制造简单且低成本的土壤表层温度与称重法含水量传感器

摘要

精确测量土壤表层5 mm内的温度和含水量，有助于加深我们对生物、化学和物理过程所受环境控制因素的理解。本文介绍了一种用于制造、校准以及使用土壤表层温度和湿度传感器进行测量的实验方案。

摘要

量化土壤表面的温度和湿度对于理解土壤表层生物群如何响应环境变化至关重要。然而，在土壤表面，这些变量具有高度动态性，而标准传感器无法明确测量土壤剖面最上层几毫米的温度或湿度。本文介绍了一种制造简单且低成本传感器的方法，可同时测量土壤表面最上层5 mm范围内的温度和湿度。除传感器的构建方法外，还详细说明了针对不同基质的质量控制步骤以及校准流程。该传感器采用E型热电偶测量温度，并通过测量传感器末端两个镀金金属探针在5 mm深度处的电阻来评估土壤湿度。本文所述方法可根据需要调整，以定制适用于不同深度或基质的探针。这些传感器已在多种环境中有效应用，能够经受热带森林中持续数月的强降雨以及美国西南部沙漠中强烈的太阳辐射。实验结果表明，这些传感器在全球变化实验中可有效用于评估土壤表面的增温、变干和冻结过程。

引言

环境传感器是评估、监测和理解生态系统动态的关键工具。温度和湿度是土壤中生物过程的基本驱动因素，影响土壤生物的活性及其群落组成^1,2。此外，温度和湿度已被证明会影响种子萌发的时间以及凋落物分解速率^3,4,5。在旱地生态系统中，未被维管植物覆盖的土壤表面通常被苔藓、地衣和蓝细菌等群落所覆盖，这类群落被称为生物土壤结皮（biocrust）（图1）。这些群落存在于土壤表层，极少深入土壤超过几毫米⁶。生物土壤结皮可显著影响土壤稳定性、水分入渗与蒸发速率、反照率、温度、养分循环以及土壤与大气间的CO₂交换^7,8,9。反过来，在某些系统中，这些地表群落的活动可主导整体土壤特性及多种生态过程的速率¹⁰。专门针对浅层深度进行测量的传感器有助于我们进一步理解表层温度和湿度如何影响种子萌发、分解速率以及土壤表层生物的响应，以及其他多种生态系统功能。

近年来，土壤传感器技术的发展凸显了空间显式测量在理解土壤表层生物过程中的重要性^11,12。传统的土壤水分分析方法通常将传感器置于土壤表层以下，并常对不同深度的测量值进行整合。这些探针记录的土壤水分数据有助于我们理解环境因素对土壤生物的调控作用，但很可能遗漏了发生在土壤表层的许多细微变化。为了精确测量土壤最表层几毫米的含水量，Weber 等人近期开发了生物结皮湿润探针（biocrust wetness probes, BWP），该探针通过测定土壤表层至3 mm深度范围内的电导率来反映土壤湿度¹¹。Tucker 等人结合使用Weber的传感器与0至5 cm深度整合式水分探针，证明了专注于土壤表层几毫米范围的水分传感器的重要性。特别是，一些对生物结皮群落活动具有重要意义的小型降水事件，在0–50 mm（即5 cm）整合式探针中并未被检测到，而仅能被BWP探测到¹²。聚焦于土壤最表层几毫米的传感器对于监测那些不足以渗入深层但足以引发表层生物响应的水分事件至关重要。

土壤表面温度是驱动生理过程的另一个重要环境因素。昼夜之间的土壤表面温度可能变化极大，尤其是在植物间隙处，未被遮蔽的土壤表面会暴露在大量太阳辐射下。此外，与土壤剖面更深层或空气相比，土壤表面的温度变化更为剧烈¹³或空气¹⁴。例如，Tucker 等人发现，在仅24小时内，土壤表面昼夜最高温度范围接近60 °C（13–72 °C）。这些温度数据是通过将热电偶插入土壤表面以下3 mm处测得的。与此同时，在同一日，埋设于50 mm深度的邻近温度探头测得的温度范围仅为30 °C（22–52 °C）¹²。直接测量土壤表面温度的热电偶显示出比50 mm深度传感器大得多的变异性，因为在夜间，表层土壤比50 mm深处的土壤低10 °C，而在白天最热时段则高出20 °C。

温度是调控生理过程的关键因素。例如，在实验室条件下保持土壤湿度恒定的情况下，大多数生态系统的土壤CO₂释放量随着温度升高而显著增加^2,15,16。类似地，来自野外气候调控研究的数据表明，与对照样地相比，增温样地的土壤释放的CO₂更多（至少在处理的最初几年如此^17,18），且生物结皮土壤对增温也表现出类似的响应^7,9。已有研究证实，温度和湿度均为重要的环境变量，而能够准确记录地表微气候条件的传感器有助于阐明这些因素如何影响地表生物的生理过程^11,12。

