Artykuł metodologiczny

Produkcja prostych i niedrogich czujników temperatury powierzchni gleby i grawimetrycznej zawartości wody

10.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60308

⸱

21 grudnia 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Southwest Biological Science Center, U.S. Geological Survey, 2Centre for Energy Technology Brandenburg, 3Institute of Environmental Sciences, Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, 4Umweltanalytische Produkte GmbH, 5Institute of Plant Sciences, University of Graz, 6Multiphase Chemistry Department, Max Planck Institute for Chemistry

W tym artykule

Podsumowanie

Dokładny pomiar temperatury i zawartości wody w górnych 5 mm powierzchni gleby może poprawić nasze zrozumienie kontroli środowiskowej procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych. W tym miejscu opisujemy protokół wytwarzania, kalibracji i przeprowadzania pomiarów za pomocą czujników temperatury i wilgotności powierzchni gleby.

Streszczenie

Ilościowe określenie temperatury i wilgotności na powierzchni gleby jest niezbędne do zrozumienia, jak fauna i flora na powierzchni gleby reaguje na zmiany w środowisku. Jednak na powierzchni gleby zmienne te są bardzo dynamiczne, a standardowe czujniki nie mierzą jednoznacznie temperatury ani wilgotności w górnych kilku milimetrach profilu glebowego. W artykule opisano metody wytwarzania prostych, niedrogich czujników, które jednocześnie mierzą temperaturę i wilgotność górnych 5 mm powierzchni gleby. Oprócz budowy czujnika wyjaśniono etapy kontroli jakości, a także kalibracji dla różnych podłoży. Czujniki zawierają termoparę typu E do pomiaru temperatury i oceny wilgotności gleby poprzez pomiar rezystancji między dwiema pozłacanymi metalowymi sondami na końcu czujnika na głębokości 5 mm. Przedstawione tutaj metody można zmienić, aby dostosować sondy do różnych głębokości lub podłoży. Czujniki te okazały się skuteczne w różnych środowiskach i przetrwały miesiące ulewnych deszczy w lasach tropikalnych, a także intensywne promieniowanie słoneczne na pustyniach południowo-zachodnich Stanów Zjednoczonych. Wyniki pokazują skuteczność tych czujników w ocenie ocieplenia, suszenia i zamarzania powierzchni gleby w eksperymencie dotyczącym zmian globalnych.

Wprowadzenie

Czujniki środowiskowe są kluczowymi narzędziami do oceny, monitorowania i zrozumienia dynamiki ekosystemu. Temperatura i wilgotność są podstawowymi czynnikami wpływającymi na procesy biologiczne zachodzące w glebie oraz wpływają na aktywność i skład zbiorowisk organizmów glebowych1,2. Ponadto wykazano, że temperatura i wilgotność wpływają na czas pojawienia się siewek i tempo rozkładu ściółki3,4,5. W ekosystemach suchych powierzchnie gleby niepokryte roślinami naczyniowymi są często pokryte zbiorowiskami mchów, porostów i sinic, znanych jako biologiczna skorupa glebowa (biocrust) (ryc. 1). Zbiorowiska te istnieją na powierzchni gleby i rzadko wnikają głębiej niż kilka milimetrów w głąb gleby6. Biologiczne skorupy glebowe mogą silnie wpływać na stabilizację gleby, infiltrację wody i szybkość parowania, albedo, temperaturę, obieg składników odżywczych oraz wymianę CO2 między glebą a atmosferą7,8,9. Z kolei w przypadku niektórych systemów aktywność tych zbiorowisk powierzchniowych może zdominować ogólne atrybuty gleby i tempo różnych procesów10. Czujniki, które wyraźnie koncentrują pomiary na płytkich głębokościach, mogą pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób temperatura i wilgotność powierzchni wpływają na kiełkowanie nasion, tempo rozkładu i reakcje fauny i flory gleby, a także na wiele innych funkcji ekosystemu.

Ostatnie osiągnięcia w technologii czujników glebowych pokazały znaczenie przestrzennie wyraźnych pomiarów dla zrozumienia procesów biologicznych na powierzchni gleby11,12. Konwencjonalne metody analizy wilgotności gleby obejmują czujniki umieszczone pod powierzchnią gleby i często integrują pomiary na różnych głębokościach. Wilgotność gleby zarejestrowana przez te sondy może pomóc w lepszym zrozumieniu kontroli środowiskowej organizmów glebowych, ale prawdopodobnie pomija wiele niuansów występujących na powierzchni gleby. Aby jednoznacznie zmierzyć zawartość wody w kilku górnych milimetrach gleby, Weber i in. opracowali niedawno sondy wilgotności bioskorupy (BWP), które określają wilgotność gleby na podstawie przewodności elektrycznej powierzchni gleby do głębokości 3 mm11. Korzystając z czujników Webera w połączeniu ze zintegrowanymi sondami wilgotności od 0 do 5 cm, Tucker i in. wykazali, jak ważne są czujniki wilgotności, które skupiają się na kilku górnych milimetrach powierzchni gleby. W szczególności małe opady, które były bardzo istotne dla aktywności zbiorowisk bioskorupy, nie zostały zarejestrowane dla zintegrowanych sond 0-50 mm (tj. 5 cm) i zostały wykryte tylko przez BWPs12. Czujniki skupione na kilku górnych milimetrach gleby są niezbędne do pomiaru zdarzeń wilgotnościowych, które nie są wystarczająco duże, aby przeniknąć poza powierzchnię, ale są wystarczające do wywołania reakcji fauny i flory na powierzchni.

Temperatura powierzchni gleby to kolejny ważny czynnik środowiskowy napędzający procesy fizjologiczne. Dobowe temperatury powierzchni gleby mogą być bardzo zmienne, szczególnie w przestrzeniach międzyroślinnych, gdzie niezacieniona powierzchnia gleby jest narażona na duże ilości promieniowania słonecznego. Ponadto temperatura jest bardziej zmienna na powierzchni gleby niż głębiej w profilu glebowym13 lub air14. Na przykład Tucker i in. wykazali, że maksymalny dobowy zakres temperatur powierzchni gleby wynosi prawie 60 °C (13-72 °C) występując w ciągu zaledwie 24 godzin. Temperatury te mierzono za pomocą termopar umieszczonych 3 mm w powierzchni gleby. Tymczasem pobliskie sondy temperatury o głębokości 50 mm zmierzyły zakres zaledwie 30 °C (22-52 °C) tego samego dnia12. Termopary wyraźnie mierzące temperaturę na powierzchni gleby wykazały znacznie większą zmienność niż czujniki na głębokości 50 mm, ponieważ gleby powierzchniowe były o 10 °C zimniejsze w nocy i o 20 °C cieplejsze w upale dnia w stosunku do wartości głębokości 50 mm.

Temperatura reprezentuje krytyczną kontrolę nad procesami fizjologicznymi. Na przykład przy stałej wilgotności gleby w warunkach laboratoryjnych straty CO2 z gleby gwałtownie rosną wraz ze wzrostem temperatury w większości ekosystemów2,15,16. Podobnie, dane z polowych badań nad manipulacją klimatem, które mają na celu zwiększenie temperatury powierzchni w stosunku do kontroli, wykazały, że ocieplone gleby uwalniają więcej CO2 niż pobliskie nieogrzewane gleby (przynajmniej w pierwszych latach zabiegów17,18) i że gleby pokryte skorupą biologiczną wykazują podobną reakcję na ocieplenie7,9. Wykazano, że zarówno temperatura, jak i wilgotność są ważnymi zmiennymi środowiskowymi, a czujniki, które mogą dokładnie rejestrować warunki klimatyczne na powierzchni gleby, mogą wyjaśnić, w jaki sposób wpływają one na procesy fizjologiczne organizmów na powierzchni gleby11,12.

