilmente compactados em excesso, enquanto solos mais secos podem permanecer soltos, independentemente da força.
5. Encha o poço em elevações de 10 cm, alisando e compactando a superfície até que o sensor de 20 cm seja atingido. Mais uma vez, embale cuidadosamente o solo sob e ao redor do sensor, antes de voltar a encher mais 10 cm de terra.
6. Por fim, embale manualmente o solo em torno do sensor de 10 cm e, em seguida, o sensor de 5 cm, garantindo que ambos permaneçam horizontais e no lugar. Encha o restante do poço de solo com solos superiores da lona.
   NOTA: Todo o solo removido deve voltar para o poço. O solo remanescente indica que o solo não foi embalado para a densidade aparente original.
7. Usando a pá de trincheira, empurre o solo escavado ao lado da trincheira sobre o conduto. Certifique-se de que tudo está enterrado completamente e abaixo de 5 cm.
8. Use um ancinho de aço para nivelar o solo reembalado no poço e a trincheira nivelar com a superfície original. Solo compacto na trincheira do conduto o suficiente para minimizar qualquer fluxo preferencial para o local de instalação.
9. Opcional: Polvilhe um pouco de terra de diatomáceas em torno de qualquer abertura subterrânea e na superfície para desencorajar formigas, lesmas e outros insetos.
10. Recomendado: use um sensor SWC portátil para fazer leituras do solo superficial ao redor dos sensores in situ para ajudar na verificação de dados ao longo do tempo e quaisquer necessidades de dimensionamento. Faça leituras em direções cardinais (norte, sul, leste e oeste) a distâncias consistentes (por exemplo, 5, 10, 25 e 50 m).

11. Registar metadados da estação, os dados por detrás dos dados²³

NOTA: Metadados do documento na instalação e em cada visita ao local (consulte a Tabela 1). Relatórios de metadados consistentes apoiam a crescente comunidade de prática e são críticos para garantir a integridade dos dados e da rede.

1. Documente os detalhes da instalação, incluindo um identificador de site exclusivo, data de instalação, números de série do sensor, endereços SDI-12 correspondentes, orientações de inserção (horizontais ou verticais) e profundidades.
2. Descreva o perfil do solo e tire fotos associadas. Registre identificadores de amostra para quaisquer amostras de solo coletadas.
3. Para a localização do local, registre a latitude e longitude, elevação, inclinação, aspecto, uso da terra e cobertura da terra.
4. Anote as informações de proprietário e contato do terreno, bem como a acessibilidade do local, incluindo códigos de portão ou fechadura.
5. Usando o aplicativo Compass em um smartphone (ou uma bússola real) e uma fita métrica, meça o ângulo e a distância até o poço do sensor (e quaisquer orifícios de trado do sensor) a partir de dois pontos de referência (por exemplo, haste de aterramento ou uma perna de tripé).
   NOTA: Isso ajudará a triangular suas posições mais tarde.
6. Tire fotos da estação concluída e das orientações norte (Figura 6C), sul (Figura 6D), leste e oeste do mastro do instrumento. Delineie o local de instalação do sensor com sinalização ou outros itens distintos.

Tabela 1: Metadados da estação para coleta de dados de umidade do solo. Abreviaturas: Dec. = decrescente; GPS = Sistema de Posicionamento Global; 3DEP = Programa de Elevação 3D; O&M = operação e manutenção; SSURGO = Banco de Dados Geográficos de Levantamento do Solo; Mukey = chave da unidade do mapa. Por favor, clique aqui para baixar esta Tabela.

12. Operações e manutenção

NOTA: Um log de manutenção detalhado deve ser adicionado ao registro de metadados, incluindo substituição do sensor, integridade ou alterações da vegetação ou qualquer distúrbio no local.

1. Realizar inspeções de rotina no local anualmente, no mínimo (Tabela 2). Registre quaisquer calibrações ou substituições do sensor.
2. Garantir o manejo regular da vegetação, especialmente para estações permanentes, para que o local não se torne coberto de vegetação ou anômalo para a área circundante.
3. Adaptar o manejo animal à vida selvagem local, possivelmente incluindo cercas.
4. Em caso de falha do sensor, faça uma visita de emergência ao local e instale uma substituição (Tabela 2).

Tabela 2: Exemplo de cronograma de manutenção. Abreviação: DCP = plataforma de controle de dados. Por favor, clique aqui para baixar esta Tabela.

Representative Results

A rede SCAN começou como um projeto piloto do NRCS em 1991. É a mais longa rede de coleta de dados SWC^{em operação 15} e a base para os resultados representativos neste protocolo. Todos os locais SCAN originalmente começaram com um sensor de capacitância analógico. O local de instalação de campo (SCAN 2049) em Beltsville, Maryland, usado no componente de vídeo deste protocolo, monitora (Figura 7A) a temperatura horária do ar e do solo e (Figura 7B) SWC por hora nas profundidades de 5, 10, 20, 50 e 100 cm. PPT diário, armazenamento de água do solo (SWS) a 20 cm e sua mudança ao longo do tempo (dSWS) são mostrados na Figura 7C. Para cada evento PPT, houve um aumento acentuado no SWC perto da superfície (5 e 10 cm) e um aumento mais atenuado e tardio em maiores profundidades à medida que a frente úmida se propagava para baixo sob a gravidade. Durante eventos no início de fevereiro e abril de 2022, o sensor mais profundo a 100 cm atingiu um platô de 0,33 m 3/m³, que foi sustentado por vários dias. Tais condições indicam curta duração de saturação. A densidade do solo a partir dos dados de caracterização (Tabela 3) foi de 1,73 g/cm³, com porosidade estimada (φ) de 0,35 [-], fornecendo evidências adicionais de que o espaço poroso foi inteiramente preenchido com água. Dada a areia arenosa argilosa/argilosa do perfil do solo, as condições saturadas foram provavelmente produzidas por má drenagem ou um lençol freático raso que inibia a drenagem. Note-se que a temperatura do ar neste local cai abaixo de zero na maioria das noites até abril; no entanto, as temperaturas do solo permaneceram acima de 2 °C e não houve indicação de água congelada nos dados do SWC em qualquer profundidade.

