In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden

Summary

Die Bestimmung des Bodenwassergehalts ist für viele Landes- und Bundesbehörden eine wichtige Missionsanforderung. Dieses Protokoll fasst behördenübergreifende Bemühungen zur Messung des Bodenwassergehalts unter Verwendung von in-situ-Sensoren zusammen.

Abstract

Die Bodenfeuchtigkeit wirkt sich direkt auf die betriebliche Hydrologie, die Ernährungssicherheit, die Ökosystemleistungen und das Klimasystem aus. Die Einführung von Bodenfeuchtedaten verlief jedoch aufgrund einer inkonsistenten Datenerfassung, einer schlechten Standardisierung und einer in der Regel kurzen Aufzeichnungsdauer nur langsam. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) wird mit vergrabenen In-situ-Sensoren gemessen, die SWC aus einer elektromagnetischen Reaktion ableiten. Dieses Signal kann je nach den örtlichen Standortbedingungen wie Tongehalt und Mineralogie, Bodensalzgehalt oder elektrischer Leitfähigkeit und Bodentemperatur erheblich variieren. Diese können je nach Sensortechnologie unterschiedliche Auswirkungen haben.

Darüber hinaus können ein schlechter Bodenkontakt und eine Verschlechterung des Sensors die Qualität dieser Messwerte im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Umgebungssensoren gibt es keine akzeptierten Standards, Wartungspraktiken oder Qualitätskontrollen für SWC-Daten. Daher ist SWC für viele Umweltüberwachungsnetzwerke eine Herausforderung bei der Implementierung. Hier versuchen wir, einen gemeinschaftsbasierten Praxisstandard für In-situ-SWC-Sensoren zu etablieren, so dass zukünftige Forschung und Anwendungen eine konsistente Anleitung zur Standortauswahl, Sensorinstallation, Dateninterpretation und langfristigen Wartung von Überwachungsstationen haben.

Die Videografie konzentriert sich auf einen behördenübergreifenden Konsens von Best Practices und Empfehlungen für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren. Dieses Dokument gibt einen Überblick über dieses Protokoll sowie die verschiedenen Schritte, die für eine qualitativ hochwertige und langfristige SWC-Datenerfassung unerlässlich sind. Dieses Protokoll wird für Wissenschaftler und Ingenieure von Nutzen sein, die eine einzelne Station oder ein ganzes Netzwerk einsetzen möchten.

Introduction

Die Bodenfeuchte wurde kürzlich als wesentliche Klimavariable im Global Observing Climate System¹ anerkannt. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) spielt eine wichtige Rolle bei der Aufteilung des einfallenden Strahlungsflusses in latente und fühlbare Wärme zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre und bei der Aufteilung des Niederschlags zwischen Abfluss und Infiltration². Die räumlich-zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte auf der Punkt-, Feld- und Wassereinzugsgebietsskala erschwert jedoch unsere Fähigkeit, SWC in der geeigneten Skala zu messen, die zur Erreichung der Forschungs- oder Managementziele^{erforderlich ist 3}. Neue Methoden zur Quantifizierung von SWC, einschließlich bodengestützter Netzwerke von In-situ-Sensoren , proximalen Detektoren und Fernerkundung, bieten einzigartige Möglichkeiten, die Variation von SWC mit einer beispiellosen Auflösung abzubilden⁴. In situ SWC-Sensoren liefern die zeitlich kontinuierlichsten und tiefenspezifischsten Datensätze, unterliegen aber auch kleinen Erfassungsvolumina und lokalen Variabilitäten, die den Bodeneigenschaften, der Topographie und der Vegetationsbedeckung innewohnen⁵.

Darüber hinaus fehlt es an Standards oder allgemein akzeptierten Methoden für die Installation, Kalibrierung, Validierung, Wartung und Qualitätskontrolle von In-situ-SWC-Sensoren . Die Bodenfeuchte ist von Natur aus ein schwierig zu messender Parameter und möglicherweise die am schwierigsten zu gewährleistende Variable⁶. Während allgemeine Protokolle für die SWC-Datenerfassung von der Internationalen Atomenergiebehörde⁷, dem Committee on Earth Observation Satellites⁸, den Berichten der Bundesbehörde⁹ und der American Association of State Climatologists¹⁰ erstellt wurden, gibt es nur begrenzte spezifische Leitlinien für die Installation, Wartung, Qualitätskontrolle und Verifizierung von SWC-Daten von vergrabenen in situ Sonden. Dies hat die Einführung solcher Technologien für operative Überwachungsnetze, wie z. B. staatliche Mesonets, zu einer Herausforderung gemacht, um SWC-Messungen hinzuzufügen. In ähnlicher Weise ist es auch für betriebliche Hydrologen, z. B. in Flussvorhersagezentren, eine Herausforderung, diese Daten in ihren Arbeitsablauf zu integrieren. Das Ziel dieser Videografie und des Begleitpapiers ist es, eine solche Anleitung zu geben und ein zusammenhängendes Installationsprotokoll für vergrabene In-situ-SWC-Sonden zu dokumentieren.

Auswahl eines Standorts für die In-situ-Überwachung der Bodenfeuchte
Die Böden in jedem Gebiet von Interesse (AOI) bilden sich durch eine einzigartige und gekoppelte Rückkopplung im Laufe der Zeit zwischen Topographie, Ökologie, Geologie und Klima^11,12. Die Variabilität von SWC in verschiedenen Landschaften macht die Standortauswahl zu einem entscheidenden Aspekt für jede Bodenfeuchtestudie. Für einige Forschungsziele kann ein Standort ausgewählt werden, um ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Mikrosite in der Landschaft oder im Ökosystem darzustellen. Für die Zwecke der Überwachung von Netzen sollte der Standort räumlich repräsentativ für eine größere Landschaftskomponente sein. Ziel ist es, einen Standort zu finden, der die beste räumliche Darstellung des AOI bietet. Vor Ort müssen pragmatischere Überlegungen angestellt werden, wie z. B. die Anforderungen an andere meteorologische Instrumente, die Zugänglichkeit oder die Genehmigung. Die dominierende Bodenkarteneinheit innerhalb des AOI ist jedoch in der Regel eine gute räumliche Darstellung der Umweltbedingungen eines größeren Gebiets¹³. Die dominante Bodenkarteneinheit kann mit dem Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) bestimmt werden; Diese Bodenkarteneinheit sollte auch mit einer flachen Grube oder einem Testloch verifiziert werden.

Eine typische Überwachungsstation kann je nach Sensorbedarf und Anzahl der Zusatzmessungen 5-50 m² einnehmen. Abbildung 1 zeigt eine typische Überwachungsstation mit einem 3 m hohen Turm, der ein Anemometer für Windgeschwindigkeit und -richtung, einen Lufttemperatur- und relativen Feuchtesensor, ein Pyranometer für Sonneneinstrahlung und ein wetterfestes und wasserdichtes Gehäuse der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) enthält (NEMA-Bewertung 4). Das NEMA-Gehäuse beherbergt die Datensteuerungsplattform (DCP), das Mobilfunkmodem, den Laderegler für Solarmodule, die Batterie und andere zugehörige Hardware (siehe Materialtabelle; Systemkomponenten). Der Turm bietet auch eine Plattform für die Kommunikationsantenne, das Solarpanel und den Blitzableiter. In der Regel ist auch ein Flüssigniederschlagsmesser (PPT) enthalten, der vom Turm entfernt und in der niedrigstmöglichen Höhe platziert werden sollte, um die Auswirkungen des Windes auf die PPT-Erfassung zu reduzieren. Die SWC-Sensoren sollten in ausreichender Entfernung (3-4 m) und hangaufwärts installiert werden, damit der Turm weder bei Regen noch bei Überlandströmung stören kann. Alle zugehörigen Kabel sollten mindestens 5 cm unter der Oberfläche in Rohren vergraben werden.

Abbildung 1: Eine typische Überwachungsstation. Das USDA SCAN sammelt stündlich Informationen über den Wassergehalt und die Temperatur des Bodens in Standardtiefen (5, 10, 20, 50 und 100 cm), Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, Niederschlag und Luftdruck. Es gibt über 200 SCAN-Standorte in den USA. Abkürzungen: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationaler Verband der Elektrohersteller. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Messtiefe, Ausrichtung und Anzahl der Sensoren
In situ SWC-Sensoren werden in der Regel horizontal installiert, um bestimmte Tiefen im Boden darzustellen (Abbildung 2). Vom Bund finanzierte nationale Netzwerke wie das Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, das Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 und das U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 messen SWC bei 5, 10, 20, 50 und ¹⁰⁰ cm. Diese Tiefen wurden während der SCAN-Entwicklung aus verschiedenen Gründen einvernehmlich erreicht. Die Tiefe von 5 cm entspricht den Fernerkundungsfähigkeiten¹⁷; 10 und 20 cm Tiefe sind historische Messungen für die Bodentemperatur¹⁸; 50 und 100 cm Tiefe vervollständigen die Bodenwasserspeicherung in der Wurzelzone.

Die Sonden können vertikal, horizontal oder geneigt/abgewinkelt ausgerichtet werden (Abbildung 3). Die horizontale Installation ist am gebräuchlichsten, um eine gleichmäßige Bodentemperaturmessung in einer diskreten Tiefe zu erreichen. Während der Sensor in einer diskreten Tiefe zentriert sein kann, ist die SWC-Messung ein Volumen um die Zinken (d. h. Elektroden), das je nach Feuchtigkeitsgehalt, Messfrequenz und Geometrie der Installation (horizontal, vertikal oder abgewinkelt) variieren kann. Bei horizontaler Installation integriert das Erfassungsvolumen Feuchtigkeit oberhalb und unterhalb der Tiefe, und 95 % des Erfassungsvolumens befinden sich typischerweise innerhalb von 3 cm von den Zinken¹⁹. Vertikale oder abgewinkelte Installationen integrieren SWC entlang der Zinken, so dass die vertikale Installation den Speicher über die gesamte Länge der Sensortiefen²⁰ darstellen kann. Einige Sensoren messen nicht gleichmäßig entlang ihrer Zinken. Zum Beispiel sind Übertragungsleitungsoszillatoren empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit in der Nähe des Sondenkopfes, wo die elektromagnetischen Impulse erzeugt werden²¹. Vertikale Installationen eignen sich besser für tiefere Sonden, bei denen Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten tendenziell reduziert werden.

Abbildung 2: Installation von In-situ-SWC-Sensoren . Horizontale Platzierung des Sensors in ausgewählten Tiefen unter Verwendung von (A, B) einer Null-Tiefen-Referenzvorrichtung und (C) einer Null-Tiefen-Platine oder (D) eines Null-Tiefen-Schaufelgriffs als Referenz. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Ausrichtung der Sonden vertikal, horizontal oder geneigt . (A) Schräges und vertikales Einsetzen und (B) horizontal-vertikales Einsetzen und horizontal-horizontales Einsetzen in der Mitte eines dreizinzigen SWC-Sensors. Abkürzung: SWC = Bodenwassergehalt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Die Installation in Tiefen von weniger als 50 cm ist relativ intuitiv, während tiefere Sensoren etwas mehr Aufwand erfordern. Die SWC- oder Profil-Bodenwasserspeicherung der Wurzelzone erfordert in der Regel Messungen bis zu 1 oder 2 m. Wie in diesem Protokoll dargestellt, werden Installationen von 0 bis 50 cm in einer ausgehobenen Grube oder einem Schneckenloch mit Sonden durchgeführt, die horizontal in den ungestörten Boden eingebaut werden, wodurch die Oberflächenstörung minimiert wird. Bei tieferen Sensoren (z. B. 100 cm) installieren sowohl SCAN als auch USCRN den Sensor vertikal in separaten, von Hand gebohrten Löchern mit einer Verlängerungsstange (Abbildung 4).

Angesichts der Heterogenität der SWC, insbesondere in der Nähe der Oberfläche, und der geringen Messvolumina der Sensoren ermöglichen dreifache Messungen eine bessere statistische Darstellung der SWC. Ein Profil von In-situ-Sensoren ist jedoch typisch für die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und SNOTEL). Das USCRN verwendet drei Profile im Abstand von 3-4 m, um dreifache Messungen in jeder Tiefe¹⁶ durchzuführen. Darüber hinaus erhöht die Redundanz bei der Messung die Ausfallsicherheit und Kontinuität des Stationsdatensatzes, wenn finanzielle Ressourcen verfügbar sind.

