Name: Produkcja prostych i niedrogich czujników temperatury powierzchni gleby i grawimetrycznej zawartości wody (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-12-21T11:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 49 s
Description: Naucz się budować proste czujniki temperatury i wilgotności powierzchni gleby do badań ekologicznych. Ta metoda pozwala mierzyć mikroklimat w górnych pięciu milimetrach gleby i oceniać jego wpływ na organizmy oraz strumienie gazów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

<ol><li>Phillipot, L., Hallin, S., Schloter, M. Ecology of denitrifying prokaryotes in agricultural soil. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPhillipot%2C+L+%22Advances+in+Agronomy%22">Advances in Agronomy</a>. Sparks, D. L. 96, Elsevier B.V. San Francisco, CA, USA. 249-330 (2007).</li>
<li>Grote, E. E., Belnap, J., Housman, D. C., Sparks, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+exchange+in+biological+soil+crust+communities+under+differential+temperatures+and+soil+water+contents%3A+implications+for+global+change%5BTitle%5D)+AND+%22Global+Change+Biology%22%5BJournal%5D)">Carbon exchange in biological soil crust communities under differential temperatures and soil water contents: implications for global change.</a> Global Change Biology. 16 (10), 2763-2774 (2010).</li>
<li>Thompson, K., Grime, J. P., Mason, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seed+Germination+in+response+to+diurnal+fluctuations+in+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Seed Germination in response to diurnal fluctuations in temperature.</a> Nature. 267, 147-149 (1977).</li>
<li>Doneen, L. D., MacGillivray, J. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Germination+%28emergence%29+of+vegetable+seed+as+affected+by+different+soil+moisture+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Plant+Physiology%22%5BJournal%5D)">Germination (emergence) of vegetable seed as affected by different soil moisture conditions.</a> Plant Physiology. 18 (3), 524-529 (1943).</li>
<li>Kirshbaum, M. U. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+temperature+dependence+of+soil+organic+matter+decomposition%2C+and+the+effect+of+global+warming+on+soil+organic+C+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Soil+Biology+and+Biochemistry%22%5BJournal%5D)">The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage.</a> Soil Biology and Biochemistry. 27 (6), 753-760 (1995).</li>
<li>Garcia-Pichel, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Small-scale+vertical+distribution+of+bacterial+biomass+and+diversity+in+biological+soil+crusts+from+arid+lands+in+the+Colorado+Plateau%5BTitle%5D)+AND+%22Microbial+Ecology%22%5BJournal%5D)">Small-scale vertical distribution of bacterial biomass and diversity in biological soil crusts from arid lands in the Colorado Plateau.</a> Microbial Ecology. 46, 312(2003).</li>
<li>Belnap, J., Büdel, B., Lange, O. L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBelnap%2C+J+%22Biological+Soil+Crusts%3A+Structure%2C+Function%2C+and+Management%22">Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management</a>. Belnap, J., Lange, O. , Springer. Berlin Heidelberg. 263-279 (2003).</li>
<li>Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Observations+of+net+soil+exchange+of+CO2+in+a+dryland+show+experimental+warming+increases+carbon+losses+in+biocrust+soils%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeochemistry%22%5BJournal%5D)">Observations of net soil exchange of CO2 in a dryland show experimental warming increases carbon losses in biocrust soils.</a> Biogeochemistry. 126, 363-378 (2015).</li>
<li>Rutherford, W. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Albedo+feedbacks+to+future+climate+via+climate+change+impacts+on+dryland+biocrust%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Albedo feedbacks to future climate via climate change impacts on dryland biocrust.</a> Scientific Reports. 7, 44188(2017).</li>
<li>Maestre, F. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changes+in+biocrust+cover+drive+carbon+cycle+responses+to+climate+change+in+drylands%5BTitle%5D)+AND+%22Global+Change+Biology%22%5BJournal%5D)">Changes in biocrust cover drive carbon cycle responses to climate change in drylands.</a> Global Change Biology. 19 (12), 3835-3847 (2013).</li>
<li>Weber, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+calibration+of+a+novel+sensor+to+quantify+the+water+content+of+surface+soils+and+biological+soil+crusts%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Ecology+and+Evolution%22%5BJournal%5D)">Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts.</a> Methods in Ecology and Evolution. 7, 14-22 (2016).</li>
<li>Tucker, C. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+concurrent+use+of+novel+soil+surface+microclimate+measurements+to+evaluate+CO2+pulses+in+biocrusted+interspaces+in+a+cool+desert+ecosystem%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeochemistry%22%5BJournal%5D)">The concurrent use of novel soil surface microclimate measurements to evaluate CO2 pulses in biocrusted interspaces in a cool desert ecosystem.</a> Biogeochemistry. 135 (3), 239-249 (2017).</li>
<li>Pierson, F. B., Wight, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variability+of+near-surface+soil+temperature+on+sagebrush+rangeland%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Range+Management%22%5BJournal%5D)">Variability of near-surface soil temperature on sagebrush rangeland.</a> Journal of Range Management. 44 (5), 491-497 (1991).</li>
<li>Jin, M., Dickenson, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Land+surface+skin+temperature+climatology%3A+benefitting+from+the+strengths+of+satellite+observations%5BTitle%5D)+AND+%22Environmental+Research+Letters%22%5BJournal%5D)">Land surface skin temperature climatology: benefitting from the strengths of satellite observations.</a> Environmental Research Letters. 5 (4), 044004(2010).</li>
<li>Lange, O. L. Photosynthesis of soil-crust biota as dependent on environmental factors. Biological soil crusts: characteristics and distribution. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLange%2C+OL+%22Biological+Soil+Crusts%3A+Structure%2C+Function%2C+and+Management%22">Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management</a>. Belnap, J., Lange, O. 18, Springer. Berlin Heidelberg. 217-240 (2003).</li>
<li>Davidson, E. A., Janssens, I. A., Luo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+variability+of+respiration+in+terrestrial+ecosystems%3A+moving+beyond+Q10%5BTitle%5D)+AND+%22Global+Change+Biology%22%5BJournal%5D)">On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10.</a> Global Change Biology. 12 (2), 154-164 (2005).</li>
<li>Wertin, T. M., Belnap, J., Reed, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+warming+in+a+dryland+community+reduced+plant+photosynthesis+and+soil+CO2+efflux+although+the+relationship+between+the+fluxes+remained+unchanged%5BTitle%5D)+AND+%22Functional+Ecology%22%5BJournal%5D)">Experimental warming in a dryland community reduced plant photosynthesis and soil CO2 efflux although the relationship between the fluxes remained unchanged.</a> Functional Ecology. 31, 297-305 (2017).</li>
<li>Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterns+of+longer-term+climate+change+effects+on+CO2+efflux+from+biocrusted+soils+differ+from+those+observed+in+the+short+term%5BTitle%5D)+AND+%22Biogeosciences%22%5BJournal%5D)">Patterns of longer-term climate change effects on CO2 efflux from biocrusted soils differ from those observed in the short term.</a> Biogeosciences. 15 (14), 4561-4573 (2018).</li>