本文介绍了一种设计用于测量土壤表层以下5 mm深度的温度和湿度的传感器，可有效评估这些变量如何与地表生物的生物学响应相互作用并驱动其变化。E型热电偶由两种金属（铬镍合金和铜镍合金）构成，金属温度变化会产生不同的电压，并由数据记录仪记录。土壤湿度传感器通过测量两个镀金金属探针之间的电阻来工作。由于土壤含水量越高，导电性越强，探针间的电阻就越低，因此电阻值受土壤水分含量影响。根据Weber等人的设计¹¹，这些传感器可测量5 mm深度的土壤湿度，并在同一探头上额外集成了热电偶以同步测量温度。该设计使得利用单个探头即可精细观察土壤表层温度与湿度动态的协同变化。这些探头为研究地表生物如何响应环境变化提供了大量研究机会。此类传感器的另一优势在于结构相对简单、制造和校准成本较低，研究人员可轻松采用。

以下方案详细描述了构建传感器所需的材料与方法，包括将传感器连接至数据记录仪的操作流程。这些传感器使用市售的数据记录仪，但任何可连接至多路复用器的数据记录仪均可适用。本文还介绍了将传感器针对目标基质进行校准的方法。

方案

1. 传感器的制备

1. 裁剪适当长度的电缆。
   1. 确定数据记录仪位置到所需传感器安装位置的最大距离。需考虑电缆弯曲、障碍物以及连接到数据记录仪所需的额外电缆长度。
   2. 将所有热电偶和土壤水分电缆裁剪至该最大所需长度。电缆长度的差异可能导致传感器之间的电阻不同。通过保持所有传感器电缆长度一致，可避免此问题。
2. 准备热电偶电缆。
   1. 从电缆末端剥除4−5 cm的电缆护套。
   2. 从导线末端剥除新暴露出的小直径护套约5 mm。
   3. 将导线裸露的端部进行电弧焊接，并轻轻拉拽导线以测试焊点强度，确保其不会分离。
      警告：进行电弧焊接时应使用焊接面罩或防护面屏，以防辐射伤害。保持工作环境干燥，避免触电风险。在通风良好的区域操作，防止烟雾或气体进入呼吸区。
   4. 将热电偶电缆电弧焊接后的端部浸入液态绝缘胶中，以保护裸露的导线。液态绝缘胶应覆盖导线的裸露金属部分以及小直径导线护套至少3 mm的区域。
      警告：液态绝缘胶具有易燃蒸气，可能刺激呼吸道。应在远离明火的通风良好区域使用。避免直接接触眼睛和皮肤，以免引起刺激。
   5. 让液态绝缘胶干燥约4小时，或按照制造商说明进行操作。
   6. 裁剪一段直径为0.13英寸（约3.3 mm）的防潮密封热缩管，其长度应足以覆盖小直径护套上的液态绝缘胶以及至少1 cm的热电偶电缆护套（总长约6 cm）。将导线穿入热缩管中，并将热缩管向后推至电缆护套上。待后续步骤（步骤1.5.3）再加热处理。
3. 准备土壤水分电缆。
   1. 从电缆末端剥除5 cm的电缆护套。
   2. 将接地线（无护套）在电缆护套处剪断，使其不超出护套范围。
   3. 从土壤水分导线末端剥除内层小直径护套约1 cm。
   4. 将每根导线裸露的金属部分拧紧，以合并细小的金属丝。
   5. 在每根导线末端裸露的金属部分上加焊焊锡，完成镀锡处理。
      警告：使用高温焊接工具时需格外小心。应在通风良好的区域进行焊接，并佩戴适当的眼部和皮肤防护装备。
   6. 裁剪一段直径为0.38英寸（约10 mm）的热缩管，其长度比从剥除护套处到镀锡导线末端的距离长1 cm。将该热缩管套在两根导线上，并向后滑动至电缆护套上，待后续步骤固定。
   7. 裁剪两段长1.5 cm、直径为0.13英寸（约3.3 mm）的防潮密封热缩管，分别套在两根导线上。在将导线焊接到双针插座条之前，不要加热这些热缩管。
   8. 在双针插座条的插针上涂抹焊锡助焊剂。
   9. 将导线镀锡端焊接到双针插座条的两端。注意保持两个焊点分离，避免相互接触。
   10. 将两段直径为0.13英寸（约3.3 mm）的防潮密封热缩管移至双针插座条底部，确保所有金属部分均被覆盖。使用热风枪加热固定热缩管，注意避免过热导致管下焊锡熔化。
   11. 将直径为0.38英寸（约10 mm）的防潮密封热缩管移至双针插座条末端前1 mm处，使其覆盖插座条、小直径导线及部分电缆护套。使用热风枪将其固定到位。
4. 改造传感器头部的接线端子条。
   1. 为改装八针接线端子条，将端子条方向调整为顶部插针弯曲远离视线方向。使用剪线钳从左侧第二、第四和第七个插针的黑色塑料接触条下方将其剪除（图2）。
   2. 从黑色塑料接触条下方测量5 mm，并在左侧第三、第五和第六个插针的5 mm处做标记。在该标记处剪断这些插针。此长度可根据不同的研究需求进行调整。
5. 组装传感器头部。
   1. 裁剪两段长1 cm、直径为0.5英寸（约13 mm）的防潮密封热缩管，分别套在热电偶电缆和土壤水分电缆上。
   2. 将热电偶导线电弧焊接的一端绕过第三个被剪短的插针顶部，使热电偶尖端与插针末端对齐。弯曲导线使其沿插针顶部弧形走向贴合。
   3. 将步骤1.2.6中的直径为0.13英寸（约3.3 mm）的防潮密封热缩管向上推至插针弯曲部分及热电偶导线上。检查热缩管是否同时覆盖部分热电偶电缆护套，并使用热风枪将其固定。用手指捏紧覆盖在插针弯曲部分的热缩管以确保其牢固。
   4. 将第5和第6号插针的顶部弯曲端插入双针插座条中（图2）。
   5. 将上方一段直径为0.5英寸（约13 mm）的防潮密封热缩管向传感器头部方向移动，使其位于头部约1 cm处。使用热风枪将其固定，同时注意保持插座条与第5和第6号插针以及第3号插针上的热电偶导线连接牢固。
   6. 使用热风枪将另一段直径为0.5英寸（约13 mm）的防潮密封热缩管固定在前一段热缩管后方几厘米处。
   7. 在热电偶导线和第3号插针的所有侧面涂覆液态绝缘胶。
   8. 在插座条连接处的所有侧面涂覆液态绝缘胶，确保所有裸露金属均被覆盖。但不得覆盖与此连接相关的5 mm剪短的插针（图3）。