Abbildung 4: Installation von Sensoren . (A) Flache Sensoren werden typischerweise horizontal in die Seitenwand einer ausgehobenen Bodengrube eingebaut. Bei tieferen Sensoren wird (B) eine Handschnecke verwendet, um ein Loch unter Verwendung einer Nulltiefenreferenz (z. B. Holz, das den Graben überspannt) in die Tiefe zu graben, und die Sensoren werden vertikal in den Boden von Löchern geschoben, wobei (C) ein Abschnitt des PVC-Rohrs verwendet wird, der modifiziert wurde, um den Sensor und das Kabel während der Installation zu sichern, oder (D) ein Installationswerkzeug. Bodenschichten werden als Oberboden (A-Horizont) und Unterbodenhorizonte mit translozierten Tonen (Bt) und Karbonatakkumulation (Bk) bezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In-situ-SWC-Sensortyp
Kommerziell erhältliche Sensoren leiten SWC aus der gemessenen Reaktion auf ein elektromagnetisches Signal ab, das sich entlang von Zinken in direktem Kontakt mit dem Boden^{ausbreitet 22}. Vergrabene Sensoren lassen sich in fünf Klassen einteilen, abhängig von der Art des elektromagnetischen Signals und der Methode zur Messung der Antwort: Kapazität, Impedanz, Zeitbereichsreflektometrie, Zeitbereichstransmissometrie und Übertragungsleitungsschwingung (Ergänzende Tabelle S1 mit Links zu den Informationen der einzelnen Hersteller). Diese Technologien tendieren dazu, nach Betriebshäufigkeit und Hersteller zu gruppieren. Längere Zinken integrieren ein größeres Bodenvolumen; Sie können jedoch schwieriger einzubringen sein und unterliegen in Böden mit Lehm und höherer elektrischer Leitfähigkeit (BEC) eher einem Signalverlust. Die Hersteller berichten von SWC-Messfehlern von 0,02 bis 0,03 m³m−3, während die Anwender diese in der Regel als deutlich größer empfinden ²³. Die richtige Kalibrierung und Standardisierung elektromagnetischer Sensoren verbessert die Leistung²²; Diese bodenspezifischen Kalibrierungen gehen jedoch über den Rahmen dieses Protokolls hinaus, das sich auf die Installation konzentriert.

Bei der Auswahl des Sensors sollten die gewünschte Leistung, die Messmethode, die Betriebsfrequenz und die Kompatibilität mit anderen Messungen berücksichtigt werden. Vor 2010 waren die meisten SWC-Sensoren analog und erforderten vom DCP Messungen von Differenzspannungen, Widerständen oder Impulszahlen, was teurere Komponenten und einzelne Kanäle (oder Multiplexer) für jeden Sensor erforderte. Die serielle Datenschnittstelle mit 1.200 Baud (SDI-12) Kommunikationsprotokolle (http://www.sdi-12.org/) ermöglichen es intelligenten Sensoren, interne Messalgorithmen zu implementieren und dann digitale Daten über ein einziges Kommunikationskabel zu übertragen. Jeder Sensor kann nacheinander miteinander verdrahtet werden (d. h. eine Reihenschaltung), wobei ein gemeinsamer Draht verwendet wird, der über Hebelmutter- oder Klemmenblockstecker verbunden ist (Abbildung 5), wobei jeder Sensor eine eindeutige SDI-12-Adresse (0-9, a-z und A-Z) hat. Das gemeinsame Kommunikationskabel der SDI-12-Sensoren bildet zusammen mit einem Strom- und Massekabel einen einzigen Stromkreis. Multiplexer oder Messungen am DCP sind nicht erforderlich; Stattdessen sendet und empfängt das DCP einfach digitale Befehle und Textzeilen. Viele SDI-12 SWC-Sensoren umfassen auch Bodentemperatur-, relative Permittivitäts- (ε) und BEC-Messungen. Solche Messungen sind nützlich für die Sensordiagnose und die bodenspezifische Kalibrierung. Zu diesem Zeitpunkt hat der Benutzer einen Standort ausgewählt, den Sensortyp, die Anzahl und die Tiefe bestimmt und alle erforderlichen Hardware- und Feldwerkzeuge (Materialtabelle) erhalten. So können sie mit dem Installationsprotokoll fortfahren.

Abbildung 5: Drahtspleißsteckverbinder und Klemmenblöcke, die verwendet werden, um gemeinsame Strom-, Masse- und Kommunikationskabel mit einem einzigen Eingang auf der Datenerfassungsplattform zu verbinden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Protocol

1. Vorbereitung der Sensoren vor der Installation

1. Überprüfen Sie die SDI-12-Adresse. Sensoren werden vom Hersteller auf eine Standardadresse eingestellt. Verdrahten Sie jeden Sensor separat mit einer Datensteuerungsplattform (DCP) mit dem ?! Befehl, um die Adresse des Sensors abzufragen.
   HINWEIS: Jeder Sensor auf einer gemeinsamen Datenleitung muss eine eindeutige Adresse haben (z. B. 0-9). Lesen Sie im Sensorhandbuch nach, wie Sie den SDI-12 adressieren und bei Bedarf den Wert eines Sensors ändern können.
2. Nehmen Sie eine Messung (z. B. "aM!", wobei a die Adresse ist) in Luft, trockenem Sand und in Wasser getaucht.
   HINWEIS: Luftmessungen sollten 0,00 m 3 m-3 (relative Permittivität [ε] ~ 1), Spielsand < 0,02 m³m 3 (ε < 4) und Wasser ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80)anzeigen.
3. Notieren Sie diese Werte zusammen mit der Seriennummer und der SDI-12-Adresse jedes Sensors in einem Laborbuch. Beschriften Sie den Sensorkopf und das Kabelende mit einem Marker mit der Adressnummer.
4. Überprüfen Sie das DCP-Programm. Einige DCPs sind Plug-and-Play, aber die meisten erfordern ein Programm, um Messungen durchzuführen und Daten aufzuzeichnen. Richten Sie die SWC-Sensoren und alle Zusatzsensoren im Labor ein und verbinden Sie sie alle mit dem DCP und der Batterie. Lassen Sie die SWC-Sensoren in der Luft schweben, in trockenen Spielsand stecken oder in Wasser tauchen, um sicherzustellen, dass sich die Zinken nicht berühren.
   HINWEIS: Luftmessungen sollten 0,00 m 3 ^m-3 (relative Permittivität [ε] ~ 1), Spielsand < 0,02 m³m 3 (ε < 4) und Wasser ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80)betragen.
5. Lassen Sie das System über Nacht oder länger laufen. Stellen Sie sicher, dass die Daten mit den entsprechenden Raten aufgezeichnet werden und die Werte (z. B. richtige Anzahl von Spalten, signifikante Ziffern) angemessen sind.
6. Überprüfen Sie auch alle zusätzlichen SWC-Sensorausgänge (z. B. Temperatur und BEC). Lassen Sie das System mindestens 1 Tag lang laufen. Stellen Sie sicher, dass die Datentabellen korrekt sind.
   HINWEIS: Einige DCPs sind Plug-and-Play, aber die meisten erfordern ein Programm, um Messungen durchzuführen und Daten aufzuzeichnen.

2. Bestimmen Sie das Feldlayout

1. Bevor Sie mit dem Graben beginnen, rufen Sie mindestens 2 Tage vor dem Aushub die Nummer 811 (USA und Kanada) an, um das Vorhandensein einer unterirdischen Infrastruktur (z. B. elektrische Leitungen, Wasserversorgung, Gasleitungen) zu überprüfen. Das Versäumnis, solche Freigaben sicherzustellen, kann zu erheblichen Strafen und Haftungen führen.
2. Überprüfen Sie die Bodenkarteneinheit am Grubenstandort. Verwenden Sie die USDA SoilWeb-App, die für iOS- und Android-Smartphones verfügbar ist, um den Standort abzufragen. Graben Sie ein Testloch mit einer Handschnecke mit einem Durchmesser von 5-10 cm, um zu überprüfen, ob die Feldtextur mit der Beschreibung der Karteneinheit übereinstimmt. Suchen Sie nach Problemen wie harten Schichten (z. B. Pflugpfannen, Caliche oder Argillic Horizons) oder Schichten mit hohen Gesteinsfragmenten. In beiden Fällen kann das Einführen der Sonde erschwert oder sogar unmöglich gemacht werden.
3. Bestimmen Sie den besten Standort für die Sensoren. Jeder Sensor wird in die vertikale Fläche eines ungestörten Bodens eingebaut.
   HINWEIS: Wenn eine Neigung vorhanden ist, sollte die Strebung hangaufwärts gerichtet sein, um die bevorzugte Strömung durch gestörten Boden und entlang von Kabelgräben zu minimieren.
4. Verwenden Sie eine kleine (1 m²) Sperrholzplatte oder eine Plane, um die Bodenoberfläche zu schützen und zu verhindern, dass Feldarbeiter auf dem ungestörten Boden herumfräsen.
5. Bestimmen Sie die Position des Instrumentenmastes. Stellen Sie sicher, dass die Sensoren ausreichend weit vom Mast entfernt sind, um den Fußgängerverkehr und die Auswirkungen des Turms zu minimieren.
   HINWEIS: 5 m lange Kabel sind in der Regel für die meisten Installationen ausreichend.
   1. Verwenden Sie eine möglichst kurze Kabellänge, um Oberflächenstörungen und Bruchgefahr zu minimieren.
      HINWEIS: Wenn der Instrumentenmast bereits an einem bestehenden Standort vorhanden ist, kann eine längere Leitung erforderlich sein, um einen repräsentativen Boden zu erreichen. alternativ könnten drahtlose Technologien in Betracht gezogen werden (siehe "Zusätzliche Überlegungen zur Standortauswahl").
   2. Stellen Sie sicher, dass der Gesamtabstand zum Instrumentenständer 80 % bis 90 % der Kabellänge beträgt, um zusätzliche Kabel zu berücksichtigen, die für die Verlegung von der Installationstiefe durch das Rohr bis in das Gehäuse erforderlich sind.
      HINWEIS: Das Kabelmanagement kann umständlich sein, wenn viele SWC-Sensoren an einem zentralen Punkt ankommen.
   3. Dünnere Kabel müssen in PVC-Rohren vergraben werden, während steifere, dickere Kabel direkt vergraben werden können. Graben Sie für beide einen Graben, der >10 cm tief und 10-15 cm breit ist.
   4. Stellen Sie sicher, dass das Gehäuse über einen Einstiegspunkt für alle oberirdischen Sensoren und einen Leitungsanschluss für unterirdische Sensoren verfügt (Abbildung 5). Montieren Sie das Gehäuse in einer bequemen Höhe (1 m) für die Verkabelung.
   5. Empfehlung: Wickeln Sie einen Sensor ab. Legen Sie den Sensorkopf an die Grubenfläche und positionieren Sie ihn am Kabelende am Instrumentenständer. Stellen Sie sicher, dass die Kabellänge korrekt ist, und passen Sie sie nach Bedarf an.

3. Aushub der Bodengrube

HINWEIS: Die Bodengrube kann manuell oder maschinell ausgehoben werden. Ziel ist es, die Gesamtstörung des Standorts zu minimieren.

1. Für die handgegrabene Grube legen Sie eine weitere größere Plane (2 m²) neben den Aushubbereich. Verwenden Sie einen schmalen Spaten (z. B. Scharfschütze), um ein rechteckiges Loch bis zu einer Tiefe von ~55 cm auszuheben. Stellen Sie sicher, dass die Grubenfront, die derzeit durch Sperrholz oder eine Plane geschützt ist (Schritt 2.4), vertikal (oder leicht zurückgeschnitten) ist, damit jeder Sensor ungestörten Boden darüber hat. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Grube 20-40 cm breit und ~25% länger als die Gesamtlänge des Sensors ist. Beginnen Sie mit dem Entfernen des Bodens in Schritten von 10 cm und platzieren Sie jeden Lift am anderen Ende der Plane, wobei Sie mit jedem Schritt näher kommen. Brechen Sie alle Klumpen auf und entfernen Sie große Steine.
   HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Aushubbereich so klein wie möglich ist und genügend Platz für das Einsetzen der tiefsten horizontalen Sonde bietet.
2. Verwenden Sie für die hydraulische Pfostenlochschnecke einen großen Durchmesser (>30 cm) und eine 1 m lange, auf einem Anhänger montierte Schnecke.
   HINWEIS: Zwei- oder Ein-Personen-Zaunpfostenschnecken können gefährlich sein.
   1. Stellen Sie die Schnecke ~5 cm von der vorgesehenen Grubenfläche entfernt auf.
   2. Bohren Sie bis >50 cm und heben Sie die Schnecke gelegentlich an, um Erde auszutreiben.
   3. Verwenden Sie einen schmalen Spaten, um eine flache und vertikale Grubenfläche zu erstellen.
   4. Verwenden Sie einen Spaten oder eine Handkelle, um Erde von der Grube zur Plane zu bewegen.
      HINWEIS: Der ausgehobene Boden wird gut durchmischt; Es gibt keine Möglichkeit, dies zu vermeiden.
3. Machen Sie einen mechanisch gegrabenen Graben mit schwerem Gerät.
   HINWEIS: Sofern keine horizontale Installation unter 100 cm erforderlich ist, werden große Grabgeräte nicht empfohlen. Der Umgang mit der Abraumhalde (d. h. dem Bodenaushub) kann eine Herausforderung darstellen, und die Ketten und Stabilisatoren des Baggers verursachen erhebliche Störungen.
   1. Verwenden Sie einen leichten Bagger mit einer schmalen Schaufel, idealerweise weniger als 50 cm, um einen ähnlich schmalen Graben mit einer Tiefe von 100 oder 200 cm zu graben.
      HINWEIS: Vermeiden Sie es, den Bagger zu bewegen, um Oberflächenstöße zu minimieren.
   2. Beginnen Sie mit dem Entfernen des Bodens in Schritten von 10 cm und platzieren Sie jeden Lift am anderen Ende der Plane, wobei Sie mit jedem Schritt näher kommen. Stellen Sie sicher, dass der Aushubbereich so klein wie möglich ist und sich in einer Tiefe von ~55 cm befindet, damit genügend Platz für das Einführen der tiefsten horizontalen Sonde vorhanden ist.
4. Graben Sie für den Sensorkabelgraben einen Graben von der Rückseite der Erdgrube bis zum Instrumententurm. Verwenden Sie in harten Abschnitten eine Grabenschaufel, die von einer Spitzhackenmatte oder Pulaski unterstützt wird. Graben Sie einen geraden, schmalen (~10 cm), >10 cm tiefen Graben aus und legen Sie den Boden auf eine Seite des Grabens.