<li>McNeill, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid%2C+Accurate+Mapping+of+Soil+Salinity+by+Electromagnetic+Ground+Conductivity+Meters%5BTitle%5D)+AND+%22Soil+Science+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Rapid, Accurate Mapping of Soil Salinity by Electromagnetic Ground Conductivity Meters.</a> Soil Science Society of America. 30, 209-229 (1992).</li>
<li>Scholz, S., Ruckteschler, N., Gypser, S., Weber, B. Determination of drying and rewetting cycles of moss-dominated biocrusts using a novel biocrust wetness probe. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aScholz%2C+S+%22Poster+session+presented+at+Gf%C3%96+Annual+Meeting%22">Poster session presented at GfÖ Annual Meeting</a>. , (2018).</li>
<li>Rhoades, J. D., Ingvalson, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determining+Salinity+in+Field+Soils+with+Soil+Resistance+Measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Soil+Science+Society+of+America%22%5BJournal%5D)">Determining Salinity in Field Soils with Soil Resistance Measurements.</a> Soil Science Society of America. 35 (1), 54-60 (1971).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Sondy temperatury i wilgotności powierzchni gleby mogą być skutecznymi narzędziami do analizy temperatury i zawartości wody na powierzchni gleby. Z wyjątkiem sond wilgotności bioskorupy (BWP) opracowanych przez Webera i wsp.11, powszechne czujniki temperatury i wilgotności gleby nie mierzą wyraźnie tych zmiennych środowiskowych w górnych kilku milimetrach powierzchni gleby. W momencie opracowywania BWP oszacowały jedynie wilgotność gleby na powierzchni, a nie temperaturę20. Z oryginalnym projektem BWP wykorzystanym jako przewodnik, sondy opisane w tym manuskrypcie zostały opracowane do jednoczesnego pomiaru temperatury i wilgotności, aby ocenić, w jaki sposób te zmienne środowiskowe oddziałują ze sobą, a także z procesami biologicznymi, chemicznymi i fizycznymi zachodzącymi na powierzchni gleby.
Istnieje szereg czynników, które mają na celu zapewnienie optymalnego działania tych sond. Podczas budowy czujnika należy uważać, aby nie przeciąć wewnętrznych osłon i nie odsłonić leżących pod spodem metalowych drutów. Może to prowadzić do różnic w przewodności i przesłuchach między przewodami. Bardzo ważne jest również przetestowanie zarówno termopar, jak i czujników rezystywności dla każdej sondy w tym samym środowisku, aby potwierdzić, że są one prawidłowo skonstruowane i że różnice w odczytach wynikają z fizycznych i chemicznych różnic w mierzonym podłożu glebowym. Podczas procesu kalibracji wystarczająco duża liczba próbek o rezystancji i kalibracje GWC mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego uwzględnienia zmienności substratów glebowych lub bioskorupowych. Ponadto najlepiej jest przetestować tę samą kombinację sondy i podłoża dwukrotnie, od mokrej do suchej, ponieważ często zdarza się, że sondy te "dryfują" z czasem z powodu elektrolizy lub korozji. Ponadto podczas kalibracji ważne jest, aby używać próbek płytkiego podłoża, które są wystarczająco głębokie, aby pomieścić długość sondy (tj. od 6 do 7 mm), tak aby zmierzone masy wody pochodziły z wody głównie w obszarze pomiarów przewodności (między sondami i wokół nich). Gwarantuje to, że zmiany masy wody w glebie są bezpośrednio związane ze zmianami w pomiarach rezystancji sond. Wreszcie, podczas rozmieszczania tych sond w terenie, ważne jest, aby odpowiednio przymocować sondy do powierzchni gleby (np. za pomocą nieprzewodzących palików ogrodowych), co ograniczy zakłócenia w pomiarach przewodności, ale może zapewnić, że czujniki nie zmienią pozycji i nie obniżą jakości pomiarów długoterminowych.
Ważne jest również, aby zwrócić uwagę na pewne ograniczenia tych czujników. Ponieważ sondy rezystywności mają tylko 5 mm długości, na ich pomiary mogą mieć duży wpływ duże, wypełnione powietrzem przestrzenie porowe w podłożach. Duże szczeliny powietrzne wzdłuż sond zmniejszają łączność podłoża i generalnie prowadzą do niższej zmierzonej przewodności, a tym samym do niższej szacowanej zawartości wody, która może nie odzwierciedlać rzeczywistej wilgotności gleby w większych skalach. Podobnie skład chemiczny gleb może wpływać na odczyty wilgotności gleby. Wyższe zasolenie zwiększy przewodność i doprowadzi do wyższych wartości Siemensa21. Oba problemy należy rozwiązać za pomocą odpowiednich kalibracji specyficznych dla podłoża. Jednak niektóre gleby mogą utrzymywać różnice chemiczne lub mieć architekturę przestrzeni o dużych porach, co może sprawić, że będą one złym środowiskiem dla tych czujników. Temperatura wpływa również na przewodność elektryczną gleb i dlatego należy ją wziąć pod uwagę15. W przyszłości powinny być przeprowadzane kalibracje temperatury za pomocą tych czujników, aby określić, jak temperatury zmieniają rezystancję mierzonych podłoży.
Podobnie jak sondy wilgotności bioskorupy opracowane przez Webera i wsp.11, te kalibracje czujników pokazują, że pomiary rezystancji są wiarygodne przy średniej zawartości wody, ale doświadczają pewnych nieprawidłowości przy bardzo wysokiej i niskiej zawartości wody (ryc. 6). Ponadto podczas kalibracji na sucho wartości rezystancji czasami wskazują zero, gdy w próbce substratu nadal znajdowała się woda. Może to być spowodowane tym, że ilość substratu w pojemniku kalibracyjnym jest nieco większa niż obszar zmierzony przez czujnik. Jeśli woda znajdowała się poza obszarem rezystywności, czujnik wskazywałby zero, podczas gdy podłoże nadal zawierało wilgoć. Dołożono wszelkich starań, aby zmniejszyć rozmiar podłoża bez uszczerbku dla pomiarów rezystancji. Wraz ze wzrostem zawartości wody wartości oporu w podłożu maleją, co prowadzi do wyższych mocy produkcyjnych firmy Siemens. Jednak przy najwyższej zawartości wody wartości oporu rosną wraz ze wzrostem zawartości wody. Prowadzi to do "haczyka" w danych kalibracyjnych, jak widać na rysunku 1C. Hak ten był obecny w każdym podłożu używanym do kalibracji, ale był najbardziej widoczny w glebach z drobnym piaskiem (ryc. 6). Weber i wsp.11 sugerują, że potencjalną przyczyną nieprawidłowego wzrostu oporu przy wysokiej zawartości wody jest to, że dodatkowa woda rozcieńcza jony w nasyconych glebach, zwiększając w ten sposób odporność.
Czujniki te są obecnie zależne od korzystania z istniejących technologii multiplekserów i rejestratorów danych. Multiplekser pozwala na "wyłączenie" czujników i wysyła prąd do czujników tylko w zaprogramowanym czasie. Zapobiega to korozji końcówek czujnika wilgotności gleby. Inne firmy elektroniczne dostarczają alternatywy dla rejestratorów danych i multiplekserów dla sond, a programowalne płytki drukowane i komputery mogą być również włączone do bezprzewodowego projektowania czujników temperatury i wilgotności gleby, co może stanowić ekscytujący postęp.
Projektowanie i budowanie czujników pozwala badaczowi na dostosowanie sond do indywidualnych potrzeb. Długością i kierunkiem zębów można manipulować, aby lepiej ocenić wilgotność w różnych podłożach lub na różnych głębokościach. Można zamówić niestandardowe okablowanie, aby umożliwić projekty z wieloma głowicami czujników wychodzącymi z tego samego kabla. Dzięki niedrogim opcjom rejestrowania danych i multipleksera, czujniki te stanowią niedrogą i dostępną opcję dla naukowców do pomiaru temperatury i wilgotności gleby na powierzchni gleby. Obejmuje to pomiar trudnych do uchwycenia zdarzeń, takich jak tworzenie się szronu i rosy (rysunek 8), oraz eksperymentalnych efektów leczenia, takich jak ocieplenie (rysunek 7). Niniejszy artykuł zawiera przewodnik krok po kroku dotyczący budowy czujników powierzchni gleby, które jednocześnie mierzą temperaturę i wilgotność, które mogą być wykorzystywane i udoskonalane przez każdego, kto jest zainteresowany oceną środowiska zbiorowisk bioskorupy i warstw powierzchniowych wielu innych typów gleby.

