Sul posto Sensori di umidità del suolo in terreni indisturbati

Il contenuto di acqua del suolo regola molti processi sopra e sotto terra, dalla produzione agricola alle condizioni meteorologiche. Recentemente è diventato un requisito di missione critico per molte agenzie statali e federali. Questo protocollo sintetizza gli sforzi multi-agenzia per misurare l'umidità del suolo, utilizzando sensori elettromagnetici in situ sepolti.

Questo protocollo sarà utile per scienziati e ingegneri che sperano di implementare una singola stazione o un'intera rete. Il contenuto di acqua del suolo è stato recentemente riconosciuto come una variabile climatica essenziale nel sistema globale di osservazione del clima. Eppure c'è stata poca standardizzazione nella pratica di installare sensori in situ sepolti.

Speriamo che il protocollo scritto e il video possano migliorare la raccolta dei dati. Non esiste un modo semplice per verificare che un sensore del contenuto di acqua del suolo sepolto fornisca buoni dati. All'inizio, ci vuole fiducia e garanzia che i sensori siano in buon contatto con il terreno e che l'installazione non abbia influenzato l'idrologia del suolo locale.

A dimostrare la procedura sarà Alex White, uno scienziato fisico dell'USDA ARS Hydrology and Remote Sensing Laboratory qui a Beltsville, nel Maryland. Per iniziare, collegare separatamente ciascun sensore a una piattaforma di controllo dati. Utilizzare il punto interrogativo e il comando esclamativo per interrogare l'indirizzo del sensore e registrare i valori insieme al numero di serie e all'indirizzo SDI-12 di ciascun sensore in un libro di laboratorio.

Quindi etichettare la testa del sensore e l'estremità del cavo con l'indirizzo SDI-12 utilizzando un marcatore. Installare i sensori di contenuto idrico del suolo ed eventuali sensori ausiliari in laboratorio, collegandoli alla piattaforma di controllo dati e alla batteria, lasciando i sensori del contenuto dell'acqua del suolo sospesi nell'aria, inseriti in luogo asciutto e/o immersi nell'acqua. Verificare che i dati siano registrati alle velocità appropriate e che i valori siano appropriati.

Interroga la posizione utilizzando l'app USDA SoilWeb e scava un foro di prova usando una scavatrice post hole. Verificare che la tessitura del campo sia coerente con la descrizione del terreno. Posare un telo sopra l'area di scavo per proteggere la superficie del terreno dal disturbo.

Srotolare un sensore e appoggiare la testa del sensore sulla faccia della fossa. Quindi posizionare l'estremità del cavo dove verrà posizionato il supporto dello strumento, verificando che la lunghezza del cavo sia corretta, regolare se necessario e contrassegnare la posizione del supporto con una bandiera. Utilizzando una scavatrice post hole, scavare un foro profondo circa 55 centimetri.

Pulire il foro con una vanga affilata e assicurarsi che la faccia della fossa sia verticale in modo che ogni sensore abbia terreno indisturbato sopra di esso. Mantieni il foro e l'area disturbata il più piccoli possibile in modo che si riprendano rapidamente. Rimuovere il terreno con incrementi di 10 centimetri e posizionare ogni ascensore all'estremità del telo, avvicinandosi ad ogni incremento, rompendo eventuali zolle e rimuovendo grandi rocce.

Quindi, scavare una trincea dritta e stretta profonda più di 10 centimetri per seppellire i cavi del sensore. Srotolare tutti i sensori e posizionarli su un lato della trincea. Notare la profondità di eventuali cambiamenti evidenti nel colore o nella consistenza del suolo durante la raccolta di campioni di terreno rappresentativi in un sacchetto da congelatore da un litro a ciascuna profondità del sensore.

Verificare che la superficie della fossa sia verticale o leggermente ridotta per assicurarsi che ciascun sensore abbia terreno indisturbato sopra di esso. Innanzitutto, inserire il sensore da 50 centimetri e spingere il sensore orizzontalmente nel terreno, cercando di non muovere il sensore, poiché ciò può creare spazi vuoti. Se necessario, utilizzare la leva per spingere delicatamente il sensore, assicurandosi che i denti siano completamente incorporati nel terreno.