Ten artykuł przedstawia czujniki zaprojektowane do pomiaru zarówno temperatury, jak i wilgotności do głębokości 5 mm pod powierzchnią gleby, oferując znaczącą moc w ocenie, jak te zmienne oddziałują i napędzają reakcje biologiczne fauny i flory powierzchniowej. Termopara typu E jest wykonana z dwóch metali (chromu i konstantanu), a zmiany temperatury w metalach wytwarzają różne napięcia, które są rejestrowane przez rejestrator danych. Czujnik wilgotności gleby mierzy rezystancję między dwoma pozłacanymi metalowymi bolcami. Na odporność ma wpływ zawartość wody w glebie, ponieważ więcej wody zwiększa przewodność, a tym samym zmniejsza opór między zębami. Zgodnie z projektem Weber et al.11, czujniki te mierzą wilgotność gleby do głębokości 5 mm i dodatkowo zawierają termoparę do pomiaru temperatury na tej samej sondzie. Czujniki te umożliwiają precyzyjny wgląd w to, jak dynamika temperatury i wilgotności zmieniają się w zgodzie na powierzchni gleby za pomocą jednej sondy. Sondy te dają niezliczone możliwości zbadania, w jaki sposób organizmy żyjące na powierzchni reagują na zmiany w swoim środowisku. Dodatkową zaletą tych czujników jest to, że są one stosunkowo proste i niedrogie w budowie i kalibracji, a naukowcy będą mogli z łatwością zastosować ich zastosowanie.

Poniższy protokół szczegółowo opisuje materiały i metody budowy czujników, w tym zarys podłączenia czujników do rejestratorów danych. Czujniki te wykorzystywały dostępne na rynku rejestratory, ale można było użyć dowolnego rejestratora danych, który można podłączyć do multipleksera. Opisano również metody kalibracji czujników do podłoży będących przedmiotem zainteresowania.

Protokół

1. Produkcja czujników

  1. Przytnij o odpowiednich długościach.
    1. Określ maksymalną odległość od lokalizacji rejestratora danych do żądanego umieszczenia czujnika. Uwzględnij dodatkową długość potrzebną do zagięć, przeszkód i podłączenia do rejestratora danych.
    2. Przytnij wszystkie termopary i wilgotności gleby do tej maksymalnej żądanej długości. Różnice w długości mogą prowadzić do różnych rezystancji między czujnikami. Tego problemu można uniknąć, utrzymując wszystkie długości czujników takie same.
  2. Przygotuj przewód termopary.
    1. Zdejmij osłonę w odległości 4−5 cm od końca.
    2. Zdejmij nowo odsłonięte osłony o małej średnicy w odległości 5 mm od końca przewodów.
    3. Spawaj łukowo odsłonięte końcówki drutów i przetestuj wytrzymałość nowej spoiny, delikatnie pociągając za druty, aby upewnić się, że się nie rozdzielają.
      UWAGA: W celu ochrony przed promieniowaniem powstającym podczas spawania łukowego należy używać przyłbicy spawalniczej lub osłony twarzy. Utrzymuj wszystko w środowisku pracy w suchości, aby uniknąć potencjalnego szoku. Pracuj w dobrze wentylowanym miejscu, aby opary lub gazy nie przedostawały się do obszaru oddychania.
    4. Zanurz spawane łukowo końcówki termopary w płynnej taśmie elektrycznej, aby chronić odsłonięte przewody. Płynna taśma izolacyjna powinna zakrywać odsłonięty metal przewodów i co najmniej 3 mm osłon przewodów o małej średnicy.
      UWAGA: Płynna taśma izolacyjna zawiera łatwopalne opary, które mogą podrażniać drogi oddechowe. Używać w dobrze wentylowanym miejscu, z dala od otwartego ognia. Unikaj bezpośredniego kontaktu z oczami i skórą, ponieważ może to spowodować podrażnienie.
    5. Pozostaw płynną taśmę izolacyjną do wyschnięcia na około 4 godziny lub zgodnie z zaleceniami producenta.
    6. Wytnij kawałek rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem wilgoci, który jest wystarczająco długi, aby zakryć płynną taśmę izolacyjną na osłonach o małej średnicy i co najmniej 1 cm osłony termopary (około 6 cm długości). Włóż przewody do rurki termokurczliwej i przesuń rurkę z powrotem przez osłonę. Poczekaj z zastosowaniem ciepła do późniejszego kroku (krok 1.5.3).
  3. Przygotuj do nawilżania gleby.
    1. Zdejmij osłonę w odległości 5 cm od końca.
    2. Odetnij przewód uziemiający (bez osłony) na osłonie, aby nie był odsłonięty poza osłonę.
    3. Zdejmij 1 cm wewnętrznych osłon o małej średnicy z końców drutów nawilżających glebę.
    4. Przekręć odsłonięty metal każdego drutu, aby skonsolidować małe pasma.
    5. Ocynuj małe skręcone pasma, nakładając lut na odsłonięty metal na każdym końcu drutu.
      UWAGA: Należy zachować ostrożność podczas używania bardzo gorących przyrządów wymaganych do. w dobrze wentylowanych pomieszczeniach i noś odpowiednią ochronę oczu i skóry.
    6. Wytnij kawałek rurki termokurczliwej o średnicy 0,38 cala (~10 mm), który jest o 1 cm dłuższy niż odległość od miejsca, w którym osłona została zdjęta, do końca ocynowanych przewodów. Umieść tę rurkę na obu przewodach i nasuń ją z powrotem na osłonę, aby zamocować na miejscu w późniejszym kroku.
    7. Wytnij dwa 1.5 cm kawałki rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) i umieść po jednym na każdym drucie. Nie podgrzewaj ich, dopóki nie przylutujesz przewodu do dwubolcowej listwy zasilającej.
    8. Nałóż topnik lutowniczy na zęby dwubolcowej listwy nasadowej.
    9. ocynowane końce drutu do końców dwubolcowej listwy gniazdowej. Uważaj, aby oba końce były oddzielone, aby się nie stykały.
    10. Przesuń dwa kawałki rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem wilgoci do podstawy dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby wszystkie metalowe części były zakryte. Użyj opalarki, aby przykleić rurki termokurczliwe, uważając, aby nie przegrzać i nie stopić lutu znajdującego się pod rurkami.
    11. Przesuń rurkę termokurczliwą o grubości 0,38 cala (~10 mm) na odległość 1 mm od końca dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby zakrywała listwę zasilającą, przewody o małej średnicy i część osłony. Użyj opalarki, aby zamocować tę rurkę termokurczliwą na miejscu.
  4. Zmień listwę zaciskową głowicy czujnika.
    1. Aby zmodyfikować ośmiobolcową listwę zaciskową, ustaw listwę tak, aby górne bolce zakrzywiały się z dala od pola widzenia. Użyj nożyc do drutu, aby przeciąć drugi, czwarty i siódmy ząb od lewej tuż pod czarną plastikową listwą stykową (Rysunek 2).
    2. Odmierz 5 mm poniżej czarnej plastikowej listwy stykowej i zaznacz trzeci, piąty i szósty ząb od lewej na 5 mm. Odetnij te zęby w miejscu 5 mm. Długość ta może być modyfikowana w celu dopasowania do różnych pytań badawczych.
  5. Zamontuj głowicę czujnika.
    1. Wytnij dwa 1-centymetrowe kawałki rurki termokurczliwej o grubości 0,5 cala (~13 mm) i nasuń po jednym na każdy z przewodów termopary i wilgotności gleby.
    2. Przesuń spawany łukiem koniec drutów termopary nad górną częścią trzeciego przyciętego bolca, tak aby końcówka termopary była zorientowana z końcem przyciętego bolca. Zegnij druty tak, aby podążały za górną krzywizną bolca.
    3. Przesuń rurkę termokurczliwą o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem przeciwwilgociowym (od kroku 1.2.6) w górę nad zakrzywioną częścią bolca i drutami termopary. Sprawdź, czy rurka termokurczliwa zakrywa również część osłony termopary i użyj opalarki, aby przykleić rurkę termokurczliwą na miejscu. Ściśnij palcami część rurki termokurczliwej, która znajduje się nad zakrzywionym bolcem, aby ją zabezpieczyć.
    4. Włóż górne zakrzywione końce zębów 5 i 6 do dwubolcowej listwy gniazdowej (Rysunek 2).
    5. Przesuń górny kawałek rurki termokurczliwej o grubości 0,5 cala (~13 mm) w kierunku głowicy czujnika, tak aby znajdowała się około 1 cm od głowicy. Użyj opalarki, aby przykleić go na miejscu, uważając, aby listwa zasilająca była mocno podłączona do bolców 5 i 6 oraz do przewodu termopary na bolcu 3.
    6. Użyj opalarki, aby przykleić drugi kawałek rurki termokurczliwej o grubości 0.5 cala (~13 mm) kilka centymetrów za poprzednim kawałkiem rurki termokurczliwej.
    7. Nałóż płynną taśmę izolacyjną ze wszystkich stron na drut termopary i bolec 3.
    8. Nałóż płynną taśmę izolacyjną ze wszystkich stron połączenia listwy zasilającej, upewniając się, że cały odsłonięty metal jest zakryty. Nie należy jednak zakrywać 5-milimetrowych przyciętych zębów związanych z tym połączeniem (Rysunek 3).