2. 将传感器连接到数据记录仪和多路复用器

注意：这些传感器必须与连接至数据记录仪的多路复用器配合使用。本方案中的所有步骤均适用于所列数据记录仪和多路复用器。 材料表 （其他数据记录仪也可使用）。在每次测量时，数据记录仪会启动与多路复用器的通信，后者作为中继器，允许电流流向电阻率传感器。

1. 使用音频线将多路复用器连接到数据记录仪。将数据记录仪上的 COM 端口连接到多路复用器上的 RES 端口。将数据记录仪上的另一个 COM 端口连接到多路复用器上的 CLK 端口。将数据记录仪上的 G 和 12 V 端口分别连接到多路复用器上的 GND 和 12 V 端口。
2. 在数据记录仪上构建一个分压电路，方法是将一个通孔式 1 kΩ ± 0.1% 电阻连接至数据记录仪的 VX 端口和 H DIFF 端口之间。
3. 从此分压电路引出两条带接地的音频线连接至多路复用器。从数据记录仪上连接分压电路的同一 H DIFF 端口引出一根导线，连接至多路复用器的 COM ODD L 端口。确保另一根导线将数据记录仪的接地端口连接至多路复用器的 COM ODD H 端口。同时确保有一根接地线将数据记录仪的接地端连接至多路复用器的接地端。
4. 将 E 型热电偶导线连接至数据记录仪和多路复用器。紫色导线将数据记录仪的 DIFF 1 H 端口连接至多路复用器的 COM EVEN H 端口。红色导线将数据记录仪的 DIFF 1 L 端口连接至多路复用器的 COM EVEN L 端口。确保接地线同时连接至数据记录仪和多路复用器的接地端。
5. 将多路复用器设置为 4 × 16 模式。
6. 将传感器连接至多路复用器。土壤湿度音频电缆连接至 ODD 端口，其中黑线接 H，红线接 L。热电偶导线连接至 EVEN 端口，其中紫线接 H，红线接 L。热电偶导线的连接顺序对准确测量至关重要。

