Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

ייצור טמפרטורה פשוטה וזולה משטח הקרקע ו Gravimetric תוכן המים חיישנים

doi: 10.3791/60308 Published: December 21, 2019

Summary

מדידת מדויק של הטמפרטורה והמים של 5 מ"מ העליון של משטח הקרקע יכול לשפר את ההבנה שלנו של בקרות סביבתיות על תהליכים ביולוגיים, כימיים, ופיזיים. כאן אנו מתארים פרוטוקול לייצור, כיול, וניהול מדידות עם הטמפרטורה משטח הקרקע וחיישנים לחות.

Abstract

הטמפרטורה והלחות במשטח הקרקע חיוניים להבנת כיצד ביוטה משטח הקרקע מגיבים לשינויים בסביבה. עם זאת, על פני הקרקע משתנים אלה הם חיישנים דינמיים מאוד סטנדרטיים לא למדוד במפורש טמפרטורה או לחות במילימטרים העליון של פרופיל הקרקע. נייר זה מתאר שיטות לייצור פשוט, חיישנים זולים אשר במקביל למדוד את הטמפרטורה ואת הלחות של העליון 5 מ"מ של משטח הקרקע. בנוסף לבנייה חיישן, צעדים עבור בקרת איכות, כמו גם עבור כיול עבור מצעים שונים, מוסברים. החיישנים לשלב מסוג E תרמושניים כדי למדוד את הטמפרטורה ולהעריך לחות הקרקע על ידי מדידת ההתנגדות בין שני מצופה זהב בדיקת מתכת בסוף החיישן בעומק של 5 מ"מ. השיטות המוצגות כאן ניתן לשנות כדי להתאים את הבדיקות עבור בעומקים או מצעים שונים. חיישנים אלה היו יעילים במגוון רחב של סביבות ועברו חודשים של גשמים כבדים ביערות טרופיים, כמו גם קרינת השמש אינטנסיבי במדבריות של מערב התוצאות של דרום אמריקה להפגין את האפקטיביות של חיישנים אלה להערכת התחממות, ייבוש, והקפאת משטח הקרקע בניסוי שינוי גלובלי.

Introduction

חיישנים סביבתיים הם כלים קריטיים להערכת, ניטור והבנה של הדינמיקה האקולוגית. הטמפרטורה והלחות הם נהגים יסודיים של תהליכים ביולוגיים בקרקעות ומשפיעים על הפעילות וההרכב הקהילתי של אורגניזמים הקרקע1,2. בנוסף, הטמפרטורה והלחות הוכחו להשפיע על העיתוי של שתיל הופעתה ושיעורי פירוק הפסולת3,4,5. בתחומי היבשה, משטחי הקרקע שאינם מכוסים בצמחי כלי דם מכסים לעתים קרובות קהילות של משטחים, ליכדים, וכחוליות, הידועות כקרום אדמה ביולוגי (biocrust) (איור 1). קהילות אלה קיימות במשטח הקרקע ולעיתים רחוקות חודרים עמוק יותר מכמה מילימטרים לתוך הקרקע6. הקרקע הביולוגית קשה יכול להשפיע מאוד על ייצוב הקרקע, חדירת מים שיעורי אידוי, albedo, טמפרטורה, מזינים אופניים, וקרקע-אטמוספירה CO2 exchange7,8,9. בתורו, עבור מערכות מסוימות הפעילות של קהילות אלה משטח יכול לשלוט בתכונות הקרקע הכוללת את שיעורי התהליכים השונים10. חיישנים כי מיקוד במפורש מדידות בעומקים רדוד יכול לעזור לנו עוד להבין כיצד surficial טמפרטורה ולחות משפיעים על נביטת הזרעים, שיעורי הפירוק, ותגובות של משטח הקרקע biota, כמו גם הרבה פונקציות של המערכת האקולוגית.

ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיה חיישן הקרקע הראו את החשיבות של מדידות מפורשות מרחב להבנת תהליכים ביולוגיים במשטח הקרקע11,12. שיטות קונבנציונליות לניתוח לחות הקרקע לשלב חיישנים להציב מתחת לפני האדמה ולעתים קרובות לשלב מדידות לאורך המעמקים. לחות הקרקע שנרשמו על ידי בדיקה אלה יכול לעזור ליידע את ההבנה שלנו של שליטה סביבתית על אורגניזמים הקרקע, אבל כנראה להחמיץ רבים הניואנסים המתרחשים משטח הקרקע. כדי למדוד במפורש את תכולת המים של החלק העליון של מילימטרים הקרקע, וובר ואח ' פיתחה לאחרונה biocrust ולחות בדיקה (BWP) הקובעים רטיבות בקרקע באמצעות מוליכות חשמלית של משטח הקרקע לעומק של 3 מ"מ11. באמצעות חיישנים של וובר בשילוב עם 0 כדי 5 ס מ בדיקה לחות משולבים, טאקר ואח ' הפגינו את החשיבות של חיישני לחות המתמקדים על מילימטרים העליון כמה משטח הקרקע. בפרט, אירועי משקעים קטנים, שהיו רלוונטיים במידה רבה לפעילות של קהילות biocrust, לא הירשמו לבדיקות משולבות של 0-50 מ"מ (כלומר, 5 ס מ) וזוהו רק ב-BWPs12. חיישנים התמקדו בחלק העליון מילימטרים של קרקעות חיוניים למדוד אירועי לחות כי הם לא גדולים מספיק כדי לחדור מעבר לפני השטח אבל הם מספיקים כדי לגרום לתגובות של ביוטה על פני השטח.

טמפרטורת שטח הקרקע היא גורם סביבתי חשוב נוסף המניע תהליכים פיזיולוגיים. משטח הקרקע diurnal טמפרטורות יכול להיות משתנה מאוד, במיוחד האינטרחללים הצמח שבו משטח הקרקע מוצל חשוף כמויות גדולות של קרינת השמש. כמו כן, הטמפרטורה משתנה יותר על פני הקרקע מאשר עמוק יותר בפרופיל הקרקע13 או באוויר14. לדוגמה, טאקר ואח ' הראה את הטמפרטורה המקסימלית של שטח הקרקע יומי של כמעט 60 ° צ' (13-72 ° c) המתרחשים רק 24 h. טמפרטורות אלה נמדדות באמצעות זוגות תרמיים שנוספו 3 מ"מ למשטח הקרקע. בינתיים, טמפרטורה בקרבת מקום הבדיקות 50 מ"מ מונה מגוון של רק 30 ° צ' (22-52 ° c) באותו יום12. הזוגות התרמיים מודדים במפורש טמפרטורה במשטח הקרקע הראה וריאציה גבוהה הרבה יותר מאשר חיישנים במעמקי 50 מ"מ, כמו קרקעות הקרקע היו 10 ° c קר בלילה ו 20 ° c חם במהלך החום של היום ביחס 50 מ"מ ערכים עמוקים.

