Name: シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-12-21T11:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 49 s
Description: 学ぶ、土壌表面の温度と水分を同時に測定するセンサーの製造方法。熱電対と水分ケーブルを用いて、生態系機能への影響を評価するための簡易で安価な手法を習得できます。

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ロビン・ライボルトの慎重なアーク溶接とカラ・ラウリアの校正時の精度に感謝します。スティーブ・フィック博士と3人の匿名のレビュー担当者が、この原稿の以前の草稿に関する有益なコメントをしてくれたことに感謝しています。この研究は、米国地質調査地質調査地質科学プログラムおよび米国エネルギー省科学省生物環境研究地上生態系科学プログラム(アワード89243018SSSC000017およびDESC-0008168)によって支援されました。BWの研究は、ドイツ研究財団(助成金WE2393/2-1、2-2)、マックスプランク協会、グラーツ大学によって支援されました。貿易、会社、または製品名の使用は、説明的な目的のみを目的としており、米国政府による支持を意味するものではありません。

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著者たちは何も開示する必要はない。

土壌表面温度と水分プローブは、土壌表面の温度と水分量を分析するための効果的なツールであることができます。ウェーバーら11によって開発されたバイオクラスト湿度プローブ(BWP)を除き、一般的な土壌温度および水分センサは、土壌表面の上数ミリメートルでこれらの環境変数を明示的に測定しません。開発時、BSPは表面の土壌水分のみを推定し、温度20は推定しなかった。この原稿に記載されたオリジナルのBWP設計をガイドとして開発し、温度と水分を同時に測定し、これらの環境変数が互いにどのように相互作用するか、ならびに土壌表面における生物学的、化学的、物理的プロセスとの相互作用を評価するために開発されました。
これらのプローブの最適な動作を確保するには、いくつかの考慮事項があります。センサーを構築する間は、内側のシースを切断し、基礎となる金属ワイヤーを露出しないように注意することが重要です。これは、ワイヤ間の導電率とクロストークの変動につながる可能性があります。また、同じ環境内の各プローブの熱電対と抵抗率センサーの両方をテストし、それらが適切に構築されていること、および測定値の変動が土壌基板の物理的および化学的差異によるものであることを確認することも重要です。測定。キャリブレーションプロセス中に、土壌またはバイオクラスト基板の変動を適切に考慮するためには、十分な大きさのサンプル数の抵抗とGWCキャリブレーションが重要です。また、電気分解や腐食により、時間の経過とともにプローブが「ドリフト」するのが一般的であるため、ウェットからドライまで、同じプローブと基板の組み合わせを2回テストするのが最善です。さらに、キャリブレーション中は、プローブの長さ(6~7mm)を収容するのに十分な深さしかない浅い基板サンプルを使用して、測定された水の重量が主に導電率測定の領域にある水からのものとなることが重要です。(プローブ間およびプローブの周囲)。これにより、土壌中の水量の変化は、プローブの抵抗測定の変化に直接関連します。最後に、これらのプローブを現場に配備する際には、導電測定の干渉を制限するが、センサーが位置をずらさないように、プローブを土壌表面(例えば、非導電性ガーデンステーク)に適切に固定することが重要です。長期的な測定の質を低下させます。
また、これらのセンサーのいくつかの制限に注意することも重要です。抵抗率プローブの長さはわずか5mmなので、基板内の大きな空気で満たされた細孔空間の影響を強く受けることができます。プローブに沿った大きな空気ギャップは、基板の接続性を低下させ、一般的に測定された導電性を低下させ、したがって推定水分量を低くするため、より大きなスケール全体で実際の土壌水分を反射しない可能性があります。同様に、土壌の化学組成は、土壌水分の測定値に影響を与えることができます。より高いサリン度は導電性を増加させ、シーメンス値21を高くする。両方の問題は、適切な基板固有のキャリブレーションで解決する必要があります。しかし、一部の土壌は化学的な違いを維持したり、これらのセンサーの環境が悪い可能性がある大きな細孔空間アーキテクチャを持つ場合があります。温度はまた、土壌の電気伝導度に影響を与えるので、15を考慮する必要があります。将来的には、これらのセンサを使用した温度キャリブレーションを実施して、温度が測定された基板の抵抗をどのように変化させるかを決定する必要があります。
