In situ Capteurs d’humidité du sol dans les sols non perturbés

Summary

La détermination de la teneur en eau du sol est une exigence de mission essentielle pour de nombreux organismes étatiques et fédéraux. Ce protocole synthétise les efforts de plusieurs organismes pour mesurer la teneur en eau du sol à l’aide de capteurs enterrés in situ .

Abstract

L’humidité du sol affecte directement l’hydrologie opérationnelle, la sécurité alimentaire, les services écosystémiques et le système climatique. Cependant, l’adoption des données sur l’humidité du sol a été lente en raison d’une collecte de données incohérente, d’une mauvaise normalisation et d’une durée d’enregistrement généralement courte. L’humidité du sol, ou teneur quantitativement volumétrique en eau du sol (SWC), est mesurée à l’aide de capteurs enterrés in situ qui déduisent SWC à partir d’une réponse électromagnétique. Ce signal peut varier considérablement en fonction des conditions locales du site, telles que la teneur en argile et la minéralogie, la salinité du sol ou la conductivité électrique en vrac et la température du sol; Chacun d’entre eux peut avoir des impacts variables en fonction de la technologie du capteur.

De plus, un mauvais contact avec le sol et la dégradation des capteurs peuvent affecter la qualité de ces lectures au fil du temps. Contrairement aux capteurs environnementaux plus traditionnels, il n’existe pas de normes, de pratiques d’entretien ou de contrôles de qualité acceptés pour les données de CFC. À ce titre, CFC est une mesure difficile à mettre en œuvre pour de nombreux réseaux de surveillance environnementale. Ici, nous tentons d’établir une norme de pratique communautaire pour les capteurs SWC in situ afin que les recherches et les applications futures aient des directives cohérentes sur la sélection du site, l’installation des capteurs, l’interprétation des données et la maintenance à long terme des stations de surveillance.

La vidéographie se concentre sur un consensus multi-agences de meilleures pratiques et de recommandations pour l’installation de capteurs SWC in situ . Le présent document présente un aperçu de ce protocole ainsi que les diverses étapes essentielles à la collecte de données de CFC de grande qualité et à long terme. Ce protocole sera utile aux scientifiques et ingénieurs qui espèrent déployer une seule station ou un réseau entier.

Introduction

L’humidité du sol a récemment été reconnue comme une variable climatique essentielle dans le Système mondial d’observation du climat¹. L’humidité du sol, ou teneur en eau quantitativement volumétrique du sol (SWC), joue un rôle majeur dans la répartition du flux de rayonnement entrant en chaleur latente et sensible entre la surface de la Terre et l’atmosphère, et dans la répartition des précipitations entre le ruissellement et l’infiltration². Cependant, la variabilité spatio-temporelle de l’humidité du sol à l’échelle du point, du champ et du bassin versant complique notre capacité de mesurer la CFC à l’échelle appropriée nécessaire pour atteindre les objectifs de recherche ou de gestion³. Les nouvelles méthodes de quantification de CFC, y compris les réseaux au sol de capteurs in situ , de détecteurs proximaux et de télédétection, offrent des occasions uniques de cartographier la variation de CFC à une résolution sans précédent⁴. In situ Les capteurs SWC fournissent les enregistrements de données les plus continus dans le temps et les plus spécifiques à la profondeur, mais ils sont également soumis à de petits volumes de détection et à une variabilité à l’échelle locale inhérente aux propriétés du sol, à la topographie et à la couverture végétale⁵.

De plus, il n’existe pas de normes ou de méthodes largement acceptées pour l’installation, l’étalonnage, la validation, l’entretien et le contrôle de la qualité des capteurs SWC in situ . L’humidité du sol est intrinsèquement un paramètre difficile à mesurer et peut être la variable la plus difficile à assurer la qualité⁶. Bien que des protocoles généraux pour la collecte de données de CFC aient été produits par l’Agence internationale de l’énergie atomique⁷, le Comité sur les satellites d’observation de la Terre⁸, les rapports d’organismes fédéraux⁹ et l’American Association of State Climatologists¹⁰, il existe peu de directives précises sur l’installation, l’entretien, le contrôle de la qualité et la vérification des données de CFC provenant d’enfouis in situ . Sondes. Cela a rendu difficile l’adoption de telles technologies pour les réseaux de surveillance opérationnels, tels que les Mesonets d’état, pour ajouter des mesures SWC. De même, il est également difficile pour les hydrologues opérationnels, par exemple dans les centres de prévision fluviale, d’intégrer ces données dans leur flux de travail. L’objectif de cette vidéographie et du document d’accompagnement est de fournir une telle orientation et de documenter un protocole d’installation cohérent pour les sondes SWC enterrées in situ .

Choix d’un emplacement pour la surveillance in situ de l’humidité du sol
Les sols de toute zone d’intérêt (ZI) se forment grâce à une rétroaction unique et couplée au fil du temps entre la topographie, l’écologie, la géologie et le climat^11,12. La variabilité de CFC d’un paysage à l’autre fait du choix d’un site un aspect essentiel de toute étude sur l’humidité du sol. Pour certains objectifs de recherche, un site peut être choisi pour représenter une caractéristique ou un microsite particulier du paysage ou de l’écosystème. Aux fins des réseaux de surveillance, le site devrait être spatialement représentatif d’une composante paysagère plus vaste. L’objectif est de trouver un emplacement qui offre la meilleure représentation spatiale de la ZI. Sur le terrain, des considérations plus pragmatiques doivent être atteintes, telles que les exigences d’autres instruments météorologiques, l’accessibilité ou les permis. Cependant, l’unité dominante de carte du sol dans la ZI est généralement une bonne représentation spatiale des conditions environnementales d’une zone plus grande¹³. L’unité dominante de cartographie des sols peut être déterminée à l’aide du Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Cette unité de cartographie du sol doit également être vérifiée avec une fosse peu profonde ou un trou d’essai.

Une station de surveillance typique peut occuper 5-50 m², en fonction des besoins du capteur et du nombre de mesures auxiliaires. La figure 1 représente une station de surveillance typique avec une tour de 3 m qui contient un anémomètre pour la vitesse et la direction du vent, un capteur de température de l’air et d’humidité relative, un pyranomètre pour le rayonnement solaire et une enceinte résistante aux intempéries et étanche à l’eau de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA Manufacturers Association) (cote NEMA 4). Le boîtier NEMA abrite la plate-forme de contrôle des données (DCP), le modem cellulaire, le régulateur de charge des panneaux solaires, la batterie et d’autres matériels connexes (voir le tableau des matériaux; Composants du système). La tour fournit également une plate-forme pour l’antenne de communication, le panneau solaire et le paratonnerre. Une jauge de précipitations liquides (PPT) est également généralement incluse, qui doit être placée loin de la tour et à l’altitude la plus basse possible pour réduire les effets du vent sur la capture PPT. Les capteurs SWC doivent être installés à une distance suffisante (3-4 m) et en pente ascendante pour qu’il n’y ait pas d’interférence potentielle de la tour sur les précipitations ou l’écoulement terrestre. Tous les câbles connexes doivent être enterrés dans un conduit à au moins 5 cm sous la surface.

Figure 1 : Station de surveillance typique. Le SCAN de l’USDA recueille des informations horaires sur la teneur en eau et la température du sol à des profondeurs standard (5, 10, 20, 50 et 100 cm), la température de l’air, l’humidité relative, le rayonnement solaire, la vitesse et la direction du vent, les précipitations et la pression barométrique. Il existe plus de 200 sites SCAN aux États-Unis. Abréviations : SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = National Electrical Manufacturers' Association. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Profondeur de mesure, orientation et nombre de capteurs
In situ Les capteurs SWC sont généralement installés horizontalement pour représenter des profondeurs spécifiques dans le sol (figure 2). Les réseaux nationaux financés par le gouvernement fédéral, comme le Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, le Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 et le U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 mesurent la CFC à 5, 10, 20, 50 et ¹⁰⁰ cm. Ces profondeurs ont été atteintes par consensus lors de l’élaboration du SCAN pour diverses raisons. La profondeur de 5 cm correspond aux capacités de télédétection¹⁷; Les profondeurs de 10 et 20 cm sont des mesures historiques de la température du sol¹⁸; Des profondeurs de 50 et 100 cm complètent le stockage de l’eau du sol dans la zone racinaire.

Les sondes peuvent être orientées verticalement, horizontalement ou inclinées/inclinées (Figure 3). L’installation horizontale est la plus courante pour obtenir une mesure uniforme de la température du sol à une profondeur discrète. Bien que le capteur puisse être centré à une profondeur discrète, la mesure SWC est un volume autour des dents (c.-à-d. électrodes), qui peut varier en fonction des niveaux d’humidité, de la fréquence de mesure et de la géométrie de l’installation (horizontale, verticale ou inclinée). Pour une installation horizontale, le volume de détection intègre l’humidité au-dessus et au-dessous de la profondeur, et 95% du volume de détection se trouve généralement à moins de 3 cm des dents¹⁹. Les installations verticales ou inclinées intègrent SWC le long des dents, de sorte que l’installation verticale peut représenter le stockage sur toute la longueur des profondeurs de capteur²⁰. Certains capteurs ne mesurent pas uniformément le long de leurs dents. Par exemple, les oscillateurs de ligne de transmission sont plus sensibles à l’humidité près de la tête de sonde où les impulsions électromagnétiques sont générées²¹. Les installations verticales conviennent mieux aux sondes plus profondes où les gradients de température et d’humidité ont tendance à être réduits.

Figure 2 : Installation de capteurs SWC in situ. Placement horizontal du capteur à des profondeurs choisies à l’aide (A, B) d’un gabarit de référence de profondeur nulle et (C) d’une carte de profondeur nulle ou (D) d’une poignée de pelle de profondeur nulle pour référence. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Orientation des sondes verticalement, horizontalement ou en inclinaison. (A) insertion oblique et verticale et (B) insertion horizontale-verticale et profondeur centrale d’insertion horizontale-horizontale d’un capteur SWC à trois étains. Abréviation : SWC = teneur en eau du sol. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

L’installation à des profondeurs inférieures à 50 cm est relativement intuitive, tandis que les capteurs plus profonds demandent un peu plus d’efforts. Le stockage de l’eau du sol dans la zone racinaire ou le profil du sol nécessite généralement des mesures jusqu’à 1 ou 2 m. Comme illustré dans ce protocole, les installations de 0 à 50 cm sont réalisées dans une fosse excavée ou un trou de tarière avec des sondes installées horizontalement dans le sol non perturbé, minimisant ainsi la perturbation de surface. Pour les capteurs plus profonds (p. ex. 100 cm), SCAN et USCRN installent le capteur verticalement dans des trous séparés et taraudés à la main à l’aide d’une rallonge (Figure 4).

Compte tenu de l’hétérogénéité de SWC, en particulier près de la surface, et des faibles volumes de mesure des capteurs, les mesures triples permettent une meilleure représentation statistique de SWC. Cependant, un profil de capteurs in situ est typique de la plupart des réseaux (par exemple, SCAN et SNOTEL). L’USCRN utilise trois profils espacés de 3 à 4 m pour effectuer des mesures triples à chaque profondeur¹⁶. De plus, la redondance des mesures ajoute de la résilience et de la continuité au dossier de la station si des ressources financières sont disponibles.

