Name: 原位 未受干扰土壤中的土壤湿度传感器 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-11-18T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 20 s
Description: 学习原位土壤湿度传感器安装标准化方法，用于土壤科学与环境监测研究。该协议通过电磁传感器实现精准数据采集，提升干旱监测和农业管理中的数据可靠性。

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作者感谢美国国家海洋和大气管理局-国家综合干旱信息系统（NOAA-NIDIS）、国家协调土壤湿度监测网络（NCSMMN）以及美国地质调查局下一代水观测系统（NGWOS）项目提供的资金支持。感谢国家协调土壤湿度监测网络执行委员会成员 B. Baker、J. Bolten、S. Connelly、P. Goble、T. Ochsner、S. Quiring、M. Svoboda 和 M. Woloszyn 对本实验方案提出的建议。感谢 M. Weaver（美国地质调查局）对本方案初稿的初步审阅。

任何对贸易名称、公司或产品名称的使用仅用于描述性目的，并不意味着美国政府的认可。本文属于美国政府工作，在美国境内属于公共领域。美国农业部为平等机会雇主和供应商。

土壤水分状态是多种不同环境因素共同作用的结果，包括降水、植被、太阳辐照度和相对湿度，以及土壤的水力与物理特性。这些因素在不同的空间和时间尺度上相互作用。为了模拟和预测水循环、能量循环及碳循环，必须了解土壤含水量（SWC）的状态。最常见的一类自动化测量技术是采用带探针的电磁式SWC传感器，探针用于插入土壤中 原位 进入未受扰动的土壤。本方案旨在为安装这类常见的可埋设传感器提供指导。传感器的精度、性能和成本通常与其工作频率成正比；低频传感器成本较低，但更容易受到土壤和环境因素的干扰45土壤或地点特异性校准可提高低频传感器的准确性。由于电磁场（EMF）的基本物理原理，测量方法也会影响传感器的性能。
两个主要的电磁物理定律支配着电磁感应。其一是高斯定律，它描述了传感器传播的电磁场（EMF）如何依赖于介质的介电常数（ε）和体电导率（BEC）。然而，随着土壤含水量（SWC）的增加，介电常数增大，体电导率也随之升高。因此，依赖高斯定律的传感器会受到土壤含水量、体电导率以及温度对体电导率影响的作用，同时还可能受到盐分干扰的影响。电容式传感方法遵循高斯定律，因而更容易受到这些因素的影响46。此外，高斯定律还描述了电容对几何因子的依赖性，而该几何因子会随着电磁场在土壤中分布形状的变化而改变。研究表明，电磁场的形状会随土壤结构以及传感器探针周围水分含量的小尺度空间变异性而变化。在大多数土壤中，水分含量的小尺度空间变异性及土壤结构差异显著，导致几何因子发生变化，进而引起电容变化，而这些变化与整体平均土壤含水量的变化关系甚微。这些因素降低了电容传感器的准确性，并增加了数据的变异性46,47,48。阻抗法和传输线振荡法同样依赖于高斯定律，而时域反射法（TDR）和时域透射法（TDT）则基于麦克斯韦方程组，后者不包含几何因子，也不依赖于体电导率。尽管没有任何传感器是完全无问题的，但时域方法通常比基于电容或阻抗的方法显著更准确且偏差更小。
该流程中有若干关键步骤。对于稀疏网络而言，需要合理选择站点并确定传感器位置，以实现对土壤水分含量（SWC）最具代表性的空间表征。站点选择可能更多受到外部因素影响，例如土地使用权，或在土壤湿度作为辅助测量项目的其他大气监测需求。中尺度气象站点通常位于开阔、平坦且维护良好的草地表面，以尽量减少任何微尺度影响。然而，此类位置对于SWC监测可能并非理想选择。若条件允许，应考虑采用无线传感器技术。49,50,51,52,53 以便在远离现有环境监测站且具有代表性的土壤中进行土壤含水量（SWC）监测。在活跃的农田作业区和灌溉设备周围开展工作具有挑战性。大多数监测网络（例如 SCAN 和 USDA-ARS）通常将设备布设在田块边缘，以避开犁地或收割等耕作活动，防止电缆被切断或传感器被挖出。任何 原位 传感器和电缆需要充分埋设，并保持足够低的表面轮廓，以避免影响农场的正常作业。无线系统53 可拆卸式钻孔传感器47 可能更为合适。基于大规模土壤水分的地下水保护灌溉54 是SWC传感器的一个新兴领域；本方案涉及在未受干扰的土壤中获取具有空间代表性的长期SWC数据。