Czujniki środowiskowe są kluczowymi narzędziami do oceny, monitorowania i zrozumienia dynamiki ekosystemu. Temperatura i wilgotność są podstawowymi czynnikami wpływającymi na procesy biologiczne zachodzące w glebie oraz wpływają na aktywność i skład zbiorowisk organizmów glebowych1,2. Ponadto wykazano, że temperatura i wilgotność wpływają na czas pojawienia się siewek i tempo rozkładu ściółki3,4,5. W ekosystemach suchych powierzchnie gleby niepokryte roślinami naczyniowymi są często pokryte zbiorowiskami mchów, porostów i sinic, znanych jako biologiczna skorupa glebowa (biocrust) (ryc. 1). Zbiorowiska te istnieją na powierzchni gleby i rzadko wnikają głębiej niż kilka milimetrów w głąb gleby6. Biologiczne skorupy glebowe mogą silnie wpływać na stabilizację gleby, infiltrację wody i szybkość parowania, albedo, temperaturę, obieg składników odżywczych oraz wymianę CO2 między glebą a atmosferą7,8,9. Z kolei w przypadku niektórych systemów aktywność tych zbiorowisk powierzchniowych może zdominować ogólne atrybuty gleby i tempo różnych procesów10. Czujniki, które wyraźnie koncentrują pomiary na płytkich głębokościach, mogą pomóc nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób temperatura i wilgotność powierzchni wpływają na kiełkowanie nasion, tempo rozkładu i reakcje fauny i flory gleby, a także na wiele innych funkcji ekosystemu.
Ostatnie osiągnięcia w technologii czujników glebowych pokazały znaczenie przestrzennie wyraźnych pomiarów dla zrozumienia procesów biologicznych na powierzchni gleby11,12. Konwencjonalne metody analizy wilgotności gleby obejmują czujniki umieszczone pod powierzchnią gleby i często integrują pomiary na różnych głębokościach. Wilgotność gleby zarejestrowana przez te sondy może pomóc w lepszym zrozumieniu kontroli środowiskowej organizmów glebowych, ale prawdopodobnie pomija wiele niuansów występujących na powierzchni gleby. Aby jednoznacznie zmierzyć zawartość wody w kilku górnych milimetrach gleby, Weber i in. opracowali niedawno sondy wilgotności bioskorupy (BWP), które określają wilgotność gleby na podstawie przewodności elektrycznej powierzchni gleby do głębokości 3 mm11. Korzystając z czujników Webera w połączeniu ze zintegrowanymi sondami wilgotności od 0 do 5 cm, Tucker i in. wykazali, jak ważne są czujniki wilgotności, które skupiają się na kilku górnych milimetrach powierzchni gleby. W szczególności małe opady, które były bardzo istotne dla aktywności zbiorowisk bioskorupy, nie zostały zarejestrowane dla zintegrowanych sond 0-50 mm (tj. 5 cm) i zostały wykryte tylko przez BWPs12. Czujniki skupione na kilku górnych milimetrach gleby są niezbędne do pomiaru zdarzeń wilgotnościowych, które nie są wystarczająco duże, aby przeniknąć poza powierzchnię, ale są wystarczające do wywołania reakcji fauny i flory na powierzchni.
Temperatura powierzchni gleby to kolejny ważny czynnik środowiskowy napędzający procesy fizjologiczne. Dobowe temperatury powierzchni gleby mogą być bardzo zmienne, szczególnie w przestrzeniach międzyroślinnych, gdzie niezacieniona powierzchnia gleby jest narażona na duże ilości promieniowania słonecznego. Ponadto temperatura jest bardziej zmienna na powierzchni gleby niż głębiej w profilu glebowym13 lub air14. Na przykład Tucker i in. wykazali, że maksymalny dobowy zakres temperatur powierzchni gleby wynosi prawie 60 °C (13-72 °C) występując w ciągu zaledwie 24 godzin. Temperatury te mierzono za pomocą termopar umieszczonych 3 mm w powierzchni gleby. Tymczasem pobliskie sondy temperatury o głębokości 50 mm zmierzyły zakres zaledwie 30 °C (22-52 °C) tego samego dnia12. Termopary wyraźnie mierzące temperaturę na powierzchni gleby wykazały znacznie większą zmienność niż czujniki na głębokości 50 mm, ponieważ gleby powierzchniowe były o 10 °C zimniejsze w nocy i o 20 °C cieplejsze w upale dnia w stosunku do wartości głębokości 50 mm.
Temperatura reprezentuje krytyczną kontrolę nad procesami fizjologicznymi. Na przykład przy stałej wilgotności gleby w warunkach laboratoryjnych straty CO2 z gleby gwałtownie rosną wraz ze wzrostem temperatury w większości ekosystemów2,15,16. Podobnie, dane z polowych badań nad manipulacją klimatem, które mają na celu zwiększenie temperatury powierzchni w stosunku do kontroli, wykazały, że ocieplone gleby uwalniają więcej CO2 niż pobliskie nieogrzewane gleby (przynajmniej w pierwszych latach zabiegów17,18) i że gleby pokryte skorupą biologiczną wykazują podobną reakcję na ocieplenie7,9. Wykazano, że zarówno temperatura, jak i wilgotność są ważnymi zmiennymi środowiskowymi, a czujniki, które mogą dokładnie rejestrować warunki klimatyczne na powierzchni gleby, mogą wyjaśnić, w jaki sposób wpływają one na procesy fizjologiczne organizmów na powierzchni gleby11,12.
Ten artykuł przedstawia czujniki zaprojektowane do pomiaru zarówno temperatury, jak i wilgotności do głębokości 5 mm pod powierzchnią gleby, oferując znaczącą moc w ocenie, jak te zmienne oddziałują i napędzają reakcje biologiczne fauny i flory powierzchniowej. Termopara typu E jest wykonana z dwóch metali (chromu i konstantanu), a zmiany temperatury w metalach wytwarzają różne napięcia, które są rejestrowane przez rejestrator danych. Czujnik wilgotności gleby mierzy rezystancję między dwoma pozłacanymi metalowymi bolcami. Na odporność ma wpływ zawartość wody w glebie, ponieważ więcej wody zwiększa przewodność, a tym samym zmniejsza opór między zębami. Zgodnie z projektem Weber et al.11, czujniki te mierzą wilgotność gleby do głębokości 5 mm i dodatkowo zawierają termoparę do pomiaru temperatury na tej samej sondzie. Czujniki te umożliwiają precyzyjny wgląd w to, jak dynamika temperatury i wilgotności zmieniają się w zgodzie na powierzchni gleby za pomocą jednej sondy. Sondy te dają niezliczone możliwości zbadania, w jaki sposób organizmy żyjące na powierzchni reagują na zmiany w swoim środowisku. Dodatkową zaletą tych czujników jest to, że są one stosunkowo proste i niedrogie w budowie i kalibracji, a naukowcy będą mogli z łatwością zastosować ich zastosowanie.
Poniższy protokół szczegółowo opisuje materiały i metody budowy czujników, w tym zarys podłączenia czujników do rejestratorów danych. Czujniki te wykorzystywały dostępne na rynku rejestratory, ale można było użyć dowolnego rejestratora danych, który można podłączyć do multipleksera. Opisano również metody kalibracji czujników do podłoży będących przedmiotem zainteresowania.

