Name: In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-11-18T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 20 s
Description: Poznaj metodę instalacji czujników wilgotności gleby w celu standaryzacji pomiarów hydrologicznych. Protokół ten poprawia niezawodność zbierania danych i wspiera monitorowanie zmian klimatycznych w glebach niezakłóconych.

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

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe ze strony NOAA-NIDIS, National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN) oraz programu USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS). Dziękujemy członkom Komitetu Wykonawczego NCSMMN, w tym B. Bakerowi, J. Boltenowi, S. Connelly'emu, P. Goble'owi, T. Ochsnerowi, S. Quiringowi, M. Swobodzie i M. Wołoszynowi za wkład w ten protokół. Dziękujemy M. Weaverowi (USGS) za wstępną ocenę projektu protokołu.

Jakiekolwiek użycie nazw handlowych, firm lub produktów służy wyłącznie celom opisowym i nie oznacza poparcia ze strony rządu Stanów Zjednoczonych. Ten artykuł jest dziełem rządu Stanów Zjednoczonych i znajduje się w domenie publicznej w USA. USDA jest pracodawcą i dostawcą równych szans.

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 SWC60,61.
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.

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 klimatem11,12. 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. <silna klasa="xfig">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.</silna>
<img alt="Rysunek 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> 
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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
Głębokość pomiaru, orientacja i liczba czujników&lt;br /&gt;
In situ Czujniki SWC są zwykle instalowane poziomo, aby reprezentować określone głębokości w glebie (<silna klasa="xfig">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.</silna>
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.
<img alt="Rysunek 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> 
<silna klasa="xfig">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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a></silna>
<img alt="Rysunek 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> 
<silna klasa="xfig">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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a></silna>
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 (<silna klasa="xfig">Rysunek 4).</silna>
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.
<img alt="Rysunek 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> 
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). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>
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 0,02-0,03m3m−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.
<img alt="Rysunek 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> 
Rysunek 5: Złącza spawów przewodów i listwy zaciskowe używane do łączenia wspólnych przewodów zasilających, uziemiających i komunikacyjnych do jednego wejścia na platformie zbierania danych. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td>Komponenty systemu, niezbędne</td><td></td><td></td><td>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&nbsp;</td></tr><tr><td>Akumulator szczelnie zamknięty akumulator 12 V 12 AH&nbsp;</td><td>Campbell Naukowy&nbsp;</td><td>BP12</td><td>Minimalny regulator ładowania 7 amperogodzin (AH)</td></tr><tr><td></td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CH200</td><td>Regulator ładowania, potrzebny do każdego nieregulowanego przewodu do paneli słonecznych</td></tr><tr><td>, harmonogram 40 PVC, średnica od 1 do 2 "&nbsp; &nbsp;</td>Każdy sklep z <td></td><td>artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Średnica dobrana odpowiednio do liczby czujników i grubości. Długość zależna od wysokości obudowy</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do pozyskiwania danych</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>PC400</td><td>Darmowe wersje z ograniczoną programowalnością, do bardziej podstawowych zastosowań, ręcznego pobierania i prostych konfiguracji czujników</td></tr><tr><td>Platforma kontroli danych</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CR300</td><td>Wystarczy dowolny DCP kompatybilny z SDI-12. Wiele z nich ma również zintegrowane modemy komórkowe&nbsp;</td></tr><tr><td>Obudowa (NEMA), 10 x 12 cali, -DC 2 kanały kablowe, -MM mocowanie masztu statywowego</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>ENC10/12-DC-MM</td><td>Do przyrządów naziemnych i podziemnych wymagane są dwa dolne kanały</td></tr><tr><td>Słup montażowy (47 cali) z nogami cokołu</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CM305-PL</td><td>Mniejsza powierzchnia, niewystarczająco wysoka dla czujników pogodowych</td></tr><tr><td>Deszczomierz z 8 calami. Kryza, 20 stóp</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>TE525WS-L20-PT</td><td>Zaleca się zainstalowanie deszczomierza na oddzielnym pionowym słupie w pewnej odległości od stojaka na przyrządy</td></tr><tr><td>Czujniki, reflektometr zawartości wody 12 cm, o długości 17 stóp, adres -VS SDI-12 jest różny</td> Campbell <td>Scientific&nbsp;</td><td>CS655-17-PT-VS</td><td>Zobacz Uzupełnij tabelę 1, aby uzyskać więcej opcji&nbsp;</td></tr><tr><td>Panel słoneczny, 20 W</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>SP20</td><td>Użyj paneli o wyższej mocy dla lokalizacji północnych i niższych dla lokalizacji południowych o wyższej ekspozycji</td></tr><tr><td>< mocnych> komponentów systemu, opcjonalnie</silna></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Antena komórkowa, wielozakresowa dookólna 2 dB&nbsp;</td><td>Campbell Naukowy&nbsp;</td><td>32262</td><td>Anteny kierunkowe mogą poprawić sygnał, jeśli lokalizacja wieży jest znana.</td></tr><tr><td>Modem komórkowy do Verizon/ATT</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CELL210/205</td><td>Dostawca jest zależny od lokalizacji</td></tr><tr><td>Montaż Crossarm, 4 stopy</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CM204</td><td>Idealny do montażu czujników o długości 2 m&nbsp;</td></tr><tr><td>Oprogramowanie do pozyskiwania danych, zaawansowane</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>Loggernet</td><td>Bardziej zaawansowany program komercyjny, który obejmuje opcje zdalnej komunikacji i zaawansowane programowanie</td></tr><tr><td>Stal perforowana na szynę DIN Phoenix</td><td>Contact</td><td>1207639</td><td>Służy do montażu listew zaciskowych wewnątrz obudowy</td></tr><tr><td>Rura wodna ze stali ocynkowanej, średnica 1,5 lub 2 cale, długość 10 stóp Każdy</td><td>sklep</td><td></td> <td>z artykułami gospodarstwa domowegoNajbardziej ekonomiczna opcja dla masztu instrumentalnego. Można przyciąć na długość. Zastępuje 47-calowy słup montażowy z nogami</td></tr><tr><td>Statyw instrumentalny, 10 stóp ze stali nierdzewnej z zestawem uziemiającym</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>CM110</td><td>Wyższy statyw przyrządów do czujników meteorologicznych o długości 2 m</td></tr><tr><td>Złącza z nakrętką dźwigni, pięć portów (<mocny>Rysunek 5</mocny>)</td><td>Digi-Key</td><td>222-415/VE00/1000</td><td>Podłącz jeden przewód SDI-12 do 4 przewodów czujnika. Alternatywa dla szyny DIN.