Name: In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-11-18T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 20 s
Description: Erfahren Sie die standardisierte Installation von Bodenfeuchtesensoren für Umweltmonitoring und Hydrologie. Diese Methode verbessert die Datenqualität und ermöglicht zuverlässige Klimabeobachtung in verschiedenen Böden.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch NOAA-NIDIS, das National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN) und das USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS)-Programm. Wir danken den Mitgliedern des NCSMMN-Exekutivkomitees, darunter B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda und M. Woloszyn, für ihre Beiträge zu diesem Protokoll. Wir danken M. Weaver (USGS) für die erste Überprüfung des Protokollentwurfs.

Jegliche Verwendung von Handels-, Firmen- oder Produktnamen dient nur zu beschreibenden Zwecken und impliziert keine Billigung durch die US-Regierung. Dieser Artikel ist ein Werk der US-Regierung und ist in den USA gemeinfrei. USDA ist ein Arbeitgeber und Anbieter für Chancengleichheit.

Der Feuchtigkeitszustand des Bodens ist das Ergebnis vieler verschiedener Umweltfaktoren, einschließlich Niederschlag, Vegetation, Sonneneinstrahlung und relativer Luftfeuchtigkeit sowie der hydraulischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens. Diese interagieren über Raum und Zeit auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Um die Wasser-, Energie- und Kohlenstoffkreisläufe zu modellieren und vorherzusagen, ist es notwendig, den SWC-Zustand zu verstehen. Eine der gebräuchlichsten Arten automatisierter Messtechnologien ist ein elektromagnetischer SWC-Sensor mit Zinken, der in situ in ungestörten Boden eingeführt werden soll. Dieses Protokoll wurde entwickelt, um eine Anleitung für den Prozess der Installation dieser gängigen Arten von buriablen Sensoren zu geben. Genauigkeit, Leistung und Kosten sind in der Regel proportional zur Betriebsfrequenz der Sensoren. Sensoren mit niedrigerer Frequenz kosten weniger, werden aber stärker durch Boden- und Umweltfaktoren beeinträchtigt45. Die boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Genauigkeit von Sensoren mit niedrigerer Frequenz verbessern. Die Messmethode beeinflusst auch die Sensorleistung aufgrund der zugrunde liegenden Physik des elektromagnetischen Feldes (EMF).
Zwei wichtige elektromagnetische physikalische Gesetze regeln die elektromagnetische Sensorik. Eines davon ist das Gaußsche Gesetz, das beschreibt, wie die Ausbreitung der EMK des Sensors sowohl von der ε als auch von der BEC des Mediums abhängt. Die Permittivität nimmt jedoch mit SWC zu, aber auch das BEC. Daher werden Sensoren, die vom Gaußschen Gesetz abhängig sind, von SWC, BEC und dem Temperatureinfluss auf BEC sowie von Störungen durch den Salzgehalt beeinflusst. Kapazitätssensorverfahren gehorchen dem Gaußschen Gesetz und sind daher anfälliger für diese Effekte46. Zusätzlich beschreibt das Gaußsche Gesetz die Abhängigkeit der Kapazität von einem geometrischen Faktor, der sich mit der Form der EMK im Boden ändert. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die EMF-Form mit der Bodenstruktur und der kleinräumigen räumlichen Variabilität des Wassergehalts um die Sensorzinken ändert. Die kleinräumige räumliche Variabilität des Wassergehalts und der Bodenstruktur ist in den meisten Böden groß, was zu geometrischen Faktoränderungen und daraus resultierenden Kapazitätsänderungen führt, die wenig mit Änderungen des mittleren Bodenwassergehalts zu tun haben. Diese Faktoren verringern die Genauigkeit des Kapazitätssensors und erhöhen die Datenvariabilität46,47,48. Die Impedanz- und Übertragungsleitungsschwingungsmethoden hängen ebenfalls vom Gaußschen Gesetz ab, während die Methoden der Zeitbereichsreflektometrie und der Zeitbereichstransmissometrie von den Maxwell-Gleichungen abhängen, die keinen geometrischen Faktor enthalten und nicht von BEC abhängig sind. Obwohl kein Sensor problemlos ist, sind die Zeitbereichsmethoden tendenziell deutlich genauer und weniger verzerrt als kapazitäts- oder impedanzbasierte Methoden.
Es gibt mehrere kritische Schritte in der Prozedur. Für ein Netzwerk mit geringer Dichte sind die richtige Standortauswahl und Sensorposition erforderlich, um die am besten geeignete räumliche Darstellung von SWC zu erhalten. Die Standortwahl kann stärker von externen Faktoren beeinflusst werden, wie z. B. dem Landzugang oder anderen Anforderungen an die atmosphärische Überwachung, bei denen die Bodenfeuchtigkeit die Zusatzmessung ist. Mesoskalige meteorologische Standorte befinden sich auf breiten und offenen, gut gepflegten Grasflächen, um mikroskalige Einflüsse zu minimieren. Solche Standorte sind möglicherweise weniger ideal für die SWC-Überwachung. Gegebenenfalls sollten drahtlose Sensortechnologien in Betracht gezogen werden 49,50,51,52,53, um eine SWC-Überwachung außerhalb der bestehenden Umweltüberwachungsstation und in repräsentativem Boden zu ermöglichen. Die Arbeit rund um aktive landwirtschaftliche Betriebe und Bewässerungsgeräte ist eine Herausforderung. Die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und USDA-ARS) bleiben am Rande von Feldern, um Bodenbearbeitungsaktivitäten wie Pflüge oder Erntemaschinen zu vermeiden, die die Kabel durchtrennen und Sensoren freilegen können. Jeder In-situ-Sensor und jedes Kabel muss ausreichend vergraben sein und ein Oberflächenprofil aufweisen, das niedrig genug ist, um Rückschlüsse auf den Betrieb auf dem Bauernhof zu vermeiden. Drahtlose Systeme53 und abnehmbare Bohrlochsensoren47 können geeigneter sein. Der Grundwasserschutz durch großflächige, auf Bodenfeuchte basierende Bewässerung54 ist ein wachsendes Feld für SWC-Sensoren; Dieses Protokoll bezieht sich auf räumlich repräsentative Langzeit-SWC-Daten in ungestörten Böden.
Einige Böden sind schwieriger zu messen als andere. In felsigen, kiesigen oder sehr trockenen Böden kann es unmöglich sein, die Zinken ohne Beschädigung einzusetzen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Bodengrube auszuheben und die Sensoren während der Verfüllung an Ort und Stelle zu legen, um zu versuchen, auf die ursprüngliche BD zu verdichten. Felsige Böden haben in der Regel wenig Struktur, die wahrscheinlich nach mehreren Benetzungs- und Trocknungszyklen heilen wird. Eine solche Störung ist jedoch möglicherweise nie wirklich repräsentativ für die Bodenhydrologie des Standorts. Wenn Sensoren im Boden von Schneckenlöchern installiert sind, kann der entfernte Boden alternativ gesiebt werden, um Steine zu entfernen, und gerade tief genug in das Loch gepackt werden, um die Sensorzinken aufzunehmen. Der Sensor kann dann vertikal installiert und das Schneckenloch mit dem verbleibenden nicht gesiebten Boden wieder aufgefüllt werden, wobei häufig verdichtet wird, wenn Erde hinzugefügt wird.
Wurzeln im Waldboden stellen ähnliche Herausforderungen dar wie das Einführen von Sonden, jedoch können Wurzeln in einigen Situationen geschnitten werden. Waldböden haben oft organische (O) Horizonte auf dem Mineralboden, die eine sehr niedrige BD und eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen können, wobei große Mengen an gebundenem Wasser zu sehr nichtlinearen Sensorreaktionen bei höheren SWCs55 führen. Darüber hinaus legt der Praktiker das Nulldatum entweder als Oberseite des O-Horizonts oder als Mineralbodennotiz in den Metadaten fest. Lehmreiche Böden und ausgedehnte Tone mit hohem Schrumpf-/Quellpotential können im nassen Zustand extrem leitfähig für elektromagnetische Signale sein und im trockenen Zustand reißen. Solche Böden benötigen möglicherweise zusätzliche Korrekturen, um aus den Rohmessungen einen vernünftigen SWCzu erhalten 56,57. In flachen Böden kann Grundgestein oder ein restriktiver Bodenhorizont (z. B. Caliche oder Hardpan) angetroffen werden, bevor die ideale maximale Tiefe erreicht wird. Es kann notwendig sein, den Standort zu wechseln oder die tieferen Sensoren einfach nicht zu installieren. Übermäßig trockene oder nasse Böden können eine Herausforderung darstellen, und es ist auch vorzuziehen, Installationstermine außerhalb der saisonalen Extreme zu wählen. Trockener Boden kann sehr stark sein, und es kann sich als unmöglich erweisen, einen Sensor ohne Beschädigung einzusetzen. Bei Bedarf können vorgelagerte Löcher mit Wasser gefüllt werden, um die Grubenfläche aufzuweichen, obwohl es einige Zeit dauern kann, bis die Böden wieder in einen natürlichen Zustand zurückkehren. Nasse Böden können zu schwach sein, um Grubengesichter zu stützen, oder der Graben kann sich mit Wasser füllen. Es ist auch einfacher, einen feuchten Boden zu verdichten.
Der Sensorausgang sollte die Permittivität enthalten, nicht nur SWC, damit später Korrekturen oder bodenspezifische Kalibrierungen vorgenommen werden können. Sensoren mit höherer Frequenz sind in Böden mit hohem BEC-Gehalt besser geeignet, während kürzere Zinken in kompakteren Böden möglicherweise einfacher zu installieren sind. Der vielleicht kritischste Schritt ist jedoch der Bodenkontakt; Ein schlechter Kontakt verschlechtert das Signal eines elektromagnetischen Sensors. Schließlich klingt die Verfüllung der Baugrube trivial, aber sie ist der Schlüssel, um den bevorzugten Fluss in den Bereich der Sensoren zu minimieren, die Kabel zu schützen und Tiere davon abzuhalten, den Bereich zu stören. Eine boden- oder standortspezifische Kalibrierung kann die Sensorgenauigkeit verbessern, erfordert jedoch mehr Details, als in diesem Protokoll möglich ist. Feldböden, die auf unterschiedliche SWC-Werte eingestellt oder umgepackt werden, sind ideal, um die Linearität des Ansprechverhaltens zu überprüfen, und können als standortspezifische Kalibrierung für einige Sensortypen21 dienen. Dielektrische Flüssigkeiten können auch wirksame Medien sein, um das Ansprechverhalten des Sensors58 zu überprüfen. Temperaturgesteuerte Wasserbäder können verwendet werden, um die Kalibrierung der Bodentemperatur zu verbessern59. Dieses Protokoll ist der erste Schritt zur Festlegung einer Standardarbeitsanweisung für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren, da es weder eine bestehende Methode noch eine akzeptierte Methode zur Kalibrierung von SWC-Sensoren 60,61 gibt.
Während die SWC-Überwachung im Mittelpunkt dieses Protokolls stand, hat die Methode Grenzen, und SWC allein kann kein vollständiges Bild des Bodenwasserzustands liefern. Viele Ökosystemprozesse werden auch durch das Wasserpotenzial des Bodens reguliert, das seltener in situ62 gemessen wird. Das Bodenwasserpotenzial, das kürzlich von S. Luo, N. Lu, C. Zhang und W. Likos 63 überprüft wurde, ist der Energiezustand von Wasser; Solche Sensoren können weniger von den Bodeneigenschaften beeinflusst werden und eine Qualitätskontrolle für SWC-Sensoren64 ermöglichen. Darüber hinaus umfasst das Bulk-Feld SWC Kies, Gesteine, Wurzeln und Hohlräume (z. B. bevorzugte Fließwege). In situ SWC-Sensoren werden in der Regel um Gesteine und Wurzeln herum neu positioniert, und das begrenzte Messvolumen, das sich auf die Zinken konzentriert, kann diskrete, aber wichtige Aspekte des Bulk-Feld-SWC übersehen.
Dieses Protokoll wird hoffentlich zu harmonisierteren und einheitlicheren SWC-Daten für eine Vielzahl von Anwendungen führen, darunter Dürreüberwachung, Wasserversorgungsprognose, Wassereinzugsgebietsmanagement, landwirtschaftliche Bewirtschaftung und Ernteplanung. Das Aufkommen von Fernerkundungsplattformen4 hat die Fähigkeit zur globalen Abschätzung von SWC erheblich verbessert, aber diese Produkte benötigen eine Bodenvalidierung, die immer noch nur von In-situ-Netzwerken angemessen erfasst wird65. Computerfortschritte haben es ermöglicht, eine hochauflösende SWC-Modellierung66 zu entwickeln, die einen hochauflösenden und subtäglichen SWC-Status erzeugt, aber diese Produkte benötigen auch In-situ-Schätzungen von SWC, um eine Grundlage für die Berechnung der Unsicherheit zu schaffen. Oft ist die erste Frage, die bei der Einführung eines neuen Produkts gestellt wird: "Was ist die Unsicherheit?" Für SWC-Produkte ist der primäre Vergleich für die Validierung In-situ-Netzwerkdaten 67.
In jüngster Zeit gab es Netzwerkerweiterungen im Zusammenhang mit dem National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), einschließlich des Bodenfeuchteprojekts des U.S. Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin und des von der NOAA unterstützten Netzwerkaufbaus im Südosten der USA, die alle darauf abzielen, die Vorhersage und Überwachung von Wassergefahren zu verbessern und Entscheidungshilfen für das Ressourcenmanagement bereitzustellen. Die Sicherheit und Genauigkeit von SWC-Schätzungen für solche Anwendungen kann nur mit gründlichen Protokollen und Verfahren erreicht werden, um Vertrauen in die Datenintegrität zu schaffen. Das NCSMMN ist eine von der Bundesregierung geleitete, institutionenübergreifende Initiative, die darauf abzielt, Hilfe, Anleitung und Unterstützung zu bieten, indem sie eine Praxisgemeinschaft rund um die Messung, Interpretation und Anwendung der Bodenfeuchte aufbaut - ein "Netzwerk von Menschen", das Datenanbieter, Forscher und die Öffentlichkeit verbindet68. Dieses Protokoll ist ein Produkt der NCSMMN-Bemühungen. Ein Workflow für die Datenqualitätskontrolle ist in Vorbereitung.

