Summary
土壌表面上部5mmの温度と水分量を正確に測定することで、生物学的、化学的、物理的プロセスに関する環境制御に対する理解を深めることができます。ここでは、土壌表面温度と水分センサを用いて測定を行い、測定を行うためのプロトコルについて説明します。
Abstract
土壌表面の温度と水分を定量化することは、土壌表面ビオタが環境の変化にどのように反応するかを理解するために不可欠です。しかし、土壌表面では、これらの変数は非常に動的であり、標準的なセンサーは土壌プロファイルの上の数ミリメートルの温度や水分を明示的に測定しません。本論文では、土壌表面上部5mmの温度と水分を同時に測定する、シンプルで安価なセンサの製造方法について述べた。センサーの構造に加えて、品質管理の手順だけでなく、様々な基板のキャリブレーションについても説明します。センサーは、温度を測定し、5ミリメートルの深さでセンサーの端にある2つの金めっき金属プローブ間の抵抗を測定することにより、温度を測定し、土壌水分を評価するためにタイプE熱電対を組み込みます。ここで示す方法は、異なる深さまたは基板のプローブをカスタマイズするために変更することができます。これらのセンサーは、様々な環境で有効であり、熱帯林の数ヶ月の豪雨だけでなく、米国南西部の砂漠での激しい太陽放射に耐えてきた結果、評価のためのこれらのセンサーの有効性を実証地球規模の変化実験における土壌表面の温暖化、乾燥、凍結
Introduction
環境センサは、生態系のダイナミクスを評価、監視、理解するための重要なツールです。温度と水分は、土壌中の生物学的プロセスの基本的な要因であり、土壌生物1、2の活性およびコミュニティ組成に影響を与える。また、温度や水分は、苗の出現およびゴミ分解率3、4、5のタイミングに影響を与することが示されている。乾燥地の生態系では、血管植物で覆われていない土壌表面には、生物土殻(バイオクラスト)として知られる苔、苔、シアノバクテリアの群れが多い(図1)。これらのコミュニティは、土壌表面に存在し、土壌6に数ミリメートルよりも深く浸透することはめったにありません。生物学的土壌地殻は、土壌安定化、水浸透および蒸発速度、アルベド、温度、栄養循環、および土壌雰囲気CO2交換7、8、9に強く影響を与えることができる。一部のシステムでは、これらの表面コミュニティの活動は、全体的な土壌属性と様々なプロセスの速度10を支配することができます。浅い深さに測定を明示的に焦点を当てるセンサーは、サーフィンの温度と水分が種子の発芽、分解率、土壌表面ビオタの応答、ならびに他の多くの生態系機能にどのように影響するかをさらに理解するのに役立ちます。
土壌センサ技術の最近の発展は、土壌表面11、12における生物学的プロセスを理解するための空間的に明示的な測定の重要性を示している。土壌水分を分析するための従来の方法は、土壌表面の下に配置されたセンサーを組み込み、多くの場合、深さ間で測定を統合します。これらのプローブによって記録された土壌水分は、土壌生物に対する環境制御の理解を知らせるのに役立ちますが、土壌表面で発生するニュアンスの多くを見逃している可能性があります。土壌の上数ミリメートルの水分含有量を明示的に測定するために、ウェーバーらは最近、土壌表面の電気伝導性を介して土壌水分を3mm11の深さに決定するバイオクラスト湿度プローブ(BWP)を開発した。ウェーバーのセンサーを0~5cmの統合水分プローブと組み合わせて使用し、タッカーらは土壌表面の上数ミリメートルに焦点を当てた水分センサーの重要性を実証しました。特に、バイオクラストコミュニティの活性に大きく関連した小さな降水イベントは、0〜50mm(すなわち、5cm)の統合プローブに登録されず、BFP12によってのみ検出された。土壌の上の数ミリメートルに焦点を当てたセンサーは、表面を越えて浸透するのに十分な大きさではないが、表面のビオタからの応答を誘導するのに十分な水分事象を測定するために不可欠です。
土壌表面温度は、生理学的プロセスを駆動するもう一つの重要な環境要因です。日当のない土壌表面温度は、特に無陰の土壌表面が大量の日射量にさらされている植物間空間において、非常に可変的な場合があります。また、土壌プロファイル13または空気14の深さよりも土壌表面の温度が変動する。例えば、タッカーらは、わずか24時間で発生する約60°C(13〜72°C)の最大日色土壌表面温度範囲を示した。これらの温度は、土壌表面に3mm挿入された熱電対を用いて測定した。一方、近くの温度プローブは、同じ日12の間にわずか30°C(22-52°C)の範囲を測定しました。土壌表面の温度を明示的に測定する熱電対は、表面土壌が50mmの深さの値に対して1日の暑さの間に10°C寒く、20°C暖かかったため、深さ50mmのセンサーよりもはるかに高い変動を示しました。