<table><tbody><tr><td>audio z pojedynczym czujnikiem</td><td>alliedelec.com</td><td>Allied Stock #: 70004848</td><td>; 1Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Folia; PVC jkt; </td></tr><tr><td>CMR audio z podwójnym czujnikiem</td><td>alliedelec.com</td><td>Allied Stock #: 70004635</td><td>; 2Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Folia; LSZH jkt; termopary CMG-LS</td></tr><tr><td></td><td>Omega.com</td><td>Część #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Żądana długość)</td><td>Typ E, 24 ga, PFA (pokryty teflonem), skręcony ekranowany, specjalne granice błędu</td></tr><tr><td>Listwa zaciskowa z ośmioma bolcami</td><td>Samtec.com</td><td>MTSW-108-21-G-S-1130-RA Listwa zaciskowa</td><td></td></tr> z <tr><td>czterema bolcami</td><td>Samtec.com</td><td>MTSW-104-21-G-S-1130-RA</td> Listwa zasilająca <td></td></tr><tr><td>z dwoma bolcami</td><td>Samtec.com</td><td>SSW-102-03-G-S</td> 0,13-calowa <td></td></tr><tr><td>rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowym</td><td>McMaster.com</td><td>Część #: 7861K51</td><td></td></tr><tr><td>0,25" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowym</td><td>McMaster.com</td><td>Część #: 7861K53</td><td></td></tr><tr><td>0,38" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowym</td><td>McMaster.com</td><td>Część #: 7861K54</td><td></td></tr><tr><td>0,5" rurka termokurczliwa z uszczelnieniem wilgociowym</td><td>McMaster.com</td><td>Część #: 7861K55</td><td></td></tr><tr><td>Płynna taśma izolacyjna</td><td>McMaster.com</td><td>Część #: 76425A23</td><td></td></tr><tr><td>Rezystor z folii metalowej</td><td>Newark.com</td><td>Część #: RN55C1001BB14</td><td></td></tr><tr><td>Rezystor dzielnika napięcia</td><td>Newark.com</td><td>Część #: 83F1210</td><td></td></tr><tr><td>16- lub 32-kanałowy multiplekser przekaźnikowy</td><td>campbellsci.com</td><td>AM16/32B</td><td>Ten multiplekser przekaźnikowy ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania czujników</td></tr><tr><td>CR1000X Rejestrator danych pomiarowo-kontrolnych</td><td>campbellsci.com</td><td>CR1000X</td><td></td></tr></tbody></table>

