In situ Markfuktighetssensorer i ostörda jordar

Summary

Bestämningen av markvattenhalten är ett kritiskt uppdragskrav för många statliga och federala myndigheter. Detta protokoll syntetiserar insatser från flera myndigheter för att mäta markvattenhalten med hjälp av begravda in situ-sensorer .

Abstract

Markfuktighet påverkar direkt operativ hydrologi, livsmedelssäkerhet, ekosystemtjänster och klimatsystemet. Antagandet av markfuktighetsdata har dock varit långsamt på grund av inkonsekvent datainsamling, dålig standardisering och vanligtvis kort rekordtid. Markfuktighet, eller kvantitativt volymetrisk markvattenhalt (SWC), mäts med hjälp av nedgrävda, in situ-sensorer som härleder SWC från ett elektromagnetiskt svar. Denna signal kan variera avsevärt med lokala platsförhållanden som lerinnehåll och mineralogi, jordens salthalt eller bulkelektrisk ledningsförmåga och marktemperatur; Var och en av dessa kan ha olika effekter beroende på sensortekniken.

Dessutom kan dålig markkontakt och sensornedbrytning påverka kvaliteten på dessa avläsningar över tid. Till skillnad från mer traditionella miljösensorer finns det inga accepterade standarder, underhållsmetoder eller kvalitetskontroller för SWC-data. Som sådan är SWC en utmanande mätning för många miljöövervakningsnätverk att implementera. Här försöker vi etablera en gemenskapsbaserad standard för SWC-sensorer in situ så att framtida forskning och tillämpningar har konsekvent vägledning om platsval, sensorinstallation, datatolkning och långsiktigt underhåll av övervakningsstationer.

Videografin fokuserar på en konsensus mellan flera myndigheter om bästa praxis och rekommendationer för installation av SWC-sensorer på plats . I detta dokument presenteras en översikt över detta protokoll tillsammans med de olika steg som är nödvändiga för högkvalitativ och långsiktig insamling av SWC-data. Detta protokoll kommer att vara till nytta för forskare och ingenjörer som hoppas kunna distribuera en enda station eller ett helt nätverk.

Introduction

Markfuktighet erkändes nyligen som en väsentlig klimatvariabel i det globala observationsklimatsystemet¹. Markfuktighet, eller kvantitativt volymetrisk markvattenhalt (SWC), spelar en viktig roll för att partitionera flödet av inkommande strålning till latent och känslig värme mellan jordytan och atmosfären och partitionera nederbörd mellan avrinning och infiltration². Den spatiotemporala variationen av markfuktighet vid punkt-, fält- och avrinningsskalor komplicerar dock vår förmåga att mäta SWC i lämplig skala som behövs för att uppfylla forsknings- eller förvaltningsmål³. Nya metoder för att kvantifiera SWC, inklusive markbaserade nätverk av in situ-sensorer , proximala detektorer och fjärranalys, ger unika möjligheter att kartlägga variationen av SWC med en aldrig tidigare skådad upplösning⁴. In situ SWC-sensorer ger de mest tidsmässigt kontinuerliga och djupspecifika dataposterna, men är också föremål för små avkänningsvolymer och lokal variation som är inneboende i markegenskaper, topografi och vegetationstäckning⁵.

Dessutom saknas standarder eller allmänt accepterade metoder för installation, kalibrering, validering, underhåll och kvalitetskontroll av in situ SWC-sensorer. Markfuktighet är i sig en utmanande parameter att mäta och kan vara den svåraste variabeln att kvalitetssäkra⁶. Medan allmänna protokoll för insamling av SWC-data har tagits fram av Internationella atomenergiorganet⁷, Committee on Earth Observation Satellites⁸, federala myndighetsrapporter⁹ och American Association of State Climatologists¹⁰, finns det begränsad specifik vägledning om installation, underhåll, kvalitetskontroll och verifiering av SWC-data från begravda på plats Sonder. Detta har gjort antagandet av sådan teknik utmanande för operativa övervakningsnätverk, såsom statliga Mesonets, för att lägga till SWC-mätningar. På samma sätt är det också utmanande för operativa hydrologer, till exempel vid flodprognoscentra, att införliva dessa data i sitt arbetsflöde. Syftet med denna videografi och medföljande dokument är att ge sådan vägledning och dokumentera ett sammanhängande installationsprotokoll för nedgrävda SWC-sonder på plats .

Välja en plats för markfuktighetsövervakning på plats
Jordarna inom något intresseområde (AOI) bildas genom en unik och kopplad återkoppling över tiden mellan topografi, ekologi, geologi och klimat^11,12. SWC:s variation i olika landskap gör platsval till en kritisk aspekt för alla markfuktighetsstudier. För vissa forskningsmål kan en webbplats väljas för att representera en viss funktion eller mikrosite på landskapet eller ekosystemet. När det gäller övervakningsnät bör området vara rumsligt representativt för en större landskapskomponent. Målet är att hitta en plats som ger den bästa rumsliga representationen av AOI. På fältet måste mer pragmatiska överväganden nås, såsom kraven på annan meteorologisk instrumentering, tillgänglighet eller tillstånd. Den dominerande markkartenheten inom AOI är dock vanligtvis en bra rumslig representation av miljöförhållandena i ett större område¹³. Den dominerande markkartenheten kan bestämmas med hjälp av Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Denna jordkartenhet bör också verifieras med en grund grop eller ett testhål.

En typisk övervakningsstation kan uppta 5-50 m², beroende på sensorbehov och antal tillhörande mätningar. Figur 1 visar en typisk övervakningsstation med ett 3 m torn som rymmer en anemometer för vindhastighet och riktning, en lufttemperatur- och relativfuktighetssensor, en pyranometer för solstrålning och en National Electrical Manufacturers Association (NEMA) väderbeständig och vattentät kapsling (NEMA-betyg 4). NEMA-höljet rymmer datakontrollplattformen (DCP), mobilmodem, solpanelladdningsregulator, batteri och annan relaterad hårdvara (se materialförteckning; Systemkomponenter). Tornet ger också en plattform för kommunikationsantenn, solpanel och blixtstång. En flytande nederbörd (PPT) gage ingår också vanligtvis, som bör placeras bort från tornet och på lägsta möjliga höjd för att minska vindeffekterna på PPT-fångst. SWC-sensorerna bör installeras på tillräckligt avstånd (3-4 m) och uppåt så att det inte finns någon potentiell störning från tornet på vare sig nederbörd eller landflöde. Alla tillhörande kablar ska grävas ner i ledningen minst 5 cm under ytan.

Figur 1: En typisk övervakningsstation. USDA SCAN samlar in information varje timme om markvatteninnehåll och temperatur vid standarddjup (5, 10, 20, 50 och 100 cm), lufttemperatur, relativ luftfuktighet, solstrålning, vindhastighet och riktning, nederbörd och barometertryck. Det finns över 200 SCAN-webbplatser över hela USA. Förkortningar: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationella eltillverkarförbundet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Mätdjup, orientering och antal sensorer
In situ SWC-givare installeras vanligtvis horisontellt för att representera specifika djup i jorden (figur 2). Federalt finansierade, nationella nätverk som Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 och U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 mäter SWC vid 5, 10, 20, 50 och ¹⁰⁰ cm. Dessa djup uppnåddes genom konsensus under SCAN-utvecklingen av olika skäl. Djupet på 5 cm motsvarar fjärranalyskapacitet¹⁷; 10 och 20 cm djup är historiska mätningar för marktemperatur¹⁸; 50 och 100 cm djup komplett rotzon jordvattenlagring.

Sonder kan orienteras vertikalt, horisontellt eller lutande/vinklade (figur 3). Horisontell installation är vanligast för att uppnå en enhetlig marktemperaturmätning på ett diskret djup. Medan sensorn kan centreras på ett diskret djup, är SWC-mätning en volym runt pinnarna (dvs. elektroder), som kan variera med fuktnivåer, mätfrekvens och installationens geometri (horisontell, vertikal eller vinklad). För horisontell installation integrerar avkänningsvolymen fukt över och under djupet, och 95% av avkänningsvolymen ligger vanligtvis inom 3 cm från pinnarna¹⁹. Vertikala eller vinklade installationer integrerar SWC längs pinnarna, så vertikal installation kan representera lagringen längs hela sensordjupet²⁰. Vissa sensorer mäter inte jämnt längs sina pinnar. Till exempel är transmissionsledningsoscillatorer känsligare för fukt nära sondhuvudet där de elektromagnetiska pulserna genereras²¹. Vertikala installationer är mer lämpade för djupare prober där temperatur- och fuktgradienter tenderar att minska.

Figur 2: Installation av SWC-givare på plats . Horisontell sensorplacering på valda djup med (A,B) en referensjigg med nolldjup och (C) en nolldjupsbräda eller (D) ett nolldjupshandtag för spade. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 3: Orientering av sonder vertikalt, horisontellt eller i en lutning . (A) Lutande och vertikal insättning och (B) horisontell-vertikal insättning och horisontellt-horisontellt införingscentrumdjup för en tre-tinad SWC-sensor. Förkortning: SWC = markvattenhalt. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Installation till djup mindre än 50 cm är relativt intuitiv, medan djupare sensorer kräver lite mer ansträngning. Rotzon SWC eller profil markvattenlagring kräver vanligtvis mätningar till 1 eller 2 m. Som illustreras i detta protokoll slutförs 0-50 cm installationer i en utgrävd grop eller skruvhål med sonder installerade horisontellt i den ostörda jorden, vilket minimerar ytstörningarna. För djupare sensorer (t.ex. 100 cm) installerar både SCAN och USCRN sensorn vertikalt i separata, handavskruvade hål med hjälp av en förlängningsstolpe (figur 4).

Med tanke på SWC:s heterogenitet, särskilt nära ytan, och sensorernas små mätvolymer, möjliggör tredubbla mätningar en bättre statistisk representation av SWC. En profil av in situ-sensorer är dock typisk för de flesta nätverk (t.ex. SCAN och SNOTEL). USCRN använder tre profiler placerade 3-4 m från varandra för att göra tredubbla mätningar på varje djup¹⁶. Dessutom ger redundans i mätningen återhämtning och kontinuitet till stationsposten om ekonomiska resurser finns tillgängliga.