Orientare ciascun cavo sensore sullo stesso lato della fossa, consentendo loro di appendersi al fondo della fossa di scavo. Scatta una foto del foro scavato e dei sensori con un metro a nastro per la scala. Per il sensore da 100 centimetri, scavare un foro a 100 centimetri meno la metà della lunghezza del sensore o 94 centimetri in questo caso.

Installare il sensore verticalmente spingendolo nella parte inferiore del foro utilizzando uno strumento di installazione. Riimballare il foro della coclea con il terreno scavato. Instradare tutti i cavi del sensore dalla trincea alla custodia in una sezione di condotto in PVC e attraverso un connettore paratia per entrare nella custodia.

Quindi inserire l'obiettivo del cavo nella porta inferiore dell'involucro, fissarli con fascette e collegare i cinque sensori. Verificare che la tensione sulla batteria sia sufficiente utilizzando un multimetro impostato su DC per la tensione di corrente continua. Quindi, far scorrere il connettore terminale del filo negativo nero sul terminale della vanga sul palo negativo a terra della batteria e il filo rosso sul palo positivo della batteria.

Per accendere il sistema, collegare il cavo della batteria al DCP. Dopo aver avviato il software della piattaforma di controllo dati, collegare un laptop alla piattaforma di controllo dati e verificare che tutti i sensori riportino valori numerici. Una volta che tutto ciò che è sotto terra funziona e i cavi sono stati instradati nell'involucro, riempire e sigillare le aperture della custodia sopra e sotto terra con stucco elettrico.

Utilizzando il terreno scavato più profondo più vicino al telo, imballare a mano il terreno attorno a ciascuna testa del sensore, partendo dal basso e lavorando verso l'alto, evitando di disturbare il sensore e assicurandosi che sia ben compattato. Riempire la fossa in sollevamenti di 10 centimetri, levigando e compattando la superficie fino a raggiungere il sensore di 20 centimetri. Imballare a mano il terreno attorno alla testa del sensore e proseguire verso l'alto in sollevamenti di 10 centimetri fino a raggiungere la superficie.

Coprirli con cura con terra più profonda dal telo mentre si compatta il terreno sul fondo della fossa per fissare i cavi, facendo attenzione a non tirarli verso il basso con alcuna forza. Scatta foto della stazione completata con orientamento nord, sud, est e ovest dal palo dello strumento. Delinea la posizione di installazione del sensore con contrassegnazioni o altri elementi distinti.

Questa installazione sul campo riporta le temperature orarie dell'aria e del suolo, il contenuto di acqua del suolo, le precipitazioni giornaliere, lo stoccaggio dell'acqua del suolo e il suo cambiamento nel tempo. I risultati mostrano un forte aumento del contenuto di acqua del suolo vicino alla superficie, con un aumento ritardato a profondità maggiori dopo ogni tempesta. Durante gli eventi di inizio febbraio e aprile del 2022, il sensore più profondo a 100 centimetri ha raggiunto un plateau di 0,33 metri cubi per metro cubo, indicando un periodo di saturazione.

Per un'installazione simile in Mississippi, il contenuto di acqua del suolo ha raggiunto 0,60 metri cubi per metro cubo a tutte le profondità dopo 40 millimetri di pioggia, mentre altri 70 millimetri non hanno influenzato lo stoccaggio dell'acqua del suolo, suggerendo un deflusso in eccesso di saturazione. Per un'installazione simile nel Montana, il suolo ghiacciato e il manto nevoso hanno prodotto una drastica diminuzione del contenuto di acqua del suolo a metà marzo, quindi un aumento durante lo scongelamento, senza alcuna indicazione di precipitazioni. Prestare attenzione al comportamento irregolare del sensore, come picchi, cambi di passo e oscillazioni, che possono indicare un'installazione errata o un guasto del sensore.

L'inserimento del sensore può essere difficile, in particolare in terreni rocciosi, radicati o asciutti. Assicurarsi che la testa del sensore sia spinta a filo contro il terreno. Questo protocollo porterà a dati più armonizzati e uniformi sul contenuto idrico del suolo, per una vasta gamma di applicazioni, tra cui: monitoraggio della siccità, previsione dell'approvvigionamento idrico, gestione dei bacini idrografici e agricoli e pianificazione delle colture.

Il National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network sta costruendo una comunità di pratica intorno alla misurazione, interpretazione e applicazione dell'umidità del suolo. È una rete di persone che collega fornitori di dati, ricercatori e pubblico. Per ulteriori dettagli, consulta la documentazione.