Yerinde Bozulmamış Topraklarda Toprak Nemi Sensörleri

Summary

Toprak suyu içeriğinin belirlenmesi, birçok eyalet ve federal kurum için kritik bir görev gereksinimidir. Bu protokol, gömülü in situ sensörleri kullanarak toprak suyu içeriğini ölçmek için çok kurumlu çabaları sentezler.

Abstract

Toprak nemi, operasyonel hidrolojiyi, gıda güvenliğini, ekosistem hizmetlerini ve iklim sistemini doğrudan etkiler. Bununla birlikte, toprak nemi verilerinin benimsenmesi, tutarsız veri toplama, zayıf standardizasyon ve tipik olarak kısa kayıt süresi nedeniyle yavaş olmuştur. Toprak nemi veya kantitatif olarak hacimsel toprak suyu içeriği (SWC), elektromanyetik bir tepkiden SWC çıkarımı yapan gömülü, yerinde sensörler kullanılarak ölçülür. Bu sinyal, kil içeriği ve mineraloji, toprak tuzluluğu veya toplu elektrik iletkenliği ve toprak sıcaklığı gibi yerel saha koşullarına göre önemli ölçüde değişebilir; bunların her birinin sensör teknolojisine bağlı olarak değişen etkileri olabilir.

Ayrıca, zayıf toprak teması ve sensör bozulması zamanla bu okumaların kalitesini etkileyebilir. Daha geleneksel çevre sensörlerinin aksine, SWC verileri için kabul edilmiş standartlar, bakım uygulamaları veya kalite kontrolleri yoktur. Bu nedenle, SWC, birçok çevresel izleme ağının uygulanması için zorlu bir ölçümdür. Burada, yerinde SWC sensörleri için topluluk tabanlı bir uygulama standardı oluşturmaya çalışıyoruz, böylece gelecekteki araştırma ve uygulamalar saha seçimi, sensör kurulumu, veri yorumlama ve izleme istasyonlarının uzun vadeli bakımı konusunda tutarlı bir rehberliğe sahip olacak.

Videografi, en iyi uygulamaların çok kurumlu bir fikir birliğine ve yerinde SWC sensörlerinin kurulumu için önerilere odaklanmaktadır. Bu makale, yüksek kaliteli ve uzun vadeli SWC veri toplama için gerekli çeşitli adımlarla birlikte bu protokole genel bir bakış sunmaktadır. Bu protokol, tek bir istasyonu veya tüm ağı dağıtmayı uman bilim adamları ve mühendisler için yararlı olacaktır.

Introduction

Toprak nemi yakın zamanda Küresel Gözlemleyen İklim Sistemi^1'de Temel İklim Değişkeni olarak kabul edilmiştir. Toprak nemi veya kantitatif olarak hacimsel toprak suyu içeriği (SWC), gelen radyasyonun akışının dünya yüzeyi ile atmosfer arasındaki gizli ve mantıklı ısıya bölünmesinde ve yağışın akış ve sızma arasında bölünmesinde önemli bir rol oynar². Bununla birlikte, nokta, tarla ve havza ölçeklerindeki toprak neminin mekansal zamansal değişkenliği, SWC'yi araştırma veya yönetim hedeflerini karşılamak için gereken uygun ölçekte ölçme yeteneğimizi zorlaştırmaktadır³. Yerinde sensörlerin, proksimal dedektörlerin ve uzaktan algılamanın yer tabanlı ağları da dahil olmak üzere SWC'yi ölçmek için yeni yöntemler, SWC'nin varyasyonunu benzeri görülmemiş bir çözünürlükte haritalamak için benzersiz fırsatlar sunar⁴. Yerinde SWC sensörleri en geçici olarak sürekli ve derinliğe özgü veri kayıtlarını sağlar, ancak aynı zamanda toprak özellikleri, topografya ve bitki örtüsü^5'in doğasında bulunan küçük algılama hacimlerine ve yerel ölçekli değişkenliğe de tabidir.

Ayrıca, yerinde SWC sensörlerinin kurulumu, kalibrasyonu, doğrulanması, bakımı ve kalite kontrolü için standartların veya yaygın olarak kabul edilen yöntemlerin eksikliği vardır. Toprak nemi doğası gereği ölçülmesi zor bir parametredir ve kalite garantisi için en zor değişken olabilir⁶. SWC veri toplama için genel protokoller Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı⁷, Dünya Gözlem Uyduları Komitesi⁸, federal ajans raporları⁹ ve Amerikan Devlet Klimatologları Birliği¹⁰ tarafından üretilmiş olsa da, gömülü SWC verilerinin kurulumu, bakımı, kalite kontrolü ve doğrulanması konusunda sınırlı özel rehberlik vardır. Sonda. Bu, SWC ölçümleri eklemek için devlet Mesonetleri gibi operasyonel izleme ağları için bu tür teknolojilerin benimsenmesini zorlaştırmıştır. Benzer şekilde, operasyonel hidrologların, örneğin nehir tahmin merkezlerinde, bu verileri iş akışlarına dahil etmeleri de zordur. Bu videografinin ve beraberindeki makalenin amacı, bu tür bir rehberlik sağlamak ve gömülü in situ SWC probları için uyumlu bir kurulum protokolünü belgelemektir.

Yerinde toprak nemi izleme için bir yer seçme
Herhangi bir ilgi alanındaki (AOI) topraklar, topografya, ekoloji, jeoloji ve iklim arasında zaman içinde benzersiz ve birleştirilmiş bir geri bildirim yoluyla oluşur^11,12. SWC'nin manzaralar arasındaki değişkenliği, yer seçimini herhangi bir toprak nemi çalışması için kritik bir unsur haline getirir. Bazı araştırma hedefleri için, peyzaj veya ekosistemdeki belirli bir özelliği veya mikrositeyi temsil etmek üzere bir site seçilebilir. Ağları izlemek amacıyla, site daha büyük bir peyzaj bileşeninin mekansal olarak temsilcisi olmalıdır. Amaç, AOI'nin en iyi mekansal temsilini sağlayan bir yer bulmaktır. Bu alanda, diğer meteorolojik enstrümantasyon, erişilebilirlik veya izin gereklilikleri gibi daha pragmatik hususlara ulaşılmalıdır. Bununla birlikte, AOI içindeki baskın toprak haritası birimi genellikle daha geniş bir alanın çevresel koşullarının iyi bir mekansal temsilidir¹³. Baskın toprak haritası birimi, Web Toprak Etüdü (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) kullanılarak belirlenebilir; Bu toprak haritası ünitesi ayrıca sığ bir çukur veya test deliği ile doğrulanmalıdır.

Tipik bir izleme istasyonu, sensör ihtiyaçlarına ve yardımcı ölçümlerin sayısına bağlı olarak 5-50^m2'yi işgal edebilir. Şekil 1 , rüzgar hızı ve yönü için bir anemometre, bir hava sıcaklığı ve bağıl nem sensörü, güneş radyasyonu için bir piranometre ve Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği (NEMA) hava koşullarına dayanıklı ve su geçirmez muhafaza (NEMA derecelendirme 4) tutan 3 m'lik bir kuleye sahip tipik bir izleme istasyonunu göstermektedir. NEMA muhafazası, veri kontrol platformu (DCP), hücresel modem, güneş paneli şarj regülatörü, pil ve diğer ilgili donanımları barındırır (bkz . Sistem bileşenleri). Kule ayrıca iletişim anteni, güneş paneli ve paratoner için bir platform sağlar. PPT yakalama üzerindeki rüzgar etkilerini azaltmak için kuleden uzağa ve mümkün olan en düşük yüksekliğe yerleştirilmesi gereken bir sıvı yağış (PPT) ölçer de tipik olarak dahil edilir. SWC sensörleri yeterli bir mesafeye (3-4 m) ve yukarı eğime monte edilmelidir, böylece kuleden yağış veya kara akışı üzerinde potansiyel bir parazit olmaz. İlgili kablolar, yüzeyin en az 5 cm altındaki kanala gömülmelidir.

Şekil 1: Tipik bir izleme istasyonu. USDA SCAN, standart derinliklerde (5, 10, 20, 50 ve 100 cm), hava sıcaklığı, bağıl nem, güneş radyasyonu, rüzgar hızı ve yönü, yağış ve barometrik basınçta toprak suyu içeriği ve sıcaklığı hakkında saatlik bilgi toplar. ABD genelinde 200'den fazla tarama sitesi bulunmaktadır. Kısaltmalar: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ölçüm derinliği, yönü ve sensör sayısı
Yerinde SWC sensörleri tipik olarak topraktaki belirli derinlikleri temsil etmek için yatay olarak monte edilir (Şekil 2). Federal olarak finanse edilen, Toprak İklim Ağı (SCAN)¹⁴, Kar Telemetri Ağı (SNOTEL)15 ve ABD İklim Referans Ağı (USCRN)16 gibi ulusal ağlar, SWC'yi 5, 10, 20, 50 ve ¹⁰⁰ cm'de ölçer. Bu derinliklere, çeşitli nedenlerden dolayı tarama geliştirme sırasında fikir birliği ile ulaşılmıştır. 5 cm derinlik, uzaktan algılama yeteneklerine karşılık gelir¹⁷; 10 ve 20 cm derinlikler toprak sıcaklığı için tarihsel ölçümlerdir¹⁸; 50 ve 100 cm derinliklerde kök bölgesi toprak suyu depolamasını tamamlar.

Problar dikey, yatay veya eğimli/açılı olarak yönlendirilebilir (Şekil 3). Yatay kurulum, ayrı bir derinlikte düzgün bir toprak sıcaklığı ölçümü elde etmek için en yaygın olanıdır. Sensör ayrı bir derinlikte ortalanabilse de, SWC ölçümü dişlerin etrafındaki bir hacimdir (yani elektrotlar), nem seviyelerine, ölçüm frekansına ve kurulumun geometrisine (yatay, dikey veya açılı) göre değişebilir. Yatay kurulum için, algılama hacmi derinliğin üstündeki ve altındaki nemi bütünleştirir ve algılama hacminin% 95'i tipik olarak çatalların 3 cm'si içindedir¹⁹. Dikey veya açılı kurulumlar SWC'yi çatallar boyunca entegre eder, böylece dikey kurulum, sensör derinliklerinin²⁰ tüm uzunluğu boyunca depolamayı temsil edebilir. Bazı sensörler çatalları boyunca eşit olarak ölçüm yapmaz. Örneğin, iletim hattı osilatörleri, elektromanyetik darbelerin üretildiği prob kafasının yakınındaki neme karşı daha hassastır²¹. Dikey kurulumlar, sıcaklık ve nem gradyanlarının azalma eğiliminde olduğu daha derin problar için daha uygundur.

Resim 2: Yerinde SWC sensörlerinin kurulumu. Referans için (A,B) sıfır derinlikli bir referans jig ve (C) sıfır derinlikli bir kart veya (D) sıfır derinlikli bir kürek kolu kullanılarak seçilen derinliklerde yatay sensör yerleşimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Probların dikey, yatay veya eğimli olarak yönlendirilmesi . (A) Eğimli ve dikey yerleştirme ve (B) üç renkli SWC sensörünün yatay-dikey yerleştirme ve yatay-yatay yerleştirme merkezi derinliği. Kısaltma: SWC = toprak suyu içeriği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

50 cm'den daha küçük derinliklere kurulum nispeten sezgiseldir, daha derin sensörler ise biraz daha fazla çaba gerektirir. Kök bölgesi SWC veya profil toprak suyu depolaması tipik olarak 1 veya 2 m'ye kadar ölçümler gerektirir. Bu protokolde gösterildiği gibi, 0-50 cm'lik kurulumlar, bozulmamış toprağa yatay olarak monte edilmiş problarla kazılmış bir çukurda veya burgu deliğinde tamamlanır ve yüzey rahatsızlığını en aza indirir. Daha derin sensörler için (örneğin, 100 cm), hem SCAN hem de USCRN, sensörü bir uzatma direği kullanarak ayrı, elle burgulu deliklere dikey olarak monte eder (Şekil 4).

SWC'nin heterojenliği, özellikle yüzeye yakın olması ve sensörlerin küçük ölçüm hacimleri göz önüne alındığında, üçlü ölçümler SWC'nin daha iyi bir istatistiksel temsilini sağlar. Bununla birlikte, in situ sensörlerin bir profili çoğu ağ için tipiktir (örneğin, SCAN ve SNOTEL). USCRN, her derinlik^16'da üçlü ölçümler yapmak için 3-4 m aralıklarla üç profil kullanır. Ayrıca, ölçümdeki yedeklilik, finansal kaynaklar mevcutsa istasyon kaydına esneklik ve süreklilik katar.