Figur 4: Installation av sensorer . (A) Grunda sensorer installeras vanligtvis horisontellt i sidoväggen i en utgrävd jordgrop. För djupare sensorer används (B) en handskruv för att gräva ett hål till djupet med hjälp av en nolldjupsreferens (t.ex. trä som spänner över diket) och sensorerna skjuts vertikalt in i botten av hålen med (C) en sektion av PVC-rör modifierad för att säkra sensorn och kabeln under installationen eller (D) ett installationsverktyg. Jordlager noteras som matjord (A-horisont) och alvhorisonter med flyttade leror (Bt) och karbonatackumulering (Bk). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Typ av SWC-givare på plats
Kommersiellt tillgängliga sensorer härleder SWC från det uppmätta svaret på en elektromagnetisk signal som sprids längs pinnar i direkt kontakt med jorden²². Begravda sensorer delas in i fem klasser beroende på vilken typ av elektromagnetisk signal som sprids och metoden för att mäta svaret: kapacitans, impedans, tidsdomänreflektometri, tidsdomäntransmissomeri och överföringsledningsoscillation (kompletterande tabell S1, med länkar till varje tillverkares information). Dessa tekniker tenderar att gruppera efter driftsfrekvens och tillverkare. Längre pinnar integrerar en större volym jord; De kan dock vara svårare att sätta in och är mer utsatta för signalförlust i jord med lera och högre elektrisk ledningsförmåga (BEC). Tillverkare rapporterar SWC-mätfel på 0,02-0,03 m³m−3, medan användare vanligtvis tycker att dessa är betydligt större ²³. Korrekt kalibrering och standardisering av elektromagnetiska sensorer förbättrar prestanda²²; Dessa markspecifika kalibreringar ligger dock utanför ramen för detta protokoll, som fokuserar på installation.

Sensorvalet bör ta hänsyn till önskad effekt, mätmetod, driftsfrekvens och kompatibilitet med andra mätningar. Före 2010 var de flesta SWC-sensorer analoga och krävde att DCP gjorde mätningar av differentialspänningar, motstånd eller pulsantal, vilket krävde dyrare komponenter och enskilda kanaler (eller multiplexorer) för varje sensor. Nu tillåter seriellt datagränssnitt med 1 200 baud (SDI-12) kommunikationsprotokoll (http://www.sdi-12.org/) smarta sensorer att implementera interna mätalgoritmer och sedan överföra digitala data längs en enda kommunikationskabel. Varje sensor kan kopplas ihop i följd (dvs. en kedjekoppling) med en gemensam tråd ansluten med spakmutter eller terminalblockkontakter (figur 5) där varje sensor har en unik SDI-12-adress (0-9, a-z och A-Z). Den gemensamma kommunikationstråden för SDI-12-sensorer bildar en enda krets tillsammans med en ström- och jordledning. Multiplexorer eller några mätningar vid DCP krävs inte; istället skickar och tar DCP helt enkelt emot digitala kommandon och textrader. Många SDI-12 SWC-sensorer inkluderar även marktemperatur, relativ permittivitet (ε) och BEC-mätningar. Sådana mätningar är användbara för sensordiagnostik och jordspecifik kalibrering. Vid denna tidpunkt har användaren valt en plats, bestämt sensortyp, antal och djup och fått all nödvändig hårdvara och fältverktyg (materialförteckning). Således kan de gå vidare till installationsprotokollet.

Figur 5: Skarvkontakter och plintar som används för att ansluta gemensamma ström-, jord- och kommunikationsledningar till en enda ingång på datainsamlingsplattformen. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Protocol

1. Förinstallation förberedelse av sensorer

1. Kontrollera SDI-12-adressen. Sensorer ställs in på en standardadress av tillverkaren. Koppla separat varje sensor till en datakontrollplattform (DCP) med hjälp av ?! för att fråga sensorns adress.
   Varje sensor på en gemensam datalinje måste ha en unik adress (t.ex. 0-9). Se sensorhandboken för SDI-12-adressering och ändring av en sensors värde, om det behövs.
2. Gör en mätning (t.ex. "aM!", där a är adressen) i luft, torr sand och nedsänkt i vatten.
   OBS: Luftmätningar bör läsa 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), spela sand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) och vatten ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
3. Registrera dessa värden tillsammans med serienumret och SDI-12-adressen för varje sensor i en labbbok. Använd en markör och märk sensorhuvudet och kabeländen med adressnumret.
4. Kontrollera DCP-programmet. Vissa DCP: er är plug-and-play, men de flesta kräver ett program för att göra mätningar och registrera data. Ställ in SWC-sensorerna och eventuella tillhörande sensorer i labbet och anslut dem alla till DCP och batteri. Låt SWC-sensorerna hänga i luften, placeras i torr leksand eller sänkas ner i vatten och se till att pinnarna inte vidrörs.
   OBS: Luftmätningar bör läsa 0,00 m 3 m-3 (relativ permittivitet [ε] ~ 1), spela sand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) och vatten ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
5. Låt systemet köras över natten eller längre. Kontrollera att data registreras med rätt hastighet och att värdena (t.ex. rätt antal kolumner, signifikanta siffror) är lämpliga.
6. Kontrollera även eventuella kompletterande SWC-sensorutgångar (t.ex. temperatur och BEC). Låt systemet köras i minst 1 dag. Kontrollera att datatabellerna är korrekta.
   OBS: Vissa DCP: er är plug-and-play men de flesta kräver ett program för att göra mätningar och registrera data.

2. Bestäm fältlayouten

1. Innan du börjar gräva, ring 811 (USA och Kanada) minst 2 dagar före utgrävningen för att verifiera förekomsten av underjordisk infrastruktur (t.ex. elektriska ledningar, vattenförsörjning, gasrör). Underlåtenhet att säkerställa sådana godkännanden kan leda till betydande påföljder och ansvar.
2. Verifiera markkartenheten på gropplatsen. Använd USDA SoilWeb-appen, tillgänglig för iOS- och Android-smartphones, för att fråga platsen. Gräv ett provhål med en handskruv med en diameter på 5–10 cm för att kontrollera att fältstrukturen överensstämmer med beskrivningen av kartenheten. Kontrollera om det finns några problem som hårda lager (t.ex. plogpannor, kalik eller argilliska horisonter) eller lager med höga bergfragment; Båda fallen kan göra sondinsättning svår eller till och med omöjlig.
3. Bestäm den bästa platsen för sensorerna. Varje sensor kommer att installeras i den vertikala ytan av en ostörd mark.
   OBS: Om någon lutning finns, bör ytan vara uppåtgående för att minimera preferensflöde som uppstår genom störd mark och längs kabelgravar.
4. Använd ett litet (1 m²) ark av plywood eller en presenning för att skydda markytan och hindra fältarbetare från att fräsa runt på den ostörda jorden.
5. Bestäm placeringen av instrumentmasten. Se till att sensorerna är tillräckligt långt borta från masten för att minimera fottrafik och eventuella effekter från tornet.
   OBS: Lager 5 m kablar är i allmänhet tillräckliga för de flesta installationer.
   1. Använd kortast möjliga kabellängd för att minimera ytstörningar och risken för brott.
      Anmärkning: Om instrumentmasten redan finns på plats på en befintlig plats kan det krävas en längre ledning för att nå en representativ jord. Alternativt kan trådlös teknik övervägas (se "Ytterligare tankar om platsval").
   2. Se till att det totala avståndet till instrumentstativet är 80% -90% av kabellängden för att ta hänsyn till extra kabel som behövs för att leda från installationsdjupet, genom ledningen och upp i höljet.
      OBS: Trådhantering kan vara besvärlig när många SWC-sensorer kommer till en central punkt.
   3. Tunnare kablar kräver nedgrävning i PVC-ledningar, medan styvare, tjockare kablar kan begravas direkt. För båda, gräva en gräv som är >10 cm djup och 10-15 cm bred.
   4. Se till att kabinettet har en ingångspunkt för alla sensorer ovan jord och en rörport för sensorer under jord (figur 5). Montera höljet i en bekväm höjd (1 m) för ledningar.
   5. Rekommendation: Rulla upp en sensor. Lägg sensorhuvudet vid gropytan och placera det mot kabeländen vid instrumentstativet. Kontrollera att kabellängden är korrekt och justera efter behov.

3. Utgrävning av jordgropen

OBS: Jordgropen kan grävas manuellt eller mekaniskt. Målet är att minimera den totala störningen på platsen.

1. För den handgrävda gropen, lägg en annan större presenning (2 m²) intill utgrävningsområdet. Använd en smal spade (t.ex. skarpskytt) för att gräva ut ett rektangulärt hål till ett djup av ~ 55 cm. Se till att gropytan, som för närvarande skyddas av plywood eller presenning (steg 2.4), är vertikal (eller något skuren) så att varje sensor kommer att ha ostörd jord ovanför den. Se också till att gropen är 20-40 cm bred och ~ 25% längre än den totala sensorlängden. Börja ta bort jord i steg om 10 cm och placera varje lyft på den bortre änden av presenningen, flytta närmare med varje steg; Bryt upp eventuella kloddar och ta bort stora stenar.
   OBS: Se till att utgrävningsområdet är så litet som möjligt och ger tillräckligt med utrymme för att sätta in den djupaste horisontella sonden.
2. För den hydrauliska stolphålsskruven, använd en bred diameter (>30 cm) och en 1 m lång, släpvagnsmonterad skruv.
   OBS: Två- eller enpersonsskruvar kan vara farliga.
   1. Ställ upp skruven ~ 5 cm tillbaka från den avsedda gropytan.
   2. Borra ner till >50 cm, höj skruven ibland för att utvisa jord.
   3. Använd en smal spade för att skapa en platt och vertikal gropyta.
   4. Använd en spade eller en handmurslev för att flytta jord från gropen till presenningen.
      OBS: Den utgrävda jorden kommer att vara väl blandad; Det finns inget sätt att undvika detta.
3. Gör en mekaniskt grävd gräv med tung utrustning.
   OBS: Om inte horisontell installation under 100 cm är nödvändig, rekommenderas inte stor grävutrustning. Att hantera avfallshögen (dvs. utgrävd jord) kan vara utmanande, och spåren och stabilisatorerna på grävaggregatet orsakar betydande störningar.
   1. Använd en lätt traktorgrävare med en smal hink, helst mindre än 50 cm, för att gräva en liknande smal gräv till ett djup på 100 eller 200 cm.
      Undvik att flytta grävaggregatet för att minimera ytpåverkan.
   2. Börja ta bort jorden i steg om 10 cm och placera varje lyft på den bortre änden av presenningen, flytta närmare med varje steg. Se till att utgrävningsområdet är så litet som möjligt och på ett djup av ~ 55 cm, vilket ger tillräckligt med utrymme för att infoga den djupaste horisontella sonden.
4. För sensorkabelgraven, gräva en gräv från baksidan av jordgropen till instrumenttornet. Använd en grävskopa med hjälp av en plockmattock eller Pulaski i hårda sektioner. Gräv en rak, smal (~ 10 cm), >10 cm djup gräv, lägg jorden på ena sidan av grävningen.

