In situ Sensores de humedad del suelo en suelos no perturbados

El contenido de agua del suelo regula muchos procesos por encima y por debajo del suelo, desde la producción de cultivos hasta el clima. Recientemente se ha convertido en un requisito de misión crítica para muchas agencias estatales y federales. Este protocolo sintetiza los esfuerzos de múltiples agencias para medir la humedad del suelo, utilizando sensores electromagnéticos in situ enterrados.

Este protocolo será útil para científicos e ingenieros que esperan desplegar una sola estación o una red completa. El contenido de agua del suelo fue reconocido recientemente como una variable climática esencial en el sistema mundial de observación del clima. Sin embargo, ha habido poca estandarización en la práctica de instalar sensores in situ enterrados.

Esperamos que el protocolo escrito y el video puedan mejorar la recopilación de datos. No hay una manera fácil de verificar que un sensor de contenido de agua del suelo enterrado proporciona buenos datos. Al principio, se necesita confianza y seguridad de que los sensores están en buen contacto con el suelo y que la instalación no afectó la hidrología local del suelo.

Demostrando el procedimiento estará Alex White, un científico físico en el Laboratorio de Hidrología y Teledetección del ARS del USDA aquí en Beltsville, Maryland. Para comenzar, conecte por separado cada sensor a una plataforma de control de datos. Utilice el signo de interrogación y el comando de exclamación para consultar la dirección del sensor y registre los valores junto con el número de serie y la dirección SDI-12 de cada sensor en un libro de laboratorio.

A continuación, etiquete el cabezal del sensor y el extremo del cable con la dirección SDI-12 mediante un marcador. Configure los sensores de contenido de agua del suelo y cualquier sensor auxiliar en el laboratorio, conectándolos a la plataforma de control de datos y la batería, dejando los sensores de contenido de agua del suelo suspendidos en el aire, insertados en lugar seco y / o sumergidos en agua. Verifique que los datos se registran a las tasas adecuadas y que los valores son apropiados.

Consulte la ubicación usando la aplicación USDA SoilWeb y cavar un agujero de prueba usando una excavadora de agujeros de poste. Compruebe que la textura del campo sea coherente con la descripción del suelo. Coloque una lona sobre el área de excavación para proteger la superficie del suelo de la perturbación.

Desenrolle un sensor y coloque el cabezal del sensor en la cara del pozo. Luego coloque el extremo del cable donde se ubicará el soporte del instrumento, verificando que la longitud del cable sea correcta, ajuste según sea necesario y marque la ubicación del soporte con una bandera. Usando una excavadora de agujeros de poste, excave un agujero de aproximadamente 55 centímetros de profundidad.

Limpie el agujero con una pala afilada y asegúrese de que la cara del pozo esté vertical para que cada sensor tenga tierra intacta por encima de él. Mantenga el orificio y el área perturbada lo más pequeña posible para que se recupere rápidamente. Retire la tierra en incrementos de 10 centímetros y coloque cada elevación en el extremo más alejado de la lona, acercándose con cada incremento mientras rompe los terrones y elimina las rocas grandes.

A continuación, excave una zanja recta y estrecha de más de 10 centímetros de profundidad para enterrar los cables del sensor. Desenrolle todos los sensores y colóquelos en un lado de la zanja. Tenga en cuenta la profundidad de cualquier cambio obvio en el color o la textura del suelo mientras recolecta muestras representativas de suelo en una bolsa de congelador de un cuarto de galón a cada profundidad del sensor.

Verifique que la cara del pozo esté vertical o ligeramente recortada para asegurarse de que cada sensor tenga tierra intacta por encima. Primero, inserte el sensor de 50 centímetros y empuje el sensor horizontalmente en el suelo, tratando de no mover el sensor, ya que esto puede crear huecos. Si es necesario, use apalancamiento para empujar suavemente el sensor, asegurándose de que los dientes estén completamente incrustados en el suelo.

Oriente cada cable sensor hacia el mismo lado del pozo, permitiendo que cuelguen al fondo del pozo de excavación. Tome una foto del agujero excavado y los sensores con una cinta métrica para escala. Para el sensor de 100 centímetros, cava un agujero a 100 centímetros menos la mitad de la longitud de la púa del sensor, o 94 centímetros en este caso.