הטמפרטורה מייצגת שליטה. קריטית על תהליכים פיזיולוגיים לדוגמה, בקרקע מתמדת moistures בתנאי מעבדה, שיתוף2 הפסדים מן הקרקע להגדיל באופן דרמטי עם הגדלת טמפרטורות ברוב האקולוגית2,15,16. באופן דומה, נתונים ממחקרים מניפולציה האקלים בשדה כי המטרה להגדיל את טמפרטורת העלילה ביחס לפקדים הראו כי שחרור קרקעות מחוממות יותר2 מאשר קרקעות בלתי מחומם בקרבת מקום (לפחות בשנים הראשונות של טיפולים17,18) ו הקרקעות biocrusted להראות תגובה דומה להתחממות7,9. גם הטמפרטורה וגם הלחות הוכחו להיות חשובים משתנים סביבתיים וחיישנים שיכולים ללכוד במדויק את שטח הקרקע תנאי אקלים ניתן להבהיר כיצד הם משפיעים על התהליכים הפיזיולוגיים של אורגניזמים במשטח הקרקע11,12.

נייר זה מציג חיישנים שנועדו למדוד את הטמפרטורה והלחות לעומק 5 מ"מ מתחת למשטח הקרקע, המציעה כוח משמעותי בהערכת כיצד אלה משתנים אינטראקציה עם וכונן תגובות ביולוגיות מ surficial biota. הזוג התרמותרמי סוג E עשוי משתי מתכות (כרומאל וקונסטנטיו), ושינויי טמפרטורה במתכות יוצרות מתח שונה המוקלט על-ידי לוגר נתונים. חיישן לחות הקרקע מודד עמידות בין שני מתכות מצופה זהב. ההתנגדות מושפעת מתכולת המים של האדמה, משום שמים נוספים מגבירים את ההתנגדות ובכך מקטינה התנגדות בין הצדדים. בעקבות העיצוב של ובר ואח '11, חיישנים אלה למדוד לחות הקרקע לעומק של 5 מ"מ ובנוסף כוללים זוג תרמי למדוד טמפרטורה על אותו הגשוש. חיישנים אלה מאפשרים תצוגה מעודנת של איך הטמפרטורה ואת הדינמיקה לחות משתנים בקונצרט במשטח הקרקע באמצעות לווין יחיד. הבדיקות הללו מספקות הזדמנויות רבות לחקור כיצד אורגניזמים החיים על פני השטח מגיבים לשינויים בסביבתם. יתרון נוסף של חיישנים אלה הוא שהם פשוט יחסית זול לבנות ולכייל, והחוקרים יהיה מסוגל בקלות לאמץ את השימוש בהם.

הפרוטוקול הבא מתאר בפרוטרוט את החומרים והשיטות לבניית החיישנים, כולל חלוקה לרמות לחיבור החיישנים לרושמי נתונים. חיישנים אלה השתמשו בחוטבי עצים זמינים מסחרית, אבל כל לוגר נתונים שניתן לחבר לריבוב יכול לשמש. מתוארים גם שיטות לכיול החיישנים לתחומי העניין.

Protocol

1. חיישני ייצור

  1. גזור את אורך הכבלים המתאים.
    1. קבע את המרחק המירבי מהמיקום של לוגר הנתונים למיקום החיישן הרצוי. חשבון לאורך הכבל הנוסף הדרוש לעיקולים בכבלים, במכשולים ובהחזקה לאוגר הנתונים.
    2. חותכים את כל הזוג התרמותרמיים ואת כבלי לחות הקרקע לאורך זה מקסימום הרצויה. הבדלים באורך הכבל עלולים להוביל לתנוחות משתנה בין חיישנים. בעיה זו ניתן להימנע על ידי שמירה על כל הכבל חיישן אורכי זהה.
  2. הכן את כבל הזוג התרמי.
    1. הפשילו את ז'קט הכבל 4-5 ס מ מקצה הכבל.
    2. להסיר את הפרווה החדש חשוף, בקוטר קטן 5 מ"מ מקצה החוטים.
    3. Arc לרתך יחד את העצות החשופות של החוטים ולבדוק את עוצמת הריתוך החדש על ידי למשוך בעדינות על החוטים כדי להבטיח כי הם לא להפריד.
      התראה: קסדת ריתוך או מגן פנים יש להשתמש כדי להגן מפני קרינה שנוצר בעת ריתוך קשת. לשמור על הכול בסביבת העבודה יבש כדי למנוע הלם פוטנציאלי. עבוד באזור מאוורר היטב כדי לשמור על אדים או גזים מאזור הנשימה שלך.
    4. טובלים את הקשת-מרותך קצות הכבל התרמי לתוך הסרט החשמלי הנוזלי כדי להגן על החוטים החשופים. הקלטת החשמלית הנוזלית צריכה לכסות את המתכת החשופה של חוטי התיל ולפחות 3 מ"מ מהנרתיקים לחוטים הקטנים בקוטר.
      התראה: הקלטת החשמלית הנוזלית כוללת אדים דליקים שעלולים לגרות את מערכת הנשימה. השתמשו באזור מאוורר היטב הרחק מלהבות פתוחות. הימנע חשיפה ישירה לעיניים ולעור, כמו זה יכול לגרום לגירוי.
    5. הניחו לסרט החשמלי הנוזלי להתייבש במשך כ-4 שעות או כפי שהורו היצרן.
    6. חותכים פיסת 0.13 (~ 3.3 mm) לחות איטום חום לכווץ אבובים כי הוא מספיק זמן כדי לכסות את הסרט החשמלי הנוזלי על מעילי בקוטר קטן ולפחות 1 ס מ של הכבל התרמי הזוג (כ 6 ס מ ארוך). הכניסו את החוטים לתוך צינור החום והזיזו את הצינורית לעבר מעיל הכבל. המתן להחלת חום עד לשלב מאוחר יותר (Step 1.5.3).
  3. הכינו את כבל לחות הקרקע.
    1. להסיר את ז'קט הכבל 5 ס מ מקצה הכבל.
    2. חותכים את חוט הקרקע (לא נדן) במעיל כבל כך שהוא לא נחשף מעבר לז.
    3. רצועה 1 ס מ של הנרתיקים הפנימיים בקוטר קטן מקצות חוטי לחות הקרקע.
    4. לסובב את המתכת החשופה של כל חוט כדי לאחד את קווצות קטנות.
    5. בדיל גדילי מעוות קטן ידי החלת הלחמה על המתכת החשופה בכל קצה חוט.
      זהירות: יש לנקוט טיפול כאשר משתמשים בכלים החמים ביותר הדרושים להלחמה. הלחמה באזורים מאוורר היטב ללבוש את העין המתאימה הגנה על העור.
    6. חותכים פיסת 0.38 (~ 10 מ"מ) מחממים אבובים לכווץ כי הוא 1 ס מ יותר מאשר המרחק מהמקום שבו ז'קט הכבל הוסר לסוף החוטים המפוצלים. מניחים את הצינור על שני החוטים ומחליקים אותו בחזרה מעל ז'קט הכבל כדי לתקן את המקום בשלב מאוחר יותר.
    7. גזור שני 1.5 ס מ חתיכות של 0.13 ב (~ 3.3 mm) לחות איטום חום לכווץ אבובים ובמקום אחד על כל חוט. אל תחמם אותם עד שאתה מולחם את החוט לרצועת שקע שני החוד.
    8. החל שטף הלחמה על הצדדים של הרצועה שני החוד.
    9. הלחמה הקצוות המסיביות של התיל לקצות רצועת שקע שני החוד. היזהרו לשמור את שני הקצוות מופרדים כך שהם לא נוגעים.
    10. להעביר את שתי חתיכות של 0.13 (~ 3.3 מ"מ) לחות לאיטום חום לכווץ צינורות לבסיס של רצועת שקע שני החוד, כך כל חלקי מתכת מכוסים. השתמש באקדח החום כדי לדבוק הצינורות לכווץ את החום, מטפלת לא להתחמם יותר ולהמיס את הלחמה מתחת לצינורות.
    11. להעביר את 0.38 (~ 10 מ"מ) לחות לאיטום חום לכווץ שפופרת 1 מ"מ מקצה רצועת שקע שני החוד, כך שהוא מכסה את רצועת שקע, את החוטים בקוטר קטן, וחלק ז'קט הכבל. השתמש באקדח החום כדי לתקן. את צינור החום המכווץ הזה במקומו
  4. . תשנה את רצועת הטרמינל לראש החיישן
    1. כדי לשנות את רצועת המסוף של שמונת הצדדים, כוון את הרצועה כך שהצורות העליונות מעוקלים הרחק מהתצוגה. השתמש בחיתוכים בחוט כדי לחתוך את הצדדים השני, הרביעי, והשביעי משמאל ממש מתחת לרצועת המגע של הפלסטיק השחור (איור 2).
    2. מדידת 5 מ"מ מתחת רצועת המגע פלסטיק שחור לסמן את השלישי, החמישי, והשישי הצדדים משמאל ב 5 מ"מ. חיתוך הצדדים האלה. בסימן של 5 מ"מ ניתן לשנות אורך זה כדי להתאים שאלות מחקר שונות.
  5. . תאסוף את ראש החיישן
    1. גזור 2 ס מ חתיכות של 0.5 בתוך (~ 13 מ"מ) לחות איטום חום לכווץ אבובים ושקופית אחת מעל כל אחד הזוג התרמותרמיים כבלי קרקע לחות.
    2. הזיזו את הקשת-מרותך הקצה של חוטי הזוג התרמותרמיים מעל הקצה השלישי החתוך, כך שקצה הזוג התרמי מכוון עם סוף החוד החתוך. לכופף את החוטים כך שהם בעקבות עקומת העליון של חוד.
    3. החלק את 0.13 ב (~ 3.3 mm) לחות איטום חום כיווץ צינור (משלב 1.2.6) על פני החלק המעוקל של החוט ואת חוטי הזוג התרמותרמיים. בדוק כי צינור החום לכווץ הוא גם מכסה חלק מהז הכבל התרמי הזוג ולהשתמש באקדח חום כדי לדבוק את צינור החום לכווץ במקום. לסחוט את החלק של צינור החום לכווץ כי הוא מעל החוד מעוקל עם האצבעות כדי לאבטח אותו.
    4. הכנס את הקצוות המעוטים העליונים של הצדדים 5 ו-6 לתוך רצועת שקע שני הקצוות (איור 2).
    5. להעביר את 0.5 העליון (~ 13 מ"מ) פיסת לחות לאיטום חום לכווץ צינור לכיוון ראש חיישן כך הוא ממוקם כ 1 ס מ מהראש. השתמש באקדח חום כדי לדבוק אותו במקום, לוקח לטפל לשמור על רצועת השקע מחובר היטב לצדדים 5 ו 6 ו חוט הזוג תרמותרמיים על חוד 3.
    6. השתמש באקדח חום כדי לדבוק 0.5 אחרים (~ 13 מ"מ) פיסת לחות לאיטום חום לכווץ אבובים כמה סנטימטרים מאחורי פיסת החום הקודמת של אבובים לכווץ.
    7. החלת הקלטת החשמלית הנוזלית על כל הצדדים של חוט התיל התרמי והחוד 3.
    8. החל את הקלטת החשמלית הנוזלית על כל הצדדים של חיבור הרצועה socket המבטיח שכל המתכת החשופה מכוסה. עם זאת, אין לכסות את הצדדים החתוכים של 5 מ"מ המשויכים לחיבור זה (איור 3).