4. Montering/resning av instrumentstativ och hölje

OBS: Instrumentstativet har tre alternativ: en enkel stolpe, ett stativ eller ett torn. För en grundläggande jordfuktighetsstation med PPT-mätare räcker det med en galvaniserad stålstång eller ett instrumentstativ i rostfritt stål (120 cm högt) med ben. För grundläggande meteorologiska mätningar behövs en högre mast för att installera sensorer på 2 m. De flesta mesonetter föredrar 10 m höga torn; Sådana torn ligger dock utanför ramen för detta protokoll.

1. Använd en galvaniserad stålstång.
   OBS: Ett 4 cm diameter, galvaniserat stålvattenrör, ~ 3 m långt är den mest ekonomiska metoden.
   1. Handskruv ett litet hål till minst 60 cm djup. Placera stången i hålet. Se till att polhöjden är tillräckligt över marken för att hålla höljet, solpanelen och eventuella antenner som behövs.
      OBS: En höjd på <2 m rekommenderas.
   2. Blanda snabbbetong eller skum av stängselstolpe enligt anvisningarna.
      OBS: Betong är inte tillåtet på vissa federala marker, och vissa privata markägare kan invända. Skumalternativ för stängselstolpar är ett bra alternativ och kräver inget vatten.
   3. Häll något av materialen runt stången och se till att det är plant med en torpednivå. Låt betongen härda i flera timmar (helst över natten) och säkra stången med hängslen för att säkerställa att den förblir jämn. Även om skum härdar på 30 minuter, var noga med att hålla röret på plats i minst 2 minuter, se till att det förblir vertikalt.
2. Instrumentstativ eller stativ (se tillverkarens anvisningar)
   1. Lossa eller skruva loss vart och ett av de tre stativbenen.
   2. Rotera eller förläng varje ben och placera över änden av den utgrävda diket.
   3. Sätt in instrumentmasten i benen och dra åt.
   4. Justera längden på varje ben för att säkerställa att masten är vertikal.
   5. Satsa varje ben i jorden och kontrollera masten igen med en torpednivå.
3. Använd U-bultar och montera höljet på instrumentstativet på 1-1,5 m. Dra åt bultarna för hand för att säkra den; Dess slutliga höjd och åtdragning kommer att ske senare.
   OBS: Det rekommenderas att montera på norra sidan av stången för att undvika att slå huvudet på solpanelen senare.

5. Karakterisering av jord och provtagning

OBS: Visuell karakterisering av jorden är avgörande för att tolka markfuktighetsdynamik efter installationen. Provinsamling kan underlätta tolkningen med kvantitativa data. Samla in prover även om finansiering inte är tillgänglig eller interna anläggningar inte kan behandla dem. Lufttorka och arkivera dem, om markkarakterisering behövs i framtiden.

1. För grundläggande markbeskrivning, notera djupet av eventuella uppenbara förändringar i markfärg eller textur (horisonter).
   OBS: National Soil Survey Center ger en utmärkt översikt över markprofilbeskrivningar och tolkningar²⁴. Om platsen inte är idealisk är det dags att flytta.
2. För grundläggande jordkarakterisering, samla in representativa jordprover i en 1 liter (1 L) fryspåse vid varje sensordjup, enligt proceduren i Lawrence et ^al.25.
   1. När du återvänder till kontoret eller labbet, lägg alla 1 kvarts påsar på disken, öppna och låt dem lufttorka i minst 48 timmar.
      OBS: Lufttorkning avlägsnar det mesta av markfuktigheten samtidigt som de organiska och kemiska egenskaperna bevaras för framtida analyser.
   2. Skicka proverna antingen till ett universitetsförlängningslaboratorium (t.ex. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) eller ett kommersiellt laboratorium (t.ex. http://www.al-labs-west.com/) för vidare analyser. Alternativt kan du köra provet internt av utbildade tekniker med hjälp av accepterade metoder som anges nedan.
   3. Utför grundläggande laboratorieanalys, inklusive fysiska jordparametrar som partikelstorleksfördelning²⁶, bergfraktion (RF; viktprocent större än 2 mm), jordfraktion (SF; procentandel mindre än 2 mm) och textur (sand, silt och lerprocent). Kontrollera de grundläggande kemiska parametrarna, inklusive mättad pasta elektrisk ledningsförmåga (dS ^m-1)²⁷ och organiskt material²⁸.
   4. Rekommenderas: Utför volymetrisk kärnprovtagning i jord på 5, 10, 20 och 50 cm djup med hjälp av en kärnanordning för att samla upp ett ostört, volymetriskt prov. Bestäm markens bulkdensitet (BD; g ^cm-3) från den totala torra jordvikten och kärnvolymen²⁹. Jordens porositet (φ; [-]) är SWC:s fysiska övre gräns. För mineraljordar, uppskatta φ som 1 - BD / PD, där partikeldensiteten (PD) för övervägande kvartsmineraljord är 2,65 g ^cm-3.
      OBS: Prover för BD samlas antingen in i en kärna med känd volym eller med jordpinnar²⁹.

6. Horisontell insättning av 5, 10, 20 och 50 cm prober

OBS: Målet är att säkerställa fullständig markkontakt runt sensorpinnarna och undvika luftspalter.

1. Klipp försiktigt av eventuella dragkedjor och rulla ut varje sensor och ta bort eventuell spole i kablarna. Placera sensorhuvudet nära jordgropen och kabeln i diket.
2. Installationsdjupet definieras som sensorns mitt när det installeras horisontellt, oavsett om sensorns yta är rund eller rektangulär. Installera sensorn på exakt djup under markytan och så horisontellt i jorden som möjligt. Använd en nolldjupsreferens och en mätanordning (måttband eller linjal) för exakt sensordjup (figur 2) och ett distansavstånd för att bibehålla avståndet under insättningen (figur 2C).
3. Sätt först in 50 cm sensorn. Tryck sensorn horisontellt i jorden och försök att inte vicka sensorn eftersom det kan skapa luckor. Eftersom 50 cm sonden ofta är den svåraste, använd en jordstång för att ge mer hävstång för att trycka in sensorn, var försiktig så att du inte bryter epoxihuvudet eller separerar pinnarna. Upprepa insättningsprocessen och arbeta uppåt till sensordjupet 20, 10 och 5 cm. Sprid (figur 2D) eller stapla (figur 2B) sensorerna.
   OBS: Mättiden i SDI-12-protokoll förhindrar i allmänhet sensorer från att läsa samtidigt och generera störningar mellan intilliggande sensorer (t.ex. 5 och 10 cm djup).
4. Rikta varje sensorkabel mot samma sida av gropytan, så att de kan hänga i botten av utgrävningsgropen. Ta ett foto av det utgrävda hålet och sensorerna med ett måttband för skala (figur 6A). Använd en GPS för att bestämma latitud och longitud inom några meter från gropen. Om du gräver ut flera platser på en dag, använd ett plakat med en unik identifierare för att skilja mellan groparna.

Figur 6: Exempel på fotografier för metadata . (A) Den instrumenterade jordgropen med måttband för skala, (B) kabeldiket grävt tillbaka till instrumentmasten och slutliga platsfoton mot (C) norr och (D) söder. Klicka här för att se en större version av denna figur.

7. Vertikal insättning för 100 cm sond

1. För sensorinstallationer på djup större än 50 cm, skruv ett separat hål för varje givare i eller nära kabeldiket (figur 4A).
2. Använd en handskruv (5-10 cm diameter), gräv till lämpligt installationsdjup. Djupet definieras som måttcentrum (t.ex. 50 cm) minus hälften av tennlängden i förhållande till nolldjupsreferensen (figur 4B).
3. Ordna den utgrävda jorden på en presenning i den ordning den togs bort.
4. Installera sensorn vertikalt genom att trycka in den i hålets botten med hjälp av ett installationsverktyg (bild 4C, 4D). Packa om skruvhålet med den utgrävda jorden från djupaste till grunda. Byt ut jorden i små hissar, packa den tillräckligt för att förhindra att marken överbryggar i hålet och skapar tomrum.
   OBS: Förpackningsverktyg kan vara en täckt bit av PVC eller träpluggar. Undvik skador på sensorhuvudet eller kabeln.

8. Slutför sensorinstallationen och ledningarna till DCP

1. Om sensorkablarna är direkt nedgrävda, se till att de ovanjordiska ändarna som löper in i höljet är i PVC-rör med hjälp av en skottkontakt för att komma in i kammaren (figur 5).
   OBS: Om du använder en separat regnmätare (steg 9.1), se till att inkludera denna kabel när du drar in den i höljet.
2. Om du använder rör, lägg ut den i kabelgraven och skär till önskad längd. Mata kabeln genom ledningen - detta kan kräva en dragsnöre eller fisktejp för att dra kablarna igenom. Använd flexibel ledning eller en 90 ° sveparmbåge plus en längd av vertikal ledning för att leda kablarna från till en ledningsport på botten av höljet.
3. Lägg kabeln eller kabeln/ledningen i botten av kabeldiket. Dra kabeländarna genom den nedre höljesporten och säkra med dragkedjor. Om det finns överskott av kabel i höljet, dra tillbaka den genom ledningen och spolen i botten av grävgraven.
4. Ta ett foto av installationsgropen och diket med kablar som leder tillbaka till höljet (figur 6B).
5. För jordfuktighetssensorledningar, använd en gemensam ström (5-12 volt) och jordledning för varje SDI-12-sensor. Använd spakkontakter, skarvkontakter eller plintar (bild 5) för att göra dessa anslutningar enklare och säkrare. Om du använder mer än en typ av sensor använder du en annan kommunikationsport på DCP, om en sådan finns.
   OBS: En felaktig SDI-12-sensor kan avbryta andra sensorer i en serie.