温度は、生理学的プロセスに対する重要な制御を表します。例えば、実験室の状態で一定の土壌水分では、土壌からのCO2損失は、ほとんどの生態系2、15、16の温度の上昇に伴って劇的に増加する。同様に、コントロールに対するプロット温度の上昇を目的としたフィールド気候操作研究のデータは、温かい土壌が近くの非加熱土壌(少なくとも治療の最初の年17、18)よりも多くのCO2を放出し、生物の土壌が温暖化7、9に対して同様の応答を示すことを示している。温度と水分の両方が重要な環境変数であることが実証されており、土壌表面の気候条件を正確に捕捉できるセンサは、それらが土壌表面11、12における生物の生理学的プロセスにどのように影響するかを解明することができる。
本論文では、温度と水分の両方を土壌表面下5mmの深さまで測定するように設計されたセンサーを提示し、これらの変数がサーフィシャルビオタとどのように相互作用し、生物学的応答を駆動するかを評価する際に大きな力を提供する。タイプE熱電対は2つの金属(クロムとコンスタンタン)で作られており、金属の温度変化はデータロガーによって記録される異なる電圧を作成します。土壌水分センサーは、2つの金メッキ金属プロング間の抵抗を測定します。より多くの水が伝導性を増加させ、プロング間の抵抗を減少させるので、抵抗は土壌水分の影響を受けます。ウェーバーらの設計に従って、これらのセンサーは5 mmの深さまで土壌水分を測定し、さらに同じプローブ上の温度を測定するための熱電対を含む。これらのセンサーは単一の調査を使用して土壌表面の温度および湿気のダイナミクスの結合の方法の洗練された眺めを可能にする。これらのプローブは、表面に生息する生物が環境の変化にどのように反応するかを探求する無数の機会を提供します。これらのセンサーの追加の利点は、比較的簡単で、構築と校正が安価であり、研究者は容易にその使用を採用することができるということです。
次のプロトコルでは、センサーをデータロガーに接続するための概要を含む、センサーを構築するための材料と方法について詳しく説明します。これらのセンサーは市販のロガーを使用していましたが、マルチプレクサに取り付けることができる任意のデータロガーを使用することができます。目的の基板にセンサを較等させる方法についても説明する。
Protocol
1. 製造用センサ
- 適切なケーブル長をカットします。
- データ ロガーの位置から目的のセンサーの配置までの最大距離を決定します。ケーブルのベンド、障害物、およびデータ ロガーへのアタッチに必要な追加のケーブル長を考慮します。
- すべての熱電対と土壌の水分ケーブルをこの最大所望の長さにカットします。ケーブルの長さの違いは、センサ間の可変抵抗につながる可能性があります。この問題は、すべてのセンサー ケーブルの長さを同じに保つことで回避できます。
- 熱電対ケーブルを準備します。
- ケーブル ジャケットをケーブルの端から 4~5 cm 取り外します。
- ワイヤーの端から新たに露出した小径シース5mmを取り除きます。
- アーク溶接は、ワイヤの露出した先端を一緒に溶接し、それらが分離していないことを確認するために、ワイヤに穏やかに引っ張ることによって、新しい溶接の強度をテストします。
注意: 溶接ヘルメットまたはフェイス シールドは、アーク溶接時に発生する放射から保護するために使用する必要があります。潜在的なショックを避けるために、作業環境のすべてを乾燥させておいてください。換気の良い場所で作業し、呼吸領域から煙やガスを保ちます。 - 熱電対ケーブルのアーク溶接先端を液体電気テープに浸して、露出したワイヤーを保護します。液体電気テープは、ワイヤーの露出金属と小径ワイヤーシースの少なくとも3ミリメートルをカバーする必要があります。
注意:液体電気テープには、気道を刺激する可燃性の蒸気があります。オープン炎から離れた換気の良い場所で使用してください。刺激を引き起こす可能性があるため、目や皮膚への直接暴露は避けてください。 - 液体電気テープを約4時間、またはメーカーの指示に従って乾かします。