2. חיבור חיישנים לאוגר נתונים וריבוב

הערה: יש להשתמש בחיישנים אלה עם ריבוב המחובר לאוגר נתונים. כל השלבים בפרוטוקול זה נועדו לשימוש עם לוגר הנתונים והריבוב המפורטים בטבלת החומרים (גם הרושמי נתונים אחרים יעבדו). בכל זמן המדידה, לוגר הנתונים פותח את התקשורת לריבוב, אשר, בתורו, פועל כממסר ומאפשר לזרם לזרום לתוך חיישן השתיל.

  1. חבר את הריבוב לאוגר הנתונים באמצעות חוטי שמע. חבר את יציאת ה-COM על לוגר הנתונים ליציאת RES בריבוב. חבר את יציאת ה-COM הנפרדת לאוגר הנתונים ליציאת CLK בריבוב התקשורת. חבר את יציאות ה-G ו-12 המבקרים על לוגר הנתונים ליציאות GND ו-12 המבקרים על הריבוב, בהתאמה.
  2. צור מפריד מתח על לוגר הנתונים על ידי חיבור דרך חור 1 kΩ ± 0.1% שאיפה בין יציאת ה-וי-פי ויציאת H DIFF על לוגר הנתונים.
  3. חבר שני חוטי אודיו עם הקרקע מתוך מפריד מתח זה לריבוב. חבר חוט מאותה יציאת H DIFF שמפריד המתח מחובר לאוגר הנתונים ליציאת COM אי-זוגיים L ברשת הריבוב. ודא שהחוט השני מחבר נמל קרקע על לוגר הנתונים ליציאת COM אי-זוגיים H על הריבוב. ודא כי חוט הקרקע מחבר קרקע מאוגר הנתונים לקרקע על הריבוב.
  4. התחבר חוט מסוג E-הצמד לאוגר הנתונים והריבוב. החוט הסגול מחבר את יציאת DIFF 1 H על לוגר נתונים לנמל COM אפילו H על הריבוב. החוט האדום מחבר את יציאת ה-DIFF 1 L על לוגר הנתונים ליציאת COM אפילו L על הריבוב. ודא כי חוט הקרקע מתחבר לקרקע על לוגר הנתונים וגם ריבוב.
  5. שנה את הריבוב למצב של 4 x 16.
  6. חבר את החיישנים לריבוב. כבלי קרקע שמע לחות מתחברים ליציאות מוזרות עם חוט שחור ל-H והחוט האדום לחוטי החשמל התרמיים מתחברים לנמלי האבן הסגולים ל-H ולחוט האדום ל-L. סדר החוטים התרמותרמיים חיוני למדידות נאות.