Die Bodenfeuchte wurde kürzlich als wesentliche Klimavariable im Global Observing Climate System1 anerkannt. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) spielt eine wichtige Rolle bei der Aufteilung des einfallenden Strahlungsflusses in latente und fühlbare Wärme zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre und bei der Aufteilung des Niederschlags zwischen Abfluss und Infiltration2. Die räumlich-zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte auf der Punkt-, Feld- und Wassereinzugsgebietsskala erschwert jedoch unsere Fähigkeit, SWC in der geeigneten Skala zu messen, die zur Erreichung der Forschungs- oder Managementzieleerforderlich ist 3. Neue Methoden zur Quantifizierung von SWC, einschließlich bodengestützter Netzwerke von In-situ-Sensoren , proximalen Detektoren und Fernerkundung, bieten einzigartige Möglichkeiten, die Variation von SWC mit einer beispiellosen Auflösung abzubilden4. In situ SWC-Sensoren liefern die zeitlich kontinuierlichsten und tiefenspezifischsten Datensätze, unterliegen aber auch kleinen Erfassungsvolumina und lokalen Variabilitäten, die den Bodeneigenschaften, der Topographie und der Vegetationsbedeckung innewohnen5.
Darüber hinaus fehlt es an Standards oder allgemein akzeptierten Methoden für die Installation, Kalibrierung, Validierung, Wartung und Qualitätskontrolle von In-situ-SWC-Sensoren . Die Bodenfeuchte ist von Natur aus ein schwierig zu messender Parameter und möglicherweise die am schwierigsten zu gewährleistende Variable6. Während allgemeine Protokolle für die SWC-Datenerfassung von der Internationalen Atomenergiebehörde7, dem Committee on Earth Observation Satellites8, den Berichten der Bundesbehörde9 und der American Association of State Climatologists10 erstellt wurden, gibt es nur begrenzte spezifische Leitlinien für die Installation, Wartung, Qualitätskontrolle und Verifizierung von SWC-Daten von vergrabenen in situ Sonden. Dies hat die Einführung solcher Technologien für operative Überwachungsnetze, wie z. B. staatliche Mesonets, zu einer Herausforderung gemacht, um SWC-Messungen hinzuzufügen. In ähnlicher Weise ist es auch für betriebliche Hydrologen, z. B. in Flussvorhersagezentren, eine Herausforderung, diese Daten in ihren Arbeitsablauf zu integrieren. Das Ziel dieser Videografie und des Begleitpapiers ist es, eine solche Anleitung zu geben und ein zusammenhängendes Installationsprotokoll für vergrabene In-situ-SWC-Sonden zu dokumentieren.
Auswahl eines Standorts für die In-situ-Überwachung der Bodenfeuchte Die Böden in jedem Gebiet von Interesse (AOI) bilden sich durch eine einzigartige und gekoppelte Rückkopplung im Laufe der Zeit zwischen Topographie, Ökologie, Geologie und Klima11,12. Die Variabilität von SWC in verschiedenen Landschaften macht die Standortauswahl zu einem entscheidenden Aspekt für jede Bodenfeuchtestudie. Für einige Forschungsziele kann ein Standort ausgewählt werden, um ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Mikrosite in der Landschaft oder im Ökosystem darzustellen. Für die Zwecke der Überwachung von Netzen sollte der Standort räumlich repräsentativ für eine größere Landschaftskomponente sein. Ziel ist es, einen Standort zu finden, der die beste räumliche Darstellung des AOI bietet. Vor Ort müssen pragmatischere Überlegungen angestellt werden, wie z. B. die Anforderungen an andere meteorologische Instrumente, die Zugänglichkeit oder die Genehmigung. Die dominierende Bodenkarteneinheit innerhalb des AOI ist jedoch in der Regel eine gute räumliche Darstellung der Umweltbedingungen eines größeren Gebiets13. Die dominante Bodenkarteneinheit kann mit dem Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) bestimmt werden; Diese Bodenkarteneinheit sollte auch mit einer flachen Grube oder einem Testloch verifiziert werden.
Eine typische Überwachungsstation kann je nach Sensorbedarf und Anzahl der Zusatzmessungen 5-50 m2 einnehmen. Abbildung 1 zeigt eine typische Überwachungsstation mit einem 3 m hohen Turm, der ein Anemometer für Windgeschwindigkeit und -richtung, einen Lufttemperatur- und relativen Feuchtesensor, ein Pyranometer für Sonneneinstrahlung und ein wetterfestes und wasserdichtes Gehäuse der National Electrical Manufacturers Association (NEMA) enthält (NEMA-Bewertung 4). Das NEMA-Gehäuse beherbergt die Datensteuerungsplattform (DCP), das Mobilfunkmodem, den Laderegler für Solarmodule, die Batterie und andere zugehörige Hardware (siehe Materialtabelle; Systemkomponenten). Der Turm bietet auch eine Plattform für die Kommunikationsantenne, das Solarpanel und den Blitzableiter. In der Regel ist auch ein Flüssigniederschlagsmesser (PPT) enthalten, der vom Turm entfernt und in der niedrigstmöglichen Höhe platziert werden sollte, um die Auswirkungen des Windes auf die PPT-Erfassung zu reduzieren. Die SWC-Sensoren sollten in ausreichender Entfernung (3-4 m) und hangaufwärts installiert werden, damit der Turm weder bei Regen noch bei Überlandströmung stören kann. Alle zugehörigen Kabel sollten mindestens 5 cm unter der Oberfläche in Rohren vergraben werden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> Abbildung 1: Eine typische Überwachungsstation. Das USDA SCAN sammelt stündlich Informationen über den Wassergehalt und die Temperatur des Bodens in Standardtiefen (5, 10, 20, 50 und 100 cm), Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, Niederschlag und Luftdruck. Es gibt über 200 SCAN-Standorte in den USA. Abkürzungen: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationaler Verband der Elektrohersteller. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Messtiefe, Ausrichtung und Anzahl der Sensoren In situ SWC-Sensoren werden in der Regel horizontal installiert, um bestimmte Tiefen im Boden darzustellen (Abbildung 2). Vom Bund finanzierte nationale Netzwerke wie das Soil Climate Network (SCAN)14, das Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 und das U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 messen SWC bei 5, 10, 20, 50 und 100 cm. Diese Tiefen wurden während der SCAN-Entwicklung aus verschiedenen Gründen einvernehmlich erreicht. Die Tiefe von 5 cm entspricht den Fernerkundungsfähigkeiten17; 10 und 20 cm Tiefe sind historische Messungen für die Bodentemperatur18; 50 und 100 cm Tiefe vervollständigen die Bodenwasserspeicherung in der Wurzelzone.