- 0.13インチ(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブをカットし、小径シースの液体電気テープを覆うのに十分な長さ、熱電対ケーブルジャケットの少なくとも1cm(長さ約6cm)をカットします。ワイヤーを熱収縮チューブに挿入し、ケーブルジャケットの上にチューブを戻します。後のステップまで熱を加えるまで待ちます(ステップ1.5.3)。
- 土壌水分ケーブルを準備します。
- ケーブルジャケットをケーブルの端から5cm取り外します。
- ケーブルジャケットでアースワイヤー(シースなし)を切り落とし、ジャケットの向こうに露出しないようにします。
- 土壌水分線の端から内側の小径シースの1cmをストリップ。
- 各ワイヤーの露出した金属をねじって、小さなストランドを統合します。
- 各ワイヤー端部の露出した金属にはんだを加えることによって、小さなねじれたストランドをスズ。
注意:はんだ付けに必要な非常に熱い器具を使用する場合は注意が必要です。換気の良い場所ではんだ、適切な目と皮膚の保護を着用します。 - ケーブルジャケットがティンドワイヤーの端まで取り除かれた場所から1cm長い0.38インチ(〜10mm)の熱収縮チューブをカットします。このチューブを両方のワイヤの上に置き、ケーブルジャケットの上にスライドして後のステップで所定の位置に固定します。
- 0.13インチ(〜3.3mm)インチの1.5cm個を2本切り、各ワイヤーに1本ずつ入れます。ワイヤーを 2 本のソケット ストリップにはんだ付けするまで加熱しないでください。
- はんだフラックスを 2 本のソケット ストリップのプロングに適用します。
- ワイヤーのティンドの端を 2 本のソケット ストリップの端まではんだ付けします。両端が触れないように注意してください。
- 0.13の2つの部分を(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブを2本のベースソケットストリップのベースに移動して、すべての金属部品が覆われるようにします。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを付着させ、過熱や管の下のはんだを溶かないように注意してください。
- 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブを、ソケットストリップ、小径ワイヤー、ケーブルジャケットの一部を覆う 2 本のソケット ストリップの端から 1 mm に移動します。ヒートガンを使用して、この熱収縮チューブを所定の場所に固定します。
- センサーヘッドの端子台を変更します。
- 8 本の長所の端子台を変更するには、上部のプロングが視界から離れて曲がるようにストリップの向きを決めます。ワイヤー・スニップを使用して、黒いプラスチックコンタクト・ストリップのすぐ下の左から2番目、4番目、および7番目のプロングをカットします(図2)。
- 黒いプラスチックコンタクトストリップの下に5ミリメートルを測定し、5ミリメートルのマークでこれらのプロングを5ミリメートルで左から3番目、5番目、および6番目のプロングをマークします。この長さは、異なる研究の質問に合わせて変更することができます。
- センサーヘッドを組み立てます。
- 0.5インチ(〜13mm)の水分シール熱収縮チューブを2本切り、熱電対と土壌の水分ケーブルの上に1本ずつスライドさせます。
- 熱電対の先端がクリップされたプロングの先端に向かるように、3 番目のクリップされたプロングの上部に熱電対ワイヤのアーク溶接された端点を移動します。ワイヤを曲げて、プロングの上部カーブに従うようにします。
- 0.13インチ(約3.3mm)の水分シール熱収縮チューブ(ステップ1.2.6から)を、プロングと熱電対線の湾曲部分の上にスライドさせます。熱収縮チューブが熱電対ケーブルジャケットの一部も覆っていることを確認し、ヒートガンを使用して熱収縮チューブを所定の位置に付着させます。熱収縮チューブの一部を指で指で絞り、それを固定します。
- プロング5と6の上の曲線の端を2つのソケットストリップに挿入します(図2)。
- 上部 0.5 インチ(~13 mm)の水分シール熱収縮チューブをセンサーヘッドに向かって動かして、頭部から約1cmの位置に配置します。ヒートガンを使用して所定の位置に固定し、ソケットストリップをプロング5と6にしっかりと接続し、プロング3の熱電対線にしっかりと接続するように注意してください。
- ヒートガンを使用して、前の熱収縮チューブの数センチメートル後ろに水分シール熱収縮チューブの他の0.5インチ(〜13ミリメートル)部分を付着させます。