Şekil 4: Sensörlerin montajı . (A) Sığ sensörler tipik olarak kazılmış bir toprak çukurunun yan duvarına yatay olarak monte edilir. Daha derin sensörler için, (B) sıfır derinlikli bir referans (örneğin, hendeği kaplayan ahşap) kullanarak derinliğe kadar bir delik kazmak için bir el burgusu kullanılır ve sensörler, (C) kurulum sırasında sensörü ve kabloyu sabitlemek için modifiye edilmiş bir PVC boru bölümü veya (D) bir kurulum aracı kullanılarak deliklerin dibine dikey olarak itilir. Toprak katmanları, üst toprak (A ufku) ve translokasyonlu killer (Bt) ve karbonat birikimi (Bk) ile toprak altı ufukları olarak not edilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yerinde SWC sensör tipi
Ticari olarak temin edilebilen sensörler, SWC'yi, toprakla doğrudan temas halinde olan çatallar boyunca yayılan elektromanyetik bir sinyale ölçülen tepkiden çıkarır²². Gömülü sensörler, yayılan elektromanyetik sinyalin türüne ve tepkiyi ölçme yöntemine bağlı olarak beş sınıfa ayrılır: kapasitans, empedans, zaman alanı reflektometrisi, zaman alanı transmissometrisi ve iletim hattı salınımı (Ek Tablo S1, her üreticinin bilgilerine bağlantılar ile). Bu teknolojiler, çalışma frekansına ve üreticiye göre gruplandırma eğilimindedir. Daha uzun çatallar daha büyük bir toprak hacmini bütünleştirir; Bununla birlikte, yerleştirilmeleri daha zor olabilir ve killi ve daha yüksek kütle elektrik iletkenliğine (BEC) sahip topraklarda sinyal kaybına daha fazla maruz kalırlar. Üreticiler 0,02-0,03 m 3 m⁻³SWC ölçüm hataları bildirirken, kullanıcılar genellikle bunları önemli ölçüde daha büyük^{bulmaktadır 23}. Elektromanyetik sensörlerin uygun kalibrasyonu ve standardizasyonu performansı artırır²²; ancak, toprağa özgü bu kalibrasyonlar, kuruluma odaklanan bu protokolün kapsamı dışındadır.

Sensör seçiminde istenen çıktı, ölçüm yöntemi, çalışma frekansı ve diğer ölçümlerle uyumluluk göz önünde bulundurulmalıdır. 2010'dan önce, çoğu SWC sensörü analogdu ve DCP'nin diferansiyel voltajların, dirençlerin veya darbe sayımlarının ölçümlerini yapmasını gerektiriyordu, bu da her sensör için daha pahalı bileşenler ve ayrı kanallar (veya çoklayıcılar) gerektiriyordu. Şimdi, 1.200 baud (SDI-12) iletişim protokollerindeki (http://www.sdi-12.org/) seri veri arayüzü, akıllı sensörlerin dahili ölçüm algoritmalarını uygulamasına ve ardından dijital verileri tek bir iletişim kablosu boyunca iletmesine izin veriyor. Her sensör, kol somunu veya terminal bloğu konektörleri (Şekil 5) ile bağlanmış ortak bir tel kullanılarak sırayla (yani bir papatya zinciri) birbirine bağlanabilir ve her sensör benzersiz bir SDI-12 adresine (0-9, a-z ve A-Z) sahiptir. SDI-12 sensörlerinin ortak iletişim teli, bir güç ve topraklama teli ile birlikte tek bir devre oluşturur. Çoklayıcılar veya DCP'deki herhangi bir ölçüm gerekli değildir; bunun yerine, DCP sadece dijital komutları ve metin satırlarını gönderir ve alır. Birçok SDI-12 SWC sensörü ayrıca toprak sıcaklığı, bağıl geçirgenlik (ε) ve BEC ölçümlerini içerir. Bu tür ölçümler sensör teşhisi ve toprağa özgü kalibrasyon için kullanışlıdır. Bu noktada, kullanıcı bir site seçmiş, sensör tipini, sayısını ve derinliklerini belirlemiş ve gerekli tüm donanım ve saha araçlarını elde etmiştir (Malzeme Tablosu). Böylece, kurulum protokolüne geçebilirler.

Şekil 5: Ortak güç, topraklama ve iletişim kablolarını veri toplama platformundaki tek bir girişe birleştirmek için kullanılan tel ekleme konektörleri ve terminal blokları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

1. Sensörlerin önceden kurulması

1. SDI-12 adresini kontrol edin. Sensörler üretici tarafından varsayılan bir adrese ayarlanır. Her sensörü ayrı ayrı kullanarak bir veri kontrol platformuna (DCP) bağlayın ?! komutu, algılayıcının adresini sorgulamak için kullanılır.
   NOT: Ortak bir veri hattındaki her sensörün benzersiz bir adresi olmalıdır (ör. 0-9). Gerekirse SDI-12 adresleme ve sensörün değerini değiştirme için sensör kılavuzuna bakın.
2. Havada, kuru kumda ve suya batırılmış bir ölçüm yapın (örneğin, "!", adresin a olduğu yerde).
   NOT: Hava ölçümlerinde 0,00 m 3 m-3 (bağıl geçirgenlik [ε] ~1), oyun kumu < 0,02 m 3^m3 (ε < 4) ve su ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80) ölçülmelidir.
3. Bu değerleri, her sensörün seri numarası ve SDI-12 adresiyle birlikte bir laboratuvar defterine kaydedin. Bir işaretleyici kullanarak sensör kafasını ve kablo ucunu adres numarasıyla etiketleyin.
4. DCP programını kontrol edin. Bazı DCP'ler tak ve çalıştır özelliktedir, ancak çoğu ölçüm yapmak ve verileri kaydetmek için bir program gerektirir. SWC sensörlerini ve laboratuvardaki yardımcı sensörleri kurun, hepsini DCP'ye ve bataryaya bağlayın. SWC sensörlerini havada asılı bırakın, kuru oyun kumuna sokulmuş veya suya batırılmış halde tutarak çatalların temas etmemesini sağlayın.
   NOT: Hava ölçümlerinde 0,00 m 3 m-3 (bağıl geçirgenlik [ε] ~1), oyun kumu < 0,02 m 3^m3 (ε < 4) ve su ~1,00 m 3 ^m-3 (ε ~80) ölçülmelidir.
5. Sistemin gece boyunca veya daha uzun süre çalışmasına izin verin. Verilerin uygun oranlarda kaydedildiğini ve değerlerin (ör. doğru sütun sayısı, önemli rakamlar) uygun olduğunu doğrulayın.
6. Yardımcı SWC sensörü çıkışlarını da (ör. sıcaklık ve BEC) kontrol edin. Sistemin en az 1 gün çalışmasına izin verin. Veri tablolarının doğru olduğundan emin olun.
   NOT: Bazı DCP'ler tak ve çalıştır özelliklidir, ancak çoğu ölçüm yapmak ve verileri kaydetmek için bir program gerektirir.

2. Alan düzenini belirleme

1. Herhangi bir kazmaya başlamadan önce, herhangi bir yeraltı altyapısının (örneğin, elektrik telleri, su temini, gaz boruları) varlığını doğrulamak için kazıdan en az 2 gün önce 811'i (ABD ve Kanada) arayın. Bu tür izinlerin sağlanmaması, önemli cezalara ve yükümlülüklere yol açabilir.
2. Çukur konumundaki toprak haritası birimini doğrulayın. Konumu sorgulamak için iOS ve Android akıllı telefonlarda kullanılabilen USDA SoilWeb uygulamasını kullanın. Alan dokusunun harita birimi açıklamasıyla tutarlı olup olmadığını kontrol etmek için 5-10 cm çapında bir el burgusu kullanarak bir test deliği kazın. Sert katmanlar (örneğin, pulluk tavaları, kalitek veya arjilik ufuklar) veya yüksek kaya parçalarına sahip katmanlar gibi sorunları kontrol edin; Her iki durumda da prob yerleştirmeyi zorlaştırabilir, hatta imkansız hale getirebilir.
3. Sensörler için en iyi yeri belirleyin. Her sensör, bozulmamış bir toprağın dikey yüzüne monte edilecektir.
   NOT: Herhangi bir eğim varsa, rahatsız olmuş topraktan ve kablo hendeklerinden meydana gelen tercihli akışı en aza indirmek için yüz yukarı eğimli olmalıdır.
4. Toprak yüzeyini korumak ve tarla işçilerinin bozulmamış toprakta öğütülmesini önlemek için küçük (1 m²) bir kontrplak levha veya muşamba kullanın.
5. Cihaz direğinin yerini belirleyin. Yaya trafiğini ve kuleden kaynaklanan etkileri en aza indirmek için sensörlerin direkten uygun şekilde uzakta olduğundan emin olun.
   NOT: Stok 5 m kablolar çoğu kurulum için genellikle yeterlidir.
   1. Yüzey bozulmasını ve kırılma olasılığını en aza indirmek için mümkün olan en kısa kablo uzunluğunu kullanın.
      NOT: Cihaz direği mevcut bir sahada zaten mevcutsa, temsili bir toprağa ulaşmak için daha uzun bir kurşun gerekebilir; alternatif olarak, kablosuz teknolojiler düşünülebilir ("Site seçimi hakkında ek düşünceler" bölümüne bakınız).
   2. Kurulum derinliğinden, kanaldan ve muhafazaya yönlendirmek için gereken ekstra kabloyu hesaba katmak için cihaz standına olan toplam mesafenin kablo uzunluğunun% 80-90'ı olduğundan emin olun.
      NOT: Birçok SWC sensörü merkezi bir noktaya geldiğinde kablo yönetimi garip olabilir.
   3. Daha ince kablolar PVC kanallara gömülmeyi gerektirirken, daha sert, kalın kablolar doğrudan gömülebilir. Her ikisi için de >10 cm derinliğinde ve 10-15 cm genişliğinde bir hendek kazın.
   4. Muhafazanın yer üstü sensörleri için bir giriş noktasına ve yer altı sensörleri için bir kanal portuna sahip olduğundan emin olun (Şekil 5). Kablolama için muhafazayı rahat bir yüksekliğe (1 m) monte edin.
   5. Öneri: Bir sensörün açılmasını sağlayın. Sensör kafasını çukur yüzüne yerleştirin ve gösterge standındaki kablo ucuna yerleştirin. Kablo uzunluğunun doğru olduğundan emin olun ve gerektiğinde ayarlayın.

3. Toprak çukurunun kazısı

NOT: Toprak çukuru manuel veya mekanik olarak kazılabilir. Amaç, genel site rahatsızlığını en aza indirmektir.

1. Elle kazılmış çukur için, kazı alanına bitişik daha büyük bir muşamba (2 m²) döşeyin. ~ 55 cm derinliğe kadar dikdörtgen bir delik kazmak için dar bir kürek (örneğin, keskin nişancı) kullanın. Şu anda kontrplak veya muşamba (adım 2.4) ile korunan çukur yüzünün dikey olduğundan (veya hafifçe kesildiğinden) emin olun, böylece her sensörün üzerinde bozulmamış toprak olacaktır. Ayrıca çukurun 20-40 cm genişliğinde ve toplam sensör uzunluğundan ~% 25 daha uzun olduğundan emin olun. Toprağı 10 cm'lik artışlarla çıkarmaya başlayın ve her asansörü muşambanın uzak ucuna yerleştirin, her artışta yaklaşın; herhangi bir pıhtıyı parçalayın ve büyük kayaları çıkarın.
   NOT: Kazı alanının mümkün olduğunca küçük olduğundan ve en derin yatay probu yerleştirmek için yeterli alana izin verdiğinden emin olun.
2. Hidrolik direk deliği burgusu için geniş çaplı (>30 cm) ve 1 m uzunluğunda, römorka monte edilmiş burgu kullanın.
   NOT: İki veya bir kişilik çit direği burguları tehlikeli olabilir.
   1. Burguyu amaçlanan çukur yüzeyinden ~5 cm geriye doğru ayarlayın.
   2. >50 cm'ye kadar delin, toprağı dışarı atmak için ara sıra burguyu kaldırın.
   3. Düz ve dikey bir çukur yüzü oluşturmak için dar bir kürek kullanın.
   4. Toprağı çukurdan muşambaya taşımak için bir kürek veya el mala kullanın.
      NOT: Kazılan toprak iyi karıştırılacaktır; bundan kaçınmanın bir yolu yoktur.
3. Ağır ekipman kullanarak mekanik olarak kazılmış bir hendek açın.
   NOT: 100 cm'nin altında yatay kurulum gerekli olmadıkça, büyük kazma ekipmanı teşvik edilmez. Bozulma yığını (yani kazılmış toprak) ile uğraşmak zor olabilir ve bekonun izleri ve stabilizatörleri önemli rahatsızlıklara neden olur.
   1. 100 veya 200 cm derinliğe benzer bir dar hendek kazmak için ideal olarak 50 cm'den daha az dar bir kovaya sahip hafif bir beko kullanın.
      NOT: Yüzey etkisini en aza indirmek için bekoyu hareket ettirmekten kaçının.
   2. Toprağı 10 cm'lik artışlarla çıkarmaya başlayın ve her asansörü muşambanın uzak ucuna yerleştirin, her artışta daha da yaklaşın. Kazı alanının mümkün olduğunca küçük ve ~ 55 cm derinlikte olduğundan ve en derin yatay sondayı yerleştirmek için yeterli alana izin verdiğinden emin olun.
4. Sensör kablosu hendeği için, toprak çukurunun arkasından alet kulesine bir hendek kazın. Sert bölümlerde bir pick mattock veya Pulaski tarafından desteklenen bir hendek küreği kullanın. Düz, dar (~ 10 cm), >10 cm derinliğinde bir hendek kazarak toprağı açmanın bir tarafına yerleştirin.