Figura 7: Resultados de exemplo da estação de campo (SCAN 2049) localizada em Beltsville, Maryland. (A) Temperatura horária do ar e do solo, (B) SWC por hora e (C) precipitação diária, armazenamento de água do solo até 20 cm e sua diferença ao longo do tempo. Abreviaturas: SWC = teor de água no solo; PPT = precipitação; SWS = armazenamento de água no solo; dSWS = diferenças no SWS ao longo do tempo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 3: Dados do local e caracterização do solo para exemplos de dados apresentados nos resultados representativos. Todos os dados apresentados em figuras e tabelas foram recuperados do banco de dados on-line do NRCS na URL anotada para cada site. Os dados de caracterização do solo não estavam disponíveis para a Table Mountain (#808). Abreviaturas: NRCS = Serviço de Conservação de Recursos Naturais; URL = localizador uniforme de recursos; c = argila; fsl = franco arenoso fino; ls = areia argilosa; s = areia; sc = argila arenosa; scl = argila arenosa franca; si = lodo; sil = silty loam; sl = franco arenoso; nd = sem dados; BD = densidade aparente 33 kPa. Por favor, clique aqui para baixar esta Tabela.

Um exemplo mais extremo de saturação é mostrado na Figura 8 para um local SCAN (2110) perto de Yazoo, Mississippi. Os solos têm teores de argila muito altos (acima de 60%), baixas densidades a granel variando de 1,06 a 1,23 g / cm 3 e uma φ variando de 0,54 a 0,60 [-] (Tabela 3). O primeiro evento PPT de ~40 mm em 13 de abril de 2020 saturava o solo a um SWC de >0,60 m 3/m³ em todas as profundidades por 12 dias consecutivos – valores muito próximos do φ medido. Um segundo evento de 70 mm/dia em 20 de abril de 2020 não teve efeito sobre o dSWS, sugerindo escoamento por excesso de saturação. Um período semelhante de saturação foi notável em novembro de 2020. Embora não houvesse medição a 100 cm, o SWC a 50 cm permaneceu estável a 0,39 m 3/m 3, exceto no final do verão, onde caiu modestamente para 0,36 m 3/m ³. As notas do local (Tabela Suplementar S2) indicam que a calibração específica do sensor 'loam'³¹ foi usada, como é o caso dos sensores de capacitância usados na maioria dos locais SCAN e USCRN. Ambos os exemplos ilustram a importância da caracterização do solo e dos dados de ME, coletados durante a caracterização do local (etapa 5), na interpretação dos dados do SWC.

Figura 8: Exemplo resulta de um local úmido e temperado (SCAN 2110) localizado perto de Yazoo, Mississippi . (A) Temperatura horária do ar e do solo, (B) SWC por hora e (C) precipitação diária e mudança no armazenamento de água do solo. Abreviaturas: SWC = teor de água no solo; PPT = precipitação; SWS = armazenamento de água no solo; dSWS = diferenças no SWS ao longo do tempo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 9 apresenta uma série temporal mais direta de SWC in situ em cinco profundidades com cinco eventos de umectação que resultam na propagação sequencial da frente de umectação para baixo no perfil do solo. Este sítio SCAN (2189) estava localizado perto de San Luis Obispo, CA, em um clima mediterrâneo com uma primavera úmida e um verão longo e seco em um solo arenoso argiloso com uma φ variando de 0,37 a 0,51 [-] (Tabela 3). A resposta à umectação da superfície do solo foi rápida e diminuiu em magnitude com a profundidade. O evento final de PPT grande ao longo de 5 dias foi suficiente para mostrar resposta nas profundidades de 50 e 100 cm. À medida que a profundidade aumentava, o ciclo diurno da amplitude da temperatura do solo diminuía, e o tempo de temperaturas máximas e mínimas ficava ainda mais atrás da temperatura do ar e das profundidades mais rasas (Figura 9A). Embora essas características possam ser úteis para discriminar entre as profundidades do sensor, como discutido na próxima seção, também houve um efeito notável na flutuação do SWC nas profundidades de 5 e 10 cm. A amplitude SWC foi de ~0,02 m 3/m 3 a 5 cm, ~0,01 m 3/m ³ a 10 cm, e mais insignificante nos sensores mais profundos. Também estava em fase com as temperaturas do solo, e o ruído era mais provavelmente induzido no sensor por flutuações de temperatura e improvável que fosse o resultado de qualquer movimento físico de umidade do solo ou precipitação real. Este local mais seco (2189) tem mudanças diurnas muito maiores na temperatura do solo do que o local de instalação de campo mais mésico (2049), que não mostra ruído de temperatura nos dados SWC (Figura 7B).