Figure 4 : Installation des capteurs. (A) Les capteurs peu profonds sont généralement installés horizontalement dans la paroi latérale d’une fosse de sol excavée. Pour les capteurs plus profonds, (B) une vis sans fin est utilisée pour creuser un trou à profondeur à l’aide d’une référence de profondeur nulle (par exemple, du bois enjambant la tranchée) et les capteurs sont poussés verticalement dans le fond des trous en utilisant (C) une section de tuyau en PVC modifiée pour fixer le capteur et le câble pendant l’installation ou (D) un outil d’installation. Les couches de sol sont notées comme couche arable (horizon A) et horizons souterrains avec des argiles transloquées (Bt) et une accumulation de carbonates (Bk). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Type de capteur SWC in situ
Les capteurs disponibles dans le commerce déduisent SWC de la réponse mesurée à un signal électromagnétique propagé le long des dents en contact direct avec le sol²². Les capteurs enterrés se répartissent en cinq classes selon le type de signal électromagnétique propagé et la méthode de mesure de la réponse : capacité, impédance, réflectométrie dans le domaine temporel, transmisométrie dans le domaine temporel et oscillation de la ligne de transmission (tableau supplémentaire S1, avec des liens vers les informations de chaque fabricant). Ces technologies ont tendance à se regrouper par fréquence de fonctionnement et par fabricant. Les dents plus longues intègrent un plus grand volume de sol; cependant, ils peuvent être plus difficiles à insérer et sont plus sujets à la perte de signal dans les sols avec de l’argile et une conductivité électrique apparente (BEC) plus élevée. Les fabricants signalent des erreurs de mesure SWC de 0,02 à 0,03 m³m−3, tandis que les utilisateurs trouvent généralement qu’elles sont beaucoup plus grandes ²³. Un étalonnage et une normalisation appropriés des capteurs électromagnétiques améliorent les performances²²; Cependant, ces étalonnages spécifiques au sol dépassent le cadre de ce protocole, qui se concentre sur l’installation.

La sélection du capteur doit tenir compte de la sortie souhaitée, de la méthode de mesure, de la fréquence de fonctionnement et de la compatibilité avec d’autres mesures. Avant 2010, la plupart des capteurs SWC étaient analogiques et nécessitaient que le DCP effectue des mesures de tensions différentielles, de résistances ou de comptages d’impulsions, ce qui nécessitait des composants plus coûteux et des canaux individuels (ou multiplexeurs) pour chaque capteur. Désormais, l’interface de données série à 1 200 bauds (SDI-12) protocoles de communication (http://www.sdi-12.org/) permet aux capteurs intelligents de mettre en œuvre des algorithmes de mesure internes, puis de transmettre des données numériques le long d’un seul câble de communication. Chaque capteur peut être câblé ensemble en séquence (c’est-à-dire une chaîne en série) à l’aide d’un fil commun connecté par des connecteurs d’écrou de levier ou de bornier (Figure 5), chaque capteur ayant une adresse SDI-12 unique (0-9, a-z et A-Z). Le fil de communication commun des capteurs SDI-12 forme un circuit unique avec un fil d’alimentation et de terre. Les multiplexeurs ou toute mesure au DCP ne sont pas nécessaires; au lieu de cela, le DCP envoie et reçoit simplement des commandes numériques et des lignes de texte. De nombreux capteurs SDI-12 SWC incluent également des mesures de température du sol, de permittivité relative (ε) et de BEC. De telles mesures sont utiles pour le diagnostic des capteurs et l’étalonnage spécifique au sol. À ce stade, l’utilisateur a sélectionné un site, déterminé le type, le nombre et la profondeur du capteur, et obtenu tout le matériel et les outils de terrain nécessaires (tableau des matériaux). Ainsi, ils peuvent procéder au protocole d’installation.

Figure 5 : Connecteurs d’épissure et borniers utilisés pour relier des fils d’alimentation, de terre et de communication communs à une seule entrée sur la plate-forme de collecte de données. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Protocol

1. Préparation de la préinstallation des capteurs

1. Vérifiez l’adresse SDI-12. Les capteurs sont définis sur une adresse par défaut par le fabricant. Connectez séparément chaque capteur à une plate-forme de contrôle des données (DCP) à l’aide du ?! pour interroger l’adresse du capteur.
   REMARQUE: Chaque capteur sur une ligne de données commune doit avoir une adresse unique (par exemple, 0-9). Reportez-vous au manuel du capteur pour l’adressage SDI-12 et la modification de la valeur d’un capteur, si nécessaire.
2. Prenez une mesure (par exemple, « aM! », où a est l’adresse) dans l’air , le sable sec et immergé dans l’eau.
   NOTE: Les mesures de l’air doivent indiquer 0,00 m 3 m-3 (permittivité relative [ε] ~1), le sable de jeu < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) et l’eau ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80).
3. Enregistrez ces valeurs ainsi que le numéro de série et l’adresse SDI-12 de chaque capteur dans un livre de laboratoire. À l’aide d’un marqueur, étiquetez la tête du capteur et l’extrémité du câble avec le numéro d’adresse.
4. Vérifiez le programme DCP. Certains DCP sont plug-and-play, mais la plupart nécessitent un programme pour effectuer des mesures et enregistrer des données. Configurez les capteurs SWC et tous les capteurs auxiliaires dans le laboratoire, en les connectant tous au DCP et à la batterie. Laissez les capteurs SWC suspendus dans l’air, insérés dans du sable sec ou immergés dans l’eau, en vous assurant que les dents ne se touchent pas.
   NOTE: Les mesures de l’air doivent indiquer 0,00 m 3 m-3 (permittivité relative [ε] ~1), le sable de jeu < 0,02 m 3 m 3 m 3 (ε < 4) et l’eau ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80).
5. Laissez le système fonctionner pendant la nuit ou plus longtemps. Vérifiez que les données sont enregistrées aux taux appropriés et que les valeurs (p. ex., bon nombre de colonnes, chiffres significatifs) sont appropriées.
6. Vérifiez également toutes les sorties auxiliaires du capteur SWC (par exemple, température et BEC). Laissez le système fonctionner pendant au moins 1 jour. Vérifiez que les tables de données sont correctes.
   REMARQUE: Certains DCP sont plug-and-play, mais la plupart nécessitent un programme pour effectuer des mesures et enregistrer des données.

2. Déterminez la disposition des champs

1. Avant de commencer toute excavation, appelez le 811 (États-Unis et Canada) au moins 2 jours avant l’excavation pour vérifier la présence de toute infrastructure souterraine (p. ex. fils électriques, alimentation en eau, conduites de gaz). Le défaut d’assurer de telles autorisations peut entraîner des pénalités et une responsabilité substantielles.
2. Vérifiez l’unité de cartographie du sol à l’emplacement de la fosse. Utilisez l’application USDA SoilWeb, disponible pour les smartphones iOS et Android, pour interroger l’emplacement. Creusez un trou d’essai à l’aide d’une tarière manuelle de 5 à 10 cm de diamètre pour vérifier que la texture du champ est conforme à la description de l’unité cartographique. Vérifiez s’il y a des problèmes tels que des couches dures (p. ex., des bacs de charrue, des caprices ou des horizons argilliques) ou des couches avec des fragments de roche élevés; Dans les deux cas, l’insertion de la sonde peut rendre l’insertion de la sonde difficile, voire impossible.
3. Déterminez le meilleur emplacement pour les capteurs. Chaque capteur sera installé dans la face verticale d’un sol non perturbé.
   NOTA : S’il existe une pente, la taille doit être ascendante afin de minimiser l’écoulement préférentiel qui se produit à travers le sol perturbé et le long des tranchées de câbles.
4. Utilisez une petite feuille de contreplaqué (1 m²) ou une bâche pour protéger la surface du sol et empêcher les travailleurs sur le terrain de travailler sur le sol non perturbé.
5. Déterminez l’emplacement du mât d’instruments. Assurez-vous que les capteurs sont suffisamment éloignés du mât pour minimiser la circulation piétonnière et les effets de la tour.
   REMARQUE: Des câbles de 5 m en stock sont généralement suffisants pour la plupart des installations.
   1. Utilisez la longueur de câble la plus courte possible pour minimiser les perturbations de surface et les risques de rupture.
      NOTA : Si le mât d’instruments est déjà en place sur un site existant, une avance plus longue peut être nécessaire pour atteindre un sol représentatif; Par ailleurs, les technologies sans fil pourraient être envisagées (voir « Réflexions supplémentaires sur le choix du site »).
   2. Assurez-vous que la distance totale jusqu’au support d’instruments est de 80 % à 90 % de la longueur du câble pour tenir compte du câble supplémentaire nécessaire pour acheminer de la profondeur d’installation, à travers le conduit et jusqu’au boîtier.
      REMARQUE: La gestion des fils peut être délicate lorsque de nombreux capteurs SWC arrivent à un point central.
   3. Les câbles plus minces nécessitent un enfouissement dans des conduits en PVC, tandis que les câbles plus rigides et épais peuvent être enterrés directement. Pour les deux, creusez une tranchée de >10 cm de profondeur et de 10 à 15 cm de largeur.
   4. Assurez-vous que le boîtier dispose d’un point d’entrée pour tous les capteurs hors sol et d’un orifice de conduit pour les capteurs souterrains (Figure 5). Montez le boîtier à une hauteur confortable (1 m) pour le câblage.
   5. Recommandation : Déroulez un capteur. Placez la tête du capteur à la face de la fosse et positionnez-la à l’extrémité du câble au niveau du support d’instrument. Vérifiez que la longueur du câble est correcte et ajustez-la si nécessaire.

3. Excavation de la fosse de sol

REMARQUE: La fosse de sol peut être excavée manuellement ou mécaniquement. L’objectif est de minimiser la perturbation globale du site.

1. Pour la fosse creusée à la main, posez une autre bâche plus grande (2 m²) adjacente à la zone d’excavation. Utilisez une bêche étroite (p. ex., tireur d’élite) pour creuser un trou rectangulaire à une profondeur de ~55 cm. Assurez-vous que la face de la fosse, actuellement protégée par du contreplaqué ou une bâche (étape 2.4), est verticale (ou légèrement coupée) afin que chaque capteur ait un sol non perturbé au-dessus. Assurez-vous également que la fosse mesure 20 à 40 cm de large et ~25% plus longue que la longueur totale du capteur. Commencez à enlever la terre par incréments de 10 cm et placez chaque ascenseur à l’extrémité de la bâche, en vous rapprochant à chaque incrément; Brisez les mottes et enlevez les gros rochers.
   REMARQUE : Assurez-vous que la zone d’excavation est aussi petite que possible et laisse suffisamment d’espace pour insérer la sonde horizontale la plus profonde.
2. Pour la vis sans fin hydraulique, utilisez une tarière de grand diamètre (>30 cm) et une tarière de 1 m de long, montée sur remorque.
   REMARQUE: Les tarières de poteau de clôture pour deux ou une personne peuvent être dangereuses.
   1. Placez la vis sans fin à ~5 cm en arrière de la face de la fosse prévue.
   2. Percer jusqu’à >50 cm, en soulevant la tarière de temps en temps pour expulser la terre.
   3. Utilisez une bêche étroite pour créer une face de fosse plate et verticale.
   4. Utilisez une bêche ou une truelle à main pour déplacer la terre de la fosse à la bâche.
      REMARQUE : Le sol excavé sera bien mélangé; Il n’y a aucun moyen d’éviter cela.
3. Construisez une tranchée creusée mécaniquement à l’aide d’équipement lourd.
   REMARQUE : À moins qu’une installation horizontale inférieure à 100 cm ne soit nécessaire, le gros matériel d’excavation n’est pas encouragé. Le traitement de la pile de déblais (c.-à-d. le sol excavé) peut être difficile, et les chenilles et les stabilisateurs de la rétrocaveuse causent des perturbations importantes.
   1. Utilisez une pelle rétrocaveuse légère avec un godet étroit, idéalement de moins de 50 cm, pour creuser une tranchée étroite similaire à une profondeur de 100 ou 200 cm.
      REMARQUE : Évitez de déplacer la pelle rétrocaveuse pour minimiser l’impact de surface.
   2. Commencez à enlever la terre par incréments de 10 cm et placez chaque ascenseur à l’extrémité de la bâche, en vous rapprochant à chaque incrément. Assurez-vous que la zone d’excavation est aussi petite que possible et à une profondeur de ~55 cm, en laissant suffisamment d’espace pour insérer la sonde horizontale la plus profonde.
4. Pour la tranchée du câble capteur, creusez une tranchée à partir de l’arrière de la fosse de sol jusqu’à la tour d’instruments. Utilisez une pelle de tranchée assistée d’un médiator ou d’un pulaski en sections dures. Creuser une tranchée droite, étroite (~10 cm) de >10 cm de profondeur, en posant le sol d’un côté de la tranchée.