ウェーバーら11が開発したバイオクラストの湿度プローブと同様に、これらのセンサキャリブレーションは、抵抗測定が中水内容物で信頼性が高いが、非常に高く低い水内容物でいくつかの異常を経験することを示しています(図6)。さらに、ドライダウンキャリブレーション中に、基板サンプルにまだ水が存在していた場合、抵抗値がゼロを読み取ることがあります。これは、キャリブレーションコンテナ内の基板の量が、センサによって測定された領域よりもわずかに大きいためである可能性があります。水が抵抗領域の外側に存在する場合、基板がまだ水分を持っている間、センサーはゼロを読み取ります。抵抗測定を損なうことなく基板サイズを小さくすることに注意を払った。水分量が増加するにつれて、基板内の抵抗値が減少し、シーメンス出力が高くなります。しかし、水分含有量が最も高いほど、水分含有量が増加すると抵抗値が大きくなります。これは、図 1Cに示すように、キャリブレーション データの"フック"につながります。このフックは、キャリブレーションに使用される各基板に存在していましたが、微細な砂の土壌で最も顕著でした(図6)。ウェーバーら11は、高水内容物で異常抵抗が増加する潜在的な原因が飽和土壌中のイオンを希釈し、それによって抵抗力を高めることであることを示唆している。
これらのセンサは現在、既存のマルチプレクサおよびデータロガー技術の使用に依存しています。マルチプレクサはセンサーを「オフ」にし、プログラムされた時間にセンサーに電流を送信するだけです。これにより、土壌水分センサー端子の腐食を防ぎます。他の電子企業は、プローブ用のデータロガーとマルチプレクサの代替手段を提供し、プログラマブル回路基板とコンピュータは、土壌温度および水分センサの無線設計のために組み込むことができ、エキサイティングな進歩。
センサーの設計と構築により、研究者はプローブをカスタマイズできます。プロングの長さと方向は、異なる媒体または異なる深さで水分をより良く評価するために操作することができます。カスタム配線は、同じケーブルから発する複数のセンサーヘッドを備えた設計を可能にするために注文することができます。安価なデータロギングとマルチプレクサオプションを追加すると、これらのセンサは、研究者が土壌表面の温度と土壌水分を測定するための安価でアクセス可能なオプションを提供します。これには、霜や露の形成などの事象を捕捉しにくい測定(図8)や、温暖化などの実験的な治療効果が含まれます(図7)。このペーパーでは、温度と水分を同時に測定する土壌表面センサーを構築するためのステップバイステップガイドを提供します。

環境センサは、生態系のダイナミクスを評価、監視、理解するための重要なツールです。温度と水分は、土壌中の生物学的プロセスの基本的な要因であり、土壌生物1、2の活性およびコミュニティ組成に影響を与える。また、温度や水分は、苗の出現およびゴミ分解率3、4、5のタイミングに影響を与することが示されている。乾燥地の生態系では、血管植物で覆われていない土壌表面には、生物土殻(バイオクラスト)として知られる苔、苔、シアノバクテリアの群れが多い(図1)。これらのコミュニティは、土壌表面に存在し、土壌6に数ミリメートルよりも深く浸透することはめったにありません。生物学的土壌地殻は、土壌安定化、水浸透および蒸発速度、アルベド、温度、栄養循環、および土壌雰囲気CO2交換7、8、9に強く影響を与えることができる。一部のシステムでは、これらの表面コミュニティの活動は、全体的な土壌属性と様々なプロセスの速度10を支配することができます。浅い深さに測定を明示的に焦点を当てるセンサーは、サーフィンの温度と水分が種子の発芽、分解率、土壌表面ビオタの応答、ならびに他の多くの生態系機能にどのように影響するかをさらに理解するのに役立ちます。
土壌センサ技術の最近の発展は、土壌表面11、12における生物学的プロセスを理解するための空間的に明示的な測定の重要性を示している。土壌水分を分析するための従来の方法は、土壌表面の下に配置されたセンサーを組み込み、多くの場合、深さ間で測定を統合します。これらのプローブによって記録された土壌水分は、土壌生物に対する環境制御の理解を知らせるのに役立ちますが、土壌表面で発生するニュアンスの多くを見逃している可能性があります。土壌の上数ミリメートルの水分含有量を明示的に測定するために、ウェーバーらは最近、土壌表面の電気伝導性を介して土壌水分を3mm11の深さに決定するバイオクラスト湿度プローブ(BWP)を開発した。ウェーバーのセンサーを0~5cmの統合水分プローブと組み合わせて使用し、タッカーらは土壌表面の上数ミリメートルに焦点を当てた水分センサーの重要性を実証しました。特に、バイオクラストコミュニティの活性に大きく関連した小さな降水イベントは、0〜50mm(すなわち、5cm)の統合プローブに登録されず、BFP12によってのみ検出された。土壌の上の数ミリメートルに焦点を当てたセンサーは、表面を越えて浸透するのに十分な大きさではないが、表面のビオタからの応答を誘導するのに十分な水分事象を測定するために不可欠です。