某些土壤比其他土壤更难测量。在多石、多砾石或非常干燥的土壤中，可能无法在不造成损坏的情况下插入探针。一种选择是挖掘土壤坑，在回填时将传感器就地放置，并尽量将容重压实至原始状态。多石土壤通常结构较少，经过数次干湿循环后可能恢复；然而，这种扰动可能永远无法真正代表该地点的土壤水文状况。另一种方法是，如果将传感器安装在钻孔底部，可将挖出的土壤过筛以去除石块，然后将过筛后的土壤重新填入孔中，深度刚好足以容纳传感器探针。随后可垂直安装传感器，并用剩余未过筛的土壤回填钻孔，同时在添加土壤时频繁压实。
森林土壤中的根系会对探针插入造成类似的困难，但在某些情况下可以切断根系。森林土壤表层通常覆盖有有机质层（O层），其容重（BD）很低且比表面积很高，含有大量结合水，导致在较高土壤含水量（SWC）下传感器响应呈高度非线性55。此外，操作人员需将零点基准面设定为O层顶部或矿质土壤表面，并在元数据中注明所选位置。富含黏粒的土壤以及具有高收缩/膨胀潜力的膨胀性黏土在湿润时对电磁信号的传导性极强，而在干燥时可能发生开裂。这类土壤可能需要对原始测量数据进行额外校正，才能获得合理的土壤含水量值56,57。在浅层土壤中，可能在达到理想最大深度之前就遇到基岩或限制性土层（如钙积层或硬磐层），此时可能需要更换安装位置，或干脆不安装较深的传感器。过于干燥或过湿的土壤都会带来挑战，因此最好选择避开季节极端条件的时间进行安装。干燥土壤强度很高，可能导致传感器无法插入而不受损。如有必要，可向预先钻好的孔洞中注水以软化坑壁，但土壤可能需要较长时间才能恢复至自然状态。过湿的土壤则可能强度太低，无法维持坑壁稳定，或导致沟槽积水，同时湿土也更容易被过度压实。
传感器输出应包含介电常数，而不仅仅是土壤含水量（SWC），以便后续进行校正或针对特定土壤的标定。在阳离子交换量（BEC）较高的土壤中，宜选用较高频率的传感器；而在较紧实的土壤中，较短探针的传感器可能更易于安装。然而，或许最关键的步骤是确保传感器与土壤的良好接触；接触不良会显著降低任何电磁传感器的信号质量。此外，回填挖掘区域看似简单，实则至关重要，它有助于最大限度减少水分优路径流进入传感器区域，保护电缆，并防止动物扰动该区域。针对特定土壤或场地的标定可提高传感器的测量精度，但其操作细节超出了本实验方案的范围。将野外采集的土壤调节至不同含水量水平并重新填装，是检验传感器响应线性度的理想方法，也可作为某些类型传感器的场地特异性标定手段。21介电液体也可作为检测传感器响应的有效介质58. 可使用控温水浴来改进土壤温度校准59. 本方案是建立标准操作程序的第一步 原位 SWC传感器的安装，由于目前尚无现有方法，也无公认的SWC传感器校准方法60,61.
尽管本方案的重点是土壤含水量（SWC）监测，但该方法存在局限性，仅靠SWC无法全面反映土壤水分状况。许多生态系统过程还受到土壤水势的调控，而土壤水势在原位条件下的测量相对较少。62土壤水势，近期由 S. Luo、N. Lu、C. Zhang 和 W. Likos 综述 63，是水的能量状态；这类传感器可能受土壤特性的影响较小，并可为土壤含水量传感器提供质量控制64此外，容积含水量（SWC）的测定包含砾石、岩石、根系以及孔隙空间（例如，优先流通道）。 原位 SWC传感器通常会被放置在岩石和根系周围，其测量体积有限，且集中在叉状探针附近，可能遗漏土壤整体含水量中某些局部但重要的特征。
本方案有望为多种应用提供更加协调统一的表层土壤含水量（SWC）数据，包括干旱监测、供水预测、流域管理、农业管理及作物规划。随着遥感平台的出现4 极大地提升了全球范围内估算土壤含水量的能力，但这些产品需要地面验证，而地面验证目前仍主要依靠合理采集的实地数据 原位 网络65计算机技术的进步使得高分辨率SWC建模成为可能66 正在开发中，以生成高分辨率和次日尺度的土壤水分含量（SWC）状态，但这些产品也需要&#160;原位 SWC 估计值，以提供计算不确定性的某些依据。当推出新产品时，通常首先被问到的问题是 &#34;不确定性是什么？&#34; 对于SWC产品，验证的主要比较对象是 原位 网络数据67.