4. Enstrüman standının ve muhafazanın montajı / montajı

NOT: Gösterge standının üç seçeneği vardır: basit bir direk, tripod veya kule. PPT ölçerli temel bir toprak nemi istasyonu için, galvanizli çelik bir direk veya ayaklı paslanmaz çelik enstrüman standı (120 cm boyunda) yeterlidir. Temel meteorolojik ölçümler için, sensörleri 2 m'ye monte etmek için daha uzun bir direğe ihtiyaç vardır. Çoğu mezonet 10 m yüksekliğindeki kuleleri tercih eder; ancak, bu tür kuleler bu protokolün kapsamı dışındadır.

1. Galvanizli çelik bir direk kullanın.
   NOT: 4 cm çapında, ~3 m uzunluğunda galvanizli çelik su borusu en ekonomik yöntemdir.
   1. El burgusu minimum 60 cm derinliğe kadar küçük bir delik açar. Direği deliğe yerleştirin. Kutup yüksekliğinin, muhafazayı, güneş panelini ve gerekli antenleri tutmak için yeterince yer üstünde olduğundan emin olun.
      NOT: <2 m yükseklik önerilir.
   2. Talimatlara göre hızlı ayarlanmış beton veya çit direği köpüğünü karıştırın.
      NOT: Bazı federal topraklarda betona izin verilmez ve bazı özel toprak sahipleri itiraz edebilir. Çit direği kurulumları için köpük alternatifleri iyi bir alternatiftir ve su gerektirmez.
   3. Her iki malzemeyi de direğin etrafına dökün ve bir torpido seviyesi kullanarak düz olduğundan emin olun. Betonun birkaç saat boyunca (ideal olarak gece boyunca) sertleşmesine izin verin ve düz kalmasını sağlamak için direği diş telleriyle sabitleyin. Köpük 30 dakika içinde kürlense de, boruyu en az 2 dakika yerinde tuttuğunuzdan ve dikey kalmasını sağladığınızdan emin olun.
2. Gösterge standı veya tripod (üreticinin talimatlarına bakın)
   1. Üç stand bacağının her birini gevşetin veya sökün.
   2. Her bacağı döndürün veya uzatın ve kazılan açmanın sonuna yerleştirin.
   3. Alet direğini bacaklara yerleştirin ve sıkın.
   4. Direğin dikey olduğundan emin olmak için her bacağın uzunluğunu ayarlayın.
   5. Her bacağı toprağa kazık atın ve direği bir torpido seviyesiyle tekrar kontrol edin.
3. U-cıvataları kullanarak, muhafazayı enstrüman standına 1-1,5 m'de monte edin. Sabitlemek için cıvataları elle sıkın; son yüksekliği ve sıkması daha sonra gerçekleşecektir.
   NOT: Daha sonra güneş paneline kafasını çarpmamak için direğin kuzey tarafına monte edilmesi önerilir.

5. Toprak karakterizasyonu ve numune toplama

NOT: Toprağı görsel olarak karakterize etmek, kurulumdan sonra toprak nem dinamiklerini yorumlamak için kritik öneme sahiptir. Örnek toplama, nicel verilerle yorumlamaya yardımcı olabilir. Finansman sağlanamasa veya şirket içi tesisler bunları işleyemese bile numune toplayın. Gelecekte toprak karakterizasyonuna ihtiyaç duyulması durumunda bunları hava ile kurutun ve arşivleyin.

1. Temel toprak tanımı için, toprak rengindeki veya dokusundaki (ufuklar) belirgin değişikliklerin derinliğine dikkat edin.
   NOT: Ulusal Toprak Etüdü Merkezi, toprak profili tanımları ve yorumları hakkında mükemmel bir genel bakış sağlar²⁴. Konum ideal değilse, şimdi taşınma zamanı.
2. Temel toprak karakterizasyonu için, Lawrence ve ^ark.25'in prosedürünü izleyerek, her sensör derinliğinde 1 quart (1 L) dondurucu torbasında temsili toprak örnekleri toplayın.
   1. Ofise veya laboratuvara döndüğünüzde, 1 litrelik torbaların tümünü tezgahın üzerine koyun, açın ve en az 48 saat boyunca hava ile kurumasını bekleyin.
      NOT: Hava ile kurutma, gelecekteki analizler için organik ve kimyasal özellikleri korurken toprak neminin çoğunu giderir.
   2. Daha ileri analizler için numuneleri bir üniversite uzatma laboratuvarına (örneğin, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) veya ticari bir laboratuvara (örneğin, http://www.al-labs-west.com/) gönderin. Alternatif olarak, aşağıda belirtilen kabul görmüş yöntemleri kullanarak numuneyi eğitimli teknisyenler tarafından şirket içinde çalıştırın.
   3. Partikül boyutu dağılımı²⁶, kaya fraksiyonu (RF; 2 mm'den büyük ağırlık yüzdesi), toprak fraksiyonu (SF; 2 mm'den küçük yüzde) ve doku (kum, silt ve kil yüzdeleri) gibi fiziksel toprak parametreleri dahil olmak üzere temel laboratuvar analizleri gerçekleştirin. Doymuş macun elektriksel iletkenliği (dS ^m-1)²⁷ ve organik madde²⁸ dahil olmak üzere temel kimyasal parametreleri kontrol edin.
   4. Önerilen: Bozulmamış, hacimsel bir numune toplamak için bir karot cihazı kullanarak 5, 10, 20 ve 50 cm derinliklerde hacimsel toprak çekirdeği örneklemesi gerçekleştirin. Toplam kuru toprak ağırlığından ve çekirdek hacminden toprak yığın yoğunluğunu (BD; g ^cm-3)²⁹ olarak belirleyin. Toprak gözenekliliği (φ; [-]) SWC'nin fiziksel üst sınırıdır. Mineral topraklar için, φ 1 - BD / PD olarak tahmin edin, burada ağırlıklı olarak kuvars mineral topraklar için parçacık yoğunluğu (PD) 2.65 g ^cm-3'tür.
      NOT: BD örnekleri ya bilinen hacimdeki bir çekirdekte ya da toprak pedleri²⁹ kullanılarak toplanır.

6. 5, 10, 20 ve 50 cm'lik probların yatay olarak yerleştirilmesi

NOT: Amaç, sensör dişlilerinin etrafında tam toprak teması sağlamak ve hava boşluklarını önlemektir.

1. Fermuar bağlarını dikkatlice kesin ve kablolardaki bobinleri çıkararak her sensörü açın. Sensör kafasını toprak çukurunun ve kabloyu açmanın yanına yerleştirin.
2. Kurulum derinliği, sensörün yüzünün yuvarlak veya dikdörtgen olmasına bakılmaksızın, yatay olarak monte edildiğinde sensörün merkezi olarak tanımlanır. Sensörü kara yüzeyinin altındaki hassas derinliğe ve mümkün olduğunca yatay olarak toprağa takın. Doğru sensör derinliği için sıfır derinlikli bir referans ve bir ölçüm cihazı (şerit metre veya cetvel) (Şekil 2) ve yerleştirme sırasında çatal aralığını korumak için bir ara parça kullanın (Şekil 2C).
3. İlk önce 50 cm'lik sensörü takın. Sensörü yatay olarak toprağa itin, sensörü kıpırdatmamaya çalışın, çünkü bu boşluklar yaratabilir. 50 cm'lik prob genellikle en zor olduğu için, epoksi kafasını kırmamaya veya çatalları ayırmamaya dikkat ederek, bu sensörü içeri itmek için daha fazla kaldıraç sağlamak için bir topraklama çubuğu kullanın. 20, 10 ve 5 cm sensör derinliklerine kadar çalışarak ekleme işlemini tekrarlayın. Sensörleri kademelendirin (Şekil 2D) veya istifleyin (Şekil 2B).
   NOT: SDI-12 protokollerindeki ölçüm zamanlaması genellikle sensörlerin aynı anda okumasını ve bitişik sensörler arasında parazit oluşturmasını önler (örneğin, 5 ve 10 cm derinlikler).
4. Her sensör kablosunu çukur yüzünün aynı tarafına yönlendirerek kazı çukurunun dibine asılmalarını sağlayın. Kazılan deliğin ve sensörlerin fotoğrafını ölçek için bir mezura ile çekin (Şekil 6A). Çukurdan birkaç metre uzaktaki enlem ve boylamı belirlemek için bir GPS kullanın. Bir günde birden fazla sahayı kazıyorsanız, çukurları ayırt etmek için benzersiz bir tanımlayıcıya sahip bir afiş kullanın.

Şekil 6: Meta veriler için örnek fotoğraflar . (A) Ölçek için mezura ile aletli toprak çukuru, (B) alet direğine geri kazılan kablo hendeği ve (C) kuzeye ve (D) güneye bakan son saha fotoğrafları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

7. 100 cm'lik prob için dikey yerleştirme

1. 50 cm'den daha büyük derinliklerdeki sensör kurulumları için, kablo açmasının içindeki veya yakınındaki her sensör için ayrı bir delik açın (Şekil 4A).
2. Bir el burgusu (5-10 cm çapında) kullanarak, uygun montaj derinliklerine kazın. Derinlik, sıfır derinlik referansına göre çatal uzunluğunun eksi yarısı olan ölçüm merkezi (örneğin, 50 cm) olarak tanımlanır (Şekil 4B).
3. Kazılan toprağı, çıkarıldığı sırayla bir muşamba üzerine yerleştirin.
4. Sensörü bir kurulum aleti kullanarak deliğin dibine iterek dikey olarak takın (Şekil 4C,4D). Burgu deliğini, kazılan toprakla en derinlerden en sığa doğru yeniden paketleyin. Toprağı küçük asansörlerle değiştirin, delikte toprak köprüsünü ve boşlukların oluşmasını önlemek için yeterince paketleyin.
   NOT: Ambalaj aletleri kapaklı bir PVC veya ahşap dübel parçası olabilir. Sensör kafasının veya kablosunun zarar görmesini önleyin.

8. Sensör kurulumunun tamamlanması ve DCP'ye kablolama

1. Sensör kabloları doğrudan gömülmüşse, muhafazaya giren yer üstü uçlarının, muhafazaya girmek için bir bölme konektörü kullanarak PVC kanalda olduğundan emin olun (Şekil 5).
   NOT: Ayrı bir yağmur ölçer kullanıyorsanız (adım 9.1), kasaya yönlendirirken bu kabloyu taktığınızdan emin olun.
2. Kanal kullanıyorsanız, kablo siperine yerleştirin ve istenen uzunlukta kesin. Kabloyu kanaldan besleyin - bu, kabloları çekmek için bir çekme ipi veya balık bandı gerektirebilir. Kabloları muhafazanın dibine bir kanal bağlantı noktasından yönlendirmek için esnek bir kanal veya 90° süpürme dirseği artı bir dikey kanal uzunluğu kullanın.
3. Kabloyu veya kabloyu/kanalı kablo açmasının altına yerleştirin. Kablo uçlarını alt muhafaza portundan çekin ve fermuarlı bağlarla sabitleyin. Muhafazada fazla kablo varsa, kanaldan geri çekin ve kazı açmasının dibindeki bobinleyin.
4. Muhafazaya geri dönen kablolarla montaj çukurunun ve hendeğin fotoğrafını çekin (Şekil 6B).
5. Toprak nemi sensörü kablolaması için, her SDI-12 sensörü için ortak bir güç (5-12 volt) ve topraklama teli kullanın. Bu bağlantıları daha kolay ve daha güvenli hale getirmek için kol konektörleri, ekleme konektörleri veya terminal blokları (Şekil 5) kullanın. Birden fazla sensör türü kullanıyorsanız, varsa DCP'de farklı bir iletişim bağlantı noktası kullanın.
   NOT: Arızalı bir SDI-12 sensörü, bir serideki diğer sensörleri kesintiye uğratabilir.