2. Podłączanie czujników do rejestratora danych i multipleksera

UWAGA: Te czujniki muszą być używane z multiplekserem, który jest podłączony do rejestratora danych. Wszystkie kroki w tym protokole są przeznaczone do użytku z rejestratorem danych i multiplekserem wymienionymi w Tabeli Materiałów (inne rejestratory danych również by działały). Przy każdym czasie pomiaru rejestrator danych otwiera komunikację z multiplekserem, który z kolei działa jak przekaźnik i umożliwia przepływ prądu do czujnika rezystywności.

  1. Podłącz multiplekser do rejestratora danych za pomocą przewodów audio. Podłącz port COM w rejestratorze danych do portu RES w multipleksie. Podłącz oddzielny port COM w rejestratorze danych do portu CLK w multipleksie. Podłącz porty G i 12 V w rejestratorze danych odpowiednio do portów GND i 12 V w multipleksie.
  2. Utwórz dzielnik napięcia w rejestratorze danych, podłączając rezystor przewlekany 1 kΩ ± 0,1% między portem VX a portem H DIFF w rejestratorze danych.
  3. Podłącz dwa przewody audio z uziemieniem z tego dzielnika napięcia do multipleksera. Podłącz przewód z tego samego portu H DIFF, do którego podłączony jest dzielnik napięcia w rejestratorze danych, do portu COM ODD L w multipleksie. Upewnij się, że drugi przewód łączy port uziemienia w rejestratorze danych z portem COM ODD H w multipleksie. Upewnij się, że przewód uziemiający łączy uziemienie z rejestratora danych z uziemieniem multipleksera.
  4. Podłącz przewód termopary typu E do rejestratora danych i multipleksera. Fioletowy przewód łączy port DIFF 1 H w rejestratorze danych z portem COM EVEN H w multiplekserze. Czerwony przewód łączy port DIFF 1 L w rejestratorze danych z portem COM EVEN L w multipleksie. Upewnij się, że przewód uziemiający jest podłączony do uziemienia zarówno w rejestratorze danych, jak i multipleksie.
  5. Zmień multiplekser na tryb 4 x 16.
  6. Podłącz czujniki do multipleksera. audio wilgotności gleby łączą się z portami ODD czarnym przewodem do H i czerwonym przewodem do L. Przewody termopary łączą się z portami EVEN z fioletowym przewodem do H i czerwonym przewodem do L. Kolejność przewodów termopary ma kluczowe znaczenie dla prawidłowych pomiarów.

3. Testowanie czujników

  1. końce rezystora foliowego do bolców na dwubolcowym złączu gniazdowym za pomocą lutu ołowiowego i topnika lutowniczego.
  2. Podłącz wszystkie czujniki, które mają być testowane, do multipleksera.
  3. Dostosuj program rejestrowania danych tak, aby skanował co 30 s lub preferowaną częstotliwość skanowania wielu czujników.
  4. W przypadku czujników wilgotności umieść złącze gniazda z rezystorem foliowym na bolcach 5 i 6 czujnika i zapisz dane z rejestratora danych.
  5. Umieść rezystor na każdym czujniku, aby upewnić się, że wszystkie dają ten sam odczyt.
  6. Monitoruj dane termopary, aby upewnić się, że wykrywają podobne temperatury.
  7. W przypadku czujników temperatury umieść końcówkę termopary między dwoma palcami, aby upewnić się, że temperatura odpowiednio się zmienia.

4. Kalibracja czujników

UWAGA: Ta sekcja opisuje proces powiązania wyjścia czujnika z wilgotnością gleby.