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

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

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

Ocena mikroklimatu powierzchni gleby jest niezbędna do zrozumienia i przewidywania zachodzących tam procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych. Sondy te zapewniają szerokie możliwości monitorowania mikroklimatu w samej warstwie powierzchniowej profilu glebowego, przez co są wartościowe przy ocenie aktywności biologicznej występującej w górnych kilku milimetrach gleby11,12. Sondy te zostały opracowane i udoskonalone w celu oceny czynników kontrolujących aktywność biologicznych skorup glebowych, ponieważ temperatura i wilgotność w biokorupie mogą mieć krytyczne znaczenie dla jej funkcjonowania2,8,10,12,15. Chociaż sondy te opracowano dla gleb fotosyntetyzujących na obszarach suchych, istnieje duży potencjał do ich zastosowania w szerokim zakresie systemów, a także do oceny zmienności temperatury i wilgotności wzdłuż profilu głębokości gleby. Na przykład czujniki te zostały wykorzystane w eksperymencie dotyczącym ocieplenia lasu tropikalnego, aby ustalić, w jaki sposób zabiegi ocieplające i naturalna zmienność klimatu oddziałują na siebie, determinując współzależności w procesach glebowych, temperaturze i wilgotności.
Niemniej jednak, przed zastosowaniem czujników powierzchniowych gleby należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych kwestii. Na przykład, konieczne jest opracowanie krzywych kalibracyjnych w celu przeliczenia jednostek oporu na częściej stosowane miary wilgotności gleby, takie jak GWC. Czujnik powierzchniowy gleby mierzy opór między metalowymi prongami i podaje wartości konduktancji (odwrotności oporu) w Siemensach (1/Ohm). W związku z tym należy przeprowadzić konwersję z Siemensów na wilgotność gleby. Liczne właściwości chemiczne i fizyczne podłoża glebowego mogą wpływać na zależność między odczytami konduktancji czujnika w Siemensach a wilgotnością gleby. Krytyczne jest zatem przeprowadzenie kalibracji specyficznych dla danego podłoża, aby przeliczyć odczyty sondy na wartości wilgotności gleby. Przedstawiono dane kalibracyjne z trzech podłoży wykazujące te różnice.
Rysunek 6 przedstawia dane z kalibracji wysychania dla dwóch próbek każdego z trzech podłoży glebowych, z których każde posiadało własną sondę. Podłoża nasycano całkowicie, aż do momentu pojawienia się niewielkiej ilości wody na powierzchni. Rezystancję sond oraz masę gleby mierzono co 15 min, aż do całkowitego wyschnięcia wszystkich próbek. Masę gleby wykorzystano następnie do obliczenia GWC. Rysunek 6 przedstawia regresję przewodnictwa i GWC dla każdej próbki. Podłoża wykorzystane do tych kalibracji obejmowały gleby pylasto-gliniaste (23% piasku, 64% pyłu i 13% gliny) pobrane z eksperymentalnej stacji polowej w El Yunque National Forest w Portoryko; biokorupy zdominowane przez mchy pobrane w pobliżu Castle Valley w Utah oraz glebę piaszczystą drobnoziarnistą (92% piasku, 3% pyłu i 5% gliny) z eksperymentalnych poletek ocieplenia w pobliżu Moab w Utah.
Konieczność kalibracji czujników w zależności od rodzaju podłoża obrazują różnice w przewodności sondy i wilgotności gleby dla każdego z badanych materiałów. Na przykład regresje dla próbek gleby pylasto-gliniastej (Rycina 6a) wyraźnie różniły się od regresji dla dwóch pozostałych podłoży glebowych. Zatem zastosowanie równania regresji dla gleby pylasto-gliniastej do biostruktury mszystej lub odwrotnie doprowadziłoby do uzyskania drastycznie odmiennych wartości. Z drugiej strony, zależność między GWC a rezystancją sondy dla gleby piaszczystej drobnoziarnistej (Rycina 6c) oraz biostruktury mszystej (Rycina 6b) była podobna. Niemniej jednak gleba piaszczysta drobnoziarnista nie była w stanie zatrzymać tak dużej ilości wody jak mchy i w konsekwencji wysychała znacznie szybciej. Ze względu na występowanie zmienności w obrębie poszczególnych podłoży, ważne jest zastosowanie wystarczająco dużej liczby próbek, aby uzyskać dokładną krzywą kalibracyjną oraz stworzyć indywidualne krzywe kalibracyjne dla wszystkich stanowisk.
W warunkach eksperymentalnych czujniki powierzchni gleby zostały wykorzystane do oceny efektów zabiegów w badaniu nad manipulacją klimatem w pobliżu Moab w stanie Utah, USA. W badaniu tym zastosowano lampy podczerwone w celu podniesienia temperatury otoczenia na działkach o 4 °C w tej samej lokalizacji i przy użyciu podobnych metod opisanych przez Wertin i wsp.17. Rysunek 7 przedstawia średnią temperaturę oraz GWC z działek ogrzewanych i kontrolnych dla dwóch oddzielnych zdarzeń opadowych, które wystąpiły na początku maja 2018 r. Średnie temperatury na działkach ogrzewanych były konsekwentnie wyższe niż średnie temperatury na działkach kontrolnych (Rysunek 7a). W trakcie tych dwóch zdarzeń opadowych czujniki rezystywności na działkach ogrzewanych zarejestrowały niższą wilgotność gleby niż w grupach kontrolnych, a działki ogrzewane wysychały szybciej (Rysunek 7b). Należy zauważyć, że wzrost temperatury może prowadzić do wyższego przewodnictwa gleb, co musi zostać uwzględnione19. Czułość zarówno komponentu temperatury, jak i wilgotności tych powierzchniowych czujników glebowych pozwoliła nam zaobserwować nie tylko różnice temperatur wynikające z zabiegu ogrzewania, ale także to, jak wpłynęło on na dynamikę wilgotności na działkach.
Oddziaływania temperatury i wilgotności zostały dalej zbadane w badaniu obserwacyjnym z wykorzystaniem tych czujników powierzchni gleby, aby przeanalizować czas dostępności wilgoci dla biostruktury glebowej w warunkach zamrażania i rozmrażania na płaskowyżu Kolorado w USA. Czujniki umieszczono w górnej warstwie 5 mm biostruktury glebowej, składającej się głównie z mchu Syntrichia caninervis, a temperaturę powierzchniową i wilgotność rejestrowano w styczniu i lutym 2018 roku. Gdy temperatury spadały poniżej 0 °C, wilgoć na powierzchni mchu zamarzała, a wartości przewodnictwa z czujników odpowiadały 0% GWC (Rycina 8). Jednak gdy temperatury przekroczyły 0 °C, szron na powierzchni mchu stopniał, a woda w stanie ciekłym została zarejestrowana przez czujnik rezystywności. W tym przypadku jednoczesne pomiary temperatury i wilgotności wykazały, w jaki sposób zmienne te oddziaływały na siebie, potencjalnie wpływając na procesy biologiczne organizmów bytujących na powierzchni gleby.