9. Yardımcı sensörler ve donanım kurulumu

1. Yağış (PPT) ölçer
   NOT: Yakalamayı iyileştirmek için, yağmur ölçerler mümkün olduğunca zemin seviyesine yakın ayrı bir dikey direğe monte edilmelidir. Ölçü aletinin çapraz kol montajına daha yükseğe monte edilmesi, daha yüksek rüzgar hızları nedeniyle yakalamayı azaltabilir.
   1. Konumu belirleyin. Yağmur ölçeri yer örtüsünün (~ 1 m) üzerinde mümkün olduğunca alçak ve yakındaki herhangi bir tıkanıklığın yüksekliğinin iki katı bir mesafede^{takın 30}. İdeal konum, kablo siperine yakındır.
      NOT: Yağmur ölçer kablosu, muhafazanın altına girmeden önce sensör kablolarının yanına gömülecektir.
   2. Dikey bir direk takın. Bir el burgusu kullanarak, ~ 50 cm derinliğe kadar bir delik kazın. Çimento veya köpük içinde yeterli uzunlukta galvanizli çelik borunun bir bölümünü ayarlayın (bkz. adım 4.1).
   3. Kürledikten sonra, sensör talimatlarına göre hortum kelepçeleri veya düz bir montaj tabanı kullanarak ızgarayı takın. Ölçünün mükemmel seviyede olduğundan emin olun.
      NOT: Çoğu ölçüm cihazının yerleşik bir kabarcık seviyesi vardır.
   4. Yeraltı kanalındaki yağmur ölçer ve muhafaza arasındaki kabloları toprak nem kabloları ile çalıştırın.
   5. Bir devrilme ölçer için, iki ipucunu DCP'deki bir darbe sayım kanalına bağlayın.
      NOT: Teller her iki tarafa da gidebilir.
   6. Üstünü çıkardığınızdan ve devrilme mekanizmasının serbestçe hareket ettiğini kontrol ettiğinizden emin olun. Kovalar genellikle sevkiyat sırasında lastik bantlarla sabitlenir.
      NOT: Yağmur ölçerler rutin temizlik ve kalibrasyon gerektirir. Yağmur ölçeri doğrudan gösterge standına veya çapraz kola monte ediyorsanız, adım 9.2'yi izleyin.
2. Diğer sensörler
   1. Dikey direğe veya çapraz kol montajlarına yardımcı ölçümler ve herhangi bir anteni yerden^10,30 yükseklikte takın.
   2. Rota, yer üstü muhafaza girişine yol açar ve gerektiğinde kablo bağlarıyla emniyete alınır. DCP üzerindeki uygun ölçüm kanallarına bağlayın.
3. Topraklama çubuğu
   1. Cihaz direğinden 0,5 m uzakta >1 m uzunluğunda bir bakır topraklama çubuğu takın. Çubuğu zemine yerleştirmek için bir çit direği sürücüsü kullanın ve ~ 20 cm açıkta bırakın.
   2. Ağır (8-10) ızgara bakır teli bir toprak kelepçesi kullanarak çubuğa sabitleyin. Diğer ucunu muhafazaya veya tripoda sabitleyin.
      NOT: Topraklama her durumda tavsiye edilmeyebilir.
4. Pili bağlayın.
   NOT: Çoğu DCP'nin 5-24 volta (V) ihtiyacı vardır, ancak 12 V en yaygın olanıdır ve çoğu toprak nem istasyonuna güç sağlamak için 7 veya 12 Amper saat (AH) yeterlidir. Burada 12V 12AH akü takımı ve voltaj regülatörü kullanılmaktadır.
   1. Şarj regülatörünün kapalı konumda olduğundan emin olun. Doğru akım voltajı için DC'ye ayarlanmış bir multimetre kullanarak, akü üzerindeki voltajın yeterli olduğunu doğrulayın (12V pil için >10V) ve işaretlenmemişse + ve - terminallerini tanımlayın.
   2. Siyah (-) telin terminal konektörünü, pilin toprak (-) direğindeki kürek terminalinin üzerinden, kırmızı kabloyu ise + pil direğinin üzerine kaydırın. Kırmızı/siyah tellerin diğer ucunu voltaj regülatörünün üzerindeki BAT portuna takın.
5. Güneş paneli
   NOT: 10 veya 20 watt'lık bir panel tipik olarak yeterlidir. Daha yüksek enlemlerde, daha gölgeli alanlarda veya yüksek güç çekişine sahip sistemlerde (örneğin, hücresel modemler, kameralar) daha yüksek watt değerine ihtiyaç vardır. Panel, 1 yıl boyunca maksimum olay güneş radyasyonu alacak şekilde yönlendirilmelidir.
   1. Elektrik bandını güneş panelindeki her bir ucun etrafına ayrı ayrı sarın.
      NOT: Panel güneş ışığına maruz kalırsa bu teller akım taşıyacaktır.
   2. U-cıvataları kullanarak, güneş panelini muhafazanın üzerine ve enstrüman standının ekvatora bakan tarafına (örneğin, ABD'de güney) monte edin. Site enlemi için uygun açıyı kullanın, genellikle ABD'de 25° ila 35°.
   3. Kabloyu yer üstü muhafazası giriş noktasına yönlendirin. Bandı panel uçlarından çıkarın. Amper için A olarak ayarlanmış bir multi-metre kullanarak, güneş panelinin çıkışının >0,1 A olduğunu doğrulayın.
   4. Doğru akım voltajı için DC'ye ayarlanmış bir multi-metre kullanarak, güneş panelinin çıkışının >10V olduğunu doğrulayın ve işaretlenmemişse + (genellikle kırmızı) ve - (genellikle siyah) uçları tanımlayın. Güneş panelinden gelen - kurşunu G (toprak) portuna, ardından şarj regülatöründe SOLAR portundan + lead'i bağlayın.
      NOT: Kıvılcımı en aza indirmek için güneş panelini bir muşamba veya opak bir şeyle örtün.
   5. CHG veya şarj ışığının artık yandığından emin olun.
6. Uzaktan veri iletişimi
   NOT: Hücresel veri telemetrisi, DCP'den veri iletme ve gönderme yeteneği sağlar. OpenSignal gibi akıllı telefon uygulamaları, sinyal gücünü ve en yakın hücre kulesine gidişi ölçebilir. Çok yönlü, çok bantlı antenler tercih edilir; Bununla birlikte, yönlü (Yagi) tipi bir anten daha uzak alanlarda sinyali iyileştirebilir.
   1. Anteni, birlikte verilen U-cıvataları kullanarak cihaz direğinin üst kısmına takın.
   2. Koaksiyel kabloyu antene bağlayın ve diğer ucunu yer üstü sensör kanalı aracılığıyla muhafazaya yönlendirin. Kabloyu fermuarlı bağlarla sabitleyin.
   3. Diğer ucunu kasadaki hücresel modeme bağlayın.
7. Sistemi güçlendirme
   NOT: Bu noktada, DCP programının yazıldığı ve tüm sensörlerin uygun bir şekilde kablolandığı varsayılmaktadır. Güneş paneli ve şarj edilebilir pil, DCP güç portlarına bağlı kırmızı / siyah bir güç kablosu ile bir voltaj regülatörüne bağlanır.
   1. Voltaj regülatörünü açma düğmesine basın. DCP yazılımını başlatın ve DCP'ye bir dizüstü bilgisayar bağlayın. Tüm sensörlerin bir sayı değil (NaN) veya bir hata değeri değil, değerleri bildirdiğini doğrulayın.
   2. Her toprak sensöründe SWC, BEC ve T değerlerini kontrol edin. SWC değerlerinin >0,05 m 3/^{m3 ve <}0,60 m 3/^m3 olduğundan emin olun. Menzil dışı sensörleri kontrol edin; şüpheli herhangi bir sensörü yeniden takın veya değiştirin. Yağmur ölçerden biraz su dökün ve DCP'nin sayıları kaydettiğini doğrulayın.
      NOT: Düşük BEC değerleri (<0,001) zayıf sensör temasını (veya çok kuru toprakları) gösterebilir. Daha sıcak mevsimlerde monte edilirken, T genellikle üstte en sıcak ve altta en soğuktur.
   3. Hücresel iletişim gücünü kontrol edin. Sinyal gücünü belirlemek için üreticinin belgelerini izleyin.
      NOT: İyi sinyal kalitesi sağlamak için sinyal gücü > -100 dBm olmalıdır. Sinyal sinyalini iyileştirmek için yön antenleri döndürülebilir. Hücresel ötesinde birçok iletişim seçeneği mevcuttur (örneğin, uydu).

10.Site tamamlama

1. Yeraltındaki her şeyin çalıştığından ve kanaldaki kabloların veya kabloların tümünün siperin içinde olduğundan ve muhafazaya yönlendirildiğinden emin olduktan sonra, nemden korumak ve böcekleri mahfazadan uzak tutmak için yer üstü ve yer altı muhafaza girişlerinin açıklıklarını elektrikli macunla doldurun ve kapatın.
2. Yüzeydeki sensör konumlarının dış çevresini, parlak bayraklı kalıcı kazıklarla tanımlayın.
3. Kazılan alanı, muşamba üzerindeki toprağı kullanarak ve ters kaldırma sırasına göre (Adım 3.1) (en derinden sığa kadar) doldurun. Toprağı hendek yüzüne ve sensör kafasının etrafına 50 cm'de elle paketleyerek başlayın ve sensörü rahatsız etmemeye özen gösterin. Sensör kafasını etrafına toprağı paketlerken destekleyin, böylece sensör çatalları hareket etmez.
4. Kalan tüm sensör kablolarının hala açmanın dibine yakın bir yerde durduğundan emin olun; daha sonra, onları muşambadan daha derin toprakla dikkatlice örtün. Kabloları sabitlemek için toprağı çukurun dibine sıkıştırın, herhangi bir kuvvetle aşağı doğru çekmemeye dikkat edin. Çıkarılan malzemenin benzer kütle yoğunluğunu sağlamak için sıkıştırma sırasında yeterli kuvvet kullanın.
   NOT: Kurulum sırasında ıslanan topraklar kolayca aşırı sıkıştırılabilirken, daha kuru topraklar kuvvetten bağımsız olarak gevşek kalabilir.
5. Çukuru 10 cm'lik asansörlerle doldurun, 20 cm'lik sensöre ulaşılana kadar yüzeyi pürüzsüzleştirin ve sıkıştırın. Yine, 10 cm'lik başka bir toprak asansörünü doldurmaya geri dönmeden önce toprağı sensörün altına ve çevresine dikkatlice paketleyin.
6. Son olarak, toprağı 10 cm'lik sensörün, ardından 5 cm'lik sensörün etrafına elle paketleyerek hem yatay hem de yerinde kalmasını sağlayın. Toprak çukurunun geri kalanını muşambadan üst topraklarla doldurun.
   NOT: Çıkarılan tüm topraklar çukura geri dönmelidir. Artık toprak, toprağın orijinal kütle yoğunluğuna paketlenmediğini gösterir.
7. Siper açma küreğini kullanarak, hendeğin yanındaki kazılmış toprağı kanal üzerinden itin. Her şeyin tamamen ve 5 cm'nin altına gömüldüğünden emin olun.
8. Çukurdaki yeniden paketlenmiş toprağı düzleştirmek için çelik bir tırmık kullanın ve hendek orijinal yüzeyle aynı hizadadır. Kanal açmasındaki kompakt toprak, kurulum alanına tercihli akışı en aza indirgemek için yeterlidir.
9. İsteğe bağlı: Karıncaları, sümüklü böcekleri ve diğer böcekleri caydırmak için herhangi bir yeraltı açıklığının etrafına ve yüzeye biraz diyatomlu toprak serpin.
10. Önerilen: Zaman içinde veri doğrulamasına ve herhangi bir ölçeklendirme ihtiyacına yardımcı olmak için yerinde sensörlerin etrafındaki yüzey toprağının okumalarını almak için taşınabilir bir SWC sensörü kullanın. Kardinal yönlerde (kuzey, güney, doğu ve batı) tutarlı mesafelerde (örneğin, 5, 10, 25 ve 50 m) okumalar yapın.