- 熱電対ワイヤーとプロング3のすべての側面に液体電気テープを適用します。
- ソケットストリップ接続のすべての側面に液体電気テープを塗布し、露出したすべての金属が覆われていることを確認します。ただし、この接続に関連付けられている 5 mm のクリップされたプロングをカバーしないでください (図 3)。
2. データロガーとマルチプレクサへのセンサーの接続
メモ:これらのセンサは、データロガーに接続されたマルチプレクサで使用する必要があります。このプロトコルのすべてのステップは、材料の表にリストされているデータロガーとマルチプレクサで使用するためのものです(他のデータロガーも動作します)。測定時のたびに、データロガーはマルチプレクサへの通信を開き、リレーとして機能し、抵抗センサに電流を流すことを可能にします。
- オーディオワイヤを使用して、マルチプレクサをデータロガーに接続します。データ ロガーの COM ポートをマルチプレクサの RES ポートに接続します。データ ロガーの別の COM ポートをマルチプレクサの CLK ポートに接続します。データロガーのGポートと12 VポートをマルチプレクサのGNDポートと12 Vポートにそれぞれ接続します。
- データロガー上のVXポートとH DIFFポートの間にスルーホール1 kΩ ± 0.1%の抵抗を接続して、データロガーに電圧ディバイダを作成します。
- この電圧ディバイダーからマルチプレクサに2本のオーディオワイヤをグラウンドで接続します。データロガー上の電圧ディバイダが接続されているのと同じH DIFFポートからマルチプレクサのCOM ODD Lポートにワイヤを接続します。もう一方のワイヤがデータ ロガーのアース ポートをマルチプレクサの COM ODD H ポートに接続していることを確認します。接地線がデータ ロガーからマルチプレクサ上のグラウンドにグラウンドを接続していることを確認します。
- タイプE熱電対線をデータロガーとマルチプレクサに接続します。紫色のワイヤは、データ ロガーの DIFF 1 H ポートをマルチプレクサの COM EVEN H ポートに接続します。赤いワイヤは、データ ロガーの DIFF 1 L ポートをマルチプレクサの COM EVEN L ポートに接続します。接地線がデータロガーとマルチプレクサの両方の地面に接続されていることを確認します。
- マルチプレクサを 4 x 16 モードに変更します。
- センサーをマルチプレクサに接続します。土壌水分オーディオケーブルは、Hに黒いワイヤーでODDポートに接続し、L.熱電対線に赤いワイヤは、Hに紫色のワイヤとLに赤いワイヤでEVENポートに接続します。熱電対線の順序は、適切な測定のために重要です。
3. センサーのテスト
- フィルム抵抗の端部を、鉛はんだおよびはんだフラックスを使用して2本のソケットコネクタのプロングにはんだ付けします。
- テストするすべてのセンサーをマルチプレクサに接続します。
- データ ログ プログラムを調整して、30 s ごとにスキャンするか、複数のセンサーをスキャンするための推奨周波数にします。
- 水分センサーの場合は、フィルム抵抗付きのソケットコネクタをセンサーのプロング5と6に配置し、データロガーからデータを記録します。
- 各センサーに抵抗器を置き、すべてが同じ読み取り値を与えることを確認します。
- 熱電対データを監視して、同様の温度を感知していることを確認します。
- 温度センサーの場合は、熱電対の端を 2 本の指の間に置き、温度がそれに応じて変化することを確認します。
4. センサーのキャリブレーション
注:このセクションでは、センサー出力を土壌水分に関連付けるプロセスについて説明します。
- キャリブレーションセンサーヘッドを製造します。
- 土壌水分ケーブルからジャケットの12センチメートルをストリップ。
- ワイヤからホイルシールドを取り外します。
- 両内側の小径土水分線の長さ10cmをカットします。
- 各ワイヤーの両端から約1cmのシースを取り除きます。
- 両端の小さなワイヤーをひねり、はんだ付けアイロンですり込む。
- 8 プロング端子台を手順 1.4.1 および 1.4.2 と同じ仕様に変更します。
- はんだフラックスをプロング5と6の上部カーブに適用します。
- 8本の端子台のプロング5と6の上部カーブにワイヤをはんだ付けします。
- 8本の端子台の外側の2本の突起を5mmにクリップします。