Die Sonden können vertikal, horizontal oder geneigt/abgewinkelt ausgerichtet werden (Abbildung 3). Die horizontale Installation ist am gebräuchlichsten, um eine gleichmäßige Bodentemperaturmessung in einer diskreten Tiefe zu erreichen. Während der Sensor in einer diskreten Tiefe zentriert sein kann, ist die SWC-Messung ein Volumen um die Zinken (d. h. Elektroden), das je nach Feuchtigkeitsgehalt, Messfrequenz und Geometrie der Installation (horizontal, vertikal oder abgewinkelt) variieren kann. Bei horizontaler Installation integriert das Erfassungsvolumen Feuchtigkeit oberhalb und unterhalb der Tiefe, und 95 % des Erfassungsvolumens befinden sich typischerweise innerhalb von 3 cm von den Zinken19. Vertikale oder abgewinkelte Installationen integrieren SWC entlang der Zinken, so dass die vertikale Installation den Speicher über die gesamte Länge der Sensortiefen20 darstellen kann. Einige Sensoren messen nicht gleichmäßig entlang ihrer Zinken. Zum Beispiel sind Übertragungsleitungsoszillatoren empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit in der Nähe des Sondenkopfes, wo die elektromagnetischen Impulse erzeugt werden21. Vertikale Installationen eignen sich besser für tiefere Sonden, bei denen Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten tendenziell reduziert werden.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> Abbildung 2: Installation von In-situ-SWC-Sensoren . Horizontale Platzierung des Sensors in ausgewählten Tiefen unter Verwendung von (A, B) einer Null-Tiefen-Referenzvorrichtung und (C) einer Null-Tiefen-Platine oder (D) eines Null-Tiefen-Schaufelgriffs als Referenz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> Abbildung 3: Ausrichtung der Sonden vertikal, horizontal oder geneigt . (A) Schräges und vertikales Einsetzen und (B) horizontal-vertikales Einsetzen und horizontal-horizontales Einsetzen in der Mitte eines dreizinzigen SWC-Sensors. Abkürzung: SWC = Bodenwassergehalt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Die Installation in Tiefen von weniger als 50 cm ist relativ intuitiv, während tiefere Sensoren etwas mehr Aufwand erfordern. Die SWC- oder Profil-Bodenwasserspeicherung der Wurzelzone erfordert in der Regel Messungen bis zu 1 oder 2 m. Wie in diesem Protokoll dargestellt, werden Installationen von 0 bis 50 cm in einer ausgehobenen Grube oder einem Schneckenloch mit Sonden durchgeführt, die horizontal in den ungestörten Boden eingebaut werden, wodurch die Oberflächenstörung minimiert wird. Bei tieferen Sensoren (z. B. 100 cm) installieren sowohl SCAN als auch USCRN den Sensor vertikal in separaten, von Hand gebohrten Löchern mit einer Verlängerungsstange (Abbildung 4).
Angesichts der Heterogenität der SWC, insbesondere in der Nähe der Oberfläche, und der geringen Messvolumina der Sensoren ermöglichen dreifache Messungen eine bessere statistische Darstellung der SWC. Ein Profil von In-situ-Sensoren ist jedoch typisch für die meisten Netzwerke (z. B. SCAN und SNOTEL). Das USCRN verwendet drei Profile im Abstand von 3-4 m, um dreifache Messungen in jeder Tiefe16 durchzuführen. Darüber hinaus erhöht die Redundanz bei der Messung die Ausfallsicherheit und Kontinuität des Stationsdatensatzes, wenn finanzielle Ressourcen verfügbar sind.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> Abbildung 4: Installation von Sensoren . (A) Flache Sensoren werden typischerweise horizontal in die Seitenwand einer ausgehobenen Bodengrube eingebaut. Bei tieferen Sensoren wird (B) eine Handschnecke verwendet, um ein Loch unter Verwendung einer Nulltiefenreferenz (z. B. Holz, das den Graben überspannt) in die Tiefe zu graben, und die Sensoren werden vertikal in den Boden von Löchern geschoben, wobei (C) ein Abschnitt des PVC-Rohrs verwendet wird, der modifiziert wurde, um den Sensor und das Kabel während der Installation zu sichern, oder (D) ein Installationswerkzeug. Bodenschichten werden als Oberboden (A-Horizont) und Unterbodenhorizonte mit translozierten Tonen (Bt) und Karbonatakkumulation (Bk) bezeichnet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
In-situ-SWC-Sensortyp Kommerziell erhältliche Sensoren leiten SWC aus der gemessenen Reaktion auf ein elektromagnetisches Signal ab, das sich entlang von Zinken in direktem Kontakt mit dem Bodenausbreitet 22. Vergrabene Sensoren lassen sich in fünf Klassen einteilen, abhängig von der Art des elektromagnetischen Signals und der Methode zur Messung der Antwort: Kapazität, Impedanz, Zeitbereichsreflektometrie, Zeitbereichstransmissometrie und Übertragungsleitungsschwingung (Ergänzende Tabelle S1 mit Links zu den Informationen der einzelnen Hersteller). Diese Technologien tendieren dazu, nach Betriebshäufigkeit und Hersteller zu gruppieren. Längere Zinken integrieren ein größeres Bodenvolumen; Sie können jedoch schwieriger einzubringen sein und unterliegen in Böden mit Lehm und höherer elektrischer Leitfähigkeit (BEC) eher einem Signalverlust. Die Hersteller berichten von SWC-Messfehlern von 0,02 bis 0,03 m3m−3, während die Anwender diese in der Regel als deutlich größer empfinden 23. Die richtige Kalibrierung und Standardisierung elektromagnetischer Sensoren verbessert die Leistung22; Diese bodenspezifischen Kalibrierungen gehen jedoch über den Rahmen dieses Protokolls hinaus, das sich auf die Installation konzentriert.
Bei der Auswahl des Sensors sollten die gewünschte Leistung, die Messmethode, die Betriebsfrequenz und die Kompatibilität mit anderen Messungen berücksichtigt werden. Vor 2010 waren die meisten SWC-Sensoren analog und erforderten vom DCP Messungen von Differenzspannungen, Widerständen oder Impulszahlen, was teurere Komponenten und einzelne Kanäle (oder Multiplexer) für jeden Sensor erforderte. Die serielle Datenschnittstelle mit 1.200 Baud (SDI-12) Kommunikationsprotokolle (http://www.sdi-12.org/) ermöglichen es intelligenten Sensoren, interne Messalgorithmen zu implementieren und dann digitale Daten über ein einziges Kommunikationskabel zu übertragen. Jeder Sensor kann nacheinander miteinander verdrahtet werden (d. h. eine Reihenschaltung), wobei ein gemeinsamer Draht verwendet wird, der über Hebelmutter- oder Klemmenblockstecker verbunden ist (Abbildung 5), wobei jeder Sensor eine eindeutige SDI-12-Adresse (0-9, a-z und A-Z) hat. Das gemeinsame Kommunikationskabel der SDI-12-Sensoren bildet zusammen mit einem Strom- und Massekabel einen einzigen Stromkreis. Multiplexer oder Messungen am DCP sind nicht erforderlich; Stattdessen sendet und empfängt das DCP einfach digitale Befehle und Textzeilen. Viele SDI-12 SWC-Sensoren umfassen auch Bodentemperatur-, relative Permittivitäts- (ε) und BEC-Messungen. Solche Messungen sind nützlich für die Sensordiagnose und die bodenspezifische Kalibrierung. Zu diesem Zeitpunkt hat der Benutzer einen Standort ausgewählt, den Sensortyp, die Anzahl und die Tiefe bestimmt und alle erforderlichen Hardware- und Feldwerkzeuge (Materialtabelle) erhalten. So können sie mit dem Installationsprotokoll fortfahren.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> Abbildung 5: Drahtspleißsteckverbinder und Klemmenblöcke, die verwendet werden, um gemeinsame Strom-, Masse- und Kommunikationskabel mit einem einzigen Eingang auf der Datenerfassungsplattform zu verbinden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>