  1. Wyprodukuj głowicę czujnika kalibracyjnego.
    1. Zdejmij 12 cm kurtki z wilgotności gleby.
    2. Usuń folię ekranującą z przewodów.
    3. Wytnij 10 cm długości obu wewnętrznych drutów wilgotności gleby o małej średnicy.
    4. Zdejmij około 1 cm osłony z obu końców każdego drutu.
    5. Skręć małe druty na każdym z końców i ocynuj je lutownicą.
    6. Zmodyfikuj ośmiobolcową listwę zaciskową zgodnie z tymi samymi specyfikacjami, co w krokach 1.4.1 i 1.4.2.
    7. Nałóż topnik lutowniczy na górne krzywe zębów 5 i 6.
    8. przewody do górnych krzywych bolców 5 i 6 na ośmiobolcowej listwie zaciskowej.
    9. Przyciąć dwa zewnętrzne bolce ośmiobolcowych listew zaciskowych do 5 mm.
    10. Umieść 2-centymetrowy kawałek rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem wilgoci na obu przewodach.
    11. Przyklej elementy termokurczliwe jak najbliżej zmodyfikowanej głowicy czujnika.
    12. Umieść dwa 2-centymetrowe kawałki rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem wilgoci na obu przewodach, po jednym na każdym drucie. Poczekaj, aby przykleić je na miejscu w późniejszym kroku.
    13. Przytnij dwa długie środkowe zęby czterobolcowej listwy zaciskowej na 1 cm.
    14. Nałóż topnik lutowniczy na górne zakrzywione końce środkowych zębów na czterobolcowej listwie zaciskowej.
    15. wolne końce obu przewodów do wyciętych zębów czterobolcowej listwy zaciskowej tak, aby cztery górne zakrzywione bolce były skierowane od zmodyfikowanej głowicy czujnika (Rysunek 4).
    16. Przesuń wcześniej umieszczoną uszczelkę termokurczliwą z uszczelką przeciwwilgociową do podstawy czterobolcowej listwy zaciskowej i podgrzej ją na miejscu.
  2. Przygotuj wilgotności gleby do kalibracji.
    1. Wytnij wilgotności gleby o tej samej długości, co czujniki używane w terenie.
    2. Zdejmij osłonę na 5 cm od końca.
    3. Odetnij przewód uziemiający (bez osłony) na osłonie, aby nie był odsłonięty poza osłonę.
    4. Zdejmij 1 cm osłon z drutu o małej średnicy z końców drutów nawilżających glebę.
    5. Przekręć odsłonięty metal każdego drutu, aby skonsolidować małe pasma.
    6. Ocynuj małe skręcone pasma, nakładając lut na odsłonięty metal na każdym końcu drutu.
    7. Wytnij 6-centymetrowy kawałek rurki termokurczliwej o grubości 0,38 cala (~10 mm), umieść ją na obu przewodach i nasuń z powrotem na osłonę, aby przykleić ją w późniejszym kroku.
    8. Wytnij dwa 1,5 cm kawałki rurki termokurczliwej o średnicy 0,13 cala (~3,3 mm) i umieść po jednym na każdym drucie. Nie podgrzewaj, dopóki drut nie zostanie przylutowany do dwubolcowej listwy zasilającej.
    9. Nałóż topnik lutowniczy na zęby dwubolcowej listwy nasadowej.
    10. ocynowane końce drutu do końców dwubolcowej listwy gniazdowej. Uważaj, aby oba końce były oddzielone, aby się nie stykały.
    11. Przesuń dwa kawałki rurki termokurczliwej o grubości 0.13 cala (~3.3 mm) z uszczelnieniem wilgoci do podstawy dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby wszystkie metalowe części były zakryte. Użyj opalarki, aby przykleić rurki termokurczliwe na miejscu, uważając, aby nie przegrzać i nie stopić lutu znajdującego się pod rurkami.
    12. Przesuń rurkę termokurczliwą o grubości 0,38 cala (~10 mm) (z kroku 4.2.7) na 1 mm od końca dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby zakrywała listwę zasilającą, przewody o małej średnicy i część osłony. Użyj opalarki, aby przykleić rurkę termokurczliwą na miejscu.
  3. Utwórz pojemnik na glebę kalibracyjną (Rysunek 5).
    1. Wytnij jednorazową probówkę wirówkową z polipropylenu o pojemności 50 ml w odległości 4 cm od górnej części pokrywki. Spowoduje to utworzenie rurki z otworem na jednym końcu i zdejmowaną pokrywką na drugim.
    2. Za pomocą wiertła wywiercić otwór o średnicy 2,5 cm w środku pokrywy. Wiertło stopniowe jest łatwe w użyciu i skuteczne.
    3. Wytnij dwie pionowe szczeliny w odległości 6 mm od siebie, zaczynając od otwartego końca rurki i rozciągając się do dolnej części pokrywy. Użyj prostopadłego nacięcia na dole pokrywy, aby połączyć dwie szczeliny i usuń plastikowy pasek (Rysunek 5). Stworzy to wystarczająco dużą szczelinę, aby włożyć przewody głowicy czujnika.
    4. Wytnij okrągły kawałek siatki polipropylenowej o średnicy 6 cm. Umieść siatkę między pokrywką a rurką i przykręć pokrywkę.
    5. Włóż ośmiobolcową listwę zaciskową głowicy czujnika kalibracyjnego do rurki tak, aby przewody zsunęły się w dół szczeliny utworzonej w kroku 4.3.3.
    6. Przyklej dłuższe bolce czterobolcowej listwy zaciskowej z boku otwartego końca rurki tak, aby górne bolce były skierowane na zewnątrz rurki i można je było łatwo podłączyć do dwubolcowej listwy gniazdowej kalibracyjnego (Rysunek 5).
    7. Umieść pojemnik z dołączoną głowicą czujnika w suszarce o temperaturze 60 °C na 48 godzin, aby usunąć wilgoć.
  4. Skalibruj czujnik i glebę.
    1. Zważyć puste, wysuszone w piecu pojemniki kalibracyjne wraz z głowicą czujnika kalibracyjnego na wadze z dokładnością do 0,0001 g. Pomiar ten zostanie wykorzystany do obliczenia grawimetrycznej zawartości wody (GWC) w późniejszym etapie.
    2. Przeprowadzaj kalibracje w środowisku, które może utrzymać stałą temperaturę.
    3. Przygotuj glebę bioskorupową do kalibracji.
    4. Zdejmij pokrywkę rurki kalibracyjnej i użyj gwintowanego końca jako formy, aby wyciąć kawałek bioskorupy o tej samej średnicy. Bioskorupa powinna pozostać w probówce po podciągnięciu, ale może wymagać pewnej pomocy, aby utrzymać ją w probówce.
    5. Za pomocą palca popchnij próbkę bioskorupy od odciętego końca probówki tak, aby 3-5 mm górnej części bioskorupy pozostało w probówce. Zeskrob nadmiar ziemi, która jest wypychana z gwintowanego końca rurki, tak aby dno bioskorupy zrównało się z dnem rurki.
    6. Umieść siatkę polipropylenową o średnicy 6 cm na gwintowanym końcu, poniżej bioskorupy i mocno zakręć pokrywkę.
    7. Zwilż próbkę bioskorupy i delikatnie zamocuj głowicę czujnika w górnej części podłoża, tak aby zęby były całkowicie zakopane. Może być konieczne wygięcie przewodów, aby upewnić się, że głowica czujnika pozostaje na swoim miejscu i nie porusza się podczas kalibracji.
    8. Przygotuj glebę mineralną do kalibracji.
    9. Zbierz glebę z górnych 5 mm w obszarze, w którym zostaną umieszczone czujniki.
    10. Użyj sitka o średnicy 2 mm, aby usunąć duże kamienie i materiał organiczny z gleby.
    11. Upewnij się, że pokrywka jest mocno przykręcona, a siatka polipropylenowa o średnicy 6 cm jest przymocowana między pokrywką a rurką.
    12. Przesianą glebę umieścić w pojemniku kalibracyjnym tak, aby zakrywała dno pojemnika na głębokość 6 mm.
    13. Zwilż próbkę gleby i delikatnie zamocuj głowicę czujnika w górnej części podłoża, tak aby zęby były całkowicie zakopane. Może być konieczne wygięcie przewodów, aby upewnić się, że głowica czujnika pozostaje na swoim miejscu i nie porusza się podczas kalibracji.
    14. Nasącz podłoże (bioskorupę lub glebę) wodą dejonizowaną, aż na powierzchni będzie widoczna błyszcząca warstwa wody.
    15. Pozostaw nasycone podłoże do wyschnięcia na noc.
    16. Przed rozpoczęciem jakichkolwiek pomiarów sprawdź, czy głowica czujnika jest nadal na swoim miejscu, a wszystkie bolce są całkowicie zakopane w podłożu.
    17. Nasącz podłoże wodą dejonizowaną, aż na powierzchni będzie widoczna błyszcząca warstwa.
    18. Suszyć podłoże przez 15 min.
    19. Podłącz dwubolcową listwę zasilającą kalibracyjnego wilgotności gleby do wewnętrznych dwóch bolców czterobolcowej listwy zaciskowej.
    20. Zaprogramuj rejestrator danych tak, aby rejestrował pomiary co minutę.
    21. Włącz rejestrator danych, aby rozpocząć zbieranie pomiarów rezystancji.
    22. Ustaw wentylator tak, aby delikatnie nadmuchiwał powietrze nad pojemnikiem kalibracyjnym, gdy masy nie są rejestrowane, aby ułatwić suszenie.
    23. Zwilż podłoże wodą dejonizowaną, aż na powierzchni będzie widoczny połysk.
    24. Umieść pojemnik kalibracyjny z mokrą ziemią na ręczniku papierowym, aby wchłonąć kapiącą wodę.
    25. Odłącz przewód kalibracyjny wilgotności gleby od czterobolcowej listwy zaciskowej.
    26. Lekko postukaj w pojemnik, aby usunąć kapiącą wodę.
    27. Wyłącz wentylator przed umieszczeniem pojemnika kalibracyjnego na wadze.
    28. Umieść pojemnik na wadze i zapisz wagę oraz czas pomiaru.
    29. Podłącz ponownie przewód wilgotności gleby do czterobolcowej listwy zaciskowej.
    30. Umieść pojemnik kalibracyjny z powrotem na ręczniku papierowym.
    31. Włącz wentylator, aby przyspieszyć suszenie.
    32. Rejestruj ciężary co 15 minut, aż podłoże całkowicie wyschnie na powietrzu. Całkowite wysuszenie jest sygnalizowane niewielką lub żadną zmianą masy pojemnika kalibracyjnego między pomiarami.
    33. Umieść pojemnik kalibracyjny, głowicę czujnika kalibracyjnego i podłoże w piecu suszącym w temperaturze 60 °C na 48 godzin.
    34. Zważ wysuszone w piekarniku podłoże, pojemnik i głowicę czujnika.
  5. Analiza danych kalibracji czujnika.
    1. Obliczyć masę suchego substratu, odejmując masę suchego pojemnika kalibracyjnego ustaloną w kroku 4.4.1 od masy suchego pojemnika kalibracyjnego z substratem określonym w kroku 4.4.34.
    2. Obliczyć masę wody dla każdego 15-minutowego punktu czasowego lub kalibracji, odejmując masę suchego pojemnika kalibracyjnego z substratem (krok 4.4.34) od masy rejestrowanej co 15 minut.
    3. Obliczyć GWC dla każdego 15-minutowego punktu czasowego, dzieląc masę wody (krok 4.5.2) przez masę suchej gleby (4.5.1).
    4. Dopasuj czasy pomiaru rezystancji do GWC każdego 15-minutowego punktu czasowego określonego w kroku 4.5.3.
    5. Wyznacz krzywą kalibracyjną na podstawie analizy regresji z GWC jako zmiennymi zależnymi i Siemens jako zmiennymi niezależnymi (Rysunek 6). Różne typy krzywych (liniowa, potęgowa, logarytmiczna) mogą być najbardziej odpowiednie do kalibracji różnych podłoży.

