In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Podsumowanie

Określenie zawartości wody w glebie jest kluczowym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten łączy w sobie wysiłki wielu agencji mające na celu pomiar zawartości wody w glebie za pomocą czujników zakopanych in situ.

Streszczenie

Wilgotność gleby bezpośrednio wpływa na hydrologię operacyjną, bezpieczeństwo żywnościowe, usługi ekosystemowe i system klimatyczny. Jednak przyjmowanie danych dotyczących wilgotności gleby było powolne ze względu na niespójne gromadzenie danych, słabą standaryzację i zazwyczaj krótki czas trwania zapisu. Wilgotność gleby, czyli ilościowo objętościowa zawartość wody w glebie (SWC), jest mierzona za pomocą zakopanych czujników in situ, które wnioskują o SWC na podstawie odpowiedzi elektromagnetycznej. Sygnał ten może się znacznie różnić w zależności od lokalnych warunków terenowych, takich jak zawartość gliny i mineralogia, zasolenie gleby lub przewodność elektryczna w masie oraz temperatura gleby; Każdy z nich może mieć różny wpływ w zależności od technologii czujnika.

Ponadto, słaby kontakt z glebą i degradacja czujnika mogą z czasem wpłynąć na jakość tych odczytów. W przeciwieństwie do bardziej tradycyjnych czujników środowiskowych nie ma akceptowanych standardów, praktyk konserwacji ani kontroli jakości danych SWC. W związku z tym SWC jest trudnym pomiarem do wdrożenia dla wielu sieci monitorowania środowiska. W tym miejscu staramy się ustanowić oparty na społeczności standard praktyki dla czujników SWC in situ, tak aby przyszłe badania i zastosowania miały spójne wytyczne dotyczące wyboru lokalizacji, instalacji czujników, interpretacji danych i długoterminowej konserwacji stacji monitorowania.

Filmografia skupia się na wieloagencyjnym konsensusie najlepszych praktyk i zaleceń dotyczących instalacji czujników SWC in situ. W niniejszym artykule przedstawiono przegląd tego protokołu wraz z różnymi krokami niezbędnymi do wysokiej jakości i długoterminowego gromadzenia danych SWC. Protokół ten będzie przydatny dla naukowców i inżynierów, którzy mają nadzieję na wdrożenie pojedynczej stacji lub całej sieci.

Wprowadzenie

Wilgotność gleby została niedawno uznana za istotną zmienną klimatyczną w Globalnym Systemie Obserwacji Klimatu¹. Wilgotność gleby, czyli ilościowo objętościowa zawartość wody w glebie (SWC), odgrywa główną rolę w podziale strumienia docierającego promieniowania na ciepło utajone i jawne między powierzchnią ziemi a atmosferą oraz w podziale opadów między spływ a infiltrację². Jednak czasoprzestrzenna zmienność wilgotności gleby w skalach punktowych, polowych i zlewisk komplikuje naszą zdolność do pomiaru SWC w odpowiedniej skali potrzebnej do osiągnięcia celów badawczych lub zarządczych³. Nowe metody ilościowego oznaczania SWC, w tym naziemne sieci czujników in situ, detektory proksymalne i teledetekcja, zapewniają unikalne możliwości mapowania zmienności SWC w niespotykanej dotąd rozdzielczości⁴. In situ Czujniki SWC zapewniają najbardziej ciągłe czasowo i specyficzne dla głębokości zapisy danych, ale podlegają również małym objętościom wykrywania i zmienności w skali lokalnej związanej z właściwościami gleby, topografią i pokrywą roślinną⁵.

Ponadto, brakuje standardów lub powszechnie akceptowanych metod instalacji, kalibracji, walidacji, konserwacji i kontroli jakości czujników SWC in situ. Wilgotność gleby jest z natury trudnym parametrem do zmierzenia i może być najtrudniejszą zmienną do zapewnienia jakości⁶. Chociaż ogólne protokoły gromadzenia danych SWC zostały opracowane przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej⁷, Komitet ds. Satelitów Obserwacji Ziemi⁸, federalną agencję reports⁹ oraz Amerykańskie Stowarzyszenie Klimatologów Państwowych¹⁰, istnieją ograniczone szczegółowe wytyczne dotyczące instalacji, konserwacji, kontroli jakości i weryfikacji danych SWC z zakopanych in situ Sondy. To sprawiło, że przyjęcie takich technologii stało się wyzwaniem dla operacyjnych sieci monitorujących, takich jak stanowe Mesonety, w celu dodania pomiarów SWC. Podobnie, hydrologom operacyjnym, na przykład w centrach prognozowania rzecznego, trudno jest uwzględnić te dane w swoim przepływie pracy. Celem tego filmu i towarzyszącego mu dokumentu jest dostarczenie takich wskazówek i udokumentowanie spójnego protokołu instalacji dla zakopanych sond SWC in situ.

Wybór miejsca do monitorowania wilgotności gleby in situ
Gleby w dowolnym obszarze zainteresowania (AOI) powstają dzięki unikalnemu i sprzężonemu sprzężeniu zwrotnemu w czasie między topografią, ekologią, geologią i klimatem^11,12. Zmienność SWC w różnych krajobrazach sprawia, że wybór miejsca jest kluczowym aspektem każdego badania wilgotności gleby. W przypadku niektórych celów badawczych lokalizacja może zostać wybrana tak, aby reprezentowała określoną cechę lub mikrowitrynę w krajobrazie lub ekosystemie. Do celów sieci monitorowania teren powinien być przestrzennie reprezentatywny dla większego komponentu krajobrazowego. Celem jest znalezienie lokalizacji, która zapewnia najlepszą reprezentację przestrzenną AOI. W terenie należy wziąć pod uwagę bardziej pragmatyczne względy, takie jak wymagania dotyczące innych instrumentów meteorologicznych, dostępności lub zezwoleń. Jednak dominująca jednostka mapy gleby w AOI jest zwykle dobrą reprezentacją przestrzenną warunków środowiskowych na większym obszarze¹³. Dominującą jednostkę mapy gleb można określić za pomocą Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Ten moduł mapy gleby należy również zweryfikować za pomocą płytkiego dołu lub otworu testowego.

Typowa stacja monitorująca może zajmować 5-50 m², w zależności od potrzeb czujnika i liczby pomiarów pomocniczych. Rysunek 1 przedstawia typową stację monitorującą z 3-metrową wieżą, która zawiera anemometr prędkości i kierunku wiatru, czujnik temperatury i wilgotności względnej powietrza, piranometr dla promieniowania słonecznego oraz odporną na warunki atmosferyczne i wodoszczelną obudowę National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (ocena NEMA 4). W obudowie NEMA znajduje się platforma kontroli danych (DCP), modem komórkowy, regulator ładowania panelu słonecznego, akumulator i inny powiązany sprzęt (patrz tabela materiałów; Elementy systemu). Wieża stanowi również platformę dla anteny komunikacyjnej, panelu słonecznego i piorunochronu. Zazwyczaj dołączany jest również miernik opadów cieczy (PPT), który powinien być umieszczony z dala od wieży i na najniższej możliwej wysokości, aby zmniejszyć wpływ wiatru na wychwytywanie PPT. Czujniki SWC powinny być zainstalowane w wystarczającej odległości (3-4 m) i pod górę, aby nie było potencjalnych zakłóceń ze strony wieży ani podczas opadów deszczu, ani przepływu lądowego. Wszelkie powiązane powinny być zakopane w kanale co najmniej 5 cm pod powierzchnią.

Rysunek 1: Typowa stacja monitorująca. USDA SCAN co godzinę zbiera informacje o zawartości wody w glebie i temperaturze na standardowych głębokościach (5, 10, 20, 50 i 100 cm), temperaturze powietrza, wilgotności względnej, promieniowaniu słonecznym, prędkości i kierunku wiatru, opadach i ciśnieniu atmosferycznym. W całych Stanach Zjednoczonych istnieje ponad 200 ośrodków SCAN. Skróty: SCAN = Soil Climate Analysis Network (Sieć Analizy Klimatu Glebowego); NEMA = Krajowe Stowarzyszenie Producentów Elektrycznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Głębokość pomiaru, orientacja i liczba czujników<br /> In situ Czujniki SWC są zwykle instalowane poziomo, aby reprezentować określone głębokości w glebie (Rysunek 2). Finansowane przez rząd federalny sieci krajowe, takie jak Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, Snow Telemetry Network (SNOTEL)¹⁵ i U.S. Climate Reference Network (USCRN)¹⁶ mierzą SWC na 5, 10, 20, 50 i 100 cm. Z różnych powodów udało się osiągnąć te poziomy w drodze konsensusu podczas opracowywania SCAN. Głębokość 5 cm odpowiada możliwościom teledetekcji¹⁷; Głębokości 10 i 20 cm to historyczne pomiary temperatury gleby¹⁸; Głębokość 50 i 100 cm całkowite magazynowanie wody w glebie w strefie korzeniowej.

Sondy mogą być zorientowane pionowo, poziomo lub nachylone/pod kątem (Rysunek 3). Instalacja pozioma jest najczęściej stosowana w celu uzyskania jednolitego pomiaru temperatury gleby na dyskretnej głębokości. Podczas gdy czujnik może być wyśrodkowany na dyskretnej głębokości, pomiar SWC to objętość wokół zębów (tj. elektrod), która może się zmieniać w zależności od poziomu wilgotności, częstotliwości pomiaru i geometrii instalacji (pozioma, pionowa lub pod kątem). W przypadku montażu poziomego, objętość czujnika integruje wilgoć powyżej i poniżej głębokości, a 95% objętości wykrywania znajduje się zwykle w odległości 3 cm od zębów¹⁹. Instalacje pionowe lub kątowe integrują SWC wzdłuż zębów, więc instalacja pionowa może reprezentować magazynowanie na całej długości czujnika głębokości²⁰. Niektóre czujniki nie mierzą równomiernie wzdłuż zębów. Na przykład oscylatory linii transmisyjnych są bardziej wrażliwe na wilgoć w pobliżu głowicy sondy, gdzie generowane są impulsy elektromagnetyczne²¹. Instalacje pionowe są bardziej odpowiednie dla głębszych sond, w których gradienty temperatury i wilgotności mają tendencję do zmniejszania się.

Rysunek 2: Instalacja czujników SWC in situ. Poziome umieszczenie czujnika na wybranych głębokościach za pomocą (A,B) przyrządu referencyjnego o zerowej głębokości i (C) deski o zerowej głębokości lub (D) uchwytu łopaty o zerowej głębokości w celach informacyjnych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Orientacja sond w pionie, poziomie lub pod nachyleniem. (A) Ukośne i pionowe wstawianie oraz (B) poziomo-pionowe i poziomo-poziome wsuwanie środka czujnika SWC z trzema zębami. Skrót: SWC = zawartość wody w glebie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Instalacja na głębokości mniejszej niż 50 cm jest stosunkowo intuicyjna, podczas gdy głębsze czujniki wymagają nieco więcej wysiłku. Strefa korzeniowa SWC lub profilowe magazynowanie wody w glebie zwykle wymaga pomiarów do 1 lub 2 m. Jak pokazano w tym protokole, instalacje 0-50 cm są wykonywane w wykopanym dole lub otworze świdrowym z sondami zainstalowanymi poziomo w nienaruszonej glebie, minimalizując zakłócenia powierzchni. W przypadku głębszych czujników (np. 100 cm) zarówno SCAN, jak i USCRN instalują czujnik pionowo w oddzielnych, ręcznie wywiercanych otworach za pomocą przedłużacza (Rysunek 4).

Biorąc pod uwagę niejednorodność SWC, szczególnie blisko powierzchni, oraz małe objętości pomiarowe czujników, potrójne pomiary pozwalają na lepszą statystyczną reprezentację SWC. Jednak jeden profil czujników in situ jest typowy dla większości sieci (np. SCAN i SNOTEL). USCRN używa trzech profili oddalonych od siebie o 3-4 m, aby wykonać potrójne pomiary na każdej głębokości¹⁶. Co więcej, redundancja w pomiarach zwiększa odporność i ciągłość zapisu stacji, jeśli dostępne są zasoby finansowe.

Rysunek 4: Instalacja czujników. (A) Płytkie czujniki są zazwyczaj instalowane poziomo w bocznej ścianie wykopanego dołu z ziemią. W przypadku głębszych czujników, (B) ślimak ręczny służy do kopania otworu na głębokość przy użyciu odniesienia o zerowej głębokości (np. drewna rozciągającego się nad rowem), a czujniki są wciskane pionowo w dno otworów za pomocą (C) odcinka rury PVC zmodyfikowanego w celu zabezpieczenia czujnika i podczas instalacji lub (D) narzędzia instalacyjnego. Warstwy gleby są oznaczone jako wierzchnia warstwa gleby (horyzont A) i poziomy podglebia z przemieszczonymi iłami (Bt) i akumulacją węglanów (Bk). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Typ czujnika SWC in situ
Dostępne na rynku czujniki wnioskują SWC na podstawie zmierzonej reakcji na sygnał elektromagnetyczny rozchodzący się wzdłuż palców w bezpośrednim kontakcie z glebą²². Czujniki zakopane dzielą się na pięć klas w zależności od rodzaju propagowanego sygnału elektromagnetycznego i metody pomiaru odpowiedzi: pojemność, impedancja, reflektometria w dziedzinie czasu, transmiszometria w dziedzinie czasu i oscylacja linii transmisyjnej (tabela uzupełniająca S1, z linkami do informacji każdego producenta). Technologie te mają tendencję do grupowania według częstotliwości roboczej i producenta. Dłuższe zęby integrują większą objętość gleby; jednak mogą być trudniejsze do włożenia i są bardziej podatne na utratę sygnału w glebach z gliną i wyższą objętościową przewodnością elektryczną (BEC). Producenci zgłaszają błędy pomiaru SWC wynoszące 0,02-0,03^m3m⁻³, podczas gdy użytkownicy zazwyczaj uważają, że są one znacznie większe²³. Właściwa kalibracja i standaryzacja czujników elektromagnetycznych poprawia wydajność²²; Jednak te kalibracje specyficzne dla gruntu wykraczają poza zakres tego protokołu, który koncentruje się na instalacji.