4. Montage/montage du support d’instrument et de l’enceinte

REMARQUE: Le support d’instrument a trois options: un simple poteau, un trépied ou une tour. Pour une station d’humidité du sol de base avec une jauge PPT, un poteau en acier galvanisé ou un support d’instrument en acier inoxydable (120 cm de hauteur) avec pieds est suffisant. Pour les mesures météorologiques de base, un mât plus haut est nécessaire pour installer des capteurs à 2 m. La plupart des mésonets préfèrent les tours de 10 m de haut; Cependant, ces tours dépassent le champ d’application de ce protocole.

1. Utilisez un poteau en acier galvanisé.
   NOTE: Une conduite d’eau en acier galvanisé de 4 cm de diamètre, ~3 m de long est la méthode la plus économique.
   1. Tarière à main un petit trou à un minimum de 60 cm de profondeur. Positionnez le poteau dans le trou. Assurez-vous que la hauteur du poteau est suffisamment au-dessus du sol pour contenir l’enceinte, le panneau solaire et toutes les antennes nécessaires.
      NOTE: Une hauteur de <2 m est recommandée.
   2. Mélangez le béton à prise rapide ou la mousse de poteau de clôture, conformément aux instructions.
      REMARQUE : Le béton n’est pas autorisé sur certaines terres fédérales et certains propriétaires fonciers privés peuvent s’y opposer. Les alternatives en mousse pour les installations de poteaux de clôture sont une bonne alternative et ne nécessitent pas d’eau.
   3. Versez l’un ou l’autre matériau autour du poteau et assurez-vous qu’il est de niveau à l’aide d’un niveau de torpille. Laissez le béton durcir pendant plusieurs heures (idéalement pendant la nuit) et fixez le poteau avec des entretoises pour vous assurer qu’il reste à niveau. Bien que la mousse durcisse en 30 minutes, assurez-vous de maintenir le tuyau en place pendant au moins 2 minutes, en veillant à ce qu’il reste vertical.
2. Support d’instrument ou trépied (voir les instructions du fabricant)
   1. Desserrez ou déverrouillez chacune des trois pattes du support.
   2. Faites pivoter ou étendez chaque jambe et position au-dessus de l’extrémité de la tranchée excavée.
   3. Insérez le mât de l’instrument dans les jambes et serrez.
   4. Ajustez la longueur de chaque jambe pour vous assurer que le mât est vertical.
   5. Enfoncez chaque jambe dans le sol et vérifiez à nouveau le mât avec un niveau de torpille.
3. À l’aide de boulons en U, montez le boîtier sur le support d’instrument à 1-1,5 m. Serrez les boulons à la main pour le fixer; Sa hauteur finale et son resserrement auront lieu plus tard.
   NOTE: Il est recommandé de monter sur le côté nord du poteau pour éviter de se cogner la tête sur le panneau solaire plus tard.

5. Caractérisation des sols et prélèvement d’échantillons

REMARQUE : La caractérisation visuelle du sol est essentielle pour interpréter la dynamique de l’humidité du sol après l’installation. La collecte d’échantillons peut faciliter l’interprétation avec des données quantitatives. Prélever des échantillons même si le financement n’est pas disponible ou si les installations internes ne sont pas en mesure de les traiter. Séchez-les à l’air et archivez-les, au cas où une caractérisation du sol serait nécessaire à l’avenir.

1. Pour la description de base du sol, notez la profondeur de tout changement évident de couleur ou de texture du sol (horizons).
   NOTE: Le National Soil Survey Center fournit un excellent aperçu des descriptions et des interprétations des profils pédologiques²⁴. Si l’emplacement n’est pas idéal, c’est le moment de déménager.
2. Pour la caractérisation de base du sol, prélever des échantillons de sol représentatifs dans un sac de congélation de 1 litre (1 L) à chaque profondeur de capteur, en suivant la procédure de Lawrence et ^coll.25.
   1. De retour au bureau ou au laboratoire, posez tous les sacs de 1 quart sur le comptoir, ouverts, et laissez-les sécher à l’air pendant au moins 48 heures.
      REMARQUE: Le séchage à l’air élimine la majeure partie de l’humidité du sol tout en préservant les propriétés organiques et chimiques pour les analyses futures.
   2. Soumettez les échantillons à un laboratoire de vulgarisation universitaire (p. ex., https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) ou à un laboratoire commercial (p. ex., http://www.al-labs-west.com/) pour d’autres analyses. Vous pouvez également exécuter l’échantillon à l’interne par des techniciens qualifiés, en utilisant les méthodes acceptées indiquées ci-dessous.
   3. Effectuer des analyses de laboratoire de base, y compris les paramètres physiques du sol tels que la distribution granulométrique²⁶, la fraction rocheuse (RF; pourcentage pondéral supérieur à 2 mm), la fraction du sol (SF; pourcentage inférieur à 2 mm) et la texture (pourcentages de sable, de limon et d’argile). Vérifiez les paramètres chimiques de base, y compris la conductivité électrique de la pâte saturée (dS ^m-1)²⁷ et la matière organique²⁸.
   4. Recommandé : Effectuer un échantillonnage volumétrique des carottes de sol à des profondeurs de 5, 10, 20 et 50 cm à l’aide d’un carottage pour prélever un échantillon volumétrique non perturbé. Déterminer la masse volumique apparente du sol (BD; g ^cm-3) à partir du poids total du sol sec et du volume du noyau²⁹. Porosité du sol (φ; [-]) est la limite supérieure physique de SWC. Pour les sols minéraux, estimer φ à 1 - BD/, où la densité des particules () pour les sols minéraux à prédominance quartzeuse est de 2,65 g ^cm-3.
      REMARQUE : Les échantillons de BD sont prélevés dans une carotte de volume connu ou à l’aide de pédales^{de sol 29}.

6. Insertion horizontale des sondes de 5, 10, 20 et 50 cm

REMARQUE: L’objectif est d’assurer un contact complet avec le sol autour des dents du capteur, en évitant toute lame d’air.

1. Coupez soigneusement les attaches à glissière et déroulez chaque capteur, en enlevant toute bobine dans les câbles. Placez la tête du capteur près de la fosse de sol et le câble dans la tranchée.
2. La profondeur d’installation est définie comme le centre du capteur lorsqu’il est installé horizontalement, que la face du capteur soit ronde ou rectangulaire. Installez le capteur à la profondeur précise sous la surface du sol et aussi horizontalement que possible dans le sol. Utilisez une référence de profondeur nulle et un appareil de mesure (ruban à mesurer ou règle) pour une profondeur de capteur précise (Figure 2) et une entretoise pour maintenir l’espacement des dents pendant l’insertion (Figure 2C).
3. Tout d’abord, insérez le capteur de 50 cm. Poussez le capteur horizontalement dans le sol, en essayant de ne pas bouger le capteur car cela peut créer des lacunes. Comme la sonde de 50 cm est souvent la plus difficile, utilisez une tige de mise à la terre pour fournir plus de levier pour pousser ce capteur, en veillant à ne pas casser la tête époxy ou séparer les dents. Répétez le processus d’insertion, en travaillant vers le haut jusqu’aux profondeurs de capteur de 20, 10 et 5 cm. Échelonnez (Figure 2D) ou empilez (Figure 2B) les capteurs.
   REMARQUE: La synchronisation de mesure dans les protocoles SDI-12 empêche généralement les capteurs de lire simultanément et de générer des interférences entre les capteurs adjacents (par exemple, les profondeurs de 5 et 10 cm).
4. Orientez chaque câble de capteur du même côté de la face de la fosse, de sorte qu’ils puissent être suspendus au fond de la fosse d’excavation. Prenez une photo du trou excavé et des capteurs à l’aide d’un ruban à mesurer (figure 6A). Utilisez un GPS pour déterminer la latitude et la longitude à quelques mètres de la fosse. Si vous creusez plusieurs sites au cours d’une journée, utilisez une plaque avec un identificateur unique pour différencier les fosses.

Figure 6 : Exemples de photographies pour les métadonnées. (A) La fosse de sol instrumentée avec ruban à mesurer pour l’échelle, (B) la tranchée de câbles creusée jusqu’au mât d’instruments, et les photos finales du site faisant face (C) au nord et (D) au sud. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

7. Insertion verticale pour la sonde de 100 cm

1. Pour les installations de capteurs à des profondeurs supérieures à 50 cm, la vis sans fin doit être placée dans la tranchée du câble ou à proximité de celle-ci (figure 4A).
2. À l’aide d’une tarière manuelle (5-10 cm de diamètre), creusez jusqu’à la ou aux profondeur(s) d’installation appropriée(s). La profondeur est définie comme le centre de mesure (p. ex., 50 cm) moins la moitié de la longueur de la dent par rapport à la référence de profondeur nulle (figure 4B).
3. Disposer le sol excavé sur une bâche dans l’ordre dans lequel il a été enlevé.
4. Installez le capteur verticalement en le poussant dans le fond du trou à l’aide d’un outil d’installation (Figure 4C,4D). Remballez le trou de la tarière avec le sol excavé du plus profond au plus peu profond. Remplacez le sol dans de petits ascenseurs, en le tayant suffisamment pour éviter que le sol ne se jette dans le trou et ne crée de vides.
   NOTE: Les outils d’emballage peuvent être un morceau de cheville en PVC ou en bois. Évitez d’endommager la tête ou le câble du capteur.