3. בדיקת חיישנים

  1. הלחמה הקצוות של הסרט משקע לתוך הצדדים על מחבר שני שקעים שקע באמצעות הלחמה עופרת שטף הלחמה.
  2. חבר את כל החיישנים להיבדק על ריבוב.
  3. להתאים את תוכנית רישום הנתונים כדי לסרוק כל 30 s, או תדר מועדף לסריקת חיישנים מרובים.
  4. עבור חיישני לחות, למקם את מחבר שקע עם שיקום הסרט אל הצדדים 5 ו 6 של החיישן ולהקליט את הנתונים מן לוגר הנתונים.
  5. מניחים את הנגד על כל חיישן כדי להבטיח שהם כולם לתת את אותו הקריאה.
  6. נטר את הנתונים התרמיים כדי לוודא שהוא חש בטמפרטורות דומות.
  7. לחיישני טמפרטורה, מניחים את הקצה התרמי בין שתי אצבעות כדי לוודא שהטמפרטורות משתנות בהתאם.

4. כיול חיישנים

הערה: סעיף זה מתאר את התהליך עבור התייחסות פלט חיישן לחות הקרקע.

  1. מייצרים את ראש חיישן הכיול.
    1. רצועה 12 ס מ של הז מכבל לחות הקרקע.
    2. להסיר את המגן רדיד אלומיניום מן החוטים.
    3. חותכים אורך 10 ס מ של חוטי הלחות הפנימיים בקוטר קטן של הקרקע.
    4. רצועת כ 1 ס מ של נדן משני הקצוות של כל חוט.
    5. מסובבים את החוטים הקטנים בכל אחד מקצות הקצוות ומתוכם ברזל הלחמה.
    6. שנה את רצועת המסוף של שמונה החוד למפרטים זהים לאלה של השלבים 1.4.1 ו-1.4.2.
    7. החלת שטף הלחמה על עקומות העליון של הצדדים 5 ו 6.
    8. הלחמה החוטים לעקומות העליון של הצדדים 5 ו 6 על רצועת הטרמינל שמונה החוד.
    9. חתוך את שני הצדדים החיצוניים של רצועות המסוף של שמונה החוד ל-5 מ"מ.
    10. מניחים פיסת 2 ס מ 0.13 בתוך (~ 3.3 מ"מ) לחות לאטום את החום לכווץ אבובים על שני חוטים.
    11. לדבוק החום חתיכות לכווץ קרוב לראש חיישן שונה ככל האפשר.
    12. מניחים 2 ס מ חתיכות של 0.13 בתוך (~ 3.3 מ"מ) לחות איטום חום לכווץ אבובים על שני חוטים, אחד על כל חוט. המתן לדבוק בהם במקום בשלב מאוחר יותר.
    13. חותכים את שני הצדדים האמצעיים הארוכים של רצועת מסופים בעלת ארבעה שקעים עד 1 ס מ.
    14. החלת שטף הלחמה על קצות מעוקל העליון של הצדדים באמצע רצועת הטרמינל ארבע החוד.
    15. הלחמה בקצוות החופשיים של שני חוטים לחתוך את הקצה של רצועת הטרמינל ארבעה החוד, כך ארבעת הצדדים מעוקל העליון פונים הרחק מראש חיישן שונה (איור 4).
    16. הזיזו את החום לאיטום הלחות שהונחו בעבר עד לבסיס של רצועת הטרמינל בעלת ארבעת הראשים והתחממו למקומה.
  2. הכינו את כבל הלחות של הקרקע לכיול.
    1. חותכים כבל לחות אדמה באורך זהה לזה של החיישנים המשמשים בשדה.
    2. להסיר את הז של הכבל עד 5 ס מ מהקצה.
    3. חותכים את חוט הקרקע (לא נדן) במעיל כבל כך שהוא לא נחשף מעבר לז.
    4. רצועה 1 ס מ של מעילי מתכת בקוטר קטן מקצות חוטי הלחות בקרקע.
    5. לסובב את המתכת החשופה של כל חוט כדי לאחד את קווצות קטנות.
    6. בדיל גדילי מעוות קטן ידי החלת הלחמה על המתכת החשופה בכל קצה חוט.
    7. חותכים פיסת 6 ס מ 0.38 ב (~ 10 מ"מ) לחות איטום חום לכווץ אבובים, למקם אותו על שני החוטים, ולהחליק אותו בחזרה על ז'קט הכבל כדי לדבוק בו בשלב מאוחר יותר.
    8. גזור שני 1.5 ס מ חתיכות של 0.13 ב (~ 3.3 מ"מ) חום לכווץ אבובים ובמקום אחד על כל חוט. אין למרוח חום עד שהתיל מולחם לרצועה של שני השקעים.
    9. החל שטף הלחמה על הצדדים של הרצועה שני החוד.
    10. הלחמה הקצוות המסיביות של התיל לקצות רצועת שקע שני החוד. היזהרו לשמור את שני הקצוות מופרדים כך שהם לא נוגעים.
    11. להעביר את שתי חתיכות של 0.13 (~ 3.3 מ"מ) לחות לאיטום חום לכווץ צינורות לבסיס של רצועת שקע שני החוד, כך כל חלקי מתכת מכוסים. השתמש באקדח החום כדי לדבוק את צינורות החום לכווץ במקום, לטפל לא לחמם יותר ולהמיס את הלחמה מתחת לצינורות.
    12. להעביר את 0.38 (~ 10 מ"מ) לחות לאטום את החום כיווץ צינור (משלב 4.2.7) עד 1 מ"מ מקצה רצועת שקע שני החוד, כך שהוא מכסה את רצועת שקע, את החוטים בקוטר קטן, וחלק ז'קט הכבל. השתמש באקדח החום כדי לדבוק. בצינור החום המכווץ במקומו
  3. צור את מיכל אדמת הכיול (איור 5).
    1. גזור 50 mL-שפופרת צנטריפוגה חד פעמיות 4 ס מ מראש המכסה. פעולה זו תיצור צינור עם פתח בקצה אחד ומכסה נשלף בצד השני.
    2. השתמש סיבית מקדחה לקדוח חור 2.5 ס מ במרכז המכסה. סיבית של תרגיל צעד קלה לשימוש וליעילות.
    3. חותכים שני חריצים אנכיים 6 מ"מ בנפרד, החל מהקצה הפתוח של הצינור והארכת לתחתית המכסה. השתמשו בחתך אנכי בתחתית המכסה כדי לחבר את שני החריצים ולהסיר את רצועת הפלסטיק (איור 5). זה ייצור פער מספיק גדול כדי להכניס את החוטים של ראש החיישן.
    4. חותכים פיסת 6 ס"מ קוטר עגול של בד פוליפרופילן רשת. הניחו את רשת השינוי בין המכסה לצינור השפופרת וברגי את המכסה.
    5. הכנס את רצועת המסוף של שמונה הראשים של ראש חיישן הכיול לתוך הצינור, כך החוטים להחליק למטה את הפער שנוצר בשלב 4.3.3.
    6. הקלטת את הכיוון הארוך יותר של רצועת הטרמינל בעלת ארבע הזרועות לצד הקצה הפתוח של הצינור, כך שהצורות העליונות פונות החוצה מהצינור וניתן להתחבר בקלות לרצועה של שני הצדדים של כבל הכיול (איור 5).
    7. מניחים את המיכל עם ראש חיישן מצורף בתנור 60 ° c לייבוש עבור 48 h כדי להסיר לחות כלשהי.
  4. כיול חיישן ואדמה.
    1. שוקלים את הריק, כיול מיובש מכולות יחד עם ראש חיישן כיול על איזון עם דיוק 0.0001 g. מדידה זו ישמשו לחישוב תוכן המים גרווימטריה (gwc) בשלב מאוחר יותר.
    2. התנהלות כיול בסביבה שיכולה לשמור על טמפרטורה מתמדת.
    3. . הכן אדמת ביוחלודה לכיול
    4. הסר את המכסה של צינור הכיול ולהשתמש בקצה המשורשרת כתבנית לגזור פיסת biocrust בקוטר זהה. Biocrust צריך להישאר בתוך הצינור כאשר משכה למעלה, אבל אולי ידרוש קצת עזרה כדי לשמור אותו בתוך הצינור.
    5. באמצעות אצבע, לדחוף את המדגם biocrust מן הקצה לחתוך של הצינור כך 3-5 mm של החלק העליון של biocrust להישאר בתוך הצינור. לגרד את כל האדמה העודפים כי הוא דחף מתוך הקצה הברגה של הצינור כך את החלק התחתון של biocrust הוא סומק עם החלק התחתון של הצינור.
    6. מניחים את הרשת בקוטר 6 ס מ בקצה הרצף, מתחת לבירוקרוסט, ולעזאזל עם המכסה הצמוד.
    7. מויסטן דגימת biocrust ולתקן בעדינות את ראש חיישן בחלק העליון של המצע כך הצדדים קבורים לחלוטין. ייתכן שיהיה צורך לכופף את החוטים כדי להבטיח שראש החיישן יישאר במקומו ולא יזוז במהלך הכיול.
    8. הכינו אדמה מינרלית לכיול.
    9. לאסוף קרקעות מן 5 מ"מ העליון באזור שבו החיישנים ימוקמו.
    10. השתמש במכתש 2 מ"מ כדי להסיר אבנים גדולות וחומר אורגני מהקרקע.
    11. ודא המכסה נדפקה על הדוק עם רשת 6 ס מ בקוטר של פוליפרופילן קבוע בין המכסה לבין הצינור.
    12. מניחים אדמה מלאה במיכל הכיול, כך שהיא מכסה את תחתית המיכל לעומק של 6 מ"מ.
    13. מויסטן דגימת הקרקע ולתקן בעדינות את ראש החיישן בחלק העליון של המצע, כך הצדדים קבורים לחלוטין. ייתכן שיהיה צורך לכופף את החוטים כדי להבטיח שראש החיישן יישאר במקומו ולא יזוז במהלך הכיול.
    14. רוויה המצע (biocrust או אדמה) עם מים מיוהים עד שכבת מים מבריק גלוי על פני השטח.
    15. תנו למצע הרווי להתייבש למשך הלילה.
    16. לפני תחילת המדידות, בדוק כי ראש החיישן הוא עדיין במקום והצדדים נמצאים כולם קבורים באופן מלא במצע.
    17. הפחתת המצע במים מפוהים עד ששכבה מבריק מוצגת על פני השטח.
    18. נגב את המצע במשך 15 דקות.
    19. חברו את הרצועה בעלת שני הצדדים של כבל לחות קרקע הכיול לשתי הצורות הפנימיות של רצועת הטרמינל ארבע-החוד.
    20. תכנת את לוגר המידע. להקליט מדידות כל דקה
    21. הפעל את לוגר הנתונים כדי להתחיל באיסוף מדידות התנגדות.
    22. מקמו מאוורר כדי לנשוף בעדינות על מיכל הכיול כאשר המשקולות אינן נרשמות כדי לקדם את הייבוש.
    23. הרטיב את המצע במים מפוחים עד שברק נראה על פני השטח.
    24. מניחים את מיכל הכיול עם אדמה רטובה על מגבת נייר כדי לספוג מים נוטפים.
    25. נתק את חוט הלחות בקרקע. מרצועת הטרמינל של ארבע החוד
    26. הקש קלות על המיכל כדי לגרש את המים הנוטפים.
    27. כבה את המאוורר לפני הצבת מיכל הכיול על היתרה.
    28. מניחים את המיכל על היתרה ומקליטים את המשקל ואת זמן המדידה.
    29. חברו מחדש את חוט הלחות הקרקע. לרצועת הטרמינל של ארבע החוד
    30. הצב את מיכל הכיול בחזרה למגבת הנייר.
    31. הפעל את המאוורר כדי לזרז את הייבוש.
    32. משקולות שיא כל 15 דקות עד המצע מיובש לחלוטין באוויר. ייבוש מלא מצוין על ידי שינוי קטן או לא במשקולות מיכל הכיול בין מדידות.
    33. מיכל כיול מקום, ראש חיישן כיול, ומצע בתנור ייבוש 60 ° c עבור 48 h.
    34. שוקלים את המצע מיובש בתנור, המיכל וראש החיישן.
  5. ניתוח נתונים של כיול חיישנים.
    1. לחשב את משקל המצע יבש על ידי הפחתת משקל מיכל כיול יבש נקבע בשלב 4.4.1 מתוך משקל של המיכל כיול יבש עם מצע נקבע בשלב 4.4.34.
    2. לחשב את משקל המים עבור כל 15 דקות זמן או כיול על ידי חיסור משקל כיול יבש המיכל עם מצע (שלב 4.4.34) מן המשקולות שנרשמו כל 15 דקות.
    3. לחשב את GWC עבור כל 15 דקות זמן הנקודה על ידי חלוקת משקולות מים (שלב 4.5.2) על ידי משקל הקרקע יבש (4.5.1).
    4. התאמת זמני מדידה התנגדות GWC של כל 15 דקות זמן שנקבע בשלב 4.5.3.
    5. קבע את עקומת הכיול מניתוח רגרסיה עם GWCs כמשתנים תלויים וסימנס כמשתנים עצמאיים (איור 6). סוגים שונים של עקומות (ליניארי, עוצמה, לוגריתמי) עשויים להיות מתאימים ביותר לכיול של מצעים שונים.