11. İstasyon meta verilerini, verilerin arkasındaki verileri kaydedin²³

NOT: Yükleme sırasında ve her site ziyaretinde meta verileri belgeleyin (bkz. Tablo 1). Tutarlı meta veri raporlaması, büyüyen uygulama topluluğunu destekler ve veri ve ağ bütünlüğünü sağlamak için kritik öneme sahiptir.

1. Benzersiz bir saha tanımlayıcısı, kurulum tarihi, sensör seri numaraları, karşılık gelen SDI-12 adresleri, ekleme yönleri (yatay veya dikey) ve derinlikler dahil olmak üzere kurulum ayrıntılarını belgeleyin.
2. Toprak profilini tanımlayın ve ilgili fotoğrafları çekin. Toplanan toprak örnekleri için numune tanımlayıcılarını kaydedin.
3. Site konumu için enlem ve boylam, yükseklik, eğim, yön, arazi kullanımı ve arazi örtüsünü kaydedin.
4. Arazi sahibi ve iletişim bilgilerinin yanı sıra kapı veya kilit kodları da dahil olmak üzere site erişilebilirliğini not edin.
5. Pusula Uygulamasını bir akıllı telefonda (veya gerçek bir pusulada) ve bir ölçüm bandında kullanarak, iki referans noktasından (örneğin, topraklama çubuğu veya tripod ayağı) sensör çukuruna (ve herhangi bir sensör burgu deliğine) olan açıyı ve mesafeyi ölçün.
   NOT: Bu, daha sonra konumlarını üçgenleştirmeye yardımcı olacaktır.
6. Tamamlanan istasyonun ve enstrüman direğinden kuzeye (Şekil 6C), güneye (Şekil 6D), doğuya ve batıya doğru yönlerin fotoğraflarını çekin. Sensör kurulum konumunu işaretleme veya diğer farklı öğelerle belirtin.

Tablo 1: Toprak nemi verilerinin toplanması için istasyon meta verileri. Kısaltmalar: Dec. = azalan; GPS = Küresel Konumlandırma Sistemi; 3DEP = 3B Yükseltme Programı; O&M = işletme ve bakım; SSURGO = Toprak Etüdü Coğrafi Veri Tabanı; Mukey = harita birimi anahtarı. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.

12. İşletme ve bakım

NOT: Meta veri kaydına, sensör değişimi, bitki örtüsü sağlığı veya değişiklikleri ya da herhangi bir saha rahatsızlığı dahil olmak üzere ayrıntılı bir bakım günlüğü eklenmelidir.

1. Yıllık olarak en az rutin saha denetimleri gerçekleştirin (Tablo 2). Tüm sensör kalibrasyonlarını veya değişimlerini kaydedin.
2. Özellikle kalıcı istasyonlar için düzenli bitki örtüsü yönetimi sağlayın, böylece alan aşırı büyümüş veya çevreye anormal hale gelmez.
3. Hayvan yönetimini, muhtemelen eskrim de dahil olmak üzere yerel vahşi yaşama uyarlayın.
4. Sensör arızası durumunda, acil durum sahasını ziyaret edin ve bir yedek takın (Tablo 2).

Tablo 2: Örnek bakım programı. Kısaltma: DCP = veri kontrol platformu. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Representative Results

SCAN ağı, 1991 yılında NRCS'nin pilot projesi olarak başladı. En uzun süre çalışan SWC veri toplama ağı^15'tir ve temsili sonuçların temeli bu protokolle sonuçlanır. Tüm tarama sahaları başlangıçta bir analog kapasitans sensörü ile başladı. Bu protokolün video bileşeninde kullanılan Maryland, Beltsville'deki saha kurulum sahası (SCAN 2049), saatlik hava ve toprak sıcaklığını ve (Şekil 7B) saatlik SWC'yi 5, 10, 20, 50 ve 100 cm derinliklerde izler. Günlük PPT, 20 cm'ye kadar toprak suyu depolama (SWS) ve zaman içindeki değişimi (dSWS) Şekil 7C'de gösterilmiştir. Her PPT olayı için, yüzeye yakın SWC'de keskin bir artış (5 ve 10 cm) ve ıslatma cephesi yerçekimi altında aşağı doğru yayıldıkça daha büyük derinliklerde daha zayıflatılmış ve gecikmiş bir artış vardı. 2022 yılının Şubat ve Nisan aylarındaki olaylar sırasında, 100 cm'deki en derin sensör, birkaç gün boyunca sürdürülen 0,33 m³ /^m3'lük bir platoya ulaştı. Bu koşullar kısa doygunluk süresini gösterir. Karakterizasyon verilerinden elde edilen toprak ufku kuru kütle yoğunluğu (Tablo 3) 1.73 g /^cm3 olup, tahmini gözeneklilik (φ) 0.35 [-] olup, gözenek boşluğunun tamamen suyla dolu olduğuna dair ek kanıtlar sağlamıştır. Toprak profilinin kumlu tınlı / tınlı kumu göz önüne alındığında, doymuş koşullar büyük olasılıkla zayıf drenaj veya drenajı engelleyen sığ bir su tablası tarafından üretilmiştir. Not, bu bölgedeki hava sıcaklığı Nisan ayına kadar çoğu akşam donma noktasının altına düşer; Bununla birlikte, toprak sıcaklıkları 2 ° C'nin üzerinde kalmıştır ve SWC verilerinde herhangi bir derinlikte donmuş su belirtisi yoktur.

Şekil 7: Beltsville, Maryland'de bulunan saha istasyonundan (SCAN 2049) örnek sonuçlar. (A) Saatlik hava ve toprak sıcaklığı, (B) saatlik SWC ve (C) günlük yağış, 20 cm'ye kadar toprak suyu depolama ve zaman içindeki farkı. Kısaltmalar: SWC = toprak suyu içeriği; PPT = yağış; SWS = toprak suyu depolama; dSWS = SWS'deki zaman içindeki farklılıklar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tablo 3: Temsili sonuçlarda sunulan veri örnekleri için saha verileri ve toprak karakterizasyonu. Şekil ve tablolarda sunulan tüm veriler, her site için belirtilen URL'deki NRCS çevrimiçi veritabanından alınmıştır. Toprak karakterizasyon verileri Masa Dağı (#808) için mevcut değildi. Kısaltmalar: NRCS = Doğal Kaynakları Koruma Hizmeti; URL = tekdüzen kaynak konumlandırıcı; c = kil; fsl = ince kumlu tırtıl; ls = tınlı kum; s = kum; sc = kumlu kil; scl = kumlu kil tınlı; si = silt; sil = silty tınlı; sl = kumlu tırtıl; nd = veri yok; BD = kütle yoğunluğu 33 kPa. Bu tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.

Doygunluğun daha aşırı bir örneği, Yazoo, Mississippi yakınlarındaki bir tarama konumu (2110) için Şekil 8'de gösterilmiştir. Topraklar çok yüksek kil içeriğine (% 60'ın üzerinde), 1.06 ila 1.23 g /^cm3 arasında değişen düşük kütle yoğunluklarına ve 0.54 ila 0.60 [-] arasında değişen bir φ sahiptir (Tablo 3). 13 Nisan 2020'de ~ 40 mm'lik ilk PPT olayı, ölçülen > çok yakın olan 12 ardışık gün boyunca tüm derinliklerde toprağı φ 0.60^{m 3 / m3'lük} bir SWC'ye doyurdu. 20 Nisan 2020'de 70 mm / gün'lük ikinci bir olayın dSWS üzerinde hiçbir etkisi olmadı, bu da doygunluk-aşırı akış olduğunu düşündürdü. Benzer bir doygunluk dönemi Kasım 2020'de dikkat çekiciydi. 100 cm'de ölçüm yapılmamasına rağmen, 50 cm'deki SWC, mütevazı bir şekilde 0.36 m 3 /^m3'e düştüğü yaz sonu hariç, 0.39 m³ /^m3'te sabit^kaldı. Site notları (Ek Tablo S2), çoğu SCAN ve USCRN sahasında kullanılan kapasitans sensörlerinde olduğu gibi, 'tınlı' sensöre özgü kalibrasyon^31'in kullanıldığını göstermektedir. Her iki örnek de, SWC verilerinin yorumlanmasında saha karakterizasyonu sırasında toplanan toprak karakterizasyonunun ve BD verilerinin (adım 5) önemini göstermektedir.

Şekil 8: Örnek Yazoo, Mississippi yakınlarında bulunan nemli, ılıman bir alandan (SCAN 2110) elde edilen sonuçlar . (A) Saatlik hava ve toprak sıcaklığı, (B) saatlik SWC ve (C) günlük yağış ve toprak suyu depolamasındaki değişim. Kısaltmalar: SWC = toprak suyu içeriği; PPT = yağış; SWS = toprak suyu depolama; dSWS = SWS'deki zaman içindeki farklılıklar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9 , ıslatma cephesinin toprak profilinde aşağı doğru sıralı yayılımına neden olan beş ıslatma olayı ile beş derinlikte in situ SWC'nin daha basit bir zaman serisini sunmaktadır. Bu tarama alanı (2189), San Luis Obispo, CA yakınlarında, ıslak bir bahar ve 0.37 ila 0.51 [-] arasında değişen bir φ sahip kumlu bir tınlı toprakta uzun, kurak bir yaz ile Akdeniz ikliminde yer almaktadır (Tablo 3). Toprak yüzeyi ıslanmasına verilen tepki hızlıydı ve derinlikle birlikte büyüklükte azaldı. 5 gün boyunca yapılan son büyük PPT etkinliği, 50 ve 100 cm derinliklerde yanıt göstermek için yeterliydi. Derinlik arttıkça, toprak sıcaklığı genliğinin günlük döngüsü azaldı ve maksima ve minima sıcaklıklarının zamanı hava sıcaklığının ve sığ derinliklerin daha da gerisinde kaldı (Şekil 9A). Bu özellikler, bir sonraki bölümde tartışıldığı gibi, sensör derinlikleri arasında ayrım yapmak için yararlı olsa da, SWC'nin 5 ve 10 cm derinliklerdeki dalgalanması üzerinde de dikkate değer bir etkisi olmuştur. SWC genliği 5 cm'de ~0.02 m³/m³ , 10 cm'de ~0.01^m3/^m3 ve daha derin sensörlerde daha ihmal edilebilir düzeydeydi. Aynı zamanda toprak sıcaklıkları ile de aşamadaydı ve sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle sensörde gürültünün daha fazla indüklenmesi daha olasıydı ve toprak neminin veya gerçek yağışın herhangi bir fiziksel hareketinin sonucu olması muhtemel değildi. Bu kurutucu alan (2189), SWC verilerinde sıcaklık gürültüsü göstermeyen daha mesik alan kurulum alanından (2049) çok daha büyük toprak sıcaklığındaki günlük değişikliklere sahiptir (Şekil 7B).

Şekil 9: Örneğin, San Luis Obispo, Kaliforniya yakınlarında bulunan yarı kurak, Akdeniz sahasından (SCAN 2189) elde edilen sonuçlar . (A) Saatlik hava ve toprak sıcaklığı, (B) saatlik SWC ve (C) günlük yağış ve toprak suyu depolamasındaki değişim. Kısaltmalar: SWC = toprak suyu içeriği; PPT = yağış; SWS = toprak suyu depolama; dSWS = SWS'deki zaman içindeki farklılıklar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 10, donmuş toprak ve kar örtüsü ile var olan daha zorlu SWC veri yorumlarından birini sunmaktadır. Bu site (808), Boseman, MT yakınlarında, deniz seviyesinden 4.474 fit yükseklikte bulunuyordu. Günlük hava sıcaklıkları, 2020'nin kış aylarında (Aralık, Ocak ve Şubat) zaman zaman donma sıcaklıklarını aştı. Toprak sıcaklıkları Mart ayına kadar 0 ° C'nin biraz üzerinde kaldı. Yüzeydeki karın varlığı, toprağı hava sıcaklığı değişimlerinden izole edecektir. Ayrıca, nemli topraklarda, donma-çözülme döngüleri ile ilgili faz geçiş süreçleri, tamponlanmış toprak sıcaklıkları ile birlikte gizli ısının salınması ve enerji tüketimi, bu faz değişiklikleri tamamlanana kadar 0 ° C'ye çok yakın tutulur. Dondurucu topraklardaki küçük buz ε, SWC'de dramatik düşüşler ve ardından PPT belirtisi olmadan çözülme sırasında artışlar olarak ortaya çıkar. Bu, hava sıcaklıklarının hızla düştüğü ve 5 ve 10 cm'deki SWC'nin 3 gün boyunca azaldığı ve daha sonra geri teptiği Aralık ayının ortalarında ve Mart ayının ortalarında en belirgin olanıydı. 100 cm'deki toprak sıcaklığı Kasım ayı ortalarında donma noktasına ulaştı ve önceki sonbaharda, tüm kış boyunca düşük bir SWC'deydi ve ilkbahar çözülmesi sırasında değişmedi, bu da arızalı olabileceğini düşündürüyordu. Bununla birlikte, diğer sensörlerdeki hızlı düşüşler ve geri kazanım, sıvı toprak suyundaki gerçek değişiklikler olabilir veya olmayabilir; Bu tür verileri yorumlamak, kar varlığının veya derinliğinin yardımcı ölçümleri olmadan son derece zor olabilir. Çoğu zaman, donma sırasında veya altında SWC verileri kalite kontrolünde sansürlenir. Donmaya yakın toprak sıcaklıkları hakkında daha fazla tartışma, veri kaydı kalite kontrol bölümünde sunulmaktadır.