3. 传感器测试

1. 使用有铅焊料和助焊剂将薄膜电阻器的两端焊接到双插脚插座连接器的插脚上。
2. 将所有待测传感器连接到多路复用器。
3. 调整数据记录程序，设置为每 30 秒扫描一次，或根据需要设定扫描多个传感器的频率。
4. 对于湿度传感器，将带有薄膜电阻器的插座连接器安装到传感器的第 5 和第 6 插脚上，并从数据记录仪中记录数据。
5. 将电阻器依次放置在每个传感器上，以确保它们均给出相同的读数。
6. 监测热电偶数据，确保它们感应的温度相近。
7. 对于温度传感器，将热电偶端夹在两根手指之间，以确认温度读数能相应变化。

4. 校准传感器

注意：本节描述了将传感器输出与土壤湿度相关联的过程。

1. 制造校准传感器探头。
   1. 从土壤水分电缆上剥离12 cm的护套。
   2. 去除导线上的铝箔屏蔽层。
   3. 截取两段长度为10 cm的小直径土壤水分导线。
   4. 将每根导线两端各剥离约1 cm的绝缘护套。
   5. 将每根导线两端的细导线拧紧，并用电烙铁上锡。
   6. 将一个八针接线端子条按照步骤1.4.1和1.4.2的相同规格进行改造。
   7. 在第5和第6针的顶部弯曲处涂抹助焊剂。
   8. 将导线焊接到八针接线端子条的第5和第6针顶部弯曲处。
   9. 将八针接线端子条的两个外侧针脚剪至5 mm长。
   10. 在两根导线上各套入一段长2 cm、直径为0.13 in（约3.3 mm）的防潮密封热缩管。
   11. 将热缩管尽可能靠近改装后的传感器探头，并加热固定。
   12. 在两根导线上再各套入一段长2 cm、直径为0.13 in（约3.3 mm）的防潮密封热缩管（每根导线一段），暂不加热固定，留待后续步骤中处理。
   13. 将一个四针接线端子条的两个中间长针脚剪至1 cm长。
   14. 在四针接线端子条中间针脚的顶部弯曲端涂抹助焊剂。
   15. 将两根导线的自由端焊接到四针接线端子条的剪短针脚上，使顶部四个弯曲针脚朝向远离改装传感器探头的方向（图4）。
   16. 将先前放置的防潮密封热缩管推至四针接线端子条底部，并加热固定。
2. 准备用于校准的土壤水分电缆。
   1. 截取一段与野外使用传感器长度相同的土壤水分电缆。
   2. 从电缆末端剥离5 cm长的护套。
   3. 将接地线（无绝缘层）在电缆护套处剪断，确保其不超出护套范围。
   4. 将土壤水分导线两端的小直径导线护套各剥离1 cm。
   5. 将每根导线暴露的金属部分拧紧，以合并细小的金属丝。
   6. 在每根导线末端暴露的金属部分上加焊锡，完成上锡处理。
   7. 截取一段长6 cm、直径为0.38 in（约10 mm）的防潮密封热缩管，套在两根导线上，并将其滑回电缆护套上，留待后续步骤中加热固定。
   8. 截取两段长1.5 cm、直径为0.13 in（约3.3 mm）的热缩管，分别套在两根导线上。在导线焊接到双针插座条之前，不要加热收缩。
   9. 在双针插座条的针脚上涂抹助焊剂。
   10. 将已上锡的导线端部焊接到双针插座条的两端。注意保持两个焊点分离，避免接触。
   11. 将两段直径为0.13 in（约3.3 mm）的防潮密封热缩管推至双针插座条底部，确保覆盖所有金属部分。使用热风枪加热固定热缩管，注意避免过热导致管内焊锡熔化。
   12. 将直径为0.38 in（约10 mm）的防潮密封热缩管（来自步骤4.2.7）推至距离双针插座条末端1 mm处，使其覆盖插座条、小直径导线以及部分电缆护套。使用热风枪加热固定热缩管。
3. 制作校准用土壤容器（图5）。
   1. 从一个50 mL聚丙烯一次性离心管顶部向下4 cm处切断，形成一端开口、另一端带可拆卸盖子的管体。
   2. 使用钻头在盖子中心钻一个直径为2.5 cm的孔。阶梯钻头操作简便且效果良好。
   3. 从管体开口端开始，沿垂直方向切割两条相距6 mm的狭缝，延伸至盖子底部，并在盖子底部做一横向切割连接两条狭缝，移除中间塑料条（图5）。此操作将形成足够大的缝隙，以便插入传感器探头的导线。
   4. 裁剪一块直径为6 cm的聚丙烯网布。将网布置于盖子与管体之间，并拧紧盖子。
   5. 将校准传感器探头的八针接线端子条插入管体中，使导线沿步骤4.3.3形成的缝隙滑入。
   6. 用胶带将四针接线端子条的较长针脚固定在管体开口侧，使上部针脚朝外，便于后续连接校准电缆的双针插座条（图5）。