</td></tr><tr><td>modemu zerowego&nbsp;</td><td>Campbell Naukowy&nbsp;</td><td>18663</td><td>wejściowy między DCP a modemem. Nie jest wymagane w przypadku zintegrowanych modemów komórkowych</td></tr><tr><td>Mostek wtykowy - FBS 3-5</td><td>Phoenix Contact</td><td>3030174</td><td>Służy do łączenia złączy wielu złączek szynowych. Dostępne w mouser.com</td></tr><tr><td>Secure Set Foam, zestaw 10 słupków (2 galony)</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Alternatywny do betonu w przypadku korzystania z masztu z rur stalowych lub słupa do pomiaru opadów. Dwuskładnikowa mieszanka piankowa</td></tr><tr><td>Czujnik, temperatura powietrza i wilgotność względna, 10 stóp&nbsp;</td><td>Campbell Naukowy&nbsp;</td><td>HygroVUE10-10-PT</td><td>Opcja niższej dokładności i nacisku. Wymienne chipy to najszybszy sposób na spełnienie rocznych cykli kalibracji.</td></tr><tr><td>Czujnik, piranometr promieniowania słonecznego, cyfrowy termopil&nbsp;</td><td>Campbell Naukowy&nbsp;</td><td>CS320</td><td>Najtańszy, klasa ISO C (druga klasa). Dostępne są lepsze opcje, ale znacznie droższe</td></tr><tr><td>Czujnik, anemometr prędkości wiatru, o długości 10 stóp</td><td>Met One</td><td>014A-10</td><td>Droższe opcje obejmują czujnik kierunku wiatru lub soniczny bez ruchomych części</td></tr><tr><td>Osłona słoneczna czujnika temperatury i wilgotności względnej powietrza</td><td>Campbell Scientific&nbsp;</td><td>RAD10E</td><td>Wszystkie czujniki temperatury powietrza wymagają osłonięcia przed słońcem</td></tr><tr><td>Listwy zaciskowe (<mocne>Rysunek 5</mocne>), przepustowe&nbsp;</td><td>Phoenix Contact</td><td>3064085</td><td>Najbezpieczniejsza metoda łączenia wielu przewodów czujników SDI-12. Dostępne w mouser.com</td></tr><tr><td>Narzędzia terenowe, niezbędne</mocne></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>torby do zamrażania: wielkości kwarty i galonu</td><td>Każdy sklep</td><td></td> spożywczy <td>Przechowywanie próbek gleby pobranych do charakterystyki</td></tr><tr><td>Różne narzędzia do kopania, w tym ręczna łopata, płaska łopata i spiczasta łopata</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Narzędzia zapasowe wspomagające wykopy"</td></tr><tr><td>Łopata (strzelec wyborowy) 16 cali. Łopata drenażowa</td><td>Razorback</td><td></td><td>Ręczne narzędzie do kopania dołu z ziemią. Każdy wąski spiczasty szpadel będzie działał.&nbsp;</td></tr><tr><td>Łopata, kopanie rowów, stalowe ostrze o szerokości 4 cali&nbsp;</td>Każdy sklep <td></td><td>z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Idealne narzędzie do kopania rowów do zakopywania lub przewodów</td></tr><tr><td>Świder gruntowy (< 4 średnicy) z uchwytem w kształcie litery T lub i przedłużaczem w zależności od potrzeb do otworów testowych</td><td>AMS Samplers</td><td>400.06</td><td>Zalecany do otworów testowych. Typ ślimaka powinien pasować do gleby, ale "zwykły" dobrze sprawdza się na większości gleb</td></tr><tr><td>Plandeka (plastikowa) lub arkusz sklejki</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Zarządzanie glebą podczas kopania i kopania rowów</td> < mocny> narzędzia polowe, opcjonalnie</mocny>2,000 funtów Minikoparka Sunbelt Rentals 350110 Wynajem sprzętu do kopania mechanicznego Breaker lub <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> belka do kopania</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Przydatny do rozbijania skał i wycinania korzeni podczas kopania</td>Ocynkowany panel ogrodzeniowy dla bydła, 16 stóp x 50 cali Tractor Supply Co.