На месте Датчики влажности почвы в ненарушенных почвах

Содержание воды в почве регулирует многие надземные и подземные процессы, от выращивания сельскохозяйственных культур до погоды. В последнее время это стало критически важным требованием для многих государственных и федеральных агентств. Этот протокол синтезирует межведомственные усилия по измерению влажности почвы с использованием заглубленных электромагнитных датчиков на месте.

Этот протокол будет полезен ученым и инженерам, надеющимся развернуть одну станцию или целую сеть. Недавно было признано, что содержание воды в почве является важной климатической переменной в глобальной системе наблюдения за климатом. Тем не менее, практика установки скрытых датчиков на месте практически не была стандартизирована.

Мы надеемся, что письменный протокол и видео помогут улучшить сбор данных. Нет простого способа убедиться, что датчик содержания воды в заглубленной почве предоставляет хорошие данные. Во-первых, требуется уверенность и уверенность в том, что датчики находятся в хорошем контакте с почвой и что установка не повлияла на местную гидрологию почвы.

Продемонстрирует процедуру Алекс Уайт, ученый-физик из Лаборатории гидрологии и дистанционного зондирования ARS Министерства сельского хозяйства США здесь, в Белтсвилле, штат Мэриленд. Для начала отдельно подключите каждый датчик к платформе управления данными. Используйте вопросительный знак и восклицательную команду, чтобы запросить адрес датчика и записать значения вместе с серийным номером и адресом SDI-12 каждого датчика в лабораторную книгу.

Затем пометьте головку датчика и конец кабеля адресом SDI-12 с помощью маркера. Настройте датчики содержания воды в почве и любые вспомогательные датчики в лаборатории, подключив их к платформе управления данными и батарее, оставив датчики содержания воды в почве подвешенными в воздухе, вставленными в сухое место и/или погруженными в воду. Убедитесь, что данные записываются с соответствующими скоростями и значениями соответствующими.

Запросите местоположение с помощью приложения USDA SoilWeb и выкопайте пробную яму с помощью копателя для столбов. Убедитесь, что текстура поля соответствует описанию почвы. Постелите брезент над местом раскопок, чтобы защитить поверхность почвы от нарушений.

Размотайте датчик и положите головку датчика на поверхность ямы. Затем расположите конец кабеля там, где будет находиться подставка для инструментов, убедившись, что длина кабеля правильная, отрегулируйте ее при необходимости и отметьте расположение подставки флажком. Используя копатель для столбов, выкопайте яму глубиной примерно 55 сантиметров.

Очистите яму с помощью острой лопаты и убедитесь, что поверхность ямы находится вертикально, чтобы над каждым датчиком была нетронутая почва. Следите за тем, чтобы отверстие и нарушенный участок были как можно меньше, чтобы они быстро восстановились. Удаляйте почву с шагом 10 сантиметров и размещайте каждый подъемник на дальнем конце брезента, приближаясь с каждым шагом, разбивая комья и удаляя большие камни.

Затем выкопайте прямую узкую траншею глубиной более 10 сантиметров, чтобы закопать кабели датчиков. Размотайте все датчики и положите их на одну сторону траншеи. Обратите внимание на глубину любых очевидных изменений цвета или текстуры почвы при сборе репрезентативных образцов почвы в мешок для заморозки объемом в один литр на каждой глубине датчика.

Убедитесь, что поверхность ямы вертикальна, или слегка срежьте ее, чтобы убедиться, что над каждым датчиком будет нетронутая почва. Сначала вставьте 50-сантиметровый датчик и вдавите датчик горизонтально в почву, стараясь не покачивать датчик, так как это может создать зазоры. При необходимости используйте рычаг, чтобы осторожно вставить датчик, убедившись, что зубья полностью погружены в почву.

Ориентируйте каждый кабель датчика на одну и ту же сторону котлована, чтобы они могли висеть на дне котлована. Сфотографируйте выкопанную яму и датчики с рулеткой для масштабирования. Для 100-сантиметрового датчика выкопайте яму до 100 сантиметров минус половина длины пальцев датчика, или 94 сантиметра в данном случае.