Wyniki

Ocena mikroklimatu powierzchni gleby jest niezbędna do zrozumienia i przewidywania zachodzących tam procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych. Sondy te zapewniają szerokie możliwości monitorowania mikroklimatu w samej warstwie powierzchniowej profilu glebowego, przez co są wartościowe przy ocenie aktywności biologicznej występującej w górnych kilku milimetrach gleby11,12. Sondy te zostały opracowane i udoskonalone w celu oceny czynników kontrolujących aktywność biologicznych skorup glebowych, ponieważ temperatura i wilgotność w biokorupie mogą mieć krytyczne znaczenie dla jej funkcjonowania2,8,10,12,15. Chociaż sondy te opracowano dla gleb fotosyntetyzujących na obszarach suchych, istnieje duży potencjał do ich zastosowania w szerokim zakresie systemów, a także do oceny zmienności temperatury i wilgotności wzdłuż profilu głębokości gleby. Na przykład czujniki te zostały wykorzystane w eksperymencie dotyczącym ocieplenia lasu tropikalnego, aby ustalić, w jaki sposób zabiegi ocieplające i naturalna zmienność klimatu oddziałują na siebie, determinując współzależności w procesach glebowych, temperaturze i wilgotności.

Niemniej jednak, przed zastosowaniem czujników powierzchniowych gleby należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych kwestii. Na przykład, konieczne jest opracowanie krzywych kalibracyjnych w celu przeliczenia jednostek oporu na częściej stosowane miary wilgotności gleby, takie jak GWC. Czujnik powierzchniowy gleby mierzy opór między metalowymi prongami i podaje wartości konduktancji (odwrotności oporu) w Siemensach (1/Ohm). W związku z tym należy przeprowadzić konwersję z Siemensów na wilgotność gleby. Liczne właściwości chemiczne i fizyczne podłoża glebowego mogą wpływać na zależność między odczytami konduktancji czujnika w Siemensach a wilgotnością gleby. Krytyczne jest zatem przeprowadzenie kalibracji specyficznych dla danego podłoża, aby przeliczyć odczyty sondy na wartości wilgotności gleby. Przedstawiono dane kalibracyjne z trzech podłoży wykazujące te różnice.

Rysunek 6 przedstawia dane z kalibracji wysychania dla dwóch próbek każdego z trzech podłoży glebowych, z których każde posiadało własną sondę. Podłoża nasycano całkowicie, aż do momentu pojawienia się niewielkiej ilości wody na powierzchni. Rezystancję sond oraz masę gleby mierzono co 15 min, aż do całkowitego wyschnięcia wszystkich próbek. Masę gleby wykorzystano następnie do obliczenia GWC. Rysunek 6 przedstawia regresję przewodnictwa i GWC dla każdej próbki. Podłoża wykorzystane do tych kalibracji obejmowały gleby pylasto-gliniaste (23% piasku, 64% pyłu i 13% gliny) pobrane z eksperymentalnej stacji polowej w El Yunque National Forest w Portoryko; biokorupy zdominowane przez mchy pobrane w pobliżu Castle Valley w Utah oraz glebę piaszczystą drobnoziarnistą (92% piasku, 3% pyłu i 5% gliny) z eksperymentalnych poletek ocieplenia w pobliżu Moab w Utah.

Konieczność kalibracji czujników w zależności od rodzaju podłoża obrazują różnice w przewodności sondy i wilgotności gleby dla każdego z badanych materiałów. Na przykład regresje dla próbek gleby pylasto-gliniastej (Rycina 6a) wyraźnie różniły się od regresji dla dwóch pozostałych podłoży glebowych. Zatem zastosowanie równania regresji dla gleby pylasto-gliniastej do biostruktury mszystej lub odwrotnie doprowadziłoby do uzyskania drastycznie odmiennych wartości. Z drugiej strony, zależność między GWC a rezystancją sondy dla gleby piaszczystej drobnoziarnistej (Rycina 6c) oraz biostruktury mszystej (Rycina 6b) była podobna. Niemniej jednak gleba piaszczysta drobnoziarnista nie była w stanie zatrzymać tak dużej ilości wody jak mchy i w konsekwencji wysychała znacznie szybciej. Ze względu na występowanie zmienności w obrębie poszczególnych podłoży, ważne jest zastosowanie wystarczająco dużej liczby próbek, aby uzyskać dokładną krzywą kalibracyjną oraz stworzyć indywidualne krzywe kalibracyjne dla wszystkich stanowisk.