Wybór czujnika powinien uwzględniać pożądane wyjście, metodę pomiaru, częstotliwość roboczą i kompatybilność z innymi pomiarami. Przed 2010 rokiem większość czujników SWC była analogowa i wymagała od DCP wykonywania pomiarów napięć różnicowych, rezystancji lub liczby impulsów, co wymagało droższych komponentów i indywidualnych kanałów (lub multiplekserów) dla każdego czujnika. Teraz szeregowy interfejs danych z protokołami komunikacyjnymi (http://www.sdi-12.org/) 1200 bodów (SDI-12) umożliwia inteligentnym czujnikom implementację wewnętrznych algorytmów pomiarowych, a następnie przesyłanie danych cyfrowych za pomocą jednego komunikacyjnego. Każdy czujnik można połączyć ze sobą w kolejności (tj. w łańcuchu) za pomocą wspólnego przewodu połączonego za pomocą nakrętki dźwigniowej lub złączy listwy zaciskowej (ilustracja 5), przy czym każdy czujnik ma unikalny adres SDI-12 (0-9, a-z i A-Z). Wspólny przewód komunikacyjny czujników SDI-12 tworzy pojedynczy obwód wraz z przewodem zasilającym i uziemiającym. Multipleksery ani żadne pomiary w DCP nie są wymagane; zamiast tego DCP po prostu wysyła i odbiera cyfrowe polecenia i wiersze tekstu. Wiele czujników SDI-12 SWC obsługuje również pomiary temperatury gleby, przenikalności względnej (ε) i BEC. Takie pomiary są przydatne do diagnostyki czujników i kalibracji specyficznej dla gleby. W tym momencie użytkownik wybrał miejsce, określił typ, liczbę i głębokość czujnika oraz uzyskał cały niezbędny sprzęt i narzędzia terenowe (Tabela materiałów). W ten sposób mogą przejść do protokołu instalacji.

Rysunek 5: Złącza spawów przewodów i listwy zaciskowe używane do łączenia wspólnych przewodów zasilających, uziemiających i komunikacyjnych do jednego wejścia na platformie zbierania danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protokół

1. Przygotowanie czujników przed instalacją

1. Sprawdź adres SDI-12. Czujniki są ustawiane na domyślny adres przez producenta. Oddzielnie podłącz każdy czujnik do platformy kontroli danych (DCP) za pomocą ?! polecenie, aby wysłać zapytanie o adres czujnika.
   UWAGA: Każdy czujnik na wspólnej linii danych musi mieć unikalny adres (np. 0-9). Zapoznaj się z instrukcją obsługi czujnika, aby uzyskać informacje na temat adresowania SDI-12 i zmiany wartości czujnika, jeśli to konieczne.
2. Wykonaj pomiar (np. "aM!", gdzie a jest adresem) w powietrzu, suchym piasku i zanurzonym w wodzie.
   UWAGA: Pomiary powietrza powinny wynosić 0,00 m^{3 m-3} (przenikalność względna [ε] ~1), piasek do zabawy < 0,02 m³m³ (ε < 4), a woda ~1,00 m^{3 m-3} (ε ~80).
3. Zapisz te wartości wraz z numerem seryjnym i adresem SDI-12 każdego czujnika w książce laboratoryjnej. Za pomocą markera oznacz głowicę czujnika i koniec numerem adresu.
4. Sprawdź program DCP. Niektóre DCP są typu plug-and-play, ale większość wymaga programu do wykonywania pomiarów i rejestrowania danych. Skonfiguruj czujniki SWC i wszelkie czujniki pomocnicze w laboratorium, łącząc je wszystkie z DCP i akumulatorem. Pozostaw czujniki SWC zawieszone w powietrzu, włożone do suchego piasku do zabawy lub zanurzone w wodzie, upewniając się, że zęby się nie stykają.
   UWAGA: Pomiary powietrza powinny wynosić 0,00 m^{3 m-3} (przenikalność względna [ε] ~1), piasek do zabawy < 0,02 m³m³ (ε < 4), a woda ~1,00 m^{3 m-3} (ε ~80).
5. Pozwól systemowi działać przez noc lub dłużej. Sprawdź, czy dane są rejestrowane z odpowiednią szybkością, a wartości (np. odpowiednia liczba kolumn, cyfry znaczące) są odpowiednie.
6. Sprawdź również wszelkie dodatkowe wyjścia czujnika SWC (np. temperaturę i BEC). Pozwól systemowi działać przez co najmniej 1 dzień. Sprawdź, czy tabele danych są poprawne.
   UWAGA: Niektóre DCP działają na zasadzie plug-and-play, ale większość wymaga programu do wykonywania pomiarów i rejestrowania danych.

2. Określ układ pola

1. Przed rozpoczęciem kopania należy zadzwonić pod numer 811 (USA i Kanada) co najmniej 2 dni przed wykopaliskami, aby zweryfikować obecność jakiejkolwiek podziemnej infrastruktury (np. przewodów elektrycznych, wodociągowych, rur gazowych). Brak takich zezwoleń może prowadzić do wysokich kar i odpowiedzialności.
2. Sprawdź jednostkę mapy gleby w lokalizacji wykopu. Użyj aplikacji USDA SoilWeb, dostępnej na smartfony z systemem iOS i Android, aby zapytać o lokalizację. Wykop otwór testowy za pomocą świdra ręcznego o średnicy 5-10 cm, aby sprawdzić, czy tekstura pola jest zgodna z opisem jednostki mapy. Sprawdź, czy nie ma żadnych problemów, takich jak twarde warstwy (np. patelnie pługowe, caliche lub horyzonty argilliczne) lub warstwy z wysokimi fragmentami skał; Każdy przypadek może utrudnić lub nawet uniemożliwić wprowadzenie sondy.
3. Określ najlepszą lokalizację czujników. Każdy czujnik zostanie zainstalowany w pionowej powierzchni nienaruszonego gruntu.
   UWAGA: Jeśli występuje jakiekolwiek nachylenie, przodek powinien być skierowany w górę, aby zminimalizować preferencyjny przepływ występujący przez naruszoną glebę i wzdłuż rowów kablowych.
4. Użyj małego (1 m²) arkusza sklejki lub plandeki, aby chronić powierzchnię gleby i uniemożliwić pracownikom polowym kręcenie się po nienaruszonej glebie.
5. Określ położenie masztu instrumentu. Upewnij się, że czujniki znajdują się odpowiednio daleko od masztu, aby zminimalizować ruch pieszy i wszelkie skutki z wieży.
   UWAGA: Standardowe o długości 5 m są zazwyczaj wystarczające dla większości instalacji.
   1. Użyj najkrótszej możliwej długości, aby zminimalizować zakłócenia powierzchni i możliwość pęknięcia.
      UWAGA: Jeśli maszt przyrządu jest już umieszczony w istniejącym miejscu, może być wymagany dłuższy przewód, aby dotrzeć do reprezentatywnego gruntu; alternatywnie można rozważyć technologie bezprzewodowe (patrz "Dodatkowe uwagi dotyczące wyboru lokalizacji").
   2. Upewnij się, że całkowita odległość od statywu instrumentalnego wynosi 80%-90% długości, aby uwzględnić dodatkowy potrzebny do poprowadzenia od głębokości instalacji, przez kanał kablowy i w górę do obudowy.
      UWAGA: Zarządzanie przewodami może być kłopotliwe, gdy wiele czujników SWC znajduje się w centralnym punkcie.
   3. Cieńsze wymagają zakopania w kanałach PCV, podczas gdy sztywniejsze, grubsze można zakopać bezpośrednio. W obu przypadkach wykop rów o głębokości >10 cm i szerokości 10-15 cm.
   4. Upewnij się, że obudowa ma punkt wejścia dla wszystkich czujników naziemnych i port kablowy dla czujników podziemnych (Rysunek 5). Zamontuj obudowę na wygodnej wysokości (1 m) w celu okablowania.
   5. Zalecenie: Rozwiń czujnik. Połóż głowicę czujnika na powierzchni studzienki i przyłóż do końca na stojaku na przyrząd. Sprawdź, czy długość jest prawidłowa i dostosuj w razie potrzeby.

3. Wykop w dół ziemny

UWAGA: Dół z ziemią można wykopać ręcznie lub mechanicznie. Celem jest zminimalizowanie ogólnych zakłóceń w terenie.

1. Do ręcznie wykopanego dołu należy położyć kolejną większą plandekę (2 m²) przylegającą do obszaru wykopu. Użyj wąskiego szpadla (np. strzelca wyborowego), aby wykopać prostokątny otwór na głębokość ~55 cm. Upewnij się, że powierzchnia wykopu, obecnie chroniona sklejką lub plandeką (krok 2.4), jest pionowa (lub lekko przycięta), tak aby każdy czujnik miał nad sobą niezakłóconą glebę. Upewnij się również, że studzienka ma 20-40 cm szerokości i ~25% więcej niż całkowita długość czujnika. Rozpocznij usuwanie gleby w odstępach co 10 cm i umieszczaj każdy podnośnik na drugim końcu plandeki, zbliżając się z każdym przyrostem; Rozbij wszelkie bryły i usuń duże kamienie.
   UWAGA: Upewnij się, że obszar wykopu jest jak najmniejszy i pozostawia wystarczająco dużo miejsca na włożenie najgłębszej sondy poziomej.
2. Do hydraulicznego ślimaka do otworów na słupki należy użyć ślimaka o dużej średnicy (>30 cm) i długości 1 m, montowanego na przyczepie.
   UWAGA: Dwu- lub jednoosobowe ślimaki ogrodzeniowe mogą być niebezpieczne. >
   1. Ustaw świder ~5 cm z tyłu od zamierzonej powierzchni studzienki.
   2. Wydrąż w dół do >50 cm, od czasu do czasu podnosząc ślimak, aby usunąć ziemię.
   3. Użyj wąskiego szpadla, aby utworzyć płaską i pionową powierzchnię wgłębienia.
   4. Użyj łopaty lub kielni ręcznej, aby przenieść ziemię z dołu na plandekę.
      UWAGA: Wykopana gleba będzie dobrze wymieszana; Nie ma sposobu, aby tego uniknąć.
3. Wykonaj mechanicznie wykopany rów przy użyciu ciężkiego sprzętu.
   UWAGA: O ile nie jest konieczna instalacja pozioma poniżej 100 cm, nie zaleca się dużego sprzętu do kopania. Radzenie sobie z hałdą urobku (tj. wykopaną ziemią) może być trudne, a gąsienice i stabilizatory koparki powodują znaczne zakłócenia.
   1. Użyj lekkiej koparki z wąską łyżką, najlepiej mniejszą niż 50 cm, aby wykopać podobny wąski rów na głębokość 100 lub 200 cm.
      UWAGA: Unikaj przesuwania koparki, aby zminimalizować wpływ na powierzchnię.
   2. Zacznij usuwać ziemię w odstępach co 10 cm i umieszczaj każdy podnośnik na drugim końcu plandeki, zbliżając się z każdym przyrostem. Upewnij się, że obszar wykopu jest jak najmniejszy i znajduje się na głębokości ~55 cm, pozostawiając wystarczająco dużo miejsca na włożenie najgłębszej sondy poziomej.
4. W przypadku wykopu kablowego czujnika wykop rów od tyłu dołu z ziemią do wieży instrumentów. Użyj łopaty do rowów wspomaganej kilofem lub Pułaskiego na twardych odcinkach. Wykop prosty, wąski (~10 cm) rów o głębokości >10 cm, układając ziemię po jednej stronie wykopu.

4. Montaż/montaż statywu i obudowy instrumentu

UWAGA: Statyw do instrumentów ma trzy opcje: prosty słup, statyw lub wieża. W przypadku podstawowej stacji wilgotności gleby z przyrządem PPT wystarczy słup ze stali ocynkowanej lub statyw ze stali nierdzewnej (120 cm wysokości) z nogami. Do podstawowych pomiarów meteorologicznych potrzebny jest wyższy maszt do zainstalowania czujników na wysokości 2 m. Większość mezonów preferuje wieże o wysokości 10 m; Jednak takie wieże nie są objęte zakresem tego protokołu.

1. Użyj słupa ze stali ocynkowanej.
   UWAGA: Rura wodna ze stali ocynkowanej o średnicy 4 cm, długości ~3 m jest najbardziej ekonomiczną metodą.
   1. Ręczny świder wykonaj mały otwór na głębokość co najmniej 60 cm. Umieść drążek w otworze. Upewnij się, że wysokość słupa jest wystarczająco nad ziemią, aby utrzymać obudowę, panel słoneczny i wszelkie potrzebne anteny.
      UWAGA: Zalecana jest wysokość <2 m.
   2. Wymieszaj szybkowiążącą piankę lub piankę ogrodzeniową, zgodnie z instrukcją.
      UWAGA: nie jest dozwolony na niektórych terenach federalnych, a niektórzy prywatni właściciele gruntów mogą się temu sprzeciwić. Alternatywy piankowe do montażu na słupkach ogrodzeniowych są dobrą alternatywą i nie wymagają wody.
   3. Wylej dowolny materiał wokół bieguna i upewnij się, że jest wypoziomowany za pomocą poziomicy torpedowej. Pozwól utwardzić się przez kilka godzin (najlepiej przez noc) i zabezpiecz słup zazębiami, aby pozostał wypoziomowany. Chociaż piana utwardza się w ciągu 30 minut, należy trzymać rurę na miejscu przez co najmniej 2 minuty, upewniając się, że pozostaje w pozycji pionowej.
2. Statyw lub statyw (patrz instrukcje producenta)
   1. Poluzuj lub odkręć każdą z trzech nóg stojaka.
   2. Obróć lub wyprostuj każdą nogę i ustaw nad końcem wykopanego rowu.
   3. Włóż maszt instrumentu do nóg i dokręć.
   4. Dostosuj długość każdej nogi, aby upewnić się, że maszt jest pionowy.
   5. Wbić każdą nogę w ziemię i ponownie sprawdzić maszt za pomocą poziomicy torpedowej.
3. Za pomocą w kształcie litery U zamontuj obudowę na statywie przyrządu na wysokości 1-1.5 m. Ręcznie dokręć, aby ją zabezpieczyć; jej ostateczna wysokość i dokręcenie nastąpią później.
   UWAGA: Zaleca się montaż po północnej stronie słupa, aby uniknąć późniejszego uderzenia głową o panel słoneczny.