8. Terminer l’installation du capteur et le câblage vers DCP

1. Si les câbles du capteur sont directement enterrés, assurez-vous que les extrémités aériennes qui pénètrent dans le boîtier sont dans un conduit en PVC à l’aide d’un connecteur de cloison pour entrer dans le boîtier (Figure 5).
   REMARQUE: Si vous utilisez un pluviomètre séparé (étape 9.1), veillez à inclure ce câble lors du routage dans le boîtier.
2. Si vous utilisez un conduit, disposez-le dans la tranchée de câble et coupez-le à la longueur souhaitée. Introduisez le câble par le conduit, ce qui peut nécessiter une corde de traction ou du ruban adhésif pour tirer les câbles. Utilisez un conduit flexible ou un coude de balayage à 90° plus une longueur de conduit vertical pour acheminer les câbles d’un orifice de conduit vers le bas du boîtier.
3. Placez le câble ou le câble/conduit dans le fond de la tranchée de câbles. Tirez les extrémités du câble à travers le port inférieur du boîtier et fixez-les avec des attaches à glissière. S’il y a un excès de câble dans l’enceinte, tirez-le vers l’arrière à travers le conduit et enroulez-le dans le fond de la tranchée d’excavation.
4. Prenez une photo de la fosse d’installation et de la tranchée avec des câbles menant à l’enceinte (figure 6B).
5. Pour le câblage du capteur d’humidité du sol, utilisez une alimentation commune (5-12 volts) et un fil de terre pour chaque capteur SDI-12. Utilisez des connecteurs à levier, des connecteurs d’épissure ou des borniers (Figure 5) pour rendre ces connexions plus faciles et plus sûres. Si vous utilisez plus d’un type de capteur, utilisez un port de communication différent sur le DCP, le cas échéant.
   REMARQUE: Un capteur SDI-12 défectueux peut interrompre d’autres capteurs d’une série.

9. Capteurs auxiliaires et configuration matérielle

1. Jauge de précipitations (PPT)
   REMARQUE : Pour améliorer les prises, les pluviomètres doivent être installés sur un mât vertical séparé aussi près que possible du niveau du sol. L’installation de la jauge plus haut sur le support du bras croisé peut réduire la prise en raison de la vitesse du vent plus élevée.
   1. Déterminez l’emplacement. Installez le pluviomètre aussi bas que possible au-dessus de la couverture végétale (~1 m) et à une distance deux fois supérieure à celle de tout obstacle à proximité³⁰. L’emplacement idéal est proche de la tranchée de câbles.
      REMARQUE: Le câble du pluviomètre sera enterré le long des câbles du capteur avant d’entrer dans le bas de l’enceinte.
   2. Installez un mât vertical. À l’aide d’une tarière manuelle, creusez un trou jusqu’à ~50 cm de profondeur. Placer une section de tuyau en acier galvanisé d’une longueur suffisante dans du ciment ou de la mousse (voir étape 4.1).
   3. Après le durcissement, installez la jauge à l’aide de colliers de serrage ou d’une base de montage plate, conformément aux instructions du capteur. Assurez-vous que la jauge est parfaitement de niveau.
      REMARQUE: La plupart des jauges ont un niveau à bulle intégré.
   4. Faites passer des câbles entre le pluviomètre et l’enceinte dans le conduit souterrain avec les câbles d’humidité du sol.
   5. Pour une jauge basculante, câblez les deux fils dans un canal de comptage d’impulsions sur le DCP.
      REMARQUE: Les fils peuvent aller de chaque côté.
   6. Assurez-vous de retirer le dessus et vérifiez que le mécanisme de basculement est libre. Les seaux sont souvent sécurisés pendant le transport avec des élastiques.
      REMARQUE: Les pluviomètres nécessitent un nettoyage et un étalonnage de routine. Si vous montez le pluviomètre directement sur le support d’instrument ou le bras croisé, suivez l’étape 9.2.
2. Autres capteurs
   1. Installer des mesures auxiliaires et toute antenne sur les supports de mât vertical ou de bras croisés à la hauteur appropriée au-dessus du sol^10,30.
   2. L’itinéraire mène à l’entrée de l’enceinte au-dessus du sol et sécurisé si nécessaire avec des attaches de câble. Câblez dans les canaux de mesure appropriés sur le DCP.
3. Tige de mise à la terre
   1. Installez une tige de mise à la terre en cuivre de >1 m de long à 0,5 m du mât d’instruments. Utilisez un conducteur de poteau de clôture pour insérer la tige dans le sol, en laissant ~20 cm exposés.
   2. Fixez le fil de cuivre lourd (8-10) à la tige à l’aide d’une pince de masse. Fixez l’autre extrémité au boîtier ou au trépied.
      REMARQUE: La mise à la terre peut ne pas être recommandée dans toutes les situations.
4. Branchez la batterie.
   REMARQUE: La plupart des DCP ont besoin de 5-24 volts (V), bien que 12 V soit le plus courant et 7 ou 12 ampères-heures (AH) suffisent pour alimenter la plupart des stations d’humidité du sol. Une batterie 12V 12AH et un régulateur de tension sont utilisés ici.
   1. Assurez-vous que le régulateur de charge est en position d’arrêt . À l’aide d’un multimètre réglé sur CC pour la tension de courant continu, vérifiez que la tension sur la batterie est suffisante (>10 V pour une batterie de 12 V) et identifiez les bornes + et - , si elles ne sont pas marquées.
   2. Faites glisser le connecteur de borne du fil noir (-) sur la borne de bêche sur le montant de masse (-) de la batterie et le fil rouge sur le poteau de batterie +. Branchez l’autre extrémité des fils rouges/noirs dans le port BAT du régulateur de tension.
5. Panneau solaire
   REMARQUE: Un panneau de 10 ou 20 watts est généralement suffisant. Une puissance accrue est nécessaire à des latitudes plus élevées, dans des zones plus ombragées ou sur des systèmes à forte consommation d’énergie (p. ex., modems cellulaires, caméras). Le panneau doit être orienté de manière à recevoir un maximum de rayonnement solaire incident sur une période de 1 an.
   1. Enroulez du ruban électrique séparément autour de chaque fil sur le panneau solaire.
      REMARQUE: Ces fils transporteront du courant si le panneau est exposé à la lumière du soleil.
   2. À l’aide de boulons en U, montez le panneau solaire au-dessus de l’enceinte et sur le côté du support d’instrument face à l’équateur (par exemple, au sud des États-Unis). Utilisez l’angle approprié pour la latitude du site, généralement de 25° à 35° dans les États-Unis contigus.
   3. Acheminez le câble vers le point d’entrée du boîtier hors sol. Retirez le ruban adhésif des fils du panneau. À l’aide d’un multimètre réglé sur A pour l’ampérage, vérifiez que la sortie du panneau solaire est de >0,1 A .
   4. À l’aide d’un multimètre réglé sur CC pour la tension de courant continu, vérifiez que la sortie du panneau solaire est de >10 V et identifiez les fils + (généralement rouge) et - (généralement noir), s’ils ne sont pas marqués. Connectez le fil - du panneau solaire au port G (terre), puis le fil + du port SOLAR sur le régulateur de charge.
      REMARQUE: Couvrez le panneau solaire avec une bâche ou quelque chose d’opaque pour minimiser les étincelles.
   5. Vérifiez que le CHG ou le voyant de charge est maintenant allumé.
6. Communications de données à distance
   Remarque : La télémétrie de données cellulaires permet de transmettre et d’envoyer des données à partir du DCP. Les applications pour smartphones, telles qu’OpenSignal, peuvent mesurer la force du signal et le cap vers la tour de téléphonie cellulaire la plus proche. Les antennes omnidirectionnelles multibandes sont préférées; cependant, une antenne directionnelle (Yagi) peut améliorer le signal dans les régions plus éloignées.
   1. Fixez l’antenne au sommet du mât d’instruments à l’aide des boulons en U fournis.
   2. Connectez le câble coaxial à l’antenne et acheminez l’autre extrémité dans le boîtier par le conduit du capteur hors sol. Fixez le câble avec des attaches zippées.
   3. Connectez l’autre extrémité au modem cellulaire dans le boîtier.
7. Mise sous tension du système
   REMARQUE: À ce stade, l’hypothèse est que le programme DCP est écrit et que tous les capteurs sont câblés de manière appropriée. Le panneau solaire et la batterie rechargeable sont câblés à un régulateur de tension avec un fil d’alimentation rouge/noir connecté aux ports d’alimentation DCP.
   1. Activez le bouton bascule du régulateur de tension. Lancez le logiciel DCP et connectez un ordinateur portable au DCP. Vérifiez que tous les capteurs signalent des valeurs et non un nombre (NaN) ou une valeur d’erreur.
   2. Vérifiez les valeurs SWC, BEC et T de chaque capteur de sol. Assurez-vous que les valeurs SWC sont >0,05 m 3/m 3 et <0,60 m 3/m ³. Vérifiez tout capteur hors de portée; Réinsérez ou remplacez tout capteur douteux. Versez de l’eau à travers le pluviomètre et vérifiez que le DCP enregistre les comptages.
      REMARQUE: De faibles valeurs BEC (<0,001) peuvent indiquer un mauvais contact avec le capteur (ou des sols très secs). Lors de l’installation pendant les saisons plus chaudes, T est généralement le plus chaud en haut et le plus frais en bas.
   3. Vérifiez la force de la communication cellulaire. Suivez la documentation du fabricant pour déterminer l’intensité du signal.
      REMARQUE: L’intensité du signal doit être > -100 dBm pour assurer une qualité de signal décente. Les antennes de direction peuvent être tournées pour éventuellement améliorer le signal. De nombreuses autres options de communication existent au-delà du cellulaire (p. ex., satellite).

10.Site achèvement

1. Une fois certain que tout ce qui se trouve sous terre fonctionne et que les câbles ou les câbles dans le conduit sont tous dans la tranchée et acheminés dans l’enceinte, remplissez et scellez les ouvertures des entrées de l’enceinte au-dessus et au-dessous du sol avec du mastic électrique pour protéger de l’humidité et garder les insectes hors de l’enceinte.
2. Délimitez le périmètre extérieur des emplacements des capteurs sur la surface avec des piquets permanents avec des indicateurs lumineux.
3. Remblayer la zone excavée en utilisant la terre sur la bâche et dans l’ordre inverse de l’enlèvement (étape 3.1) (du plus profond au plus peu profond). Commencez par tasser à la main le sol contre la paroi de la tranchée et autour de la tête du capteur à 50 cm, en prenant soin de ne pas déranger le capteur. Soutenez la tête du capteur tout en tayant de la terre autour d’elle afin que les dents du capteur ne bougent pas.
4. Assurez-vous que tous les câbles de capteurs restants sont toujours positionnés près du fond de la tranchée; Ensuite, couvrez-les soigneusement avec de la terre plus profonde de la bâche. Compactez le sol dans le fond de la fosse pour fixer les câbles, en prenant soin de ne pas les tirer vers le bas avec une force. Utiliser une force suffisante pendant le compactage pour assurer une densité apparente similaire du matériau enlevé.
   REMARQUE: Les sols plus humides pendant l’installation peuvent facilement être trop compactés, tandis que les sols plus secs peuvent rester lâches quelle que soit la force.
5. Remblayez la fosse en soulevant 10 cm, en lissant et en compactant la surface jusqu’à ce que le capteur de 20 cm soit atteint. Encore une fois, tassez soigneusement le sol à la main sous et autour du capteur, avant de retourner remblayer un autre soulèvement de terre de 10 cm.
6. Enfin, tassez à la main le sol autour du capteur de 10 cm, puis du capteur de 5 cm, en veillant à ce que les deux restent horizontaux et en place. Remplissez le reste de la fosse de sol avec les sols supérieurs de la bâche.
   NOTE: Toute la terre enlevée doit retourner dans la fosse. Le sol restant indique que le sol n’a pas été tassé à la densité apparente d’origine.
7. À l’aide de la pelle de tranchée, poussez le sol excavé à côté de la tranchée au-dessus du conduit. Assurez-vous que tout est enterré complètement et en dessous de 5 cm.
8. Utilisez un râteau en acier pour niveler le sol remblié dans la fosse et la tranchée au ras de la surface d’origine. Compacter suffisamment le sol dans la tranchée de conduits pour minimiser tout écoulement préférentiel dans le site d’installation.
9. Facultatif : Saupoudrez de la terre de diatomées autour de toute ouverture souterraine et à la surface pour décourager les fourmis, les limaces et autres insectes.
10. Recommandé : utiliser un capteur SWC portable pour prendre des mesures du sol de surface autour des capteurs in situ afin de faciliter la vérification des données au fil du temps et les besoins de mise à l’échelle. Prenez des lectures dans des directions cardinales (nord, sud, est et ouest) à des distances constantes (p. ex., 5, 10, 25 et 50 m).