Şekil 10: Örnek olarak Three Forks, Montana yakınlarında bulunan yarı kurak, alpin bir alandan (SCAN 808) elde edilmiştir. (A) Saatlik hava ve toprak sıcaklığı, (B) saatlik SWC ve (C) günlük yağış ve toprak suyu depolamasındaki değişim. Kısaltmalar: SWC = toprak suyu içeriği; PPT = yağış; SWS = toprak suyu depolama; dSWS = SWS'deki zaman içindeki farklılıklar. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Diğer örnekler ve karakterizasyon verileri SCAN veritabanından alınmıştır (Tekdüzen Kaynak Konum Belirleyicisi için Tablo 3'e bakın, [URL]). Bu verilerin raporlanması ve kalite kontrolü, herhangi bir düzensiz davranışı açıklamak için fiziksel bir mekanizma olup olmadığını belirlemek için bazı yorumlara ihtiyaç duyar. Yorumumuz herhangi bir yerel saha bilgisinden yoksundur ve SWC zaman serilerini yıllarca değerlendirmesine rağmen, iyi bir sensörü veya kurulumu başarısız veya kötü olandan değerlendirmek hala zor olabilir.

Şekil 11, 2020 ve 2021 yılları arasında 40 SCAN istasyonundan rastgele seçilen sorunlu veri kayıtlarının yaygın örneklerini sunmaktadır. En yaygın hatalar arasında Uluslararası Toprak Nem Ağı ³² tarafından işaretlendiği gibi ani yükselmeler (Şekil 11A) ve adım değişiklikleri (Şekil 11B) veya aşağı doğru (Şekil 11C) bulunur. Bunların her biri için, bu tür değişiklikleri açıklamak için eşzamanlı bir PPT olayı yoktur ve bunlar hatalı olarak kabul edilebilir. Anlık ani artışlar veya düşüşlerle ilgili sorun, yalnızca bu tür olayları gizleyebilen günlük araçlara bakıldığında daha da karmaşıklaşır. Herhangi bir ortalama hesaplama yapmadan önce bunları kaldırmak en iyisidir. Bir adım değişikliğinin başlangıcı ve sonu açık olabilir, ancak aradaki verileri doldurmak zordur. Bu protokolde veri doldurmaya yaklaşmıyoruz, bunun yerine yalnızca hatalı verileri işaretliyoruz. Düzensiz davranış (Şekil 11D), PPT olaylarına herhangi bir yanıt vermeden kendisini vahşi dalgalanma olarak sunar. Bazı durumlarda, Ağustos 2020'den sonra Şekil 11A'da gösterildiği gibi, kablolama kontrolleri ve çoklayıcı değişiminden sonra ani artışlar kaybolabilir. Daha sık olarak, düzensiz davranış, Şekil 11E'de gösterildiği gibi, arızalanan bir sensörün başlangıcıdır. 10 cm derinlikteki sensör, Ocak ayında düzensiz davranış ve Mart ayı sonlarında arızalanma konusunda makul bir uyarı verdi. Ancak 5 cm derinlikteki sensör, 1 Mart 2021'de uyarı vermeden arızalandı.

Şekil 11: Problem kayıtları örnekleri. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, 5 cm'de periyodik düşüşler gösteren, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, 50 cm derinlikte pozitif bir adım değişikliği ile, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, aşağı doğru adım değişimi, sivri uçlar ve hatta 50 cm derinlikte toparlanma ile, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Teksas, 5 veya 10 cm'lik sensördeki yağış olaylarına yanıt vermeyen, 10 cm'lik sensörün bir miktar geri kazanılmasını takiben her ikisinin de seçkin arızası ve (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, 20 cm'de bir glitching sensörü ve hem 5 hem de 20 cm derinliklerde felaket arızası. Sensör derinlikleri 5 cm (siyah), 10 cm (mavi), 20 cm (turuncu), 50 cm (koyu gri) ve 100 cm (sarı) olarak gösterilir. Kısaltmalar: SWC = toprak suyu içeriği; PPT = yağış. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

SCAN 2084'te, site 2/6/2004 tarihinde veri kaydetmeye başladı ve SDI-12 çoklayıcılarla ilgili birkaç düzensiz davranış notuna sahipti ve bunlar birkaç kez değiştirildi (Ek Tablo S2). Bununla birlikte, sensörler orijinaldir ve 18 yıl sonra işlevsel kalır. SCAN 2015'te, veri toplama 25.10.1993 tarihinde başlamış ve Şekil 11B'deki 50 cm'lik sensör 2017 yılında şüpheli olarak kabul edilmiştir (Ek Tablo S2). En eski site olan SCAN 808, 30.09.1986 tarihinde raporlamaya başlamış ve 25.10.2006 tarihinde bir tarama istasyonuna dönüştürülmüştür; bugüne kadar herhangi bir sensör değiştirilmedi. Anormallikler, Şekil 11E'de gösterildiği gibi, Şekil 10'da makul veriler bulunduğundan, her zaman başarısızlıkla sonuçlanmaz. SCAN 2006, 10/1/1993 tarihinde raporlamaya başladı; Şekil 11D'deki orijinal 5 ve 10 cm'lik sensörler 24.01.2022 tarihinde değiştirilmiştir. SCAN 2027, 19.05.1999 tarihinde raporlamaya başladı; Şekil 11E'deki orijinal 5 ve 10 cm'lik sensörler 13.08.2021 tarihinde değiştirilmiştir. Belirtildiği gibi, tarama bölgeleri analog kapasitans sensörü ile başladı. Bu sensörlerin birçoğu 20 yıldan fazla sürdü ve en yüksek kalitede veri üretmek zorunda olmamakla birlikte, işlevsel kaldı. Bir sensörün değiştirileceği noktanın belirlenmesi, uygulayıcılar için açık bir soru olmaya devam etmektedir. Şekil 11'deki siteler için saha meta verileri ve toprak özellikleri Ek Tablo S3'te bulunabilir.

Veri raporlama
Sürekli yerinde SWC sensörleri, zaman kayıt aralığı başına üç ila altı değer bildirir. Herhangi bir yardımcı ölçümün yanı sıra, SWC sensörlerinin uzun süreli konuşlandırılması, depolanması ve teslim edilmesi gereken büyük miktarda birim değerli veri üretir. Çevresel ölçümler, zaman içinde toplanan ve veri kaydı olarak raporlanan ayrı örnekleme aralıklarında yapılır. Atmosferik ölçüm örnekleme frekansı ölçüme göre değişir; rüzgar ve güneş radyasyonu ölçümleri için daha büyüktür (<10 s) ve hava sıcaklığı ve nemi (60 s) için daha ^{büyüktür30}. Bu örnek değerlerin ortalaması 5 dakika ile 1 saat arasında değişebilen bir raporlama aralığı boyunca toplanır veya biriktirilir. Benzer şekilde, SWC, raporlama aralığında anında örneklenebilir veya örneklenebilir (örneğin, her 5 dakikada bir) ve SWC'nin dinamikleri karşılaştırıldığında nispeten daha yavaş olduğundan, ortalama 30 dakika veya 60 dakika ortalamalara alınabilir. Daha sık örneklemenin ortalaması, sıcaklık dalgalanmalarından, elektriksel parazitten ve doğal sensör değişkenliğinden kaynaklanan gürültüyü azaltabilse de, veri artışları daha önce tartışıldığı gibi ortalama değeri önyargılı hale getirebileceğinden, bu tavsiye edilmez. Çoğu SWC veri kaydı her saat algılamadan memnun olabilir, ancak daha yüksek hızlı drenaj koşullarına (kumlu toprak) ve yoğun PPT'ye (muson koşulları) sahip bölgeler için, bazı ağlar yağış olaylarını tam olarak yakalamak için 20 dakikalık bir zaman aralığında kayıt yapar. Son olarak, veri iletimi veya telemetri teknoloji (örneğin, uydu sistemleri) tarafından sınırlandırılabilir veya veri boyutuna ve frekansına dayalı maliyet katmanlarına sahip olabilir. Raporlama aralıklarını ve telemetreli değişkenleri optimize etmek, maliyetleri kontrol etmeye yardımcı olabilir. Örneğin, ham değerlerin (örneğin, ε veya sayımlar) iletilmesi, son işlemede hesaplanabilen türetilmiş değerlere (örneğin, SWC) tercih edilir. Veri çözümlemesi telemetri paketi boyutunu da etkileyebilir; Bununla birlikte, SWC'yi %0,1 çözünürlükte yüzde (%0,0-100,0) veya 0,001^{m3 m-3}çözünürlükte ondalık (0,00-1,00) olarak temsil etmek önemlidir. ^{Daha sonraki}analizlerde ve raporlamalarda su içeriğinin yüzde değişimleri ile karışıklığı önlemek ve yüzde su içeriği olarak da rapor edilebilecek kütle bazlı su içeriği (g / g) ile karışıklığı önlemek için ^{m3 m-3'teki} ondalık versiyon büyük ölçüde tercih edilir. Toprak sıcaklığı, ε ve BEC genellikle sırasıyla 0.1 ° C, 0.1 [-] ve 0.1 dS ^m-1 çözünürlüklerinde bildirilmiştir.

Veri kaydı kalite kontrolü
Veri kaydı kalite kontrol süreci, verileri doğrular ve kalitesini belgeler. Doğru saha notları ve kalibrasyon günlükleri, veri kaydının işlenmesinde çok önemlidir. Bir kaydın işlenmesindeki tipik adımlar, ilk değerlendirme, bariz hatalı verilerin kaldırılması, türetilmiş değer hesaplamalarının veya düzeltmelerinin uygulanması ve son veri değerlendirmesidir. SWC kayıtları genellikle SWC'yi türetmek için çeşitli derecelerde kullanılan bir sinyal (örneğin, ε, sayım veya mV), toprak sıcaklığı ve BEC'den oluşur. Sensörler ayrıca üretici kaynaklı bir SWC çıkışı da verebilir. Bununla birlikte, hiçbir sensör SWC'yi doğrudan ölçmez; Bu hesaplama, uygun bir kalibrasyon denkleminin mevcut olduğu ve meta veri kaydının bir parçası yapıldığı varsayılarak, veri hesaplama adımının bir parçası olabilir. Bir kayıt, anlık bir ölçüm veya belirli bir süre boyunca ortalama olabilir. Kalite kontrol için en uygun formatların hesaplanabilmesi ve kalibrasyon denklemlerindeki veya sensör anlayışındaki iyileştirmelerin ham verilere uygulanabilmesi için ham verilerin muhafaza edilmesi arzu edilir. Sensör özellikleri, anlık değerlerin mi yoksa çoklu okumaların ortalama değerlerinin mi kaydedileceğini belirlemelidir, ancak anlık değerler daha önce verilen nedenlerden dolayı tercih edilir.