5. Charakterystyka gleby i pobieranie próbek

UWAGA: Wizualne scharakteryzowanie gruntu ma kluczowe znaczenie dla interpretacji dynamiki wilgotności gleby po instalacji. Pobieranie próbek może pomóc w interpretacji danych ilościowych. Pobieraj próbki, nawet jeśli fundusze są niedostępne lub wewnętrzne placówki nie są w stanie ich przetworzyć. Wysusz je na powietrzu i zarchiwizuj na wypadek, gdyby w przyszłości potrzebna była charakterystyka gleby.

1. Aby uzyskać podstawowy opis gleby, zwróć uwagę na głębokość wszelkich oczywistych zmian koloru lub tekstury gleby (poziomów).
   UWAGA: Krajowe Centrum Badań Glebowych zapewnia doskonały przegląd opisów i interpretacji profilu glebowego²⁴. Jeśli lokalizacja nie jest idealna, teraz jest czas na przeprowadzkę.
2. Aby uzyskać podstawową charakterystykę gleby, należy zebrać reprezentatywne próbki gleby w worku do zamrażania o pojemności 1 litra (1 l) na każdej głębokości czujnika, postępując zgodnie z procedurą Lawrence et al.²⁵.
   1. Po powrocie do biura lub laboratorium połóż wszystkie torby o pojemności 1 litra na blacie, otwórz i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu przez co najmniej 48 godzin.
      UWAGA: Suszenie powietrzem usuwa większość wilgoci z gleby, zachowując jednocześnie właściwości organiczne i chemiczne do przyszłych analiz.
   2. Próbki należy przekazać do laboratorium uniwersyteckiego (np. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) lub laboratorium komercyjnego (np. http://www.al-labs-west.com/) w celu przeprowadzenia dalszych analiz. Alternatywnie, uruchom próbkę we własnym zakresie przez przeszkolonych techników, korzystając z akceptowanych metod opisanych poniżej.
   3. Wykonaj podstawową analizę laboratoryjną, w tym fizyczne parametry gleby, takie jak rozkład wielkości cząstek²⁶, frakcja skalna (RF; procent wagowy większy niż 2 mm), frakcja gleby (SF; procent mniejszy niż 2 mm) i tekstura (procentowa zawartość piasku, mułu i gliny). Sprawdź podstawowe parametry chemiczne, w tym przewodność elektryczną nasyconej pasty (dS ^m-1)²⁷ oraz materię organiczną²⁸.
   4. Zalecane: Wykonać wolumetryczne pobieranie próbek rdzenia glebowego na głębokości 5, 10, 20 i 50 cm za pomocą urządzenia rdzeniowego, aby pobrać niezakłóconą, wolumetryczną próbkę. Określ gęstość nasypową gleby (BD; g ^cm-3) na podstawie całkowitej masy suchej gleby i objętości rdzenia²⁹. Porowatość gleby (φ; [-]) jest fizyczną górną granicą SWC. W przypadku gleb mineralnych należy oszacować φ jako 1 - BD/PD, gdzie gęstość cząstek (PD) dla gleb mineralnych z przewagą kwarcu wynosi 2,65 g ^cm-3,
      UWAGA: Próbki dla BD są albo zbierane w rdzeniu o znanej objętości, albo za pomocą gleby peds²⁹.

6. Poziome wstawianie sond o długości 5, 10, 20 i 50 cm

UWAGA: Celem jest zapewnienie pełnego kontaktu z glebą wokół zębów czujnika, unikając wszelkich szczelin powietrznych.

1. Ostrożnie odetnij wszelkie opaski zaciskowe i rozwiń każdy czujnik, usuwając wszelkie cewki z. Umieść głowicę czujnika w pobliżu dołu glebowego i w wykopie.
2. Głębokość montażu jest definiowana jako środek czujnika w przypadku montażu poziomego, niezależnie od tego, czy czoło czujnika jest okrągłe czy prostokątne. Zainstaluj czujnik na dokładnej głębokości pod powierzchnią terenu i jak najbardziej poziomo w glebie. Użyj odniesienia do głębokości zerowej i urządzenia pomiarowego (taśmy mierniczej lub linijki), aby uzyskać dokładną głębokość czujnika (Rysunek 2) oraz podkładki dystansowej, aby utrzymać odstępy między zębami podczas wkładania (Rysunek 2C).
3. Najpierw włóż czujnik 50 cm. Wsuń czujnik poziomo w glebę, starając się nie poruszać czujnikiem, ponieważ może to spowodować powstanie szczelin. Ponieważ sonda o długości 50 cm jest często najtrudniejsza, użyj pręta uziemiającego, aby zapewnić większą dźwignię do wepchnięcia czujnika, uważając, aby nie złamać głowicy epoksydowej ani nie oddzielić zębów. Powtórz proces wkładania, przesuwając się w górę do głębokości czujnika 20, 10 i 5 cm. Chwiejnie (Rysunek 2D) lub stos (Rysunek 2B) czujniki.
   UWAGA: Czas pomiaru w protokołach SDI-12 generalnie zapobiega jednoczesnemu odczytowi czujników i generowaniu zakłóceń między sąsiednimi czujnikami (np. głębokości 5 i 10 cm).
4. Ułóż każdy czujnika po tej samej stronie czoła wykopu, aby można je było zawiesić na dnie wykopu. Zrób zdjęcie wykopanego dołu i czujników za pomocą taśmy mierniczej do skali (Rysunek 6A). Użyj GPS, aby określić szerokość i długość geograficzną w promieniu kilku metrów od wykopu. Jeśli wykopujesz wiele miejsc w ciągu dnia, użyj tabliczki z unikalnym identyfikatorem, aby rozróżnić doły.

Rysunek 6: Przykładowe zdjęcia metadanych. (A) Oprzyrządowany dół z ziemią z taśmą mierniczą do skali, (B) wykopany rów kablowy z powrotem do masztu instrumentu, oraz końcowe zdjęcia terenu skierowane (C) na północ i (D) na południe. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Pionowe wsuwanie sondy 100 cm

1. W przypadku instalacji czujników na głębokości większej niż 50 cm, należy wykonać osobny otwór dla każdego czujnika w wykopie kablowym lub w jego pobliżu (Rysunek 4A).
2. Za pomocą świdra ręcznego (średnica 5-10 cm) wykop na odpowiednią głębokość montażową. Głębokość definiuje się jako środek pomiaru (np. 50 cm) minus połowa długości zębów w stosunku do odniesienia o zerowej głębokości (Rysunek 4B).
3. Wykopaną ziemię ułóż na plandece w kolejności, w jakiej została usunięta.
4. Zamontuj czujnik pionowo, wciskając go w dno otworu za pomocą narzędzia instalacyjnego ( Rysunek 4C,4D). Zapakuj otwór świdra wykopaną ziemią od najgłębszego do najpłytszego. Wymień glebę w małych windach, pakując ją na tyle, aby zapobiec mostkowaniu gleby w otworze i tworzeniu się pustek.
   UWAGA: Narzędzia do pakowania mogą być zaślepionym kawałkiem PCV lub drewnianymi kołkami. Unikaj uszkodzenia głowicy czujnika lub.

8. Zakończenie instalacji czujnika i podłączenia do DCP

1. Jeśli czujnika są bezpośrednio zakopane, upewnij się, że nadziemne końce biegnące do obudowy znajdują się w kanale PVC za pomocą złącza grodziowego, aby wejść do obudowy (Rysunek 5).
   UWAGA: Jeśli używasz oddzielnego miernika deszczu (krok 9.1), pamiętaj o dołączeniu tego podczas prowadzenia do obudowy.
2. Jeśli używasz, ułóż go w wykopie kablowym i przytnij na żądaną długość. Przeprowadź przez kanał - może to wymagać sznurka lub taśmy rybnej, aby przeciągnąć. Użyj elastycznego kanału kablowego lub kolanka zamiatającego pod kątem 90° oraz długości kanału pionowego, aby poprowadzić z portu kanału kablowego na spód obudowy.
3. Ułóż lub/kanał w dolnej części rowu kablowego. Przeciągnij końce przez dolny port obudowy i zabezpiecz opaskami zaciskowymi. Jeśli w obudowie znajduje się nadmiar, przeciągnij go z powrotem przez kanał i zwiń w dnie wykopu.
4. Zrób zdjęcie studzienki instalacyjnej i rowu z prowadzącymi z powrotem do obudowy (Rysunek 6B).
5. Do okablowania czujnika wilgotności gleby należy użyć wspólnego przewodu zasilającego (5-12 V) i uziemiającego dla każdego czujnika SDI-12. Użyj łączników dźwigniowych, łączników spawów lub listew zaciskowych (Rysunek 5), aby te połączenia były łatwiejsze i bezpieczniejsze. W przypadku korzystania z więcej niż jednego typu czujnika należy użyć innego portu komunikacyjnego w DCP, jeśli jest dostępny.
   UWAGA: Jeden uszkodzony czujnik SDI-12 może przerywać działanie innych czujników w serii.