9. Hjälpsensorer och hårdvaruinstallation

1. Nederbörd (PPT) gage
   OBS: För att förbättra fångsten bör regnmätare installeras på en separat vertikal mast så nära marknivå som möjligt. Att installera mätaren högre på korsarmsfästet kan minska fångsten på grund av större vindhastigheter.
   1. Bestäm platsen. Installera regnmätaren så lågt som möjligt ovanför marktäcket (~ 1 m) och på ett avstånd dubbelt så högt som något närliggande hinder³⁰. Det idealiska läget ligger nära kabelgraven.
      OBS: Regnmätarkabeln kommer att begravas bredvid sensorkablarna innan den går in i botten av höljet.
   2. Installera en vertikal mast. Gräv ut ett hål till ~ 50 cm djup med en handskruv. Ställ in en sektion av galvaniserat stålrör med tillräcklig längd i cement eller skum (se steg 4.1).
   3. Efter härdning, installera mätaren med slangklämmor eller en platt monteringsbas, enligt sensorinstruktionerna. Se till att mätaren är helt jämn.
      OBS: De flesta mätare har en inbyggd bubbelnivå.
   4. Dra kablar mellan regnmätaren och höljet i den underjordiska ledningen med markfuktighetskablarna.
   5. För en tippmätare, koppla de två ledningarna till en pulsräkningskanal på DCP.
      OBS: Ledningarna kan gå i vardera sidan.
   6. Var noga med att ta bort toppen och kontrollera att tippmekanismen rör sig fritt. Skoporna säkras ofta under transporten med gummiband.
      OBS: Regnmätare kräver rutinmässig rengöring och kalibrering. Om du monterar regnmätaren direkt på instrumentstativet eller korsarmen, följ steg 9.2.
2. Andra sensorer
   1. Installera hjälpmätningar och eventuell antenn till den vertikala masten eller korsarmsfästena på lämplig höjd över marken^10,30.
   2. Rutten leder in i ingången till höljet ovan jord och säkrar vid behov med buntband. Koppla till lämpliga mätkanaler på DCP.
3. Jordstång
   1. Installera en >1 m lång jordningsstång av koppar 0,5 m från instrumentmasten. Använd en stängselstolpdrivare för att sätta in stången i marken och lämna ~ 20 cm exponerad.
   2. Fäst tung (8-10) gage koppartråd till stången med en jordklämma. Säkra den andra änden av höljet eller stativet.
      OBS: Jordning kanske inte är tillrådligt i alla situationer.
4. Anslut batteriet.
   OBS: De flesta DCP behöver 5-24 volt (V), även om 12 V är vanligast och 7 eller 12 Ampere timmar (AH) är tillräckligt för att driva de flesta markfuktighetsstationer. Ett 12V 12AH batteripaket och spänningsregulator används här.
   1. Se till att laddningsregulatorn är i avstängt läge. Använd en multimeter inställd på DC för likspänning, kontrollera att spänningen på batteriet är tillräcklig (>10V för ett 12V-batteri) och identifiera + och - terminalerna, om de inte är markerade.
   2. Skjut terminalkontakten på den svarta (-) kabeln över spadterminalen på batteriets jordstolpe (-) och den röda ledningen över + batteristolpen. Anslut den andra änden av de röda/svarta ledningarna till BAT-porten på spänningsregulatorn.
5. Solpanel
   OBS: En 10 eller 20 watt panel är vanligtvis tillräcklig. Ökad effekt behövs vid högre breddgrader, mer skuggade områden eller på system med hög effektförbrukning (t.ex. mobilmodem, kameror). Panelen bör vara inriktad på att ta emot maximal infallande solstrålning under 1 år.
   1. Linda elektrisk tejp separat runt varje ledning på solpanelen.
      OBS: Dessa ledningar kommer att bära ström om panelen utsätts för solljus.
   2. Använd U-bultar och montera solpanelen ovanför höljet och på den sida av instrumentstativet som vetter mot ekvatorn (t.ex. söder i USA). Använd lämplig vinkel för platsens latitud, vanligtvis 25° till 35° i USA.
   3. Dra kabeln till ingångspunkten ovan jord. Ta bort tejpen från panelkablarna. Använd en multimeter inställd på A för strömstyrka, kontrollera att solpanelens effekt är >0,1 A .
   4. Använd en multimeter inställd på likström för likspänning, kontrollera att solpanelens utgång är >10V och identifiera + (vanligtvis röd) och - (vanligtvis svart) ledningar, om den inte är markerad. Anslut - -ledningen från solpanelen till G (jord) -porten, sedan + -kabeln från SOLAR-porten på laddningsregulatorn.
      OBS: Täck solpanelen med en presenning eller något ogenomskinligt för att minimera gnistor.
   5. Kontrollera att CHG eller laddningslampan nu lyser.
6. Datakommunikation på distans
   OBS: Mobildatatelemetri ger möjlighet att överföra och skicka data från DCP. Smartphone-appar, som OpenSignal, kan mäta signalstyrka och kurs till närmaste mobilmast. Rundstrålande antenner med flera band föredras; En riktad (Yagi) antenn kan dock förbättra signalen i mer avlägsna områden.
   1. Fäst antennen på toppen av instrumentmasten med medföljande U-bultar.
   2. Anslut koaxialkabeln till antennen och led den andra änden in i höljet genom sensorledningen ovan jord. Säkra kabeln med dragkedjor.
   3. Anslut den andra änden till mobilmodemet i kabinettet.
7. Slå på systemet
   OBS: Vid denna tidpunkt är antagandet att DCP-programmet är skrivet och alla sensorer är anslutna på ett lämpligt sätt. Solpanelen och det uppladdningsbara batteriet är anslutna till en spänningsregulator med en röd / svart strömkabel ansluten till DCP-strömportarna.
   1. Slå på strömbrytaren på spänningsregulatorn till på. Starta DCP-programvaran och anslut en bärbar dator till DCP. Bekräfta att alla sensorer rapporterar värden och inte ett nummer (NaN) eller ett felvärde.
   2. Kontrollera varje jordsensor för SWC-, BEC- och T-värden. Kontrollera att SWC-värdena är >0,05 m 3/m 3 och <0,60 m 3/m ³. Kontrollera alla sensorer utanför räckvidden; Sätt tillbaka eller byt ut en sensor som är tveksam. Häll lite vatten genom regnmätaren och kontrollera att DCP registrerar räkningar.
      OBS: Låga BEC-värden (<0,001) kan indikera dålig sensorkontakt (eller mycket torr jord). Vid installation under varmare årstider är T i allmänhet varmast upptill och svalast längst ner.
   3. Kontrollera mobilkommunikationsstyrkan. Följ tillverkarens dokumentation för att bestämma signalstyrkan.
      OBS: Signalstyrkan bör vara > -100 dBm för att säkerställa anständig signalkvalitet. Riktningsantenner kan roteras för att eventuellt förbättra signalen. Många andra kommunikationsalternativ finns bortom cellulär (t.ex. satellit).

10.Site slutförande

1. När allt under jord fungerar, och kablarna eller kablarna i ledningen är alla i diket och dirigerade in i höljet, fyll och försegla öppningarna på ovanstående och underjordiska höljesposter med elektrisk kitt för att skydda mot fukt och hålla insekter borta från höljet.
2. Avgränsa den yttre omkretsen av sensorplatser på ytan med permanenta insatser med ljus flaggning.
3. Återfyll det utgrävda området med hjälp av jorden på presenningen och i omvänd ordning för borttagning (steg 3.1) (djupast till grunt). Börja med att handpacka jorden mot dikesytan och runt sensorhuvudet på 50 cm, var noga med att inte störa sensorn. Stöd sensorhuvudet medan du packar jord runt det så att sensorpinnarna inte rör sig.
4. Se till att alla återstående sensorkablar fortfarande är placerade nära botten av diket; Täck dem sedan försiktigt med djupare jord från presenningen. Komprimera jorden i botten av gropen för att säkra kablarna, var försiktig så att du inte drar dem nedåt med någon kraft. Använd tillräcklig kraft under komprimeringen för att säkerställa liknande bulkdensitet hos det borttagna materialet.
   OBS: Våtare jordar under installationen kan lätt överkomprimeras, medan torrare jordar kan förbli lösa oavsett kraft.
5. Återfyll gropen i 10 cm lyft, jämna ut och komprimera ytan tills 20 cm sensorn nås. Återigen, packa försiktigt jorden under och runt sensorn innan du återgår till att fylla på ytterligare 10 cm jordlyft.
6. Slutligen, packa jorden för hand runt 10 cm sensorn, sedan 5 cm sensorn, så att båda förblir horisontella och på plats. Fyll resten av jordgropen med övre jordar från presenningen.
   OBS: All jord som tas bort ska gå tillbaka i gropen. Överbliven jord indikerar att jorden inte packades till den ursprungliga bulkdensiteten.
7. Använd grävskopan och skjut den utgrävda jorden bredvid diket över ledningen. Se till att allt är begravt helt och under 5 cm.
8. Använd en stålkratta för att jämna ut den ompackade jorden i gropen och gräva i jämnhöjd med den ursprungliga ytan. Kompakt jord i ledningsgraven tillräckligt för att minimera eventuellt preferensflöde till installationsplatsen.
9. Valfritt: Strö lite kiselgur runt någon underjordisk öppning och på ytan för att avskräcka myror, sniglar och andra insekter.
10. Rekommenderas: använd en bärbar SWC-sensor för att ta avläsningar av ytjorden runt in situ-sensorerna för att underlätta dataverifiering över tid och eventuella skalningsbehov. Ta avläsningar i kardinalriktningar (norr, söder, öst och väst) på konsekventa avstånd (t.ex. 5, 10, 25 och 50 m).