近期，国家协调土壤湿度监测网络（NCSMMN）进行了网络扩展，包括美国陆军工程兵团密苏里河上游流域土壤湿度项目以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）支持的美国东南部网络建设，这些项目均旨在提升对水文灾害的预测与监测能力，并为资源管理决策提供支持。要实现此类应用中对土壤含水量（SWC）估算的确定性和准确性，必须依赖完善的协议和流程，以确保数据完整性可信可靠。NCSMMN 是由联邦政府主导、多机构协作的项目，旨在通过围绕土壤湿度测量、解释与应用建立实践共同体——一个连接数据提供者、研究人员和公众的&#34;人员网络&#34;68，从而提供协助、指导与支持。本方案即为 NCSMMN 工作成果之一。数据质量控制工作流程即将发布。

土壤湿度最近被全球气候观测系统认定为基本气候变量1土壤水分，或定量表示的体积含水量（SWC），在地表与大气之间将入射辐射通量分配为潜热和显热，以及将降水分配为地表径流和入渗过程中起着重要作用。2然而，点尺度、田间尺度和流域尺度上土壤水分在时空上的变异性，增加了我们在满足研究或管理目标所需尺度上准确测量土壤含水量的难度。3新的量化SWC方法，包括基于地面的观测网络 原位 传感器、近端探测器和遥感技术为以前所未有的分辨率绘制土壤含水量（SWC）的空间变异提供了独特机遇4. 原位 SWC传感器可提供时间上最连续且具有特定深度的数据记录，但也存在感测体积较小以及受土壤特性、地形和植被覆盖等局部尺度变异性的固有影响。5.
此外，目前尚缺乏针对安装、校准、验证、维护和质量控制的统一标准或广泛认可的方法 原位 SWC传感器。土壤含水量本质上是一种难以测量的参数，可能是最难进行质量保证的变量6. 国际原子能机构已制定了用于SWC数据收集的通用方案7地球观测卫星委员会8，联邦机构报告9以及美国州立气候学家协会10，关于埋地式SWC数据的安装、维护、质量控制和验证，目前缺乏具体的指导。 原位 探头。这使得业务化监测网络（如州级中尺度气象站网）在增加土壤水分含量（SWC）测量时面临困难。同样，对于业务水文工作者（例如河流预报中心的人员）而言，将这些数据纳入其工作流程也具有挑战性。本视频及配套论文的目的是提供相关指导，并记录一套完整的埋设安装规程 原位 SWC 探针
选择一个位置 原位 土壤水分监测 
任何感兴趣区域（AOI）内的土壤都是在地形、生态、地质和气候之间长期相互作用的耦合反馈过程中形成的11,12景观中土壤含水量（SWC）的空间变异性使得采样点的选择成为任何土壤水分研究中的关键环节。对于某些研究目标，可选择特定地点以代表景观或生态系统中的某一特征性地貌或微环境。而在监测网络的布设中，所选地点应能空间上代表更大范围的景观组分。其目标是找到一个能够最佳反映目标区域（AOI）空间特征的地点。在实际野外工作中，还需考虑更为实际的因素，例如其他气象仪器的布设需求、交通可达性或土地使用许可等。然而，目标区域内占主导地位的土壤图斑通常能够较好地代表更大区域的环境条件。13优势土壤图斑可通过Web土壤调查系统（https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/）确定；该土壤图斑还应通过浅坑或试坑进行验证。
一个典型的监测站占地面积为5-50 m2，具体面积取决于传感器需求以及辅助测量项目的数量。图1展示了一个典型的监测站，配备一座3米高的塔架，其上安装有用于测量风速和风向的风速计、空气温度和相对湿度传感器、用于太阳辐射测量的总辐射表，以及一个符合美国电气制造商协会（NEMA）标准的防风雨且防水的防护外壳（NEMA 4级防护等级）。该NEMA防护外壳内包含数据控制平台（DCP）、蜂窝调制解调器、太阳能充电调节器、蓄电池及其他相关硬件（参见材料表；系统组件）。塔架还为通信天线、太阳能板和避雷针提供了安装平台。通常还会配备一个液态降水（PPT）量计，应将其安置在远离塔架且尽可能低的位置，以减少风对降水采集的影响。土壤水分含量（SWC）传感器应安装在距离塔架足够远（3-4 m）且位于其上方坡向的位置，以避免塔架对降雨或地表径流造成任何潜在干扰。所有相关电缆应埋设于地下管道中，深度至少低于地表5 cm。
<img alt="气象监测站示意图；包含湿度、温度、风速、太阳辐射等传感器。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="图1"> 
图1：典型的监测站。 美国农业部SCAN网络按标准深度（5、10、20、50和100 cm）每小时采集土壤含水量和温度、气温、相对湿度、太阳辐射、风速和风向、降水量以及大气压力等数据。在美国境内有超过200个SCAN监测站点。缩写：SCAN = 土壤气候分析网络（Soil Climate Analysis Network）；NEMA = 美国国家电气制造商协会（National Electrical Manufacturers' Association）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
测量深度、传感器方向及数量 
原位 SWC传感器通常水平安装，以代表土壤中的特定深度（图2）。由联邦资助的国家级网络，例如土壤气候网络（SCAN）14，积雪遥测网络（SNOTEL）15，以及美国气候参考网络（USCRN）16 在5、10、20、50和100 cm深度测量土壤含水量（SWC）。这些深度是在SCAN开发过程中基于多种因素达成共识后确定的。其中，5 cm深度对应于遥感技术的探测能力。17；10 厘米和 20 厘米深度是土壤温度的历史测量深度1850 厘米和 100 厘米深度的根区土壤水分储量。
探头可以垂直、水平或倾斜/成角度安装（图3）。水平安装最为常见，可实现特定深度下均匀的土壤温度测量。尽管传感器可能位于某一特定深度的中心位置，但土壤水分含量（SWC）的测量范围是围绕探针齿（即电极）周围的一个体积区域，该区域会随水分含量、测量频率以及安装方式（水平、垂直或倾斜）的几何结构而变化。对于水平安装，其感应体积包含该深度上下方的水分，且95%的感应体积通常位于探针齿周围3 cm范围内19。垂直或倾斜安装则沿探针齿方向整合土壤水分含量，因此垂直安装可反映传感器整个长度范围内不同深度的水分储存情况20。某些传感器在其探针齿上的测量并不均匀。例如，传输线振荡器对探头端部附近产生的电磁脉冲区域的水分更为敏感21。在较深位置使用的探头更适合采用垂直安装，因为在较大深度处，温度和湿度梯度通常较小。