Figura 9: Exemplo resulta de um sítio mediterrâneo semiárido (SCAN 2189) localizado perto de San Luis Obispo, Califórnia . (A) Temperatura horária do ar e do solo, (B) SWC por hora e (C) precipitação diária e mudança no armazenamento de água do solo. Abreviaturas: SWC = teor de água no solo; PPT = precipitação; SWS = armazenamento de água no solo; dSWS = diferenças no SWS ao longo do tempo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 10 apresenta uma das interpretações de dados SWC mais desafiadoras que existem com solo congelado e cobertura de neve. Este local (808) estava localizado perto de Boseman, MT, a 4.474 pés acima do nível do mar. As temperaturas diárias do ar ocasionalmente excederam as temperaturas congelantes durante o inverno (dezembro, janeiro e fevereiro) de 2020. As temperaturas do solo permaneceram pouco acima de 0 °C até março. A presença de neve na superfície isolaria o solo das variações de temperatura do ar. Além disso, em solos úmidos, a liberação de calor latente e o consumo de energia, acompanhados por processos de transição de fase relacionados aos ciclos de congelamento-descongelamento, tamponaram as temperaturas do solo, mantendo-as muito próximas de 0 °C até que essas mudanças de fase estivessem completas. A pequena ε de gelo em solos congelados aparece como diminuições dramáticas no SWC, seguidas por aumentos durante o descongelamento sem qualquer indicação de PPT. Isso foi mais aparente em meados de dezembro e meados de março, quando as temperaturas do ar caíram rapidamente e o SWC em 5 e 10 cm diminuiu por 3 dias e depois se recuperou. A temperatura do solo a 100 cm atingiu o ponto de congelamento em meados de novembro e estava em um SWC baixo no outono anterior, durante todo o inverno, e não mudou durante o degelo da primavera, sugerindo que poderia ter funcionado mal. No entanto, as rápidas quedas e recuperação nos outros sensores podem ou não ser mudanças reais na água líquida do solo; A interpretação desses dados pode ser extremamente desafiadora sem medições auxiliares da presença ou profundidade da neve. Muitas vezes, os dados SWC em ou abaixo de zero são censurados no controle de qualidade. Mais discussões sobre as temperaturas do solo próximas ao congelamento são apresentadas na seção de controle de qualidade do registro de dados.

Figura 10: Exemplo resulta de um sítio alpino semiárido (SCAN 808) localizado perto de Three Forks, Montana . (A) Temperatura horária do ar e do solo, (B) SWC por hora e (C) precipitação diária e mudança no armazenamento de água do solo. Abreviaturas: SWC = teor de água no solo; PPT = precipitação; SWS = armazenamento de água no solo; dSWS = diferenças no SWS ao longo do tempo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Outros exemplos e dados de caracterização foram extraídos do banco de dados SCAN (ver Tabela 3 para Uniform Resource Locator, [URL]). O relato e o controle de qualidade desses dados precisam de alguma interpretação para determinar se existe um mecanismo físico para explicar qualquer comportamento errático. Nossa interpretação carece de qualquer conhecimento local do local e, apesar de anos de avaliação de séries temporais SWC, ainda pode ser um desafio avaliar um bom sensor ou instalação de um com falha ou ruim.

A Figura 11 apresenta exemplos comuns de registros de dados de problemas, escolhidos aleatoriamente de 40 estações SCAN entre 2020 e 2021. Os erros mais comuns incluem picos (Figura 11A) e mudanças de degrau para cima (Figura 11B) ou para baixo (Figura 11C), conforme sinalizado pela International Soil Moisture Network³². Para cada um deles, não há um evento PPT simultâneo para explicar tais mudanças, e elas podem ser consideradas errôneas. O problema com picos ou quedas instantâneas é agravado quando se olha apenas para os meios diários, que podem esconder tais eventos. É melhor removê-los antes de fazer qualquer cálculo médio. O início e o fim de uma mudança de etapa podem ser óbvios, mas é difícil preencher quaisquer dados no meio. Não abordamos o preenchimento de dados neste protocolo, mas apenas sinalizamos dados errôneos. O comportamento errático (Figura 11D) apresenta-se como flutuação selvagem sem qualquer resposta a eventos de PPT. Em alguns casos, os picos podem desaparecer após verificações de fiação e substituição do multiplexador, como mostra a Figura 11A após agosto de 2020. Mais frequentemente, o comportamento errático é um prelúdio para um sensor com falha, como mostra a Figura 11E. O sensor a 10 cm de profundidade deu um aviso razoável de comportamento errático em janeiro e falha no final de março. O sensor a 5 cm de profundidade, no entanto, falhou sem aviso prévio em 1º de março de 2021.