11. Registrera stationens metadata, data bakom data²³

OBS: Dokumentera metadata vid installation och varje platsbesök (se tabell 1). Konsekvent metadatarapportering stöder den växande praxisgemenskapen och är avgörande för att säkerställa data- och nätverksintegritet.

1. Dokumentera installationsinformationen, inklusive en unik platsidentifierare, installationsdatum, sensorns serienummer, motsvarande SDI-12-adresser, insättningsorienteringar (horisontella eller vertikala) och djup.
2. Beskriv markprofilen och ta tillhörande foton. Registrera providentifierare för alla jordprover som samlats in.
3. För platsens plats registrerar du latitud och longitud, höjd, lutning, aspekt, markanvändning och marktäckning.
4. Anteckna markägar- och kontaktuppgifter samt platsens tillgänglighet, inklusive grind- eller låskoder.
5. Använd Compass-appen på en smartphone (eller en verklig kompass) och ett måttband för att mäta vinkeln och avståndet till sensorgropen (och eventuella sensorskruvhål) från två referenspunkter (t.ex. jordstång eller ett stativben).
   OBS: Detta kommer att hjälpa till att triangulera sina positioner senare.
6. Ta bilder av den färdiga stationen och orienteringar norr (figur 6C), söder (figur 6D), öster och väster från instrumentmasten. Avgränsa sensorns installationsplats med flaggning eller andra distinkta objekt.

Tabell 1: Stationens metadata för insamling av markfuktighetsdata. Förkortningar: Dec. = minskande; GPS = globalt positioneringssystem; 3DEP = 3D-höjdprogram; O&M = drift och underhåll; SSURGO = Geografisk databas för markundersökning; Mukey = kartenhetens nyckel. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

12. Drift och underhåll

OBS: En detaljerad underhållslogg bör läggas till metadataposten, inklusive sensorbyte, vegetationshälsa eller förändringar eller eventuella störningar på platsen.

1. Utför rutinmässiga platsinspektioner minst årligen (tabell 2). Registrera eventuella sensorkalibreringar eller utbyten.
2. Säkerställa regelbunden vegetationshantering, särskilt för permanenta stationer så att platsen inte blir igenvuxen eller avvikande mot omgivningen.
3. Anpassa djurförvaltningen till det lokala djurlivet, eventuellt inklusive stängsel.
4. I händelse av sensorfel, gör ett besök på akutplatsen och installera en ersättare (tabell 2).

Tabell 2: Exempel på underhållsschema. Förkortning: DCP = datakontrollplattform. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Representative Results

SCAN-nätverket började som ett pilotprojekt av NRCS 1991. Det är det SWC-datainsamlingsnätverk som varit i drift^{längst 15} och grunden för de representativa resultaten i detta protokoll. Alla SCAN-webbplatser började ursprungligen med en analog kapacitanssensor. Fältinstallationsplatsen (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland, som används i videokomponenten i detta protokoll, övervakar (figur 7A) luft- och marktemperatur per timme och (figur 7B) SWC per timme på 5, 10, 20, 50 och 100 cm djup. Daglig PPT, lagring av markvatten (SWS) till 20 cm och dess förändring över tid (dSWS) visas i figur 7C. För varje PPT-händelse var det en kraftig ökning av SWC nära ytan (5 och 10 cm) och en mer dämpad och fördröjd ökning på större djup när vätningsfronten fortplantade sig nedåt under tyngdkraften. Under händelser i början av februari och april 2022 nådde den djupaste sensorn på 100 cm en platå på 0,33 m 3/m³, som upprätthölls i flera dagar. Sådana förhållanden indikerar kort mättnadstid. Jordhorisontens torra skrymdensitet från karakteriseringsdata (tabell 3) var 1,73 g/^cm3, med en uppskattad porositet (φ) på 0,35 [-], vilket ger ytterligare bevis för att porutrymmet var helt fyllt med vatten. Med tanke på jordprofilens sandiga lera/leriga sand producerades mättade förhållanden troligen av dålig dränering eller ett grunt grundvattenbord som hämmade dränering. Observera att lufttemperaturen på denna plats sjunker under fryspunkten de flesta kvällar fram till april; Marktemperaturen låg dock kvar över 2 °C och det fanns inga tecken på fruset vatten i SWC-uppgifterna på något djup.

Figur 7: Exempel på resultat från fältstationen (SCAN 2049) i Beltsville, Maryland. (A) Luft- och marktemperatur per timme, (B) SWC per timme och (C) daglig nederbörd, lagring av markvatten till 20 cm och dess skillnad över tiden. Förkortningar: SWC = markvattenhalt. PPT = nederbörd; SWS = lagring av markvatten, dSWS = skillnader i SWS över tid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Tabell 3: Platsdata och karakterisering av marken för dataexempel som presenteras i de representativa resultaten. Alla data som presenteras i figurer och tabeller hämtades från NRCS online-databas på den URL som anges för varje webbplats. Jordkarakteriseringsdata var inte tillgängliga för Taffelberget (#808). Förkortningar: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = enhetlig resurslokaliserare; c = lera; FSL = fin sandig lerjord; ls = lerig sand; s = sand; sc = sandig lera; scl = sandig lerjord; si = silt; sil = siltig lerjord; sl = sandig lerjord; nd = inga data; BD = skrymdensitet 33 kPa. Klicka här för att ladda ner denna tabell.

Ett mer extremt exempel på mättnad visas i figur 8 för en SCAN-plats (2110) nära Yazoo, Mississippi. Jordarna har mycket höga lerinnehåll (över 60%), låga bulkdensiteter från 1,06 till 1,23 g / cm 3 och en φ som sträcker sig från 0,54 till 0,60 [-] (tabell 3). Den första PPT-händelsen på ~40 mm den 13 april 2020 mättade jorden till en SWC på >0,60 m 3/m³ på alla djup under 12 på varandra följande dagar - värden mycket nära den uppmätta φ. En andra händelse på 70 mm/dag den 20 april 2020 hade ingen effekt på dSWS, vilket tyder på mättnadsöverskott av avrinning. En liknande mättnadsperiod var anmärkningsvärd i november 2020. Medan det inte fanns något mått på 100 cm, förblev SWC vid 50 cm stabil på 0,39 m 3/m 3, utom på sensommaren där den blygsamt sjönk till 0,36 m 3/m ³. Platsanteckningar (kompletterande tabell S2) indikerar att den sensorspecifika kalibreringen³¹ för "loam" användes, vilket är fallet för kapacitanssensorer som används på de flesta SCAN- och USCRN-platser. Båda exemplen illustrerar betydelsen av markkarakterisering och BD-data, som samlats in under karakterisering av platser (steg 5), för tolkningen av SWC-data.

Figur 8: Exempel på resultat från en fuktig, tempererad plats (SCAN 2110) nära Yazoo, Mississippi. (A) Luft- och marktemperatur per timme, (B) SWC per timme, och (C) daglig nederbörd och förändring av markvattenlagring. Förkortningar: SWC = markvattenhalt. PPT = nederbörd; SWS = lagring av markvatten, dSWS = skillnader i SWS över tid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 9 visar en enklare tidsserie av in situ SWC på fem djup med fem vätningshändelser som resulterar i sekventiell utbredning av vätningsfronten nedåt i markprofilen. Denna SCAN-webbplats (2189) var belägen nära San Luis Obispo, CA, i ett medelhavsklimat med en våt vår och en lång, torr sommar på en sandig lerjord med en φ som sträcker sig från 0,37 till 0,51 [-] (tabell 3). Svaret på markytans vätning var snabbt och minskade i storlek med djupet. Den sista stora PPT-händelsen under 5 dagar räckte för att visa respons på 50 och 100 cm djup. När djupet ökade minskade dygnscykeln för marktemperaturamplituden, och tiden för maxima och minima temperaturer släpade längre efter lufttemperaturen och grundare djup (figur 9A). Även om dessa egenskaper kan vara användbara för att skilja mellan sensordjup, som diskuteras i nästa avsnitt, fanns det också en märkbar effekt på fluktuationen av SWC på 5 och 10 cm djup. SWC-amplituden var ~0,02 m 3/m 3 vid 5 cm, ~ 0,01 m 3/m ³ vid 10 cm och mer försumbar i de djupare sensorerna. Det var också i fas med marktemperaturer, och buller inducerades mer sannolikt i sensorn av temperaturfluktuationer och sannolikt inte resultatet av någon fysisk rörelse av markfuktighet eller faktisk nederbörd. Denna torrare plats (2189) har mycket större dygnsförändringar i marktemperaturen än installationsplatsen för mer mesiska fält (2049), som inte visar något temperaturbrus i SWC-data (figur 7B).

Figur 9: Exempel är resultatet från en halvtorr, medelhavsplats (SCAN 2189) belägen nära San Luis Obispo, Kalifornien . (A) Luft- och marktemperatur per timme, (B) SWC per timme, och (C) daglig nederbörd och förändring av markvattenlagring. Förkortningar: SWC = markvattenhalt. PPT = nederbörd; SWS = lagring av markvatten, dSWS = skillnader i SWS över tid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 10 visar en av de mer utmanande SWC-datatolkningarna som finns med frusen jord och snötäcke. Denna webbplats (808) låg nära Boseman, MT, på 4 474 fot över havet. Dagliga lufttemperaturer översteg ibland frysningstemperaturer under vintern (december, januari och februari) 2020. Marktemperaturen låg strax över 0 °C fram till mars. Närvaron av snö på ytan skulle isolera jorden från lufttemperaturvariationer. I fuktiga jordar, utsläpp av latent värme och energiförbrukning, åtföljd av fasövergångsprocesser relaterade till frys-tö-cykler, buffrade marktemperaturer, vilket höll dem mycket nära 0 °C tills dessa fasförändringar var fullständiga. Den lilla ε av is i iskalla jordar framträder som dramatiska minskningar i SWC följt av ökningar under upptining utan någon indikation på PPT. Detta var tydligast i mitten av december och mitten av mars, när lufttemperaturen snabbt sjönk och SWC vid 5 och 10 cm minskade i 3 dagar och sedan återhämtade sig. Marktemperaturen på 100 cm nådde fryspunkten i mitten av november och låg på en låg SWC föregående höst, hela vintern, och förändrades inte under tjällossningen, vilket tyder på att den kan ha fungerat felaktigt. De snabba dropparna och återhämtningen i de andra sensorerna kan dock vara verkliga förändringar i flytande markvatten; Att tolka sådana data kan vara extremt utmanande utan kompletterande mätningar av snönärvaro eller djup. Ofta censureras SWC-data vid eller under fryspunkten i kvalitetskontrollen. Mer diskussion om marktemperaturer nära frysning presenteras i avsnittet om kvalitetskontroll av dataposter.