11. Enregistrer les métadonnées des stations, les données derrière les données²³

REMARQUE : Documentez les métadonnées lors de l’installation et à chaque visite sur site (voir le tableau 1). Des rapports cohérents sur les métadonnées soutiennent la communauté de pratique croissante et sont essentiels pour garantir l’intégrité des données et du réseau.

1. Documentez les détails de l’installation, y compris un identifiant de site unique, la date d’installation, les numéros de série des capteurs, les adresses SDI-12 correspondantes, les orientations d’insertion (horizontales ou verticales) et les profondeurs.
2. Décrivez le profil du sol et prenez les photos associées. Consigner les identificateurs d’échantillons de sol pour tous les échantillons de sol prélevés.
3. Pour l’emplacement du site, notez la latitude et la longitude, l’altitude, la pente, l’aspect, l’utilisation du sol et la couverture terrestre.
4. Notez les coordonnées du propriétaire foncier et de ses coordonnées, ainsi que l’accessibilité du site, y compris les codes de barrière ou d’écluse.
5. À l’aide de l’application Compass sur un téléphone intelligent (ou une boussole réelle) et d’un ruban à mesurer, mesurez l’angle et la distance par rapport à la fosse du capteur (et à tout trou de tarière du capteur) à partir de deux points de référence (par exemple, une tige de mise à la terre ou une jambe de trépied).
   REMARQUE: Cela aidera à trianguler leurs positions plus tard.
6. Prenez des photos de la station terminée et des orientations nord (figure 6C), sud (figure 6D), est et ouest du mât d’instruments. Délimitez l’emplacement d’installation du capteur avec un drapeau ou d’autres éléments distincts.

Tableau 1 : Métadonnées des stations pour la collecte de données sur l’humidité du sol. Abréviations : Dec. = décroissant; GPS = Système de positionnement global; 3DEP = Programme d’élévation 3D; F et E = exploitation et entretien; SSURGO = Base de données géographiques d’enquête sur les sols; Mukey = clé de l’unité de carte. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

12. Exploitation et entretien

REMARQUE : Un journal d’entretien détaillé doit être ajouté à l’enregistrement des métadonnées, y compris le remplacement des capteurs, la santé ou les changements de la végétation, ou toute perturbation du site.

1. Effectuer des inspections de routine sur place au moins une fois par année (tableau 2). Enregistrez tous les étalonnages ou remplacements de capteurs.
2. Assurer une gestion régulière de la végétation, en particulier pour les stations permanentes afin que le site ne devienne pas envahi par la végétation ou anormal pour la zone environnante.
3. Adapter la gestion des animaux à la faune locale, y compris éventuellement des clôtures.
4. En cas de défaillance du capteur, effectuez une visite d’urgence sur place et installez un appareil de remplacement (tableau 2).

Tableau 2 : Exemple de calendrier de maintenance. Abréviation : DCP = plate-forme de contrôle des données. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Representative Results

Le réseau SCAN a débuté en tant que projet pilote du NRCS en 1991. Il s’agit du plus ancien réseau de collecte de données de CFC¹⁵ et de la base des résultats représentatifs de ce protocole. Tous les sites SCAN ont commencé à l’origine avec un capteur de capacité analogique. Le site d’installation sur le terrain (SCAN 2049) à Beltsville, Maryland, utilisé dans la composante vidéo de ce protocole, surveille (figure 7A) la température horaire de l’air et du sol et (figure 7B) le SWC horaire à 5, 10, 20, 50 et 100 cm de profondeur. La PPT quotidienne, le stockage de l’eau du sol (SWS) jusqu’à 20 cm et son évolution dans le temps (dSWS) sont illustrés à la figure 7C. Pour chaque événement PPT, il y avait une forte augmentation de SWC près de la surface (5 et 10 cm) et une augmentation plus atténuée et retardée à des profondeurs plus grandes à mesure que le front mouillé se propageait vers le bas sous l’effet de la gravité. Lors des événements de début février et avril 2022, le capteur le plus profond à 100 cm a atteint un plateau de 0,33 m 3/m³, qui a été maintenu pendant plusieurs jours. De telles conditions indiquent une courte durée de saturation. La densité de masse sèche de l’horizon du sol d’après les données de caractérisation (tableau 3) était de 1,73 g/^cm3, avec une porosité estimée (φ) de 0,35 [-], fournissant une preuve supplémentaire que l’espace interstitiel était entièrement rempli d’eau. Compte tenu du loam sableux et du sable limoneux du profil du sol, les conditions de saturation étaient probablement produites par un mauvais drainage ou une nappe phréatique peu profonde qui inhibait le drainage. Notez que la température de l’air à ce site descend sous le point de congélation la plupart des soirs jusqu’en avril; toutefois, la température du sol est demeurée supérieure à 2 °C et rien n’indique que les données de CFC aient été gelées, quelle que soit leur profondeur.

Figure 7 : Exemple de résultats de la station de terrain (SCAN 2049) située à Beltsville, Maryland. (A) Température horaire de l’air et du sol, (B) CFS horaire, et (C) précipitations quotidiennes, stockage de l’eau du sol jusqu’à 20 cm et sa différence au fil du temps. Abréviations : CFC = teneur en eau du sol; PPT = précipitations; SWS = stockage de l’eau du sol; dSWS = différences dans SWS au fil du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Tableau 3 : Données du site et caractérisation du sol pour les exemples de données présentés dans les résultats représentatifs. Toutes les données présentées sous forme de figures et de tableaux ont été extraites de la base de données en ligne du NRCS à l’adresse URL indiquée pour chaque site. Les données de caractérisation des sols n’étaient pas disponibles pour le mont Table (#808). Abréviations : NRCS = Service de conservation des ressources naturelles; URL = localisateur de ressources uniforme; c = argile; FSL = limon sableux fin; ls = sable limoneux; s = sable; sc = argile sableuse; SCL = loam argileux sableux; si = limon; sil = limoneux; SL = loam sableux; nd = aucune donnée; BD = masse volumique apparente 33 kPa. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Un exemple plus extrême de saturation est illustré à la figure 8 pour un emplacement SCAN (2110) près de Yazoo, Mississippi. Les sols ont des teneurs en argile très élevées (supérieures à 60 %), de faibles densités apparentes allant de 1,06 à 1,23 g/^cm3, et une φ allant de 0,54 à 0,60 [-] (tableau 3). Le premier événement PPT de ~40 mm le 13 avril 2020 a saturé le sol à un SWC de >0,60 m 3/m³ à toutes les profondeurs pendant 12 jours consécutifs, valeurs très proches de la φ mesurée. Un deuxième événement de 70 mm/jour le 20 avril 2020 n’a eu aucun effet sur le dSWS, suggérant un ruissellement excessif de saturation. Une période de saturation similaire a été notable en novembre 2020. Bien qu’il n’y ait pas eu de mesure à 100 cm, le SWC à 50 cm est resté stable à 0,39 m 3/m 3, sauf à la fin de l’été où il a légèrement chuté à 0,36 m 3/m ³. Les notes sur le site (tableau supplémentaire S2) indiquent que l’étalonnage spécifique au capteur de « limon »³¹ a été utilisé, comme c’est le cas pour les capteurs capacitifs utilisés dans la plupart des sites SCAN et USCRN. Les deux exemples illustrent l’importance de la caractérisation des sols et des données BD, recueillies lors de la caractérisation du site (étape 5), pour l’interprétation des données de CFC.

Figure 8 : Exemple de résultats d’un site humide et tempéré (SCAN 2110) situé près de Yazoo, Mississippi. (A) température horaire de l’air et du sol, (B) SWC horaire, et (C) précipitations quotidiennes et changement dans le stockage de l’eau du sol. Abréviations : CFC = teneur en eau du sol; PPT = précipitations; SWS = stockage de l’eau du sol; dSWS = différences dans SWS au fil du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La figure 9 présente une série chronologique plus simple de CFC in situ à cinq profondeurs avec cinq événements de mouillage qui entraînent la propagation séquentielle du front de mouillage vers le bas dans le profil du sol. Ce site SCAN (2189) était situé près de San Luis Obispo, en Californie, dans un climat méditerranéen avec un printemps humide et un été long et sec sur un sol limoneux sableux avec un φ allant de 0,37 à 0,51 [-] (tableau 3). La réaction au mouillage de la surface du sol a été rapide et a diminué en ampleur avec la profondeur. Le dernier grand événement PPT sur 5 jours a été suffisant pour montrer la réponse aux profondeurs de 50 et 100 cm. À mesure que la profondeur augmentait, le cycle diurne de l’amplitude de la température du sol diminuait, et le temps des températures maximales et minimales accusait un retard supplémentaire par rapport à la température de l’air et aux profondeurs moins profondes (figure 9A). Bien que ces caractéristiques puissent être utiles pour distinguer les profondeurs des capteurs, comme nous le verrons dans la section suivante, il y a également eu un effet notable sur la fluctuation du SWC à des profondeurs de 5 et 10 cm. L’amplitude SWC était de ~0,02 m 3/m 3 à 5 cm, ~0,01 m 3/m ³ à 10 cm, et plus négligeable dans les capteurs plus profonds. Il était également en phase avec les températures du sol, et le bruit était plus probablement induit dans le capteur par les fluctuations de température et peu susceptible d’être le résultat d’un mouvement physique de l’humidité du sol ou des précipitations réelles. Ce site plus sec (2189) présente des changements diurnes beaucoup plus importants de la température du sol que le site d’installation sur le terrain plus mésique (2049), ce qui ne montre aucun bruit de température dans les données SWC (figure 7B).