Figura 11: Exemplos de registros de problemas. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, mostrando quedas periódicas a 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, Novo México, com uma mudança positiva de passo a 50 cm de profundidade, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, com uma mudança de degrau descendente, picos e até mesmo recuperação a 50 cm de profundidade, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, não mostrando resposta a eventos de precipitação no sensor de 5 ou 10 cm, com alguma recuperação do sensor de 10 cm seguida pela falha eminente de ambos, e (E) SCAN 2027, Little River, Geórgia, com um sensor de brilho a 20 cm e falha catastrófica nas profundidades de 5 e 20 cm. As profundidades do sensor são denotadas como 5 cm (preto), 10 cm (azul), 20 cm (laranja), 50 cm (cinza escuro) e 100 cm (amarelo). Abreviaturas: SWC = teor de água no solo; PPT = precipitação. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Na SCAN 2084, o site iniciou o registro de dados em 06/02/2004 e apresentava diversas notas de comportamento errático relacionadas aos multiplexadores SDI-12, que foram substituídos várias vezes (Tabela Suplementar S2). No entanto, os sensores são originais e, após 18 anos, permanecem funcionais. Na SCAN 2015, a coleta de dados teve início em 25/10/1993 e o sensor de 50 cm da Figura 11B foi considerado suspeito em 2017 (Tabela Suplementar S2). O local mais antigo, SCAN 808, começou a relatar em 30/09/1986 e foi convertido em uma estação SCAN em 25/10/2006; não teve nenhum sensor substituído até o momento. Anomalias, como mostra a Figura 11E, nem sempre resultam em falha, uma vez que a Figura 10 possui dados razoáveis. A SCAN 2006 começou a relatar em 10/1/1993; os sensores originais de 5 e 10 cm da Figura 11D foram substituídos em 24/01/2022. A SCAN 2027 começou a reportar em 19/05/1999; os sensores originais de 5 e 10 cm da Figura 11E foram substituídos em 13/08/2021. Como observado, os locais SCAN começaram com um sensor de capacitância analógico. Muitos desses sensores duraram mais de 20 anos e, embora não necessariamente produzam dados da mais alta qualidade por toda parte, permaneceram funcionais. Determinar o ponto em que substituir um sensor permanece uma questão em aberto para os praticantes. Os metadados do local e as propriedades do solo para os locais na Figura 11 podem ser encontrados na Tabela Suplementar S3.

Relatório de dados
Sensores SWC contínuos in situ relatam de três a seis valores por intervalo de registro de tempo. Juntamente com quaisquer medições auxiliares, a implantação a longo prazo de sensores SWC gera grandes quantidades de dados de valor unitário que precisam ser armazenados e entregues. As medições ambientais são feitas em intervalos de amostragem discretos que são agregados ao longo do tempo e relatados como o registro de dados. A frequência de amostragem de medição atmosférica varia de acordo com a medição; é maior para medições de vento e radiação solar (<10 s) e maior para temperatura e umidade do ar (60 s)³⁰. Esses valores amostrais são calculados em média ou acumulados ao longo de um intervalo de relatório que pode variar de 5 min a 1 h. Da mesma forma, o SWC pode ser instantaneamente amostrado no intervalo de relatório ou amostrado (por exemplo, a cada 5 min) e calculado em média em médias de 30 min ou 60 min, uma vez que a dinâmica do SWC é relativamente mais lenta em comparação. Embora a média de amostras mais frequentes possa reduzir o ruído das flutuações de temperatura, interferência elétrica e variabilidade inerente do sensor, não é aconselhável, porque os picos de dados podem enviesar o valor médio, conforme discutido anteriormente. A maioria dos registros de dados SWC pode ser satisfeita com a detecção a cada hora, mas para regiões com condições de drenagem de maior velocidade (solo arenoso) e PPT intensivo (condições de monção), algumas redes registram em um intervalo de tempo de 20 minutos para capturar totalmente os eventos de precipitação. Por fim, a transmissão de dados ou a telemetria podem ser limitadas pela tecnologia (por exemplo, sistemas de satélite) ou ter níveis de custo com base no tamanho e na frequência dos dados. A otimização dos intervalos de emissão de relatórios e das variáveis telemetradas pode ajudar a controlar os custos. Por exemplo, a transmissão de valores brutos (por exemplo, ε ou contagens) é preferível a valores derivados (por exemplo, SWC) que podem ser calculados no pós-processamento. A resolução de dados também pode afetar o tamanho do pacote de telemetria; no entanto, é importante representar o SWC como uma porcentagem (0,0-100,0%) a uma resolução de 0,1% ou como um decimal (0,00-1,00) a uma resolução de 0,001 m 3 ^m-3. A versão decimal em m 3 ^m-3 é muito preferível para evitar confusão com mudanças percentuais do teor de água em análises e relatórios posteriores, e para evitar confusão com o conteúdo de água de base de massa (g / g) que também pode ser relatado como porcentagem de teor de água. A temperatura do solo, ε e BEC são comumente relatados em resoluções de 0,1 °C, 0,1 [-] e 0,1 dS ^m-1, respectivamente.

Controle de qualidade do registro de dados
O processo de controle de qualidade do registro de dados verifica os dados e documenta sua qualidade. Notas de campo precisas e registros de calibração são essenciais no processamento do registro de dados. As etapas típicas no processamento de um registro são uma avaliação inicial, remoção de dados errôneos óbvios, aplicação de quaisquer cálculos ou correções de valor derivado e uma avaliação final dos dados. Os registros SWC geralmente consistem em um sinal (por exemplo, ε, contagens ou mV), temperatura do solo e BEC que são usados em graus variados para derivar o SWC. Os sensores também podem produzir um SWC derivado do fabricante. No entanto, nenhum sensor mede diretamente o SWC; esse cálculo pode ser uma parte da etapa de computação de dados, supondo que uma equação de calibração apropriada esteja disponível e se torne parte do registro de metadados. Um registro pode ser uma medida instantânea ou uma média ao longo de algum período. É desejável que os dados brutos sejam mantidos para que os formatos mais apropriados possam ser calculados para controle de qualidade e melhorias nas equações de calibração ou compreensão do sensor possam ser aplicadas aos dados brutos. As características do sensor devem determinar se os valores instantâneos ou os valores médios de múltiplas leituras são registrados, embora os valores instantâneos sejam preferidos por razões dadas anteriormente.