- 2 cm の 0.13 個を(〜3.3 mm)の水分シール熱収縮チューブを両方のワイヤーに取り付けします。
- 熱収縮片を可能な限り変更されたセンサーヘッドの近くに付着させます。
- 2 cm 個の 0.13 個(~3.3 mm)の水分シール熱収縮チューブを両方のワイヤーに 1 つずつ配置します。後の手順で、それらを所定の場所に付着させるのを待ちます。
- 4本の端子台の長い中央の2本のプロングを1cmにカットします。
- はんだフラックスを 4 本の端子台の中央のプロングの上部の曲線の端に適用します。
- 上部 4 本の曲がったプロングが修正されたセンサー ヘッドから離れて向くように、両方のワイヤのフリー エンドを 4 本の端子台のカット プロングにはんだ付けします (図 4)。
- 以前に配置した水分シール熱収縮を4本の端子台のベースまで動かして、所定の位置に加熱します。
- キャリブレーションのために土壌水分ケーブルを準備します。
- 現場で使用されているセンサーと同じ長さの土壌水分ケーブルを切断します。
- ケーブルのジャケットを端から5cmにストリップします。
- ケーブルジャケットでアースワイヤー(シースなし)を切り落とし、ジャケットの向こうに露出しないようにします。
- 土壌の水分線の端から小径ワイヤーシースの1センチメートルをストリップ。
- 各ワイヤーの露出した金属をねじって、小さなストランドを統合します。
- 各ワイヤー端部の露出した金属にはんだを加えることによって、小さなねじれたストランドをスズ。
- 6 cm の 0.38 個を 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブでカットし、両方のワイヤーの上に置き、ケーブルジャケットの上にスライドして後のステップで付着させます。
- 0.13インチ(約3.3mm)の1.5cm個を2本切り、各ワイヤーに1本ずつ入れます。ワイヤーが2本のソケットストリップにはんだ付けされるまで熱を加えないでください。
- はんだフラックスを 2 本のソケット ストリップのプロングに適用します。
- ワイヤーのティンドの端を 2 本のソケット ストリップの端まではんだ付けします。両端が触れないように注意してください。
- 0.13の2つの部分を(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブを2本のベースソケットストリップのベースに移動して、すべての金属部品が覆われるようにします。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを所定の場所に付着させ、過熱やはんだを溶かないように注意してください。
- 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブ(ステップ 4.2.7 から)を 2 本のソケット ストリップの端から 1 mm に移動して、ソケット ストリップ、小径ワイヤー、およびケーブル ジャケットの一部をカバーするようにします。ヒートガンを使用して、熱収縮チューブを所定の場所に付着させます。
- キャリブレーション土壌コンテナを作成します(図5)。
- 蓋の上から50mLポリプロピレン使い捨て遠心分離管4cmを切ります。これは、一方の端に開口部と他方の取り外し可能な蓋を持つチューブを作成します。
- ドリルビットを使用して、蓋の中央に2.5cmの穴を開けます。ステップドリルビットは使いやすく、効果的です。
- チューブの開いた端から、蓋の底まで伸びる2つの垂直スリット6mmを切ります。蓋の底面に垂直なカットを使用して 2 つのスリットを接続し、プラスチック ストリップを取り外します (図 5)。これにより、センサーヘッドのワイヤを挿入するのに十分な大きなギャップが作成されます。
- ポリプロピレンメッシュクロスの直径6cmの円形片をカットします。蓋とチューブの間にメッシュを置き、蓋をねじ込みます。
- キャリブレーションセンサーヘッドの8本の端子台をチューブに挿入し、ワイヤがステップ4.3.3で作成したギャップを滑り落ちるようにします。
- 上部のプロングがチューブから離れて向いていて、キャリブレーションケーブルの2本のソケットストリップに簡単に接続できるように、チューブの開いた端の側面に4本の端子台の長いプロングをテープで貼ります(図5)。
- センサーヘッドを付けた容器を60°C乾燥オーブンに48時間置き、水分を除去します。
- センサーと土壌を校正します。