<table><tbody><tr><td>Systemkomponenten, wesentlich</td><td></td><td></td><td>Dieses System ist die typische Mikrostation, die im TxSON-Bodenfeuchtenetzwerk verwendet wird. Die TxSON-Meteorstation ist unter den optionalen Komponenten aufgeführt. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034&nbsp;</td></tr><tr><td>Batterie, versiegelt wiederaufladbar 12 V 12 AH&nbsp;</td><td>Campbell Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>BP12</td> mindestens <td>7 Amperestunden (AH)</td></tr><tr><td>Laderegler</td><td>Campbell Scientific</td><td>CH200</td><td>Laderegler, erforderlich für alle ungeregelten</td></tr><tr><td>Solarmodulleitungen, Zeitplan 40 PVC, 1 bis 2" Durchmesser&nbsp; &nbsp;</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Durchmesser entsprechend der Anzahl der Sensoren und der Kabeldicke. Länge abhängig von der Höhe des Gehäuses</td></tr><tr><td>Datenerfassungssoftware</td><td>Campbell Scientific</td><td>PC400</td><td>Kostenlose Versionen mit eingeschränkter Programmierbarkeit für einfachere Anwendungen, manuelle Downloads und einfache Sensorkonfigurationen</td></tr><tr><td>Datensteuerungsplattform</td><td>Campbell Scientific</td><td>CR300</td><td>Jedes SDI-12 kompatible DCP ist ausreichend. Viele verfügen auch über integrierte Mobilfunkmodems&nbsp;</td></tr><tr><td>Gehäuse (NEMA), 10 x 12 Zoll, -DC 2 Leitungen für Kabel, -MM Stativmasthalterung</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>ENC10/12-DC-MM</td><td>Für ober- und unterirdische Instrumente sind zwei untere Leitungen erforderlich</td></tr><tr><td>Montagestange (47 Zoll) mit Standfuß</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CM305-PL</td><td>Kleinere Stellfläche, nicht hoch genug für Wettersensoren</td></tr><tr><td>Regenmesser mit 8 Zoll. Öffnung, 20 Fuß Kabel</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>TE525WS-L20-PT</td><td>Empfehlen Sie die Installation des Regenmessers an einem separaten vertikalen Mast in einiger Entfernung vom Instrumentenständer</td></tr><tr><td>Sensoren, 12 cm Reflektometer für den Wassergehalt, 17 Fuß Kabel, -VS SDI-12 Adresse variiert</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CS655-17-PT-VS</td><td>Weitere Optionen finden Sie in der Ergänzungstabelle 1</td></tr><tr><td>Solarpanel, 20 W</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>SP20</td><td>Verwenden Sie Panels mit höherer Wattzahl für nördliche Standorte und niedrigere Wattzahl für südliche Standorte mit höherer Exposre<</td></tr><tr><td>strong>Systemkomponenten, optional</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mobilfunkantenne, 2 dB Multiband omnidirektional&nbsp;</td><td>Campbell Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>32262</td><td>Richtantennen können das Signal verbessern, wenn der Standort des Turms bekannt ist.&nbsp;</td></tr><tr><td>Mobilfunkmodem für Verizon/ATT</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CELL210/205</td><td>Anbieter ist standortabhängige</td></tr><tr><td>Armenhalterung, 4 Fuß</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CM204</td><td>Ideal für die Montage von 2 m Sensoren&nbsp;</td></tr><tr><td>Datenerfassungssoftware, fortschrittliche</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>Loggernet</td><td>Fortschrittlichere kommerzielle Software, die Fernkommunikationsoptionen und erweiterte Programmierung umfasst</td></tr><tr><td>DIN-Schiene Perforierter Stahl</td><td>Phoenix Contact</td><td>1207639</td><td>Wird zur Montage von Klemmenblöcken im Gehäuse verwendet</td></tr><tr><td>Wasserleitung aus verzinktem Stahl, 1,5 oder 2 Zoll Durchmesser, 10 Fuß lang</td><td>Jedes Haushaltsbedarfsgeschäft</td><td></td><td>Die wirtschaftlichste Option für einen Instrumentenmast. Kann auf Länge geschnitten werden. Ersetzt die 47-Zoll-Montagestange mit Füßen</td></tr><tr><td>Instrumentenstativ, 10 Fuß Edelstahl mit Erdungssatz</td><td>Campbell Scientific</td><td>CM110</td><td>Höheres Instrumentenstativ für 2 m meteorologische Sensoren</td></tr><tr><td>Hebelmuttern, fünf Anschlüsse (Abb. 5)</td><td>Digi-Key</td><td>222-415/VE00/1000</td><td>Verbinden Sie ein SDI-12-Kabel mit 4 Sensorkabeln. Alternative zur DIN-Schiene.</td></tr><tr><td>Nullmodem-Kabel&nbsp;</td><td>Campbell Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>18663</td><td>Schnittstellenkabel zwischen DCP und Modem. Nicht erforderlich für integrierte Mobilfunkmodems</td></tr><tr><td>Plug-in-Bridge - FBS 3-5</td><td>Phoenix Contact</td><td>3030174</td><td>Wird zum Verbinden des Stromkreises mehrerer Klemmenblöcke verwendet. Erhältlich bei mouser.com</td></tr><tr><td>Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 Gallonen)</td><td>In jedem Baumarkt</td><td></td><td>Gilt für Beton bei Verwendung eines Stahlrohrmastes oder für einen Niederschlagsmessmast. Zweiteilige Schaummischung</td></tr><tr><td>Sensor, Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit, 10 ft Kabel&nbsp;</td><td>Campbell Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>HygroVUE10-10-PT</td><td>Geringere Genauigkeit und Druckoption. Austauschbare Chips sind das schnellste Mittel, um jährliche Kalibrierungszyklen einzuhalten.</td></tr><tr><td>Sensor, Sonneneinstrahlungs-Pyranometer, digitale Thermosäule</td><td>Campbell Wissenschaftlich&nbsp;</td><td>CS320</td><td>Preiswerteste, ISO-Klasse C (zweite Klasse). Bessere Optionen sind verfügbar, aber viel teurer</td></tr><tr><td>Sensor, Windgeschwindigkeits-Anemometer, 10-Fuß-Kabel</td><td>Met One</td><td>014A-10</td><td>Teurere Optionen umfassen Windrichtungs- oder Schallsensoren ohne bewegliche Teile</td></tr><tr><td>Sonnenschutz für Lufttemperatur- und relative Feuchtigkeitssensoren</td><td>Campbell Scientific</td><td>RAD10E</td><td>Alle Lufttemperatursensoren müssen von der Sonne abgeschirmt</td></tr> werden <tr><td>Klemmenblöcke (Abbildung 5), Durchführung&nbsp;</td><td>Phoenix Contact</td><td>3064085</td><td>Die sicherste Methode, um mehrere SDI-12-Sensorkabel zu verbinden. Erhältlich bei mouser.com</td></tr><tr><td>Field Tools, essential</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gefrierbeutel: Quart- und Gallonengröße</td><td>Jedes Lebensmittelgeschäft</td><td></td><td>Lagerung von Bodenproben, die zur Charakterisierung entnommen</td></tr> wurden <tr><td>Verschiedene Grabwerkzeuge, einschließlich Handspaten, Flachspaten und Spitzspaten</td><td>Jedes Haushaltswarengeschäft</td><td></td><td>Backup-Werkzeuge zur Unterstützung der Ausgrabung"</td></tr><tr><td>Schaufel (Scharfschütze) 16 Zoll Ablaufspaten mit D-Griff</td><td>Razorback</td><td></td><td>Manuelles Werkzeug zum Ausheben von Bodengruben. Jeder schmale, spitze Spaten funktioniert.