In Situ Czujniki wilgotności gleby w glebach niezakłóconych

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.