Representative Results

הערכת המיקרואקלים של משטח הקרקע חיונית להבנה וחיזוי התהליכים הביולוגיים, הכימיים והפיזיים המתרחשים שם. בבדיקות אלה מספקים הזדמנויות רבות עוצמה לנטר מיקרו אקלים בשכבת פני השטח מאוד של פרופיל הקרקע, ולכן הם יקרי ערך עבור הערכות של פעילות ביולוגית המתרחשים בכמה מילימטרים העליון של הקרקע11,12. הבדיקות הללו פותחו ומעודן כדי להעריך שולטת על פעילות קרום הקרקע הביולוגית כי הטמפרטורה והלחות biocrust יכול להיות קריטי לתפקודו2,8,10,12,15. עם זאת, בעוד הבדיקות האלה פותחו עבור קרקעות פוטוסינתטיים באזור היבש, יש פוטנציאל חזק ליישום אותם במגוון רחב של מערכות, כמו גם כדי להעריך כיצד הטמפרטורה והלחות משתנים לאורך הקרקע פרופילים עומק. לדוגמה, חיישנים אלה נפרסו בניסוי ההתחממות ביער טרופי כדי לברר כיצד התחממות הטיפולים והווריאציה הטבעית באינטראקציה האקלים כדי לקבוע הבדלים בתהליכי הקרקע, טמפרטורה, ולחות.