W warunkach eksperymentalnych czujniki powierzchni gleby zostały wykorzystane do oceny efektów zabiegów w badaniu nad manipulacją klimatem w pobliżu Moab w stanie Utah, USA. W badaniu tym zastosowano lampy podczerwone w celu podniesienia temperatury otoczenia na działkach o 4 °C w tej samej lokalizacji i przy użyciu podobnych metod opisanych przez Wertin i wsp.17. Rysunek 7 przedstawia średnią temperaturę oraz GWC z działek ogrzewanych i kontrolnych dla dwóch oddzielnych zdarzeń opadowych, które wystąpiły na początku maja 2018 r. Średnie temperatury na działkach ogrzewanych były konsekwentnie wyższe niż średnie temperatury na działkach kontrolnych (Rysunek 7a). W trakcie tych dwóch zdarzeń opadowych czujniki rezystywności na działkach ogrzewanych zarejestrowały niższą wilgotność gleby niż w grupach kontrolnych, a działki ogrzewane wysychały szybciej (Rysunek 7b). Należy zauważyć, że wzrost temperatury może prowadzić do wyższego przewodnictwa gleb, co musi zostać uwzględnione19. Czułość zarówno komponentu temperatury, jak i wilgotności tych powierzchniowych czujników glebowych pozwoliła nam zaobserwować nie tylko różnice temperatur wynikające z zabiegu ogrzewania, ale także to, jak wpłynęło on na dynamikę wilgotności na działkach.

Oddziaływania temperatury i wilgotności zostały dalej zbadane w badaniu obserwacyjnym z wykorzystaniem tych czujników powierzchni gleby, aby przeanalizować czas dostępności wilgoci dla biostruktury glebowej w warunkach zamrażania i rozmrażania na płaskowyżu Kolorado w USA. Czujniki umieszczono w górnej warstwie 5 mm biostruktury glebowej, składającej się głównie z mchu Syntrichia caninervis, a temperaturę powierzchniową i wilgotność rejestrowano w styczniu i lutym 2018 roku. Gdy temperatury spadały poniżej 0 °C, wilgoć na powierzchni mchu zamarzała, a wartości przewodnictwa z czujników odpowiadały 0% GWC (Rycina 8). Jednak gdy temperatury przekroczyły 0 °C, szron na powierzchni mchu stopniał, a woda w stanie ciekłym została zarejestrowana przez czujnik rezystywności. W tym przypadku jednoczesne pomiary temperatury i wilgotności wykazały, w jaki sposób zmienne te oddziaływały na siebie, potencjalnie wpływając na procesy biologiczne organizmów bytujących na powierzchni gleby.

Eksperyment dotyczący wilgotności gleby w suchym krajobrazie z zestawem rurek, przedstawiający florę pustynną i płaty śniegu.
Rysunek 1: Przestrzenie międzyroślinne z biostrukturami glebowymi na płaskowyżu Kolorado, USA. W wielu ekosystemach pustynnych przestrzenie między roślinami są często pokryte społecznościami biostruktury glebowej składającymi się z porostów, mchów i cyjanobakterii. Dwa czujniki temperatury i wilgotności gleby zostały umieszczone w powierzchni mszystej biostruktury. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wyrównanie komponentów elektronicznych: przed i po procesie prostowania pinów.
Rycina 2: Przycinanie ośmiopinowej listwy zaciskowej. Pozłacana listwa zaciskowa jest zorientowana tak, aby górne zakrzywione piny były skierowane na zewnątrz. Piny są ponumerowane od 1 do 8, zaczynając od lewej strony i kierując się w prawo. Piny 2, 4 i 7 są odcięte równo z dolną krawędzią czarnego plastiku. Piny 3, 5 i 6 są odcięte 5 mm poniżej czarnego plastiku. Pin 3 stabilizuje zespawane łukowo druty termopary, podczas gdy rezystancja jest mierzona między pinami 5 a 6. Pełnią one funkcję czujnika wilgotności gleby. Piny 1 i 8 służą jako elementy mocujące w glebie. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Eksperyment stabilności statycznej: plastikowa konstrukcja z pinami mierzona linijką.
Rycina 3: Gotowa głowica czujnika. Zmodyfikowana głowica czujnika oraz kabel termopary są pokryte płynną taśmą izolacyjną. Ważne jest, aby zachować czystość pinów 5 i 6 (czujnika wilgotności) i nie pokrywać ich płynną taśmą izolacyjną, aby uniknąć zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na pomiary rezystancji. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Konfiguracja okablowania elektrycznego z kodowaniem kolorystycznym; kable czerwone, zielone i czarne do testowania łączności.
Rycina 4: Głowica czujnika kalibracyjnego. Czterobiegunowa listwa zaciskowa jest przylutowana do przewodów w taki sposób, aby była skierowana w stronę przeciwną do zmodyfikowanej głowicy czujnika. W pobliżu listew zaciskowych zamocowano termokurczliwą izolację zapewniającą szczelność przed wilgocią, aby zapobiec przesłuchom między przewodami. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Samodzielnie wykonany złącze pinowe przymocowane do plastikowej butelki; konfiguracja obwodu elektrycznego do testów.
Rycina 5: Pojemnik kalibracyjny i głowica czujnika. Czteropinowa listwa zaciskowa jest przymocowana taśmą do pojemnika i zorientowana w taki sposób, aby można ją było łatwo połączyć z dwupinową listwą gniazdową. Takie rozmieszczenie pozwala na umieszczenie głowicy czujnika w wyciętym szczelinie i zamocowanie jej w badanym podłożu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Grawimetryczna zawartość wody w stosunku do sygnału wyjściowego czujnika; wykres kalibracji wilgotności gleby; metoda analizy danych.
Rycina 6: Kalibracje czujników dla trzech podłoży glebowych. Obliczone wartości procentowe grawimetrycznej zawartości wody (GWC), wyznaczone poprzez pomiar masy gleby podczas wysychania podłoża, porównano z wartościami przewodności czujników glebowych z sond (mierzone w Siemensach). Przedstawione dane dotyczą dwóch próbek z każdego z trzech różnych podłoży glebowych. Podłoża glebowe stanowiły (a) glebę pylasto-gliniastą, (b) mszystą biokrustę oraz (c) glebę piaszczystą drobną. (a) Związek między GWC a wartościami przewodności w glebach głównie pylasto-gliniastych był najlepiej opisany regresją potęgową. (b) Silny związek liniowy między GWC a przewodnością czujnika zaobserwowano dla biokrust zdominowanych przez mch Syntrichia caninervis. (c) Regresja liniowa najlepiej opisała związek między GWC a pomiarami przewodności czujnika w glebach piaszczystych drobnych. Przy wysokich wartościach GWC wartości przewodności odbiegają od krzywej kalibracyjnej, co wskazuje na potencjalne ograniczenie czujników w warunkach nasycenia gleb wodą. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Zmiany temperatury i zawartości wody; kontrola vs ogrzewanie; wykres dwuliniowy; badanie klimatu.
Rysunek 7: Temperatura i grawimetryczna zawartość wody przy zastosowaniu polowych zabiegów ogrzewania podczerwienią. Średnia godzinowa temperatura powierzchni i GWC rejestrowana w odstępach 10-minutowych w 5 działkach ogrzewanych i 5 kontrolnych przez 4 dni. Dane pochodzą z eksperymentu dotyczącego globalnych zmian w półpustynnym ekosystemie stepowym na płaskowyżu Kolorado, USA17. Dane wskazują, że czujniki powierzchni gleby zarejestrowały efekty zabiegów. (a) Średnie temperatury na powierzchni gleby były konsekwentnie wyższe w działkach ogrzewanych. (b) Efekty ogrzewania były również widoczne w wartościach GWC, co pokazuje, że gleby w działkach ogrzewanych wysychały szybciej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Wykres danych temperatury i GWC; szeregi czasowe; wykres czerwony i niebieski; 24-25 stycznia 2018 r.
Rysunek 8: Temperatura i grawimetryczna zawartość wody (GWC) biokorustów mszystych podczas zjawisk mrozowych. Średnia temperatura powierzchni i GWC czterech powtórzeń biokorustów mchu Syntrichia caninervis rejestrowane w 10-minutowych odstępach od godziny 9:50 w dniu 24 stycznia 2018 r. do godziny 11:20 w dniu 25 stycznia 2018 r. Godziny nocne są reprezentowane przez obszar zacieniony na szaro, a godziny dzienne przez obszary niezacienione. Gdy woda była zamrożona w formie szronu na powierzchni mchu, czujnik nie mierzył żadnej przewodności. Zatem GWC wynosiło 0. Warunki zamarzania wystąpiły krótko po zapadnięciu zmroku, gdy temperatura gleby spadła poniżej 0 °C. Rozmrażanie nastąpiło krótko po wschodzie słońca, gdy temperatura wzrosła powyżej 0 °C, szron stopniał, a czujniki wykryły wodę w stanie ciekłym. Wyniki te demonstrują skuteczność czujników w rozróżnianiu wody ciekłej i lodu, co może mieć istotne znaczenie dla szeregu procesów biologicznych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Sondy temperatury i wilgotności powierzchni gleby mogą być skutecznymi narzędziami do analizy temperatury i zawartości wody na powierzchni gleby. Z wyjątkiem sond wilgotności bioskorupy (BWP) opracowanych przez Webera i wsp.11, powszechne czujniki temperatury i wilgotności gleby nie mierzą wyraźnie tych zmiennych środowiskowych w górnych kilku milimetrach powierzchni gleby. W momencie opracowywania BWP oszacowały jedynie wilgotność gleby na powierzchni, a nie temperaturę20. Z oryginalnym projektem BWP wykorzystanym jako przewodnik, sondy opisane w tym manuskrypcie zostały opracowane do jednoczesnego pomiaru temperatury i wilgotności, aby ocenić, w jaki sposób te zmienne środowiskowe oddziałują ze sobą, a także z procesami biologicznymi, chemicznymi i fizycznymi zachodzącymi na powierzchni gleby.