   7. 将装有传感器探头的容器放入60 °C烘箱中干燥48小时，以去除所有水分。
4. 传感器与土壤校准。
   1. 使用精度为0.0001 g的天平称量空的、经烘箱干燥的校准容器及其连接的传感器探头。该测量值将用于后续计算重量含水量（GWC）。
   2. 在校准过程中保持环境温度恒定。
   3. 准备用于校准的生物结皮土壤。
   4. 取下校准管的盖子，利用螺纹端作为模具，切取一块直径相同的生物结皮样品。提起时生物结皮应保留在管内，必要时可稍加辅助以防止脱落。
   5. 用手指从管体切口端将生物结皮样品推出，使顶部保留3–5 mm在管内。刮除从螺纹端挤出的多余土壤，使生物结皮底部与管体底部齐平。
   6. 在螺纹端、生物结皮下方放置直径为6 cm的聚丙烯网布，并拧紧盖子。
   7. 润湿生物结皮样品，并轻轻将传感器探头固定在基质顶部，确保针脚完全埋入。必要时可弯曲导线，以保证传感器探头在校准过程中保持稳定不动。
   8. 准备用于校准的矿物土壤。
   9. 采集传感器安装区域表层5 mm的土壤。
   10. 使用2 mm筛网去除土壤中的大颗粒石块和有机物质。
   11. 确保盖子已拧紧，且直径为6 cm的聚丙烯网布牢固固定在盖子与管体之间。
   12. 将过筛后的土壤装入校准容器，覆盖底部至6 mm深度。
   13. 润湿土壤样品，并轻轻将传感器探头固定在基质顶部，确保针脚完全埋入。必要时可弯曲导线，以保证传感器探头在校准过程中保持稳定不动。
   14. 用去离子水充分润湿基质（生物结皮或土壤），直至表面出现光泽水层。
   15. 让饱和基质过夜自然干燥。
   16. 在开始任何测量前，检查传感器探头是否仍处于原位，且所有针脚是否完全埋入基质中。
   17. 再次用去离子水润湿基质，直至表面出现光泽水层。
   18. 干燥基质15分钟。
   19. 将校准用土壤水分电缆的双针插座条连接到四针接线端子条的内侧两个针脚上。
   20. 设置数据记录仪每分钟记录一次数据。
   21. 开启数据记录仪，开始采集电阻测量值。
   22. 在不称重时，将风扇置于校准容器附近，轻柔吹风以促进干燥。
   23. 用去离子水润湿基质，直至表面出现光泽。
   24. 将含湿土的校准容器置于纸巾上，以吸收滴落的水分。
   25. 断开校准用土壤水分电缆与四针接线端子条的连接。
   26. 轻敲容器，排出滴落的水分。
   27. 在将校准容器放置到天平前，关闭风扇。
   28. 将容器置于天平上，记录重量及测量时间。
   29. 重新连接土壤水分电缆与四针接线端子条。
   30. 将校准容器放回纸巾上。
   31. 开启风扇以加快干燥速度。
   32. 每15分钟记录一次重量，直至基质完全风干。完全干燥的标志是连续测量间校准容器重量几乎无变化。
   33. 将校准容器、校准传感器探头及基质放入60 °C烘箱中干燥48小时。
   34. 称量烘干后的基质、容器及传感器探头的总重量。
5. 传感器校准数据分析。
   1. 通过从步骤4.4.34测得的“含基质的干燥校准容器重量”中减去步骤4.4.1测得的“空干燥校准容器重量”，计算出干燥基质的重量。
   2. 通过从每15分钟记录的重量中减去“含基质的干燥校准容器重量”（步骤4.4.34），计算出每个时间点的水重。
   3. 通过将各时间点的水重（步骤4.5.2）除以干燥土壤重量（步骤4.5.1），计算出每个15分钟时间点的重量含水量（GWC）。
   4. 将电阻测量时间与步骤4.5.3确定的各15分钟时间点的GWC进行匹配。
   5. 以GWC为因变量、西门子（Siemens）为自变量，通过回归分析确定校准曲线（图6）。不同类型的曲线（线性、幂函数、对数）可能适用于不同基质的校准。

结果

评估土壤表面的微气候对于理解并预测该区域发生的生物、化学和物理过程至关重要。这些探针为监测土壤剖面最表层的微气候提供了有力手段，因此在评估发生在土壤最表层几毫米范围内的生物活性方面具有重要价值^11,12。这些探针的研发与优化旨在评估影响生物结皮活性的关键控制因素，因为生物结皮中的温度和水分对其功能可能具有决定性作用^2,8,10,12,15。尽管这些探针最初是为干旱区光合性土壤设计的，但其在多种生态系统中均具有广泛的应用潜力，并可用于研究温度和水分在土壤剖面深度方向上的变化规律。例如，这些传感器已被应用于热带森林增温实验中，以探究增温处理与气候自然变异如何共同作用，进而决定土壤过程、温度和水分之间的协同变化。