9. Czujniki pomocnicze i konfiguracja sprzętowa

1. Miernik opadów (PPT)
   UWAGA: Aby poprawić połów, deszczomierze należy zainstalować na oddzielnym pionowym maszcie jak najbliżej poziomu gruntu. Zainstalowanie miernika wyżej na uchwycie poprzecznym może zmniejszyć połów z powodu większej prędkości wiatru.
   1. Określ lokalizację. Zainstaluj miernik deszczu jak najniżej nad pokrywą terenu (~1 m) i w odległości dwukrotnie większej niż wysokość pobliskiej przeszkody³⁰. Idealna lokalizacja to blisko rowu kablowego.
      UWAGA: deszczomierza zostanie zakopany wraz z czujnika przed wejściem do dolnej części obudowy.
   2. Zainstaluj maszt pionowy. Za pomocą ręcznego świdra wykop otwór na głębokość ~50 cm. Ustawić odcinek rury ze stali ocynkowanej o wystarczającej długości w cemencie lub piance (patrz krok 4.1).
   3. Po utwardzeniu zainstaluj miernik za pomocą zacisków węża lub płaskiej podstawy montażowej, zgodnie z instrukcją czujnika. Upewnij się, że sprawdzian jest idealnie wypoziomowany.
      UWAGA: Większość przyrządów pomiarowych ma wbudowaną poziomicę.
   4. Poprowadź między deszczomierzem a obudową w kanale podziemnym z odprowadzającymi wilgoć z gleby.
   5. W przypadku przyrządu do pomiaru przechyłu podłącz oba przewody do kanału zliczania impulsów w DCP.
      UWAGA: Przewody mogą przebiegać po obu stronach.
   6. Pamiętaj, aby zdjąć górną część i sprawdzić, czy mechanizm przechylania porusza się swobodnie. Wiadra są często zabezpieczane na czas transportu gumowymi opaskami.
      UWAGA: Deszczomierze wymagają rutynowego czyszczenia i kalibracji. W przypadku montażu deszczomierza bezpośrednio na statywie przyrządu lub ramieniu poprzecznym, wykonaj krok 9.2.
2. Inne czujniki
   1. Zainstaluj pomiary pomocnicze i dowolną antenę na pionowym maszcie lub ramieniu poprzecznym na odpowiedniej wysokości nad ziemią^10,30.
   2. Trasa prowadzi do naziemnego wejścia do obudowy i zabezpiecz w razie potrzeby opaskami kablowymi. Podłącz do odpowiednich kanałów pomiarowych w DCP.
3. Pręt uziemiający
   1. Zainstaluj miedziany pręt uziemiający o długości >1 m w odległości 0.5 m od masztu przyrządu. Użyj wkrętaka do słupków ogrodzeniowych, aby wbić pręt w ziemię, pozostawiając odsłonięte ~20 cm.
   2. Przymocuj ciężki (8-10) drut miedziany do pręta za pomocą uziemienia clamp. Przymocuj drugi koniec do obudowy lub statywu.
      UWAGA: Uziemienie może nie być wskazane we wszystkich sytuacjach.
4. Podłącz akumulator.
   UWAGA: Większość DCP potrzebuje napięcia 5-24 V (V), chociaż najczęściej 12 V i 7 lub 12 Amperogodzin (AH) wystarcza do zasilania większości stacji wilgotności gleby. Zastosowano tutaj akumulator 12V 12AH i regulator napięcia.
   1. Upewnij się, że regulator ładowania jest w pozycji wyłączonej. Używając multimetru ustawionego na prąd stały dla napięcia prądu stałego, sprawdź, czy napięcie na akumulatorze jest wystarczające (>10 V dla akumulatora 12 V) i zidentyfikuj zaciski + i -, jeśli nie są oznaczone.
   2. Nasuń złącze zaciskowe czarnego (-) przewodu na zacisk widełkowy na słupku uziemienia (-) akumulatora, a czerwony przewód na biegun akumulatora +. Podłącz drugi koniec czerwono-czarnych przewodów do portu BAT na voltage regulator.
5. Panel słoneczny
   UWAGA: Zazwyczaj wystarcza panel o mocy 10 lub 20 W. Zwiększona moc jest potrzebna na wyższych szerokościach geograficznych, w bardziej zacienionych obszarach lub w systemach o dużym poborze mocy (np. modemy komórkowe, kamery). Panel powinien być zorientowany tak, aby odbierać maksymalne padające promieniowanie słoneczne w ciągu 1 roku.
   1. Owiń taśmę izolacyjną osobno wokół każdego przewodu na panelu słonecznym.
      UWAGA: Przewody te będą przewodzić prąd, jeśli panel zostanie wystawiony na działanie promieni słonecznych.
   2. Za pomocą w kształcie litery U zamontuj panel słoneczny nad obudową i z boku stojaka na instrument skierowany w stronę równika (np. na południe w USA). Użyj odpowiedniego kąta do szerokości geograficznej miejsca, zwykle od 25° do 35° w sąsiadujących z USA.
   3. Poprowadź do naziemnego punktu wejścia obudowy. Usuń taśmę z przewodów panelu. Używając multimetru ustawionego na A dla natężenia prądu, sprawdź, czy moc wyjściowa panelu słonecznego wynosi >0.1 A.
   4. Używając multimetru ustawionego na prąd stały dla napięcia prądu stałego, sprawdź, czy wyjście panelu słonecznego wynosi >10 V i zidentyfikuj przewody + (zwykle czerwone) i - (zwykle czarne), jeśli nie są oznaczone. Podłącz przewód - z panelu słonecznego do portu G (uziemienia), a następnie przewód + z portu SOLAR na regulatorze ładowania.
      UWAGA: Przykryj panel słoneczny plandeką lub czymś nieprzezroczystym, aby zminimalizować iskrzenie.
   5. Sprawdź, czy świeci się teraz kontrolka CHG lub ładowania.
6. Zdalna transmisja danych
   UWAGA: Telemetria danych komórkowych umożliwia przesyłanie i wysyłanie danych z DCP. Aplikacje na smartfony, takie jak OpenSignal, mogą mierzyć siłę sygnału i kierunek do najbliższej wieży komórkowej. Preferowane są anteny dookólne, wielopasmowe; jednak antena kierunkowa (Yagi) może poprawić sygnał w bardziej odległych obszarach.
   1. Przymocuj antenę do górnej części masztu przyrządu za pomocą dostarczonych w kształcie litery U.
   2. Podłącz koncentryczny do anteny i poprowadź drugi koniec do obudowy przez kanał czujnika naziemnego. Zabezpiecz opaskami zaciskowymi.
   3. Podłącz drugi koniec do modemu komórkowego w obudowie.
7. Włączanie systemu
   UWAGA: W tym momencie zakłada się, że program DCP jest napisany, a wszystkie czujniki są okablowane w odpowiedni sposób. Panel słoneczny i akumulator są podłączone do regulatora napięcia za pomocą czerwono-czarnego przewodu zasilającego podłączonego do portów zasilania DCP.
   1. Przełącz przełącznik na regulatorze napięcia na włączony. Uruchom oprogramowanie DCP i podłącz laptopa do DCP. Upewnij się, że wszystkie czujniki zgłaszają wartości, a nie wartość bez numeru (NaN) lub błędu.
   2. Sprawdź każdy czujnik gleby pod kątem wartości SWC, BEC i T. Upewnij się, że wartości SWC wynoszą >0.05 m³/^{m 3} i <0.60 m³/m³. Sprawdź dowolny czujnik poza zakresem; Włóż ponownie lub wymień dowolny czujnik, który jest wątpliwy. Wlej trochę wody przez deszczomierz i sprawdź, czy DCP rejestruje liczby.
      UWAGA: Niskie wartości BEC (<0,001) mogą wskazywać na słaby kontakt z czujnikiem (lub bardzo suche gleby). W przypadku instalacji w cieplejszych porach roku, T jest na ogół najcieplejszy na górze i najchłodniejszy na dole.
   3. Sprawdź siłę komunikacji komórkowej. Postępuj zgodnie z dokumentacją producenta, aby określić siłę sygnału.
      UWAGA: Siła sygnału powinna wynosić > -100 dBm, aby zapewnić przyzwoitą jakość sygnału. Anteny kierunkowe można obracać, aby ewentualnie poprawić sygnał. Istnieje wiele innych opcji komunikacji poza siecią komórkową (np. satelita).

10.Site ukończenie

1. Po upewnieniu się, że wszystko pod ziemią działa, a lub w kanale znajdują się w wykopie i są poprowadzone do obudowy, wypełnij i uszczelnij otwory wejść do obudowy nad i pod ziemią za pomocą szpachli elektrycznej, aby chronić przed wilgocią i chronić owady przed przedostaniem się do obudowy.
2. Wyznacz zewnętrzny obwód lokalizacji czujników na powierzchni za pomocą stałych palików z jasnym oflagowaniem.
3. Zasyp wykopany obszar, używając ziemi na plandece i w odwrotnej kolejności usuwania (krok 3.1) (od najgłębszego do najpłytszego). Zacznij od ręcznego upakowania ziemi do czoła wykopu i wokół głowicy czujnika na wysokości 50 cm, uważając, aby nie zakłócić pracy czujnika. Podeprzyj głowicę czujnika podczas ubijania ziemi wokół niej, aby zęby czujnika się nie poruszały.
4. Upewnij się, że wszystkie pozostałe czujników są nadal umieszczone w pobliżu dna wykopu, a następnie ostrożnie przykryj je głębszą ziemią z plandeki. Zagęścić glebę na dnie wykopu, aby zabezpieczyć, uważając, aby nie ciągnąć ich w dół z żadną siłą. Podczas zagęszczania należy użyć wystarczającej siły, aby zapewnić podobną gęstość nasypową usuwanego materiału.
   UWAGA: Bardziej wilgotne gleby podczas instalacji można łatwo nadmiernie zagęścić, podczas gdy bardziej suche gleby mogą pozostać luźne niezależnie od siły.
5. Zasyp wykop w 10 cm podnośnikach, wygładzając i zagęszczając powierzchnię, aż do osiągnięcia czujnika 20 cm. Ponownie ostrożnie ręcznie upakuj glebę pod czujnikiem i wokół niego, zanim wrócisz do zasypywania kolejnych 10 cm podnośnika gleby.
6. Na koniec ręcznie upakuj glebę wokół czujnika 10 cm, a następnie czujnika 5 cm, upewniając się, że oba pozostają poziome i na swoim miejscu. Pozostałą część dołu glebowego wypełnij górną warstwą gleby z plandeki.
   UWAGA: Cała usunięta gleba powinna wrócić do dołu. Resztki gleby wskazują, że gleba nie została upakowana do pierwotnej gęstości nasypowej.
7. Za pomocą łopaty do kopania rowów przepchnij wykopaną ziemię obok rowu przez przewód. Upewnij się, że wszystko jest całkowicie zakopane i poniżej 5 cm.
8. Użyj stalowych grabi, aby wyrównać przepakowaną ziemię w wykopie i wykopać równo z oryginalną powierzchnią. Gleba w wykopie przewodzącym jest wystarczająco zagęszczona, aby zminimalizować preferencyjny przepływ do miejsca instalacji.
9. Opcjonalnie: Rozsyp trochę ziemi okrzemkowej wokół każdego otworu pod powierzchnią i na powierzchni, aby zniechęcić mrówki, ślimaki i inne owady.
10. Zalecane: użyj przenośnego czujnika SWC do wykonywania odczytów powierzchni gleby wokół czujników in situ, aby pomóc w weryfikacji danych w czasie i wszelkich potrzebach skalowania. Wykonuj odczyty w kierunkach kardynalnych (północ, południe, wschód i zachód) w stałych odległościach (np. 5, 10, 25 i 50 m).

11. Rekord metadanych stacji, dane kryjące się za data²³

UWAGA: Dokumentuj metadane podczas instalacji i każdej wizyty na miejscu (patrz Tabela 1). Spójne raportowanie metadanych wspiera rosnącą społeczność praktyków i ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia integralności danych i sieci.

1. Udokumentuj szczegóły instalacji, w tym unikalny identyfikator miejsca, datę instalacji, numery seryjne czujnika, odpowiednie adresy SDI-12, orientacje wstawiania (poziome lub pionowe) i głębokości.
2. Opisz profil glebowy i zrób związane z nim zdjęcia. Zapisz identyfikatory próbek dla wszystkich pobranych próbek gleby.
3. W przypadku lokalizacji lokalizacji należy zapisać szerokość i długość geograficzną, wysokość, nachylenie, aspekty, użytkowanie terenu i pokrycie terenu.
4. Zanotuj informacje o właścicielu terenu i dane kontaktowe, a także o dostępie do witryny, w tym kody do bram lub zamków.
5. Korzystając z aplikacji Compass na smartfonie (lub prawdziwym kompasie) i taśmy mierniczej, zmierz kąt i odległość do wgłębienia czujnika (i wszelkich otworów ślimaka czujnika) z dwóch punktów odniesienia (np. pręta uziemiającego lub nogi statywu).
   UWAGA: Pomoże to w późniejszej triangulacji ich pozycji.
6. Zrób zdjęcia ukończonej stacji i orientacji na północ (Rysunek 6C), południe (Rysunek 6D), wschód i zachód od masztu instrumentów. Wyznacz miejsce instalacji czujnika za pomocą flagi lub innych odrębnych elementów.

Tabela 1: Metadane stacji do zbierania danych o wilgotności gleby. Skróty: Dec. = malejąco; GPS = Globalny System Pozycjonowania; 3DEP = 3D Elevation Program; O&M = eksploatacja i konserwacja; SSURGO = Geograficzna Baza Danych Badań Glebowych; Mukey = jednostki mapy. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

12. Eksploatacja i konserwacja

UWAGA: Do rekordu metadanych powinien zostać dodany szczegółowy dziennik konserwacji, w tym wymiana czujnika, stan roślinności lub zmiany, lub jakiekolwiek zakłócenia w miejscu.

1. Rutynowe kontrole na miejscu należy przeprowadzać co najmniej raz w roku (tabela 2). Zapisz wszelkie kalibracje lub wymiany czujników.
2. Zadbaj o regularne zarządzanie roślinnością, szczególnie w przypadku stacji stałych, aby teren nie zarósł ani nie stał się anomalny w stosunku do otoczenia.
3. Dostosuj zarządzanie zwierzętami do lokalnej przyrody, w tym być może ogrodzenie.
4. W przypadku awarii czujnika należy przeprowadzić awaryjną wizytę na miejscu i zainstalować zamiennik (Tabela 2).

Tabela 2: Przykładowy harmonogram konserwacji. Skrót: DCP = data control platform. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Wyniki

Sieć SCAN rozpoczęła się jako pilotażowy projekt NRCS w 1991 roku. Jest to najdłużej działająca sieć zbierania danych SWC¹⁵ i stanowi podstawę dla reprezentatywnych wyników w tym protokole. Wszystkie miejsca SCAN pierwotnie rozpoczęły się od analogowego czujnika pojemnościowego. Terenowe miejsce instalacji (SCAN 2049) w Beltsville w stanie Maryland, użyte w komponencie wideo tego protokołu, monitoruje (Rysunek 7A) godzinową temperaturę powietrza i gleby oraz (Rysunek 7B) godzinowe SWC na głębokości 5, 10, 20, 50 i 100 cm. Dzienne PPT, magazynowanie wody w glebie (SWS) do 20 cm i jego zmiana w czasie (dSWS) są pokazane w Rysunek 7C. Dla każdego zdarzenia PPT następował gwałtowny wzrost SWC w pobliżu powierzchni (5 i 10 cm) oraz bardziej osłabiony i opóźniony wzrost na większych głębokościach, gdy front zwilżający rozprzestrzeniał się w dół pod wpływem grawitacji. Podczas wydarzeń na początku lutego i kwietnia 2022 r. najgłębszy czujnik na głębokości 100 cm osiągnął plateau 0,33 m³/^{m 3}, które utrzymywało się przez kilka dni. Takie warunki wskazują na krótki czas nasycenia. Gęstość nasypowa suchej warstwy gleby na podstawie danych charakteryzacyjnych (tabela 3) wynosiła 1,73 g/^cm3, przy szacowanej porowatości (φ) 0,35 [-], co stanowi dodatkowy dowód na to, że przestrzeń porowa była całkowicie wypełniona wodą. Biorąc pod uwagę piaszczysto-gliniaste/gliniaste piaski profilu glebowego, warunki nasycenia były najprawdopodobniej spowodowane słabym drenażem lub płytkim poziomem wód gruntowych, który hamował drenaż. Należy pamiętać, że temperatura powietrza w tym miejscu spada poniżej zera przez większość wieczorów aż do kwietnia; jednak temperatura gleby utrzymywała się powyżej 2 °C, a w danych SWC na żadnej głębokości nie stwierdzono zamarzniętej wody.

Rysunek 7: Przykładowe wyniki ze stacji terenowej (SCAN 2049) zlokalizowanej w Beltsville, Maryland. (A) godzinowa temperatura powietrza i gleby, (B) godzinowe SWC, oraz (C) dzienne opady, magazynowanie wody w glebie do 20 cm i różnica w czasie. Skróty: SWC = zawartość wody w glebie; PPT = opady; SWS = magazynowanie wody w glebie; dSWS = różnice w SWS w czasie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Tabela 3: Dane terenowe i charakterystyka gleby dla przykładów danych przedstawionych w reprezentatywnych wynikach. Wszystkie dane przedstawione na rysunkach i tabelach zostały pobrane z internetowej bazy danych NRCS pod adresem URL podanym dla każdej lokalizacji. Dane charakterystyki gleby nie były dostępne dla Góry Stołowej (#808). Skróty: NRCS = Służba Ochrony Zasobów Naturalnych; URL = jednolity lokalizator zasobów; c = glina; FSL = drobna glina piaszczysta; ls = piasek gliniasty; s = piasek; sc = glina piaszczysta; SCL = glina piaszczysto-gliniasta; si =; SIL = glina pylasta; sl = glina piaszczysta; nd = brak danych; BD = gęstość nasypowa 33 kPa. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.