<img alt="soil moisture monitoring setup; sensors installed in ground; excavation site; data collection method" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="Figure 2"> 
图2安装 原位 SWC 传感器 使用（在选定深度水平放置传感器A，B零深度参考夹具和（C零深度板或（D用于参考的零深度铲柄 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="三电极土壤水分传感器示意图；垂直、水平安装；中心深度细节。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="图3"> 
图3：探头的垂直、水平或倾斜方向安装示意图。（A）倾斜插入与垂直插入，以及（B）水平-垂直插入和水平-水平插入时三针式SWC传感器的中心深度。缩写：SWC = 土壤含水量。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
安装深度小于50 cm时操作相对直观，而更深的传感器则需要稍多一些 effort。根区土壤含水量（SWC）或剖面土壤储水量通常需要测量至1或2 m深度。如本方案所示，0–50 cm深度的传感器安装可在挖掘的土坑或钻孔中完成，将探头水平插入未扰动的土壤中，以尽量减少地表扰动。对于更深层的传感器（例如100 cm），SCAN和USCRN均采用延长杆，将传感器垂直安装于单独的人工钻孔中（图4）。
鉴于土壤含水量（SWC）在近地表区域具有高度异质性，且传感器的测量体积较小，进行三次重复测量可更有效地反映SWC的统计特征。然而，一个剖面的 原位 传感器在大多数网络中都很常见（例如 SCAN 和 SNOTEL）。美国气候参考网（USCRN）在每个深度上使用三个相距 3-4 m 的剖面进行三次重复测量16此外，如果资金充足，增加测量的冗余性可提高观测站记录的稳健性和连续性。
<img alt="土壤剖面图与沟槽法；用于土壤发生层分析的现场钻探取样。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="图 4"> 
图 4：传感器的安装。（A）浅层传感器通常水平安装到挖掘出的土壤坑侧壁中。对于较深的传感器，（B）使用手动钻具，以零深度参考基准（例如横跨沟槽的木条）为基准钻至目标深度，然后将传感器垂直推入孔底，可使用（C）一段经改装的PVC管，在安装过程中固定传感器和电缆，或使用（D）专用安装工具。土壤层标注为表土层（A发生层）和具有淀积黏粒（Bt）及碳酸盐累积（Bk）的底土发生层。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
原位 土壤含水量（SWC）传感器类型 
市面上的传感器通过测量电磁信号在与土壤直接接触的探针中传播所产生的响应，来推算土壤含水量（SWC）22。埋入式传感器根据所传播的电磁信号类型及响应测量方法，可分为五类：电容式、阻抗式、时域反射法、时域透射法和传输线振荡法（补充表 S1，附各制造商信息链接）。这些技术通常按工作频率和制造商进行归类。较长的探针可测量更大体积的土壤，但在黏土含量较高或容积电导率（BEC）较高的土壤中，插入难度更大，且更易发生信号衰减。制造商报告的土壤含水量测量误差为 0.02–0.03 m3m−3，而用户实际使用中通常发现误差显著更大23。对电磁传感器进行适当的校准和标准化可提升其性能22；然而，针对特定土壤的校准超出了本实验方案的范围，本方案主要关注传感器的安装。
传感器的选择应考虑所需的输出、测量方法、工作频率以及与其他测量设备的兼容性。在2010年之前，大多数土壤水分含量（SWC）传感器为模拟式，需由数据采集器（DCP）测量差分电压、电阻或脉冲计数，这要求使用更昂贵的组件以及为每个传感器配备独立通道（或复用器）。如今，采用1200波特率的串行数据接口（SDI-12）通信协议（http://www.sdi-12.org/）使得智能传感器能够执行内部测量算法，并通过单根通信电缆传输数字数据。每个传感器可通过杠杆螺母或接线端子连接器串联连接（即菊花链连接）（图5），每个传感器具有唯一的SDI-12地址（0-9、a-z和A-Z）。SDI-12传感器的公共通信线与电源线和接地线共同构成一个单一电路。无需使用复用器或在数据采集器（DCP）端进行任何模拟测量；相反，DCP仅需发送和接收数字指令及文本行。许多SDI-12 SWC传感器还同时提供土壤温度、相对介电常数（ε）和体电导率（BEC）的测量值。这些测量对于传感器诊断和针对特定土壤的校准具有重要意义。至此，用户已完成站点选择，确定了传感器类型、数量及安装深度，并备齐所有必要的硬件设备和野外工具（材料表）。因此，可进入安装操作流程。
<img alt="气象站接线设置；数据采集平台、电池、传感器引线；连接器、端子排示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="图5"> 
图5：用于将共用电源线、接地线和通信线连接至数据采集平台单一输入端的电线分接连接器和端子排。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;系统组件，必要&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td>该系统是 TxSON 土壤水分网络中典型的微型站点。TxSON 气象站列于可选组件中。https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>电池，密封可充电 12 V 12 AH&amp;nbsp;</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>BP12</td><td>最小 7 安时（AH）</td></tr><tr><td>充电调节器</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CH200</td><td>电荷调节器，任何未调节的太阳能板均需配备</td></tr><tr><td>导管，40 号 PVC，1 至 2&quot; 直径&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>直径应根据传感器数量和电缆厚度适当选择。