4. Montage/Aufstellung des Instrumentenständers und des Gehäuses

HINWEIS: Der Instrumentenständer hat drei Optionen: eine einfache Stange, ein Stativ oder einen Turm. Für eine einfache Bodenfeuchtestation mit PPT-Messgerät ist ein verzinkter Stahlmast oder ein Instrumentenständer aus Edelstahl (120 cm hoch) mit Beinen ausreichend. Für grundlegende meteorologische Messungen wird ein höherer Mast benötigt, um Sensoren in 2 m Tiefe zu installieren. Die meisten Mesonete bevorzugen 10 m hohe Türme; Solche Türme liegen jedoch außerhalb des Geltungsbereichs dieses Protokolls.

1. Verwenden Sie eine verzinkte Stahlstange.
   HINWEIS: Eine Wasserleitung aus verzinktem Stahl mit einem Durchmesser von 4 cm und einer Länge von ~ 3 m ist die wirtschaftlichste Methode.
   1. Schlagen Sie von Hand ein kleines Loch bis zu einer Tiefe von mindestens 60 cm. Positionieren Sie die Stange im Loch. Stellen Sie sicher, dass die Masthöhe ausreichend über dem Boden liegt, um das Gehäuse, das Solarpanel und alle erforderlichen Antennen aufzunehmen.
      HINWEIS: Eine Höhe von <2 m wird empfohlen.
   2. Mischen Sie schnell abbindenden Beton- oder Zaunpfostenschaum nach Anleitung.
      HINWEIS: Beton ist auf einigen Bundesländern nicht erlaubt, und einige private Landbesitzer können Einwände erheben. Schaumstoffalternativen für Zaunpfosteninstallationen sind eine gute Alternative und benötigen kein Wasser.
   3. Gießen Sie eines der Materialien um die Stange und stellen Sie sicher, dass sie mit einer Torpedoebene waagerecht ist. Lassen Sie den Beton mehrere Stunden aushärten (idealerweise über Nacht) und sichern Sie den Mast mit Streben, um sicherzustellen, dass er eben bleibt. Obwohl der Schaum in 30 Minuten aushärtet, halten Sie das Rohr mindestens 2 Minuten lang an Ort und Stelle und stellen Sie sicher, dass es senkrecht bleibt.
2. Instrumentenständer oder Stativ (siehe Herstellerangaben)
   1. Lösen oder lösen Sie jedes der drei Standbeine.
   2. Drehen oder strecken Sie jedes Bein und positionieren Sie es über dem Ende des ausgehobenen Grabens.
   3. Setzen Sie den Instrumentenmast in die Beine ein und ziehen Sie ihn fest.
   4. Passen Sie die Länge jedes Beins an, um sicherzustellen, dass der Mast vertikal steht.
   5. Stecken Sie jedes Bein in den Boden und überprüfen Sie den Mast erneut mit einer Torpedowaage.
3. Montieren Sie das Gehäuse mit U-Bolzen auf dem Instrumentenständer in einer Höhe von 1-1,5 m. Ziehen Sie die Schrauben von Hand fest, um sie zu sichern. Die endgültige Höhe und das Anziehen erfolgen später.
   HINWEIS: Es wird empfohlen, auf der Nordseite des Mastes zu montieren, um zu vermeiden, dass man später mit dem Kopf auf das Solarpanel schlägt.

5. Bodencharakterisierung und Probenentnahme

HINWEIS: Die visuelle Charakterisierung des Bodens ist entscheidend für die Interpretation der Bodenfeuchtedynamik nach der Installation. Die Stichprobenentnahme kann die Interpretation mit quantitativen Daten unterstützen. Sammeln Sie Proben, auch wenn die Finanzierung nicht verfügbar ist oder die internen Einrichtungen nicht in der Lage sind, sie zu verarbeiten. Trocknen Sie sie an der Luft und archivieren Sie sie, falls in Zukunft eine Bodencharakterisierung erforderlich ist.

1. Notieren Sie sich für eine grundlegende Bodenbeschreibung die Tiefe offensichtlicher Änderungen der Bodenfarbe oder -textur (Horizonte).
   HINWEIS: Das National Soil Survey Center bietet einen hervorragenden Überblick über die Beschreibungen und Interpretationen von Bodenprofilen²⁴. Wenn der Standort nicht ideal ist, ist es jetzt an der Zeit, umzuziehen.
2. Für die grundlegende Bodencharakterisierung sammeln Sie repräsentative Bodenproben in einem 1 Liter (1 l) Gefrierbeutel in jeder Sensortiefe nach dem Verfahren von Lawrence et ^al.25.
   1. Legen Sie bei der Rückkehr ins Büro oder Labor alle 1-Liter-Beutel auf die Theke, öffnen Sie sie und lassen Sie sie mindestens 48 Stunden lang an der Luft trocknen.
      HINWEIS: Durch die Lufttrocknung wird der größte Teil der Bodenfeuchtigkeit entfernt, während die organischen und chemischen Eigenschaften für zukünftige Analysen erhalten bleiben.
   2. Reichen Sie die Proben entweder an ein universitäres Erweiterungslabor (z. B. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) oder ein kommerzielles Labor (z. B. http://www.al-labs-west.com/) zur weiteren Analyse ein. Alternativ können Sie das Beispiel intern von geschulten Technikern unter Verwendung der unten aufgeführten akzeptierten Methoden ausführen.
   3. Führen Sie grundlegende Laboranalysen durch, einschließlich physikalischer Bodenparameter wie Partikelgrößenverteilung²⁶, Gesteinsanteil (RF; Gewichtsprozentsatz größer als 2 mm), Bodenanteil (SF; Prozentsatz weniger als 2 mm) und Textur (Sand-, Schluff- und Tonanteile). Überprüfen Sie die grundlegenden chemischen Parameter, einschließlich der elektrischen Leitfähigkeit der gesättigten Paste (dS ^m-1)²⁷ und der organischen Substanz²⁸.
   4. Empfohlen: Führen Sie volumetrische Bodenkernproben in Tiefen von 5, 10, 20 und 50 cm mit einem Kernbohrgerät durch, um eine ungestörte, volumetrische Probe zu entnehmen. Bestimmen Sie die Bodenschüttdichte (BD; g ^cm-3) aus dem Gesamtgewicht des trockenen Bodens und dem Kernvolumen²⁹. Porosität des Bodens (φ; [-]) ist die physikalische Obergrenze von SWC. Für mineralische Böden ist φ als 1 - BD/PD zu schätzen, wobei die Partikeldichte (PD) für überwiegend Quarzmineralböden 2,65 g ^cm-3 beträgt.
      ANMERKUNG: Die Proben für BD werden entweder in einem Kern mit bekanntem Volumen oder unter Verwendung von Bodenpeds²⁹ entnommen.

6. Horizontales Einsetzen der 5-, 10-, 20- und 50-cm-Sonden

HINWEIS: Ziel ist es, einen vollständigen Bodenkontakt um die Sensorzinken herum sicherzustellen und Luftspalte zu vermeiden.

1. Schneiden Sie vorsichtig alle Kabelbinder ab und rollen Sie jeden Sensor ab, wobei Sie alle Spulen in den Kabeln entfernen. Positionieren Sie den Sensorkopf in der Nähe der Bodengrube und das Kabel im Graben.
2. Die Einbautiefe ist definiert als die Mitte des Sensors bei horizontaler Installation, unabhängig davon, ob die Fläche des Sensors rund oder rechteckig ist. Installieren Sie den Sensor genau in der Tiefe unter der Landoberfläche und so horizontal wie möglich im Boden. Verwenden Sie eine Nulltiefenreferenz und ein Messgerät (Maßband oder Lineal) für eine genaue Sensortiefe (Abbildung 2) und einen Abstandshalter, um den Zinkenabstand während des Einsetzens einzuhalten (Abbildung 2C).
3. Setzen Sie zuerst den 50-cm-Sensor ein. Schieben Sie den Sensor horizontal in den Boden und versuchen Sie, den Sensor nicht zu wackeln, da dies zu Lücken führen kann. Da die 50-cm-Sonde oft am schwierigsten ist, verwenden Sie eine Erdungsstange, um mehr Hebelwirkung zu bieten, um den Sensor hineinzuschieben, und achten Sie darauf, den Epoxidkopf nicht zu brechen oder die Zinken zu trennen. Wiederholen Sie den Einführvorgang und arbeiten Sie sich bis zu den Sensortiefen von 20, 10 und 5 cm nach oben. Staffeln (Abbildung 2D) oder stapeln (Abbildung 2B) die Sensoren.
   HINWEIS: Das Messtiming in SDI-12-Protokollen verhindert im Allgemeinen, dass Sensoren gleichzeitig lesen und Interferenzen zwischen benachbarten Sensoren erzeugen (z. B. die Tiefen von 5 und 10 cm).
4. Richten Sie jedes Sensorkabel auf die gleiche Seite der Grubenfläche aus, so dass sie am Boden der Baugrube hängen können. Machen Sie ein Foto des ausgehobenen Lochs und der Sensoren mit einem Maßband für den Maßstab (Abbildung 6A). Verwenden Sie ein GPS, um den Breiten- und Längengrad innerhalb weniger Meter von der Grube zu bestimmen. Wenn Sie an einem Tag mehrere Standorte ausgraben, verwenden Sie ein Plakat mit einer eindeutigen Kennung, um zwischen den Gruben zu unterscheiden.

Abbildung 6: Beispielfotos für Metadaten . (A) Die instrumentierte Bodengrube mit Maßband für den Maßstab, (B) der Kabelgraben, der bis zum Instrumentenmast ausgehoben wurde, und endgültige Standortfotos mit Blick auf (C) Norden und (D) Süden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

7. Vertikales Einsetzen für die 100-cm-Sonde

1. Bei Sensorinstallationen in Tiefen von mehr als 50 cm bohren Sie für jeden Sensor ein separates Loch in oder in der Nähe des Kabelgrabens (Abbildung 4A).
2. Graben Sie mit einer Handschnecke (5-10 cm Durchmesser) bis zur entsprechenden Einbautiefe(n). Die Tiefe ist definiert als der Maßpunkt (z. B. 50 cm) abzüglich der Hälfte der Zinkenlänge relativ zur Nulltiefenreferenz (Abbildung 4B).
3. Ordnen Sie den ausgehobenen Boden in der Reihenfolge, in der er entfernt wurde, auf einer Plane an.
4. Installieren Sie den Sensor vertikal, indem Sie ihn mit einem Installationswerkzeug in den Boden des Lochs schieben (Abbildung 4C, 4D). Packen Sie das Schneckenloch mit dem ausgehobenen Boden vom tiefsten zum flachsten um. Ersetzen Sie den Boden in kleinen Aufzügen und verpacken Sie ihn ausreichend, um eine Bodenüberbrückung im Loch und die Bildung von Hohlräumen zu verhindern.
   HINWEIS: Verpackungswerkzeuge können ein Stück PVC oder Holzdübel sein. Vermeiden Sie Beschädigungen des Sensorkopfes oder des Kabels.