Figur 10: Exempel är resultatet från en halvtorr, alpin plats (SCAN 808) nära Three Forks, Montana . (A) Luft- och marktemperatur per timme, (B) SWC per timme, och (C) daglig nederbörd och förändring av markvattenlagring. Förkortningar: SWC = markvattenhalt. PPT = nederbörd; SWS = lagring av markvatten, dSWS = skillnader i SWS över tid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Andra exempel och karakteriseringsdata hämtades från SCAN-databasen (se tabell 3 för Uniform Resource Locator, [URL]). Rapporteringen och kvalitetskontrollen av dessa data behöver tolkas för att avgöra om det finns en fysisk mekanism för att förklara något oregelbundet beteende. Vår tolkning saknar all lokal platskunskap, och trots år av utvärdering av SWC-tidsserier kan det fortfarande vara utmanande att bedöma en bra sensor eller installation från en felaktig eller dålig.

Figur 11 visar vanliga exempel på problemdataposter, slumpmässigt utvalda från 40 SCAN-stationer mellan 2020 och 2021. De vanligaste felen inkluderar toppar (figur 11A) och stegändringar antingen uppåt (figur 11B) eller nedåt (figur 11C), som flaggats av International Soil Moisture Network³². För var och en av dessa finns det ingen samtidig PPT-händelse för att förklara sådana förändringar, och de kan betraktas som felaktiga. Problemet med momentana spikar eller dips förvärras när man bara tittar på dagliga medel, vilket kan dölja sådana händelser. Det är bäst att ta bort dem innan du gör någon genomsnittlig beräkning. Början och slutet på en stegvis förändring kan vara uppenbar, men det är svårt att fylla i några data däremellan. Vi närmar oss inte datafyllning i detta protokoll, utan flaggar bara felaktiga data. Oregelbundet beteende (figur 11D) presenterar sig som vild fluktuation utan något svar på PPT-händelser. I vissa fall kan spikar försvinna efter ledningskontroller och byte av multiplexor, som visas i figur 11A efter augusti 2020. Oftare är oregelbundet beteende ett förspel till en felaktig sensor, som visas i figur 11E. Sensorn på 10 cm djup gav en rimlig varning om oberäkneligt beteende i januari och misslyckades i slutet av mars. Sensorn på 5 cm djup misslyckades dock utan varning den 1 mars 2021.

Bild 11: Exempel på problemposter. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, som visar periodiska dopp på 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, med en positiv stegförändring på 50 cm djup, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, med en nedåtgående stegförändring, spikar och jämn återhämtning på 50 cm djup, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, som inte visar något svar på nederbördshändelser vid 5 eller 10 cm sensorn, med viss återhämtning av 10 cm sensorn följt av det framstående felet hos båda, och (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, med en glitchingsensor på 20 cm och katastrofalt fel på både 5 och 20 cm djup. Sensordjup betecknas som 5 cm (svart), 10 cm (blå), 20 cm (orange), 50 cm (mörkgrå) och 100 cm (gul). Förkortningar: SWC = markvattenhalt. PPT = nederbörd. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Vid SCAN 2084 började webbplatsen registrera data den 2/6/2004 och hade flera anteckningar om oregelbundet beteende relaterat till SDI-12-multiplexorer, som ersattes flera gånger (kompletterande tabell S2). Sensorerna är dock original och förblir efter 18 år funktionella. Vid SCAN 2015 började datainsamlingen den 10/25/1993 och 50 cm sensorn i figur 11B ansågs misstänkt 2017 (kompletterande tabell S2). Den äldsta platsen, SCAN 808, började rapportera den 9/30/1986 och omvandlades till en SCAN-station den 10/25/2006; Det har hittills inte bytts ut några sensorer. Avvikelser, som visas i figur 11E, leder inte alltid till fel, eftersom figur 10 har rimliga data. SCAN 2006 började rapportera den 10/1/1993; de ursprungliga 5- och 10 cm-sensorerna i figur 11D ersattes 2022-01-24. SCAN 2027 började rapportera den 5/19/1999; de ursprungliga 5- och 10 cm-sensorerna i figur 11E byttes ut 2021-08-13 . Som nämnts började SCAN-webbplatser med en analog kapacitanssensor. Många av dessa sensorer har varat i över 20 år och, även om de inte nödvändigtvis producerar data av högsta kvalitet hela tiden, har de förblivit funktionella. Att bestämma vid vilken tidpunkt en sensor ska bytas ut är fortfarande en öppen fråga för utövare. Platsmetadata och markegenskaper för områden i figur 11 finns i kompletterande tabell S3.

Rapportering av uppgifter
Kontinuerliga SWC-sensorer in situ rapporterar tre till sex värden per tidsregistreringsintervall. Tillsammans med eventuella kompletterande mätningar genererar den långsiktiga driftsättningen av SWC-sensorer stora mängder enhetsvärdesdata som måste lagras och levereras. Miljömätningar görs med diskreta provtagningsintervall som aggregeras över tid och rapporteras som datapost. Provtagningsfrekvensen för atmosfäriska mätningar varierar beroende på mätning; Den är större för vind- och solstrålningsmätningar (<10 s) och större för lufttemperatur och luftfuktighet (60 s)³⁰. Dessa provvärden beräknas eller ackumuleras under ett rapporteringsintervall som kan variera från 5 minuter till 1 h. På samma sätt kan SWC provtas omedelbart vid rapporteringsintervallet eller provtas (t.ex. var 5:e minut) och beräknas i genomsnitt till 30 minuter eller 60 minuters medelvärden, eftersom SWC:s dynamik är relativt långsammare i jämförelse. Även om medelvärde från mer frekvent provtagning kan minska brus från temperaturfluktuationer, elektriska störningar och inneboende sensorvariationer, är det inte tillrådligt, eftersom dataspikar kan snedvrida medelvärdet som diskuterats tidigare. De flesta SWC-dataposter kan nöja sig med avkänning varje timme, men för regioner med högre dräneringsförhållanden (sandjord) och intensiv PPT (monsunförhållanden) registrerar vissa nätverk på ett 20 minuters tidsintervall för att helt fånga nederbördshändelser. Slutligen kan dataöverföring eller telemetri begränsas av tekniken (t.ex. satellitsystem) eller ha kostnadsnivåer baserat på datastorlek och frekvens. Optimering av rapporteringsintervall och telemetervariabler kan hjälpa till att kontrollera kostnaderna. Till exempel föredras överföring av råvärden (t.ex. ε eller antal) framför härledda värden (t.ex. SWC) som kan beräknas vid efterbehandling. Dataupplösning kan också påverka telemetripaketets storlek. Det är dock viktigt att representera SWC som antingen en procentsats (0,0-100,0%) vid en upplösning på 0,1% eller som en decimal (0,00-1,00) vid en upplösning på 0,001 m 3 ^m-3. Decimalversionen i m 3 ^m-3 är mycket att föredra för att undvika sammanblandning med procentuella förändringar av vattenhalten i senare analyser och rapportering, och för att undvika sammanblandning med massbaserat vatteninnehåll (g/g) som också kan rapporteras som procentuell vattenhalt. Marktemperatur, ε och BEC rapporteras vanligen vid 0,1 °C, 0,1 [-] respektive 0,1 dS ^{m-1-upplösningar}.

Kvalitetskontroll av dataposter
Kvalitetskontrollprocessen för dataposten verifierar data och dokumenterar dess kvalitet. Noggranna fältanteckningar och kalibreringsloggar är avgörande för bearbetningen av dataposten. De typiska stegen i bearbetningen av en post är en första utvärdering, borttagning av uppenbara felaktiga data, tillämpning av eventuella beräkningar eller korrigeringar av härledda värden och en slutlig datautvärdering. SWC-poster består i allmänhet av en signal (t.ex. ε, räkningar eller mV), jordtemperatur och BEC som används i varierande grad för att härleda SWC. Sensorer kan också mata ut en SWC som tillverkaren härleder. Ingen sensor mäter dock SWC direkt; Den här beräkningen kan vara en del av databeräkningssteget, förutsatt att en lämplig kalibreringsekvation är tillgänglig och ingår i metadataposten. En post kan vara en momentan mätning eller ett genomsnitt under en viss period. Det är önskvärt att rådata bibehålls så att de lämpligaste formaten kan beräknas för kvalitetskontroll och förbättringar av kalibreringsekvationer eller sensorförståelse kan tillämpas på rådata. Sensoregenskaperna bör avgöra om momentana värden eller medelvärden för flera avläsningar registreras, även om momentana värden föredras av skäl som angetts tidigare.

Det finns flera sätt att införliva kompletterande data (se dataverifiering nedan) i ett arbetsflöde för kvalitetskontroll. Nederbörd är den första kontrollen - "ökade SWC efter en regnhändelse?" Det finns situationer där SWC kan öka utan PPT (t.ex. snösmältning, grundvattenutsläpp, bevattning). Den andra kontrollen är att jämföra förändringen i markvattenlagring med den totala mängden PPT för en specifik händelse (figur 7C). Helst bör denna händelse vara en isolerad, lågintensiv nederbördshändelse. Nederbörd infiltrerar jorden från ytan och perkolerar nedåt. Toppen i SWC bör följa ett liknande mönster nedåt (figur 7B). Preferensflöde kan dock orsaka att infiltrerande vatten kringgår en grund sensor eller orsakar en snabb respons vid djupare sensorer. Även om dessa kan vara "riktiga" svar, kan dålig komprimering av installationsgraven eller runt en enskild sensor företrädesvis leda vatten mot en sensor. Bias vid vätning av främre ankomst bör användas med försiktighet och sunt förnuft vid tolkning av ovanliga svar på nederbörd eller snösmältningshändelser. Som illustreras i tabell 3 dikterar BD den övre gränsen för markens porutrymme, φ [-], i mineraljordar. Vatteninnehåll som rutinmässigt är större än φ indikerar antingen en felaktig sensor eller olämplig sensorkalibrering. I det förra fallet kan data raderas från posten. I det senare fallet kan omkalibreringen medge att posten behålls, med värden som ändras i enlighet med omkalibreringen.