长度取决于外壳高度</td></tr><tr><td>数据采集软件</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>PC400</td><td>免费版本功能有限，适用于较基础的应用，手动下载和简单传感器配置</td></tr><tr><td>数据控制平台</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CR300</td><td>任何兼容 SDI-12 的 DCP 均可满足要求。许多设备还提供集成蜂窝调制解调器&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>外壳（NEMA），10 x 12 英寸，-DC 2 个用于电缆的导管，-MM 三脚架桅杆安装座</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>ENC10/12-DC-MM</td><td>需要两个底部导管用于地上和地下仪器</td></tr><tr><td>安装杆（47 英寸）带底座支腿</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CM305-PL</td><td>占地面积小，但高度不足以安装气象传感器</td></tr><tr><td>雨量计，8 英寸口径，20 英尺电缆</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>TE525WS-L20-PT</td><td>建议将雨量计安装在距离仪器支架一定距离的独立垂直杆上</td></tr><tr><td>传感器，12 cm 水分反射计，17 英尺电缆，-VS SDI-12 地址可变</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CS655-17-PT-VS</td><td>更多选项请参见&lt;strong&gt;补充表 1&lt;/strong&gt;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>太阳能板，20 W</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>SP20</td><td>北方站点使用更高功率的太阳能板，南方日照较强的站点可使用较低功率的</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;系统组件，可选&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>蜂窝天线，2 dB 多频段全向&amp;nbsp;</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>32262</td><td>若已知基站位置，定向天线可改善信号。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>Verizon/ATT 蜂窝调制解调器</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CELL210/205</td><td>运营商取决于站点位置</td></tr><tr><td>横臂安装座，4 英尺</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CM204</td><td>适用于安装 2 米高的传感器&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>数据采集软件，高级</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>Loggernet</td><td>更高级的商业软件，包含远程通信选项和高级编程功能</td></tr><tr><td>DIN 轨道穿孔钢</td><td>菲尼克斯接触（Phoenix Contact）</td><td>1207639</td><td>用于在外壳内安装接线端子</td></tr><tr><td>镀锌钢水管，1.5 或 2 英寸直径，10 英尺长</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>作为仪器桅杆最经济的选择。可按需截断。可替代带支腿的 47 英寸安装杆</td></tr><tr><td>仪器三脚架，10 英尺不锈钢，带接地套件</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CM110</td><td>较高的仪器支架，用于安装 2 米高的气象传感器</td></tr><tr><td>杠杆螺母连接器，五端口（&lt;strong&gt;图 5&lt;/strong&gt;）</td><td>Digi-Key</td><td>222-415/VE00/1000</td><td>将一根 SDI-12 线连接至四个传感器线。可替代 DIN 轨道。</td></tr><tr><td>零调制解调器电缆&amp;nbsp;</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>18663</td><td>带调制解调器的 DCP 之间的接口电缆。集成蜂窝调制解调器无需此电缆</td></tr><tr><td>插接桥接器 - FBS 3-5</td><td>菲尼克斯接触（Phoenix Contact）</td><td>3030174</td><td>用于连接多个接线端子的电路。可在 mouser.com 购买</td></tr><tr><td>Secure Set 泡沫，10 根桩套件（2 加仑）</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>使用钢管桅杆或雨量计杆时可替代混凝土。双组分泡沫混合物</td></tr><tr><td>传感器，空气温度和相对湿度，10 英尺电缆&amp;nbsp;</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>HygroVUE10-10-PT</td><td>精度较低的选项。