&nbsp;<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>350207799</td><td>Zaleca się cięcie paneli ogrodzeniowych na odcinki 8'</td></tr><tr><td>Pick mattock lub pulaski&nbsp;</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Doskonały do spulchniania na twardych lub kamienistych glebach&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Ślimak do otworów po słupku Hydrauliczne holowanie z tyłu ze ślimakiem o średnicy 18 "</td><td>Wypożyczalnie pasów słonecznych</td><td>700033</td><td>Wynajem sprzętu do kopania mechanicznego</td></tr><tr><td>Koparka do otworów słupowych, uchwyt 48 cali</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Przydatny do usuwania gleby na dnie wykopu lub do otworów testowych</td></tr><tr><td>Stalowe słupki ogrodzeniowe, 6 stóp wysokości i sterownik słupka ogrodzeniowego, ~ 14 funtów.</td>Każdy sklep <td></td><td>z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Podpora i montaż ogrodzeń</td></tr><tr><td>Grabie stalowe</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Idealny do wygładzania naruszonej gleby na terenie pola</td></tr><tr><td>Every Day Carry (EDC), zalecenia dotyczące każdej torby narzędziowej technika terenowego</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Klucz nastawny z izolowanym uchwytem&nbsp;</td>Każdy sklep <td></td><td></td><td>z artykułami gospodarstwa domowego</td></tr><tr><td>Różne opaski zaciskowe odporne na promieniowanie UV</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Krytyczne dla schludnego okablowania&nbsp;</td></tr><tr><td>Szczypce do cięcia bocznego</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Skuteczny sposób na cięcie lekkich i ciężkich drutów oraz przecinanie opasek zaciskowych</td>Aparat cyfrowy, GPS i kompas Różne&nbsp;<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Idealnie byłoby, gdyby wszystkie te elementy znajdowały się na Twoim smartfonie</td></tr><tr><td>Multimetr cyfrowy</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Kluczowe narzędzie do rozwiązywania problemów z zasilaniem i łącznością w systemach elektrycznych</td></tr><tr><td>Taśma izolacyjna&nbsp;</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa</td><td></td><td>domowego Do etykietowania można użyć taśmy innej niż&nbsp;</td></tr><tr><td>Budynka dla elektryków do wypełniania otworów wejściowych obudów</td> Każdy sklep <td></td><td>z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Potrzebny do zamknięcia i uszczelnienia wszystkich portów kablowych w obudowie</td></tr><tr><td>Zestawy kluczy imbusowych zarówno w rozmiarach standardowych, jak i metrycznych</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Wymagane do wielu mocowań czujników</td></tr><tr><td>Magnetyczny poziom torpedy (od 8 do 12")</td><td>Każdy sklep</td><td></td> <td>z artykułami gospodarstwa domowegoPotrzebne do ustawienia stojaka na instrumenty w pionie i wypoziomowania wszelkich czujników meteorologicznych</td></tr><tr><td>Taśma miernicza metryczna&nbsp;</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Krytyczne do wkładania sond i pobierania próbek gleby - oba używają głębokości metrycznych.</td><td></td></tr><tr><td>Szczypce: z końcówką igły, dróżnikiem i blokadą kanału</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami domowymi <td>Szczypce dróżnika są niezbędne do mocowania ogrodzeń z drutu.