עם זאת, ישנם כמה שיקולים מרכזיים לפני יישום חיישני פני הקרקע. לדוגמה, יש לפתח עקומות כיול כדי להמיר יחידות עמידות למדדים נפוצים יותר של לחות קרקע, כגון GWC. חיישן פני השטח הקרקע מודד התנגדות בין המתכת לבין התפוקות המוליכות (ההופכי של ההתנגדות) ערכים סימנס (1/אוהם). כך, המרה של סימנס ללחות הקרקע חייב להתבצע. מספר תכונות כימיות ופיזיות של מצע הקרקע יכול להשפיע על הקשר בין קריאות מוליכות החיישן של סימנס ולחות הקרקע. לכן קריטי לנהל כיול ספציפי מצע להמיר קריאות בדיקה לערכי לחות קרקע. נתוני כיול משלושה סובסטרטים המפגינים הבדלים אלה מוצגים.

איור 6 מתארת את נתוני כיול יבש עבור שתי דגימות כל אחד שלושה מצעים הקרקע, כל אחד עם המחקר שלו. מצעים היו רוויים עד שכמות קטנה של מים הייתה גלויה על פני השטח. העמדות בדיקה ומשקולות הקרקע נמדדו כל 15 דקות עד שכל הדגימות היו יבשות. מסת הקרקע שימש לאחר מכן כדי לחשב GWC. איור 6 מראה את העיוותים של מוליכות ו-gwc עבור כל דוגמה. הסובכיול המשמשות עבור אלה כוללים קרקעות הסחף (23% חול), 64% טין, ו -13% חימר) שנאספו בתחנת שדה ניסיונית באל-Yunque היער הלאומי, פוארטו ריקו; biocrusts שלטו טחב שנאסף ליד טירת וואלי, יוטה; ואדמת חול משובחת (92% חול, 3% טין ו-5% חימר) מחלקות התחממות ניסויית ליד מואב, יוטה.

הצורך מצע כיול חיישן מוצג על ידי וריאציה של מוליכות בדיקה לחות הקרקע עבור כל מצע. לדוגמה, הקיקיתים של דגימות הקרקע של הסחף (איור 6א) היו נפרדות משתי מצעים הקרקע האחרים. לכן, החלת משוואת הרגרסיה של אדמת רקבובית הסחף לאזוב biocrust, או להיפך, יוביל לערכים שונים באופן דרמטי. מצד שני, היחסים בין הג לבין התנוחות בדיקה לאדמת החול המשובח (איור 6ג) וטחב biocrust (איור 6ב) היו דומים. עם זאת, אדמת חול משובח לא היה מסוגל להחזיק כמו מים רבים כמו אזוב בהתאמה חוו הרבה יותר מהר ייבוש. כפי שיש וריאציה בתוך מצעים, חשוב יש גודל מספיק גדול לדוגמה כדי לייצר עקומת כיול מדויקת כדי ליצור עקומות כיול בודדים עבור כל האתרים.

בהגדרה ניסויית, חיישני קרקע אלה שימשו כדי להעריך את השפעות הטיפול של מחקר האקלים מניפולציה ליד מואב, יוטה, ארצות הברית. מחקר זה השתמש במנורות אינפרא-אדום כדי להגביר את טמפרטורת הסביבה של מגרשים ב-4 ° c באותו מיקום ועם שיטות דומות שתוארו על ידי ורטין ואח '17. איור 7 מציג את הטמפרטורה הממוצעת gwc מתוך מגרשים מחומם ושליטה עבור שני אירועי גשם נפרדים שהתרחשו בתחילת 2018 במאי. טמפרטורות ממוצעות במגרשים התחממו היו גבוהות בעקביות מהטמפרטורות הממוצעות של מגרשי הבקרה (איור 7א). במהלך שני אירועי הגשם האלה מתרחשים חיישני המשקעים בחלקות המחוממות שנרשמו פחות לחות הקרקע מאשר הבקרות והחלקות המחוממות מיובשות מהר יותר (איור 7ב). יצוין כי הגדילה בטמפרטורה עלולה להוביל למוליכות גבוהה יותר של קרקעות שיש להתייחס אליה במשך19. הרגישות של הן הטמפרטורה והן רכיבי הלחות של החיישנים אלה הקרקע מותר לנו לא רק להתבונן הבדלים בטמפרטורה של הטיפול ההתחממות אלא גם איך זה השפיע הדינמיקה לחות במגרשים.

האינטראקציות של הטמפרטורה והלחות נחקרו עוד במחקר תצפית באמצעות אלה חיישני שטח קרקע לנתח את העיתוי של זמינות לחות כדי biocrusts במהלך הקפאת להפשיר תנאים על רמת קולורדו, ארצות הברית. חיישנים הושמו לתוך 5 מ מ"מ של biocrusts שהיו מורכבים בעיקר של האיזוב Syntrichiaהאזוב, וטמפרטורת פני השטח ולחות נרשמו במהלך החודשים ינואר ופברואר 2018. כאשר הטמפרטורות היו מתחת 0 ° צ', לחות על פני השטח של האיזוב היה קפוא, ואת החיישן התפוקה מוליכות ערכים התכתב 0% GWC (איור 8). עם זאת, ככל שהטמפרטורות חרגו מ-0 ° c, הכפור נמס במשטח האזוב ובמי הנוזלי הרשומים בחיישן השתיל. במקרה זה, מדידות במקביל של טמפרטורה ולחות הראו כיצד המשתנים במגע עם פוטנציאל להשפיע על תהליכים ביולוגיים של אורגניזמים הקיימים במשטח הקרקע.