然而，在部署土壤表层传感器之前，有一些关键因素需要考虑。例如，必须建立校准曲线，以将电阻单位转换为更常用的土壤水分指标，如重力含水量（GWC）。土壤表层传感器通过测量金属探针之间的电阻，输出以西门子（S，即1/欧姆）为单位的电导率（电阻的倒数）数值。因此，必须将西门子数值转换为土壤水分含量。土壤基质的多种化学和物理特性可能影响传感器电导率读数（以西门子为单位）与土壤水分之间的关系。因此，至关重要的是针对特定基质进行校准，以将探针读数转化为准确的土壤水分值。文中展示了三种不同基质的校准数据，以说明这些差异。

图6展示了三种土壤基质各两个样品的干燥校准数据，每个样品均配有独立探针。将基质完全饱和至表面出现少量水分为止。每15分钟测量一次探针电阻和土壤重量，直至所有样品完全干燥。随后利用土壤质量计算含水量（GWC）。图6显示了每个样品的电导率与GWC之间的回归关系。用于校准的基质包括：在美国波多黎各埃尔云克国家森林实验站采集的粉砂壤土（23%砂、64%粉砂和13%黏土）；在美国犹他州城堡谷附近采集的以苔藓为主的生物结皮；以及在美国犹他州摩押附近增温实验样地采集的细砂土壤（92%砂、3%粉砂和5%黏土）。

每种基质的探针电导率和土壤含水量存在差异，这表明需要针对特定基质进行传感器校准。例如，粉砂壤土样品的回归关系（图6a）与其他两种土壤基质明显不同。因此，若将粉砂壤土的回归方程应用于苔藓生物结皮，或反之，则会得到截然不同的结果。另一方面，细沙土壤（图6c）与苔藓生物结皮（图6b）的GWC与探针电阻之间的关系较为相似。然而，细沙土壤的持水能力不及苔藓，因此干燥速度明显更快。由于不同基质内部存在变异性，因此必须具备足够大的样本量，以生成准确的校准曲线，并为所有研究地点分别建立独立的校准曲线。

在实验条件下，这些地表土壤传感器被用于评估在美国犹他州摩押附近开展的一项气候调控研究中的处理效应。该研究在同一地点采用红外灯将样地的环境温度升高4 °C，方法与Wertin等人¹⁷所述相似。图7展示了2018年5月初发生的两次独立降雨事件期间，增温样地与对照样地的平均温度和土壤体积含水量（GWC）变化情况。增温样地的平均温度始终高于对照样地的平均温度（图7a）。在这两次降雨事件过程中，增温样地的电阻率传感器记录的土壤水分低于对照样地，且增温样地的干燥速度更快（图7b）。需要注意的是，温度升高可能导致土壤电导率增加，这一点在分析中必须予以校正¹⁹。这些地表土壤传感器对温度和水分变化均具有高灵敏度，使我们不仅能够观测到增温处理带来的温度差异，还能揭示其对样地水分动态的影响。

在美国科罗拉多高原，利用这些土壤表面传感器开展了一项观测性研究，进一步探讨了温度与水分之间的相互作用，以分析在冻融条件下生物结皮获得水分的时间。传感器被插入主要由藓类植物Syntrichia caninervis构成的生物结皮表层5毫米范围内，并在2018年1月和2月期间记录了地表温度和水分数据。当温度低于0 °C时，藓类植物表面的水分处于冻结状态，传感器测得的电导值对应于0% GWC（图8）。然而，当温度超过0 °C时，藓类植物表面的霜开始融化，液态水在电阻率传感器上得以显现。这一结果同时表明，温度与水分的同步测量可揭示这两个变量如何相互作用，进而可能影响存在于土壤表面生物体的生物学过程。