8. Abschließen der Sensorinstallation und Verkabelung zum DCP

1. Wenn die Sensorkabel direkt vergraben sind, stellen Sie sicher, dass die oberirdischen Enden, die in das Gehäuse führen, in PVC-Rohren angeordnet sind, indem Sie einen Schottstecker verwenden, um in das Gehäuse einzudringen (Abbildung 5).
   HINWEIS: Wenn Sie ein separates Regenmessgerät (Schritt 9.1) verwenden, stellen Sie sicher, dass Sie dieses Kabel bei der Verlegung in das Gehäuse einschließen.
2. Wenn Sie ein Rohr verwenden, legen Sie es in den Kabelgraben und schneiden Sie es auf die gewünschte Länge zu. Führen Sie das Kabel durch die Leitung - dies kann eine Zugschnur oder ein Fischband erfordern, um die Kabel durchzuziehen. Verwenden Sie ein flexibles Rohr oder einen 90°-Sweep-Bogen sowie ein vertikales Rohr, um die Kabel von einem Rohranschluss auf die Unterseite des Gehäuses zu führen.
3. Verlegen Sie das Kabel oder das Kabel/die Leitung im Boden des Kabelgrabens. Ziehen Sie die Kabelenden durch den unteren Gehäuseanschluss und sichern Sie sie mit Kabelbindern. Wenn sich überschüssiges Kabel im Gehäuse befindet, ziehen Sie es durch das Rohr und die Spule am Boden des Aushubgrabens zurück.
4. Machen Sie ein Foto der Installationsgrube und des Grabens mit Kabeln, die zurück zum Gehäuse führen (Abbildung 6B).
5. Verwenden Sie für die Verkabelung des Bodenfeuchtesensors für jeden SDI-12-Sensor ein gemeinsames Strom- (5-12 Volt) und Erdungskabel. Verwenden Sie Hebelverbinder, Spleißverbinder oder Reihenklemmen (Abbildung 5), um diese Verbindungen einfacher und sicherer zu machen. Wenn Sie mehr als einen Sensortyp verwenden, verwenden Sie einen anderen Kommunikationsanschluss am DCP, falls verfügbar.
   HINWEIS: Ein defekter SDI-12-Sensor kann andere Sensoren in Reihe unterbrechen.

9. Zusätzliche Sensoren und Hardware-Setup

1. Niederschlagsmesser (PPT)
   HINWEIS: Um den Fang zu verbessern, sollten Regenmesser an einem separaten vertikalen Mast so nah wie möglich am Boden installiert werden. Wenn Sie das Messgerät höher an der Querarmhalterung installieren, kann der Fang aufgrund größerer Windgeschwindigkeiten verringert werden.
   1. Bestimmen Sie den Standort. Installieren Sie den Regenmesser so niedrig wie möglich über der Bodenbedeckung (~ 1 m) und in einem Abstand, der doppelt so hoch ist wie ein nahegelegenes Hindernis³⁰. Der ideale Standort befindet sich in der Nähe des Kabelgrabens.
      HINWEIS: Das Regenmesserkabel wird neben den Sensorkabeln vergraben, bevor es in den Boden des Gehäuses gelangt.
   2. Installieren Sie einen vertikalen Mast. Graben Sie mit einer Handschnecke ein Loch bis zu ~50 cm Tiefe. Legen Sie einen Abschnitt eines verzinkten Stahlrohrs von ausreichender Länge in Zement oder Schaumstoff (siehe Schritt 4.1).
   3. Installieren Sie das Messgerät nach dem Aushärten mit Schlauchschellen oder einem flachen Sockel gemäß den Anweisungen des Sensors. Stellen Sie sicher, dass das Messgerät perfekt waagerecht ist.
      HINWEIS: Die meisten Messgeräte haben eine eingebaute Wasserwaage.
   4. Verlegen Sie die Kabel zwischen dem Regenmesser und der Einhausung in der unterirdischen Leitung mit den Bodenfeuchtekabeln.
   5. Für ein Kippmessgerät verdrahten Sie die beiden Leitungen mit einem Impulszählkanal auf dem DCP.
      HINWEIS: Die Drähte können auf beiden Seiten verlegt werden.
   6. Achten Sie darauf, die Oberseite zu entfernen und zu überprüfen, ob sich der Kippmechanismus frei bewegt. Die Eimer werden während des Transports oft mit Gummibändern gesichert.
      HINWEIS: Regenmesser müssen routinemäßig gereinigt und kalibriert werden. Wenn Sie das Regenmessgerät direkt am Instrumentenständer oder Querarm montieren, befolgen Sie Schritt 9.2.
2. Andere Sensoren
   1. Installieren Sie Zusatzmessungen und Antennen an den vertikalen Mast- oder Querarmhalterungen in der entsprechenden Höhe über dem Boden^10,30.
   2. Der Weg führt in den oberirdischen Gehäuseeingang und wird bei Bedarf mit Kabelbindern gesichert. Verdrahten Sie die entsprechenden Messkanäle am DCP.
3. Erdungsstange
   1. Installieren Sie einen >1 m langen Kupfererdungsstab 0,5 m vom Instrumentenmast entfernt. Verwenden Sie einen Zaunpfostentreiber, um die Stange in den Boden einzuführen und ~20 cm freizulegen.
   2. Befestigen Sie den schweren (8-10) Kupferdraht mit einer Erdungsklemme an der Stange. Befestigen Sie das andere Ende am Gehäuse oder Stativ.
      HINWEIS: Eine Erdung ist möglicherweise nicht in allen Situationen ratsam.
4. Schließen Sie die Batterie an.
   HINWEIS: Die meisten DCPs benötigen 5-24 Volt (V), obwohl 12 V am gebräuchlichsten sind und 7 oder 12 Amperestunden (AH) ausreichen, um die meisten Bodenfeuchtestationen mit Strom zu versorgen. Hier kommen ein 12V 12AH Akkupack und ein Spannungsregler zum Einsatz.
   1. Stellen Sie sicher, dass sich der Laderegler in der Aus-Position befindet. Überprüfen Sie mit einem Multimeter, das für Gleichspannung auf Gleichspannung eingestellt ist, ob die Spannung an der Batterie ausreichend ist (>10 V für eine 12-V-Batterie) und identifizieren Sie die Anschlüsse + und - , falls nicht markiert.
   2. Schieben Sie den Klemmenstecker des schwarzen (-) Kabels über den Spatenpol am Massepfosten (-) der Batterie und den roten Draht über den + Batteriepfosten. Stecken Sie das andere Ende der roten/schwarzen Drähte in den BAT-Anschluss des Spannungsreglers.
5. Sonnenkollektor
   HINWEIS: Ein 10- oder 20-Watt-Panel ist in der Regel ausreichend. Eine erhöhte Wattzahl ist in höheren Breitengraden, schattigen Bereichen oder auf Systemen mit hohem Stromverbrauch (z. B. Mobilfunkmodems, Kameras) erforderlich. Das Panel sollte so ausgerichtet sein, dass es im Laufe von 1 Jahr die maximale einfallende Sonnenstrahlung erhält.
   1. Wickeln Sie das Isolierband separat um jedes Kabel des Solarpanels.
      HINWEIS: Diese Drähte führen Strom, wenn das Panel dem Sonnenlicht ausgesetzt ist.
   2. Montieren Sie das Solarpanel mit U-Bolzen über dem Gehäuse und an der Seite des Instrumentenständers, die dem Äquator zugewandt ist (z. B. Süden in den USA). Verwenden Sie den geeigneten Winkel für den Breitengrad des Standorts, in der Regel 25° bis 35° in den angrenzenden USA.
   3. Verlegen Sie das Kabel in den oberirdischen Gehäuseeinführungspunkt. Entfernen Sie das Klebeband von den Panel-Leitungen. Verwenden Sie ein Multimeter, das für die Stromstärke auf A eingestellt ist, und überprüfen Sie, ob die Leistung des Solarmoduls >0,1 A beträgt.
   4. Überprüfen Sie mit einem Multimeter, das für Gleichspannung auf Gleichspannung eingestellt ist, ob der Ausgang des Solarmoduls >10 V beträgt, und identifizieren Sie die Leitungen + (normalerweise rot) und - (normalerweise schwarz), falls sie nicht markiert sind. Verbinden Sie das - Kabel vom Solarpanel mit dem G-Anschluss (Masse) und dann das +-Kabel vom SOLAR-Anschluss des Ladereglers.
      HINWEIS: Decken Sie das Solarpanel mit einer Plane oder etwas Undurchsichtigem ab, um die Funkenbildung zu minimieren.
   5. Überprüfen Sie, ob die CHG - oder Ladeanzeige jetzt leuchtet.
6. Datenfernkommunikation
   HINWEIS: Die Mobilfunkdatentelemetrie bietet die Möglichkeit, Daten vom DCP zu übertragen und zu senden. Smartphone-Apps wie OpenSignal können die Signalstärke und den Weg zum nächsten Mobilfunkmast messen. Omnidirektionale Multiband-Antennen werden bevorzugt; Eine Richtantenne (Yagi) kann jedoch das Signal in abgelegeneren Gebieten verbessern.
   1. Befestigen Sie die Antenne mit den mitgelieferten U-Bolzen an der Oberseite des Instrumentenmastes.
   2. Schließen Sie das Koaxialkabel an die Antenne an und führen Sie das andere Ende durch den oberirdischen Sensorkanal in das Gehäuse. Sichern Sie das Kabel mit Kabelbindern.
   3. Schließen Sie das andere Ende an das Mobilfunkmodem im Gehäuse an.
7. Einschalten des Systems
   HINWEIS: An dieser Stelle wird davon ausgegangen, dass das DCP-Programm geschrieben ist und alle Sensoren in geeigneter Weise verdrahtet sind. Das Solarpanel und der Akku sind mit einem Spannungsregler mit einem rot/schwarzen Stromkabel verbunden, das mit den DCP-Stromanschlüssen verbunden ist.
   1. Schalten Sie den Schalter am Spannungsregler auf ein. Starten Sie die DCP-Software und schließen Sie einen Laptop an das DCP an. Vergewissern Sie sich, dass alle Sensoren Werte melden und keine Nicht-A-Zahl (NaN) oder einen Fehlerwert.
   2. Überprüfen Sie jeden Bodensensor auf SWC-, BEC- und T-Werte. Stellen Sie sicher, dass die SWC-Werte >0,05 m 3/m 3 und <0,60 m 3/m ³ betragen. Überprüfen Sie alle Sensoren außerhalb der Reichweite. Setzen Sie jeden Sensor, der fragwürdig ist, wieder ein oder ersetzen Sie ihn. Gießen Sie etwas Wasser durch den Regenmesser und überprüfen Sie, ob der DCP die Zählungen aufzeichnet.
      HINWEIS: Niedrige BEC-Werte (<0,001) können auf einen schlechten Sensorkontakt (oder sehr trockene Böden) hinweisen. Bei der Installation in wärmeren Jahreszeiten ist T im Allgemeinen oben am wärmsten und unten am kühlsten.
   3. Überprüfen Sie die Stärke der zellulären Kommunikation. Befolgen Sie die Dokumentation des Herstellers, um die Signalstärke zu bestimmen.
      HINWEIS: Die Signalstärke sollte > -100 dBm betragen, um eine anständige Signalqualität zu gewährleisten. Richtungsantennen können gedreht werden, um möglicherweise das Signal zu verbessern. Über den Mobilfunk hinaus gibt es viele andere Kommunikationsmöglichkeiten (z. B. Satellit).

10.Site Fertigstellung

1. Sobald sichergestellt ist, dass alles unter der Erde funktioniert und die Kabel oder Kabel im Rohr alle im Graben sind und in das Gehäuse geführt werden, füllen und versiegeln Sie die Öffnungen der ober- und unterirdischen Gehäuseeingänge mit elektrischem Kitt, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen und Insekten aus dem Gehäuse fernzuhalten.
2. Begrenzen Sie den äußeren Umfang der Sensorpositionen auf der Oberfläche mit permanenten Pfählen mit heller Markierung.
3. Verfüllung des ausgehobenen Bereichs mit dem Boden auf der Plane und in umgekehrter Reihenfolge der Entfernung (Schritt 3.1) (tiefst bis flachste). Beginnen Sie damit, den Boden in einem Abstand von 50 cm von Hand gegen die Grabenfläche und um den Sensorkopf herum zu packen, wobei darauf zu achten ist, dass der Sensor nicht gestört wird. Stützen Sie den Sensorkopf ab, während Sie Erde um ihn herum packen, damit sich die Sensorzinken nicht bewegen.
4. Stellen Sie sicher, dass alle verbleibenden Sensorkabel noch in der Nähe des Bodens des Grabens positioniert sind. Decken Sie sie dann vorsichtig mit tieferer Erde aus der Plane ab. Verdichten Sie den Boden in den Boden der Grube, um die Kabel zu sichern, und achten Sie darauf, sie nicht mit Gewalt nach unten zu ziehen. Verwenden Sie während der Verdichtung eine ausreichende Kraft, um eine ähnliche Schüttdichte des abgetragenen Materials zu gewährleisten.
   HINWEIS: Feuchtere Böden können während der Installation leicht überverdichtet werden, während trockenere Böden unabhängig von der Kraft locker bleiben können.
5. Füllen Sie die Grube in 10-cm-Hebungen auf, glätten und verdichten Sie die Oberfläche, bis der 20-cm-Sensor erreicht ist. Verpacken Sie den Boden erneut sorgfältig von Hand unter und um den Sensor herum, bevor Sie mit dem Vfüllen eines weiteren 10-cm-Lifts des Bodens fortfahren.
6. Zum Schluss packen Sie den Boden von Hand um den 10-cm-Sensor und dann um den 5-cm-Sensor und stellen Sie sicher, dass beide horizontal und an Ort und Stelle bleiben. Füllen Sie den Rest der Bodengrube mit oberen Böden aus der Plane.
   HINWEIS: Der gesamte entfernte Boden sollte zurück in die Grube gehen. Übrig gebliebener Boden weist darauf hin, dass der Boden nicht auf die ursprüngliche Schüttdichte gepackt wurde.
7. Schieben Sie mit der Grabenschaufel den ausgehobenen Boden neben den Graben über die Leitung. Stellen Sie sicher, dass alles vollständig und unter 5 cm vergraben ist.
8. Verwenden Sie einen Stahlrechen, um den neu verpackten Boden in der Grube und im Graben bündig mit der ursprünglichen Oberfläche zu nivellieren. Kompakter Boden im Leitungsgraben ausreichend, um eine bevorzugte Strömung in den Installationsort zu minimieren.
9. Optional: Streuen Sie etwas Kieselgur um jede unterirdische Öffnung und auf die Oberfläche, um Ameisen, Schnecken und andere Insekten abzuschrecken.
10. Empfohlen: Verwenden Sie einen tragbaren SWC-Sensor, um Messungen des Oberflächenbodens um die In-situ-Sensoren herum durchzuführen, um die Datenüberprüfung im Laufe der Zeit und alle Skalierungsanforderungen zu unterstützen. Nehmen Sie Messungen in Himmelsrichtungen (Norden, Süden, Osten und Westen) in gleichmäßigen Entfernungen (z. B. 5, 10, 25 und 50 m) vor.