- 空のオーブン乾燥キャリブレーションコンテナとキャリブレーションセンサーヘッドを0.0001 gの精度で計量します。この測定は、後のステップで重力水分量(GWC)を計算するために使用されます。
- 一定の温度を維持できる環境でキャリブレーションを行います。
- キャリブレーションのためにバイオクラスト土壌を準備します。
- キャリブレーションチューブのふたを取り外し、ねじ端を金型として使用して、同じ直径のバイオクラストを切り取ります。バイオクラストは、引き上げられたときにチューブ内にとどまるべきであるが、チューブ内にそれを保つためにいくつかの助けを必要とするかもしれません。
- 指を使用して、バイオクラストの上部の3〜5ミリメートルがチューブに残るように、チューブのカット端からバイオクラストサンプルを押します。バイオクラストの底部がチューブの底部で洗い流されるように、チューブのねじ込み端から押し出された余分な土壌を削り取ります。
- 直径6cmのポリプロピレンメッシュをねじ付き端のバイオクラストの下に置き、蓋をしっかりとねじ込みます。
- バイオクラストサンプルを湿らせ、センサーヘッドを基板上部にそっと固定して、プロングが完全に埋まるようにします。センサーヘッドが所定の場所にとどまり、キャリブレーション中に動かないように、ワイヤを曲げる必要がある場合があります。
- キャリブレーションのために鉱物土壌を準備します。
- センサーが配置される領域で上部5ミリメートルから土壌を収集します。
- 土壌から大きな岩や有機材料を除去するために2ミリメートルのふるいを使用してください。
- 蓋とチューブの間に固定された直径6cmのポリプロピレンメッシュで、蓋がしっかりとねじ込まれていることを確認します。
- ふるいにかけた土をキャリブレーション容器に入れ、容器の底部を6mmの深さに覆るようにします。
- 土壌サンプルを湿らせ、センサーヘッドを基板上部にそっと固定して、プロングが完全に埋もれになるようにします。センサーヘッドが所定の場所にとどまり、キャリブレーション中に動かないように、ワイヤを曲げる必要がある場合があります。
- 表面に光沢のある水層が見えるまで、脱イオン水で基板(バイオクラストまたは土壌)を飽和させます。
- 飽和基板を一晩乾燥させます。
- 測定を開始する前に、センサーヘッドがまだ所定の位置にあり、プロングがすべて基板に完全に埋まっていることを確認してください。
- 表面に光沢のある層が見えるまで、脱イオン水で基板を飽和させます。
- 基板を15分間乾かします。
- キャリブレーション土壌水分ケーブルの2本のソケットストリップを、4本の端子台の内側の2つのプロングに接続します。
- データロガーをプログラムして、1 分ごとに測定値を記録します。
- データロガーをオンにして、抵抗測定値の収集を開始します。
- 乾燥を促進するために重量が記録されていない場合は、キャリブレーション容器の上に空気を軽く吹くようにファンを配置します。
- 表面に光沢が見えるまで、基板を脱イオン水で濡らします。
- 紙タオルの上に濡れた土を入れたキャリブレーション容器を置き、滴下水を吸収します。
- キャリブレーション土壌水分線を4本の端子台から取り外します。
- 容器を軽くたたんで滴下水を排出します。
- キャリブレーションコンテナをバランスに入れる前に、ファンの電源を切ります。
- バランスの上に容器を置き、重量と測定時間を記録します。
- 土壌水分線を4本の端子台に再接続します。
- キャリブレーションコンテナをペーパータオルに戻します。
- 乾燥を早めるためにファンの電源を入れます。
- 基板が完全に空気乾燥するまで15分ごとに重量を記録します。完全な乾燥は測定間の口径測定容器の重量のほとんどまたは全く変化によって示される。
- キャリブレーション容器、キャリブレーションセンサーヘッド、基板を60°C乾燥オーブンに48時間置きます。
- オーブン乾燥基板、容器、センサーヘッドの重さを量ります。
- センサーキャリブレーションデータ解析。
- ステップ4.4.34で決定した基板を用いてドライキャリブレーション容器の重量からステップ4.4.1で決定したドライキャリブレーション容器重量を差し引いてドライ基板重量を算出する。
- 15分ごとに記録された重量から基板(ステップ4.4.34)で乾燥キャリブレーション容器の重量を差し引いて、各15分のタイムポイントまたはキャリブレーションの水重量を計算します。