Установите датчик вертикально, протолкнув его в нижнюю часть отверстия с помощью установочного инструмента. Перепаковать отверстие шнека выкопанным грунтом. Проложите все кабели датчиков из траншеи в корпус в секции кабелепровода из ПВХ и через разъем переборки, чтобы войти в корпус.

Затем вставьте линзу кабеля в нижний порт корпуса, закрепите их стяжками и подключите пять датчиков. Убедитесь, что напряжение на батарее достаточно, используя мультиметр, установленный на постоянный ток для напряжения постоянного тока. Затем сдвиньте клеммный разъем черного отрицательного провода над лопаточной клеммой на отрицательном полюсе заземления аккумулятора, а красный провод - над положительным выводом аккумулятора.

Чтобы включить систему, подключите кабель аккумулятора к DCP. После запуска программного обеспечения платформы управления данными подключите ноутбук к платформе управления данными и убедитесь, что все датчики сообщают числовые значения. После того, как все, что находится под землей, функционирует и кабели будут проложены в корпус, заполните и загерметизируйте надземные и подземные отверстия корпуса электрической шпатлевкой.

Используя более глубокую выкопанную почву, ближайшую к брезенту, вручную уплотните почву вокруг каждой головки датчика, начиная снизу и двигаясь вверх, не нарушая работу датчика и обеспечивая его хорошее уплотнение. Засыпьте котлован 10-сантиметровыми подъемами, выравнивая и уплотняя поверхность до тех пор, пока не будет достигнут 20-сантиметровый датчик. Вручную уплотните почву вокруг головки датчика и продолжайте подниматься вверх на 10 сантиметров, пока не достигнете поверхности.

Осторожно накройте их более глубоким грунтом из брезента, уплотняя почву на дно ямы, чтобы закрепить кабели, стараясь не тянуть их вниз с какой-либо силой. Сфотографируйте завершенную станцию в ориентации на север, юг, восток и запад от мачты прибора. Очертите место установки датчика с помощью пометки или других отдельных элементов.

Эта полевая установка сообщает о почасовой температуре воздуха и почвы, содержании воды в почве, ежедневных осадках, хранении почвенной воды и ее изменении с течением времени. Результаты показывают резкое увеличение содержания воды в почве у поверхности с задержкой увеличения на больших глубинах после каждого шторма. Во время событий в начале февраля и апреле 2022 года самый глубокий датчик на высоте 100 сантиметров достиг плато 0,33 кубических метра на кубический метр, что указывает на период насыщения.

Для аналогичной установки в Миссисипи содержание воды в почве достигло 0,60 кубических метра на кубический метр на всех глубинах после 40 миллиметров осадков, в то время как еще 70 миллиметров не повлияли на хранение почвенных вод, что свидетельствует о насыщении избыточного стока. Для аналогичной установки в Монтане мерзлая почва и снежный покров привели к резкому снижению содержания воды в почве в середине марта, а затем к увеличению во время оттаивания, без каких-либо признаков осадков. Будьте осторожны с неустойчивым поведением датчика, таким как всплески, изменения шага и колебания, которые могут указывать на плохую установку или отказ датчика.

Установка датчика может быть сложной задачей, особенно в каменистых, корневых или сухих почвах. Убедитесь, что головка датчика прижата заподлицо с почвой. Этот протокол приведет к более согласованным и единообразным данным о содержании воды в почве для широкого спектра применений, включая: мониторинг засухи, прогнозирование водоснабжения, управление водосбором и сельским хозяйством, а также планирование урожая.

Национальная скоординированная сеть мониторинга влажности почвы создает сообщество практиков в области измерения, интерпретации и применения влажности почвы. Это сеть людей, которая связывает поставщиков данных, исследователей и общественность. Более подробную информацию см. в документации.