Jordtemperatur är en annan variabel som hjälper till att kvalitetskontrollera data. Marktemperaturen fortplantar sig nedåt i jordkolonnen och dämpas med djupet (figur 7A). Temperaturen bör toppa tidigare och högre närmare ytan med ökande fördröjningstid från yttoppen när sensordjupet ökar. Eventuella sensorfördröjningar som inte är i funktion kan vara en indikation på ett felaktigt identifierat djup eller felaktig SDI-12-adress. Som visas i figur 10 och diskuteras däri beror elektromagnetiska sensorer på förändringar i ε, som sträcker sig från ~ 3 för is till ~ 80 för vatten. Förändringar mellan vatten och is registreras av SWC-sensorer. Det kan dock vara nödvändigt att höja flaggningströskeln, eftersom sensorns avkänningsvolym skiljer sig från avkänningsvolymen för marktemperaturtermistorn och tröskeln kan vara så hög som 4 °C. Eftersom graden av frysning och den relativa mängden flytande vatten kan vara viktiga för bedömningen av markens hydrologi, bör dessa data flaggas som påverkade av frysning och inte nödvändigtvis avlägsnas. På den mest grundläggande nivån bör kvalitetskontrollen rationalisera eventuella oregelbundna sensorsvar på någon fysisk mekanism, annars är det ett fel. Även om automatiserade kvalitetskontrollrutiner är ett krav för stora nätverk och olika datakällor 13,33,34,35^, finns det inget substitut för ögon-på-data för att upprätthålla långsiktig datakvalitet.

Verifiering av data
En av de mest utmanande aspekterna av SWC-data är verifiering - "ger sensorn bra och korrekta data?" De flesta miljösensorer är tillgängliga efter driftsättning och kan ersättas med en ny sensor efter en viss tid, returneras till tillverkaren eller laboratoriet för att kalibreras om mot standarder och / eller få data verifierade mot ett prov som samlats in från fältet. Meteorologiska organisationer följer strikta procedurer för atmosfäriska sensorer, inklusive sensorrotationer, sensorunderhåll och kalibreringar i fält som gör det möjligt för förebyggande underhåll att fungera som det första passet för dataverifiering^10,30. SWC-givare är begravda på plats och kan inte granskas eller kalibreras om utan betydande störningar på platsen och potentiell skada på sensorn. Dessutom finns det inga accepterade standarder för SWC-sensorer, och som sådan kräver dataverifiering viss kunskap om det förväntade sensorsvaret och ett visst förtroende för själva sensorn. Båda kräver praktisk erfarenhet och bästa praxis som följs på fältet (dvs. underhåll och inspektioner). Om ovanliga prestandaproblem, som visas i figur 11, blir kroniska, är det stor sannolikhet att sensorn misslyckas och den bör bytas ut.

Elektromagnetiska sensorer har inga rörliga delar, och tråden och kretsarna tenderar att vara robusta. Efter 3 år rapporterade Texas Soil Observation Network en felfrekvens på 2% för överföringsledningsoscillatorsensorer²¹. Efter mer än 10 års tjänst rapporterade US Climate Response Network en markant ökning av felfrekvensen för impedanssensorer vid 15-18 sonder per 100 från 2014 till 2017³⁶. Som visas i figur 11 var de flesta SCAN-sensorer över 20 år gamla innan de gick sönder. Att byta ut en sensor före fel är att föredra så att sensorn kan utvärderas på nytt i luft, vatten och sand för att kontrollera avdrift mot värden före distribution, om dessa registrerades (t.ex. steg 1), bland andra skäl. Rutinmässigt byte är något opraktiskt med SWC-sensorer och görs sällan i stora nätverk, och vi känner inte till några långsiktiga utvärderingar av elektromagnetiska SWC-sensorförändringar över tid. USCRN-nätverket migrerar för närvarande till en ny sensorteknik efter över 10 år med kapacitanssensorer. Planen är att ha en överlappning på minst 2 år mellan gamla och nya sensorer för att göra eventuella justeringar.

Regelbundna underhållsbesök bör omfatta verifiering av SWC-data, helst över en rad fuktförhållanden. Detta kan åstadkommas indirekt med hjälp av en bärbar sensor, helst kalibrerad till vissa jordprover eller direkt till volymetriska jordkärnor som samlats in på plats. Det bästa tillvägagångssättet är att jämföra in situ-sensoravläsningar med SWC från volymetriska jordprover på motsvarande djup³⁷ (figur 12). Planerat underhåll bör försöka täcka en rad markfuktighetsförhållanden så att en enkel regression mellan direkta/indirekta SWC-mätningar och sammanfallande sensoravläsningar kan jämföras. Djupare jordprovtagning kan göras i skruvhål eller med mekaniska kärnanordningar. Verifiering av ytsensorerna (t.ex. 5 och 10 cm) kan vara tillräcklig eftersom de djupare sensorerna bör följa ett liknande karakteristiskt svar på PPT, som tidigare diskuterats. Det finns flera begränsningar i denna SWC-bedömning efter hoc. Den främsta nackdelen är att de volymetriska proverna inte kan (och bör inte heller) tas direkt vid sensorerna och kanske inte är helt representativa för SWC inom avkänningsvolymen runt pinnarna (inom 3 cm). Detta leder till den andra nackdelen; Många fler provtagningsplatser och provtagningsdjup kan behövas för att erhålla ett representativt SWC-värde för fält. Detta kan också resultera i många hål och störningar runt platsen. En tredje nackdel är svårigheten att erhålla volymetriska jordprover på djupet utan utgrävning som stör markprofilen.

Figur 12: Volymetriska SWC-data. SWC-data från 60 cm³ jordkärnor tagna som fältkalibreringsdata jämfört med SWC från in situ-sensorer på djup av 15, 30, 45 och 60 cm, i texturer som sträcker sig från lerig, fin sand till lera. Denna siffra anpassades från Evett et ^al.37. Förkortning: SWC = markvattenhalt. Klicka här för att se en större version av denna figur.

NRCS utvecklade en jordprovtagningsmetod i skruvhål med hjälp av ett volymetriskt provtagningsrör (en sond i Madera-stil) på en förlängningsstång för prover i botten av ett skruvhål³⁸. Dessa direkta mätningar kan också kombineras med indirekta mätningar från bärbara sensorer^37,39,40 för att ge en kalibrerad bedömning av in situ-sensorernas rumsliga representativitet^13,41. Som beskrivs i protokollsteg 10.10 kan denna process upprepas för att tillåta vissa mätvärden (t.ex. rotmedelkvadratfel, bias, korrelation) att bestämma eventuell avvikelse från in situ-sensorerna från den direkta provtagningen eller indirekta uppskattningar av SWC. Mer information presenteras också av Internationella atomenergiorganet IAEA⁷. Jordgrävnings- och karakteriseringsdata som presenteras i steg 3 och 5 ger också data om φ (SWC bör inte överskrida detta värde). Markstruktur och horisontering illustrerar zoner med hög / låg ledningsförmåga och markvattenretention. Dessa steg ligger helt i linje med provtagningsprotokoll²⁵ för skogsmark. Den önskade representativitetsskalan kan användas för att samla in valideringsdatasetet, och därefter kan stationen skalas till det validerade fotavtrycket⁴². Om en stationssensortyp byts ut skulle det vara rimligt att samla in en annan uppsättning valideringsdata över en mängd olika markvattenförhållanden för att fånga installationsbias igen.

Kompletterande datauppsättningar kan vara till hjälp vid kontroll och bedömning av SWC-data. Det är uppenbart att en hydrologisk tidsserie förbättras dramatiskt med en PPT-mätare på plats för att verifiera händelsernas tidpunkt, varaktighet och storlek. Jordmatrikpotentialsensorer ger markvattnets energistatus, vilket är avgörande för att kvantifiera växttillgängligt vatten. Meteorologiska sensorer, inklusive lufttemperatur, relativ luftfuktighet, vindhastighet och solinstrålning, möjliggör direkt beräkning av referensevapotranspiration (ET), vilket är en användbar guide till relativ växtvattenupptag, och därmed marktorkningshastighet⁴³. Flera ekonomiska allt-i-ett-vädersensorer finns med SDI-12-utgång. Grundvattennivåinformation från en tryckgivare är en annan värdefull mätning, om grundvattennivån ligger nära ytan och en övervakningsbrunn kan installeras. Slutligen kan en fältkamera ge både vetenskapligt värde och platssäkerhetsvärde. Digitala bilder kan registrera vegetationstillväxt och grönhet⁴⁴, och stationens allmänna tillstånd kan bedömas utan fältbesök.

Kompletterande tabell S1: Vanliga (men inte inkluderande) in situ SWC-sensortekniker. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande tabell S2: Sensorhistorikloggar extraherade från NRCS online-databas för alla platser som presenteras i detta protokoll. Data som är tillgängliga via varje webbadress. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande tabell S3: Platsdata och markkarakterisering för dataexempel som presenteras i figur 11. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Discussion

Markfuktighetstillstånd är ett resultat av många olika miljöfaktorer, inklusive nederbörd, vegetation, solinstrålning och relativ fuktighet, tillsammans med markens hydrauliska och fysiska egenskaper. Dessa interagerar över rum och tid på olika rumsliga och tidsmässiga skalor. För att modellera och prognostisera vatten-, energi- och kolcyklerna är det nödvändigt att förstå SWC-tillståndet. En av de vanligaste typerna av automatiserad mätteknik är en elektromagnetisk SWC-sensor med pinnar avsedda att sättas in på plats i ostörd jord. Detta protokoll är utformat för att ge vägledning för processen att installera dessa vanliga typer av buriable sensorer. Noggrannhet, prestanda och kostnad är vanligtvis proportionella mot sensorernas driftsfrekvens; Sensorer med lägre frekvens kostar mindre men är mer förvirrade av mark- och miljöfaktorer⁴⁵. Jord- eller platsspecifik kalibrering kan förbättra noggrannheten hos sensorer med lägre frekvens. Mätmetoden påverkar också sensorprestanda på grund av den underliggande fysiken hos det elektromagnetiska fältet (EMF).