- 水の重量(ステップ4.5.2)を乾燥土壌重量(4.5.1)で割って、15分のタイムポイントごとにGWCを計算します。
- ステップ4.5.3で決定した各15分のタイムポイントのGWCに抵抗測定時間を一致させます。
- GWC を従属変数として、シーメンスを独立変数として回帰分析からキャリブレーション曲線を決定する (図 6)。異なる曲線タイプ(線形、電力、対数)は、異なる基板の較正に最も適している場合があります。
Representative Results
土壌表面の微気候を評価することは、そこで起こっている生物学的、化学的、物理的プロセスを理解し、予測するために不可欠です。これらのプローブは、土壌プロファイルの非常に表面層で微気候を監視する強力な機会を提供し、したがって、土壌11、12の上の数ミリメートルで発生する生物学的活性の評価のために貴重である。これらのプローブは、生物クラストの温度と水分がその機能2、8、10、12、15に重要であり得るので、生物学的土壌地殻活動に対する制御を評価するために開発され、精製されました。しかし、これらのプローブは乾燥地の光合成土壌用に開発されましたが、広い範囲のシステムに実装する可能性が高く、土壌深度プロファイルに沿って温度や水分がどのように変化するかを評価する可能性が高いです。例えば、これらのセンサーは熱帯林の温暖化実験に配備され、気候の温暖化処理と自然変動がどのように相互作用するかを確認し、土壌プロセス、温度、水分のコバリエーションを決定しています。
それにもかかわらず、土壌表面センサーを実装する前にいくつかの重要な考慮事項があります。たとえば、GWC などの土壌水分のより一般的に使用されるメトリックに抵抗の単位を変換するキャリブレーション曲線を開発する必要があります。土壌表面センサは、シーメンス(1/Ohm)の金属プロングと出力導電率(抵抗の逆)値間の抵抗を測定します。したがって、シーメンスから土壌水分への変換を行う必要があります。土壌基板の化学的および物理的特性の数は、シーメンスのセンサーの伝導測定値と土壌水分の関係に影響を与える可能性があります。したがって、プローブの測定値を土壌水分値に変換するには、基板固有のキャリブレーションを行うことが重要です。これらの違いを示す3つの基板からのキャリブレーションデータが示されている。
図6は、3つの土壌基板のそれぞれに対する2つのサンプルのドライダウンキャリブレーションデータを示しています。基板は、表面に少量の水が見えるまで完全に飽和した。プローブ抵抗および土壌重量は、すべてのサンプルが乾燥するまで15分ごとに測定した。その後、土壌質量をGWCの計算に用いられた。図6は、各サンプルの導電率とGWCの回帰を示しています。これらのキャリブレーションに使用される基板には、プエルトリコのエルユンケ国有林の実験フィールドステーションで収集されたシルトローム土壌(23%砂、64%シルト、13%粘土)が含まれます。ユタ州キャッスルバレー付近で収集された苔支配的なバイオクラスト;そして、ユタ州モアブ近くの実験的な温暖化プロットから細かい砂の土壌(92%砂、3%シルト、5%粘土)。
基板特異的センサキャリブレーションの必要性は、各基板のプローブ伝導率と土壌水分の変動によって実証されています。例えば、シルトローム土壌サンプル(図6a)の回帰は、他の2つの土壌基質とは異なっていた。したがって、シルトローム土壌の回帰式をモスバイオクラストに適用するか、またはその逆に適用すると、劇的に異なる値につながります。一方、微細砂土に対するGWCとプローブ抵抗(図6c)と苔バイオクラスト(図6b)との関係は同様であった。しかし、細かい砂の土壌は、苔ほど多くの水を保持することができず、それに応じてはるかに速い乾燥を経験しました。基板内にはばらつきがあるので、正確なキャリブレーション曲線を生成し、すべてのサイトに対して個々のキャリブレーション曲線を作成するのに十分な大きさのサンプルサイズを持つことは重要です。
実験的な環境では、これらの土壌表面センサーは、米国ユタ州モアブ近郊の気候操作研究の処理効果を評価するために使用されました。本研究では、赤外線ランプを使用して、同じ場所でプロットの周囲温度を4°C上げ、Wertin et al.17で説明した同様の方法を用いた。図 7は、2018 年 5 月上旬に発生した 2 つの別々の雨イベントの加熱および制御プロットからの平均気温と GWC を示しています。加温プロットの平均気温は、対照プロットの平均気温よりも一貫して高かった(図7a)。これら2つの雨のイベントの過程で、加熱プロットの抵抗率センサは、コントロールよりも土壌水分が少なく、加熱プロットはより速く乾燥しました(図7b)。温度の上昇は、19を考慮しなければならない土壌の高い導電性につながる可能性があることに留意すべきである。これらの土壌表面センサの温度成分と水分成分の両方の感度により、温暖化処理の温度差だけでなく、プロットの水分ダイナミクスにどのような影響を与えたかを観察することができました。