可更换芯片是满足年度校准周期的最快方式。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>传感器，太阳辐射热电堆式总辐射表，数字式&amp;nbsp;</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>CS320</td><td>最便宜的，ISO C 类（二级）。有更优选项但价格昂贵得多</td></tr><tr><td>传感器，风速风速计，10 英尺电缆</td><td>Met One</td><td>014A-10</td><td>更昂贵的选项包括风向或无活动部件的超声波传感器</td></tr><tr><td>空气温度和相对湿度传感器用太阳辐射屏蔽罩</td><td>坎贝尔科学公司&amp;nbsp;</td><td>RAD10E</td><td>所有空气温度传感器均需遮蔽阳光</td></tr><tr><td>接线端子（&lt;strong&gt;图 5&lt;/strong&gt;），贯通式&amp;nbsp;</td><td>菲尼克斯接触（Phoenix Contact）</td><td>3064085</td><td>连接多个 SDI-12 传感器线的最可靠方法。可在 mouser.com 购买</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;现场工具，必要&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>冷冻袋：夸脱和加仑尺寸</td><td>任意杂货店</td><td></td><td>用于储存采集的土壤样品以进行表征</td></tr><tr><td>各种挖掘工具，包括手铲、平头锹和尖头锹</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>辅助挖掘的备用工具</td></tr><tr><td>铁锹（锐利手），16 英寸 D 型手柄排水锹</td><td>Razorback</td><td></td><td>手动挖掘土坑的工具。任何窄尖锹均可使用。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>沟渠锹，4 英寸宽钢制刀片&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>理想的沟槽工具，用于埋设电缆或导管</td></tr><tr><td>土壤钻（&amp;lt;4 英寸直径）带 T 型手柄或根据需要加装延长杆，用于测试孔</td><td>AMS 采样器</td><td>400.06</td><td>推荐用于测试孔。钻头类型应与土壤匹配，但“普通型”在大多数土壤中表现良好</td></tr><tr><td>防水布（塑料）或胶合板</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>挖掘和开沟过程中的土壤管理</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;现场工具，可选&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2,000 磅小型挖掘机</td><td>Sunbelt 租赁</td><td>350110</td><td>用于机械挖掘的租赁设备</td></tr><tr><td>破碎锤或掘土棒</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>在挖掘过程中用于破碎岩石和切断树根</td></tr><tr><td>镀锌牛栏网板，16 英尺 x 50 英寸</td><td>Tractor Supply Co.&amp;nbsp;</td><td>350207799</td><td>建议将围栏网板切割成 8 英尺的段</td></tr><tr><td>鹤嘴锄或普拉斯基斧&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>非常适合在坚硬或岩石土壤中松土&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>液压拖曳式后置式钻孔机，带 18&quot; 直径钻头</td><td>Sunbelt 租赁</td><td>700033</td><td>用于机械挖掘的租赁设备</td></tr><tr><td>挖坑器，48 英寸手柄</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>用于清理坑底土壤或用于测试孔</td></tr><tr><td>钢制围栏 T 型桩，6 英尺高，及桩锤，约 14 磅</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>围栏支撑与安装</td></tr><tr><td>钢制耙</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>理想用于平整现场扰动的土壤</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;日常携带（EDC），推荐给任何现场技术人员的工具包&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>带绝缘手柄的可调扳手&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>各种抗紫外线扎带</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>整齐布线的关键&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>斜口钳</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>高效剪切细线、粗线及剪断扎带</td></tr><tr><td>数码相机、GPS 