&nbsp;</td></tr><tr><td>Schaufel, Grabenaushub, 4 Zoll breite Stahlklinge&nbsp;</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Ideales Grabungswerkzeug zum Vergraben von Kabeln oder Leitungen</td></tr><tr><td>Erdbohrer (< 4 im Durchmesser) mit T-Griff oder Verlängerungsstange nach Bedarf für r Prüflöcher</td><td>AMS Probenehmer</td><td>400.06</td><td>Empfohlen für Prüflöcher. Der Schneckentyp sollte zum Boden passen, aber "normal" funktioniert gut auf den meisten Böden</td></tr><tr><td>Plane (Kunststoff) oder Sperrholzplatten</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Bodenbearbeitung während des Aushubs und</td></tr> <tr><td>Grabens<stark>Feldwerkzeuge, optional</stark></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>2.000 lb Minibagger</td><td>Sunbelt Rentals</td><td>350110</td><td>Mietausrüstung für mechanische Aushubarbeiten</td></tr><tr><td>Breaker oder Grabstange</td><td>Jedes Geschäft</td><td></td> für Haushaltsbedarf <td>Nützlich, um Steine zu brechen und Wurzeln während des Aushubs zu schneiden</td></tr><tr><td>Verzinkte Rinderzaunplatte, 16 Fuß x 50 Zoll</td><td>Tractor Supply Co.&nbsp;</td><td>350207799</td><td>Empfehlen Sie, Zaunfelder in 8-Zoll-Abschnitte zu schneiden</td></tr><tr><td>. Wählen Sie Mattock oder Pulaski&nbsp;</td><td>Jedes Haushaltsfachgeschäft</td><td></td><td>Ideal zum Lockern in harten oder felsigen Böden</td></tr><tr><td>Pfostenlochschnecke Hydraulischer Abschleppdienst mit Schnecke mit 18" Durchmesser</td><td>Sunbelt Rentals</td><td>700033</td><td>Mietausrüstung für mechanische Ausgrabungen</td></tr><tr><td>Pfostenlochbagger, 48 Zoll Griff</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td>Nützlich zum Reinigen des Bodens der Grube oder für Testlöcher</td></tr><tr><td>Stahlzaun T-Pfosten, 6 Fuß hoch und Zaunpfostentreiber, ~ 14 lb.</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Unterstützung und Installation von Zäunen</td></tr> Rechen <tr><td>aus Stahl Rechen</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Ideal zum Glätten von gestörten Böden im Feldbereich</td></tr><tr><td><stark>Every Day Carry (EDC), Empfehlungen für die Werkzeugtasche eines jeden Außendiensttechnikers</stark></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Verstellbarer Schraubenschlüssel mit isoliertem Griff&nbsp;</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Verschiedene UV-beständige Kabelbinder</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td>Entscheidend für eine saubere Verkabelung&nbsp;</td></tr><tr><td>Diagonalschneiderzange</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Effiziente Methode zum Schneiden von leichten und schweren Drähten und zum Schneiden von Kabelbindern Digitalkamera</td></tr><tr><td>, GPS und Kompass</td><td>Sonstiges&nbsp;</td><td></td><td>Im Idealfall finden Sie diese alle auf Ihrem Smartphone</td></tr><tr><td>Digital-Multimeter</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Schlüsselwerkzeug zur Fehlerbehebung bei Strom- und Verbindungsproblemen in elektrischen Systemen</td></tr><tr><td>Isolierband</td><td>Jedes Baumarktgeschäft</td><td></td><td>Nicht-schwarzes Klebeband kann für die Beschriftung verwendet werden&nbsp;</td></tr><tr><td>Elektriker-Puddy zum Füllen von Eingangslöchern von Gehäusen</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Wird zum Verschließen und Abdichten aller Leitungsöffnungen im Gehäuse benötigt</td></tr><tr><td>Sechskantschlüsselsätze in Standard- und metrischen Größen</td><td>Jedes Haushaltsfachgeschäft</td><td></td><td>Erforderlich für viele Sensorhalterungen</td></tr><tr><td>Magnetische Torpedoebene (8 bis 12")</td> <td>Jedes Haushaltsfachgeschäft</td><td></td><td>Erforderlich, um den Instrumentenständer vertikal zu stellen und meteorologische Sensoren zu nivellieren</td></tr><tr><td>Metrisches Maßband&nbsp;</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Entscheidend für das Einführen von Sonden und die Probenahme von Böden - beide verwenden metrische Tiefen.</td></tr><tr><td>Zange: Nadelnase, Lineman's und Channel-Lock</td><td>In jedem Baumarkt</td><td></td><td>ist die Zange von Lineman für das Lenzen von Drahtzäunen unerlässlich.</td></tr><tr><td>Tragbare Bohrmaschine, Bits, Steckschlüssel</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ratschenschlüssel und entsprechende Steckschlüsselgrößen&nbsp;</td><td>Jeder Baumarkt</td><td></td><td>Rattenschlüssel können in enge Räume um Sensorhalterungen gelangen, wo Standard-Ringschlüssel nicht funktionieren</td></tr><tr><td>Sicherheit: Erste-Hilfe-Kasten, Wasser (5 Gallonen), &nbsp; Müllsäcke, Handschuhe, Sonnencreme, Insektenschutzmittel</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Schraubendreher: klein und groß mit isolierten Griffen&nbsp;</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td>Schrauben an DCP und Klemmenblöcken sind sehr klein. Kleine Flach- und Kreuzschlitzköpfe sind erforderlich. Größere Werkzeuge sind auch praktisch</td></tr><tr><td>Sharpies, Bleistifte und Notizbücher</td><td>Forstlieferant</td><td></td><td>Grundlegende Aufzeichnungen sind für Metadaten unerlässlich</td></tr><tr><td>Trittleiter, 6 Fuß</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td>Schwer zu installierende 2-m-Sensoren ohne Leiter</td></tr><tr><td>Universalmesser und Teppichmesser</td><td>Jedes Haushaltsgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vegetationskontrolle: Handschere, Unkrautvernichter, Säge</td><td>Jedes Haushaltsbedarfsgeschäft</td><td></td><td>Je nach Umgebung kann die Vegetation ein eingezäuntes Gebiet schnell überfordern.</td></tr><tr><td>Abisolierzangen (8-20 Gauge)</td><td>Jedes Baumarkt</td><td></td><td>Unverzichtbares Werkzeug zum Vorbereiten von Drähten für das Einsetzen in DCP oder Klemmenblöcke. Selbsteinstellende Abisolierer sind der neueste Schrei</td></tr> <tr><td>Jährliche Wartungsmaterialien</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Batteriereiniger (Backpulver) und Bürste</td><td>Jedes Lebensmittelgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Reinigung: Druckluft, Isopropylalkohol, Zahnbürste, Pfeifenreiniger, Papierhandtücher &nbsp;</td><td>Jedes Lebensmittelgeschäft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Trockenmittel, Kieselgelbeutel</td><td>Clariant</td><td>Desi Pak</td><td>Wiederverwendbar nach dem Trocknen im Ofen bei 105 °; C für mehr als 24 h. Jährlicher Austausch.&nbsp;</td></tr><tr><td>Feldkalibriergerät für Regenmesser</td><td>R.M. Young</td><td>52260</td><td>Gerät, das Wasser mit unterschiedlicher Intensität in einen Regenmesser tropft&nbsp;</td></tr><tr><td>Tragbares Wettermessgerät</td><td>Kestrel Instruments</td><td>0830</td><td>Direkte Messung der Lufttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit und der Windgeschwindigkeit zur Überprüfung vor Ort</td></tr> Ein <tr><td>Liter und eine Gallone Gefrierbeutel</td><td>Jedes Lebensmittelgeschäft</td><td></td><td>Lagerung für gravimetrische Bodenproben</td></tr><tr><td>Tragbarer Bodenfeuchtesensor</td><td>Delta-T Devics</td><td>SM150T</td><td>Es gibt eine Vielzahl von Sensoren. Siehe Auswertung bei https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033</td></tr><tr><td>Bodenkernprobenehmer, 2-1/4 Zoll. Durchmesser</td><td>Soilmoisture Equipment Corp.</td><td>0200</td><td>Gravimetrischer Bodenfeuchte- und Schüttdichteprobenehmer</td></tr></tbody></table>