Figure 1
איור 1: החללים הבינחלודים במישור קולורדו, ארה ב. בתוך מערכות אקולוגיות רבות, החללים בין הצמחים מכוסים לעתים קרובות בקהילות biocrust המורכבות מחזזיות, משטחים וכחוליות. שתי טמפרטורת הקרקע וחיישני לחות הונחו לתוך המשטח של טחב biocrust. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מסיכה את רצועת המסוף של שמונת החוד. רצועת הטרמינל המצופה זהב מכוונת עם העליונות המעומנת העליונה הפונה החוצה. הצדדים ממוספרים מ -1 עד 8, החל משמאל ונעים ימינה. מוגים 2, 4, ו -7 הם חתוכים לחתוך עם החלק התחתון של הפלסטיק השחור. מוגים 3, 5, ו-6 חתוכים ב -5 מ"מ מתחת לפלסטיק השחור. שחוד 3 מייצב את החוטים התרמותרמיים מרותכים, בעוד ההתנגדות נמדדת בין הצדדים 5 ו-6. אלה פונקציות כמו חיישן לחות הקרקע. . משמשים כבצומות באדמה אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: ראש חיישן המוגמר. הראש חיישן שונה הכבל התרמוזוגי מכוסים בנייר דבק חשמלי נוזלי. חשוב לשמור על הצדדים 5 ו-6 (חיישן הלחות) נקי ולא מצופה עם סרט חשמלי נוזלי כדי להבטיח שאין זיהום שישפיע על מדידות התנגדות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: ראש חיישן כיול. רצועת הטרמינל ארבע הראשים מולחם לחוטים, כך שהוא פונה הרחק מהראש חיישן שונה. איטום לחות חום הפסיכולוג הוא קבוע במקום קרוב פסי המסוף כדי למנוע הוצלב בין החוטים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: מיכל כיול וראש חיישן. רצועת המסוף בעלת ארבעה החוד מודבקת למכולה ומכוונת אותה בקלות להיות מחוברת לרצועה של שני שקעים. מיקום זה מאפשר לראש חיישן להיות ממוקם לחתוך חתך וקבוע לתוך מצע הריבית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: חיישן כיול עבור שלושה מצעים הקרקע. מחושב גרווימטריה תוכן מים (gwc) אחוזים, נקבע על ידי מדידת מסת הקרקע במהלך המצע יבש למטה, הושוו עם חיישן הקרקע מוליכות ערכים של הבדיקות (נמדד סימנס). הנתונים המוצגים הם עבור שתי דגימות מכל אחד משלושה מצעים הקרקע ברורים. מצעים הקרקע היו (a) אדמת סחף, (ב) ביואורוסט אזוב, ו (ג) אדמת חול נאה. (א) מערכת היחסים בין ערכי ה-gwc והכוח המבצע בעיקר בקרקעות הסחף הייתה מיוצגת על ידי רגרסיה בכוח. (ב) מערכת יחסים ליניארית חזקה של gwc ו מוליכות חיישן נצפתה עבור biocrusts נשלט על ידי האיזוב syntrichiaהאזוב. (ג) רגרסיה לינארית מייצגת ביותר את היחסים בין gwc לבין מדידות מוליכות החיישנים בקרקעות חולות משובחות. בערכי GWC גבוהים הערכים המניידים מתפצלים מעקומת הכיול, ומציינים מגבלה פוטנציאלית של החיישנים כאשר הקרקעות רוויה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: הטמפרטורה והתוכן גרווימטריה עם התחממות שדה אינפרא אדום טיפולים. הטמפרטורה הממוצעת לפני השטח ו-GWC הוקלט במרווחי זמן של 10 דקות ב -5 מגרשי שליטה 5 ו -5 למעלה מ -4 ימים. נתונים הם מניסוי שינוי גלובלי במערכת אקולוגית הערבה למחצה צחיח על רמת קולורדו, ארה ב17. הנתונים מראים שחיישני הקרקע. כבשו את אפקטי הטיפול (א) טמפרטורות ממוצעות במשטח הקרקע היו גבוהות בעקביות בחלקות המחוממים. (ב) ההשפעות של ההתחממות היו גם ברור בערכי gwc, מראה כי קרקעות העלילה התחמם מתוחזק מהר יותר זמני ייבוש. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: הטמפרטורה biocrust איזוב ו גרווימטריה תוכן המים במהלך אירועי פרוסט. הטמפרטורה הממוצעת של פני השטח ו-GWC של ארבעה משכפל של שכפול Syntrichia איזוב biocrusts הוקלט במרווחי זמן של 10 דקות מ 9:50 am ינואר 24, 2018 ל 11:20 Am 25 ינואר, 2018. שעות הלילה מיוצגות באזור המוצל האפור ובשעות היום באזורים שאינם מוצללים. כאשר המים היו קפואים בצורה של כפור על פני הטחב, לא היה מוליכות משום שנמדד על ידי החיישן. לפיכך, ה-GWC היה 0. תנאי הקפאה התרחשו זמן קצר לאחר רדת החשיכה כאשר טמפרטורת הקרקע ירדה מתחת ל -0 ° c. הפשרה אירעה זמן קצר לאחר הזריחה כאשר הטמפרטורות עלו מעל 0 ° c, כאשר הכפור נמס, ואת המים הנוזליים זוהה על ידי החיישנים. תוצאות אלו מדגימות את האפקטיביות של החיישנים להבחין במים נוזליים ובקרח, שעשויים להיות בעלי השלכות חשובות למגוון תהליכים ביולוגיים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

טמפרטורת הקרקע והבדיקות לחות יכולות להיות כלים יעילים לניתוח טמפרטורה ותוכן מים במשטח הקרקע. פרט לבדיקות ביוקרורוסט (BWP) שפותחו על-ידי וובר ואח '11, טמפרטורת הקרקע המשותפת וחיישני הלחות אינם מודדים במפורש את המשתנים הסביבתיים האלה במילימטרים העליון של משטח הקרקע. בזמן הפיתוח, BWPs מוערך לחות הקרקע על פני השטח ולא את הטמפרטורה20. עם העיצוב המקורי BWP המשמש כמדריך, הגששים המתוארים בכתב יד זה פותחו כדי למדוד בו טמפרטורה ולחות כדי להעריך כיצד אלה משתנים סביבתיים אינטראקציה זה עם זה, כמו גם עם תהליכים ביולוגיים, כימיים, ופיזיים על פני הקרקע.

ישנם מספר שיקולים כדי להבטיח פעולה אופטימלית של הבדיקות האלה. בזמן בניית החיישן, חשוב לדאוג לא לחתוך את הנרתיקים הפנימיים ולחשוף את חוטי המתכת הבסיסיים. דבר זה עשוי להוביל לווריאציה באמצעות מוליכות והצלבות בין החוטים. זה גם קריטי כדי לבדוק הן התרמו וחיישני הנגד עבור כל לווין בסביבה זהה, כדי לוודא כי הם בנויים כראוי וכי וריאציות בקריאות הן בשל הבדלים פיזיים וכימיים במצע הקרקע להיות נמדד. במהלך תהליך הכיול, מספר גדול מספיק לדוגמה של התנגדות GWC כיול הוא קריטי לחשבון כראוי עבור וריאציה בקרקע או מצעים biocrust. גם, עדיף לבדוק את אותו שילוב החללית ואת המצע פעמיים, מ רטוב להתייבש, כפי שהוא נפוץ עבור אלה בדיקות ' להיסחף ' לאורך זמן בשל אלקטרוליזה או קורוזיה. בנוסף, במהלך הכיול חשוב להשתמש בדגימות מצע שטחיות שאינן מספיקות רק כדי להתאים לאורך הגשוש (דהיינו, בין 6 ל -7 מ"מ), כך שבמשקל המים הנמדד ממים בעיקר בתחום המידות ההוליכות (בין הגששים ומסביב לבדיקות). הדבר מבטיח כי השינויים במסת המים בקרקעות קשורים ישירות לשינויים במידות ההתנגדות של הבדיקות. לבסוף, בעת פריסת הבדיקות האלה בתחום, חשוב לאבטח כראוי את הבדיקות למשטח הקרקע (למשל, עם הימורים בגינה שאינם מוזזים), אשר יגבילו את ההפרעות במדידות מוליכות-מנוע אך מבטיחים שהחיישנים לא מחליפים מיקום ולצמצם את איכות המידות לטווח הארוך.