&nbsp;</td></tr><tr><td>Przenośne wiertarki, bity, klucze nasadowe</td><td>Każdy sklep</td><td></td><td></td>z artykułami gospodarstwa domowego</tr><tr><td>Klucz grzechotkowy i odpowiednie rozmiary nasadek&nbsp;</td>Każdy sklep z <td></td><td>artykułami gospodarstwa domowego</td><td>Klucze grzechotkowe mogą dostać się do ciasnych przestrzeni wokół mocowań czujników, gdzie standardowe klucze oczkowe nie działają</td></tr><tr><td>Bezpieczeństwo: apteczka, woda (5 galonów),&nbsp; worki na śmieci, rękawiczki, krem przeciwsłoneczny, środek odstraszający owady</td><td>Każdy sklep</td><td></td><td></td>z artykułami gospodarstwa domowego</tr><tr><td>Śrubokręty: małe i duże rozmiary z izolowanymi uchwytami&nbsp;</td>Każdy sklep <td></td><td>z artykułami gospodarstwa domowego</td><td>na DCP i listwach zaciskowych są bardzo małe. Wymagane są małe główki płaskie i krzyżakowe. Przydadzą się również większe narzędzia Sharpies</td></tr><tr><td>, ołówki i notatnik</td><td>Dostawca</td><td></td> leśnictwa <td>Podstawowe prowadzenie dokumentacji jest niezbędne dla metadanych</td></tr><tr><td>Drabina stojąca, 6 stóp</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Trudne do zainstalowania czujniki 2 m bez drabiny</td></tr><tr><td>Nóż uniwersalny i nóż do pudełek</td><td>Każdy sklep</td><td></td><td></td>z artykułami gospodarstwa domowego</tr><tr><td>Kontrola roślinności: nożyce ręczne, wyrywacze chwastów, piła</td><td>Każdy sklep z artykułami gospodarstwa domowego</td><td></td><td>W zależności od środowiska, roślinność może szybko przytłoczyć ogrodzony teren.</td></tr><tr><td>Szczypce do ściągania izolacji (8-20 gage)</td><td>Każdy sklep</td><td></td> z artykułami gospodarstwa domowego <td>Niezbędne narzędzie do przygotowania przewodów do włożenia do DCP lub listew zaciskowych. Samoregulujące się ściągacze izolacji to najnowsze wściekłe</td></tr> <tr><td>< mocne > roczne materiały konserwacyjne< / mocne></td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td>Środek do czyszczenia baterii (soda oczyszczona) i szczotka</td><td>Każdy sklep</td><td></td><td></td>spożywczy</tr><tr><td>Czyszczenie: sprężone powietrze, alkohol izopropylowy, szczoteczka do zębów, środki do czyszczenia rur, ręczniki papierowe&nbsp;</td><td>Każdy sklep</td><td></td><td></td>spożywczy</tr><tr><td>Środek osuszający, torebki z żelem krzemionkowym</td><td>Clariant</td><td>Desi Pak</td><td>Wielokrotnego użytku po wysuszeniu w piekarniku w temperaturze 105 stopni C przez ponad 24 h. Wymieniaj co roku.&nbsp;</td></tr><tr><td>Urządzenie do kalibracji w terenie dla deszczomierza</td><td>R.M. Young</td><td>52260</td><td>Urządzenie, które kapie wodą do deszczomierza z różną intensywnością&nbsp;</td></tr><tr><td>Ręczny miernik pogody</td><td>Kestrel Instruments</td><td>0830</td><td>Bezpośredni pomiar temperatury powietrza, wilgotności względnej i prędkości wiatru w celu weryfikacji w terenie</td></tr><tr><td>Torby do zamrażania o pojemności jednej kwarty i jednego galona</td><td>Każdy sklep</td><td></td> spożywczy <td>Przechowywanie dowolnych grawimetrycznych próbek gleby</td></tr><tr><td>Przenośny czujnik wilgotności gleby&nbsp;</td><td>Delta-T Devics</td><td>SM150T</td><td>Istnieje wiele czujników. Zobacz ocenę w https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033</td></tr><tr><td>Próbnik rdzenia glebowego, 2-1/4 cala. Średnica</td><td>Soilmoisture Equipment Corp.</td><td>0200</td><td>Grawimetryczny próbnik wilgotności i gęstości nasypowej gleby&nbsp;</td></tr></tbody></table>