Bardziej ekstremalny przykład nasycenia jest pokazany w Rysunek 8 dla lokalizacji SCAN (2110) w pobliżu Yazoo, Mississippi. Gleby mają bardzo wysoką zawartość gliny (powyżej 60%), niską gęstość nasypową od 1,06 do 1,23 g/^cm3 i φ od 0,54 do 0,60 [-] (tab. 3). Pierwsze zdarzenie PPT o wysokości ~40 mm w dniu 13 kwietnia 2020 r. nasyciło glebę do SWC >0,60 m³/^{m 3} na wszystkich głębokościach przez 12 kolejnych dni - wartości bardzo zbliżone do zmierzonej φ. Drugie zdarzenie o prędkości 70 mm/dzień w dniu 20 kwietnia 2020 r. nie miało wpływu na dSWS, co sugeruje odpływ nasycenia i nadmiaru. Podobny okres nasycenia był zauważalny w listopadzie 2020 roku. Podczas gdy nie było pomiaru na 100 cm, SWC na 50 cm utrzymywał się na stałym poziomie 0,39 m³/^{m 3}, z wyjątkiem późnego lata, kiedy nieznacznie spadł do 0,36 m³/m³. Uwagi dotyczące lokalizacji (tabela uzupełniająca S2) wskazują, że zastosowano kalibrację specyficzną dla czujnika "glina"³¹, podobnie jak w przypadku czujników pojemnościowych używanych w większości lokalizacji SCAN i USCRN. Oba przykłady ilustrują znaczenie charakterystyki gleby i danych BD zebranych podczas charakterystyki terenu (krok 5) dla interpretacji danych SWC.

Rysunek 8: Przykład wyników z wilgotnego, umiarkowanego miejsca (SCAN 2110) położonego w pobliżu Yazoo, Mississippi. (A) godzinowa temperatura powietrza i gleby, (B) godzinowe SWC, oraz (C) dzienne opady i zmiany w magazynowaniu wody w glebie. Skróty: SWC = zawartość wody w glebie; PPT = opady; SWS = magazynowanie wody w glebie; dSWS = różnice w SWS w czasie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9 przedstawia prostszy szereg czasowy SWC in situ na pięciu głębokościach z pięcioma zdarzeniami zwilżania, które skutkują sekwencyjnym rozprzestrzenianiem się frontu zwilżającego w dół w profilu glebowym. Owo stanowisko SCAN (2189) znajdowało się koło San Luis Obispo, CA, w klimacie śródziemnomorskim z wilgotną wiosną i długim, suchym latem na piaszczysto-gliniastej glebie o φ w zakresie od 0,37 do 0,51 [-] (Tabela 3). Reakcja na zwilżanie powierzchni gleby była szybka i zmniejszała się wraz z głębokością. Ostatnie duże wydarzenie PPT w ciągu 5 dni wystarczyło, aby pokazać reakcję na głębokości 50 i 100 cm. Wraz ze wzrostem głębokości dobowy cykl amplitudy temperatury gleby zmniejszał się, a czas maksimów i minimów temperatur pozostawał jeszcze bardziej w tyle za temperaturą powietrza i płytszymi głębokościami (Rysunek 9A). Chociaż te cechy mogą być przydatne do rozróżniania głębokości czujnika, jak omówiono w następnej sekcji, zauważalny był również wpływ na wahania SWC na głębokości 5 i 10 cm. Amplituda SWC wynosiła ~0,02 m³/^{m 3} na 5 cm, ~0,01 m³/^{m 3} na 10 cm i była bardziej znikoma w głębszych czujnikach. Było to również zgodne z temperaturą gleby, a szum był bardziej prawdopodobny w czujniku przez wahania temperatury i mało prawdopodobne, aby był wynikiem jakiegokolwiek fizycznego ruchu wilgotności gleby lub rzeczywistych opadów. To bardziej suche miejsce (2189) ma znacznie większe dobowe zmiany temperatury gleby niż bardziej mezologiczne miejsce instalacji polowej (2049), które nie wykazuje szumu temperatury w danych SWC (Rysunek 7B).

Rysunek 9: Przykładowe wyniki z półpustynnego, śródziemnomorskiego stanowiska (SCAN 2189) położonego w pobliżu San Luis Obispo w Kalifornii. (A) godzinowa temperatura powietrza i gleby, (B) godzinowe SWC, oraz (C) dzienne opady i zmiany w magazynowaniu wody w glebie. Skróty: SWC = zawartość wody w glebie; PPT = opady; SWS = magazynowanie wody w glebie; dSWS = różnice w SWS w czasie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 10 przedstawia jedną z najtrudniejszych interpretacji danych SWC, które istnieją w przypadku zamarzniętej gleby i pokrywy śnieżnej. To miejsce (808) znajdowało się w pobliżu Boseman, MT, na wysokości 4474 stóp nad poziomem morza. Dzienne temperatury powietrza czasami przekraczały temperatury zamarzania zimą (grudzień, styczeń i luty) 2020 roku. Do marca temperatura gleby utrzymywała się nieco powyżej 0 °C. Obecność śniegu na powierzchni izolowałaby glebę od wahań temperatury powietrza. Ponadto w wilgotnych glebach uwalnianie ciepła utajonego i zużycie energii, któremu towarzyszą procesy przemiany fazowej związane z cyklami zamrażania i rozmrażania, buforowało temperaturę gleby, utrzymując ją bardzo blisko 0 °C do czasu zakończenia tych przemian fazowych. Niewielki ε lodu w zamarzających glebach objawia się dramatycznymi spadkami SWC, po których następuje wzrost podczas rozmrażania, bez żadnych oznak PPT. Było to najbardziej widoczne w połowie grudnia i połowie marca, kiedy temperatury powietrza gwałtownie spadły, a SWC na poziomie 5 i 10 cm spadło przez 3 dni, a następnie odbiło się. Temperatura gleby na wysokości 100 cm osiągnęła punkt zamarzania w połowie listopada i była na niskim poziomie SWC poprzedniej jesieni, przez całą zimę i nie zmieniła się podczas wiosennych roztopów, co sugeruje, że mogła działać nieprawidłowo. Jednak gwałtowne spadki i regeneracja w innych czujnikach mogą, ale nie muszą, być rzeczywistymi zmianami w ciekłej wodzie glebowej; Interpretacja takich danych może być niezwykle trudna bez dodatkowych pomiarów obecności lub głębokości śniegu. Często dane SWC przy lub poniżej zamrożenia są cenzurowane w ramach kontroli jakości. Więcej informacji na temat temperatur gleby bliskich zeru znajduje się w sekcji dotyczącej kontroli jakości zapisów danych.

Rysunek 10: Przykładowe wyniki z półpustynnego, alpejskiego stanowiska (SCAN 808) położonego w pobliżu Three Forks w stanie Montana. (A) godzinowa temperatura powietrza i gleby, (B) godzinowe SWC, oraz (C) dzienne opady i zmiany w magazynowaniu wody w glebie. Skróty: SWC = zawartość wody w glebie; PPT = opady; SWS = magazynowanie wody w glebie; dSWS = różnice w SWS w czasie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Inne przykłady i dane charakterystyki zostały pobrane z bazy danych SCAN (zobacz Tabela 3 dla Uniform Resource Locator, [URL]). Raportowanie i kontrola jakości tych danych wymagają pewnej interpretacji, aby określić, czy istnieje fizyczny mechanizm wyjaśniający jakiekolwiek niekonsekwentne zachowanie. Nasza interpretacja nie ma żadnej wiedzy na temat lokalnych lokalizacji i pomimo wielu lat oceny szeregów czasowych SWC, ocena dobrego czujnika lub instalacji na podstawie awarii lub złej może być trudna.

Rysunek 11 przedstawia typowe przykłady rekordów danych problemowych, losowo wybranych spośród 40 stacji SCAN w latach 2020-2021. Do najczęstszych błędów należą skoki (Rysunek 11A) i skokowe zmiany w górę (Rysunek 11B) lub w dół (Rysunek 11C), zgodnie z flagą Międzynarodowej Sieci Wilgotności Gleby³². Dla każdego z nich nie ma jednoczesnego zdarzenia PPT, które wyjaśniałoby takie zmiany i można je uznać za błędne. Problem z natychmiastowymi skokami lub spadkami jest spotęgowany, gdy patrzy się tylko na dzienne średnie, które mogą ukrywać takie zdarzenia. Najlepiej jest je usunąć przed dokonaniem jakichkolwiek obliczeń średniej. Początek i koniec zmiany kroku może być oczywisty, ale trudno jest wypełnić jakiekolwiek dane pomiędzy nimi. Nie podchodzimy do wypełniania danych w tym protokole, a jedynie oznaczamy błędne dane. Niekonsekwentne zachowanie (Rysunek 11D) przedstawia się jako dzika fluktuacja bez żadnej reakcji na zdarzenia PPT. W niektórych przypadkach skoki mogą zniknąć po sprawdzeniu okablowania i wymianie multipleksora, jak pokazano na Rysunek 11A po sierpniu 2020 r. Częściej niekonsekwentne zachowanie jest preludium do awarii czujnika, jak pokazano na Rysunek 11E. Czujnik na głębokości 10 cm dawał rozsądne ostrzeżenie o niekonsekwentnym zachowaniu w styczniu i awarii pod koniec marca. Czujnik na głębokości 5 cm uległ jednak awarii bez ostrzeżenia 1 marca 2021 r.

Rysunek 11: Przykłady rekordów problemów. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, pokazujący okresowe spadki na głębokości 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, Nowy Meksyk, z dodatnią zmianą kroku na głębokości 50 cm, (C) SCAN 808, Góra Stołowa, Montana, ze zmianą kroku w dół, skokami, a nawet powrotem do zdrowia na głębokości 50 cm, (D) SCAN 2006, Bushland #1, Teksas, wykazujący brak reakcji na zdarzenia opadowe na czujniku 5 lub 10 cm, z pewnym przywróceniem stanu czujnika 10 cm, po którym nastąpiła poważna awaria obu, oraz (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, z czujnikiem usterki na 20 cm i katastrofalną awarią na głębokości 5 i 20 cm. Głębokości czujnika są oznaczone jako 5 cm (), 10 cm (niebieski), 20 cm (pomarańczowy), 50 cm (ciemnoszary) i 100 cm (żółty). Skróty: SWC = zawartość wody w glebie; PPT = opady. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Na SCAN 2084, strona zaczęła rejestrować dane w dniu 06.02.2004 i zawierała kilka notatek o nieregularnym zachowaniu związanym z multiplekserami SDI-12, które były kilkakrotnie wymieniane (Tabela uzupełniająca S2). Czujniki są jednak oryginalne i po 18 latach pozostają sprawne. Na SCAN 2015 zbieranie danych rozpoczęło się 25.10.1993 r., a czujnik 50 cm w Rysunek 11B został uznany za podejrzany w 2017 r. (Tabela uzupełniająca S2). Najstarsza strona, SCAN 808, rozpoczęła raportowanie 30.09.1986 r. i została przekształcona w stację SCAN 25.10.2006 r.; Do tej pory nie był wymieniany żaden czujnik. Anomalie, jak pokazano na Rysunek 11E, nie zawsze kończą się niepowodzeniem, ponieważ Rysunek 10 zawiera rozsądne dane. SCAN 2006 rozpoczął raportowanie 10.01.1993 r.; oryginalne czujniki 5 i 10 cm w Rysunek 11D zostały wymienione w dniu 24.01.2022 r. SCAN 2027 rozpoczął raportowanie w dniu 19.05.1999 r.; oryginalne czujniki 5 i 10 cm w klasie Rysunek 11E zostały wymienione w dniu 13.08.2021 r. Jak już wspomniano, miejsca SCAN rozpoczęły się od analogowego czujnika pojemnościowego. Wiele z tych czujników przetrwało ponad 20 lat i, choć niekoniecznie generowały dane najwyższej jakości przez cały czas, pozostały funkcjonalne. Określenie momentu, w którym należy wymienić czujnik, pozostaje kwestią otwartą dla praktyków. Metadane terenu i właściwości gleby dla stanowisk w Rysunek 11 można znaleźć w tabeli uzupełniającej S3.

Raportowanie danych
Ciągłe czujniki SWC in situ podają od trzech do sześciu wartości na interwał rejestracji czasu. Wraz z wszelkimi pomiarami pomocniczymi, długoterminowe wdrażanie czujników SWC generuje duże ilości danych o wartości jednostkowej, które muszą być przechowywane i dostarczane. Pomiary środowiskowe są wykonywane w dyskretnych odstępach czasu, które są agregowane w czasie i raportowane jako rekord danych. Częstotliwość próbkowania pomiarów atmosferycznych różni się w zależności od pomiaru; Jest większy dla pomiarów wiatru i promieniowania słonecznego (<10 s) oraz większy dla temperatury i wilgotności powietrza (60 s)³⁰. Te przykładowe wartości są uśredniane lub kumulowane w interwale raportowania, który może wynosić od 5 minut do 1 godziny. Podobnie, SWC może być próbkowany natychmiastowo w interwale raportowania lub próbkowany (np. co 5 minut) i uśredniany do średnich 30-minutowych lub 60-minutowych, ponieważ dynamika SWC jest w porównaniu z nimi stosunkowo wolniejsza. Chociaż uśrednianie z częstszego próbkowania może zmniejszyć szumy spowodowane wahaniami temperatury, zakłóceniami elektrycznymi i nieodłączną zmiennością czujnika, nie jest zalecane, ponieważ skoki danych mogą zniekształcić wartość średnią, jak omówiono wcześniej. Większość rekordów danych SWC może być obsługiwana przez wykrywanie co godzinę, ale w przypadku regionów o większej prędkości drenażu (gleba piaszczysta) i intensywnym PPT (warunki monsunowe), niektóre sieci rejestrują w 20-minutowym odstępie czasu, aby w pełni uchwycić opady. Wreszcie, transmisja danych lub telemetria mogą być ograniczone przez technologię (np. systemy satelitarne) lub mieć poziomy kosztów oparte na rozmiarze i częstotliwości danych. Optymalizacja interwałów raportowania i zmiennych telemetrycznych może pomóc w kontrolowaniu kosztów. Na przykład przesyłanie wartości surowych (np. ε lub zliczeń) jest preferowane w stosunku do wartości pochodnych (np. SWC), które można obliczyć w przetwarzaniu końcowym. Rozpoznawanie danych może również mieć wpływ na rozmiar pakietu telemetrii; jednak ważne jest, aby przedstawić SWC jako procent (0,0-100,0%) przy rozdzielczości 0,1% lub jako ułamek dziesiętny (0,00-1,00) przy rozdzielczości 0,001 m^{3 m-3}. Wersja dziesiętna w m^{3 m-3} jest znacznie preferowana, aby uniknąć pomyłek z procentowymi zmianami zawartości wody w późniejszych analizach i raportach oraz aby uniknąć pomyłek z zawartością wody w przeliczeniu na masę (g/g), która może być również podawana jako procent zawartości wody. Temperatura gleby, ε i BEC są powszechnie podawane odpowiednio z rozdzielczością 0,1 °C, 0,1 [-] i 0,1 dS ^m-1.