Há várias maneiras de incorporar dados auxiliares (consulte a verificação de dados abaixo) em um fluxo de trabalho de controle de qualidade. A precipitação é a primeira verificação - "o SWC aumentou após um evento de chuva?" Há situações em que o SWC pode aumentar sem PPT (por exemplo, derretimento de neve, descarga de água subterrânea, irrigação). A segunda verificação é comparar a mudança no armazenamento de água do solo com a quantidade total de PPT para um evento específico (Figura 7C). Idealmente, este evento deve ser um evento isolado de precipitação de baixa intensidade. A precipitação infiltra-se no solo a partir da superfície e percola para baixo. O pico no SWC deve seguir um padrão semelhante para baixo (Figura 7B). No entanto, o fluxo preferencial pode fazer com que a infiltração de água contorne um sensor raso ou cause uma resposta rápida em sensores mais profundos. Embora essas possam ser respostas "reais", a compactação deficiente da trincheira de instalação ou em torno de um sensor individual pode canalizar preferencialmente a água para um sensor. O viés na chegada frontal molhada deve ser usado com cautela e bom senso ao interpretar respostas incomuns a eventos de chuva ou derretimento de neve. Conforme ilustrado na Tabela 3, o BD dita o limite superior do espaço dos poros do solo, φ [-], em solos minerais. O conteúdo de água rotineiramente maior que φ indicar um sensor com defeito ou calibração inadequada do sensor. No primeiro caso, os dados podem ser eliminados do registro. Neste último caso, a recalibração pode permitir que o registo seja mantido, com valores modificados de acordo com a recalibração.

A temperatura do solo é outra variável que ajuda nos dados de controle de qualidade. A temperatura do solo se propaga para baixo na coluna do solo e atenua com a profundidade (Figura 7A). A temperatura deve atingir o pico mais cedo e mais alto mais perto da superfície, com o aumento do tempo de atraso a partir do pico da superfície à medida que a profundidade do sensor aumenta. Quaisquer atrasos de sensores fora de ordem podem ser uma indicação de uma profundidade mal identificada ou de um endereço SDI-12 incorreto. Como mostrado na Figura 10 e discutido nela, os sensores eletromagnéticos dependem de mudanças na ε, que variam de ~3 para o gelo a ~80 para a água. Mudanças entre água e gelo são registradas por sensores SWC. No entanto, pode ser necessário aumentar o limiar de sinalização, uma vez que o volume de detecção do sensor é diferente do volume de deteção do termistor de temperatura do solo e o limiar pode ser tão elevado como 4 °C. Como o grau de congelamento e a quantidade relativa de água líquida podem ser importantes para avaliar a hidrologia do solo, esses dados devem ser sinalizados como sendo influenciados pelo congelamento e não necessariamente removidos. No nível mais básico, o controle de qualidade deve racionalizar qualquer resposta errática do sensor a algum mecanismo físico ou então é um erro. Embora as rotinas automatizadas de controle de qualidade sejam um requisito para grandes redes e fontes de dados díspares 13,33,34,35, não há substituto para os olhos nos dados para manter a qualidade dos dados a longo prazo.

Verificação de dados
Um dos aspectos mais desafiadores dos dados SWC é a verificação - "o sensor está fornecendo dados bons e precisos?" A maioria dos sensores ambientais é acessível após a implantação e pode ser substituída por um novo sensor após algum tempo, devolvida ao fabricante ou laboratório para ser recalibrada em relação aos padrões e / ou ter os dados verificados em relação a uma amostra coletada no campo. As organizações meteorológicas seguem procedimentos rigorosos para sensores atmosféricos, incluindo rotações de sensores, manutenção de sensores e calibrações em campo que permitem que a manutenção preventiva sirva como a primeira passagem de verificação de dados^10,30. Os sensores SWC são enterrados in situ e não podem ser auditados ou recalibrados sem perturbação significativa do local e danos potenciais ao sensor. Além disso, não há padrões aceitos para sensores SWC e, como tal, a verificação de dados requer algum conhecimento da resposta antecipada do sensor e alguma confiança no próprio sensor. Ambos exigem experiência prática e melhores práticas que são seguidas no campo (ou seja, manutenção e inspeções no local). Se problemas de desempenho incomuns, como apresentado na Figura 11, se tornarem crônicos, há uma alta probabilidade de o sensor falhar e ele deve ser substituído.

Os sensores eletromagnéticos não têm partes móveis, e o fio e os circuitos tendem a ser robustos. Após 3 anos, a Texas Soil Observation Network relatou uma taxa de falha de 2% para sensores osciladores de linha de transmissão²¹. Após mais de 10 anos de serviço, a Rede de Resposta Climática dos EUA relatou um aumento acentuado na taxa de falha dos sensores de impedância em 15-18 sondas por 100 de 2014 a 2017³⁶. Conforme apresentado na Figura 11, a maioria dos sensores SCAN tinha mais de 20 anos de idade antes da falha. A substituição de um sensor antes da falha é preferível para que o sensor possa ser reavaliado no ar, na água e na areia para verificar se há desvio em relação aos valores de pré-implantação, se estes forem registrados (por exemplo, etapa 1), entre outros motivos. A substituição de rotina é um pouco impraticável com sensores SWC e raramente feita em grandes redes, e não temos conhecimento de quaisquer avaliações de longo prazo da mudança do sensor SWC eletromagnético ao longo do tempo. A rede USCRN está atualmente migrando para uma nova tecnologia de sensores depois de mais de 10 anos usando sensores de capacitância. O plano é ter uma sobreposição mínima de 2 anos entre sensores antigos e novos para fazer quaisquer ajustes.