土壌表面温度は、生理学的プロセスを駆動するもう一つの重要な環境要因です。日当のない土壌表面温度は、特に無陰の土壌表面が大量の日射量にさらされている植物間空間において、非常に可変的な場合があります。また、土壌プロファイル13または空気14の深さよりも土壌表面の温度が変動する。例えば、タッカーらは、わずか24時間で発生する約60°C(13〜72°C)の最大日色土壌表面温度範囲を示した。これらの温度は、土壌表面に3mm挿入された熱電対を用いて測定した。一方、近くの温度プローブは、同じ日12の間にわずか30°C(22-52°C)の範囲を測定しました。土壌表面の温度を明示的に測定する熱電対は、表面土壌が50mmの深さの値に対して1日の暑さの間に10°C寒く、20°C暖かかったため、深さ50mmのセンサーよりもはるかに高い変動を示しました。
温度は、生理学的プロセスに対する重要な制御を表します。例えば、実験室の状態で一定の土壌水分では、土壌からのCO2損失は、ほとんどの生態系2、15、16の温度の上昇に伴って劇的に増加する。同様に、コントロールに対するプロット温度の上昇を目的としたフィールド気候操作研究のデータは、温かい土壌が近くの非加熱土壌(少なくとも治療の最初の年17、18)よりも多くのCO2を放出し、生物の土壌が温暖化7、9に対して同様の応答を示すことを示している。温度と水分の両方が重要な環境変数であることが実証されており、土壌表面の気候条件を正確に捕捉できるセンサは、それらが土壌表面11、12における生物の生理学的プロセスにどのように影響するかを解明することができる。
本論文では、温度と水分の両方を土壌表面下5mmの深さまで測定するように設計されたセンサーを提示し、これらの変数がサーフィシャルビオタとどのように相互作用し、生物学的応答を駆動するかを評価する際に大きな力を提供する。タイプE熱電対は2つの金属(クロムとコンスタンタン)で作られており、金属の温度変化はデータロガーによって記録される異なる電圧を作成します。土壌水分センサーは、2つの金メッキ金属プロング間の抵抗を測定します。より多くの水が伝導性を増加させ、プロング間の抵抗を減少させるので、抵抗は土壌水分の影響を受けます。ウェーバーらの設計に従って、これらのセンサーは5 mmの深さまで土壌水分を測定し、さらに同じプローブ上の温度を測定するための熱電対を含む。これらのセンサーは単一の調査を使用して土壌表面の温度および湿気のダイナミクスの結合の方法の洗練された眺めを可能にする。これらのプローブは、表面に生息する生物が環境の変化にどのように反応するかを探求する無数の機会を提供します。これらのセンサーの追加の利点は、比較的簡単で、構築と校正が安価であり、研究者は容易にその使用を採用することができるということです。
次のプロトコルでは、センサーをデータロガーに接続するための概要を含む、センサーを構築するための材料と方法について詳しく説明します。これらのセンサーは市販のロガーを使用していましたが、マルチプレクサに取り付けることができる任意のデータロガーを使用することができます。目的の基板にセンサを較等させる方法についても説明する。

<table><tbody><tr><td>シングルセンサーオーディオケーブル</td><td>alliedelec.com</td><td>Allied Stock #: 70004848</td><td>ケーブル; 1Pr; 22AWG; 7x30;TCです。PPイン;ホイル;ブラックPVC jkt;CMR</td></tr><tr><td>ダブル センサー オーディオ ケーブル</td><td>alliedelec.com(</td><td>Allied Stock #: 70004635</td><td>ケーブル; 2Pr; 22AWG; 7x30;TCです。PPイン;ホイル;ブラックLSZH jkt;CMG-LS</td></tr><tr><td>熱電対ケーブル</td><td>Omega.com</td><td>パーツ #: TT-E-24-TWSH-SLE-(希望の長さ)</td><td>タイプ E、24 ga、PFA (テフロンコーティング)、ツイストシールド、エラーの特別な制限</td></tr><tr>8<td>極端子台</td><td>Samtec.com</td><td>MTSW-108-21-G-S-1130-RA</td><td></td></tr><tr><td>4 極端子台</td><td>Samtec.com</td><td>MTSW-104-21-G-S-1130-RA</td><td></td></tr><tr><td>2 極ソケットストリップ</td><td>Samtec.com</td><td>SSW-102-03-G-S</td><td></td></tr><tr><td>0.13" モイスチャー