Istnieje szereg czynników, które mają na celu zapewnienie optymalnego działania tych sond. Podczas budowy czujnika należy uważać, aby nie przeciąć wewnętrznych osłon i nie odsłonić leżących pod spodem metalowych drutów. Może to prowadzić do różnic w przewodności i przesłuchach między przewodami. Bardzo ważne jest również przetestowanie zarówno termopar, jak i czujników rezystywności dla każdej sondy w tym samym środowisku, aby potwierdzić, że są one prawidłowo skonstruowane i że różnice w odczytach wynikają z fizycznych i chemicznych różnic w mierzonym podłożu glebowym. Podczas procesu kalibracji wystarczająco duża liczba próbek o rezystancji i kalibracje GWC mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego uwzględnienia zmienności substratów glebowych lub bioskorupowych. Ponadto najlepiej jest przetestować tę samą kombinację sondy i podłoża dwukrotnie, od mokrej do suchej, ponieważ często zdarza się, że sondy te "dryfują" z czasem z powodu elektrolizy lub korozji. Ponadto podczas kalibracji ważne jest, aby używać próbek płytkiego podłoża, które są wystarczająco głębokie, aby pomieścić długość sondy (tj. od 6 do 7 mm), tak aby zmierzone masy wody pochodziły z wody głównie w obszarze pomiarów przewodności (między sondami i wokół nich). Gwarantuje to, że zmiany masy wody w glebie są bezpośrednio związane ze zmianami w pomiarach rezystancji sond. Wreszcie, podczas rozmieszczania tych sond w terenie, ważne jest, aby odpowiednio przymocować sondy do powierzchni gleby (np. za pomocą nieprzewodzących palików ogrodowych), co ograniczy zakłócenia w pomiarach przewodności, ale może zapewnić, że czujniki nie zmienią pozycji i nie obniżą jakości pomiarów długoterminowych.

Ważne jest również, aby zwrócić uwagę na pewne ograniczenia tych czujników. Ponieważ sondy rezystywności mają tylko 5 mm długości, na ich pomiary mogą mieć duży wpływ duże, wypełnione powietrzem przestrzenie porowe w podłożach. Duże szczeliny powietrzne wzdłuż sond zmniejszają łączność podłoża i generalnie prowadzą do niższej zmierzonej przewodności, a tym samym do niższej szacowanej zawartości wody, która może nie odzwierciedlać rzeczywistej wilgotności gleby w większych skalach. Podobnie skład chemiczny gleb może wpływać na odczyty wilgotności gleby. Wyższe zasolenie zwiększy przewodność i doprowadzi do wyższych wartości Siemensa21. Oba problemy należy rozwiązać za pomocą odpowiednich kalibracji specyficznych dla podłoża. Jednak niektóre gleby mogą utrzymywać różnice chemiczne lub mieć architekturę przestrzeni o dużych porach, co może sprawić, że będą one złym środowiskiem dla tych czujników. Temperatura wpływa również na przewodność elektryczną gleb i dlatego należy ją wziąć pod uwagę15. W przyszłości powinny być przeprowadzane kalibracje temperatury za pomocą tych czujników, aby określić, jak temperatury zmieniają rezystancję mierzonych podłoży.

Podobnie jak sondy wilgotności bioskorupy opracowane przez Webera i wsp.11, te kalibracje czujników pokazują, że pomiary rezystancji są wiarygodne przy średniej zawartości wody, ale doświadczają pewnych nieprawidłowości przy bardzo wysokiej i niskiej zawartości wody (ryc. 6). Ponadto podczas kalibracji na sucho wartości rezystancji czasami wskazują zero, gdy w próbce substratu nadal znajdowała się woda. Może to być spowodowane tym, że ilość substratu w pojemniku kalibracyjnym jest nieco większa niż obszar zmierzony przez czujnik. Jeśli woda znajdowała się poza obszarem rezystywności, czujnik wskazywałby zero, podczas gdy podłoże nadal zawierało wilgoć. Dołożono wszelkich starań, aby zmniejszyć rozmiar podłoża bez uszczerbku dla pomiarów rezystancji. Wraz ze wzrostem zawartości wody wartości oporu w podłożu maleją, co prowadzi do wyższych mocy produkcyjnych firmy Siemens. Jednak przy najwyższej zawartości wody wartości oporu rosną wraz ze wzrostem zawartości wody. Prowadzi to do "haczyka" w danych kalibracyjnych, jak widać na rysunku 1C. Hak ten był obecny w każdym podłożu używanym do kalibracji, ale był najbardziej widoczny w glebach z drobnym piaskiem (ryc. 6). Weber i wsp.11 sugerują, że potencjalną przyczyną nieprawidłowego wzrostu oporu przy wysokiej zawartości wody jest to, że dodatkowa woda rozcieńcza jony w nasyconych glebach, zwiększając w ten sposób odporność.

Czujniki te są obecnie zależne od korzystania z istniejących technologii multiplekserów i rejestratorów danych. Multiplekser pozwala na "wyłączenie" czujników i wysyła prąd do czujników tylko w zaprogramowanym czasie. Zapobiega to korozji końcówek czujnika wilgotności gleby. Inne firmy elektroniczne dostarczają alternatywy dla rejestratorów danych i multiplekserów dla sond, a programowalne płytki drukowane i komputery mogą być również włączone do bezprzewodowego projektowania czujników temperatury i wilgotności gleby, co może stanowić ekscytujący postęp.