和指南针</td><td>其他&amp;nbsp;</td><td></td><td>理想情况下，这些功能均可在智能手机上实现</td></tr><tr><td>数字万用表</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>排查电气系统中电源和连接问题的关键工具</td></tr><tr><td>电工胶带&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>非黑色胶带可用于标记&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>用于填充外壳入口孔的电工腻子</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>需要封闭并密封外壳中的所有导管端口</td></tr><tr><td>英制和公制尺寸的六角扳手套装</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>许多传感器安装座所必需</td></tr><tr><td>磁性鱼雷水平仪（8 至 12&quot;）</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>用于使仪器支架垂直并对准任何气象传感器</td></tr><tr><td>公制卷尺&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>插入探头和采集土壤样品的关键——两者均使用公制深度。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>钳子：尖嘴钳、电工钳和管钳</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>电工钳对于捆扎铁丝围栏至关重要。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>便携式电钻、钻头、螺母起子</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>棘轮扳手及相应尺寸的套筒&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>棘轮扳手可进入传感器安装座周围狭小空间，而标准开口扳手无法使用</td></tr><tr><td>安全：急救包、水（5 加仑）、&amp;nbsp;垃圾袋、手套、防晒霜、驱虫剂</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>螺丝刀：大小号带绝缘手柄&amp;nbsp;</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>DCP 和接线端子上的螺丝非常小。需要小号平头和十字头螺丝刀。大号工具也会派上用场</td></tr><tr><td>记号笔、铅笔和笔记本</td><td>林业供应商</td><td></td><td>基本记录保存对于元数据至关重要</td></tr><tr><td>梯子，6 英尺</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>没有梯子很难安装 2 米高的传感器</td></tr><tr><td>美工刀和裁纸刀</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>植被控制：手剪、除草机、锯</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>根据环境不同，植被可能迅速覆盖围栏区域</td></tr><tr><td>剥线钳（8-20 号）</td><td>任意家居用品商店</td><td></td><td>为将电线插入 DCP 或接线端子做准备的必备工具。自调节剥线钳是最新流行产品</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;年度维护用品&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>电池清洁剂（小苏打）和刷子</td><td>任意杂货店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>清洁用品：压缩空气、异丙醇、牙刷、通管刷、纸巾&amp;nbsp;</td><td>任意杂货店</td><td></td><td></td></tr><tr><td>干燥剂，硅胶袋</td><td>科莱恩</td><td>Desi Pak</td><td>在 105 &amp;deg;C 烘箱中烘干超过 24 小时后可重复使用。每年更换一次。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>雨量计现场校准装置</td><td>R.M. Young</td><td>52260</td><td>以不同强度向雨量计滴水的装置&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>手持式气象仪</td><td>Kestrel 仪器</td><td>0830</td><td>用于现场验证空气温度、相对湿度和风速的直接测量</td></tr><tr><td>一夸脱和一加仑冷冻袋</td><td>任意杂货店</td><td></td><td>用于储存任何重力法土壤样品</td></tr><tr><td>便携式土壤水分传感器&amp;nbsp;</td><td>Delta-T 设备</td><td>SM150T</td><td>存在多种传感器。评估请见 https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033</td></tr><tr><td>土壤取芯器，2-1/4 英寸直径</td><td>Soilmoisture Equipment Corp.</td><td>0200</td><td>重力法土壤水分和容重取样器&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

原位 未扰动土壤中的土壤水分传感器

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