シール熱収縮チューブ</td><td>McMaster.com</td><td>パーツ #: 7861K51</td><td></td></tr><tr><td>0.25" モイスチャー シール熱収縮チューブ</td><td>McMaster.com</td><td>パーツ #: 7861K53</td><td></td></tr><tr><td>0.38" モイスチャー シール熱収縮チューブ</td><td>McMaster.com</td><td>パーツ #: 7861K54</td><td></td></tr><tr><td>0.5" モイスチャー シール ヒートシュリンク チューブ</td><td>McMaster.com</td><td>パーツ #: 7861K55</td><td></td></tr><tr><td>液体電気テープ</td><td>McMaster.com</td><td>パーツ #: 76425A23</td><td></td></tr><tr><td>金属皮膜抵抗</td><td>器 Newark.com</td><td>パーツ #: RN55C1001BB14</td><td></td></tr><tr><td>分圧器抵抗</td><td>Newark.com</td><td>パーツ #: 83F1210</td><td></td></tr><tr><td>16 または 32 チャネル リレー マルチプレクサ</td><td>campbellsci.com</td><td>AM16/32B</td><td>このリレー マルチプレクサは、センサが正しく機能するために重要です</td></tr><tr><td>CR1000X計測制御データロガー</td><td>campbellsci.com</td><td>CR1000X</td><td></td></tr></tbody></table>

シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造

Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors

土壌表面の温度と水分を定量化することは、土壌表面ビオタが環境の変化にどのように反応するかを理解するために不可欠です。しかし、土壌表面では、これらの変数は非常に動的であり、標準的なセンサーは土壌プロファイルの上の数ミリメートルの温度や水分を明示的に測定しません。本論文では、土壌表面上部5mmの温度と水分を同時に測定する、シンプルで安価なセンサの製造方法について述べた。センサーの構造に加えて、品質管理の手順だけでなく、様々な基板のキャリブレーションについても説明します。センサーは、温度を測定し、5ミリメートルの深さでセンサーの端にある2つの金めっき金属プローブ間の抵抗を測定することにより、温度を測定し、土壌水分を評価するためにタイプE熱電対を組み込みます。ここで示す方法は、異なる深さまたは基板のプローブをカスタマイズするために変更することができます。これらのセンサーは、様々な環境で有効であり、熱帯林の数ヶ月の豪雨だけでなく、米国南西部の砂漠での激しい太陽放射に耐えてきた結果、評価のためのこれらのセンサーの有効性を実証地球規模の変化実験における土壌表面の温暖化、乾燥、凍結

土壌表面の微気候を評価することは、そこで起こっている生物学的、化学的、物理的プロセスを理解し、予測するために不可欠です。これらのプローブは、土壌プロファイルの非常に表面層で微気候を監視する強力な機会を提供し、したがって、土壌11、12の上の数ミリメートルで発生する生物学的活性の評価のために貴重である。これらのプローブは、生物クラストの温度と水分がその機能2、8、10、12、15に重要であり得るので、生物学的土壌地殻活動に対する制御を評価するために開発され、精製されました。しかし、これらのプローブは乾燥地の光合成土壌用に開発されましたが、広い範囲のシステムに実装する可能性が高く、土壌深度プロファイルに沿って温度や水分がどのように変化するかを評価する可能性が高いです。例えば、これらのセンサーは熱帯林の温暖化実験に配備され、気候の温暖化処理と自然変動がどのように相互作用するかを確認し、土壌プロセス、温度、水分のコバリエーションを決定しています。
それにもかかわらず、土壌表面センサーを実装する前にいくつかの重要な考慮事項があります。たとえば、GWC などの土壌水分のより一般的に使用されるメトリックに抵抗の単位を変換するキャリブレーション曲線を開発する必要があります。土壌表面センサは、シーメンス(1/Ohm)の金属プロングと出力導電率(抵抗の逆)値間の抵抗を測定します。したがって、シーメンスから土壌水分への変換を行う必要があります。土壌基板の化学的および物理的特性の数は、シーメンスのセンサーの伝導測定値と土壌水分の関係に影響を与える可能性があります。したがって、プローブの測定値を土壌水分値に変換するには、基板固有のキャリブレーションを行うことが重要です。これらの違いを示す3つの基板からのキャリブレーションデータが示されている。