in situ bodenfeuchtesensoren in ungestörten böden

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

Die Bodenfeuchtigkeit wirkt sich direkt auf die betriebliche Hydrologie, die Ernährungssicherheit, die Ökosystemleistungen und das Klimasystem aus. Die Einführung von Bodenfeuchtedaten verlief jedoch aufgrund einer inkonsistenten Datenerfassung, einer schlechten Standardisierung und einer in der Regel kurzen Aufzeichnungsdauer nur langsam. Die Bodenfeuchte oder der quantitativ volumetrische Bodenwassergehalt (SWC) wird mit vergrabenen In-situ-Sensoren gemessen, die SWC aus einer elektromagnetischen Reaktion ableiten. Dieses Signal kann je nach den örtlichen Standortbedingungen wie Tongehalt und Mineralogie, Bodensalzgehalt oder elektrischer Leitfähigkeit und Bodentemperatur erheblich variieren. Diese können je nach Sensortechnologie unterschiedliche Auswirkungen haben.
Darüber hinaus können ein schlechter Bodenkontakt und eine Verschlechterung des Sensors die Qualität dieser Messwerte im Laufe der Zeit beeinträchtigen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Umgebungssensoren gibt es keine akzeptierten Standards, Wartungspraktiken oder Qualitätskontrollen für SWC-Daten. Daher ist SWC für viele Umweltüberwachungsnetzwerke eine Herausforderung bei der Implementierung. Hier versuchen wir, einen gemeinschaftsbasierten Praxisstandard für In-situ-SWC-Sensoren zu etablieren, so dass zukünftige Forschung und Anwendungen eine konsistente Anleitung zur Standortauswahl, Sensorinstallation, Dateninterpretation und langfristigen Wartung von Überwachungsstationen haben.
Die Videografie konzentriert sich auf einen behördenübergreifenden Konsens von Best Practices und Empfehlungen für die Installation von In-situ-SWC-Sensoren. Dieses Dokument gibt einen Überblick über dieses Protokoll sowie die verschiedenen Schritte, die für eine qualitativ hochwertige und langfristige SWC-Datenerfassung unerlässlich sind. Dieses Protokoll wird für Wissenschaftler und Ingenieure von Nutzen sein, die eine einzelne Station oder ein ganzes Netzwerk einsetzen möchten.

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

In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

Der Wassergehalt des Bodens reguliert viele ober- und unterirdische Prozesse, von der Pflanzenproduktion bis zum Wetter. Es ist in letzter Zeit zu einer kritischen Missionsanforderung für viele Landes- und Bundesbehörden geworden. Dieses Protokoll fasst behördenübergreifende Bemühungen zur Messung der Bodenfeuchtigkeit unter Verwendung von vergrabenen elektromagnetischen In-situ-Sensoren zusammen.Dieses Protokoll ist nützlich für Wissenschaftler und Ingenieure, die eine einzelne Station oder ein ganzes Netzwerk einsetzen möchten. Der Wassergehalt des Bodens wurde kürzlich als wesentliche Klimavariable im globalen Klimabeobachtungssystem erkannt. Es gab jedoch wenig Standardisierung für die Praxis der Installation von vergrabenen In-situ-Sensoren.Wir hoffen, dass das schriftliche Protokoll und das Video die Datenerfassung verbessern können. Es gibt keine einfache Möglichkeit zu überprüfen, ob ein Sensor für den Wassergehalt im vergrabenen Boden gute Daten liefert. Zunächst braucht es Vertrauen und die Gewissheit, dass die Sensoren in gutem Kontakt mit dem Boden stehen und dass die Installation die lokale Bodenhydrologie nicht beeinträchtigt hat.Das Verfahren wird von Alex White, einem Physiker des USDA ARS Hydrology and Remote Sensing Laboratory hier in Beltsville, Maryland, demonstriert. Verbinden Sie zunächst jeden Sensor separat mit einer Datensteuerungsplattform. Verwenden Sie den Befehl Fragezeichen und Ausrufezeichen, um die Adresse des Sensors abzufragen, und notieren Sie die Werte zusammen mit der Seriennummer und der SDI-12-Adresse jedes Sensors in einem Laborbuch.Anschließend beschriften Sie den Sensorkopf und das Kabelende mit einem Marker mit der SDI-12-Adresse. Richten Sie die Bodenwassergehaltssensoren und alle Zusatzsensoren im Labor ein, verbinden Sie sie mit der Datenkontrollplattform und der Batterie, lassen Sie die Bodenwassergehaltssensoren in der Luft schweben, an einem trockenen Ort einsetzen und/oder in Wasser getaucht. Stellen Sie sicher, dass die Daten mit den entsprechenden Raten aufgezeichnet werden und die Werte angemessen sind.Fragen Sie den Standort mit der USDA SoilWeb-App ab und graben Sie mit einem Pfostenlochbagger ein Testloch. Überprüfen Sie, ob die Feldtextur mit der Bodenbeschreibung übereinstimmt. Legen Sie eine Plane über den Aushubbereich, um die Bodenoberfläche vor Störungen zu schützen.Wickeln Sie einen Sensor ab und legen Sie den Sensorkopf an die Grubenfront. Positionieren Sie dann das Kabelende an der Stelle, an der sich der Instrumentenständer befindet, überprüfen Sie, ob die Kabellänge korrekt ist, passen Sie ihn nach Bedarf an und markieren Sie die Position des Ständers mit einer Flagge. Graben Sie mit einem Pfostenlochbagger ein etwa 55 Zentimeter tiefes Loch aus.Reinigen Sie das Loch mit einem scharfen Spaten und stellen Sie sicher, dass die Grubenfläche senkrecht ist, damit sich über jedem Sensor ungestörter Boden befindet. Halten Sie das Loch und den gestörten Bereich so klein wie möglich, damit es sich schnell erholt. Entfernen Sie den Boden in Schritten von 10 Zentimetern und platzieren Sie jeden Lift am anderen Ende der Plane, wobei Sie mit jedem Schritt näher kommen, während Sie alle Klumpen aufbrechen und große Steine entfernen.Als nächstes graben Sie einen geraden, schmalen Graben mit einer Tiefe von mehr als 10 Zentimetern, um die Sensorkabel zu vergraben. Wickeln Sie alle Sensoren ab und legen Sie sie auf eine Seite des Grabens. Beachten Sie die Tiefe aller offensichtlichen Veränderungen der Bodenfarbe oder -textur, während Sie repräsentative Bodenproben in einem Ein-Liter-Gefrierbeutel in jeder Sensortiefe sammeln.Vergewissern Sie sich, dass die Grubenfläche senkrecht oder leicht zurückgeschnitten ist, um sicherzustellen, dass sich über jedem Sensor ungestörter Boden befindet. Setzen Sie zuerst den 50-Zentimeter-Sensor ein und drücken Sie den Sensor horizontal in den Boden, wobei Sie versuchen, den Sensor nicht zu wackeln, da dies zu Lücken führen kann. Verwenden Sie bei Bedarf einen Hebel, um den Sensor vorsichtig einzudrücken, und stellen Sie sicher, dass die Zinken vollständig in den Boden eingebettet sind.Richten Sie jedes Sensorkabel auf die gleiche Seite der Grube aus, sodass sie am Boden der Baugrube hängen können. Machen Sie ein Foto des ausgehobenen Lochs und der Sensoren mit einem Maßband für den Maßstab. Graben Sie für den 100-Zentimeter-Sensor ein Loch auf 100 Zentimeter minus die halbe Zinkenlänge des Sensors, in diesem Fall 94 Zentimeter.Installieren Sie den Sensor vertikal, indem Sie ihn mit einem Installationswerkzeug in den Boden des Lochs schieben. Packen Sie das Schneckenloch mit dem ausgehobenen Boden wieder ein. Verlegen Sie alle Sensorkabel aus dem Graben in einem Abschnitt des PVC-Rohrs in das Gehäuse und durch einen Schottverbinder, um in das Gehäuse einzudringen.Ziehen Sie dann die Kabellinse in den unteren Gehäuseanschluss, befestigen Sie sie mit Kabelbindern und schließen Sie die fünf Sensoren an. Stellen Sie sicher, dass die Spannung an der Batterie ausreichend ist, indem Sie ein Multimeter verwenden, das für Gleichspannung auf Gleichstrom eingestellt ist. Schieben Sie als Nächstes den Anschlussstecker des schwarzen Minuskabels über den Spatenpol am Masse-Minus-Pfosten der Batterie und den roten Draht über den Pluspol der Batterie.Um das System einzuschalten, stecken Sie das Batteriekabel in den DCP. Schließen Sie nach dem Starten der Datensteuerungsplattform-Software einen Laptop an die Datensteuerungsplattform an, und vergewissern Sie sich, dass alle Sensoren numerische Werte melden. Sobald alles unter der Erde funktioniert und die Kabel in das Gehäuse geführt wurden, füllen und verschließen Sie die ober- und unterirdischen Gehäuseöffnungen mit elektrischem Kitt.Verwenden Sie den tieferen Bodenaushub, der der Plane am nächsten liegt, und packen Sie den Boden von Hand um jeden Sensorkopf herum, beginnend von unten und arbeiten Sie sich nach oben, um eine Störung des Sensors zu vermeiden und sicherzustellen, dass er gut verdichtet ist. Füllen Sie die Grube in 10-Zentimeter-Hebungen auf, glätten und verdichten Sie die Oberfläche, bis der 20-Zentimeter-Sensor erreicht ist. Packen Sie den Boden von Hand um den Sensorkopf und fahren Sie in 10-Zentimeter-Anhebungen weiter nach oben, bis Sie die Oberfläche erreichen.Decken Sie sie vorsichtig mit tieferer Erde aus der Plane ab, während Sie die Erde in den Boden der Grube verdichten, um die Kabel zu sichern, und achten Sie darauf, sie nicht mit Gewalt nach unten zu ziehen. Machen Sie Fotos von der fertigen Station in den Ausrichtungen Norden, Süden, Osten und Westen vom Instrumentenmast aus. Beschreiben Sie den Installationsort des Sensors mit Markierungen oder anderen eindeutigen Elementen.Diese Feldinstallation meldet stündliche Luft- und Bodentemperaturen, den Bodenwassergehalt, den täglichen Niederschlag, die Bodenwasserspeicherung und deren Veränderung im Laufe der Zeit. Die Ergebnisse zeigen einen starken Anstieg des Bodenwassergehalts in der Nähe der Oberfläche, mit einem verzögerten Anstieg in größeren Tiefen nach jedem Sturm. Bei Ereignissen Anfang Februar und April 2022 erreichte der tiefste Sensor mit 100 Zentimetern ein Plateau von 0,33 Kubikmetern pro Kubikmeter, was auf eine Sättigungsperiode hinweist.Bei einer ähnlichen Anlage in Mississippi erreichte der Bodenwassergehalt nach 40 Millimetern Niederschlag in allen Tiefen 0,60 Kubikmeter pro Kubikmeter, während weitere 70 Millimeter die Bodenwasserspeicherung nicht beeinflussten, was auf einen übermäßigen Abfluss der Sättigung hindeutet. Bei einer ähnlichen Installation in Montana führten gefrorener Boden und Schneedecke Mitte März zu einem dramatischen Rückgang des Bodenwassergehalts und dann zu einem Anstieg während des Auftauens, ohne dass es Anzeichen für Niederschläge gab. Achten Sie auf unregelmäßiges Sensorverhalten wie Spitzen, Schrittwechsel und Schwingungen, die auf eine schlechte Installation oder einen Sensorausfall hinweisen können.Das Einsetzen von Sensoren kann eine Herausforderung darstellen, insbesondere in felsigen, wurzeligen oder trockenen Böden. Stellen Sie sicher, dass der Sensorkopf bündig gegen den Boden gedrückt wird. Dieses Protokoll wird zu harmonisierteren und einheitlicheren Bodenwassergehaltsdaten für eine Vielzahl von Anwendungen führen, darunter: Dürreüberwachung, Wasserversorgungsprognose, Wassereinzugsgebiets- und landwirtschaftliche Bewirtschaftung sowie Pflanzenplanung.Das National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network baut eine Community of Practice rund um die Messung, Interpretation und Anwendung der Bodenfeuchte auf. Es ist ein Netzwerk von Menschen, das Datenanbieter, Forscher und die Öffentlichkeit verbindet. Weitere Informationen finden Sie in der Dokumentation.

in-situ-soil-moisture-sensors-in-undisturbed-soils

Research

Forschung

JoVE Journal

Environment

Umwelt

Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme Forschern erlauben, die das Schicksal von Chemikalien, um Böden und Vegetation fest angewendet zu beurteilen. Das Ziel dieses Protokolls ist es, zu zeigen, wie erforderliche Instrumentierung installieren und sammeln Proben für die chemische Analyse im integrierten Feld Lysimetrie und Porenwasser-Probenahme Experimenten.

Integrierte Feld Lysimetrie und Porenwasserprobennahme für die Bewertung von Chemical Mobilität in Böden und Vegetation Gegründet

Eine detaillierte Methode zur Extraktion und Montage von Kernlysimetern mit intaktem Boden und deren Verwendung zur Untersuchung von Sickerwasser und dem damit verbundenen Nährstoffverlust aus oberflächenappliziertem Geflügelmist wird demonstriert.

Ein Protokoll zum Sammeln und Konstruieren von Bodenkern Lysimeter

Diese Studie stellt eine Ausgrabung Methode zur Untersuchung von unterirdischen hydrologische, geochemische und mikrobiologische Heterogenität des Bodens Lysimeter. Die Lysimeter simuliert eine künstliche Hang, die zunächst unter homogenen Zustand war und auf etwa 5.000 mm Wasser über acht Zyklen der Bewässerung in einem Zeitraum von 18 Monaten unterzogen worden.

Boden Lysimeter Ausgrabung Gekoppelte hydrologische, geochemische und mikrobiologische Untersuchungen

Wir präsentieren Ihnen eine einfache und kostengünstige Methode, um ein Open-Source-Datenlogger zu bauen, die den Leitwert von nonvascular Kryptogamen zusammen mit der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit misst. Wir beschreiben das Hardware-Design von der Datenlogger und geben detaillierte Montageanleitung, die Liste der erforderlichen Open Source Logging-Software, die Code zum Ausführen der Datenlogger und eine Kalibrierung Protokoll.

BtM, eine kostengünstige Open-Source Datenlogger, den Wassergehalt des Nonvascular Kryptogamen zu schätzen

Die genaue Messung der Temperatur und des Wassergehalts der oberen 5 mm der Bodenoberfläche kann unser Verständnis von Umweltkontrollen an biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen verbessern. Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Herstellung, Kalibrierung und Durchführung von Messungen mit Bodenoberflächentemperatur- und Feuchtigkeitssensoren.

Herstellung einfacher und kostengünstiger Bodenoberflächentemperatur- und Gravimetrischer Wassergehaltssensoren

Die hier beschriebene Nachweismethode ist anpassbar für die Überwachung der pedogenen anorganischen Kohlenstoffbindung in verschiedenen landwirtschaftlichen Böden, die mit Erdalkalimetallsilikat-haltigen Gesteinen wie Wollastonit, Basalt und Olivin ergänzt werden. Diese Art der Validierung ist für Emissionsgutschriftenprogramme unerlässlich, von denen Landwirte profitieren können, die Kohlenstoff auf ihren Feldern binden.

Überwachung der anorganischen Kohlenstoffakkumulation pedogener Kohlenstoff aufgrund der Verwitterung von geänderten Silikatmineralien in landwirtschaftlichen Böden.

Es wird beschrieben, dass ein Mikrodialyse-Profiler gelöste Porenwasser-Solutes über eine oxisch-anoxische Boden-Wasser-Grenzfläche in situ mit minimaler Störung beprobt. Dieses Gerät wurde entwickelt, um schnelle Änderungen von Konzentrations- und Tiefenprofilen zu erfassen, die durch Störungen an der Boden-Wasser-Grenzfläche und darüber hinaus verursacht werden.

Probenahme gelöster gelöster Stoffe an einer oxisch-anoxischen Boden-Wasser-Grenzfläche mit Mikrodialyse-Profilern

Dieser Artikel enthält ein einfaches Verdunstungsexperiment mit einem hydraulischen Eigenschaftsmessgerät für eine Bodenprobe. Mit effizienten Mitteln können Messungen über eine Reihe von Tagen durchgeführt werden, um qualitativ hochwertige Daten zu generieren.

Messungen des Bodenwasserpotentials und der Leitfähigkeit auf der Grundlage eines einfachen Verdunstungsexperiments mit einem hydraulischen Eigenschaftsanalysator

Dieser Artikel stellt die auf statischen Kammern basierende Methode zur Messung des Treibhausgasflusses aus Bodensystemen vor. Mit relativ bescheidenen Infrastrukturinvestitionen können Messungen an mehreren Behandlungen/Standorten und über Zeiträume von Stunden bis Jahren durchgeführt werden.

Messung der Treibhausgas-Flux aus landwirtschaftlichen Böden mit statischer Chambers

Die traditionelle standardisierten Test für die Plastizitätsgrenze in Böden Bestimmung wird von Hand durchgeführt, und das Ergebnis wird auf den Bediener variiert. Ein alternatives Verfahren basiert auf Biegemessungen wird in dieser Studie dargestellt. Auf diese Weise können die Plastizitätsgrenze mit einem klaren und objektiven Kriterium gewonnen werden.

Ein Biegetest zur Bestimmung der Atterberg Ausrollgrenze in Böden

Erfahren Sie die standardisierte Installation von Bodenfeuchtesensoren für Umweltmonitoring und Hydrologie. Diese Methode verbessert die Datenqualität und ermöglicht zuverlässige Klimabeobachtung in verschiedenen Böden.

In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden

Weitere Videos entdecken