11. Erfassen Sie die Metadaten der Station, die Daten hinter den Daten²³

HINWEIS: Dokumentmetadaten bei der Installation und bei jedem Besuch vor Ort (siehe Tabelle 1). Konsistente Metadatenberichte unterstützen die wachsende Community of Practice und sind entscheidend für die Gewährleistung der Daten- und Netzwerkintegrität.

1. Dokumentieren Sie die Installationsdetails, einschließlich einer eindeutigen Standortkennung, des Installationsdatums, der Seriennummern des Sensors, der entsprechenden SDI-12-Adressen, der Einfügeausrichtungen (horizontal oder vertikal) und der Tiefen.
2. Beschreiben Sie das Bodenprofil und machen Sie die dazugehörigen Fotos. Notieren Sie Probenidentifikatoren für alle gesammelten Bodenproben.
3. Notieren Sie für den Standort den Breiten- und Längengrad, die Höhe, die Neigung, den Aspekt, die Landnutzung und die Landbedeckung.
4. Notieren Sie sich die Informationen des Grundbesitzers und der Kontaktdaten sowie die Zugänglichkeit des Geländes, einschließlich Tor- oder Schließcodes.
5. Messen Sie mit der Kompass-App auf einem Smartphone (oder einem tatsächlichen Kompass) und einem Maßband den Winkel und die Entfernung zur Sensorgrube (und allen Sensorschneckenlöchern) von zwei Referenzpunkten (z. B. Erdungsstange oder Stativbein).
   HINWEIS: Dies wird später helfen, ihre Positionen zu triangulieren.
6. Machen Sie Fotos von der fertiggestellten Station und den Ausrichtungen nach Norden (Abbildung 6C), Süden (Abbildung 6D), Osten und Westen vom Instrumentenmast aus. Beschreiben Sie den Installationsort des Sensors mit Markierungen oder anderen eindeutigen Elementen.

Tabelle 1: Stationsmetadaten für die Erfassung von Bodenfeuchtedaten. Abkürzungen: Dez. = abnehmend; GPS = Globales Positionierungssystem; 3DEP = 3D-Höhenprogramm; O&M = Betrieb und Wartung; SSURGO = Geographische Datenbank für Bodenuntersuchungen; Mukey = Schlüssel der Karteneinheit. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

12. Betrieb und Wartung

HINWEIS: Dem Metadatensatz sollte ein detailliertes Wartungsprotokoll hinzugefügt werden, einschließlich des Austauschs des Sensors, des Zustands oder der Veränderungen der Vegetation oder einer Störung des Standorts.

1. Führen Sie mindestens jährlich routinemäßige Inspektionen vor Ort durch (Tabelle 2). Notieren Sie alle Sensorkalibrierungen oder -austausche.
2. Sorgen Sie für ein regelmäßiges Vegetationsmanagement, insbesondere für permanente Stationen, damit der Standort nicht überwuchert oder für die Umgebung anomal wird.
3. Passen Sie das Tiermanagement an die lokale Tierwelt an, möglicherweise einschließlich Zäune.
4. Führen Sie im Falle eines Sensorausfalls einen Notfallbesuch vor Ort durch und installieren Sie einen Ersatz (Tabelle 2).

Tabelle 2: Beispiel für einen Wartungsplan. Abkürzung: DCP = Data Control Platform. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Representative Results

Das SCAN-Netzwerk begann 1991 als Pilotprojekt des NRCS. Es ist das am längsten in Betrieb befindliche SWC-Datenerfassungsnetz¹⁵ und die Grundlage für die repräsentativen Ergebnisse in diesem Protokoll. Alle SCAN-Standorte begannen ursprünglich mit einem analogen Kapazitätssensor. Der Feldinstallationsstandort (SCAN 2049) in Beltsville, Maryland, der in der Videokomponente dieses Protokolls verwendet wird, überwacht (Abbildung 7A) stündlich die Luft- und Bodentemperatur und (Abbildung 7B) stündlich SWC in Tiefen von 5, 10, 20, 50 und 100 cm. Die tägliche PPT, die Bodenwasserspeicherung (SWS) bis 20 cm und ihre zeitliche Veränderung (dSWS) sind in Abbildung 7C dargestellt. Für jedes PPT-Ereignis gab es einen starken Anstieg der SWC in der Nähe der Oberfläche (5 und 10 cm) und einen abgeschwächten und verzögerten Anstieg in größeren Tiefen, wenn sich die Benetzungsfront unter der Schwerkraft nach unten ausbreitete. Während der Ereignisse Anfang Februar und April 2022 erreichte der tiefste Sensor mit 100 cm ein Plateau von 0,33 m 3/^{m 3}, das mehrere Tage lang anhielt. Solche Bedingungen weisen auf eine kurze Sättigungsdauer hin. Die Trockenschüttdichte des Bodenhorizonts aus den Charakterisierungsdaten (Tabelle 3) betrug 1,73 g/^cm3 mit einer geschätzten Porosität (φ) von 0,35 [-], was einen zusätzlichen Beweis dafür liefert, dass der Porenraum vollständig mit Wasser gefüllt war. Angesichts des sandigen Lehms/Lehmsandes des Bodenprofils wurden gesättigte Bedingungen höchstwahrscheinlich durch schlechte Entwässerung oder einen flachen Grundwasserspiegel erzeugt, der die Entwässerung hemmte. Beachten Sie, dass die Lufttemperatur an diesem Standort an den meisten Abenden bis April unter den Gefrierpunkt fällt. Die Bodentemperaturen blieben jedoch über 2 °C und es gab keinen Hinweis auf gefrorenes Wasser in den SWC-Daten in irgendeiner Tiefe.

Abbildung 7: Beispielergebnisse der Feldstation (SCAN 2049) in Beltsville, Maryland. (A) Stündliche Luft- und Bodentemperatur, (B) stündliche SWC und (C) täglicher Niederschlag, Bodenwasserspeicherung bis 20 cm und deren Differenz im Laufe der Zeit. Abkürzungen: SWC = Bodenwassergehalt; PPT = Niederschlag; SWS = Bodenwasserspeicher; dSWS = Unterschiede in SWS im Zeitverlauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Tabelle 3: Standortdaten und Bodencharakterisierung für Datenbeispiele, die in den repräsentativen Ergebnissen dargestellt sind. Alle in Abbildungen und Tabellen dargestellten Daten wurden aus der NRCS-Online-Datenbank unter der für jeden Standort angegebenen URL abgerufen. Für den Tafelberg (#808) lagen keine Daten zur Bodencharakterisierung vor. Abkürzungen: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = Uniform Resource Locator; c = Ton; FSL = feiner sandiger Lehm; ls = lehmiger Sand; s = Sand; sc = sandiger Ton; SCL = sandiger Lehm; si = Schlick; sil = schluffiger Lehm; SL = sandiger Lehm; nd = keine Daten; BD = Schüttdichte 33 kPa. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

Ein extremeres Beispiel für die Sättigung ist in Abbildung 8 für eine SCAN-Position (2110) in der Nähe von Yazoo, Mississippi, dargestellt. Die Böden haben sehr hohe Tongehalte (über 60%), geringe Schüttdichten von 1,06 bis 1,23 g^/cm3 und eine φ von 0,54 bis 0,60 [-] (Tabelle 3). Das erste PPT-Ereignis von ~40 mm am 13. April 2020 sättigte den Boden an 12 aufeinanderfolgenden Tagen in allen Tiefen auf einen SWC von >0,60 m 3/^{m 3} - Werte, die sehr nahe am gemessenen φ lagen. Ein zweites Ereignis von 70 mm/Tag am 20. April 2020 hatte keinen Einfluss auf dSWS, was auf einen Sättigungsüberfluss hindeutet. Eine ähnliche Sättigungsperiode war im November 2020 bemerkenswert. Während es bei 100 cm keine Messung gab, blieb die SWC bei 50 cm konstant bei 0,39 m 3/m 3, außer im Spätsommer, wo sie leicht auf 0,36 m³/m³ fiel. Aus den Standortnotizen (Ergänzende Tabelle S2) geht hervor, dass die sensorspezifische Kalibrierung³¹ verwendet wurde, wie dies bei kapazitiven Sensoren der Fall ist, die an den meisten SCAN- und USCRN-Standorten verwendet werden. Beide Beispiele veranschaulichen die Bedeutung der Bodencharakterisierung und der BD-Daten, die während der Standortcharakterisierung (Schritt 5) erhoben wurden, für die Interpretation von SWC-Daten.

Abbildung 8: Beispielergebnisse eines feuchten, gemäßigten Standorts (SCAN 2110) in der Nähe von Yazoo, Mississippi . (A) Stündliche Luft- und Bodentemperatur, (B) stündliche SWC und (C) täglicher Niederschlag und Veränderung der Bodenwasserspeicherung. Abkürzungen: SWC = Bodenwassergehalt; PPT = Niederschlag; SWS = Bodenwasserspeicher; dSWS = Unterschiede in SWS im Zeitverlauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 9 zeigt eine einfachere Zeitreihe von in situ SWC in fünf Tiefen mit fünf Benetzungsereignissen, die zu einer sequentiellen Ausbreitung der Benetzungsfront nach unten im Bodenprofil führen. Dieser SCAN-Standort (2189) befand sich in der Nähe von San Luis Obispo, Kalifornien, in einem mediterranen Klima mit einem feuchten Frühling und einem langen, trockenen Sommer auf einem sandigen Lehmboden mit einem φ von 0,37 bis 0,51 [-] (Tabelle 3). Die Reaktion auf die Benetzung der Bodenoberfläche war schnell und nahm mit der Tiefe ab. Das letzte große PPT-Ereignis über 5 Tage reichte aus, um in den Tiefen von 50 und 100 cm eine Reaktion zu zeigen. Mit zunehmender Tiefe nahm der Tageszyklus der Bodentemperaturamplitude ab, und die Zeit der Maxima- und Minimatemperaturen blieb weiter hinter der Lufttemperatur und den geringeren Tiefen zurück (Abbildung 9A). Während diese Eigenschaften nützlich sein können, um zwischen Sensortiefen zu unterscheiden, wie im nächsten Abschnitt erörtert, gab es auch einen bemerkenswerten Effekt auf die Fluktuation von SWC in 5 und 10 cm Tiefe. Die SWC-Amplitude betrug ~0,02 m 3/m 3 bei 5 cm, ~0,01 m 3/m ³ bei 10 cm und vernachlässigbarer in den tieferen Sensoren. Es war auch in Phase mit den Bodentemperaturen, und Rauschen wurde im Sensor eher durch Temperaturschwankungen induziert und war wahrscheinlich nicht das Ergebnis einer physikalischen Bewegung der Bodenfeuchtigkeit oder tatsächlicher Niederschläge. Dieser trockenere Standort (2189) weist viel größere tägliche Änderungen der Bodentemperatur auf als der eher mesische Feldinstallationsstandort (2049), der in den SWC-Daten kein Temperaturrauschen zeigt (Abbildung 7B).