Yardımcı verileri (aşağıdaki veri doğrulamasına bakın) bir kalite kontrol iş akışına dahil etmenin birkaç yolu vardır. Yağış ilk kontroldür - "SWC bir yağmur olayından sonra arttı mı?" SWC'nin PPT olmadan artabileceği durumlar vardır (örneğin, kar erimesi, yeraltı suyu deşarjı, sulama). İkinci kontrol, toprak suyu depolamasındaki değişimi belirli bir olay için toplam PPT miktarıyla karşılaştırmaktır (Şekil 7C). İdeal olarak, bu olay izole edilmiş, düşük yoğunluklu bir yağış olayı olmalıdır. Yağış toprağa yüzeyden sızar ve aşağıya doğru süzülür. SWC'deki tepe noktası aşağı doğru benzer bir paterni izlemelidir (Şekil 7B). Bununla birlikte, tercihli akış, sığ bir sensörü atlamak için sızan suya veya daha derin sensörlerde hızlı bir tepkiye neden olabilir. Bunlar 'gerçek' tepkiler olsa da, kurulum açmasının veya bireysel bir sensörün etrafındaki zayıf sıkıştırma, suyu tercihen bir sensöre doğru yönlendirebilir. Islatma önden varıştaki önyargı, yağış veya kar erimesi olaylarına olağandışı tepkileri yorumlarken dikkatli ve sağduyulu kullanılmalıdır. Tablo 3'te gösterildiği gibi, BD, mineral topraklarda toprak gözenek boşluğunun üst sınırını, φ [-] belirler. Rutin olarak φ büyük su içerikleri, arızalı bir sensörü veya uygunsuz sensör kalibrasyonunu gösterir. İlk durumda, veriler kayıttan silinebilir. İkinci durumda, yeniden kalibrasyon, yeniden kalibrasyona göre değiştirilen değerlerle kaydın korunmasına izin verebilir.

Toprak sıcaklığı, kalite kontrol verilerine yardımcı olan başka bir değişkendir. Toprak sıcaklığı toprak sütununda aşağı doğru yayılır ve derinlikle zayıflar (Şekil 7A). Sıcaklık, sensör derinliği arttıkça yüzey zirvesinden artan gecikme süresi ile yüzeye daha erken ve daha yüksek bir yerde zirveye ulaşmalıdır. Sıra dışı sensör gecikmeleri, yanlış tanımlanmış bir derinliğin veya yanlış SDI-12 adresinin bir göstergesi olabilir. Şekil 10'da gösterildiği ve burada tartışıldığı gibi, elektromanyetik sensörler, buz için ~ 3'ten su için ~ 80'e kadar değişen ε değişikliklere bağlıdır. Su ve buz arasındaki değişiklikler SWC sensörleri tarafından kaydedilir. Bununla birlikte, sensörün algılama hacmi toprak sıcaklığı termistörünün algılama hacminden farklı olduğundan ve eşik 4 ° C'ye kadar yüksek olabileceğinden, işaretleme eşiğini yükseltmek gerekebilir. Donma derecesi ve nispi sıvı su miktarı toprak hidrolojisini değerlendirmek için önemli olabileceğinden, bu veriler donmadan etkilendiği ve mutlaka çıkarılmadığı için işaretlenmelidir. En temel düzeyde, kalite kontrol, bazı fiziksel mekanizmalara herhangi bir düzensiz sensör tepkisini rasyonelleştirmelidir, aksi takdirde bu bir hatadır. Otomatik kalite kontrol rutinleri büyük ağlar ve farklı veri kaynakları^13,33,34,35 için bir gereklilik olsa da^, uzun vadeli veri kalitesini korumak için verilere göz atmanın yerini hiçbir şey tutamaz.

Veri doğrulama
SWC verilerinin en zorlu yönlerinden biri doğrulamadır - "sensör iyi ve doğru veriler sağlıyor mu?" Çoğu çevresel sensöre dağıtımdan sonra erişilebilir ve bir süre sonra yeni bir sensörle değiştirilebilir, standartlara göre yeniden kalibre edilmek üzere üreticiye veya laboratuvara iade edilebilir ve/veya verilerin sahadan toplanan bir numuneye göre doğrulanmasını sağlayabilir. Meteoroloji kuruluşları, sensör rotasyonları, sensör bakımı ve önleyici bakımın veri doğrulamasının ilk geçişi olarak hizmet etmesine izin veren saha içi kalibrasyonlar dahil olmak üzere atmosferik sensörler için katı prosedürler izler^10,30. SWC sensörleri yerinde gömülüdür ve önemli bir saha rahatsızlığı ve sensörde potansiyel hasar olmadan denetlenemez veya yeniden kalibre edilemez. Ayrıca, SWC sensörleri için kabul edilmiş bir standart yoktur ve bu nedenle veri doğrulama, beklenen sensör tepkisi hakkında biraz bilgi ve sensörün kendisine biraz güven gerektirir. Her ikisi de pratik deneyim ve sahada takip edilen en iyi uygulamaları gerektirir (yani, saha bakımı ve denetimleri). Şekil 11'de gösterildiği gibi olağandışı performans sorunları kronikleşirse, sensörün arızalanma olasılığı yüksektir ve değiştirilmesi gerekir.

Elektromanyetik sensörlerin hareketli parçaları yoktur ve tel ve devre sağlam olma eğilimindedir. 3 yıl sonra, Teksas Toprak Gözlem Ağı, iletim hattı osilatör sensörleri²¹ için% 2'lik bir arıza oranı bildirdi. 10 yıldan fazla süren hizmetten sonra, ABD İklim Müdahale Ağı, empedans sensörlerinin arıza oranında, 2014'ten 2017'ye kadar 100 başına 15-18 probda belirgin bir artış olduğunu bildirdi³⁶. Şekil 11'de gösterildiği gibi, çoğu SCAN sensörü arızadan önce 20 yaşın üzerindeydi. Bir sensörün arızadan önce değiştirilmesi tercih edilir, böylece sensör havada, suda ve kumda yeniden değerlendirilebilir ve bunlar kaydedilmişse (örneğin, adım 1) dağıtım öncesi değerlere karşı sapmayı kontrol etmek için diğer nedenlerin yanı sıra tercih edilir. Rutin değiştirme, SWC sensörlerinde biraz pratik değildir ve büyük ağlarda nadiren yapılır ve zaman içinde elektromanyetik SWC sensörü değişiminin uzun vadeli değerlendirmelerinden haberdar değiliz. USCRN ağı, kapasitans sensörlerini kullanarak 10 yıldan fazla bir süre sonra şu anda yeni bir sensör teknolojisine geçmektedir. Plan, herhangi bir ayarlama yapmak için eski ve yeni sensörler arasında en az 2 yıllık bir örtüşmeye sahip olmaktır.

Düzenli bakım ziyaretleri, ideal olarak bir dizi nem koşulunda SWC verilerinin doğrulanmasını içermelidir. Bu, bazı toprak örneklerine veya doğrudan sahada toplanan hacimsel toprak çekirdeklerine ideal olarak kalibre edilen taşınabilir bir sensör kullanılarak dolaylı olarak gerçekleştirilebilir. En iyi yaklaşım, eşdeğer derinliklerdeki hacimsel toprak örneklerinden SWC ile yerinde sensör okumalarını karşılaştırmaktır³⁷ (Şekil 12). Planlı bakım, bir dizi toprak nemi koşulunu kapsamaya çalışmalıdır, böylece doğrudan/dolaylı SWC ölçümleri ile tesadüfi sensör okumaları arasındaki basit bir regresyon karşılaştırılabilir. Daha derin toprak örneklemesi burgu deliklerinde veya mekanik karot cihazları ile yapılabilir. Yüzey sensörlerinin doğrulanması (örneğin, 5 ve 10 cm) yeterli olabilir, çünkü daha derin sensörler daha önce tartışıldığı gibi PPT'ye benzer bir karakteristik tepki izlemelidir. Bu post hoc SWC değerlendirmesinin birkaç sınırlaması vardır. Birincil dezavantaj, hacimsel numunelerin doğrudan sensörlere alınamaması (veya alınmaması gerektiği) ve dişlerin etrafındaki algılama hacmindeki SWC'yi (3 cm içinde) gerçekten temsil edememesidir. Bu da ikinci dezavantaja yol açar; temsili bir alan SWC değeri elde etmek için çok daha fazla örnekleme yeri ve derinliği gerekebilir. Bu aynı zamanda sitenin etrafında çok fazla delik ve rahatsızlığa neden olabilir. Üçüncü bir dezavantaj, toprak profilini bozan kazı yapılmadan derinlemesine hacimsel toprak örnekleri elde etmenin zorluğudur.

Şekil 12: Volumetrik SWC verileri. Saha kalibrasyon verisi olarak alınan 60^cm3 toprak çekirdeklerinden alınan SWC verileri, 15, 30, 45 ve 60 cm derinliklerde, tınlı, ince kumdan kile kadar değişen dokularda bulunan yerinde sensörlerden SWC ile karşılaştırılmıştır. Bu rakam Evett et ^al.37'den uyarlanmıştır. Kısaltma: SWC = toprak suyu içeriği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

NRCS, bir burgu deliğinin dibindeki örnekler için bir uzatma çubuğu üzerinde hacimsel bir örnekleme tüpü (Madera tarzı bir prob) kullanarak burgu deliklerinde bir toprak örnekleme yöntemi geliştirdi³⁸. Bu doğrudan ölçümler, yerinde sensörlerin mekansal temsili 13,41'in kalibre edilmiş bir değerlendirmesini sağlamak için taşınabilir sensörlerden ^37,39,40 dolaylı ölçümlerle de birleştirilebilir. Protokol adım 10.10'da açıklandığı gibi, bu işlem, bazı metriklerin (örneğin, kök ortalama kare hatası, önyargı, korelasyon) in situ sensörlerin doğrudan örneklemeden veya SWC'nin dolaylı tahminlerinden herhangi bir sapmayı belirlemesine izin vermek için tekrarlanabilir. Daha fazla ayrıntı Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı IAEA⁷ tarafından da sunulmaktadır. Adım 3 ve 5'te sunulan toprak kazısı ve karakterizasyon verileri de φ hakkında veri sağlar (SWC bu değeri aşmamalıdır). Toprak dokusu ve ufuklama, yüksek/düşük iletkenlik ve toprak suyu tutma bölgelerini gösterir. Bu adımlar orman toprağı örnekleme protokolü²⁵ ile çok uyumludur. İstenilen temsil ölçeği, doğrulama veri kümesini toplamak için kullanılabilir ve daha sonra istasyon, doğrulanmış ayak izi^42'ye ölçeklendirilebilir. Bir istasyon sensörü tipi değiştirilirse, kurulum yanlılığını tekrar yakalamak için çeşitli toprak suyu koşullarında başka bir doğrulama verileri kümesi toplamak makul olacaktır.

Yardımcı veri kümeleri, SWC verilerinin doğrulanmasına ve değerlendirilmesine yardımcı olabilir. Bir hidrolojik zaman serisinin, olayların zamanlamasını, süresini ve büyüklüğünü doğrulamak için yerinde bir PPT ölçer ile önemli ölçüde iyileştirildiği açıktır. Toprak matris potansiyel sensörleri, bitki mevcut suyunun ölçülmesinde kritik olan toprak suyunun enerji durumunu sağlar. Hava sıcaklığı, bağıl nem, rüzgar hızı ve güneş ışınımı dahil olmak üzere meteorolojik sensörler, göreceli bitki suyu alımı için yararlı bir rehber olan referans evapotranspirasyonun (ET) doğrudan hesaplanmasına ve dolayısıyla toprak kurutma hızının^43'e izin verir. SDI-12 çıkışlı çeşitli ekonomik, hepsi bir arada hava durumu sensörleri mevcuttur. Bir basınç dönüştürücüsünden gelen yeraltı suyu seviyesi bilgisi, su tablası yüzeye yakınsa ve bir izleme kuyusu kurulabiliyorsa, başka bir değerli ölçümdür. Son olarak, bir saha kamerası hem bilimsel değer hem de saha güvenliği değeri sağlayabilir. Dijital görüntüler bitki örtüsünün büyümesini ve yeşilliğini kaydedebilir⁴⁴ ve istasyonun genel durumu saha ziyareti olmadan değerlendirilebilir.

Ek Tablo S1: Yaygın (ancak dahil olmayan) yerinde SWC sensör teknolojileri. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Tablo S2: Bu protokolde sunulan tüm siteler için NRCS çevrimiçi veritabanından çıkarılan sensör geçmişi günlükleri. Her URL üzerinden erişilebilen veriler. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Ek Tablo S3: Şekil 11'de sunulan veri örnekleri için saha verileri ve toprak karakterizasyonu. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.