Kontrola jakości zapisów danych
Proces kontroli jakości rekordów danych weryfikuje dane i dokumentuje ich jakość. Dokładne notatki terenowe i dzienniki kalibracji są niezbędne do przetwarzania rekordu danych. Typowymi etapami przetwarzania rekordu są wstępna ocena, usunięcie oczywistych błędnych danych, zastosowanie wszelkich obliczeń lub poprawek wartości pochodnych oraz końcowa ocena danych. Rekordy SWC zazwyczaj składają się z sygnału (np. ε, zliczeń lub mV), temperatury gleby i BEC, które są używane w różnym stopniu do wyprowadzenia SWC. Czujniki mogą również wyprowadzać SWC pochodzące od producenta. Jednak żaden czujnik nie mierzy bezpośrednio SWC; To obliczenie może być częścią kroku obliczania danych, przy założeniu, że odpowiednie równanie kalibracji jest dostępne i stanowi część rekordu metadanych. Rekord może być pomiarem chwilowym lub średnią z pewnego okresu. Pożądane jest, aby surowe dane były utrzymywane, tak aby można było obliczyć najbardziej odpowiednie formaty do kontroli jakości, a do surowych danych można było zastosować ulepszenia w równaniach kalibracyjnych lub zrozumieniu czujników. Charakterystyka czujnika powinna decydować o tym, czy rejestrowane są wartości chwilowe, czy średnie z wielu odczytów, chociaż wartości chwilowe są preferowane z powodów podanych wcześniej.

Istnieje kilka sposobów na włączenie danych pomocniczych (patrz weryfikacja danych poniżej) do przepływu pracy kontroli jakości. Opady są pierwszym sprawdzianem - "czy SWC wzrosło po deszczu?" Istnieją sytuacje, w których SWC może wzrosnąć bez PPT (np. topnienie śniegu, odprowadzanie wód gruntowych, nawadnianie). Drugi test polega na porównaniu zmian w magazynowaniu wody w glebie z całkowitą ilością PPT dla określonego zdarzenia (Rysunek 7C). Idealnie byłoby, gdyby to zdarzenie było odosobnionym zdarzeniem o niskiej intensywności. Opady przenikają do gleby z powierzchni i przesączają się w dół. Szczyt SWC powinien podążać podobnym wzorcem w dół (Rysunek 7B). Jednak preferencyjny przepływ może spowodować, że infiltrująca woda ominie płytki czujnik lub spowoduje szybką reakcję na głębszych czujnikach. Chociaż mogą to być "prawdziwe" reakcje, słabe zagęszczenie rowu instalacyjnego lub wokół pojedynczego czujnika może w preferowanym przypadku skierować wodę w kierunku czujnika. Stronniczość w zwilżającym froncie nadejścia powinna być stosowana z ostrożnością i zdrowym rozsądkiem podczas interpretowania nietypowych reakcji na opady deszczu lub topnienie śniegu. Jak pokazano w tabeli 3, BD określa górną granicę przestrzeni porów gleby, φ [-], w glebach mineralnych. Zawartość wody rutynowo większa niż φ wskazywać na nieprawidłowe działanie czujnika lub niewłaściwą kalibrację czujnika. W pierwszym przypadku dane mogą zostać usunięte z rejestru. W tym ostatnim przypadku ponowna kalibracja może pozwolić na zachowanie zapisu, przy czym wartości zostaną zmodyfikowane zgodnie z ponowną kalibracją.

Temperatura gleby to kolejna zmienna, która pomaga w kontroli jakości danych. Temperatura gleby rozchodzi się w dół w kolumnie gleby i słabnie wraz z głębokością (Rysunek 7A). Temperatura powinna osiągać szczyt wcześniej i być wyższa bliżej powierzchni, wraz ze wzrostem czasu opóźnienia od szczytu powierzchniowego wraz ze wzrostem głębokości czujnika. Wszelkie opóźnienia czujnika poza kolejnością mogą wskazywać na błędnie zidentyfikowaną głębokość lub nieprawidłowy adres SDI-12. Jak pokazano na Rysunek 10 i omówione na nim, czujniki elektromagnetyczne zależą od zmian w ε, które wahają się od ~3 dla lodu do ~80 dla wody. Zmiany między wodą a lodem są rejestrowane przez czujniki SWC. Może być jednak konieczne podniesienie progu flagowania, ponieważ objętość wykrywania czujnika różni się od objętości wykrywania termistora temperatury gleby, a próg może wynosić nawet 4 °C. Ponieważ stopień zamarzania i względna ilość wody w stanie ciekłym mogą być ważne dla oceny hydrologii gleby, dane te powinny być oznaczone jako te, na które ma wpływ zamarzanie, a niekoniecznie usuwane. Na najbardziej podstawowym poziomie kontrola jakości powinna racjonalizować każdą niekonsekwentną reakcję czujnika na jakiś mechanizm fizyczny, w przeciwnym razie jest to błąd. Chociaż zautomatyzowane procedury kontroli jakości są wymagane w przypadku dużych sieci i różnych źródeł danych^13,33,34,35, nic nie zastąpi obserwacji danych w celu utrzymania długoterminowej jakości danych.

Weryfikacja danych
Jednym z najtrudniejszych aspektów danych SWC jest weryfikacja – "czy czujnik dostarcza dobre i dokładne dane?" Większość czujników środowiskowych jest dostępna po wdrożeniu i po pewnym czasie można je wymienić na nowy, zwrócić do producenta lub laboratorium w celu ponownej kalibracji względem norm i/lub zweryfikować dane z próbką pobraną w terenie. Organizacje meteorologiczne przestrzegają ścisłych procedur dotyczących czujników atmosferycznych, w tym rotacji czujników, konserwacji czujników i kalibracji w terenie, które umożliwiają konserwację zapobiegawczą, która służy jako pierwszy etap weryfikacji danych^10,30. Czujniki SWC są zakopane in situ i nie mogą być kontrolowane ani ponownie kalibrowane bez znacznego zakłócenia miejsca pracy i potencjalnego uszkodzenia czujnika. Ponadto nie ma przyjętych standardów dla czujników SWC, w związku z czym weryfikacja danych wymaga pewnej wiedzy na temat przewidywanej reakcji czujnika i pewnego zaufania do samego czujnika. Oba wymagają praktycznego doświadczenia i najlepszych praktyk, które są przestrzegane w terenie (tj. konserwacja i inspekcje na miejscu). Jeśli nietypowe problemy z wydajnością, przedstawione w Rysunek 11, stają się chroniczne, istnieje duże prawdopodobieństwo awarii czujnika i należy go wymienić.

Czujniki elektromagnetyczne nie mają ruchomych części, a przewody i obwody są zazwyczaj solidne. Po 3 latach Texas Soil Observation Network zgłosiła 2% wskaźnik awaryjności czujników oscylatora linii transmisyjnej²¹. Po ponad 10 latach pracy U.S. Climate Response Network odnotowała wyraźny wzrost awaryjności czujników impedancji na poziomie 15-18 sond na 100 w latach 2014-2017³⁶. Jak przedstawiono w Rysunek 11, większość czujników SCAN miała ponad 20 lat przed awarią. Preferowana jest wymiana czujnika przed awarią, aby można było ponownie ocenić czujnik w powietrzu, wodzie i piasku w celu sprawdzenia dryftu w stosunku do wartości sprzed wdrożenia, jeśli zostały one zarejestrowane (np. krok 1), między innymi. Rutynowa wymiana jest nieco niepraktyczna w przypadku czujników SWC i rzadko wykonywana w dużych sieciach, a my nie jesteśmy świadomi żadnych długoterminowych ocen zmian elektromagnetycznych czujników SWC w czasie. Sieć USCRN jest obecnie migrowana do nowej technologii czujników po ponad 10 latach korzystania z czujników pojemnościowych. Plan jest taki, aby co najmniej 2 lata nakładać się na siebie starych i nowych czujników, aby można było dokonać wszelkich regulacji.

Regularne wizyty konserwacyjne powinny obejmować weryfikację danych SWC, najlepiej w różnych warunkach wilgotności. Można to osiągnąć pośrednio za pomocą przenośnego czujnika, najlepiej skalibrowanego do niektórych próbek gleby lub bezpośrednio do wolumetrycznych rdzeni glebowych pobranych na miejscu. Najlepszym podejściem jest porównanie odczytów czujnika in situ z SWC z wolumetrycznych próbek gleby na równoważnych głębokościach³⁷ (Rysunek 12). Planowa konserwacja powinna uwzględniać szereg warunków wilgotności gleby, aby można było porównać prostą regresję między bezpośrednimi/pośrednimi pomiarami SWC a zbieżnymi odczytami czujników. Głębsze pobieranie próbek gleby można wykonać w otworach świdrowych lub za pomocą mechanicznych urządzeń rdzeniowych. Weryfikacja czujników powierzchniowych (np. 5 i 10 cm) może być wystarczająca, ponieważ głębsze czujniki powinny wykazywać podobną charakterystykę reakcji na PPT, jak omówiono wcześniej. Istnieje kilka ograniczeń tej oceny post hoc SWC. Podstawową wadą jest to, że próbki objętościowe nie mogą (ani nie powinny) być pobierane bezpośrednio z czujników i mogą nie być w pełni reprezentatywne dla SWC w przestrzeni wykrywania wokół zębów (w promieniu 3 cm). Prowadzi to do drugiej wady; Do uzyskania reprezentatywnej wartości SWC pola może być potrzebnych znacznie więcej miejsc i głębokości próbkowania. Może to również spowodować wiele i zakłóceń wokół witryny. Trzecią wadą jest trudność w uzyskaniu objętościowych próbek gleby na głębokości bez wykopów, które zaburzają profil glebowy.

Rysunek 12: Dane wolumetryczne SWC. Dane SWC z rdzeni glebowych o grubości 60^cm3 pobrane jako dane kalibracyjne w terenie w porównaniu z danymi SWC z czujników in situ na głębokości 15, 30, 45 i 60 cm, w teksturach od gliniastych, drobnego piasku po glinę. Ten rysunek został zaadaptowany z Evett et al.³⁷. Skrót: SWC = zawartość wody w glebie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

NRCS opracowało metodę pobierania próbek gleby w otworach świdra za pomocą objętościowej rurki do pobierania próbek (sonda w stylu Madera) na pręcie przedłużającym dla próbek na dnie otworu świdra³⁸. Te bezpośrednie pomiary można również łączyć z pomiarami pośrednimi z czujników przenośnych^37,39,40 w celu zapewnienia skalibrowanej oceny reprezentatywności przestrzennej czujników in situ^13,41. Jak opisano w kroku 10.10 protokołu, proces ten można powtórzyć, aby umożliwić pewnym wskaźnikom (np. błędowi średniokwadratowemu, odchyleniu, korelacji) określenie wszelkich ostatnich odchyleń czujników in situ od bezpośredniego pobierania próbek lub pośrednich oszacowań SWC. Więcej szczegółów przedstawia również Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej IAEA⁷. Dane z wykopów glebowych i charakterystyki przedstawione w krokach 3 i 5 dostarczają również danych na temat φ (SWC nie powinien przekraczać tej wartości). Tekstura gleby i horyzontalizacja ilustrują strefy o wysokiej/niskiej przewodności i zatrzymywaniu wody w glebie. Kroki te są bardzo zgodne z protokołem pobierania próbek gleby leśnej²⁵. Żądana skala reprezentatywności może być użyta do zebrania zestawu danych walidacji, a następnie stacja może zostać przeskalowana do zweryfikowanego footprintu⁴². W przypadku wymiany czujnika typu stacji rozsądne byłoby zebranie kolejnego zestawu danych walidacyjnych w różnych warunkach glebowo-wodnych, aby ponownie uchwycić odchylenie instalacji.