Figure 9 : Exemple de résultats d’un site méditerranéen semi-aride (SCAN 2189) situé près de San Luis Obispo, en Californie. (A) Température horaire de l’air et du sol, (B) SWC horaire, et (C) précipitations quotidiennes et changement dans le stockage de l’eau du sol. Abréviations : CFC = teneur en eau du sol; PPT = précipitations; SWS = stockage de l’eau du sol; dSWS = différences dans SWS au fil du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

La figure 10 présente l’une des interprétations des données CFC les plus difficiles qui existent avec le sol gelé et la couverture neigeuse. Ce site (808) était situé près de Boseman, MT, à 4 474 pieds au-dessus du niveau de la mer. Les températures quotidiennes de l’air ont parfois dépassé les températures glaciales pendant l’hiver (décembre, janvier et février) de 2020. Les températures du sol sont restées juste au-dessus de 0 °C jusqu’en mars. La présence de neige à la surface isolerait le sol des variations de température de l’air. De plus, dans les sols humides, la libération de chaleur latente et la consommation d’énergie, accompagnées de processus de transition de phase liés aux cycles de gel-dégel, ont tamponné les températures du sol, les maintenant très proches de 0 °C jusqu’à ce que ces changements de phase soient complets. La petite ε de glace dans les sols gelés apparaît comme une diminution spectaculaire de la CFC suivie d’une augmentation pendant le dégel sans aucune indication de TPP. Cela était particulièrement évident à la mi-décembre et à la mi-mars, lorsque les températures de l’air ont rapidement chuté et que les CSF à 5 et 10 cm ont diminué pendant 3 jours, puis ont rebondi. La température du sol à 100 cm a atteint le point de congélation à la mi-novembre et était à un niveau bas SWC l’automne précédent, tout l’hiver, et n’a pas changé pendant le dégel printanier, ce qui suggère qu’il pourrait avoir mal fonctionné. Cependant, les chutes rapides et la récupération dans les autres capteurs peuvent ou non être des changements réels dans l’eau liquide du sol; L’interprétation de telles données peut être extrêmement difficile sans mesures auxiliaires de la présence ou de la profondeur de la neige. Souvent, les données de CFC à un niveau de congélation ou à un niveau inférieur à la censure sont censurées dans le cadre du contrôle de la qualité. Une discussion plus approfondie sur les températures du sol proches du point de congélation est présentée dans la section sur le contrôle de la qualité des enregistrements de données.

Figure 10 : Exemple de résultats d’un site alpin semi-aride (SCAN 808) situé près de Three Forks, au Montana. (A) Température horaire de l’air et du sol, (B) SWC horaire, et (C) précipitations quotidiennes et changement dans le stockage de l’eau du sol. Abréviations : CFC = teneur en eau du sol; PPT = précipitations; SWS = stockage de l’eau du sol; dSWS = différences dans SWS au fil du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

D’autres exemples et données de caractérisation ont été tirés de la base de données du SCAN (voir le tableau 3 pour le localisateur uniforme de ressources, [URL]). La déclaration et le contrôle de la qualité de ces données nécessitent une certaine interprétation pour déterminer s’il existe un mécanisme physique pour expliquer tout comportement erratique. Notre interprétation manque de connaissance du site local et, malgré des années d’évaluation des séries chronologiques de CFC, il peut toujours être difficile d’évaluer un bon capteur ou une bonne installation d’un capteur défectueux ou mauvais.

La figure 11 présente des exemples courants d’enregistrements de données sur les problèmes, choisis au hasard dans 40 stations SCAN entre 2020 et 2021. Les erreurs les plus courantes comprennent les pics (figure 11A) et les changements d’échelons vers le haut (figure 11B) ou vers le bas (figure 11C), comme indiqué par l’International Soil Moisture Network³². Pour chacun d’eux, il n’y a pas d’événement PPT simultané pour expliquer de tels changements, et ils peuvent être considérés comme erronés. Le problème des pics ou des creux instantanés est aggravé lorsque l’on ne regarde que les moyens quotidiens, qui peuvent masquer de tels événements. Il est préférable de les supprimer avant de faire tout calcul moyen. Le début et la fin d’un changement d’étape peuvent être évidents, mais il est difficile de remplir des données entre les deux. Nous n’abordons pas le remplissage des données dans ce protocole, mais signalons uniquement les données erronées. Le comportement erratique (Figure 11D) se présente comme une fluctuation sauvage sans aucune réponse aux événements PPT. Dans certains cas, les pics peuvent disparaître après les vérifications du câblage et le remplacement du multiplexeur, comme le montre la figure 11A après août 2020. Le plus souvent, un comportement erratique est un prélude à un capteur défaillant, comme le montre la figure 11E. Le capteur à 10 cm de profondeur a donné un avertissement raisonnable de comportement erratique en janvier et de défaillance à la fin mars. Le capteur à 5 cm de profondeur est toutefois tombé en panne sans avertissement le 1er mars 2021.

Figure 11 : Exemples d’enregistrements de problèmes. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, montrant des creux périodiques à 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, Nouveau-Mexique, avec un changement de pas positif à 50 cm de profondeur, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, avec un changement de marche vers le bas, des pointes et même une récupération à 50 cm de profondeur, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, ne montrant aucune réponse aux événements de précipitations au capteur de 5 ou 10 cm, avec une certaine récupération du capteur de 10 cm suivie de la défaillance éminente des deux, et (E) SCAN 2027, Little River, Géorgie, avec un capteur défectueux à 20 cm et une défaillance catastrophique à des profondeurs de 5 et 20 cm. Les profondeurs des capteurs sont indiquées comme suit : 5 cm (noir), 10 cm (bleu), 20 cm (orange), 50 cm (gris foncé) et 100 cm (jaune). Abréviations : CFC = teneur en eau du sol; PPT = précipitations. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Lors du SCAN 2084, le site a commencé à enregistrer des données le 2/6/2004 et a eu plusieurs notes de comportement erratique lié aux multiplexeurs SDI-12, qui ont été remplacés plusieurs fois (tableau supplémentaire S2). Cependant, les capteurs sont d’origine et, après 18 ans, restent fonctionnels. Lors de l’analyse 2015, la collecte des données a commencé le 25/10/1993 et le capteur de 50 cm de la figure 11B a été considéré comme suspect en 2017 (tableau supplémentaire S2). Le site le plus ancien, SCAN 808, a commencé à produire des rapports le 30/09/1986 et a été converti en station SCAN le 25/10/2006; Aucun capteur n’a été remplacé à ce jour. Les anomalies, comme le montre la figure 11E, n’entraînent pas toujours une défaillance, car la figure 10 contient des données raisonnables. SCAN 2006 a commencé à produire son rapport le 10/1/1993; les capteurs originaux de 5 et 10 cm de la figure 11D ont été remplacés le 24/01/2022. SCAN 2027 a commencé à produire ses rapports le 19/05/1999; les capteurs originaux de 5 et 10 cm de la figure 11E ont été remplacés le 13/08/2021. Comme indiqué, les sites SCAN ont commencé avec un capteur de capacité analogique. Bon nombre de ces capteurs ont duré plus de 20 ans et, bien qu’ils ne produisent pas nécessairement des données de la plus haute qualité, sont restés fonctionnels. Déterminer le point auquel remplacer un capteur reste une question ouverte pour les praticiens. Les métadonnées du site et les propriétés du sol pour les sites de la figure 11 se trouvent dans le tableau supplémentaire S3.

Communication des données
Les capteurs SWC in situ continus indiquent trois à six valeurs par intervalle d’enregistrement temporel. Parallèlement à toutes les mesures auxiliaires, le déploiement à long terme des capteurs SWC génère de grandes quantités de données à valeur unitaire qui doivent être stockées et livrées. Les mesures environnementales sont effectuées à des intervalles d’échantillonnage discrets qui sont agrégés au fil du temps et déclarés comme l’enregistrement de données. La fréquence d’échantillonnage des mesures atmosphériques varie selon la mesure; Il est plus grand pour les mesures du vent et du rayonnement solaire (<10 s) et plus grand pour la température et l’humidité de l’air (60 s)³⁰. Ces valeurs d’échantillon sont moyennées ou accumulées sur un intervalle de déclaration qui peut aller de 5 min à 1 h. De même, CFC peut être échantillonné instantanément à l’intervalle de déclaration ou échantillonné (p. ex. toutes les 5 minutes) et moyenné en moyennes de 30 minutes ou 60 minutes, puisque la dynamique de CFC est relativement plus lente en comparaison. Bien que la moyenne à partir d’un échantillonnage plus fréquent puisse réduire le bruit dû aux fluctuations de température, aux interférences électriques et à la variabilité inhérente des capteurs, elle n’est pas conseillée, car les pics de données peuvent biaiser la valeur moyenne comme indiqué précédemment. La plupart des enregistrements de données SWC peuvent être satisfaits de la détection à toutes les heures, mais pour les régions où les conditions de drainage à vitesse plus élevée (sol sablonneux) et les PPT (conditions de mousson) sont intensives, certains réseaux enregistrent sur un intervalle de temps de 20 minutes pour capturer complètement les événements pluvieux. Enfin, la transmission de données ou la télémétrie peut être limitée par la technologie (p. ex., les systèmes satellitaires) ou avoir des niveaux de coût basés sur la taille et la fréquence des données. L’optimisation des intervalles de déclaration et des variables télémesurées peut aider à contrôler les coûts. Par exemple, la transmission de valeurs brutes (par exemple, ε ou nombres) est préférable aux valeurs dérivées (par exemple, SWC) qui peuvent être calculées en post-traitement. La résolution des données peut également affecter la taille du package de télémétrie ; toutefois, il est important de représenter CFC sous forme de pourcentage (0,0-100,0 %) à une résolution de 0,1 % ou sous forme décimale (0,00-1,00) à une résolution de 0,001 m 3 ^m-3. La version décimale en m 3 ^m-3 est largement préférée pour éviter toute confusion avec les variations en pourcentage de la teneur en eau dans les analyses et les rapports ultérieurs, et pour éviter toute confusion avec les teneurs en eau de base massique (g/g) qui peuvent également être déclarées en pourcentage de la teneur en eau. La température du sol, la ε et le BEC sont généralement signalés à des résolutions de 0,1 °C, 0,1 [-] et 0,1 dS ^m-1, respectivement.

Contrôle de la qualité des enregistrements de données
Le processus de contrôle de la qualité des enregistrements de données vérifie les données et documente leur qualité. Des notes de terrain précises et des journaux d’étalonnage sont essentiels au traitement de l’enregistrement des données. Les étapes typiques du traitement d’un document sont une évaluation initiale, la suppression de données erronées évidentes, l’application de calculs ou de corrections de valeurs dérivées et une évaluation finale des données. Les enregistrements CFC se composent généralement d’un signal (p. ex., ε, comptages ou mV), de la température du sol et de la CEB qui sont utilisés à divers degrés pour calculer le CFC. Les capteurs peuvent également émettre un SWC dérivé du fabricant. Cependant, aucun capteur ne mesure directement SWC; Ce calcul peut faire partie de l’étape de calcul des données, en supposant qu’une équation d’étalonnage appropriée est disponible et intégrée à l’enregistrement des métadonnées. Un enregistrement peut être une mesure instantanée ou une moyenne sur une certaine période. Il est souhaitable que les données brutes soient conservées de manière à ce que les formats les plus appropriés puissent être calculés pour le contrôle de la qualité et que des améliorations des équations d’étalonnage ou de la compréhension des capteurs puissent être appliquées aux données brutes. Les caractéristiques du capteur devraient dicter si les valeurs instantanées ou les valeurs moyennes de lectures multiples sont enregistrées, bien que les valeurs instantanées soient préférées pour les raisons indiquées précédemment.