土壤含水量直接影响水文运行、粮食安全、生态系统服务以及气候系统。然而，由于数据采集不一致、标准化程度低以及通常记录时长较短，土壤含水量数据的应用进展缓慢。土壤含水量，或定量称为体积含水量（SWC），通常通过埋设的原位（in situ）传感器，根据其电磁响应间接推算得出。该信号可能因局部场地条件（如黏土含量和矿物组成、土壤盐分或容积电导率、土壤温度等）而产生显著变化；这些因素对不同传感器技术的影响各不相同。
此外，土壤接触不良和传感器老化会随着时间推移影响这些测量数据的质量。与更传统的环境传感器不同，目前尚无公认的土壤含水量（SWC）数据标准、维护规范或质量控制方法。因此，对于许多环境监测网络而言，SWC测量是一项具有挑战性的任务。本文旨在建立一种基于科研社群的实践标准 原位 SWC传感器，以便未来的研究和应用在监测站点的选址、传感器安装、数据解读以及长期维护方面具有一致的指导依据。
视频重点展示多个机构共同达成的最佳实践共识及安装建议 原位 SWC传感器。本文概述了该协议以及获取高质量、长期SWC数据所必需的各个步骤。本协议将有助于希望部署单个观测站或完整网络的科研人员与工程师。

测定土壤含水量是许多州级和联邦机构的关键任务需求。该方案综合了多个机构采用埋设法测量土壤含水量的共同努力 原位 传感器

土壤水分直接影响运行水文学、粮食安全、生态系统服务以及气候系统。然而，土壤水分……的采用

土壤含水量调控着从作物生产到天气变化的多种地上和地下过程。近年来，它已成为许多州级和联邦机构的关键任务需求。本方案综合了多个机构的努力，利用埋设的原位电磁传感器来测量土壤水分。本方案对于希望部署单个观测站或完整网络的科研人员和工程师具有重要参考价值。土壤含水量 recently 被全球气候观测系统认定为关键气候变量。然而，原位埋设传感器的安装实践至今仍缺乏统一标准。我们希望书面方案和视频能够改进数据采集。目前尚无简便方法来验证埋入式土壤水分传感器是否提供了良好的数据。最初，需要确信传感器与土壤接触良好，且安装过程未影响局部土壤水文状况。演示该实验操作的是美国农业部农业研究局水文与遥感实验室的物理科学家 Alex White，该实验室位于马里兰州贝尔茨维尔。首先，将每个传感器分别连接到数据控制平台。使用问号和感叹号命令查询传感器的地址，并在实验记录本中记录每个传感器的数值、序列号及其 SDI-12 地址。然后使用记号笔在传感器探头和电缆末端标注SDI-12地址。在实验室中安装土壤含水量传感器及任何辅助传感器，将其连接至数据控制平台和电池，使土壤含水量传感器悬挂在空气中、插入干燥处和/或浸入水中。确认数据以适当的频率被记录，且数值合理。使用美国农业部（USDA）SoilWeb 应用程序查询该地点，并使用挖坑工具挖掘一个测试坑。检查田间质地是否与土壤描述一致。在挖掘区域上铺设防水布，以保护土壤表面免受扰动。展开传感器，并将传感器头部放置在坑壁表面。然后将电缆末端放置在仪器支架将要安装的位置，确认电缆长度合适，必要时进行调整，并用标志旗标记支架的位置。使用打孔工具挖掘一个深度约为 55 厘米的孔。使用锋利的铲子清理孔洞，确保坑壁垂直，以便每个传感器上方的土壤均未受扰动。尽量减小孔洞及扰动区域的范围，以利于快速恢复。以10厘米为间隔逐层取土，将每层取出的土壤放置在油布的远端，并随着挖掘深度的增加逐步向近端移动，同时打碎土块并清除较大的石块。接下来，挖掘一条笔直、狭窄且深度超过10厘米的沟槽，用于埋设传感器电缆。将所有传感器解卷后平放在沟槽的一侧。在每个传感器深度处采集具有代表性的土壤样品并放入一个一夸脱的冷冻袋中，同时记录土壤颜色或质地发生明显变化的深度。检查坑壁表面是否垂直，或略微向内倾斜，以确保每个传感器上方均有未受扰动的土壤。首先插入50厘米的传感器，并将传感器水平推入土壤中，尽量避免晃动传感器，以免产生空隙。如有必要，可借助杠杆作用轻轻推入传感器，确保探针完全嵌入土壤中。将每个传感器电缆朝向坑的同一侧，并使其垂至挖掘坑的底部。使用卷尺作为比例参照，拍摄挖掘孔及传感器的照片。对于100厘米深度的传感器，挖掘深度为100厘米减去传感器探针长度的一半，即本例中为94厘米。使用安装工具将传感器垂直插入孔底。用挖出的土壤回填螺旋钻孔。将所有传感器电缆从沟槽经一段PVC导管和贯通接头引入外壳内。然后将电缆镜头拉入底部外壳端口，用扎带固定，并连接五个传感器。使用万用表调至直流电压（DC）档，检测电池电压是否充足。接着，将黑色负极导线的端子连接器滑至电池负极接地端子上，红色导线则滑至电池正极端子上。启动系统时，将电池电缆插入直流电源分配器（DCP）。启动数据控制平台软件后，将笔记本电脑连接至数据控制平台，并确认所有传感器均显示数值。当地下部分所有设备正常运行且电缆已布线至 enclosure 内部后，使用电工胶泥填充并密封地上和地下的 enclosure 开口。使用靠近地膜处挖掘较深的土壤，从底部开始向上手工压实传感器探头周围的土壤，注意不要扰动传感器，并确保土壤充分压实。以10厘米为一层回填土坑，每层均需平整并压实表面，直至达到20厘米深度的传感器位置。在该传感器探头周围手工压实土壤，然后继续以10厘米为一层向上回填并压实，直至到达地表。使用防水布上的深层土壤小心覆盖，并将土壤压实至坑底，以固定电缆，注意不要用力向下拉扯电缆。从仪器桅杆的北、南、东、西四个方向拍摄已完成站点的照片。使用警示带或其他明显标识物标示传感器安装位置。该野外监测系统报告了逐小时的空气和土壤温度、土壤含水量、日降水量、土壤储水量及其随时间的变化。结果显示，每次降雨事件后，近地表土壤含水量急剧上升，而较深土层的含水量增加则有所滞后。在2022年2月初和4月发生的降雨事件期间，位于100厘米深度的最深传感器测得土壤含水量达到0.33立方米/立方米的稳定值，表明土壤进入饱和状态。在密西西比州进行的类似安装中，降雨40毫米后，各深度的土壤含水量均达到0.60立方米/立方米，而后续增加的70毫米降雨并未影响土壤储水量，表明已产生饱和过剩径流。在蒙大拿州的类似安装中，冻土和积雪覆盖导致3月中旬土壤含水量显著下降，随后在解冻期间含水量上升，且无任何降水迹象。需警惕传感器的异常行为，例如尖峰、阶跃变化和振荡，这些可能表明安装不当或传感器故障。传感器插入可能具有挑战性，特别是在多石、多根系或干燥的土壤中。务必确保传感器头部与土壤表面完全贴合。本方案将有助于获得更一致和标准化的土壤含水量数据，适用于多种应用场景，包括：干旱监测、供水预测、流域与农业管理以及作物规划。国家协调土壤水分监测网络正在围绕土壤水分的测量、解释与应用建立一个实践共同体。该网络由连接数据提供者、研究人员和公众的人员组成。详情请参见相关文档。

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