Instale el sensor verticalmente empujándolo en la parte inferior del orificio con una herramienta de instalación. Vuelva a embalar el agujero de la barrena con el suelo excavado. Dirija todos los cables del sensor desde la zanja hasta la carcasa en una sección de conducto de PVC y a través de un conector de mampara para ingresar a la carcasa.

Luego, tire de la lente del cable hacia el puerto inferior de la carcasa, asegúrelos con bridas y conecte los cinco sensores. Verifique que el voltaje de la batería sea suficiente usando un multímetro ajustado a CC para voltaje de corriente continua. A continuación, deslice el conector de terminal del cable negativo negro sobre el terminal de la pala en el poste negativo de tierra de la batería y el cable rojo sobre el poste positivo de la batería.

Para encender el sistema, conecte el cable de la batería al DCP. Después de iniciar el software de la plataforma de control de datos, conecte una computadora portátil a la plataforma de control de datos y confirme que todos los sensores informan valores numéricos. Una vez que todo lo que está debajo del suelo funcione y los cables se hayan enrutado en el gabinete, llene y selle las aberturas del gabinete por encima y por debajo del suelo con masilla eléctrica.

Usando el suelo excavado más profundo más cercano a la lona, empaque a mano el suelo alrededor de cada cabeza del sensor, comenzando desde la parte inferior y trabajando hacia arriba, evitando perturbar el sensor y asegurándose de que esté bien compactado. Rellenar el pozo en elevaciones de 10 centímetros, alisando y compactando la superficie hasta alcanzar el sensor de 20 centímetros. Empaque a mano la tierra alrededor del cabezal del sensor y continúe hacia arriba en levantamientos de 10 centímetros hasta llegar a la superficie.

Cúbralos cuidadosamente con tierra más profunda de la lona mientras compacta el suelo en el fondo del pozo para asegurar los cables, teniendo cuidado de no tirar de ellos hacia abajo con ninguna fuerza. Tome fotos de la estación terminada en orientaciones norte, sur, este y oeste desde el mástil del instrumento. Delinee la ubicación de instalación del sensor con marcado u otros elementos distintos.

Esta instalación de campo informa las temperaturas del aire y del suelo por hora, el contenido de agua del suelo, la precipitación diaria, el almacenamiento de agua del suelo y su cambio con el tiempo. Los resultados muestran un fuerte aumento en el contenido de agua del suelo cerca de la superficie, con un aumento retardado a mayores profundidades después de cada tormenta. Durante los eventos de principios de febrero y abril de 2022, el sensor más profundo a 100 centímetros alcanzó una meseta de 0,33 metros cúbicos por metro cúbico, lo que indica un período de saturación.

Para una instalación similar en Mississippi, el contenido de agua del suelo alcanzó 0.60 metros cúbicos por metro cúbico a todas las profundidades después de 40 milímetros de lluvia, mientras que otros 70 milímetros no afectaron el almacenamiento de agua del suelo, lo que sugiere un exceso de escorrentía de saturación. Para una instalación similar en Montana, el suelo congelado y la capa de nieve produjeron una disminución dramática en el contenido de agua del suelo a mediados de marzo, luego un aumento durante la descongelación, sin ninguna indicación de precipitación. Tenga cuidado con el comportamiento errático del sensor, como picos, cambios de paso y oscilaciones, que pueden indicar una instalación deficiente o una falla del sensor.

La inserción del sensor puede ser un desafío, particularmente en suelos rocosos, enraizados o secos. Asegúrese de que el cabezal del sensor esté empujado al ras contra el suelo. Este protocolo conducirá a datos de contenido de agua del suelo más armonizados y uniformados, para una amplia gama de aplicaciones, que incluyen: monitoreo de sequías, pronóstico de suministro de agua, manejo de cuencas hidrográficas y agrícolas, y planificación de cultivos.

La Red Nacional Coordinada de Monitoreo de la Humedad del Suelo está construyendo una comunidad de práctica en torno a la medición, interpretación y aplicación de la humedad del suelo. Es una red de personas que vincula a proveedores de datos, investigadores y el público. Consulte la documentación para obtener más detalles.