Discussion

Toprak nem durumu, toprağın hidrolik ve fiziksel özellikleri ile birlikte yağış, bitki örtüsü, güneş ışınımı ve bağıl nem gibi birçok farklı çevresel faktörün bir sonucudur. Bunlar uzay ve zaman boyunca farklı mekansal ve zamansal ölçeklerde etkileşime girer. Su, enerji ve karbon döngülerini modellemek ve tahmin etmek için SWC durumunu anlamak gerekir. Otomatik ölçüm teknolojilerinin en yaygın türlerinden biri, bozulmamış toprağa yerinde yerleştirilmesi amaçlanan çatallı bir elektromanyetik SWC sensörüdür. Bu protokol, bu yaygın gömülebilir sensör türlerini kurma işlemi için rehberlik sağlamak üzere tasarlanmıştır. Doğruluk, performans ve maliyet tipik olarak sensörlerin çalışma frekansı ile orantılıdır; Düşük frekanslı sensörler daha az maliyetlidir, ancak toprak ve çevresel faktörler tarafından daha fazla karıştırılır⁴⁵. Toprağa veya sahaya özgü kalibrasyon, düşük frekanslı sensörlerin doğruluğunu artırabilir. Ölçüm yöntemi, elektromanyetik alanın (EMF) altında yatan fiziği nedeniyle sensör performansını da etkiler.

İki ana elektromanyetik fizik yasası elektromanyetik algılamayı yönetir. Birincisi, sensörün yayılmış EMF'sinin ortamın hem ε hem de BEC'sine nasıl bağlı olduğunu açıklayan Gauss yasasıdır. Bununla birlikte, SWC ile geçirgenlik artar, ancak BEC de artar. Bu nedenle, Gauss yasasına bağlı sensörler SWC, BEC ve BEC üzerindeki sıcaklık etkisinin yanı sıra tuzluluktan kaynaklanan herhangi bir girişimden etkilenir. Kapasitans algılama yöntemleri Gauss yasasına uyar ve bu nedenle bu etkilere daha yatkındır⁴⁶. Ek olarak, Gauss yasası, kapasitansın topraktaki EMF'nin şekliyle değişen geometrik bir faktöre bağımlılığını tanımlar. Araştırmalar, EMF şeklinin toprak yapısı ve sensör çatallarının etrafındaki su içeriğinin küçük ölçekli mekansal değişkenliği ile değiştiğini göstermiştir. Su içeriğinin ve toprak yapısının küçük ölçekli mekansal değişkenliği çoğu toprakta büyüktür, bu da geometrik faktör değişikliklerine ve bunun sonucunda toplu ortalama toprak su içeriği değişiklikleriyle ilgisi olmayan kapasitans değişikliklerine neden olur. Bu faktörler kapasitans sensörünün doğruluğunu azaltır ve veri değişkenliğini arttırır^46,47,48. Empedans ve iletim hattı salınım yöntemleri de Gauss yasasına dayanırken, zaman alanı reflektometrisi ve zaman alanı transmizomitri yöntemleri, geometrik bir faktör içermeyen ve BEC'ye bağımlı olmayan Maxwell denklemlerine bağlıdır. Hiçbir sensör sorunsuz olmasa da, zaman alanı yöntemleri, kapasitans veya empedans tabanlı yöntemlerden önemli ölçüde daha doğru ve daha az önyargılı olma eğilimindedir.

Prosedürde birkaç kritik adım vardır. Seyrek bir ağ için, SWC'nin en uygun uzamsal temsiline sahip olmak için uygun yer seçimi ve sensör konumu gereklidir. Yer seçimi, arazi erişimi veya toprak neminin yardımcı ölçüm olduğu diğer atmosferik izleme gereksinimleri gibi dış faktörlerden daha fazla etkilenebilir. Mezo ölçekli meteorolojik alanlar, mikro ölçekli etkileri en aza indirmek için geniş ve açık, iyi bakımlı çimenli yüzeylerde bulunur. Bu tür konumlar SWC izleme için daha az ideal olabilir. Uygulanabilirse, SWC izlemenin mevcut çevresel izleme istasyonundan uzakta ve temsili toprakta gerçekleşmesine izin vermek için kablosuz sensör teknolojileri 49,50,51,52,53 olarak düşünülmelidir. Aktif çiftlik operasyonları ve sulama ekipmanı etrafında çalışmak zordur. Çoğu ağ (örneğin, SCAN ve USDA-ARS), kabloları kesebilen ve sensörleri ortaya çıkarabilen pulluklar veya biçerdöverler gibi toprak işleme faaliyetlerinden kaçınmak için tarlaların saçaklarında kalır. Herhangi bir yerinde sensör ve kablonun yeterince gömülmesi ve çiftlik içi işlemlerden çıkarım yapmaktan kaçınmak için yeterince düşük bir yüzey profiline sahip olması gerekir. Kablosuz sistemler⁵³ ve çıkarılabilir sondaj deliği sensörleri⁴⁷ daha uygun olabilir. Büyük ölçekli, toprak nemine dayalı sulama kullanılarak yeraltı sularının korunması⁵⁴, SWC sensörleri için büyüyen bir alandır; Bu protokol, bozulmamış topraklarda uzamsal olarak temsil edilen uzun vadeli SWC verileri ile ilgilidir.

Bazı toprakların ölçülmesi diğerlerinden daha zordur. Kayalık, çakıllı veya çok kuru topraklarda, dişleri zarar görmeden yerleştirmek imkansız olabilir. Bir seçenek, toprak çukurunu kazmak ve sensörleri geri doldurma sırasında yerine yerleştirmek, orijinal BD'ye sıkıştırmaya çalışmaktır. kayalık topraklar, birkaç ıslatma ve kurutma döngüsünden sonra muhtemelen iyileşecek olan çok az yapıya sahip olma eğilimindedir; Bununla birlikte, bu tür bir rahatsızlık hiçbir zaman alanın toprak hidrolojisini gerçekten temsil etmeyebilir. Alternatif olarak, burgu deliklerinin dibine sensörler monte edilirse, çıkarılan toprak taşları çıkarmak için elenebilir ve sensör çatallarını barındıracak kadar derin bir şekilde deliğe yeniden paketlenebilir. Sensör daha sonra dikey olarak monte edilebilir ve burgu deliği, toprak eklendikçe sık sık sıkıştırılarak kalan elenmemiş toprakla yeniden doldurulur.

Orman toprağındaki kökler, prob yerleştirme için benzer zorluklar oluşturur, ancak bazı durumlarda kökler kesilebilir. Orman toprakları genellikle mineral toprağın üstünde organik (O) ufuklara sahiptir, bu da çok düşük BD ve yüksek spesifik yüzey alanına sahip olabilir, büyük miktarlarda bağlı su ile daha yüksek SWC'lerde çok doğrusal olmayan sensör tepkilerine neden olur⁵⁵. Dahası, uygulayıcı sıfır verisini ya O-ufkunun tepesi ya da meta verilerde bulunan mineral toprak notu olarak ayarlar. Kil bakımından zengin topraklar ve yüksek büzülme/şişme potansiyeline sahip geniş killer, ıslakken elektromanyetik sinyallere karşı son derece iletken olabilir ve kuruduğunda çatlayabilir. Bu tür topraklar, ham ölçümlerden makul SWC elde etmek için ek düzeltmelere ihtiyaç duyabilir^56,57. Sığ topraklarda, ideal maksimum derinliğe ulaşmadan önce ana kaya veya kısıtlayıcı bir toprak ufku (örneğin, kaliş veya hardpan) ile karşılaşılabilir. Konumu değiştirmek veya daha derin sensörleri takmamak gerekebilir. Aşırı kuru veya ıslak topraklar zor olabilir ve mevsimsel aşırılıkların dışında kurulum tarihlerinin seçilmesi de tercih edilir. Kuru toprak çok güçlü olabilir ve bir sensörü zarar görmeden takmanın imkansız olduğu kanıtlanabilir. Gerekirse, çukur yüzünü yumuşatmak için önceden burgulu delikler suyla doldurulabilir, ancak toprakların doğal bir duruma dönmesi biraz zaman alabilir. Islak topraklar çukur yüzlerini desteklemek için çok zayıf olabilir veya hendek suyla dolabilir. Islak bir toprağı aşırı sıkıştırmak da daha kolaydır.

Sensör çıkışı sadece SWC'yi değil, geçirgenliği de içermelidir, böylece düzeltmeler veya toprağa özgü kalibrasyonlar daha sonra yapılabilir. Yüksek frekanslı sensörler yüksek BEC topraklarda daha uygundur, ancak daha kısa çatalların daha kompakt topraklara montajı daha kolay olabilir. Bununla birlikte, belki de en kritik adım toprak temasıdır; zayıf temas, herhangi bir elektromanyetik sensörden gelen sinyali bozar. Son olarak, kazıyı yeniden doldurmak önemsiz geliyor, ancak sensörlerin alanına tercihli akışı en aza indirmek, kabloları korumak ve hayvanları bölgeyi rahatsız etmekten caydırmak için anahtardır. Toprağa veya sahaya özgü kalibrasyon sensör doğruluğunu artırabilir, ancak bu protokolde mümkün olandan daha fazla ayrıntı gerektirir. Değişen SWC seviyelerine ayarlanmış veya yeniden paketlenmiş tarla toprakları, yanıtın doğrusallığını kontrol etmek için idealdir ve bazı sensör tipleri²¹ için sahaya özgü bir kalibrasyon görevi görebilir. Dielektrik sıvılar, sensör tepkisini kontrol etmek için etkili bir ortam olabilir⁵⁸. Sıcaklık kontrollü su banyoları, toprak sıcaklığı kalibrasyonlarını iyileştirmek için kullanılabilir⁵⁹. Bu protokol, yerinde SWC sensörü kurulumu için standart bir çalışma prosedürünün oluşturulmasına yönelik ilk adımdır, çünkü mevcut bir yöntem veya SWC sensörleri ^60,61 için kabul edilmiş bir kalibrasyon yöntemi yoktur.

SWC izleme bu protokolün odak noktası olsa da, yöntemin sınırlamaları vardır ve SWC tek başına toprak suyu durumunun tam bir resmini veremez. Birçok ekosistem süreci, daha az yaygın olarak in situ⁶² olarak ölçülen toprak suyu potansiyeli ile de düzenlenir. Yakın zamanda S. Luo, N. Lu, C. Zhang ve W. Likos ⁶³ tarafından gözden geçirilen toprak suyu potansiyeli, suyun enerji durumudur; Bu tür sensörler toprak özelliklerinden daha az etkilenebilir ve SWC sensörleri⁶⁴ için kalite kontrolü sağlar. Ayrıca, SWC yığın alanı çakıllar, kayalar, kökler ve boşluk alanı (örneğin, tercihli akış yolları) içerir. Yerinde SWC sensörleri genellikle kayaların ve köklerin etrafında yeniden konumlandırılır ve çatalların etrafında yoğunlaşan sınırlı ölçüm hacmi, SWC yığın alanının ayrık ancak önemli yönlerini kaçırabilir.

Bu protokol, kuraklık izleme, su temini tahmini, havza yönetimi, tarımsal yönetim ve mahsul planlaması dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için daha uyumlu ve tek tip bir SWC verisine yol açacaktır. Uzaktan algılama platformları^4'ün ortaya çıkışı, SWC'yi küresel olarak tahmin etme yeteneğini büyük ölçüde geliştirdi, ancak bu ürünlerin hala sadece yerinde ağlar⁶⁵ tarafından makul bir şekilde toplanan zemin doğrulamasına ihtiyacı var. Bilgisayar gelişmeleri, hiper çözünürlüklü SWC modellemesi^66'nın geliştirilmesine izin vererek, yüksek çözünürlüklü ve günlük SWC statüsü üretmiştir, ancak bu ürünler belirsizliği hesaplamak için bir temel sağlamak için SWC'nin yerinde tahminlerine de ihtiyaç duymaktadır. Genellikle, yeni bir ürün piyasaya sürüldüğünde sorulan ilk soru "belirsizlik nedir?" SWC ürünleri için, doğrulama için birincil karşılaştırma yerinde ağ verileri^67'dir.

ABD Ordusu Mühendisler Birliği Yukarı Missouri Nehri Havzası toprak nemi projesi ve NOAA destekli Güneydoğu ABD ağ birikimi de dahil olmak üzere Ulusal Koordineli Toprak Nemi İzleme Ağı (NCSMMN) ile ilişkili son ağ genişletmeleri olmuştur. Bu tür uygulamalar için SWC tahminlerinin kesinliği ve doğruluğu, yalnızca veri bütünlüğüne güven sağlamak için kapsamlı protokoller ve prosedürlerle gerçekleştirilebilir. NCSMMN, toprak nemi ölçümü, yorumlanması ve uygulanması etrafında bir uygulama topluluğu oluşturarak yardım, rehberlik ve destek sağlamayı amaçlayan federal olarak yönetilen, çok kurumlu bir çabadır - veri sağlayıcılarını, araştırmacıları ve halkı birbirine bağlayan bir "insan ağı"⁶⁸. Bu protokol NCSMMN çabalarının bir ürünüdür. Bir veri kalite kontrol iş akışı yaklaşıyor.

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