<img alt="Eksperyment dotyczący wilgotności gleby w suchym krajobrazie z zestawem rurek, przedstawiający florę pustynną i płaty śniegu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Przestrzenie międzyroślinne z biostrukturami glebowymi na płaskowyżu Kolorado, USA. W wielu ekosystemach pustynnych przestrzenie między roślinami są często pokryte społecznościami biostruktury glebowej składającymi się z porostów, mchów i cyjanobakterii. Dwa czujniki temperatury i wilgotności gleby zostały umieszczone w powierzchni mszystej biostruktury. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wyrównanie komponentów elektronicznych: przed i po procesie prostowania pinów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Przycinanie ośmiopinowej listwy zaciskowej. Pozłacana listwa zaciskowa jest zorientowana tak, aby górne zakrzywione piny były skierowane na zewnątrz. Piny są ponumerowane od 1 do 8, zaczynając od lewej strony i kierując się w prawo. Piny 2, 4 i 7 są odcięte równo z dolną krawędzią czarnego plastiku. Piny 3, 5 i 6 są odcięte 5 mm poniżej czarnego plastiku. Pin 3 stabilizuje zespawane łukowo druty termopary, podczas gdy rezystancja jest mierzona między pinami 5 a 6. Pełnią one funkcję czujnika wilgotności gleby. Piny 1 i 8 służą jako elementy mocujące w glebie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Eksperyment stabilności statycznej: plastikowa konstrukcja z pinami mierzona linijką." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Gotowa głowica czujnika. Zmodyfikowana głowica czujnika oraz kabel termopary są pokryte płynną taśmą izolacyjną. Ważne jest, aby zachować czystość pinów 5 i 6 (czujnika wilgotności) i nie pokrywać ich płynną taśmą izolacyjną, aby uniknąć zanieczyszczeń, które mogłyby wpłynąć na pomiary rezystancji. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Konfiguracja okablowania elektrycznego z kodowaniem kolorystycznym; kable czerwone, zielone i czarne do testowania łączności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Głowica czujnika kalibracyjnego. Czterobiegunowa listwa zaciskowa jest przylutowana do przewodów w taki sposób, aby była skierowana w stronę przeciwną do zmodyfikowanej głowicy czujnika. W pobliżu listew zaciskowych zamocowano termokurczliwą izolację zapewniającą szczelność przed wilgocią, aby zapobiec przesłuchom między przewodami. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Samodzielnie wykonany złącze pinowe przymocowane do plastikowej butelki; konfiguracja obwodu elektrycznego do testów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig05.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Pojemnik kalibracyjny i głowica czujnika. Czteropinowa listwa zaciskowa jest przymocowana taśmą do pojemnika i zorientowana w taki sposób, aby można ją było łatwo połączyć z dwupinową listwą gniazdową. Takie rozmieszczenie pozwala na umieszczenie głowicy czujnika w wyciętym szczelinie i zamocowanie jej w badanym podłożu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Grawimetryczna zawartość wody w stosunku do sygnału wyjściowego czujnika; wykres kalibracji wilgotności gleby; metoda analizy danych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig6a.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Kalibracje czujników dla trzech podłoży glebowych. Obliczone wartości procentowe grawimetrycznej zawartości wody (GWC), wyznaczone poprzez pomiar masy gleby podczas wysychania podłoża, porównano z wartościami przewodności czujników glebowych z sond (mierzone w Siemensach). Przedstawione dane dotyczą dwóch próbek z każdego z trzech różnych podłoży glebowych. Podłoża glebowe stanowiły (a) glebę pylasto-gliniastą, (b) mszystą biokrustę oraz (c) glebę piaszczystą drobną. (a) Związek między GWC a wartościami przewodności w glebach głównie pylasto-gliniastych był najlepiej opisany regresją potęgową. (b) Silny związek liniowy między GWC a przewodnością czujnika zaobserwowano dla biokrust zdominowanych przez mch Syntrichia caninervis. (c) Regresja liniowa najlepiej opisała związek między GWC a pomiarami przewodności czujnika w glebach piaszczystych drobnych. Przy wysokich wartościach GWC wartości przewodności odbiegają od krzywej kalibracyjnej, co wskazuje na potencjalne ograniczenie czujników w warunkach nasycenia gleb wodą. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig6alarge.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Zmiany temperatury i zawartości wody; kontrola vs ogrzewanie; wykres dwuliniowy; badanie klimatu." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig07.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Temperatura i grawimetryczna zawartość wody przy zastosowaniu polowych zabiegów ogrzewania podczerwienią. Średnia godzinowa temperatura powierzchni i GWC rejestrowana w odstępach 10-minutowych w 5 działkach ogrzewanych i 5 kontrolnych przez 4 dni. Dane pochodzą z eksperymentu dotyczącego globalnych zmian w półpustynnym ekosystemie stepowym na płaskowyżu Kolorado, USA17. Dane wskazują, że czujniki powierzchni gleby zarejestrowały efekty zabiegów. (a) Średnie temperatury na powierzchni gleby były konsekwentnie wyższe w działkach ogrzewanych. (b) Efekty ogrzewania były również widoczne w wartościach GWC, co pokazuje, że gleby w działkach ogrzewanych wysychały szybciej. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig07large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres danych temperatury i GWC; szeregi czasowe; wykres czerwony i niebieski; 24-25 stycznia 2018 r." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60308/60308fig08.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8: Temperatura i grawimetryczna zawartość wody (GWC) biokorustów mszystych podczas zjawisk mrozowych. Średnia temperatura powierzchni i GWC czterech powtórzeń biokorustów mchu Syntrichia caninervis rejestrowane w 10-minutowych odstępach od godziny 9:50 w dniu 24 stycznia 2018 r. do godziny 11:20 w dniu 25 stycznia 2018 r. Godziny nocne są reprezentowane przez obszar zacieniony na szaro, a godziny dzienne przez obszary niezacienione. Gdy woda była zamrożona w formie szronu na powierzchni mchu, czujnik nie mierzył żadnej przewodności. Zatem GWC wynosiło 0. Warunki zamarzania wystąpiły krótko po zapadnięciu zmroku, gdy temperatura gleby spadła poniżej 0 °C. Rozmrażanie nastąpiło krótko po wschodzie słońca, gdy temperatura wzrosła powyżej 0 °C, szron stopniał, a czujniki wykryły wodę w stanie ciekłym. Wyniki te demonstrują skuteczność czujników w rozróżnianiu wody ciekłej i lodu, co może mieć istotne znaczenie dla szeregu procesów biologicznych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60308/60308fig08large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>