As visitas de manutenção regulares devem incluir a verificação dos dados SWC, idealmente em uma variedade de condições de umidade. Isso pode ser realizado indiretamente usando um sensor portátil, idealmente calibrado para algumas amostras de solo ou diretamente para núcleos volumétricos de solo coletados no local. A melhor abordagem é comparar as leituras do sensor in situ com o SWC a partir de amostras volumétricas de solo em profundidades equivalentes³⁷ (Figura 12). A manutenção programada deve tentar cobrir uma variedade de condições de umidade do solo para que uma regressão simples entre medições diretas/indiretas de SWC e leituras coincidentes do sensor possa ser comparada. A amostragem mais profunda do solo pode ser feita em furos de trado ou com dispositivos mecânicos de coragem. A verificação dos sensores de superfície (por exemplo, 5 e 10 cm) pode ser suficiente, uma vez que os sensores mais profundos devem seguir uma resposta característica semelhante ao PPT, como discutido anteriormente. Existem várias limitações desta avaliação SWC post hoc. A principal desvantagem é que as amostras volumétricas não podem (nem devem) ser colhidas diretamente nos sensores e podem não ser verdadeiramente representativas do SWC dentro do volume de detecção ao redor dos dentes (dentro de 3 cm). Isso leva à segunda desvantagem; muitos outros locais de amostragem e profundidades podem ser necessários para obter um valor SWC de campo representativo. Isso também pode resultar em muitos buracos e distúrbios ao redor do local. Uma terceira desvantagem é a dificuldade de obter amostras volumétricas de solo em profundidade sem escavação que perturbe o perfil do solo.

Figura 12: Dados volumétricos SWC. Dados SWC de 60 cm³ núcleos de solo tomados como dados de calibração de campo em comparação com SWC de sensores in situ em profundidades de 15, 30, 45 e 60 cm, em texturas que variam de argilosa, areia fina a argila. Esse número foi adaptado de Evett et ^al.37. Abreviatura: SWC = teor de água do solo. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O NRCS desenvolveu um método de amostragem de solo em furos de trado usando um tubo de amostragem volumétrica (uma sonda estilo Madera) em uma haste de extensão para amostras no fundo de um furo de trado³⁸. Essas medições diretas também podem ser combinadas com medições indiretas de sensores portáteis ^37,39,40 para fornecer uma avaliação calibrada da representatividade espacial dos sensores in situ ^13,41. Conforme descrito na etapa 10.10 do protocolo, esse processo pode ser repetido para permitir que alguma métrica (por exemplo, erro quadrático médio da raiz, viés, correlação) determine qualquer desvio recente dos sensores in situ da amostragem direta ou das estimativas indiretas do SWC. Mais detalhes também são apresentados pela Agência Internacional de Energia Atômica AIEA⁷. Os dados de escavação e caracterização do solo apresentados nas etapas 3 e 5 também fornecem dados sobre φ (SWC não deve exceder esse valor). A textura e a horizontalização do solo ilustram zonas de alta/baixa condutividade e retenção de água do solo. Essas etapas estão muito alinhadas com o protocolo de amostragem de solos florestais²⁵. A escala desejada de representatividade pode ser usada para coletar o conjunto de dados de validação e, posteriormente, a estação pode ser dimensionada para a pegada validada⁴². Se um tipo de sensor de estação for substituído, seria razoável coletar outro conjunto de dados de validação em uma variedade de condições de água do solo para capturar o viés de instalação novamente.

Os conjuntos de dados auxiliares podem ajudar na verificação e avaliação dos dados SWC. É óbvio que uma série temporal hidrológica é drasticamente melhorada com um medidor PPT no local para verificar o tempo, a duração e a magnitude dos eventos. Os sensores de potencial matricial do solo fornecem o estado energético da água do solo, crítico para quantificar a água disponível da planta. Sensores meteorológicos, incluindo temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e irradiância solar, permitem o cálculo direto da evapotranspiração de referência (ET), que é um guia útil para a absorção relativa de água das plantas e, portanto, a taxa de secagem do solo⁴³. Vários sensores meteorológicos econômicos e tudo-em-um estão disponíveis com saída SDI-12. As informações sobre o nível das águas subterrâneas de um transdutor de pressão são outra medida valiosa, se o lençol freático estiver perto da superfície e um poço de monitoramento puder ser instalado. Finalmente, uma câmera de campo pode fornecer valor científico e valor de segurança do site. Imagens digitais podem registrar o crescimento da vegetação e o verde⁴⁴, e o estado geral da estação pode ser avaliado sem uma visita de campo.

Tabela Suplementar S1: Tecnologias de sensores SWC in situ comuns (mas não incluídas). Clique aqui para baixar este arquivo.

Tabela Suplementar S2: Registros do histórico do sensor extraídos do banco de dados on-line do NRCS para todos os locais apresentados neste protocolo. Dados disponíveis através de cada URL. Clique aqui para baixar este arquivo.

Tabela Suplementar S3: Dados do local e caracterização do solo para exemplos de dados apresentados na Figura 11. Clique aqui para baixar este arquivo.