Pomocnicze zestawy danych mogą pomóc w weryfikacji i ocenie danych SWC. Oczywiste jest, że hydrologiczne szeregi czasowe są znacznie ulepszone dzięki zainstalowanemu na miejscu miernikowi PPT w celu weryfikacji czasu, czasu trwania i wielkości zdarzeń. Czujniki potencjału matrycowego gleby dostarczają informacji o stanie energetycznym wody w glebie, co ma kluczowe znaczenie dla ilościowego określenia dostępności wody dla roślin. Czujniki meteorologiczne, w tym temperatury powietrza, wilgotności względnej, prędkości wiatru i natężenia promieniowania słonecznego, umożliwiają bezpośrednie obliczanie ewapotranspiracji referencyjnej (ET), która jest przydatną wskazówką dotyczącą względnego poboru wody przez rośliny, a tym samym szybkości wysychania gleby⁴³. Dostępnych jest kilka ekonomicznych czujników pogodowych typu "wszystko w jednym" z wyjściem SDI-12. Informacje o poziomie wód gruntowych z przetwornika ciśnienia są kolejnym cennym pomiarem, jeśli zwierciadło wody znajduje się blisko powierzchni i można zainstalować studnię monitorującą. Wreszcie, kamera terenowa może zapewnić zarówno wartość naukową, jak i wartość dla bezpieczeństwa obiektu. Obrazy cyfrowe mogą rejestrować wzrost roślinności i zieleń⁴⁴, a ogólny stan stacji można ocenić bez wizyty w terenie.

Tabela uzupełniająca S1: Powszechne (ale nie włącznie) technologie czujników SWC in situ. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Tabela uzupełniająca S2: Dzienniki historii czujników pobrane z bazy danych on-line NRCS dla wszystkich miejsc przedstawionych w tym protokole. Dane dostępne za pośrednictwem każdego adresu URL. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Tabela uzupełniająca S3: Dane terenowe i charakterystyka gleby dla przykładów danych przedstawionych w Rysunek 11. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Stan wilgotności gleby jest wynikiem wielu różnych czynników środowiskowych, w tym opadów, roślinności, nasłonecznienia i wilgotności względnej, a także właściwości hydraulicznych i fizycznych gleby. Oddziałują one na siebie w przestrzeni i czasie w różnych skalach przestrzennych i czasowych. Aby modelować i prognozować obiegi wody, energii i węgla, konieczne jest zrozumienie stanu SWC. Jednym z najpopularniejszych rodzajów zautomatyzowanych technologii pomiarowych jest elektromagnetyczny czujnik SWC z zębami przeznaczonymi do umieszczania in situ w niezakłóconej glebie. Protokół ten ma na celu zapewnienie wskazówek dotyczących procesu instalowania tych popularnych typów czujników do zakopywania. Dokładność, wydajność i koszt są zazwyczaj proporcjonalne do częstotliwości pracy czujników; Czujniki o niższej częstotliwości kosztują mniej, ale są bardziej zagmatwane przez czynniki glebowe i środowiskowe⁴⁵. Kalibracja specyficzna dla gleby lub miejsca może poprawić dokładność czujników o niższej częstotliwości. Metoda pomiaru wpływa również na wydajność czujnika ze względu na fizykę leżącą u podstaw pola elektromagnetycznego (EMF).

Dwa główne prawa fizyki elektromagnetycznej rządzą wykrywaniem elektromagnetycznym. Jednym z nich jest prawo Gaussa, które opisuje, w jaki sposób rozchodzące się pole elektromagnetyczne czujnika zależy zarówno od ε, jak i BEC ośrodka. Przenikalność elektryczna wzrasta wraz z SWC, jednak wraz z nią rośnie również BEC. Dlatego na czujniki zależne od prawa Gaussa mają wpływ SWC, BEC i wpływ temperatury na BEC, a także wszelkie zakłócenia spowodowane zasoleniem. Metody wykrywania pojemności są zgodne z prawem Gaussa, a zatem są bardziej podatne na te efekty⁴⁶. Dodatkowo prawo Gaussa opisuje zależność pojemności od czynnika geometrycznego, który zmienia się wraz z kształtem pola elektromagnetycznego w glebie. Badania wykazały, że kształt pola elektromagnetycznego zmienia się wraz ze strukturą gleby i przestrzenną zmiennością zawartości wody wokół zębów czujnika w niewielkiej skali. Niewielka przestrzenna zmienność zawartości wody i struktury gleby jest duża w większości gleb, co powoduje zmiany czynników geometrycznych i wynikające z nich zmiany pojemności, które mają niewiele wspólnego ze średnimi zmianami zawartości wody w glebie w masie. Czynniki te zmniejszają dokładność czujnika pojemnościowego i zwiększają zmienność danych 46,47,48. Metody impedancji i oscylacji linii transmisyjnej również zależą od prawa Gaussa, podczas gdy metody reflektometrii w dziedzinie czasu i transmissometrii w dziedzinie czasu zależą od równań Maxwella, które nie zawierają czynnika geometrycznego i nie są zależne od BEC. Chociaż żaden czujnik nie jest bezproblemowy, metody w dziedzinie czasu są znacznie dokładniejsze i mniej stronnicze niż metody oparte na pojemności lub impedancji.

Procedura składa się z kilku krytycznych etapów. W przypadku sieci rzadkiej potrzebny jest odpowiedni wybór lokalizacji i lokalizacja czujnika, aby uzyskać najbardziej odpowiednią reprezentację przestrzenną SWC. Na wybór lokalizacji większy wpływ mogą mieć czynniki zewnętrzne, takie jak dostęp do gruntów lub inne wymagania dotyczące monitorowania atmosfery, w przypadku których wilgotność gleby jest pomiarem pomocniczym. Stanowiska meteorologiczne w skali mezologicznej znajdują się na szerokich i otwartych, dobrze wypielęgnowanych powierzchniach trawiastych, aby zminimalizować wszelkie wpływy w skali mikro. Takie lokalizacje mogą być mniej idealne do monitorowania SWC. W stosownych przypadkach należy rozważyć technologie czujników bezprzewodowych 49,50,51,52,53, aby umożliwić monitorowanie SWC z dala od istniejącej stacji monitorowania środowiska i w reprezentatywnym gruncie. Praca związana z aktywnymi pracami rolniczymi i sprzętem nawadniającym jest wyzwaniem. Większość sieci (np. SCAN i USDA-ARS) pozostaje na obrzeżach pól, aby uniknąć czynności uprawowych, takich jak pługi lub kombajny, które mogą przecinać kable i odkopywać czujniki. Każdy czujnik i kabel in situ muszą być wystarczająco zakopane i mieć wystarczająco niski profil powierzchni, aby uniknąć wnioskowania podczas operacji w gospodarstwie. Bardziej odpowiednie mogą być systemy bezprzewodowe⁵³ i wymienne czujniki odwiertów⁴⁷. Ochrona wód gruntowych za pomocą nawadniania na dużą skalę w oparciu o wilgotność gleby⁵⁴ to rosnące pole do uprawy dla czujników SWC; Protokół ten odnosi się do przestrzennie reprezentatywnych długoterminowych danych SWC w glebach nienaruszonych.

Niektóre gleby są trudniejsze do zmierzenia niż inne. Na glebach skalistych, żwirowych lub bardzo suchych włożenie zębów bez żadnych uszkodzeń może być niemożliwe. Jedną z opcji jest wykopanie dołu z ziemią i ułożenie czujników na miejscu podczas zasypywania, próbując zagęścić do oryginalnego BD. Gleby skaliste mają zwykle niewielką strukturę, która prawdopodobnie zagoi się po kilku cyklach zwilżania i suszenia; Jednak takie zakłócenie może nigdy nie być w pełni reprezentatywne dla hydrologii gleby w tym miejscu. Alternatywnie, jeśli czujniki są zainstalowane na dnie otworów ślimaka, usuniętą glebę można przesiać w celu usunięcia kamieni i ponownie zapakować do otworu na tyle głęboko, aby pomieścić zęby czujnika. Czujnik można następnie zainstalować pionowo, a otwór ślimaka ponownie wypełnić pozostałą nieprzesianą glebą, z częstym zagęszczaniem w miarę dodawania gleby.

Korzenie w glebie leśnej stanowią podobne wyzwanie dla wprowadzenia sondy, jednak w niektórych sytuacjach korzenie mogą zostać odcięte. Gleby leśne często mają poziomy organiczne (O) na powierzchni gleby mineralnej, która może mieć bardzo niską BD i dużą powierzchnię właściwą, z dużymi ilościami związanej wody, co skutkuje bardzo nieliniowymi reakcjami czujnika przy wyższych SWC⁵⁵. Co więcej, praktyk ustawia zerowy punkt odniesienia jako szczyt horyzontu O lub glebę mineralną - odnotowując, który w metadanych. Gleby bogate w glinę i ekspansywne gliny o wysokim potencjale kurczenia się/pęcznienia mogą bardzo przewodzić sygnały elektromagnetyczne, gdy są mokre i mogą pękać po wyschnięciu. Takie gleby mogą wymagać dodatkowych poprawek, aby uzyskać rozsądne SWC z surowych pomiarów ^56,57. W płytkich glebach przed osiągnięciem idealnej maksymalnej głębokości można napotkać podłoże skalne lub ograniczony horyzont glebowy (np. caliche lub twardą patelnię). Może być konieczna zmiana lokalizacji lub po prostu nieinstalowanie głębszych czujników. Nadmiernie suche lub mokre gleby mogą być wyzwaniem, dlatego lepiej jest wybrać daty instalacji poza ekstremalnymi warunkami sezonowymi. Sucha gleba może być bardzo mocna i może się okazać, że włożenie czujnika bez uszkodzenia jest niemożliwe. W razie potrzeby wstępnie nawiercone otwory można wypełnić wodą, aby zmiękczyć powierzchnię wykopu, chociaż może minąć trochę czasu, zanim gleby powrócą do naturalnego stanu. Wilgotne gleby mogą być zbyt słabe, aby podeprzeć powierzchnie wykopów lub wykop może wypełnić się wodą. Łatwiej jest również nadmiernie zagęścić mokrą glebę.

Dane wyjściowe czujnika powinny obejmować przenikalność elektryczną, a nie tylko SWC, aby można było później dokonać korekt lub kalibracji specyficznych dla gruntu. Czujniki o wyższej częstotliwości są bardziej odpowiednie w glebach o wysokim BEC, podczas gdy krótsze zęby mogą być łatwiejsze do zainstalowania na bardziej zwartych glebach. Być może najważniejszym krokiem jest jednak kontakt z glebą; Słaby kontakt pogarsza sygnał z dowolnego czujnika elektromagnetycznego. Wreszcie, zasypywanie wykopu brzmi trywialnie, ale jest kluczem do zminimalizowania preferencyjnego przepływu w obszar czujników, ochrony kabli i zniechęcenia zwierząt do zakłócania spokoju na tym obszarze. Kalibracja specyficzna dla gleby lub miejsca może poprawić dokładność czujnika, ale wymaga większej szczegółowości niż jest to możliwe w tym protokole. Gleby polowe dostosowane lub ponownie zapakowane do różnych poziomów SWC są idealne do sprawdzenia liniowości odpowiedzi i mogą służyć jako kalibracja specyficzna dla danego miejsca dla niektórych typów czujników²¹. Ciecze dielektryczne mogą być również skutecznymi mediami do sprawdzania odpowiedzi czujnika⁵⁸. Kąpiele wodne z kontrolowaną temperaturą mogą być stosowane w celu poprawy kalibracji temperatury gleby⁵⁹. Protokół ten jest pierwszym krokiem w kierunku ustanowienia standardowej procedury operacyjnej dla instalacji czujników SWC in situ, ponieważ nie istnieje żadna istniejąca metoda, ani żadna akceptowana metoda kalibracji czujników SWC^60,61.

Chociaż monitorowanie SWC było przedmiotem tego protokołu, metoda ta ma ograniczenia, a sam SWC nie jest w stanie dać pełnego obrazu stanu wody w glebie. Wiele procesów ekosystemowych jest również regulowanych przez potencjał wodny gleby, który rzadziej mierzy się in situ⁶². Potencjał wodny gleby, niedawno zbadany przez S. Luo, N. Lu, C. Zhang i W. Likos ⁶³, to stan energetyczny wody; takie czujniki mogą mieć mniejszy wpływ na właściwości gleby i zapewniają kontrolę jakości czujników SWC⁶⁴. Ponadto pole masowe SWC obejmuje żwiry, skały, korzenie i puste przestrzenie (np. preferencyjne ścieżki przepływu). In situ Czujniki SWC są zazwyczaj umieszczane wokół skał i korzeni, a ograniczona objętość pomiarowa, skoncentrowana wokół zębów, może pomijać dyskretne, ale ważne aspekty SWC w polu masowym.

Miejmy nadzieję, że protokół ten doprowadzi do bardziej zharmonizowanych i jednolitych danych SWC dla szerokiego zakresu zastosowań, w tym monitorowania suszy, prognozowania zaopatrzenia w wodę, zarządzania działem wodnym, zarządzania rolnictwem i planowania upraw. Pojawienie się platform teledetekcyjnych⁴ znacznie zwiększyło możliwości szacowania SWC w skali globalnej, ale produkty te wymagają walidacji naziemnej, która nadal jest w rozsądny sposób zbierana tylko przez sieci in situ ⁶⁵. Postęp komputerowy pozwolił na opracowanie modelowania SWC w hiperrozdzielczości⁶⁶ , co pozwoliło na uzyskanie wysokiej rozdzielczości i statusu SWC poniżej dnia, ale produkty te wymagają również oszacowań SWC in situ , aby zapewnić pewną podstawę do obliczania niepewności. Często pierwszym pytaniem zadawanym przy wprowadzaniu nowego produktu jest "jaka jest niepewność?". W przypadku produktów SWC podstawowym porównaniem do celów walidacji są dane sieciowe in situ ⁶⁷.