Abbildung 9: Beispielergebnisse eines semiariden, mediterranen Standorts (SCAN 2189) in der Nähe von San Luis Obispo, Kalifornien . (A) stündliche Luft- und Bodentemperatur, (B) stündliche SWC und (C) täglicher Niederschlag und Veränderung der Bodenwasserspeicherung. Abkürzungen: SWC = Bodenwassergehalt; PPT = Niederschlag; SWS = Bodenwasserspeicher; dSWS = Unterschiede in SWS im Zeitverlauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 10 zeigt eine der anspruchsvolleren SWC-Dateninterpretationen, die es bei gefrorenem Boden und Schneedecke gibt. Dieser Standort (808) befand sich in der Nähe von Boseman, MT, auf 4.474 Fuß über dem Meeresspiegel. Die täglichen Lufttemperaturen überstiegen im Winter (Dezember, Januar und Februar) 2020 gelegentlich den Gefrierpunkt. Die Bodentemperaturen blieben bis März knapp über 0 °C. Das Vorhandensein von Schnee auf der Oberfläche würde den Boden vor Schwankungen der Lufttemperatur isolieren. Darüber hinaus pufferten in feuchten Böden die Freisetzung latenter Wärme und der Energieverbrauch, begleitet von Phasenübergangsprozessen im Zusammenhang mit Frost-Tau-Zyklen, die Bodentemperaturen und hielten sie sehr nahe bei 0 °C, bis diese Phasenwechsel abgeschlossen waren. Die geringe ε von Eis in gefrierenden Böden zeigt sich als dramatische Abnahme der SWC, gefolgt von einem Anstieg während des Auftauens ohne Hinweis auf PPT. Dies zeigte sich am deutlichsten Mitte Dezember und Mitte März, als die Lufttemperaturen rapide sanken und SWC bei 5 und 10 cm für 3 Tage abnahm und sich dann wieder erholte. Die Bodentemperatur erreichte mit 100 cm Mitte November den Gefrierpunkt und lag im vorangegangenen Herbst, den ganzen Winter über, auf einem niedrigen SWC und änderte sich während des Frühlingstauwetters nicht, was darauf hindeutet, dass es sich um eine Fehlfunktion gehandelt haben könnte. Die schnellen Tropfen und die Erholung in den anderen Sensoren können jedoch echte Veränderungen des flüssigen Bodenwassers sein oder auch nicht. Die Interpretation solcher Daten kann ohne zusätzliche Messungen des Schneevorhandenseins oder der Schneehöhe äußerst schwierig sein. Oft werden SWC-Daten bei oder unter dem Gefrierpunkt in der Qualitätskontrolle zensiert. Weitere Diskussionen zu Bodentemperaturen nahe dem Gefrierpunkt finden Sie im Abschnitt Qualitätskontrolle von Datensätzen.

Abbildung 10: Beispielergebnisse eines semiariden, alpinen Standorts (SCAN 808) in der Nähe von Three Forks, Montana . (A) stündliche Luft- und Bodentemperatur, (B) stündliche SWC und (C) täglicher Niederschlag und Veränderung der Bodenwasserspeicherung. Abkürzungen: SWC = Bodenwassergehalt; PPT = Niederschlag; SWS = Bodenwasserspeicher; dSWS = Unterschiede in SWS im Zeitverlauf. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Andere Beispiele und Charakterisierungsdaten wurden aus der SCAN-Datenbank abgerufen (siehe Tabelle 3 für Uniform Resource Locator, [URL]). Die Berichterstattung und Qualitätskontrolle dieser Daten erfordert eine gewisse Interpretation, um festzustellen, ob es einen physikalischen Mechanismus gibt, der ein unberechenbares Verhalten erklärt. Unsere Interpretation verfügt nicht über lokale Standortkenntnisse, und trotz jahrelanger Auswertung von SWC-Zeitreihen kann es immer noch schwierig sein, einen guten Sensor oder eine gute Installation von einem defekten oder schlechten zu unterscheiden.

Abbildung 11 zeigt gängige Beispiele für Problemdatensätze, die zwischen 2020 und 2021 nach dem Zufallsprinzip aus 40 SCAN-Stationen ausgewählt wurden. Zu den häufigsten Fehlern gehören Spitzen (Abbildung 11A) und Schrittänderungen entweder nach oben (Abbildung 11B) oder nach unten (Abbildung 11C), wie vom International Soil Moisture Network³² angegeben. Für jeden dieser Fälle gibt es kein gleichzeitiges PPT-Ereignis, um solche Änderungen zu erklären, und sie können als fehlerhaft angesehen werden. Das Problem mit sofortigen Spitzen oder Einbrüchen wird noch verschärft, wenn man nur die täglichen Mittelwerte betrachtet, die solche Ereignisse verbergen können. Es ist am besten, sie zu entfernen, bevor Sie eine Mittelwertberechnung durchführen. Der Beginn und das Ende eines Schrittwechsels mögen offensichtlich sein, aber es ist schwierig, Daten dazwischen zu füllen. Wir nähern uns in diesem Protokoll nicht dem Ausfüllen von Daten, sondern kennzeichnen nur fehlerhafte Daten. Unberechenbares Verhalten (Abbildung 11D) stellt sich als wilde Fluktuation ohne Reaktion auf PPT-Ereignisse dar. In einigen Fällen können Spitzen nach Verdrahtungsprüfungen und dem Austausch von Multiplexern verschwinden, wie in Abbildung 11A nach August 2020 gezeigt. In den meisten Fällen ist unberechenbares Verhalten der Auftakt zu einem fehlerhaften Sensor, wie in Abbildung 11E dargestellt. Der Sensor in 10 cm Tiefe gab eine vernünftige Warnung vor unberechenbarem Verhalten im Januar und Ausfall Ende März. Der Sensor in 5 cm Tiefe fiel jedoch am 1. März 2021 ohne Vorwarnung aus.

Abbildung 11: Beispiele für Problemdatensätze. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, mit periodischen Einbrüchen bei 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, mit einer positiven Schrittänderung in 50 cm Tiefe, (C) SCAN 808, Tafelberg, Montana, mit einer Abwärtsschrittänderung, Spitzen und sogar Erholung in 50 cm Tiefe, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, zeigt keine Reaktion auf Niederschlagsereignisse am 5- oder 10-cm-Sensor, mit einer gewissen Erholung des 10-cm-Sensors, gefolgt von einem eminenten Ausfall beider, und (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, mit einem Glitching-Sensor in 20 cm Tiefe und einem katastrophalen Ausfall sowohl in der 5- als auch in der 20-cm-Tiefe. Die Sensortiefen werden mit 5 cm (schwarz), 10 cm (blau), 20 cm (orange), 50 cm (dunkelgrau) und 100 cm (gelb) angegeben. Abkürzungen: SWC = Bodenwassergehalt; PPT = Niederschlag. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Bei SCAN 2084 begann der Standort am 06.02.2004 mit der Datenaufzeichnung und hatte mehrere Hinweise auf unberechenbares Verhalten im Zusammenhang mit SDI-12-Multiplexern, die mehrmals ausgetauscht wurden (Ergänzungstabelle S2). Die Sensoren sind jedoch original und nach 18 Jahren immer noch funktionsfähig. Auf der SCAN 2015 begann die Datenerhebung am 25.10.1993 und der 50-cm-Sensor in Abbildung 11B wurde 2017 als verdächtig eingestuft (Ergänzungstabelle S2). Der älteste Standort, SCAN 808, begann am 30.9.1986 mit der Berichterstattung und wurde am 25.10.2006 in eine SCAN-Station umgewandelt; Bisher wurden keine Sensoren ausgetauscht. Anomalien, wie in Abbildung 11E dargestellt, führen nicht immer zu Fehlern, da Abbildung 10 angemessene Daten enthält. SCAN 2006 begann am 1.10.1993 mit der Berichterstattung; Die ursprünglichen 5- und 10-cm-Sensoren in Abbildung 11D wurden am 24.01.2022 ersetzt. SCAN 2027 begann am 19.05.1999 mit der Berichterstattung; Die ursprünglichen 5- und 10-cm-Sensoren in Abbildung 11E wurden am 13.08.2021 ersetzt. Wie bereits erwähnt, begannen SCAN-Standorte mit einem analogen Kapazitätssensor. Viele dieser Sensoren haben über 20 Jahre gehalten und sind zwar nicht unbedingt durchgehend Daten von höchster Qualität liefern, aber funktionsfähig geblieben. Die Bestimmung des Zeitpunkts, an dem ein Sensor ausgetauscht werden soll, bleibt für Praktiker eine offene Frage. Standortmetadaten und Bodeneigenschaften für Standorte in Abbildung 11 sind in der ergänzenden Tabelle S3 zu finden.

Berichterstellung zu Daten
Kontinuierliche In-situ-SWC-Sensoren melden drei bis sechs Werte pro Zeiterfassungsintervall. Der langfristige Einsatz von SWC-Sensoren erzeugt neben etwaigen Zusatzmessungen große Mengen an Einheitswertdaten, die gespeichert und ausgeliefert werden müssen. Umweltmessungen werden in diskreten Probenahmeintervallen durchgeführt, die über die Zeit aggregiert und als Datensatz gemeldet werden. Die Abtastfrequenz der atmosphärischen Messung variiert je nach Messung. Sie ist größer für Wind- und Sonneneinstrahlungsmessungen (<10 s) und größer für Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit (60 s)³⁰. Diese Stichprobenwerte werden über ein Berichtsintervall von 5 min bis 1 h gemittelt oder akkumuliert. In ähnlicher Weise kann SWC sofort im Berichtsintervall abgetastet oder abgetastet werden (z. B. alle 5 Minuten) und in 30-Minuten- oder 60-Minuten-Mittelwerte gemittelt werden, da die Dynamik von SWC im Vergleich relativ langsamer ist. Obwohl die Mittelwertbildung aus häufigeren Abtastungen das Rauschen durch Temperaturschwankungen, elektrische Interferenzen und inhärente Sensorvariabilität reduzieren kann, ist dies nicht ratsam, da Datenspitzen, wie bereits erwähnt, den Mittelwert verzerren können. Die meisten SWC-Datensätze können mit einer stündlichen Erfassung zufrieden sein, aber für Regionen mit Entwässerungsbedingungen mit höherer Geschwindigkeit (sandiger Boden) und intensiver PPT (Monsunbedingungen) zeichnen einige Netzwerke in einem Zeitintervall von 20 Minuten auf, um Niederschlagsereignisse vollständig zu erfassen. Schließlich kann die Datenübertragung oder Telemetrie durch die Technologie (z. B. Satellitensysteme) begrenzt sein oder Kostenstufen haben, die auf der Datengröße und -frequenz basieren. Die Optimierung von Berichtsintervallen und telemetrischen Variablen kann zur Kostenkontrolle beitragen. Beispielsweise wird die Übertragung von Rohwerten (z. B. ε oder Anzahl) abgeleiteten Werten (z. B. SWC) vorgezogen, die in der Nachbearbeitung berechnet werden können. Die Datenauflösung kann sich auch auf die Größe des Telemetriepakets auswirken. Es ist jedoch wichtig, SWC entweder als Prozentsatz (0,0-100,0%) bei einer Auflösung von 0,1% oder als Dezimalzahl (0,00-1,00) bei einer Auflösung von 0,001 m 3 ^m-3 darzustellen. Die Dezimalversion in m 3 ^m-3 wird sehr bevorzugt, um Verwechslungen mit prozentualen Änderungen des Wassergehalts in späteren Analysen und Berichten zu vermeiden und um Verwechslungen mit dem Wassergehalt auf Massenbasis (g/g) zu vermeiden, der auch als prozentualer Wassergehalt angegeben werden kann. Bodentemperatur, ε und BEC werden üblicherweise mit einer Auflösung von 0,1 °C, 0,1 [-] bzw. 0,1 dS ^m-1 angegeben.

Qualitätskontrolle des Datensatzes
Die Datensatzqualitätskontrolle prüft die Daten und dokumentiert deren Qualität. Genaue Feldnotizen und Kalibrierprotokolle sind für die Verarbeitung des Datensatzes unerlässlich. Die typischen Schritte bei der Verarbeitung eines Datensatzes sind eine erste Auswertung, das Entfernen offensichtlich fehlerhafter Daten, das Anwenden von abgeleiteten Berechnungen oder Korrekturen sowie eine abschließende Datenauswertung. SWC-Datensätze bestehen im Allgemeinen aus einem Signal (z. B. ε, Counts oder mV), Bodentemperatur und BEC, die in unterschiedlichem Maße zur Ableitung des SWC verwendet werden. Sensoren können auch eine vom Hersteller abgeleitete SWC ausgeben. Es gibt jedoch keinen Sensor, der SWC direkt misst. Diese Berechnung kann Teil des Datenberechnungsschritts sein, vorausgesetzt, dass eine geeignete Kalibriergleichung verfügbar ist und Teil des Metadatensatzes ist. Ein Datensatz kann eine momentane Messung oder ein Durchschnitt über einen bestimmten Zeitraum sein. Es ist wünschenswert, dass die Rohdaten beibehalten werden, damit die am besten geeigneten Formate für die Qualitätskontrolle berechnet werden können und Verbesserungen der Kalibriergleichungen oder des Sensorverständnisses auf die Rohdaten angewendet werden können. Die Sensoreigenschaften sollten bestimmen, ob Momentanwerte oder Mittelwerte mehrerer Messwerte aufgezeichnet werden, obwohl Momentanwerte aus den zuvor genannten Gründen bevorzugt werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Zusatzdaten (siehe Datenüberprüfung unten) in einen Qualitätskontroll-Workflow zu integrieren. Niederschlag ist die erste Überprüfung - "Hat SWC nach einem Regenereignis zugenommen?" Es gibt Situationen, in denen SWC ohne PPT ansteigen kann (z. B. Schneeschmelze, Grundwasserabfluss, Bewässerung). Die zweite Prüfung besteht darin, die Veränderung der Bodenwasserspeicherung mit der Gesamtmenge an PPT für ein bestimmtes Ereignis zu vergleichen (Abbildung 7C). Idealerweise sollte es sich bei diesem Ereignis um ein isoliertes Niederschlagsereignis mit geringer Intensität handeln. Niederschlag dringt von der Oberfläche in den Boden ein und versickert nach unten. Der Peak in SWC sollte einem ähnlichen Muster nach unten folgen (Abbildung 7B). Eine bevorzugte Strömung kann jedoch dazu führen, dass eindringendes Wasser einen flachen Sensor umgeht oder eine schnelle Reaktion auf tiefere Sensoren verursacht. Während dies "echte" Reaktionen sein können, kann eine schlechte Verdichtung des Installationsgrabens oder um einen einzelnen Sensor herum dazu führen, dass Wasser bevorzugt in Richtung eines Sensors geleitet wird. Die Verzerrung bei der Benetzung der Frontankunft sollte mit Vorsicht und gesundem Menschenverstand verwendet werden, wenn ungewöhnliche Reaktionen auf Regenfälle oder Schneeschmelzereignisse interpretiert werden. Wie in Tabelle 3 dargestellt, bestimmt BD die Obergrenze des Bodenporenraums φ [-] in mineralischen Böden. Wassergehalte, die routinemäßig größer als φ sind, deuten entweder auf einen fehlerhaften Sensor oder eine unsachgemäße Sensorkalibrierung hin. Im ersten Fall können Daten aus dem Datensatz gelöscht werden. Im letzteren Fall kann eine Rekalibrierung dazu führen, dass der Datensatz beibehalten wird, wobei die Werte entsprechend der Rekalibrierung geändert werden.