in situ czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

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.

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

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

Zawartość wody w glebie reguluje wiele procesów zachodzących na powierzchni i pod ziemią, od produkcji roślinnej po pogodę. Ostatnio stało się to krytycznym wymogiem misji dla wielu agencji stanowych i federalnych. Protokół ten syntetyzuje wysiłki wielu agencji w celu pomiaru wilgotności gleby przy użyciu zakopanych czujników elektromagnetycznych in-situ.Protokół ten będzie przydatny dla naukowców i inżynierów, którzy mają nadzieję na wdrożenie pojedynczej stacji lub całej sieci. Zawartość wody w glebie została niedawno uznana za istotną zmienną klimatyczną w globalnym systemie obserwacji klimatu. Jednak praktyka instalowania czujników podziemnych in situ została w niewielkim stopniu ustandaryzowana.Mamy nadzieję, że pisemny protokół i wideo mogą usprawnić gromadzenie danych. Nie ma łatwego sposobu na sprawdzenie, czy czujnik zawartości wody w zakopanej glebie dostarcza dobrych danych. Na początku trzeba mieć pewność i pewność, że czujniki mają dobry kontakt z glebą i że instalacja nie wpłynęła na lokalną hydrologię gleby.Procedurę zademonstruje Alex White, fizyk z Laboratorium Hydrologii i Teledetekcji USDA ARS w Beltsville w stanie Maryland. Aby rozpocząć, podłącz oddzielnie każdy czujnik do platformy kontroli danych. Użyj polecenia znaku zapytania i wykrzyknika, aby sprawdzić adres czujnika i zapisać wartości wraz z numerem seryjnym i adresem SDI-12 każdego czujnika w książce laboratoryjnej.Następnie oznacz głowicę czujnika i końcówkę adresem SDI-12 za pomocą markera. Skonfiguruj czujniki zawartości wody w glebie i wszelkie czujniki pomocnicze w laboratorium, łącząc je z platformą kontroli danych i baterią, pozostawiając czujniki zawartości wody w glebie zawieszone w powietrzu, umieszczone w suchym miejscu i/lub zanurzone w wodzie. Sprawdź, czy dane są rejestrowane z odpowiednią szybkością, a wartości są odpowiednie.Zapytaj o lokalizację za pomocą aplikacji USDA SoilWeb i wykop dziurę testową za pomocą koparki do otworów pocztowych. Sprawdź, czy tekstura pola jest zgodna z opisem gleby. Połóż plandekę na obszarze wykopu, aby chronić powierzchnię gleby przed naruszeniem.Rozwiń czujnik i połóż głowicę czujnika na powierzchni wgłębienia. Następnie umieść koniec w miejscu, w którym będzie znajdował się statyw instrumentalny, sprawdzając, czy długość jest prawidłowa, wyreguluj w razie potrzeby i zaznacz położenie stojaka flagą. Za pomocą koparki do otworów po słupkach wykop otwór o głębokości około 55 centymetrów.Oczyść otwór za pomocą ostrego szpadla i upewnij się, że powierzchnia wykopu jest pionowa, tak aby każdy czujnik miał nad sobą niezakłóconą glebę. Otwór i zakłócony obszar powinny być jak najmniejsze, aby szybko się zregenerowały. Usuwaj ziemię w odstępach co 10 centymetrów i umieść każdy podnośnik na drugim końcu plandeki, zbliżając się z każdym przyrostem, rozbijając wszelkie grudki i usuwając duże kamienie.Następnie wykop prosty, wąski rów o głębokości ponad 10 centymetrów, aby zakopać czujników. Rozwiń wszystkie czujniki i połóż je po jednej stronie wykopu. Zwróć uwagę na głębokość wszelkich oczywistych zmian koloru lub tekstury gleby podczas zbierania reprezentatywnych próbek gleby w jednolitrowej torbie do zamrażania na każdej głębokości czujnika.Sprawdź, czy powierzchnia wykopu jest pionowa lub lekko przycięta, aby upewnić się, że każdy czujnik będzie miał nad sobą niezakłóconą glebę. Najpierw włóż 50-centymetrowy czujnik i wepchnij czujnik poziomo w glebę, starając się nie poruszać czujnikiem, ponieważ może to spowodować powstanie szczelin. W razie potrzeby użyj dźwigni, aby delikatnie wepchnąć czujnik, upewniając się, że zęby są całkowicie osadzone w glebie.Ułóż każdy czujnika po tej samej stronie wykopu, aby można go było zawiesić na dnie wykopu. Zrób zdjęcie wykopanego dołu i czujników za pomocą taśmy mierniczej do skali. W przypadku czujnika 100-centymetrowego wykop otwór na 100 centymetrów minus połowa długości zębów czujnika, czyli w tym przypadku 94 centymetry.Zamontuj czujnik pionowo, wciskając go w dno otworu za pomocą narzędzia instalacyjnego. Przepakuj otwór świdra wykopaną ziemią. Poprowadź wszystkie czujnika z wykopu do obudowy w odcinku kanału PVC i przez złącze grodziowe, aby wejść do obudowy.Następnie wciągnij soczewkę do dolnego portu obudowy, zabezpiecz je opaskami zaciskowymi i podłącz pięć czujników. Sprawdź, czy napięcie na akumulatorze jest wystarczające za pomocą multimetru ustawionego na prąd stały dla napięcia prądu stałego. Następnie nasuń złącze zaciskowe czarnego przewodu ujemnego na zacisk widełkowy na ujemnym biegunie uziemienia akumulatora, a czerwony przewód na dodatni biegun akumulatora.Aby włączyć system, podłącz akumulatora do DCP. Po uruchomieniu oprogramowania platformy kontroli danych podłącz laptopa do platformy kontroli danych i upewnij się, że wszystkie czujniki zgłaszają wartości liczbowe. Gdy wszystko pod ziemią działa, a zostaną poprowadzone do obudowy, wypełnij i uszczelnij otwory w obudowie nad i pod ziemią za pomocą szpachli elektrycznej.Korzystając z głębiej wykopanej gleby znajdującej się najbliżej plandeki, ręcznie upakuj ziemię wokół każdej głowicy czujnika, zaczynając od dołu i kierując się w górę, unikając zakłócania pracy czujnika i upewniając się, że jest dobrze zagęszczony. Zasyp wykop w 10-centymetrowych podnośnikach, wygładzając i zagęszczając powierzchnię, aż do osiągnięcia 20-centymetrowego czujnika. Ręcznie upakuj ziemię wokół głowicy czujnika i kontynuuj w górę w 10-centymetrowym podnoszeniu, aż dotrzesz do powierzchni.Ostrożnie przykryj je głębszą ziemią z plandeki, jednocześnie zagęszczając ziemię na dnie wykopu, aby zabezpieczyć, uważając, aby nie ciągnąć ich w dół z żadną siłą. Zrób zdjęcia ukończonej stacji w orientacjach północnej, południowej, wschodniej i zachodniej od masztu przyrządów. Wyznacz miejsce instalacji czujnika za pomocą flagi lub innych odrębnych elementów.Ta instalacja polowa informuje o godzinowych temperaturach powietrza i gleby, zawartości wody w glebie, dziennych opadach, magazynowaniu wody w glebie i jej zmianach w czasie. Wyniki wskazują na gwałtowny wzrost zawartości wody w glebie w pobliżu powierzchni, z opóźnionym wzrostem na większych głębokościach po każdym sztormie. Podczas wydarzeń na początku lutego i kwietnia 2022 r. najgłębszy czujnik na głębokości 100 centymetrów osiągnął plateau 0,33 metra sześciennego na metr sześcienny, co wskazuje na okres nasycenia.W przypadku podobnej instalacji w Missisipi zawartość wody w glebie osiągnęła 0,60 metra sześciennego na wszystkich głębokościach po 40 milimetrach opadów, podczas gdy kolejne 70 milimetrów nie wpłynęło na magazynowanie wody w glebie, co sugeruje nadmierny spływ nasycenia. W przypadku podobnej instalacji w Montanie zamarznięta gleba i pokrywa śnieżna spowodowały dramatyczny spadek zawartości wody w glebie w połowie marca, a następnie wzrost podczas rozmrażania, bez żadnych oznak opadów. Uważaj na niekonsekwentne zachowanie czujnika, takie jak skoki, zmiany kroku i oscylacje, które mogą wskazywać na słabą instalację lub awarię czujnika.Wprowadzenie czujnika może być trudne, szczególnie w przypadku gleb kamienistych, korzeniowych lub suchych. Upewnij się, że głowica czujnika jest dociśnięta równo do gleby. Protokół ten doprowadzi do bardziej zharmonizowanych i ujednoliconych danych dotyczących zawartości wody w glebie dla szerokiego zakresu zastosowań, w tym: monitorowania suszy, prognozowania zaopatrzenia w wodę, gospodarki wodnej i rolniczej oraz planowania upraw.Krajowa Sieć Skoordynowanego Monitorowania Wilgotności Gleby buduje społeczność praktyków wokół pomiaru, interpretacji i stosowania wilgotności gleby. Jest to sieć ludzi, która łączy dostawców danych, badaczy i społeczeństwo. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z dokumentacją.