图1：美国科罗拉多高原上的生物结皮间隙区域。 在许多荒漠生态系统中，植物之间的空地通常被由地衣、苔藓和蓝细菌组成的生物结皮群落所覆盖。两个土壤温度和湿度传感器被插入苔藓型生物结皮的表面。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：剪切八针端子条。 镀金端子条放置方向为顶部弯曲的引脚朝外。引脚从左至右依次编号为1到8。引脚2、4和7被齐平剪至黑色塑料底部；引脚3、5和6则在黑色塑料下方5 mm处剪切。引脚3用于固定电弧焊接的热电偶导线，而电阻在引脚5和6之间测量，这两者构成土壤湿度传感器。引脚1和8在土壤中起固定作用。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：完成的传感器探头。 改装后的传感器探头和热电偶电缆已用液态电工胶带包裹。务必保持第5和第6针脚（湿度传感器）清洁，不得涂覆液态电工胶带，以确保无污染，避免影响电阻测量结果。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4：校准传感器探头。 四针接线端子条焊接至导线上，并朝向远离改装后传感器探头的方向。在靠近接线端子条的位置固定使用防潮密封热缩管，以防止导线之间发生串扰。请点击此处查看该图的放大版本。

图5：校准容器与传感器探头。 四针接线端子条用胶带固定在容器上，并调整方向以便于连接至双针插座条。此布置方式可将传感器探头插入切开的狭缝中，并固定于目标基质内。请点击此处查看该图的放大版本。

图6：三种土壤基质的传感器校准曲线。 通过测量基质干燥过程中土壤质量变化计算得到的重力含水量（GWC）百分比，与探头测得的土壤传感器电导值（单位：西门子，S）进行比较。图中数据来自三种不同土壤基质中各两个样品的测量结果。土壤基质分别为（a）粉砂壤土，（b）苔藓生物结皮，以及（c）细沙土。（a）以粉砂壤土为主的土壤中，GWC与电导值之间的关系最符合幂函数回归。（b）在以苔藓Syntrichia caninervis为主的生物结皮中，GWC与传感器电导值之间呈现显著的线性关系。（c）在细沙土中，GWC与传感器电导值之间的关系最适宜用线性回归表示。在高GWC值条件下，电导值偏离校准曲线，表明当土壤达到饱和时，传感器可能存在检测局限性。请点击此处查看该图的放大版本。

图7：野外红外增温处理下的温度与重力水分含量。 5个增温样地和5个对照样地连续4天每10分钟记录一次地表温度和GWC，再计算每小时平均值。数据来自美国科罗拉多高原半干旱草原生态系统的一项全球变化实验¹⁷数据表明，地表传感器捕捉到了处理效应。a增温样地的土壤表面平均温度持续高于对照样地。b增温效应在GWC值中也表现明显，表明增温样地的土壤保持更快的干燥速度。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图8：冻霜事件期间藓类生物结皮的温度与重力含水量。 2018年1月24日上午9:50至2018年1月25日上午11:20，以10分钟间隔记录的四次重复的 Syntrichia caninervis 藓类生物结皮的平均地表温度和重力含水量（GWC）。夜间时段以灰色阴影区域表示，白天时段以无阴影区域表示。当水分以霜的形式冻结在藓类表面时，传感器未检测到任何导电性，因此GWC为0。当土壤温度降至0 °C以下后不久即进入冻结状态。日出后不久，温度升至0 °C以上，霜开始融化，传感器检测到液态水。这些结果表明传感器能够有效区分液态水与冰，这可能对多种生物过程具有重要意义。请点击此处查看此图的放大版本。

讨论

土壤表层温度和湿度探针可有效用于分析土壤表层的温度和含水量。除了Weber等人开发的生物结皮湿度探针（Biocrust Wetness Probes, BWP）¹¹之外，常见的土壤温度和湿度传感器并未明确测量土壤表层最上几毫米范围内的这些环境变量。在BWP最初开发时，该探针仅能估测表层土壤湿度，而无法测量温度²⁰。以原始BWP设计为参考，本文所描述的探针经过改进，可同时测量温度和湿度，以评估这些环境变量之间的相互作用，以及它们与土壤表层生物、化学和物理过程的相互关系。

为确保这些探针的最佳运行，需考虑多个因素。在构建传感器时，务必小心操作，避免割穿内层护套而暴露底层的金属导线，否则可能导致导电性变化以及导线之间的串扰。此外，必须在相同环境下对每个探针的热电偶和电阻率传感器进行测试，以确认其正确构建，并确保读数差异源于所测土壤基质在物理和化学性质上的真实差异。在校准过程中，获取足够数量的电阻与含水量（GWC）校准样本至关重要，以便充分反映土壤或生物结皮基质的变异性。同时，最好对同一探针与基质组合进行两次测试（从湿润到干燥），因为这些探针在长时间使用中常因电解或腐蚀而发生“漂移”。此外，在校准过程中应使用较浅的基质样本，其深度仅需足以容纳探针长度（即6至7 mm），从而确保所测得的水分重量主要来自导电测量区域（探针之间及周围）的水分。这可保证土壤中水质量的变化与探针电阻测量值的变化直接相关。最后，在野外部署这些探针时，必须将探针牢固地固定在土壤表面（例如使用非导电园艺桩），以减少对导电性测量的干扰，并防止传感器位置移动，从而保障长期测量数据的质量。