Il existe plusieurs façons d’intégrer des données auxiliaires (voir la vérification des données ci-dessous) dans un flux de travail de contrôle de la qualité. Les précipitations sont le premier contrôle - « SWC a-t-il augmenté après un événement pluvieux? » Il y a des situations où CFC peut augmenter sans PPT (p. ex. fonte des neiges, évacuation des eaux souterraines, irrigation). La deuxième vérification consiste à comparer le changement dans le stockage de l’eau du sol avec la quantité totale de PPT pour un événement spécifique (figure 7C). Idéalement, cet événement devrait être un événement pluvieux isolé et de faible intensité. Les précipitations s’infiltrent dans le sol à partir de la surface et percolent vers le bas. Le pic de CFC devrait suivre une tendance similaire à la baisse (figure 7B). Cependant, un débit préférentiel peut amener l’eau infiltrée à contourner un capteur peu profond ou provoquer une réponse rapide à des capteurs plus profonds. Bien qu’il puisse s’agir de réponses « réelles », un mauvais compactage de la tranchée d’installation ou autour d’un capteur individuel peut préférentiellement canaliser l’eau vers un capteur. Le biais dans le mouillage de l’arrivée avant doit être utilisé avec prudence et bon sens lors de l’interprétation des réactions inhabituelles aux précipitations ou à la fonte des neiges. Comme l’illustre le tableau 3, BD dicte la limite supérieure de l’espace interstitiel du sol, φ [-], dans les sols minéraux. Des teneurs en eau régulièrement supérieures à φ indiquent soit un capteur défectueux, soit un étalonnage inapproprié du capteur. Dans le premier cas, les données peuvent être effacées du dossier. Dans ce dernier cas, le recalibrage peut permettre de conserver l’enregistrement, avec des valeurs modifiées en fonction du réétalonnage.

La température du sol est une autre variable qui aide à contrôler les données de la qualité. La température du sol se propage vers le bas dans la colonne de sol et s’atténue avec la profondeur (figure 7A). La température devrait culminer plus tôt et plus haut près de la surface avec un temps de latence croissant par rapport au pic de surface à mesure que la profondeur du capteur augmente. Tout décalage du capteur dans le désordre peut indiquer une profondeur mal identifiée ou une adresse SDI-12 incorrecte. Comme le montre la figure 10 et y est discuté, les capteurs électromagnétiques dépendent des changements de ε, qui vont de ~3 pour la glace à ~80 pour l’eau. Les changements entre l’eau et la glace sont enregistrés par des capteurs SWC. Cependant, il peut être nécessaire d’augmenter le seuil de signalement, car le volume de détection du capteur est différent du volume de détection de la thermistance de température du sol, et le seuil peut atteindre 4 ° C. Étant donné que le degré de congélation et la quantité relative d’eau liquide peuvent être importants pour évaluer l’hydrologie du sol, ces données devraient être signalées comme étant influencées par le gel et pas nécessairement éliminées. Au niveau le plus élémentaire, le contrôle de la qualité devrait rationaliser toute réponse erratique du capteur à un mécanisme physique, sinon il s’agit d’une erreur. Bien que les routines automatisées de contrôle de la qualité soient une exigence pour les grands réseaux et les sources de données disparates 13,33,34,35^, rien ne remplace les yeux sur les données pour maintenir la qualité des données à long terme.

Vérification des données
L’un des aspects les plus difficiles des données de CFC est la vérification : « Le capteur fournit-il des données exactes et de qualité? » La plupart des capteurs environnementaux sont accessibles après le déploiement et peuvent être remplacés par un nouveau capteur après un certain temps, retournés au fabricant ou au laboratoire pour être réétalonnés par rapport aux normes, et / ou faire vérifier les données par rapport à un échantillon prélevé sur le terrain. Les organisations météorologiques suivent des procédures strictes pour les capteurs atmosphériques, y compris la rotation des capteurs, la maintenance des capteurs et les étalonnages sur le terrain qui permettent à la maintenance préventive de servir de premier passage de vérification des données^10,30. Les capteurs SWC sont enterrés in situ et ne peuvent pas être audités ou réétalonnés sans perturbation importante du site et dommages potentiels au capteur. De plus, il n’existe pas de normes acceptées pour les capteurs SWC et, par conséquent, la vérification des données nécessite une certaine connaissance de la réponse prévue du capteur et une certaine confiance dans le capteur lui-même. Les deux exigent une expérience pratique et des pratiques exemplaires qui sont suivies sur le terrain (c.-à-d. entretien et inspections du site). Si des problèmes de performances inhabituels, comme le montre la figure 11, deviennent chroniques, il y a une forte probabilité de défaillance du capteur et il doit être remplacé.

Les capteurs électromagnétiques n’ont pas de pièces mobiles, et le fil et les circuits ont tendance à être robustes. Après 3 ans, le Texas Soil Observation Network a signalé un taux de défaillance de 2% pour les capteurs d’oscillateurs de ligne de transmission²¹. Après plus de 10 ans de service, le Climate Response Network des États-Unis a signalé une augmentation marquée du taux de défaillance des capteurs d’impédance de 15 à 18 sondes pour 100 de 2014 à 2017³⁶. Comme le montre la figure 11, la plupart des capteurs SCAN avaient plus de 20 ans avant la défaillance. Il est préférable de remplacer un capteur avant une défaillance afin que le capteur puisse être réévalué dans l’air, l’eau et le sable pour vérifier la dérive par rapport aux valeurs de prédéploiement, si celles-ci ont été enregistrées (par exemple, étape 1), entre autres raisons. Le remplacement de routine est quelque peu peu pratique avec les capteurs SWC et rarement effectué dans les grands réseaux, et nous ne sommes pas au courant d’évaluations à long terme de l’évolution des capteurs SWC électromagnétiques au fil du temps. Le réseau USCRN migre actuellement vers une nouvelle technologie de capteurs après plus de 10 ans d’utilisation de capteurs de capacité. Le plan est d’avoir un chevauchement minimum de 2 ans entre les anciens et les nouveaux capteurs pour effectuer des ajustements.

Les visites d’entretien régulières devraient comprendre la vérification des données de CFC, idéalement dans diverses conditions d’humidité. Cela peut être accompli indirectement à l’aide d’un capteur portable, idéalement calibré sur certains échantillons de sol ou directement sur des carottes de sol volumétriques prélevées sur place. La meilleure approche consiste à comparer les lectures de capteurs in situ avec celles d’échantillons de sol volumétriques prélevés à des profondeurs équivalentes³⁷ (figure 12). L’entretien programmé devrait tenter de couvrir une gamme de conditions d’humidité du sol afin de pouvoir comparer une régression simple entre les mesures directes et indirectes de SWC et les lectures de capteurs coïncidentes. Un échantillonnage plus profond du sol peut être effectué dans des trous de tarière ou avec des carottages mécaniques. La vérification des capteurs de surface (par exemple, 5 et 10 cm) peut être suffisante puisque les capteurs plus profonds devraient suivre une réponse caractéristique similaire à PPT, comme indiqué précédemment. Cette évaluation a posteriori de CFC comporte plusieurs limites. Le principal inconvénient est que les échantillons volumétriques ne peuvent pas (et ne doivent pas) être prélevés directement sur les capteurs et peuvent ne pas être vraiment représentatifs du SWC dans le volume de détection autour des dents (à moins de 3 cm). Cela conduit au deuxième inconvénient; beaucoup plus d’emplacements et de profondeurs d’échantillonnage peuvent être nécessaires pour obtenir une valeur SWC représentative sur le terrain. Cela peut également entraîner beaucoup de trous et de perturbations autour du site. Un troisième inconvénient est la difficulté d’obtenir des échantillons de sol volumétriques en profondeur sans excavation qui perturbe le profil du sol.

Figure 12 : Données volumétriques de CFC. Données SWC provenant de carottes de sol de 60 cm³ prises comme données d’étalonnage sur le terrain par rapport aux données SWC provenant de capteurs in situ à des profondeurs de 15, 30, 45 et 60 cm, dans des textures allant de la limonation, du sable fin à l’argile. Cette figure a été adaptée d’Evett et ^coll.37. Abréviation : SWC = teneur en eau du sol. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le NRCS a mis au point une méthode d’échantillonnage du sol dans les trous de tarière à l’aide d’un tube d’échantillonnage volumétrique (une sonde de type Madera) sur une tige d’extension pour les échantillons au fond d’un trou de tarière³⁸. Ces mesures directes peuvent également être combinées avec des mesures indirectes de capteurs portables^37,39,40 pour fournir une évaluation calibrée de la représentativité spatiale des capteurs in situ ^13,41. Comme il est décrit à l’étape 10.10 du protocole, ce processus peut être répété pour permettre à certains paramètres (p. ex., erreur quadratique moyenne, biais, corrélation) de déterminer tout écart récent des capteurs in situ par rapport à l’échantillonnage direct ou aux estimations indirectes de SWC. Plus de détails sont également présentés par l’Agence internationale de l’énergie atomique AIEA⁷. Les données d’excavation et de caractérisation du sol présentées aux étapes 3 et 5 fournissent également des données sur φ (CFC ne doit pas dépasser cette valeur). La texture et l’horizon du sol illustrent les zones de conductivité élevée/faible et de rétention d’eau du sol. Ces étapes sont tout à fait conformes au protocole d’échantillonnage des sols forestiers²⁵. L’échelle de représentativité souhaitée peut être utilisée pour collecter l’ensemble de données de validation, puis la station peut être mise à l’échelle de l’empreinte validée⁴². Si un type de capteur de station est remplacé, il serait raisonnable de recueillir un autre ensemble de données de validation pour diverses conditions d’eau du sol afin de saisir à nouveau le biais de l’installation.

Les ensembles de données auxiliaires peuvent faciliter la vérification et l’évaluation des données de CFC. Il est évident qu’une série chronologique hydrologique est considérablement améliorée avec une jauge PPT sur site pour vérifier le moment, la durée et l’ampleur des événements. Les capteurs de potentiel matriciels du sol fournissent l’état énergétique de l’eau du sol, ce qui est essentiel pour quantifier l’eau disponible pour les plantes. Les capteurs météorologiques, y compris la température de l’air, l’humidité relative, la vitesse du vent et l’irradiance solaire, permettent le calcul direct de l’évapotranspiration de référence (ET), qui est un guide utile pour l’absorption relative d’eau par les plantes et, par conséquent, le taux de séchage du sol⁴³. Plusieurs capteurs météorologiques tout-en-un économiques sont disponibles avec sortie SDI-12. Les informations sur le niveau des eaux souterraines provenant d’un transducteur de pression sont une autre mesure précieuse si la nappe phréatique est près de la surface et qu’un puits de surveillance peut être installé. Enfin, une caméra de terrain peut fournir à la fois une valeur scientifique et une valeur de sécurité du site. Les images numériques peuvent enregistrer la croissance de la végétation et la verdure⁴⁴, et l’état général de la station peut être évalué sans visite sur le terrain.

Tableau supplémentaire S1 : Technologies courantes (mais non inclusives) de capteurs SWC in situ. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Tableau supplémentaire S2 : Registres de l’historique des capteurs extraits de la base de données en ligne du NRCS pour tous les sites présentés dans ce protocole. Données disponibles via chaque URL. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Tableau supplémentaire S3 : Données du site et caractérisation du sol pour les exemples de données présentés à la figure 11. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

L’état d’humidité du sol est le résultat de nombreux facteurs environnementaux différents, y compris les précipitations, la végétation, l’irradiance solaire et l’humidité relative, ainsi que les propriétés hydrauliques et physiques du sol. Ceux-ci interagissent dans l’espace et le temps à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour modéliser et prévoir les cycles de l’eau, de l’énergie et du carbone, il est nécessaire de comprendre l’état de SWC. L’un des types les plus courants de technologies de mesure automatisées est un capteur électromagnétique SWC avec des dents destinées à être insérées in situ dans un sol non perturbé. Ce protocole est conçu pour fournir des conseils sur le processus d’installation de ces types courants de capteurs enfouisables. La précision, les performances et le coût sont généralement proportionnels à la fréquence de fonctionnement des capteurs; Les capteurs à basse fréquence coûtent moins cher, mais sont plus confondus par les facteurs du sol et de l’environnement⁴⁵. L’étalonnage spécifique au sol ou au site peut améliorer la précision des capteurs à basse fréquence. La méthode de mesure affecte également les performances du capteur en raison de la physique sous-jacente du champ électromagnétique (CEM).