Projektowanie i budowanie czujników pozwala badaczowi na dostosowanie sond do indywidualnych potrzeb. Długością i kierunkiem zębów można manipulować, aby lepiej ocenić wilgotność w różnych podłożach lub na różnych głębokościach. Można zamówić niestandardowe okablowanie, aby umożliwić projekty z wieloma głowicami czujników wychodzącymi z tego samego kabla. Dzięki niedrogim opcjom rejestrowania danych i multipleksera, czujniki te stanowią niedrogą i dostępną opcję dla naukowców do pomiaru temperatury i wilgotności gleby na powierzchni gleby. Obejmuje to pomiar trudnych do uchwycenia zdarzeń, takich jak tworzenie się szronu i rosy (rysunek 8), oraz eksperymentalnych efektów leczenia, takich jak ocieplenie (rysunek 7). Niniejszy artykuł zawiera przewodnik krok po kroku dotyczący budowy czujników powierzchni gleby, które jednocześnie mierzą temperaturę i wilgotność, które mogą być wykorzystywane i udoskonalane przez każdego, kto jest zainteresowany oceną środowiska zbiorowisk bioskorupy i warstw powierzchniowych wielu innych typów gleby.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Dziękujemy Robinowi Reiboldowi za staranne spawanie łukowe oraz Carze Laurii za precyzję podczas kalibracji. Jesteśmy wdzięczni dr Steve'owi Fickowi i trzem anonimowym recenzentom za ich pomocne komentarze do poprzedniego szkicu tego manuskryptu. Prace te były wspierane przez U.S. Geological Survey Land Change Science Program oraz U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research Terrestrial Ecosystem Sciences Program (nagrody 89243018SSC000017 i DESC-0008168). Prace BW były wspierane przez Niemiecką Fundację Badawczą (granty WE2393/2-1, 2-2), Towarzystwo Maxa Plancka oraz Uniwersytet w Grazu. Jakiekolwiek użycie nazw handlowych, firm lub produktów służy wyłącznie celom opisowym i nie oznacza poparcia ze strony rządu Stanów Zjednoczonych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
audio z pojedynczym czujnikiemalliedelec.comAllied Stock #: 70004848; 1Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Folia; PVC jkt;
CMR audio z podwójnym czujnikiemalliedelec.comAllied Stock #: 70004635; 2Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Folia; LSZH jkt; termopary CMG-LS
Omega.comCzęść #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Żądana długość)Typ E, 24 ga, PFA (pokryty teflonem), skręcony ekranowany, specjalne granice błędu
Listwa zaciskowa z ośmioma bolcamiSamtec.comMTSW-108-21-G-S-1130-RA Listwa zaciskowa
czterema bolcamiSamtec.comMTSW-104-21-G-S-1130-RA
z dwoma bolcamiSamtec.comSSW-102-03-G-S
rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowymMcMaster.comCzęść #: 7861K51
0,25" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowymMcMaster.comCzęść #: 7861K53
0,38" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowymMcMaster.comCzęść #: 7861K54
0,5" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowymMcMaster.comCzęść #: 7861K55
Płynna taśma izolacyjnaMcMaster.comCzęść #: 76425A23
Rezystor z folii metalowejNewark.comCzęść #: RN55C1001BB14
Rezystor dzielnika napięciaNewark.comCzęść #: 83F1210
16- lub 32-kanałowy multiplekser przekaźnikowycampbellsci.comAM16/32BTen multiplekser przekaźnikowy ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania czujników
CR1000X Rejestrator danych pomiarowo-kontrolnychcampbellsci.comCR1000X
z Listwa zasilająca 0,13-calowa

Bibliografia

  1. Phillipot, L., Hallin, S., Schloter, M. Ecology of denitrifying prokaryotes in agricultural soil. Advances in Agronomy. Sparks, D. L. 96, Elsevier B.V. San Francisco, CA, USA. 249-330 (2007).
  2. Grote, E. E., Belnap, J., Housman, D. C., Sparks, J. P. Carbon exchange in biological soil crust communities under differential temperatures and soil water contents: implications for global change. Global Change Biology. 16 (10), 2763-2774 (2010).
  3. Thompson, K., Grime, J. P., Mason, G. Seed Germination in response to diurnal fluctuations in temperature. Nature. 267, 147-149 (1977).
  4. Doneen, L. D., MacGillivray, J. H. Germination (emergence) of vegetable seed as affected by different soil moisture conditions. Plant Physiology. 18 (3), 524-529 (1943).
  5. Kirshbaum, M. U. F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage. Soil Biology and Biochemistry. 27 (6), 753-760 (1995).
  6. Garcia-Pichel, F., et al. Small-scale vertical distribution of bacterial biomass and diversity in biological soil crusts from arid lands in the Colorado Plateau. Microbial Ecology. 46, 312(2003).
  7. Belnap, J., Büdel, B., Lange, O. L. Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. Belnap, J., Lange, O. , Springer. Berlin Heidelberg. 263-279 (2003).
  8. Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Observations of net soil exchange of CO2 in a dryland show experimental warming increases carbon losses in biocrust soils. Biogeochemistry. 126, 363-378 (2015).
  9. Rutherford, W. A., et al. Albedo feedbacks to future climate via climate change impacts on dryland biocrust. Scientific Reports. 7, 44188(2017).
  10. Maestre, F. T., et al. Changes in biocrust cover drive carbon cycle responses to climate change in drylands. Global Change Biology. 19 (12), 3835-3847 (2013).
  11. Weber, B., et al. Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts. Methods in Ecology and Evolution. 7, 14-22 (2016).
  12. Tucker, C. L., et al. The concurrent use of novel soil surface microclimate measurements to evaluate CO2 pulses in biocrusted interspaces in a cool desert ecosystem. Biogeochemistry. 135 (3), 239-249 (2017).
  13. Pierson, F. B., Wight, J. R. Variability of near-surface soil temperature on sagebrush rangeland. Journal of Range Management. 44 (5), 491-497 (1991).
  14. Jin, M., Dickenson, R. E. Land surface skin temperature climatology: benefitting from the strengths of satellite observations. Environmental Research Letters. 5 (4), 044004(2010).
  15. Lange, O. L. Photosynthesis of soil-crust biota as dependent on environmental factors. Biological soil crusts: characteristics and distribution. Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. Belnap, J., Lange, O. 18, Springer. Berlin Heidelberg. 217-240 (2003).
  16. Davidson, E. A., Janssens, I. A., Luo, Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10. Global Change Biology. 12 (2), 154-164 (2005).
  17. Wertin, T. M., Belnap, J., Reed, S. C. Experimental warming in a dryland community reduced plant photosynthesis and soil CO2 efflux although the relationship between the fluxes remained unchanged. Functional Ecology. 31, 297-305 (2017).
  18. Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Patterns of longer-term climate change effects on CO2 efflux from biocrusted soils differ from those observed in the short term. Biogeosciences. 15 (14), 4561-4573 (2018).
  19. McNeill, D. J. Rapid, Accurate Mapping of Soil Salinity by Electromagnetic Ground Conductivity Meters. Soil Science Society of America. 30, 209-229 (1992).
  20. Scholz, S., Ruckteschler, N., Gypser, S., Weber, B. Determination of drying and rewetting cycles of moss-dominated biocrusts using a novel biocrust wetness probe. Poster session presented at GfÖ Annual Meeting. , (2018).
  21. Rhoades, J. D., Ingvalson, R. D. Determining Salinity in Field Soils with Soil Resistance Measurements. Soil Science Society of America. 35 (1), 54-60 (1971).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Czujniki wilgotno ci glebytermopara typu Epoz acane sondyspawanie ukowerurki termokurczliweciek a ta ma izolacyjnakalibracja w pod o u glebowympomiar mikroklimatu
Produkcja prostych i niedrogich czujników temperatury powierzchni gleby i grawimetrycznej zawartości wody
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.