Discussion

O estado de umidade do solo é resultado de muitos fatores ambientais diferentes, incluindo precipitação, vegetação, irradiância solar e umidade relativa, juntamente com propriedades hidráulicas e físicas do solo. Estes interagem ao longo do espaço e do tempo em diferentes escalas espaciais e temporais. Para modelar e prever os ciclos de água, energia e carbono, é necessário entender o estado SWC. Um dos tipos mais comuns de tecnologias de medição automatizada é um sensor SWC eletromagnético com tines destinados a serem inseridos in situ em solo não perturbado. Este protocolo é projetado para fornecer orientação para o processo de instalação desses tipos comuns de sensores enterráveis. A precisão, o desempenho e o custo são tipicamente proporcionais à frequência de operação dos sensores; os sensores de baixa frequência custam menos, mas são mais confundidos por fatores ambientais e do solo⁴⁵. A calibração específica do solo ou do local pode melhorar a precisão dos sensores de baixa frequência. O método de medição também afeta o desempenho do sensor devido à física subjacente do campo eletromagnético (EMF).

Duas grandes leis físicas eletromagnéticas governam a detecção eletromagnética. Uma delas é a lei de Gauss, que descreve como o EMF propagado do sensor é dependente do ε e BEC do meio. A permissividade aumenta com o SWC, no entanto, o mesmo acontece com o BEC. Portanto, os sensores dependentes da lei de Gauss são afetados pelo SWC, BEC e pelo efeito da temperatura no BEC, bem como por qualquer interferência da salinidade. Os métodos de detecção de capacitância obedecem à lei de Gauss e, portanto, são mais propensos a esses efeitos⁴⁶. Além disso, a lei de Gauss descreve a dependência da capacitância de um fator geométrico, que muda com a forma do EMF no solo. A pesquisa demonstrou que a forma EMF muda com a estrutura do solo e a variabilidade espacial em pequena escala do conteúdo de água ao redor dos dentes do sensor. A variabilidade espacial em pequena escala do teor de água e da estrutura do solo é grande na maioria dos solos, resultando em mudanças geométricas de fatores e consequentes mudanças de capacitância que têm pouco a ver com mudanças no teor médio de água do solo. Esses fatores diminuem a precisão do sensor de capacitância e aumentam a variabilidade ^dos dados^46,47,48. Os métodos de impedância e oscilação da linha de transmissão também dependem da lei de Gauss, enquanto os métodos de reflectometria no domínio do tempo e transmissometria no domínio do tempo dependem das equações de Maxwell, que não incluem um fator geométrico e não são dependentes do BEC. Embora nenhum sensor esteja livre de problemas, os métodos do domínio do tempo tendem a ser sensivelmente mais precisos e menos tendenciosos do que os métodos baseados em capacitância ou impedância.

Existem várias etapas críticas no procedimento. Para uma rede esparsa, a seleção adequada do local e a localização do sensor são necessárias para ter a representação espacial mais apropriada do SWC. A seleção do local pode ser mais influenciada por fatores externos, como o acesso à terra ou outros requisitos de monitoramento atmosférico em que a umidade do solo é a medição auxiliar. Os sítios meteorológicos de mesoescala estão localizados em superfícies gramadas amplas e abertas, bem cuidadas para minimizar quaisquer influências de microescala. Tais locais podem ser menos ideais para o monitoramento SWC. Se aplicável, as tecnologias de sensores sem fio devem ser consideradas 49,50,51,52,53 para permitir que o monitoramento SWC ocorra longe da estação de monitoramento ambiental existente e em solo representativo. Trabalhar em torno de operações agrícolas ativas e equipamentos de irrigação é um desafio. A maioria das redes (por exemplo, SCAN e USDA-ARS) permanece à margem dos campos para evitar atividades de lavoura, como arados ou colheitadeiras, que podem cortar os cabos e desenterrar sensores. Qualquer sensor e cabo in situ precisa estar suficientemente enterrado e ter um perfil de superfície baixo o suficiente para evitar inferências com operações na fazenda. Os sistemas sem fio⁵³ e os sensores de poço removíveis⁴⁷ podem ser mais apropriados. A conservação das águas subterrâneas utilizando irrigação em larga escala, baseada na humidade do solo⁵⁴, é um campo em crescimento para os sensores SWC; este protocolo refere-se a dados SWC espacialmente representativos a longo prazo em solos não perturbados.

Alguns solos são mais difíceis de medir do que outros. Em solos rochosos, cascalhos ou muito secos, pode ser impossível inserir os dentes sem qualquer dano. Uma opção é escavar o poço de solo e colocar os sensores no lugar durante o enchimento, tentando compactar para o BD original. Solos rochosos tendem a ter pouca estrutura, que provavelmente se curará após vários ciclos de umectação e secagem; no entanto, tal perturbação pode nunca ser verdadeiramente representativa da hidrologia do solo do local. Alternativamente, se os sensores forem instalados no fundo dos orifícios do trado, o solo removido pode ser peneirado para remover pedras e reembalado no orifício apenas o suficiente para acomodar os dentes do sensor. O sensor pode então ser instalado verticalmente e o orifício do trado reabastecido com o solo restante não peneirado, com compactação frequente à medida que o solo é adicionado.