Deux lois physiques électromagnétiques majeures régissent la détection électromagnétique. L’une est la loi de Gauss, qui décrit comment le CEM propagé par le capteur dépend à la fois de la ε et du BEC du milieu. Cependant, la permittivité augmente avec CFC, tout comme le CEB. Par conséquent, les capteurs dépendant de la loi de Gauss sont affectés par SWC, BEC et l’effet de la température sur BEC, ainsi que toute interférence de salinité. Les méthodes de détection de capacité obéissent à la loi de Gauss et sont donc plus sujettes à ces effets⁴⁶. De plus, la loi de Gauss décrit la dépendance de la capacité à un facteur géométrique, qui change avec la forme du CEM dans le sol. La recherche a démontré que la forme des champs électromagnétiques change avec la structure du sol et la variabilité spatiale à petite échelle de la teneur en eau autour des dents du capteur. La variabilité spatiale à petite échelle de la teneur en eau et de la structure du sol est importante dans la plupart des sols, ce qui entraîne des changements de facteurs géométriques et des changements de capacité conséquents qui ont peu à voir avec les changements moyens en vrac de la teneur en eau du sol. Ces facteurs diminuent la précision des capteurs de capacité et augmentent la variabilité des données^46,47,48. Les méthodes d’oscillation d’impédance et de ligne de transmission dépendent également de la loi de Gauss, tandis que la réflectométrie dans le domaine temporel et la transmisométrie dans le domaine temporel dépendent des équations de Maxwell, qui n’incluent pas de facteur géométrique et ne dépendent pas de BEC. Bien qu’aucun capteur ne soit sans problème, les méthodes du domaine temporel ont tendance à être sensiblement plus précises et moins biaisées que les méthodes basées sur la capacité ou l’impédance.

Il y a plusieurs étapes critiques dans la procédure. Pour un réseau clairsemé, une sélection appropriée du site et l’emplacement des capteurs sont nécessaires pour obtenir la représentation spatiale la plus appropriée de SWC. Le choix du site peut être davantage influencé par des facteurs externes, comme l’accès aux terres, ou d’autres exigences de surveillance atmosphérique où l’humidité du sol est la mesure auxiliaire. Les sites météorologiques à méso-échelle sont situés sur des surfaces herbeuses larges et ouvertes, bien entretenues afin de minimiser toute influence à l’échelle microscopique. De tels emplacements peuvent être moins idéaux pour la surveillance de CFC. S’il y a lieu, les technologies de capteurs sans fil^devraient être envisagées 49,50,51,52,53 pour permettre la surveillance de CFC loin de la station de surveillance environnementale existante et dans un sol représentatif. Travailler autour des exploitations agricoles actives et de l’équipement d’irrigation est un défi. La plupart des réseaux (p. ex., SCAN et USDA-ARS) restent en bordure des champs pour éviter les activités de travail du sol telles que les charrues ou les moissonneuses qui peuvent couper les câbles et déterrer les capteurs. Tout capteur et câble in situ doit être suffisamment enterré et avoir un profil de surface suffisamment bas pour éviter de faire des inférences avec les opérations à la ferme. Les systèmes sans fil⁵³ et les capteurs de forage amovibles⁴⁷ peuvent être plus appropriés. Conservation des eaux souterraines à l’aide d’une irrigation à grande échelle à base d’humidité du sol⁵⁴ est un domaine en pleine croissance pour les capteurs SWC; ce protocole porte sur les données à long terme spatialement représentatives de CFC dans les sols non perturbés.

Certains sols sont plus difficiles à mesurer que d’autres. Dans les sols rocheux, graveleux ou très secs, il peut être impossible d’insérer les dents sans aucun dommage. Une option consiste à excaver la fosse de sol et à poser les capteurs en place pendant le remblayage, en essayant de compacter le BD d’origine. Les sols rocheux ont tendance à avoir peu de structure, qui guérira probablement après plusieurs cycles de mouillage et de séchage; Cependant, une telle perturbation peut ne jamais être vraiment représentative de l’hydrologie du sol du site. Alternativement, si des capteurs sont installés dans le fond des trous de tarière, la terre enlevée peut être tamisée pour enlever les pierres et remballée dans le trou juste assez profondément pour accueillir les dents du capteur. Le capteur peut ensuite être installé verticalement et le trou de la tarière rempli à nouveau avec le sol non tamisé restant, avec un compactage fréquent à mesure que de la terre est ajoutée.

Les racines dans le sol forestier posent des défis similaires à l’insertion de la sonde, mais les racines peuvent être coupées dans certaines situations. Les sols forestiers ont souvent des horizons organiques (O) au-dessus du sol minéral, qui peut avoir une très faible BD et une surface spécifique élevée, avec de grandes quantités d’eau liée, ce qui entraîne des réponses de capteurs très non linéaires à des CSC plus élevés⁵⁵. En outre, le praticien définit le référentiel zéro comme étant soit le sommet de l’horizon O, soit le sol minéral notant qui dans les métadonnées. Les sols riches en argile et les argiles expansives à fort potentiel de rétrécissement / gonflement peuvent être extrêmement conducteurs aux signaux électromagnétiques lorsqu’ils sont mouillés et peuvent se fissurer lorsqu’ils sont secs. Ces sols peuvent nécessiter des corrections supplémentaires pour obtenir un CFS raisonnable à partir des mesures brutes^56,57. Dans les sols peu profonds, un substratum rocheux ou un horizon de sol restrictif (p. ex., caliche ou couche dure) peut être rencontré avant d’atteindre la profondeur maximale idéale. Il peut être nécessaire de changer d’emplacement ou simplement de ne pas installer le(s) capteur(s) plus profond(s). Les sols excessivement secs ou humides peuvent être difficiles, et il est également préférable de choisir des dates d’installation en dehors des extrêmes saisonniers. Le sol sec peut être très résistant et il peut s’avérer impossible d’insérer un capteur sans dommage. Si nécessaire, les trous prérogés peuvent être remplis d’eau pour ramollir la taille de la fosse, bien que cela puisse prendre un certain temps avant que les sols ne reviennent à un état naturel. Les sols humides peuvent être trop faibles pour supporter les parois des fosses ou la tranchée peut se remplir d’eau. Il est également plus facile de trop compacter un sol humide.

La sortie du capteur devrait inclure la permittivité, pas seulement SWC, afin que des corrections ou des étalonnages spécifiques au sol puissent être effectués ultérieurement. Les capteurs à haute fréquence sont plus appropriés dans les sols à forte BEC, tandis que les dents plus courtes peuvent être plus faciles à installer dans les sols plus compacts. L’étape la plus critique, cependant, est peut-être le contact avec le sol; Un mauvais contact dégrade le signal de tout capteur électromagnétique. Enfin, le remblayage de l’excavation semble trivial, mais il est essentiel de minimiser le flux préférentiel dans la zone des capteurs, de protéger les câbles et de décourager les animaux de perturber la zone. Un étalonnage spécifique au sol ou au site peut améliorer la précision du capteur, mais nécessite plus de détails que ce qui est possible dans ce protocole. Les sols de terrain ajustés ou réemballés à différents niveaux de SWC sont idéaux pour vérifier la linéarité de la réponse et peuvent servir d’étalonnage spécifique au site pour certains types de capteurs²¹. Les liquides diélectriques peuvent également être des milieux efficaces pour vérifier la réponse du capteur⁵⁸. Les bains-marie à température contrôlée peuvent être utilisés pour améliorer les étalonnages de température du sol⁵⁹. Ce protocole est la première étape vers l’établissement d’une procédure opérationnelle normalisée pour l’installation de capteurs SWC in situ, car il n’existe aucune méthode ni méthode d’étalonnage acceptée pour les capteurs SWC^60,61.

Bien que la surveillance de CFC ait été au centre de ce protocole, la méthode a des limites, et SWC seul ne peut pas donner une image complète de l’état de l’eau du sol. De nombreux processus écosystémiques sont également régulés par le potentiel hydrique du sol, qui est moins couramment mesuré in situ⁶². Le potentiel hydrique du sol, récemment examiné par S. Luo, N. Lu, C. Zhang et W. Likos ⁶³, est l’état énergétique de l’eau; ces capteurs peuvent être moins affectés par les propriétés du sol et assurer le contrôle de la qualité des capteurs SWC⁶⁴. De plus, le champ en vrac SWC comprend des graviers, des roches, des racines et des espaces vides (p. ex. voies d’écoulement préférentielles). In situ Les capteurs SWC sont généralement repositionnés autour des roches et des racines, et le volume de mesure limité, concentré autour des dents, peut manquer des aspects discrets mais importants du SWC de champ en vrac.

Nous espérons que ce protocole conduira à des données de CFC plus harmonisées et uniformes pour un large éventail d’applications, y compris la surveillance de la sécheresse, la prévision de l’approvisionnement en eau, la gestion des bassins versants, la gestion agricole et la planification des cultures. L’avènement des plates-formes de télédétection⁴ a grandement amélioré la capacité d’estimer SWC à l’échelle mondiale, mais ces produits nécessitent une validation au sol, qui n’est encore raisonnablement recueillie que par les réseaux in situ ⁶⁵. Les progrès informatiques ont permis de développer la modélisation SWC⁶⁶ hyper-résolution, produisant le statut SWC haute résolution et sous-journalier, mais ces produits ont également besoin d’estimations in situ de SWC pour fournir une base de calcul de l’incertitude. Souvent, la première question posée lorsqu’un nouveau produit est introduit est « quelle est l’incertitude ? » Pour les produits SWC, la principale comparaison aux fins de validation est constituée de données de réseau in situ ⁶⁷.

Il y a eu récemment des expansions du réseau associées au National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), y compris le projet d’humidité du sol du bassin supérieur du Missouri du Corps des ingénieurs de l’armée américaine et l’accumulation du réseau du sud-est des États-Unis soutenu par la NOAA, tous conçus pour améliorer la prévision et la surveillance des risques liés à l’eau et fournir une aide à la décision en matière de gestion des ressources. La certitude et l’exactitude des estimations de CFC pour de telles applications ne peuvent être obtenues qu’au moyen de protocoles et de procédures rigoureux pour assurer la confiance dans l’intégrité des données. Le RCSMMN est un effort multi-institutions dirigé par le gouvernement fédéral qui vise à fournir de l’aide, des conseils et du soutien en créant une communauté de pratique autour de la mesure, de l’interprétation et de l’application de l’humidité du sol - un « réseau de personnes » qui relie les fournisseurs de données, les chercheurs et le public⁶⁸. Ce protocole est le fruit des efforts du NCSMMN. Un workflow de contrôle de la qualité des données est à venir.

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