図6は、3つの土壌基板のそれぞれに対する2つのサンプルのドライダウンキャリブレーションデータを示しています。基板は、表面に少量の水が見えるまで完全に飽和した。プローブ抵抗および土壌重量は、すべてのサンプルが乾燥するまで15分ごとに測定した。その後、土壌質量をGWCの計算に用いられた。図6は、各サンプルの導電率とGWCの回帰を示しています。これらのキャリブレーションに使用される基板には、プエルトリコのエルユンケ国有林の実験フィールドステーションで収集されたシルトローム土壌(23%砂、64%シルト、13%粘土)が含まれます。ユタ州キャッスルバレー付近で収集された苔支配的なバイオクラスト;そして、ユタ州モアブ近くの実験的な温暖化プロットから細かい砂の土壌(92%砂、3%シルト、5%粘土)。
基板特異的センサキャリブレーションの必要性は、各基板のプローブ伝導率と土壌水分の変動によって実証されています。例えば、シルトローム土壌サンプル(図6a)の回帰は、他の2つの土壌基質とは異なっていた。したがって、シルトローム土壌の回帰式をモスバイオクラストに適用するか、またはその逆に適用すると、劇的に異なる値につながります。一方、微細砂土に対するGWCとプローブ抵抗(図6c)と苔バイオクラスト(図6b)との関係は同様であった。しかし、細かい砂の土壌は、苔ほど多くの水を保持することができず、それに応じてはるかに速い乾燥を経験しました。基板内にはばらつきがあるので、正確なキャリブレーション曲線を生成し、すべてのサイトに対して個々のキャリブレーション曲線を作成するのに十分な大きさのサンプルサイズを持つことは重要です。
実験的な環境では、これらの土壌表面センサーは、米国ユタ州モアブ近郊の気候操作研究の処理効果を評価するために使用されました。本研究では、赤外線ランプを使用して、同じ場所でプロットの周囲温度を4°C上げ、Wertin et al.17で説明した同様の方法を用いた。図 7は、2018 年 5 月上旬に発生した 2 つの別々の雨イベントの加熱および制御プロットからの平均気温と GWC を示しています。加温プロットの平均気温は、対照プロットの平均気温よりも一貫して高かった(図7a)。これら2つの雨のイベントの過程で、加熱プロットの抵抗率センサは、コントロールよりも土壌水分が少なく、加熱プロットはより速く乾燥しました(図7b)。温度の上昇は、19を考慮しなければならない土壌の高い導電性につながる可能性があることに留意すべきである。これらの土壌表面センサの温度成分と水分成分の両方の感度により、温暖化処理の温度差だけでなく、プロットの水分ダイナミクスにどのような影響を与えたかを観察することができました。
温度と水分の相互作用は、これらの土壌表面センサーを用いた観測研究で、米国コロラド高原の凍結融解条件下におけるバイオクラストへの水分利用可能性のタイミングを分析する観測研究でさらに調査された。主にコケシントリキア・カニュールビスで構成されたバイオクラストのトップ5mmにセンサーを配置し、表面温度と水分を2018年1月と2月の数ヶ月間に記録しました。温度が0°Cを下回ると、苔の表面の水分が凍結し、センサ出力導電率の値は0%GWCに対応しました(図8)。しかし、温度が0°Cを超えると、負性センサに登録された苔面と液体水で霜が溶け出した。この例では、温度と水分の同時測定は、土壌表面に存在する生物の生物学的プロセスに潜在的に影響を与えるために変数がどのように相互作用するかを示しました。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig01.jpg"> 図1:米国コロラド高原の生物殻付きインタースペース多くの砂漠の生態系では、植物間の空間は、多くの場合、苔、苔、シアノバクテリアで構成される生物クラストコミュニティで覆われています。2つの土壌温度と水分センサーを苔のバイオクラストの表面に配置しました。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig02.jpg"> 図2:8本の端子台をクリッピングする金メッキの端子台は、上側の曲がった突起が向いている。プロングには 1 ~ 8 の番号が付け、左側から右に移動します。プロングス2、4、7は、黒いプラスチックの底部でカットフラッシュされます。プロングス3、5、6は黒いプラスチックの下5mmで切断されます。Prong 3 はアーク溶接熱電電線を安定させ、抵抗はプロング 5 と 6 の間で測定されます。これらは、土壌水分センサとして機能します。プロングス1と8は、土壌中のホールドファストとして機能します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig03.jpg"> 図3:センサーヘッドを完成変更されたセンサーヘッドと熱電対ケーブルは液体電気テープで覆われています。プロング5と6(水分センサー)を清潔に保ち、液体電気テープでコーティングされていない状態に保つことが重要です。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig04.jpg"> 図4:キャリブレーションセンサーヘッド4 本の端子台は、修正されたセンサー ヘッドから離れて向くようにワイヤにはんだ付けされます。水分シール熱収縮は、端子台の近くに固定され、ワイヤ間のクロストークを防ぎます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig05.jpg"> 図5:キャリブレーションコンテナとセンサーヘッド4プロング端子台はコンテナにテープで留め、2プロングソケットストリップに簡単に接続できるように配向します。この配置により、センサーヘッドをカットスリットに配置し、目的の基板に固定することができます。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig6a.jpg"> 図6:3つの土壌基板のセンサーキャリブレーション算出された重力水分量(GWC)パーセンテージは、基板ドライダウン時の土壌質量を測定して測定し、プローブからの土壌センサ伝導度値(シーメンスで測定)と比較した。示されたデータは、3つの異なる土壌基質のそれぞれから2つのサンプルに対するものである。土壌基板は、(a)シルトローム土壌、(b)苔のバイオクラスト、および(c)微細な砂土であった。(a) GWCと主にシルトローム土壌における伝導度値の関係は、電力回帰によって最もよく表された。(b)GWCとセンサ伝導の強い線形関係は、コケシントリキア・カニネルビスが支配するバイオクラストについて観察された。(c) 線形回帰は、微細な砂の土壌におけるGWCとセンサ伝導度測定の関係を最もよく表した。GWC値が高い場合、導電率値は較正曲線から逸脱し、土壌が飽和した場合のセンサの潜在的な制限を示す。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig6alarge.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig07.jpg"> 図7:フィールド赤外線温暖化処理による温度および重力水分量毎時平均表面温度とGWCは、4日間にわたって5加温および5つの制御プロットで10分間隔で記録しました。データは、コロラド高原、米国17の半乾燥草原生態系における世界的な変化実験からのデータです。データは、土壌表面センサーが処理効果を捕捉したことを示しています。(a) 土壌表面の平均気温は、加温されたプロットで一貫して高かった。(b) 温暖化の影響はGWC値においても明らかで、温めたプロット土壌がより速い乾燥時間を維持したことを示した。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig07large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig08.jpg"> 図8:霜イベント中のモスバイオクラスト温度と重力水分量2018年1月24日午前9時50分から2018年1月25日午前11時20分までの10分間隔で記録されたシントリキア・カニネルビス・モスバイオクラストの4つの複製の平均表面温度とGWC。夜間の時間は、灰色のシェーディング領域とシェーディングされていない領域の昼間の時間で表されます。苔面に霜の形で水を凍らしたところ、センサーで測定した導電率はなかった。したがって、GWCは0であった。土壌温度が0°Cを下回ったので、夜間の直後に凍結条件が発生しました。日の出直後に、気温が0°Cを超えると、霜が溶け、センサーによって液体水が検出され、解凍が発生しました。これらの結果は、液体の水と氷を区別する際のセンサの有効性を示しており、これは生物学的プロセスの範囲に重要な意味を持つ可能性がある。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig08large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

土壌表面上部5mmの温度と水分量を正確に測定することで、生物学的、化学的、物理的プロセスに関する環境制御に対する理解を深めることができます。ここでは、土壌表面温度と水分センサを用いて測定を行い、測定を行うためのプロトコルについて説明します。

Quantifying temperature and moisture at the soil surface is essential for understanding how soil surface biota respond to changes in the environment. ...

この方法は、誰もが測定するダイナミックで困難な領域、土壌の上部5ミリメートルの温度と水分を測定することができるセンサーを構築することができます。土壌表面の微気候を同時に測定することで、温度と土壌の水分が土壌表面で生物、ガスフラックス、および生態系の他の成分にどのような影響を与えるかを評価することができます。土壌表面は、特に温度や水分の大きな変動を起こしやすく、生態系活動全体を調節する上で不釣り合いに重要である可能性があります。このセンサーは、土壌水分表面ビオタがどのように調節されているかを新たな洞察に与え、過去に研究が困難であった温度や水分の変化に対応します。熱電対ケーブルを準備するには、ケーブルジャケットを4枚取ってケーブルの端からセンチメートルを与え、新しく露出した小径のシースをワイヤの端から5ミリメートル取り除き、ケーブルジャケットで接地線を切断してジャケットを越えて露出しないようにします。適切な保護具を身に着けているARCは、ワイヤーの露出した先端を溶接し、ワイヤを軽く引っ張って溶接の強度をテストし、先端が分離しないことを確認します。熱電対ケーブルのアーク溶接チップを液体の電気テープに浸して、ワイヤーの露出した金属を覆い、小径のワイヤーシースの少なくとも3ミリメートルをカバーします。電気テープを少なくとも4時間乾燥させた後、またはメーカーが推奨するように、小径シースの電気テープと熱電対ジャケットの少なくとも1センチメートルを覆うのに十分な長さの約3.3ミリメートルの熱収縮チューブを切断し、チューブにワイヤーを挿入し、チューブをケーブルジャケットの上に戻します。土壌水分ケーブルを準備するには、ケーブルの端から5センチメートルのケーブルジャケットを取り除き、ジャケットの向こうに露出しないようにケーブルジャケットでアースワイヤーを切り落とします。土壌水分線の端から内側の小径シースの1センチメートルを取り除き、小さなストランドを統合するために各ワイヤの露出金属をねじります。次に、適切な皮膚および眼保護を用いて、各ワイヤー端部の露出金属にはんだを適用し、小さな、ねじれたストランドをスズする。次に、直径10ミリメートルの熱収縮チューブを、ケーブルジャケットが錫メッキされたワイヤの端まで剥がした距離よりも約1センチメートル長く切断し、このチューブを両方のワイヤーの上に置きます。ケーブルジャケットの上にチューブをスライドさせ、3.3ミリメートルの熱収縮チューブの2つの1.5センチメートルの部分をカットします。各ワイヤの上にチューブを1つ配置し、2 本のソケットストリップの突起にはんだフラックスを適用します。2つのソケットストリップの端にワイヤーの錫の端をはんだ付けし、彼らが触れないように2つの端を分離し続けることを確認します。直径3.3ミリメートルの熱収縮の2つの部分を2つのソケットストリップのベースに移動し、すべての金属部品が覆われているようにします。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを付着させ、チューブの下のはんだを過熱して溶かしないように注意してください。直径10ミリメートルの熱収縮管を2本のソケットストリップの端から1ミリメートルに移動して、ソケットストリップ、小径ワイヤー、ケーブルジャケットの一部を覆い、ヒートガンを使用してヒートシュリンクチューブを所定の位置に固定します。8本の端子台を変更するには、上部のプロングが視界から離れて曲がるようにストリップの向きを変え、ワイヤースニップを使用して、黒いプラスチック製のコンタクトストリップのすぐ下にある2番目、4番目、7番目のプロングを左から切ります。黒いプラスチック製のコンタクトストリップの下5ミリメートルを測定し、5ミリメートルで左から3番目、5番目、6番目のプロングをマークし、5ミリメートルのマークでこれらのプロングを切り取ります。