Die Bodentemperatur ist eine weitere Variable, die bei der Qualitätskontrolle von Daten hilft. Die Bodentemperatur breitet sich in der Bodensäule nach unten aus und schwächt sich mit der Tiefe ab (Abbildung 7A). Die Temperatur sollte mit zunehmender Sensortiefe früher und höher in der Nähe der Oberfläche mit zunehmender Verzögerungszeit von der Oberflächenspitze ihren Höhepunkt erreichen. Fehlerhafte Sensorverzögerungen können ein Hinweis auf eine falsch identifizierte Tiefe oder eine falsche SDI-12-Adresse sein. Wie in Abbildung 10 gezeigt und darin erörtert, hängen elektromagnetische Sensoren von Änderungen der ε ab, die von ~3 für Eis bis ~80 für Wasser reichen. Veränderungen zwischen Wasser und Eis werden von SWC-Sensoren erfasst. Es kann jedoch erforderlich sein, die Kennzeichnungsschwelle zu erhöhen, da sich das Erfassungsvolumen des Sensors vom Erfassungsvolumen des Bodentemperaturthermistors unterscheidet und der Schwellenwert bis zu 4 °C betragen kann. Da der Gefriergrad und die relative Menge an flüssigem Wasser für die Beurteilung der Bodenhydrologie wichtig sein können, sollten diese Daten als durch Gefrieren beeinflusst gekennzeichnet und nicht unbedingt entfernt werden. Auf der grundlegendsten Ebene sollte die Qualitätskontrolle jede unberechenbare Sensorreaktion auf einen physikalischen Mechanismus rationalisieren, sonst handelt es sich um einen Fehler. Obwohl automatisierte Qualitätskontrollroutinen eine Voraussetzung für große Netzwerke und unterschiedliche Datenquellen^{sind 13,33,34,35,} gibt es keinen Ersatz für Eyes-on-Data, um die langfristige Datenqualität aufrechtzuerhalten.

Verifizierung der Daten
Einer der schwierigsten Aspekte von SWC-Daten ist die Verifizierung: "Liefert der Sensor gute und genaue Daten?" Die meisten Umgebungssensoren sind nach dem Einsatz zugänglich und können nach einiger Zeit durch einen neuen Sensor ersetzt, an den Hersteller oder das Labor zurückgeschickt werden, um sie gegen Standards neu zu kalibrieren und/oder die Daten anhand einer vor Ort entnommenen Probe überprüfen zu lassen. Meteorologische Organisationen befolgen strenge Verfahren für atmosphärische Sensoren, einschließlich Sensorrotationen, Sensorwartung und Kalibrierungen vor Ort, die eine vorbeugende Wartung als ersten Durchgang der Datenüberprüfung ermöglichen^10,30. SWC-Sensoren sind in situ vergraben und können nicht ohne erhebliche Standortstörungen und potenzielle Schäden am Sensor geprüft oder neu kalibriert werden. Darüber hinaus gibt es keine anerkannten Standards für SWC-Sensoren, und daher erfordert die Datenüberprüfung ein gewisses Wissen über die erwartete Reaktion des Sensors und ein gewisses Vertrauen in den Sensor selbst. Beide erfordern praktische Erfahrung und Best Practices, die vor Ort befolgt werden (z. B. Wartung und Inspektionen vor Ort). Wenn ungewöhnliche Leistungsprobleme, wie in Abbildung 11 dargestellt, chronisch werden, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Sensor ausfällt, und er sollte ersetzt werden.

Elektromagnetische Sensoren haben keine beweglichen Teile, und der Draht und die Schaltkreise sind in der Regel robust. Nach 3 Jahren meldete das Texas Soil Observation Network eine Ausfallrate von 2 % für Übertragungsleitungsoszillatorsensoren²¹. Nach mehr als 10 Dienstjahren meldete das U.S. Climate Response Network von 2014 bis 2017 einen deutlichen Anstieg der Ausfallrate von Impedanzsensoren mit 15-18 Sonden pro 100³⁶. Wie in Abbildung 11 dargestellt, waren die meisten SCAN-Sensoren vor dem Ausfall über 20 Jahre alt. Der Austausch eines Sensors vor dem Ausfall wird bevorzugt, damit der Sensor in Luft, Wasser und Sand neu bewertet werden kann, um die Drift anhand von Werten vor dem Einsatz zu überprüfen, wenn diese aufgezeichnet wurden (z. B. Schritt 1). Ein routinemäßiger Austausch ist bei SWC-Sensoren etwas unpraktisch und wird in großen Netzwerken selten durchgeführt, und uns sind keine langfristigen Bewertungen der Veränderung elektromagnetischer SWC-Sensoren im Laufe der Zeit bekannt. Das USCRN-Netzwerk migriert derzeit nach über 10 Jahren mit Kapazitätssensoren auf eine neue Sensortechnologie. Es ist geplant, eine Mindestüberlappung von 2 Jahren zwischen alten und neuen Sensoren zu haben, um Anpassungen vorzunehmen.

Regelmäßige Wartungsbesuche sollten die Überprüfung der SWC-Daten beinhalten, idealerweise bei einer Reihe von Feuchtigkeitsbedingungen. Dies kann indirekt mit einem tragbaren Sensor erreicht werden, der idealerweise auf einige Bodenproben oder direkt auf volumetrische Bodenkerne kalibriert ist, die vor Ort entnommen werden. Der beste Ansatz besteht darin, die In-situ-Sensormesswerte mit SWC von volumetrischen Bodenproben in äquivalenten Tiefen³⁷ zu vergleichen (Abbildung 12). Die planmäßige Wartung sollte versuchen, eine Reihe von Bodenfeuchtebedingungen abzudecken, so dass eine einfache Regression zwischen direkten/indirekten SWC-Messungen und übereinstimmenden Sensormesswerten verglichen werden kann. Tiefere Bodenproben können in Schneckenlöchern oder mit mechanischen Kernbohrvorrichtungen durchgeführt werden. Die Überprüfung der Oberflächensensoren (z. B. 5 und 10 cm) kann ausreichend sein, da die tieferen Sensoren, wie bereits erwähnt, einer ähnlichen charakteristischen Reaktion auf PPT folgen sollten. Es gibt mehrere Einschränkungen dieser Post-hoc-SWC-Bewertung. Der Hauptnachteil besteht darin, dass die volumetrischen Proben nicht direkt an den Sensoren entnommen werden können (und sollten) und möglicherweise nicht wirklich repräsentativ für die SWC innerhalb des Erfassungsvolumens um die Zinken (innerhalb von 3 cm) sind. Dies führt zum zweiten Nachteil; Möglicherweise sind viele weitere Probenahmeorte und -tiefen erforderlich, um einen repräsentativen SWC-Wert für das Feld zu erhalten. Dies kann auch zu vielen Löchern und Störungen rund um die Baustelle führen. Ein dritter Nachteil ist die Schwierigkeit, volumetrische Bodenproben in der Tiefe zu erhalten, ohne dass das Bodenprofil gestört wird.

Abbildung 12: Volumetrische SWC-Daten. SWC-Daten von 60 cm³ Bodenkernen, die als Feldkalibrierungsdaten im Vergleich zu SWC von In-situ-Sensoren in Tiefen von 15, 30, 45 und 60 cm in Texturen von lehmigen, feinen Sanden bis hin zu Ton entnommen wurden. Diese Abbildung wurde von Evett et ^al.37 übernommen. Abkürzung: SWC = Bodenwassergehalt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Das NRCS entwickelte ein Verfahren zur Bodenprobenahme in Schneckenlöchern unter Verwendung eines volumetrischen Probenahmerohrs (einer Sonde im Madera-Stil) an einer Verlängerungsstange für Proben am Boden eines Schneckenlochs³⁸. Diese direkten Messungen können auch mit indirekten Messungen von tragbaren Sensoren^37,39,40 kombiniert werden, um eine kalibrierte Bewertung der räumlichen Repräsentativität der In-situ-Sensoren ^13,41 zu ermöglichen. Wie in Protokollschritt 10.10 beschrieben, kann dieser Prozess wiederholt werden, um eine Metrik (z. B. quadratischer Mittelwertfehler, Bias, Korrelation) zu ermöglichen, um eine kürzliche Abweichung der In-situ-Sensoren von der direkten Stichprobe oder den indirekten Schätzungen von SWC zu bestimmen. Weitere Details werden auch von der Internationalen Atomenergiebehörde IAEO⁷ vorgestellt. Die in den Schritten 3 und 5 dargestellten Bodenaushub- und Charakterisierungsdaten liefern auch Daten zur φ (SWC sollte diesen Wert nicht überschreiten). Bodentextur und Horizontisierung veranschaulichen Zonen mit hoher/niedriger Leitfähigkeit und Bodenwasserspeicherung. Diese Schritte stehen im Einklang mit dem Protokoll zur Probenahme von Waldböden²⁵. Die gewünschte Skala der Repräsentativität kann verwendet werden, um den Validierungsdatensatz zu sammeln, und danach kann die Station auf den validierten Footprint⁴² skaliert werden. Wenn ein Stationssensortyp ausgetauscht wird, wäre es sinnvoll, einen weiteren Satz von Validierungsdaten für eine Vielzahl von Bodenwasserbedingungen zu sammeln, um die Installationsverzerrung erneut zu erfassen.

Ergänzende Datensätze können bei der Verifizierung und Bewertung von SWC-Daten helfen. Es liegt auf der Hand, dass eine hydrologische Zeitreihe mit einem PPT-Messgerät vor Ort dramatisch verbessert wird, um den Zeitpunkt, die Dauer und das Ausmaß von Ereignissen zu überprüfen. Bodenmatrixpotentialsensoren liefern den Energiestatus des Bodenwassers, der für die Quantifizierung des verfügbaren Pflanzenwassers entscheidend ist. Meteorologische Sensoren, einschließlich Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und Sonneneinstrahlung, ermöglichen die direkte Berechnung der Referenz-Evapotranspiration (ET), die ein nützlicher Leitfaden für die relative Wasseraufnahme von Pflanzen und damit für die Trocknungsrate des Bodens ist⁴³. Mehrere kostengünstige All-in-One-Wettersensoren sind mit SDI-12-Ausgang erhältlich. Die Grundwasserstandsinformation eines Druckaufnehmers ist eine weitere wertvolle Messung, wenn sich der Grundwasserspiegel in der Nähe der Oberfläche befindet und ein Überwachungsbrunnen installiert werden kann. Schließlich kann eine Feldkamera sowohl einen wissenschaftlichen Wert als auch einen Wert für die Standortsicherheit bieten. Digitale Bilder können das Vegetationswachstum und die Grünheit⁴⁴ aufzeichnen, und der allgemeine Zustand der Station kann ohne Feldbesuch beurteilt werden.