还需要注意这些传感器的一些局限性。由于电阻探针长度仅为5毫米，其测量结果可能受到基质中较大充气孔隙的显著影响。探针周围较大的空气间隙会降低基质的连通性，通常导致测得的电导率较低，因而估算的含水量也偏低，这可能无法反映更大尺度上的实际土壤含水量。同样，土壤的化学成分也会影响土壤含水量的读数。较高的盐分将增加电导率，导致西门子（Siemens）值升高²¹。这两个问题均可通过针对特定基质的适当校准予以解决。然而，某些土壤可能持续存在化学差异，或具有较大的孔隙结构，从而使其成为这些传感器不适宜的应用环境。温度也会影响土壤的电导率，因此必须加以考虑¹⁵。未来应利用这些传感器开展温度校准实验，以确定温度如何改变所测基质的电阻。

与 Weber 等人开发的生物结皮湿度探针类似¹¹这些传感器校准结果表明，中等含水量条件下电阻测量结果可靠，但在极高和极低含水量条件下会出现一些异常图6）。此外，在干燥校准过程中，当基质样品中仍有少量水分存在时，电阻值偶尔会读数为零。这可能是由于校准容器中的基质用量略大于传感器测量区域所致。若水分存在于电阻率测量区域之外，传感器将读取为零，而基质中实际上仍含有水分。实验中已尽量减小基质体积，同时确保不影响电阻测量的准确性。随着含水量增加，基质内部的电阻值下降，导致西门子（Siemens）输出值升高；然而，在最高含水量时，电阻值却随含水量增加而上升。这导致了 "钩" 校准数据中可见 图1C。该钩状特征在用于校准的每种基质中均存在，但在细沙土壤中最为显著（图6）。Weber 等人¹¹ 表明高含水量下电阻异常增加的一个可能原因是：过量的水分会稀释饱和土壤中的离子，从而导致电阻升高。

目前，这些传感器依赖于现有的多路复用器和数据记录仪技术。多路复用器可使传感器处于"关闭"状态，仅在预设时间向传感器发送电流。这可以防止土壤水分传感器端子发生腐蚀。其他电子公司也为探头提供了数据记录仪和多路复用器的替代方案，此外还可集成可编程电路板和计算机，实现土壤温度和水分传感器的无线设计，这可能是一项令人振奋的技术进步。

设计和构建传感器可使研究人员对探针进行定制。通过调整探针的长度和方向，可更有效地测量不同介质或不同深度的湿度。可定制专用导线，使同一根电缆上连接多个传感器探头。结合低成本的数据记录仪和多路复用器选项，这些传感器为研究人员提供了一种经济且易于获取的方案，用于测量土壤表层的温度和土壤湿度。该方案适用于捕捉难以观测的事件，例如霜冻和露水形成（图8），以及实验处理效应，例如增温（图7）。本文提供了一步一步的指南，用于构建可同时测量温度和湿度的土壤表层传感器，任何对评估生物结皮群落环境以及其他多种土壤表层状况感兴趣的研究人员均可使用并进一步优化该方法。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
单传感器音频线缆	alliedelec.com	Allied Stock #: 70004848	线缆；1对；22AWG；7x30；TC；PP绝缘；箔屏蔽；黑色PVC护套；CMR
双传感器音频线缆	alliedelec.com	Allied Stock #: 70004635	线缆；2对；22AWG；7x30；TC；PP绝缘；箔屏蔽；黑色LSZH护套；CMG-LS
热电偶线缆	Omega.com	Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length)	E型，24号规格，PFA（特氟龙涂层），扭绞屏蔽，误差特殊限值
八针端子条	Samtec.com	MTSW-108-21-G-S-1130-RA
四针端子条	Samtec.com	MTSW-104-21-G-S-1130-RA
两针插座条	Samtec.com	SSW-102-03-G-S
0.13" 防潮密封热缩管	McMaster.com	Part #: 7861K51
0.25" 防潮密封热缩管	McMaster.com	Part #: 7861K53
0.38" 防潮密封热缩管	McMaster.com	Part #: 7861K54
0.5" 防潮密封热缩管	McMaster.com	Part #: 7861K55
液体电气胶带	McMaster.com	Part #: 76425A23
金属膜电阻器	Newark.com	Part #: RN55C1001BB14
分压电阻器	Newark.com	Part #: 83F1210
16或32通道继电器多路复用器	campbellsci.com	AM16/32B	该继电器多路复用器对传感器正常工作至关重要
CR1000X 测量与控制数据采集器	campbellsci.com	CR1000X