As raízes no solo florestal representam desafios semelhantes à inserção da sonda, no entanto, as raízes podem ser cortadas em algumas situações. Os solos florestais geralmente têm horizontes orgânicos (O) no topo do solo mineral, que podem ter BD muito baixa e alta área de superfície específica, com grandes quantidades de água ligada, resultando em respostas de sensores muito não lineares em SWCs mais altos⁵⁵. Além disso, o praticante define o zero-datum como o topo do horizonte O ou o solo mineral observando o que nos metadados. Solos ricos em argila e argilas expansivas com alto potencial de encolhimento / ondulação podem ser extremamente condutores de sinais eletromagnéticos quando molhados e podem rachar quando secos. Tais solos podem necessitar de correções adicionais para obter SWC razoável a partir das medições brutas^56,57. Em solos rasos, o leito rochoso ou um horizonte de solo restritivo (por exemplo, caliche ou hardpan) pode ser encontrado antes de atingir a profundidade máxima ideal. Pode ser necessário mudar de local ou simplesmente não instalar o(s) sensor(es) mais profundo(s). Solos excessivamente secos ou úmidos podem ser desafiadores, e também é preferível escolher datas de instalação fora dos extremos sazonais. O solo seco pode ser muito forte e pode ser impossível inserir um sensor sem danos. Se necessário, os orifícios pré-traídos podem ser preenchidos com água para suavizar a face do poço, embora possa levar algum tempo até que os solos retornem a um estado natural. Solos úmidos podem ser muito fracos para suportar faces de poço ou a trincheira pode se encher de água. Também é mais fácil compactar demais um solo úmido.

A saída do sensor deve incluir permissividade, não apenas SWC, para que correções ou calibrações específicas do solo possam ser feitas posteriormente. Sensores de alta frequência são mais apropriados em solos de alto BEC, enquanto os dentes mais curtos podem ser mais fáceis de instalar em solos mais compactos. Talvez o passo mais crítico, no entanto, seja o contato com o solo; O mau contato degrada o sinal de qualquer sensor eletromagnético. Finalmente, o enchimento da escavação parece trivial, mas é fundamental para minimizar o fluxo preferencial na área dos sensores, manter os cabos protegidos e desencorajar os animais de perturbar a área. Uma calibração específica do solo ou do local pode melhorar a precisão do sensor, mas requer mais detalhes do que é possível neste protocolo. Solos de campo ajustados ou reembalados para diferentes níveis de SWC são ideais para verificar a linearidade da resposta e podem servir como uma calibração específica do local para alguns tipos de sensores²¹. Os líquidos dielétricos também podem ser meios eficazes para verificar a resposta do sensor⁵⁸. Banhos de água com temperatura controlada podem ser usados para melhorar as calibrações da temperatura do solo⁵⁹. Este protocolo é o primeiro passo para o estabelecimento de um procedimento operacional padrão para a instalação de sensores SWC in situ, uma vez que não existe um método existente, nem qualquer método aceito de calibração para sensores SWC^60,61.

Embora o monitoramento SWC tenha sido o foco deste protocolo, o método tem limitações, e o SWC sozinho não pode dar uma imagem completa do estado da água do solo. Muitos processos ecossistêmicos também são regulados pelo potencial hídrico do solo, que é menos comumente medido in situ⁶². O potencial hídrico do solo, recentemente revisado por S. Luo, N. Lu, C. Zhang e W. Likos ⁶³, é o estado energético da água; tais sensores podem ser menos afetados pelas propriedades do solo e fornecer controle de qualidade para sensores SWC⁶⁴. Além disso, o SWC de campo a granel inclui cascalhos, rochas, raízes e espaço vazio (por exemplo, caminhos de fluxo preferenciais). In situ Os sensores SWC são geralmente reposicionados em torno de rochas e raízes, e o volume de medição limitado, concentrado em torno dos tines, pode perder aspectos discretos, mas importantes, do SWC de campo a granel.

Espera-se que este protocolo leve a dados SWC mais harmonizados e uniformes para uma ampla gama de aplicações, incluindo monitoramento de secas, previsão de abastecimento de água, gerenciamento de bacias hidrográficas, gerenciamento agrícola e planejamento de culturas. O advento das plataformas de sensoriamento remoto⁴ aumentou muito a capacidade de estimar o SWC globalmente, mas esses produtos precisam de validação terrestre, que ainda é razoavelmente coletada apenas por redes in situ ⁶⁵. Os avanços do computador permitiram que a modelagem SWC⁶⁶ de hiper-resolução fosse desenvolvida, produzindo status SWC de alta resolução e sub-diária, mas esses produtos também precisam de estimativas in situ de SWC para fornecer alguma base para calcular a incerteza. Muitas vezes, a primeira pergunta feita quando um novo produto é introduzido é "qual é a incerteza?" Para produtos SWC, a principal comparação para validação são os dados de rede in situ ⁶⁷.

Houve expansões recentes da rede associadas à Rede Nacional Coordenada de Monitoramento da Umidade do Solo (NCSMMN), incluindo o projeto de umidade do solo da Bacia do Alto Rio Missouri do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA e o acúmulo de rede do Sudeste dos EUA apoiado pela NOAA, todos projetados para melhorar a previsão de riscos hídricos, monitorar e fornecer suporte à decisão de gerenciamento de recursos. A certeza e a precisão das estimativas SWC para tais aplicações só podem ser alcançadas com protocolos e procedimentos completos para fornecer confiança na integridade dos dados. O NCSMMN é um esforço multi-institucional liderado pelo governo federal que visa fornecer assistência, orientação e apoio, construindo uma comunidade de prática em torno da medição, interpretação e aplicação da umidade do solo - uma "rede de pessoas" que conecta provedores de dados, pesquisadores e o público⁶⁸. Este protocolo é um produto dos esforços do NCSMRN. Um fluxo de trabalho de controle de qualidade de dados está por vir.

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