in-situ-soil-moisture-sensors-in-undisturbed-soils

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Przedstawiono szczegółową metodę ekstrakcji i montażu nienaruszonych lizymetrów rdzeniowych gleby oraz ich wykorzystania do badania odcieków i związanych z tym strat składników odżywczych z powierzchniowej ściółki drobiowej.

Protokół zbierania i konstruowania lizymetrów rdzenia glebowego

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

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

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

Profiler mikrodializy jest opisany do pobierania próbek rozpuszczonych substancji rozpuszczonych w wodzie porowej na styku tlenowo-beztlenowym gleba-woda in situ z minimalnymi zakłóceniami. Urządzenie to jest przeznaczone do wychwytywania gwałtownych zmian w profilach stężeń i głębokości wywołanych zakłóceniami na granicy faz gleba-woda i poza nią.

Pobieranie próbek rozpuszczonej substancji rozpuszczonej na tlenowo-beztlenowym granicy faz gleba-woda przy użyciu profilerów mikrodializ

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

Lizymetria terenowa i pobieranie próbek wody porowej pozwalają badaczom ocenić los substancji chemicznych stosowanych w glebach i ustalonej roślinności. Celem tego protokołu jest zademonstrowanie, w jaki sposób zainstalować wymagane oprzyrządowanie i pobrać próbki do analizy chemicznej podczas zintegrowanych eksperymentów z lizymetrią polową i pobieraniem próbek wody porowej.

Zintegrowana lizymetria polowa i pobieranie próbek wody porowej w celu oceny mobilności chemicznej w glebach i zastanej roślinności

Ten artykuł przedstawia metodę statycznego pomiaru strumienia gazów cieplarnianych z systemów glebowych. Przy stosunkowo niewielkich inwestycjach w infrastrukturę, pomiary można uzyskać z wielu zabiegów/lokalizacji i w ramach czasowych od godzin do lat.

Pomiar strumienia gazów cieplarnianych z gleb rolniczych za pomocą komór statycznych

Tradycyjny standaryzowany test do określania limitu plastyczności w glebie jest wykonywany ręcznie, a wynik różni się w zależności od operatora. W pracy przedstawiono alternatywną metodę opartą na pomiarach zginania. Pozwala to na uzyskanie limitu plastyczności na podstawie jasnego i obiektywnego kryterium.

Próba zginania w celu określenia granicy plastyczności Atterberga w glebach

Fosfolipidowe kwasy tłuszczowe dostarczają informacji o strukturze zbiorowisk mikroorganizmów glebowych. Przedstawiono metody ekstrakcji z próbek glebowych za pomocą jednofazowej mieszaniny chloroformu, frakcjonowania wyekstrahowanych lipidów za pomocą kolumn ekstrakcyjnych do fazy stałej oraz metalizy do produkcji estrów metylowych kwasów tłuszczowych, które są analizowane za pomocą kapilarnej chromatografii gazowej.

Ekstrakcja i analiza mikrobiologicznych fosfolipidowych kwasów tłuszczowych w glebie

Poznaj metodę instalacji czujników wilgotności gleby w celu standaryzacji pomiarów hydrologicznych. Protokół ten poprawia niezawodność zbierania danych i wspiera monitorowanie zmian klimatycznych w glebach niezakłóconych.

In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

Przeglądaj więcej filmów