W ostatnim czasie nastąpiła rozbudowa sieci związana z Krajową Skoordynowaną Siecią Monitorowania Wilgotności Gleby (NCSMMN), w tym projekt Korpusu Inżynieryjnego Armii Stanów Zjednoczonych dotyczący wilgotności gleby w górnym dorzeczu rzeki Missouri oraz wspierana przez NOAA rozbudowa sieci południowo-wschodnich Stanów Zjednoczonych, wszystkie mające na celu poprawę przewidywania, monitorowania zagrożeń wodnych i zapewniania wsparcia w podejmowaniu decyzji dotyczących zarządzania zasobami. Pewność i dokładność oszacowań SWC dla takich aplikacji można osiągnąć tylko dzięki dokładnym protokołom i procedurom, które zapewniają pewność co do integralności danych. NCSMMN to kierowany przez rząd federalny, wieloinstytucjonalny wysiłek, który ma na celu zapewnienie pomocy, wskazówek i wsparcia poprzez budowanie społeczności praktyków wokół pomiaru, interpretacji i zastosowania wilgotności gleby - "sieci ludzi", która łączy dostawców danych, badaczy i społeczeństwo⁶⁸. Protokół ten jest wynikiem działań NCSMMN. Wkrótce zostanie przeprowadzony proces kontroli jakości danych.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Komponenty systemu, niezbędne			Ten system jest typową mikrostacją stosowaną w sieci wilgotności gleby TxSON. Stacja meteorologiczna TxSON jest wymieniona w sekcji Komponenty opcjonalne. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034
Akumulator szczelnie zamknięty akumulator 12 V 12 AH	Campbell Naukowy	BP12	Minimalny regulator ładowania 7 amperogodzin (AH)
	Campbell Scientific	CH200	Regulator ładowania, potrzebny do każdego nieregulowanego przewodu do paneli słonecznych
, harmonogram 40 PVC, średnica od 1 do 2 "		artykułami gospodarstwa domowego	Średnica dobrana odpowiednio do liczby czujników i grubości. Długość zależna od wysokości obudowy
Oprogramowanie do pozyskiwania danych	Campbell Scientific	PC400	Darmowe wersje z ograniczoną programowalnością, do bardziej podstawowych zastosowań, ręcznego pobierania i prostych konfiguracji czujników
Platforma kontroli danych	Campbell Scientific	CR300	Wystarczy dowolny DCP kompatybilny z SDI-12. Wiele z nich ma również zintegrowane modemy komórkowe
Obudowa (NEMA), 10 x 12 cali, -DC 2 kanały kablowe, -MM mocowanie masztu statywowego	Campbell Scientific	ENC10/12-DC-MM	Do przyrządów naziemnych i podziemnych wymagane są dwa dolne kanały
Słup montażowy (47 cali) z nogami cokołu	Campbell Scientific	CM305-PL	Mniejsza powierzchnia, niewystarczająco wysoka dla czujników pogodowych
Deszczomierz z 8 calami. Kryza, 20 stóp	Campbell Scientific	TE525WS-L20-PT	Zaleca się zainstalowanie deszczomierza na oddzielnym pionowym słupie w pewnej odległości od stojaka na przyrządy
Czujniki, reflektometr zawartości wody 12 cm, o długości 17 stóp, adres -VS SDI-12 jest różny	Scientific	CS655-17-PT-VS	Zobacz Uzupełnij tabelę 1, aby uzyskać więcej opcji
Panel słoneczny, 20 W	Campbell Scientific	SP20	Użyj paneli o wyższej mocy dla lokalizacji północnych i niższych dla lokalizacji południowych o wyższej ekspozycji
< mocnych> komponentów systemu, opcjonalnie
Antena komórkowa, wielozakresowa dookólna 2 dB	Campbell Naukowy	32262	Anteny kierunkowe mogą poprawić sygnał, jeśli lokalizacja wieży jest znana.
Modem komórkowy do Verizon/ATT	Campbell Scientific	CELL210/205	Dostawca jest zależny od lokalizacji
Montaż Crossarm, 4 stopy	Campbell Scientific	CM204	Idealny do montażu czujników o długości 2 m
Oprogramowanie do pozyskiwania danych, zaawansowane	Campbell Scientific	Loggernet	Bardziej zaawansowany program komercyjny, który obejmuje opcje zdalnej komunikacji i zaawansowane programowanie
Stal perforowana na szynę DIN Phoenix	Contact	1207639	Służy do montażu listew zaciskowych wewnątrz obudowy
Rura wodna ze stali ocynkowanej, średnica 1,5 lub 2 cale, długość 10 stóp Każdy	sklep		z artykułami gospodarstwa domowegoNajbardziej ekonomiczna opcja dla masztu instrumentalnego. Można przyciąć na długość. Zastępuje 47-calowy słup montażowy z nogami
Statyw instrumentalny, 10 stóp ze stali nierdzewnej z zestawem uziemiającym	Campbell Scientific	CM110	Wyższy statyw przyrządów do czujników meteorologicznych o długości 2 m
Złącza z nakrętką dźwigni, pięć portów (Rysunek 5)	Digi-Key	222-415/VE00/1000	Podłącz jeden przewód SDI-12 do 4 przewodów czujnika. Alternatywa dla szyny DIN.
modemu zerowego	Campbell Naukowy	18663	wejściowy między DCP a modemem. Nie jest wymagane w przypadku zintegrowanych modemów komórkowych
Mostek wtykowy - FBS 3-5	Phoenix Contact	3030174	Służy do łączenia złączy wielu złączek szynowych. Dostępne w mouser.com
Secure Set Foam, zestaw 10 słupków (2 galony)	Każdy sklep		Alternatywny do betonu w przypadku korzystania z masztu z rur stalowych lub słupa do pomiaru opadów. Dwuskładnikowa mieszanka piankowa
Czujnik, temperatura powietrza i wilgotność względna, 10 stóp	Campbell Naukowy	HygroVUE10-10-PT	Opcja niższej dokładności i nacisku. Wymienne chipy to najszybszy sposób na spełnienie rocznych cykli kalibracji.
Czujnik, piranometr promieniowania słonecznego, cyfrowy termopil	Campbell Naukowy	CS320	Najtańszy, klasa ISO C (druga klasa). Dostępne są lepsze opcje, ale znacznie droższe
Czujnik, anemometr prędkości wiatru, o długości 10 stóp	Met One	014A-10	Droższe opcje obejmują czujnik kierunku wiatru lub soniczny bez ruchomych części
Osłona słoneczna czujnika temperatury i wilgotności względnej powietrza	Campbell Scientific	RAD10E	Wszystkie czujniki temperatury powietrza wymagają osłonięcia przed słońcem
Listwy zaciskowe (Rysunek 5), przepustowe	Phoenix Contact	3064085	Najbezpieczniejsza metoda łączenia wielu przewodów czujników SDI-12. Dostępne w mouser.com
Narzędzia terenowe, niezbędne
torby do zamrażania: wielkości kwarty i galonu	Każdy sklep		Przechowywanie próbek gleby pobranych do charakterystyki
Różne narzędzia do kopania, w tym ręczna łopata, płaska łopata i spiczasta łopata	Każdy sklep		Narzędzia zapasowe wspomagające wykopy"
Łopata (strzelec wyborowy) 16 cali. Łopata drenażowa	Razorback		Ręczne narzędzie do kopania dołu z ziemią. Każdy wąski spiczasty szpadel będzie działał.
Łopata, kopanie rowów, stalowe ostrze o szerokości 4 cali		z artykułami gospodarstwa domowego	Idealne narzędzie do kopania rowów do zakopywania lub przewodów
Świder gruntowy (< 4 średnicy) z uchwytem w kształcie litery T lub i przedłużaczem w zależności od potrzeb do otworów testowych	AMS Samplers	400.06	Zalecany do otworów testowych. Typ ślimaka powinien pasować do gleby, ale "zwykły" dobrze sprawdza się na większości gleb
Plandeka (plastikowa) lub arkusz sklejki	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego	Zarządzanie glebą podczas kopania i kopania rowów
belka do kopania	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego	Przydatny do rozbijania skał i wycinania korzeni podczas kopania
		350207799	Zaleca się cięcie paneli ogrodzeniowych na odcinki 8'
Pick mattock lub pulaski	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego	Doskonały do spulchniania na twardych lub kamienistych glebach
Ślimak do otworów po słupku Hydrauliczne holowanie z tyłu ze ślimakiem o średnicy 18 "	Wypożyczalnie pasów słonecznych	700033	Wynajem sprzętu do kopania mechanicznego
Koparka do otworów słupowych, uchwyt 48 cali	Każdy sklep		Przydatny do usuwania gleby na dnie wykopu lub do otworów testowych
Stalowe słupki ogrodzeniowe, 6 stóp wysokości i sterownik słupka ogrodzeniowego, ~ 14 funtów.		z artykułami gospodarstwa domowego	Podpora i montaż ogrodzeń
Grabie stalowe	Każdy sklep		Idealny do wygładzania naruszonej gleby na terenie pola
Every Day Carry (EDC), zalecenia dotyczące każdej torby narzędziowej technika terenowego
Klucz nastawny z izolowanym uchwytem			z artykułami gospodarstwa domowego
Różne opaski zaciskowe odporne na promieniowanie UV	Każdy sklep		Krytyczne dla schludnego okablowania
Szczypce do cięcia bocznego	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego	Skuteczny sposób na cięcie lekkich i ciężkich drutów oraz przecinanie opasek zaciskowych
			Idealnie byłoby, gdyby wszystkie te elementy znajdowały się na Twoim smartfonie
Multimetr cyfrowy	Każdy sklep		Kluczowe narzędzie do rozwiązywania problemów z zasilaniem i łącznością w systemach elektrycznych
Taśma izolacyjna	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa		domowego Do etykietowania można użyć taśmy innej niż
Budynka dla elektryków do wypełniania otworów wejściowych obudów		z artykułami gospodarstwa domowego	Potrzebny do zamknięcia i uszczelnienia wszystkich portów kablowych w obudowie
Zestawy kluczy imbusowych zarówno w rozmiarach standardowych, jak i metrycznych	Każdy sklep		Wymagane do wielu mocowań czujników
Magnetyczny poziom torpedy (od 8 do 12")	Każdy sklep		z artykułami gospodarstwa domowegoPotrzebne do ustawienia stojaka na instrumenty w pionie i wypoziomowania wszelkich czujników meteorologicznych
Taśma miernicza metryczna	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego	Krytyczne do wkładania sond i pobierania próbek gleby - oba używają głębokości metrycznych.
Szczypce: z końcówką igły, dróżnikiem i blokadą kanału	Każdy sklep		Szczypce dróżnika są niezbędne do mocowania ogrodzeń z drutu.
Przenośne wiertarki, bity, klucze nasadowe	Każdy sklep
Klucz grzechotkowy i odpowiednie rozmiary nasadek		artykułami gospodarstwa domowego	Klucze grzechotkowe mogą dostać się do ciasnych przestrzeni wokół mocowań czujników, gdzie standardowe klucze oczkowe nie działają
Bezpieczeństwo: apteczka, woda (5 galonów),  worki na śmieci, rękawiczki, krem przeciwsłoneczny, środek odstraszający owady	Każdy sklep
Śrubokręty: małe i duże rozmiary z izolowanymi uchwytami		z artykułami gospodarstwa domowego	na DCP i listwach zaciskowych są bardzo małe. Wymagane są małe główki płaskie i krzyżakowe. Przydadzą się również większe narzędzia Sharpies
, ołówki i notatnik	Dostawca		Podstawowe prowadzenie dokumentacji jest niezbędne dla metadanych
Drabina stojąca, 6 stóp	Każdy sklep		Trudne do zainstalowania czujniki 2 m bez drabiny
Nóż uniwersalny i nóż do pudełek	Każdy sklep
Kontrola roślinności: nożyce ręczne, wyrywacze chwastów, piła	Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego		W zależności od środowiska, roślinność może szybko przytłoczyć ogrodzony teren.
Szczypce do ściągania izolacji (8-20 gage)	Każdy sklep		Niezbędne narzędzie do przygotowania przewodów do włożenia do DCP lub listew zaciskowych. Samoregulujące się ściągacze izolacji to najnowsze wściekłe
< mocne > roczne materiały konserwacyjne< / mocne>
Środek do czyszczenia baterii (soda oczyszczona) i szczotka	Każdy sklep
Czyszczenie: sprężone powietrze, alkohol izopropylowy, szczoteczka do zębów, środki do czyszczenia rur, ręczniki papierowe	Każdy sklep
Środek osuszający, torebki z żelem krzemionkowym	Clariant	Desi Pak	Wielokrotnego użytku po wysuszeniu w piekarniku w temperaturze 105 stopni C przez ponad 24 h. Wymieniaj co roku.
Urządzenie do kalibracji w terenie dla deszczomierza	R.M. Young	52260	Urządzenie, które kapie wodą do deszczomierza z różną intensywnością
Ręczny miernik pogody	Kestrel Instruments	0830	Bezpośredni pomiar temperatury powietrza, wilgotności względnej i prędkości wiatru w celu weryfikacji w terenie
Torby do zamrażania o pojemności jednej kwarty i jednego galona	Każdy sklep		Przechowywanie dowolnych grawimetrycznych próbek gleby
Przenośny czujnik wilgotności gleby	Delta-T Devics	SM150T	Istnieje wiele czujników. Zobacz ocenę w https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033
Próbnik rdzenia glebowego, 2-1/4 cala. Średnica	Soilmoisture Equipment Corp.	0200	Grawimetryczny próbnik wilgotności i gęstości nasypowej gleby

Każdy sklep z Campbell z artykułami gospodarstwa domowego spożywczy z artykułami gospodarstwa domowego Każdy sklep < mocny> narzędzia polowe, opcjonalnie2,000 funtów Minikoparka Sunbelt Rentals 350110 Wynajem sprzętu do kopania mechanicznego Breaker lub Ocynkowany panel ogrodzeniowy dla bydła, 16 stóp x 50 cali Tractor Supply Co.  z artykułami gospodarstwa domowego Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego Aparat cyfrowy, GPS i kompas Różne  z artykułami gospodarstwa domowego Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego z artykułami domowymi z artykułami gospodarstwa domowegoKażdy sklep z z artykułami gospodarstwa domowegoKażdy sklep leśnictwa z artykułami gospodarstwa domowego z artykułami gospodarstwa domowego z artykułami gospodarstwa domowego spożywczyspożywczy spożywczy