Två stora elektromagnetiska fysiska lagar styr elektromagnetisk avkänning. Den ena är Gauss lag, som beskriver hur sensorns förökade EMF är beroende av både mediets ε och BEC. Permittiviteten ökar dock med SWC, det gör också BEC. Därför påverkas sensorer som är beroende av Gauss lag av SWC, BEC och temperatureffekten på BEC, liksom eventuella störningar från salthalten. Kapacitansavkänningsmetoder följer Gauss lag och är därför mer benägna att dessa effekter⁴⁶. Dessutom beskriver Gauss lag kapacitansens beroende av en geometrisk faktor, som förändras med formen av EMF i jorden. Forskning har visat att EMF-formen förändras med markstrukturen och den småskaliga rumsliga variationen av vattenhalten runt sensorpinnarna. Småskalig rumslig variation av vatteninnehåll och markstruktur är stor i de flesta jordar, vilket resulterar i geometriska faktorförändringar och därmed kapacitansförändringar som har lite att göra med förändringar i bulkmedelvattenhalten. Dessa faktorer minskar kapacitanssensorns noggrannhet och ökar datavariabiliteten^46,47,48. Impedans- och transmissionslinjeoscillationsmetoderna beror också på Gauss lag, medan tidsdomänreflektometri och tidsdomäntransmissomerimetoder beror på Maxwells ekvationer, som inte innehåller en geometrisk faktor och inte är beroende av BEC. Även om ingen sensor är problemfri tenderar tidsdomänmetoderna att vara betydligt mer exakta och mindre partiska än antingen kapacitans- eller impedansbaserade metoder.

Det finns flera kritiska steg i proceduren. För ett glest nätverk krävs korrekt platsval och sensorplacering för att få den mest lämpliga rumsliga representationen av SWC. Valet av plats kan påverkas mer av externa faktorer, såsom tillgång till mark, eller andra atmosfäriska övervakningskrav där markfuktighet är den kompletterande mätningen. Meteorologiska platser i mesoskala ligger på breda och öppna, välskötta gräsytor för att minimera eventuella mikroskalpåverkan. Sådana platser kan vara mindre idealiska för SWC-övervakning. I tillämpliga fall bör trådlös sensorteknik övervägas 49,50,51,52,53 för att SWC-övervakning ska kunna ske utanför den befintliga miljöövervakningsstationen och i representativ jord. Att arbeta runt aktiv jordbruksverksamhet och bevattningsutrustning är utmanande. De flesta nätverk (t.ex. SCAN och USDA-ARS) håller sig i utkanten av fälten för att undvika jordbearbetningsaktiviteter som plogar eller skördare som kan klippa kablarna och gräva upp sensorer. Alla sensorer och kablar på plats måste vara tillräckligt nedgrävda och ha en tillräckligt låg ytprofil för att undvika slutsatser vid drift på gården. Trådlösa system⁵³ och löstagbara borrhålssensorer⁴⁷ kan vara lämpligare. Grundvattenskydd med storskalig, markfuktighetsbaserad bevattning⁵⁴ är ett växande område för SWC-sensorer; Detta protokoll avser rumsligt representativa långsiktiga SWC-data i ostörda jordar.

Vissa jordar är svårare att mäta än andra. I steniga, grusiga eller mycket torra jordar kan det vara omöjligt att sätta in pinnarna utan skador. Ett alternativ är att gräva ut jordgropen och lägga sensorerna på plats medan de återfylls och försöker komprimera till den ursprungliga BD. Steniga jordar tenderar att ha liten struktur, vilket sannolikt kommer att läka efter flera vätnings- och torkningscykler; En sådan störning kan dock aldrig vara helt representativ för platsens markhydrologi. Alternativt, om sensorer installeras i botten av skruvhål, kan den borttagna jorden siktas för att ta bort stenar och packas om i hålet precis tillräckligt djupt för att rymma sensorpinnarna. Sensorn kan sedan installeras vertikalt och skruvhålet fyllas på med den återstående icke-siktade jorden, med frekvent komprimering när jord läggs till.

Rötter i skogsmark utgör liknande utmaningar som sondinsättning, men rötter kan skäras i vissa situationer. Skogsmark har ofta organiska (O) horisonter ovanpå mineraljorden, som kan ha mycket låg BD och hög specifik yta, med stora mängder bundet vatten vilket resulterar i mycket olinjära sensorsvar vid högre SWC⁵⁵. Dessutom sätter utövaren nolldatumet som antingen toppen av O-horisonten eller mineraljordnoteringen som i metadata. Lerrika jordar och expansiva leror med hög krymp-/svällningspotential kan vara extremt ledande för elektromagnetiska signaler när de är våta och kan spricka när de är torra. Sådana jordar kan behöva ytterligare korrigeringar för att få rimlig SWC från råmätningarna^56,57. I grunda jordar kan berggrund eller en restriktiv markhorisont (t.ex. caliche eller hardpan) påträffas innan det ideala maximala djupet nås. Det kan vara nödvändigt att byta plats eller helt enkelt inte installera de djupare sensorerna. Alltför torra eller våta jordar kan vara utmanande, och det är också att föredra att välja installationsdatum utanför säsongens ytterligheter. Torr jord kan vara mycket stark, och det kan visa sig omöjligt att sätta in en sensor utan skador. Vid behov kan föraugered hål fyllas med vatten för att mjuka gropytan, även om det kan ta lite tid innan marken återgår till ett naturligt tillstånd. Våta jordar kan vara för svaga för att stödja gropytor eller diket kan fyllas med vatten. Det är också lättare att överkomprimera en våt mark.

Sensorutgången bör inkludera permittivitet, inte bara SWC, så att korrigeringar eller jordspecifika kalibreringar kan göras senare. Högfrekventa sensorer är mer lämpliga i höga BEC-jordar, medan kortare pinnar kan vara lättare att installera i mer kompakta jordar. Det kanske mest kritiska steget är dock markkontakt; Dålig kontakt försämrar signalen från alla elektromagnetiska sensorer. Slutligen låter återfyllning av utgrävningen trivialt, men det är nyckeln till att minimera preferensflödet till sensorområdet, hålla kablarna skyddade och avskräcka djur från att störa området. En jord- eller platsspecifik kalibrering kan förbättra sensornoggrannheten men kräver mer detaljer än vad som är möjligt i detta protokoll. Fältjordar som justerats eller packats om till varierande SWC-nivåer är idealiska för att kontrollera linjäriteten i responsen och kan fungera som en platsspecifik kalibrering för vissa sensortyper²¹. Dielektriska vätskor kan också vara effektiva medier för att kontrollera sensorrespons⁵⁸. Temperaturkontrollerade vattenbad kan användas för att förbättra marktemperaturkalibreringar⁵⁹. Detta protokoll är det första steget mot upprättandet av en standardprocedur för in situ SWC-sensorinstallation, eftersom det inte finns någon befintlig metod eller någon accepterad kalibreringsmetod för SWC-sensorer^60,61.

Medan SWC-övervakning har varit i fokus för detta protokoll, har metoden begränsningar, och SWC ensam kan inte ge en fullständig bild av markvattenstatus. Många ekosystemprocesser regleras också av markvattenpotentialen, som är mindre vanligt mätt in situ⁶². Markvattenpotential, nyligen granskad av S. Luo, N. Lu, C. Zhang och W. Likos ⁶³, är energitillståndet för vatten; Sådana sensorer kan påverkas mindre av markens egenskaper och ger kvalitetskontroll för SWC-sensorer⁶⁴. Dessutom omfattar bulkfältet SWC grus, stenar, rötter och tomrum (t.ex. preferensflödesvägar). In situ SWC-givare omplaceras i allmänhet runt stenar och rötter, och den begränsade mätvolymen, koncentrerad runt pinnarna, kan missa diskreta men viktiga aspekter av bulkfältet SWC.

Detta protokoll kommer förhoppningsvis att leda till mer harmoniserade och enhetliga SWC-data för ett brett spektrum av applikationer, inklusive övervakning av torka, vattenförsörjningsprognoser, hantering av avrinningsområden, jordbruksförvaltning och grödplanering. Tillkomsten av fjärranalysplattformar⁴ har avsevärt förbättrat möjligheten att uppskatta SWC globalt, men dessa produkter behöver markvalidering, vilket fortfarande endast rimligen samlas in av in situ-nätverk ⁶⁵. Datorframsteg har gjort det möjligt att utveckla SWC-modellering⁶⁶ med hyperupplösning, vilket ger SWC-status med hög upplösning och subdaglig effekt, men dessa produkter behöver också uppskattningar av SWC in situ för att ge en viss grund för beräkning av osäkerhet. Ofta är den första frågan som ställs när en ny produkt introduceras "vad är osäkerheten?" För SWC-produkter är den primära jämförelsen för validering markbaserade nätverksdata⁶⁷.

Det har nyligen skett nätverksutvidgningar i samband med National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), inklusive US Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin markfuktighetsprojekt och NOAA-stödd sydöstra USA: s nätverksuppbyggnad, alla utformade för att förbättra förutsägelse, övervakning och stöd för resurshantering. SWC-uppskattningarnas säkerhet och exakthet för sådana tillämpningar kan endast uppnås med grundliga protokoll och förfaranden för att skapa förtroende för dataintegriteten. NCSMMN är en federalt ledd, multiinstitutionell insats som syftar till att ge hjälp, vägledning och stöd genom att bygga en praktikgemenskap kring mätning, tolkning och tillämpning av markfuktighet - ett "nätverk av människor" som länkar dataleverantörer, forskare och allmänheten⁶⁸. Detta protokoll är en produkt av NCSMMN-ansträngningar. Ett arbetsflöde för datakvalitetskontroll kommer.

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