センサーヘッドアセンブリの場合、直径約13ミリメートルの熱収縮チューブの1センチメートルを2つカットし、熱電対ケーブルと土壌水分ケーブルのそれぞれに1つをスライドさせます。熱電対の先端がクリップされたプロングの端の端に向き合うように、熱電対ワイヤの溶接された端を 3 つ目のクリッピングプロングの上に移動し、ワイヤを曲げて、プロングの上カーブに沿うように曲げます。直径3.3ミリメートルの熱収縮チューブを突き刺し線と熱電対線の湾曲部分の上にスライドさせ、熱収縮チューブが熱電対ケーブルジャケットの一部を覆っていることを確認します。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを所定の位置に接着し、指を使用して湾曲した突起の上にある熱収縮チューブの一部を絞ります。突起5と6の上湾曲した端を2つのソケットストリップに挿入し、直径13ミリメートルの熱収縮チューブをセンサーヘッドに向かって移動させ、ヘッドから約1センチメートル離れた位置に配置します。ヒートガンを使用してチューブを固定し、ソケットストリップをプロング5と6にしっかりと接続し、3本の熱電対線にしっかりと接続し、他の13ミリメートル直径の熱収縮チューブを熱収縮チューブの数センチメートル後ろに貼り付けるように注意してください。熱収縮チューブを所定の位置に固定する場合、2つのソケットストリップと、変更されたセンサーヘッドの5と6の間の良好な接続が重要です。次に、熱電対線の側面の全てに液体電気テープを塗布し、3本を突き出し、ソケットストリップ接続の全ての側面に貼り付け、露出した金属の全てが覆われていることを保証する。ただし、接続に関連付けられた 5 ミリメートルのクリッププロングをカバーしないでください。ここで、3つの土壌基質のそれぞれについて2つのサンプルのドライダウンキャリブレーションデータが、それぞれ独自のプローブを有して、示されている。シルトローム土壌サンプルの回帰は、他の2つの土壌基質とは異なるため、シルトローム土壌の回帰式を苔のバイオクラストまたはその逆に適用すると、劇的に異なる値が生じる。一方、高重量水と微細砂土とコケバイオクラストのプローブ抵抗との関係は似ていた。基板内にばらつきが生じる可能性があるので、正確なキャリブレーションカーブを生成し、すべての部位に対して個別のキャリブレーションカーブを作成するのに十分な大きさのサンプルサイズを得ることが重要です。これらのグラフでは、2018年5月上旬に発生した2つの別々の雨の事象の加熱および制御されたプロットからの平均温度および重量測定水分量が観察される。温められたプロットの平均気温は、制御されたプロットの平均温度よりも一貫して高かった。これら2つの雨のイベントの過程で、加熱されたプロットの抵抗センサーは、コントロールよりも少ない土壌水分を登録し、加熱されたプロットはより迅速に乾燥しました。熱電対線を溶接する際や、第2のストリップをセンサヘッドに接続する際には、良好な接続が行われていることを確認することが重要です。温度処理が土壌表面微気候データを解釈する上で重要な点が、複数の温暖化実験で使用されるセンサーを設置しました。他の機器と組み合わせることで、これらのセンサーは、土壌表面の温度と水分が大気への二酸化炭素流出のような基本的な土壌プロセスにどのような影響を与えるかを調査することができました。表面土壌微気候と土壌流出との間のこの新しいリンクは、乾燥地土壌が地球規模の変化に対するフィードバックをどのように生み出すかについての我々の理解にとって重要であった。

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