Ergänzende Tabelle S1: Gängige (aber nicht umfassende) In-situ-SWC-Sensortechnologien. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle S2: Sensorverlaufsprotokolle, die aus der NRCS-Online-Datenbank für alle in diesem Protokoll dargestellten Standorte extrahiert wurden. Daten, die über jede URL verfügbar sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Tabelle S3: Standortdaten und Bodencharakterisierung für Datenbeispiele, die in Abbildung 11 dargestellt sind. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Discussion

Der Feuchtigkeitszustand des Bodens ist das Ergebnis vieler verschiedener Umweltfaktoren, einschließlich Niederschlag, Vegetation, Sonneneinstrahlung und relativer Luftfeuchtigkeit sowie der hydraulischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens. Diese interagieren über Raum und Zeit auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Um die Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreisläufe zu modellieren und vorherzusagen, ist es notwendig, den SWC-Zustand zu verstehen. Eine der gebräuchlichsten Arten automatisierter Messtechnologien ist ein elektromagnetischer SWC-Sensor mit Zinken, der in situ in ungestörten Boden eingeführt werden soll. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um eine Anleitung für den Prozess der Installation dieser gängigen Arten von buriablen Sensoren zu geben. Genauigkeit, Leistung und Kosten sind in der Regel proportional zur Betriebsfrequenz der Sensoren. Sensoren mit niedrigerer Frequenz kosten weniger, werden aber stärker durch Boden- und Umweltfaktoren beeinträchtigt⁴⁵. Die boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Genauigkeit von Sensoren mit niedrigerer Frequenz verbessern. Die Messmethode beeinflusst auch die Sensorleistung aufgrund der zugrunde liegenden Physik des elektromagnetischen Feldes (EMF).

Zwei wichtige elektromagnetische physikalische Gesetze regeln die elektromagnetische Sensorik. Eines davon ist das Gaußsche Gesetz, das beschreibt, wie die Ausbreitung der EMK des Sensors sowohl von der ε als auch von der BEC des Mediums abhängt. Die Permittivität nimmt jedoch mit SWC zu, aber auch das BEC. Daher werden Sensoren, die vom Gaußschen Gesetz abhängig sind, von SWC, BEC und dem Temperatureinfluss auf BEC sowie von Störungen durch den Salzgehalt beeinflusst. Kapazitätssensorverfahren gehorchen dem Gaußschen Gesetz und sind daher anfälliger für diese Effekte⁴⁶. Zusätzlich beschreibt das Gaußsche Gesetz die Abhängigkeit der Kapazität von einem geometrischen Faktor, der sich mit der Form der EMK im Boden ändert. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die EMF-Form mit der Bodenstruktur und der kleinräumigen räumlichen Variabilität des Wassergehalts um die Sensorzinken ändert. Die kleinräumige räumliche Variabilität des Wassergehalts und der Bodenstruktur ist in den meisten Böden groß, was zu geometrischen Faktoränderungen und daraus resultierenden Kapazitätsänderungen führt, die wenig mit Änderungen des mittleren Bodenwassergehalts zu tun haben. Diese Faktoren verringern die Genauigkeit des Kapazitätssensors und erhöhen die Datenvariabilität^46,47,48. Die Impedanz- und Übertragungsleitungsschwingungsmethoden hängen ebenfalls vom Gaußschen Gesetz ab, während die Methoden der Zeitbereichsreflektometrie und der Zeitbereichstransmissometrie von den Maxwell-Gleichungen abhängen, die keinen geometrischen Faktor enthalten und nicht von BEC abhängig sind. Obwohl kein Sensor problemlos ist, sind die Zeitbereichsmethoden tendenziell deutlich genauer und weniger verzerrt als kapazitäts- oder impedanzbasierte Methoden.

Es gibt mehrere kritische Schritte in der Prozedur. Für ein Netzwerk mit geringer Dichte sind die richtige Standortauswahl und Sensorposition erforderlich, um die am besten geeignete räumliche Darstellung von SWC zu erhalten. Die Standortwahl kann stärker von externen Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. dem Landzugang oder anderen Anforderungen an die atmosphärische Überwachung, bei denen die Bodenfeuchtigkeit die Zusatzmessung ist. Mesoskalige meteorologische Standorte befinden sich auf breiten und offenen, gut gepflegten Grasflächen, um mikroskalige Einflüsse zu minimieren. Solche Standorte sind möglicherweise weniger ideal für die SWC-Überwachung. Gegebenenfalls sollten drahtlose Sensortechnologien in Betracht gezogen werden 49,50,51,52,53^, um eine SWC-Überwachung außerhalb der bestehenden Umweltüberwachungsstation und in repräsentativem Boden zu ermöglichen. Die Arbeit rund um aktive landwirtschaftliche Betriebe und Bewässerungsgeräte ist eine Herausforderung. Die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und USDA-ARS) bleiben am Rande von Feldern, um Bodenbearbeitungsaktivitäten wie Pflüge oder Erntemaschinen zu vermeiden, die die Kabel durchtrennen und Sensoren freilegen können. Jeder In-situ-Sensor und jedes Kabel muss ausreichend vergraben sein und ein Oberflächenprofil aufweisen, das niedrig genug ist, um Rückschlüsse auf den Betrieb auf dem Bauernhof zu vermeiden. Drahtlose Systeme⁵³ und abnehmbare Bohrlochsensoren⁴⁷ können geeigneter sein. Der Grundwasserschutz durch großflächige, auf Bodenfeuchte basierende Bewässerung⁵⁴ ist ein wachsendes Feld für SWC-Sensoren; Dieses Protokoll bezieht sich auf räumlich repräsentative Langzeit-SWC-Daten in ungestörten Böden.

Einige Böden sind schwieriger zu messen als andere. In felsigen, kiesigen oder sehr trockenen Böden kann es unmöglich sein, die Zinken ohne Beschädigung einzusetzen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Bodengrube auszuheben und die Sensoren während der Verfüllung an Ort und Stelle zu legen, um zu versuchen, auf die ursprüngliche BD zu verdichten. Felsige Böden haben in der Regel wenig Struktur, die wahrscheinlich nach mehreren Benetzungs- und Trocknungszyklen heilen wird. Eine solche Störung ist jedoch möglicherweise nie wirklich repräsentativ für die Bodenhydrologie des Standorts. Wenn Sensoren im Boden von Schneckenlöchern installiert sind, kann der entfernte Boden alternativ gesiebt werden, um Steine zu entfernen, und gerade tief genug in das Loch gepackt werden, um die Sensorzinken aufzunehmen. Der Sensor kann dann vertikal installiert und das Schneckenloch mit dem verbleibenden nicht gesiebten Boden wieder aufgefüllt werden, wobei häufig verdichtet wird, wenn Erde hinzugefügt wird.

Wurzeln im Waldboden stellen ähnliche Herausforderungen dar wie das Einführen von Sonden, jedoch können Wurzeln in einigen Situationen geschnitten werden. Waldböden haben oft organische (O) Horizonte auf dem Mineralboden, die eine sehr niedrige BD und eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen können, wobei große Mengen an gebundenem Wasser zu sehr nichtlinearen Sensorreaktionen bei höheren SWCs⁵⁵ führen. Darüber hinaus legt der Praktiker das Nulldatum entweder als Oberseite des O-Horizonts oder als Mineralbodennotiz in den Metadaten fest. Lehmreiche Böden und ausgedehnte Tone mit hohem Schrumpf-/Quellpotential können im nassen Zustand extrem leitfähig für elektromagnetische Signale sein und im trockenen Zustand reißen. Solche Böden benötigen möglicherweise zusätzliche Korrekturen, um aus den Rohmessungen einen vernünftigen SWC^{zu erhalten 56,57}. In flachen Böden kann Grundgestein oder ein restriktiver Bodenhorizont (z. B. Caliche oder Hardpan) angetroffen werden, bevor die ideale maximale Tiefe erreicht wird. Es kann notwendig sein, den Standort zu wechseln oder die tieferen Sensoren einfach nicht zu installieren. Übermäßig trockene oder nasse Böden können eine Herausforderung darstellen, und es ist auch vorzuziehen, Installationstermine außerhalb der saisonalen Extreme zu wählen. Trockener Boden kann sehr stark sein, und es kann sich als unmöglich erweisen, einen Sensor ohne Beschädigung einzusetzen. Bei Bedarf können vorgelagerte Löcher mit Wasser gefüllt werden, um die Grubenfläche aufzuweichen, obwohl es einige Zeit dauern kann, bis die Böden wieder in einen natürlichen Zustand zurückkehren. Nasse Böden können zu schwach sein, um Grubengesichter zu stützen, oder der Graben kann sich mit Wasser füllen. Es ist auch einfacher, einen feuchten Boden zu verdichten.

Der Sensorausgang sollte die Permittivität enthalten, nicht nur SWC, damit später Korrekturen oder bodenspezifische Kalibrierungen vorgenommen werden können. Sensoren mit höherer Frequenz sind in Böden mit hohem BEC-Gehalt besser geeignet, während kürzere Zinken in kompakteren Böden möglicherweise einfacher zu installieren sind. Der vielleicht kritischste Schritt ist jedoch der Bodenkontakt; Ein schlechter Kontakt verschlechtert das Signal eines elektromagnetischen Sensors. Schließlich klingt die Verfüllung der Baugrube trivial, aber sie ist der Schlüssel, um den bevorzugten Fluss in den Bereich der Sensoren zu minimieren, die Kabel zu schützen und Tiere davon abzuhalten, den Bereich zu stören. Eine boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Sensorgenauigkeit verbessern, erfordert jedoch mehr Details, als in diesem Protokoll möglich ist. Feldböden, die auf unterschiedliche SWC-Werte eingestellt oder umgepackt werden, sind ideal, um die Linearität des Ansprechverhaltens zu überprüfen, und können als standortspezifische Kalibrierung für einige Sensortypen²¹ dienen. Dielektrische Flüssigkeiten können auch wirksame Medien sein, um das Ansprechverhalten des Sensors⁵⁸ zu überprüfen. Temperaturgesteuerte Wasserbäder können verwendet werden, um die Kalibrierung der Bodentemperatur zu verbessern⁵⁹. Dieses Protokoll ist der erste Schritt zur Festlegung einer Standardarbeitsanweisung für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren, da es weder eine bestehende Methode noch eine akzeptierte Methode zur Kalibrierung von SWC-Sensoren ^60,61 gibt.

Während die SWC-Überwachung im Mittelpunkt dieses Protokolls stand, hat die Methode Grenzen, und SWC allein kann kein vollständiges Bild des Bodenwasserzustands liefern. Viele Ökosystemprozesse werden auch durch das Wasserpotenzial des Bodens reguliert, das seltener in situ⁶² gemessen wird. Das Bodenwasserpotenzial, das kürzlich von S. Luo, N. Lu, C. Zhang und W. Likos ⁶³ überprüft wurde, ist der Energiezustand von Wasser; Solche Sensoren können weniger von den Bodeneigenschaften beeinflusst werden und eine Qualitätskontrolle für SWC-Sensoren⁶⁴ ermöglichen. Darüber hinaus umfasst das Bulk-Feld SWC Kies, Gesteine, Wurzeln und Hohlräume (z. B. bevorzugte Fließwege). In situ SWC-Sensoren werden in der Regel um Gesteine und Wurzeln herum neu positioniert, und das begrenzte Messvolumen, das sich auf die Zinken konzentriert, kann diskrete, aber wichtige Aspekte des Bulk-Feld-SWC übersehen.

Dieses Protokoll wird hoffentlich zu harmonisierteren und einheitlicheren SWC-Daten für eine Vielzahl von Anwendungen führen, darunter Dürreüberwachung, Wasserversorgungsprognose, Wassereinzugsgebietsmanagement, landwirtschaftliche Bewirtschaftung und Ernteplanung. Das Aufkommen von Fernerkundungsplattformen⁴ hat die Fähigkeit zur globalen Abschätzung von SWC erheblich verbessert, aber diese Produkte benötigen eine Bodenvalidierung, die immer noch nur von In-situ-Netzwerken angemessen erfasst wird⁶⁵. Computerfortschritte haben es ermöglicht, eine hochauflösende SWC-Modellierung⁶⁶ zu entwickeln, die einen hochauflösenden und subtäglichen SWC-Status erzeugt, aber diese Produkte benötigen auch In-situ-Schätzungen von SWC, um eine Grundlage für die Berechnung der Unsicherheit zu schaffen. Oft ist die erste Frage, die bei der Einführung eines neuen Produkts gestellt wird: "Was ist die Unsicherheit?" Für SWC-Produkte ist der primäre Vergleich für die Validierung In-situ-Netzwerkdaten ⁶⁷.

In jüngster Zeit gab es Netzwerkerweiterungen im Zusammenhang mit dem National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), einschließlich des Bodenfeuchteprojekts des U.S. Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin und des von der NOAA unterstützten Netzwerkaufbaus im Südosten der USA, die alle darauf abzielen, die Vorhersage und Überwachung von Wassergefahren zu verbessern und Entscheidungshilfen für das Ressourcenmanagement bereitzustellen. Die Sicherheit und Genauigkeit von SWC-Schätzungen für solche Anwendungen kann nur mit gründlichen Protokollen und Verfahren erreicht werden, um Vertrauen in die Datenintegrität zu schaffen. Das NCSMMN ist eine von der Bundesregierung geleitete, institutionenübergreifende Initiative, die darauf abzielt, Hilfe, Anleitung und Unterstützung zu bieten, indem sie eine Praxisgemeinschaft rund um die Messung, Interpretation und Anwendung der Bodenfeuchte aufbaut - ein "Netzwerk von Menschen", das Datenanbieter, Forscher und die Öffentlichkeit verbindet⁶⁸. Dieses Protokoll ist ein Produkt der NCSMMN-Bemühungen. Ein Workflow für die Datenqualitätskontrolle ist in Vorbereitung.

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