חשוב גם לציין כמה מגבלות של חיישנים אלה. בגלל הבדיקות המרסיסטייות הם רק 5 מילימטר, המדידות שלהם יכול להיות מושפע מאוד על ידי מרחבי אוויר גדול הנקבוביות מלאים מצעים. פערי האוויר הגדולים לאורך הבדיקות מפחיתים את הקישוריות של המצע ומובילים בדרך כלל למוליכות נמוכה יותר מוערכת ולכן הפחתת תוכן מים נמוך יותר, שייתכן שלא תהיה השתקפות של לחות הקרקע בפועל על פני סולמות גדולים יותר. באופן דומה, ההרכב הכימי של קרקעות יכול להשפיע על קריאות לחות קרקע. מליחות גבוהה יותר תגדיל מוליכות ותוביל לערכי סימנס גבוהים יותר21. יש לפתור את שתי הבעיות עם כיול ספציפי למצע. עם זאת, קרקעות מסוימות עשויים לשמור על הבדלים כימיים או יש ארכיטקטורה גדולה נקבובית החלל שיכול לעשות אותם סביבות עניים עבור חיישנים אלה. הטמפרטורה משפיעה גם על מוליכות החשמל של קרקעות, ולכן חייבת להיחשב15. בעתיד, הטמפרטורה כיול עם חיישנים אלה יש להתנהל כדי לקבוע כיצד הטמפרטורות לשנות את ההתנגדות של מצעים נמדד.

כמו ביורוקרוסט ולין רגשים שפותחו על ידי ובר ואח '11, אלה כיול חיישן להראות כי מדידות התנגדות הם אמינים בתוכן מים בינוניים, אבל הם חווים כמה חריגות בתכולת מים גבוהים מאוד נמוך (איור 6). בנוסף, במהלך כיול יבש למטה, ערכי התנגדות לפעמים לקרוא אפס כאשר יש עדיין כמה מים במדגם המצע. זה יכול להיות בגלל כמות המצע במיכל כיול להיות קצת יותר גדול מהאזור שנמדד על ידי חיישן. אם המים היו נוכחים מחוץ לאזור השתיל, החיישן היה קורא אפס בעוד המצע עדיין יש לחות נוכח. הטיפול נלקח כדי להקטין את גודל המצע מבלי להתפשר על מדידות התנגדות. כאשר תוכן המים גדל, ערכי ההתנגדות בתוך המצע ירידה, המוביל ל-סימנס תפוקות גבוהות יותר. עם זאת, בתכולת המים הגבוהה ביותר, ערכי ההתנגדות עולים בתכולת המים ההולכת וגוברת. הדבר מוביל ל-"הוק" בנתוני הכיול כפי שנראה באיור 1ג. קרס זה היה נוכח בכל מצע המשמש לכיול אך היה הבולט ביותר בקרקעות החול הנאות (איור 6). ובר ואח '11 מרמז כי גורם פוטנציאלי להגברת ההתנגדות החריגה בתכולת המים הגבוהה הוא שמים נוספים מדלל יונים בקרקעות רוויות, ובכך מגבירים את ההתנגדות.

חיישנים אלה תלויים כרגע באמצעות ריבוב קיים וטכנולוגיות לוגר נתונים. הריבוב מאפשר לחיישנים להיות "מבוטל" ורק שולח זרם לחיישנים בזמן מתוכנת. זה מונע את מסופי חיישן לחות הקרקע מפני קורוזיה. חברות אלקטרוניות אחרות מספקים לוגר נתונים חלופות ריבוב עבור הבדיקות, ולוחות מעגלים לתכנות ומחשבים יכול להיות גם משולב עבור עיצוב אלחוטי של טמפרטורת הקרקע וחיישנים לחות, אשר יכול לייצג התקדמות מרתקת.

תכנון ובניית חיישנים מאפשר לחוקר להתאים אישית את הבדיקות. האורך והכיוון של הצדדים ניתן לתמרן כדי להעריך טוב יותר לחות במדיומים שונים או בעומקים שונים. ניתן להזמין חיווט מותאם אישית כדי לאפשר עיצובים עם ראשי חיישן מרובים המקורם באותו כבל. עם תוספת של נתונים זולים רישום ואפשרויות ריבוב, חיישנים אלה מספקים אופציה זולה ונגישה עבור חוקרים למדוד טמפרטורה ולחות הקרקע על פני הקרקע. זה כולל מדידה קשה ללכוד אירועים, כגון כפור היווצרות הטל (איור 8), ואפקטים של טיפול ניסיוני כגון מחמם (איור 7). נייר זה מספק מדריך צעד אחר צעד לבניית חיישני שטח קרקע אשר במקביל למדוד טמפרטורה ולחות, אשר ניתן להשתמש ומעודן על ידי כל מי שמעוניין להעריך את הסביבה של קהילות biocrust ואת שכבות surficial של סוגים רבים של אדמה אחרים.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

אנו מודים לרובין Reibold על ריתוך הקשת הזהיר שלו, קארה לורייה על הדיוק שלה במהלך כיול. אנו אסירי תודה לד ר סטיב פיק ושלושה מבקרים אנונימיים על הטיוטה הקודמת של כתב היד הזה. עבודה זו היתה נתמכת על ידי ארה ב. הגיאולוגי שינוי הקרקע מדעי התוכנית האמריקנית וארה ב. משרד האנרגיה של המדע, המשרד למחקר ביולוגי וסביבתי מדעי הסביבה התוכנית האקולוגית (פרסים 89243018SSC000017 ו DESC-0008168). העבודה של BW היתה נתמכת על ידי קרן המחקר הגרמני (מענקים WE2393/2-1, 2-2), אגודת מקס פלאנק ועל ידי אוניברסיטת גראץ. כל שימוש בשמות המסחר, המשרד או המוצרים הוא למטרות תיאוריות בלבד ואינו מעיד על אישור ממשלת ארצות הברית.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Single sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004848 Cable; 1Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR
Double sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004635 Cable; 2Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS
Thermocouple cable Omega.com Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error
Eight prong terminal strip Samtec.com MTSW-108-21-G-S-1130-RA
Four prong terminal strip Samtec.com MTSW-104-21-G-S-1130-RA
Two prong socket strip Samtec.com SSW-102-03-G-S
0.13" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K51
0.25" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K53
0.38" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K54
0.5" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K55
Liquid electrical tape McMaster.com Part #: 76425A23
Metal film resistor Newark.com Part #: RN55C1001BB14
Voltage divider resistor Newark.com Part #: 83F1210
16- or 32-Channel Relay Multiplexer campbellsci.com AM16/32B This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly
CR1000X Measurement and Control Datalogger campbellsci.com CR1000X

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Cite this Article

Howell, A., Tucker, C., Grote, E. E., Veste, M., Belnap, J., Kast, G., Weber, B., Reed, S. C. Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors. J. Vis. Exp. (154), e60308, doi:10.3791/60308 (2019).More

Howell, A., Tucker, C., Grote, E. E., Veste, M., Belnap, J., Kast, G., Weber, B., Reed, S. C. Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors. J. Vis. Exp. (154), e60308, doi:10.3791/60308 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter