In situ Bodenfeuchtesensoren in ungestörten Böden

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.