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

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

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

Ta metoda pozwala każdemu zbudować czujniki, które mogą mierzyć temperaturę i wilgotność górnych pięciu milimetrów gleby, dynamicznego i trudnego do zmierzenia obszaru. Jednoczesny pomiar mikroklimatu na powierzchni gleby pozwala ocenić, w jaki sposób temperatura i wilgotność gleby wpływają na organizmy, strumienie gazów i inne elementy funkcjonowania ekosystemu na powierzchni gleby. Powierzchnia gleby jest szczególnie podatna na duże wahania temperatury i wilgotności i może mieć nieproporcjonalne znaczenie w regulowaniu ogólnej aktywności ekosystemu.Czujniki dostarczają nowych informacji na temat tego, w jaki sposób wilgotność gleby i fauna i flora jest regulowana przez zmiany temperatury i wilgotności oraz reaguje na nie, co w przeszłości było trudne do zbadania. Aby przygotować termopary, zdejmij osłonę o cztery, aby uzyskać centymetry od końca, i zdejmij nowo odsłonięte osłony o małej średnicy pięć milimetrów od końców przewodów i odetnij przewód uziemiający na osłonie, aby nie był odsłonięty poza osłoną. Nosząc odpowiedni sprzęt ochronny, ARC zespawaj ze sobą odsłonięte końcówki drutów i delikatnie pociągnij za druty, aby przetestować wytrzymałość spoiny i upewnić się, że końcówki się nie rozdzielają.Zanurz spawane w łuk końcówki termopary w płynnej taśmie elektrycznej, aby zakryć odsłonięty metal przewodów i co najmniej trzy milimetry osłon drutu o małej średnicy. Po pozostawieniu taśmy izolacyjnej do wyschnięcia przez co najmniej cztery godziny lub zgodnie z zaleceniami producenta, wytnij kawałek rurki termokurczliwej o długości około 3,3 milimetra, który jest wystarczająco długi, aby zakryć taśmę izolacyjną na osłonach o małej średnicy i co najmniej jeden centymetr osłony termopary, a następnie włóż przewody do rurki, Następnie przesuń rurkę z powrotem przez osłonę. Aby przygotować do wilgotności gleby, zdejmij osłonę pięć centymetrów od końca i odetnij przewód uziemiający na osłonie, aby nie był odsłonięty poza osłoną.Zdejmij jeden centymetr wewnętrznych osłon o małej średnicy z końców drutów nawilżających glebę i skręć odsłonięty metal każdego drutu, aby skonsolidować małe pasma. Następnie, stosując odpowiednią ochronę skóry i oczu, nałóż lut na odsłonięty metal na każdym końcu drutu, aby ocynować małe, skręcone pasma. Następnie wytnij kawałek rurki termokurczliwej o średnicy 10 milimetrów tak, aby był o około jeden centymetr dłuższy niż odległość, na której osłona została zdjęta do końca ocynowanych drutów, i umieść tę rurkę na obu przewodach.Nasuń rurkę z powrotem na osłonę i wytnij dwa 1,5-centymetrowe kawałki rurki termokurczliwej o średnicy 3,3 milimetra. Umieść jeden kawałek rurki na każdym przewodzie i nałóż topnik lutowniczy na zęby dwubolcowej listwy z gniazdem. ocynowane końce drutu do końców dwubolcowej listwy gniazdowej, upewniając się, że oba końce są oddzielone, aby się nie stykały.Przesuń dwa kawałki koszulki termokurczliwej o średnicy 3,3 milimetra do podstawy dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby wszystkie metalowe części były zakryte. Użyj opalarki, aby przykleić rurki termokurczliwe, uważając, aby nie przegrzać i nie stopić lutu znajdującego się pod rurkami. Przesuń rurkę termokurczliwą o średnicy 10 milimetrów na jeden milimetr od końca dwubolcowej listwy zasilającej, tak aby zakrywała listwę zasilającą, przewody o małej średnicy i część osłony, a następnie użyj opalarki, aby zamocować tę rurkę termokurczliwą na miejscu.Aby zmodyfikować ośmiobolcową listwę zaciskową, ustaw pasek tak, aby górne bolce zakrzywiały się z dala od widoku i użyj nożyc do drutu, aby przeciąć drugi, czwarty i siódmy bolec od lewej strony, tuż pod czarną plastikową listwą stykową. Zmierz pięć milimetrów poniżej czarnej plastikowej listwy stykowej i zaznacz trzeci, piąty i szósty bolec od lewej na pięciu milimetrach, a następnie przytnij te zęby w oznaczeniach pięciu milimetrów. W celu montażu głowicy czujnika wytnij dwa centymetrowe kawałki rurki termokurczliwej o średnicy około 13 milimetrów i nasuń po jednym na każdy z przewodów termopary i wilgotności gleby.Przesuń spawany łukiem koniec drutów termopary nad górną częścią trzeciego przyciętego bolca, tak aby końcówka termopary była zorientowana w kierunku końca końca przyciętego bolca, i zegnij druty tak, aby podążały za górną krzywą bolca. Nasuń rurkę termokurczliwą o średnicy 3.3 milimetra w górę na zakrzywioną część bolca i druty termopary i sprawdź, czy rurka termokurczliwa zakrywa również część osłony termopary. Użyj opalarki, aby przykleić rurkę termokurczliwą na miejscu i palcami ściśnij część rurki termokurczliwej, która znajduje się nad zakrzywionym bolcem.Włóż górne zakrzywione końce zębów piątego i szóstego do dwubolcowej listwy gniazdowej i przesuń górny kawałek rurki termokurczliwej o średnicy 13 milimetrów w kierunku głowicy czujnika, aż znajdzie się około jednego centymetra od głowicy. Użyj opalarki, aby zamocować rurkę na miejscu, uważając, aby listwa zasilająca była mocno połączona z bolcami piątym i szóstym oraz z drutem termopary na bolcu trzecim, a drugi kawałek rurki termokurczliwej o średnicy 13 milimetrów przymocuj kilka centymetrów za poprzednim kawałkiem rurki termokurczliwej. Podczas mocowania rurki termokurczliwej na miejscu, dobre połączenie między dwubolcową listwą zasilającą a bolcami piątym i szóstym zmodyfikowanej głowicy czujnika ma kluczowe znaczenie.Następnie nałóż płynną taśmę izolacyjną na wszystkie boki przewodu termopary i bolec trzeci oraz na wszystkie boki połączenia listwy zasilającej, upewniając się, że cały odsłonięty metal jest zakryty. Nie zakrywaj jednak 5-milimetrowych przyciętych zębów związanych z połączeniem. W tym miejscu pokazane są dane kalibracyjne na sucho dla dwóch próbek każdego z trzech substratów glebowych, z których każda ma własną sondę.Regresje dla próbek gleby gliniastej różniły się od pozostałych dwóch substratów glebowych, dlatego zastosowanie równania regresji gleby gliniastej do bioskorupy mchu lub odwrotnie doprowadziłoby do dramatycznie różnych wartości. Z drugiej strony, zależność między wodą grawimetryczną a oporami sondy dla gleby z drobnego piasku i bioskorupy mchu była podobna. Ponieważ w obrębie substratów mogą występować różnice, ważne jest, aby uzyskać wystarczająco dużą próbkę, aby uzyskać dokładną krzywą kalibracyjną i utworzyć indywidualne krzywe kalibracyjne dla wszystkich miejsc.Na tych wykresach można zaobserwować średnią temperaturę i grawimetryczną zawartość wody z ogrzewanych i kontrolowanych działek dla dwóch oddzielnych opadów, które miały miejsce na początku maja 2018 r. Średnie temperatury na ogrzanych poletkach były konsekwentnie wyższe niż średnie temperatury na kontrolowanych poletkach. W trakcie tych dwóch opadów deszczu czujniki rezystywności na ogrzewanych poletkach rejestrowały mniejszą wilgotność gleby niż kontrolne, a ogrzewane działki wysychały szybciej.Ważne jest, aby upewnić się, że zostało wykonane dobre połączenie podczas spawania łukowego drutów termopary oraz podczas podłączania drugiego paska do głowicy czujnika. Zainstalowaliśmy te czujniki do wykorzystania w wielu eksperymentach związanych z ociepleniem, ponieważ zrozumienie, w jaki sposób obróbka temperaturą wpływa na odczyty wilgotności gleby, ma kluczowe znaczenie dla interpretacji danych mikroklimatycznych powierzchni gleby. W połączeniu z innymi instrumentami, czujniki te umożliwiły zbadanie, w jaki sposób temperatura i wilgotność na powierzchni gleby wpływają na podstawowe procesy zachodzące w glebie, takie jak odpływ dwutlenku węgla do atmosfery.Ten nowy związek między mikroklimatem powierzchniowym gleby a odpływem gleby miał kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób gleby na terenach suchych mogą tworzyć sprzężenia zwrotne na globalne zmiany.

manufacturing-simple-inexpensive-soil-surface-temperature-gravimetric

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Odnawianie powierzchni to metoda mikrometeorologiczna, która jest coraz częściej używana do określania strumieni energii, ale jej techniczna złożoność czyni ją niedostępną dla szerokiego grona odbiorców. Opisujemy kroki niezbędne do skonfigurowania i skalibrowania stacji terenowej do odnawiania powierzchni, do pozyskiwania i przetwarzania danych oraz do prawidłowej interpretacji wyników.

Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

Przedstawiono protokół projektowania i budowy zbiornika gruntowego połączonego z małym tunelem aerodynamicznym z kontrolowanym klimatem w celu zbadania wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie. Zarówno zbiornik glebowy, jak i tunel aerodynamiczny są wyposażone w technologie czujników do ciągłego pomiaru warunków środowiskowych in situ.

Badanie wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie: eksperymentalna integracja atmosferycznej warstwy granicznej i płytkiej warstwy podpowierzchniowej

Wraz z postępem technologicznym i wzrostem oczekiwań użytkowników końcowych, wzrosło zapotrzebowanie i wykorzystanie danych o wyższej rozdzielczości czasowej do szacowania ładunku zanieczyszczeń. Protokół ten opisuje metodę ciągłego monitorowania jakości wody in situ w celu uzyskania danych o wyższej rozdzielczości czasowej w celu podejmowania świadomych decyzji dotyczących zarządzania zasobami wodnymi.

Ciągły monitoring dopływu składników pokarmowych i osadów w rolniczych zlewniach

Zrozumienie usług i procesów ekosystemowych dostarczanych przez stawy wiosenne oraz wpływu działalności antropogenicznej na ich zdolność do świadczenia tych usług wymaga intensywnego monitorowania hydrologicznego. Protokół pobierania próbek z wykorzystaniem sprzętu do monitorowania in situ został opracowany w celu zrozumienia wpływu działalności antropogenicznej na poziom i jakość wody.

Ciągły monitoring hydrologiczny i jakości wody w stawach wiosennych

Pojemność hydrauliczna biomasy jest kluczowym składnikiem budżetu wodnego roślinności, który służy jako bufor przed krótko- i długoterminowymi stresami związanymi z suszą. W tym miejscu przedstawiamy protokół kalibracji i stosowania czujników pojemności wilgotności gleby do monitorowania zawartości wody w pniach dużych drzew.

Kalibracja i wykorzystanie czujników pojemnościowych do monitorowania zawartości wody w łodygach drzew

Przedstawiamy prostą i opłacalną metodę budowy rejestratora danych o otwartym kodzie źródłowym, który mierzy kondukcję nienaczyniowych kryptogamów wraz z temperaturą i wilgotnością otoczenia. Opisujemy konstrukcję sprzętową rejestratora danych i udostępniamy instrukcje montażu krok po kroku, listę wymaganego oprogramowania do rejestrowania typu open source, kod do uruchomienia rejestratora danych oraz protokół kalibracji.

BtM, tani rejestrator danych typu open source do szacowania zawartości wody w nienaczyniowych kryptogamach

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.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Ten artykuł przedstawia prosty eksperyment z parowaniem przy użyciu przyrządu do właściwości hydraulicznych dla próbki gleby. Dzięki wydajnym metodom pomiary mogą być wykonywane w ciągu kilku dni w celu wygenerowania wysokiej jakości danych.

Pomiary potencjału wodnego i przewodności gleby w oparciu o prosty eksperyment parowania przy użyciu analizatora właściwości hydraulicznych

Lizymetr Gradientu Dwutlenku Węgla tworzy liniowy gradient dwutlenku węgla L-1 o objętości od 250 do 500 μl w komorach o kontrolowanej temperaturze, w których znajdują się zbiorowiska roślinne na monolitach gliniastych, pylastych i piaszczystych. Obiekt służy do określenia, w jaki sposób przeszły i przyszły poziom dwutlenku węgla wpływa na obieg węgla na użytkach zielonych.

Instalacja do pomiaru gradientu stężenia CO2 do badania wzbogacenia w CO2 i wpływu gleby na funkcjonowanie ekosystemu użytków zielonych

To badanie przedstawia metodę wykopaliskową do badania podpowierzchniowej hydrologicznej, geochemicznej i mikrobiologicznej heterogeniczności lizymetru glebowego. Lizymetr symuluje sztuczne zbocze wzgórza, które początkowo było w jednorodnym stanie i zostało poddane działaniu około 5000 mm wody w ciągu ośmiu cykli nawadniania w okresie 18 miesięcy.

Wykopy lizymetryczne gleby do sprzężonych badań hydrologicznych, geochemicznych i mikrobiologicznych

Naucz się budować proste czujniki temperatury i wilgotności powierzchni gleby do badań ekologicznych. Ta metoda pozwala mierzyć mikroklimat w górnych pięciu milimetrach gleby i oceniać jego wpływ na organizmy oraz strumienie gazów.

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

Przeglądaj więcej filmów