温度と水分の相互作用は、これらの土壌表面センサーを用いた観測研究で、米国コロラド高原の凍結融解条件下におけるバイオクラストへの水分利用可能性のタイミングを分析する観測研究でさらに調査された。主にコケシントリキア・カニュールビスで構成されたバイオクラストのトップ5mmにセンサーを配置し、表面温度と水分を2018年1月と2月の数ヶ月間に記録しました。温度が0°Cを下回ると、苔の表面の水分が凍結し、センサ出力導電率の値は0%GWCに対応しました(図8)。しかし、温度が0°Cを超えると、負性センサに登録された苔面と液体水で霜が溶け出した。この例では、温度と水分の同時測定は、土壌表面に存在する生物の生物学的プロセスに潜在的に影響を与えるために変数がどのように相互作用するかを示しました。
図1:米国コロラド高原の生物殻付きインタースペース多くの砂漠の生態系では、植物間の空間は、多くの場合、苔、苔、シアノバクテリアで構成される生物クラストコミュニティで覆われています。2つの土壌温度と水分センサーを苔のバイオクラストの表面に配置しました。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:8本の端子台をクリッピングする金メッキの端子台は、上側の曲がった突起が向いている。プロングには 1 ~ 8 の番号が付け、左側から右に移動します。プロングス2、4、7は、黒いプラスチックの底部でカットフラッシュされます。プロングス3、5、6は黒いプラスチックの下5mmで切断されます。Prong 3 はアーク溶接熱電電線を安定させ、抵抗はプロング 5 と 6 の間で測定されます。これらは、土壌水分センサとして機能します。プロングス1と8は、土壌中のホールドファストとして機能します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:センサーヘッドを完成変更されたセンサーヘッドと熱電対ケーブルは液体電気テープで覆われています。プロング5と6(水分センサー)を清潔に保ち、液体電気テープでコーティングされていない状態に保つことが重要です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:キャリブレーションセンサーヘッド4 本の端子台は、修正されたセンサー ヘッドから離れて向くようにワイヤにはんだ付けされます。水分シール熱収縮は、端子台の近くに固定され、ワイヤ間のクロストークを防ぎます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:キャリブレーションコンテナとセンサーヘッド4プロング端子台はコンテナにテープで留め、2プロングソケットストリップに簡単に接続できるように配向します。この配置により、センサーヘッドをカットスリットに配置し、目的の基板に固定することができます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:3つの土壌基板のセンサーキャリブレーション算出された重力水分量(GWC)パーセンテージは、基板ドライダウン時の土壌質量を測定して測定し、プローブからの土壌センサ伝導度値(シーメンスで測定)と比較した。示されたデータは、3つの異なる土壌基質のそれぞれから2つのサンプルに対するものである。土壌基板は、(a)シルトローム土壌、(b)苔のバイオクラスト、および(c)微細な砂土であった。(a) GWCと主にシルトローム土壌における伝導度値の関係は、電力回帰によって最もよく表された。(b)GWCとセンサ伝導の強い線形関係は、コケシントリキア・カニネルビスが支配するバイオクラストについて観察された。(c) 線形回帰は、微細な砂の土壌におけるGWCとセンサ伝導度測定の関係を最もよく表した。GWC値が高い場合、導電率値は較正曲線から逸脱し、土壌が飽和した場合のセンサの潜在的な制限を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:フィールド赤外線温暖化処理による温度および重力水分量毎時平均表面温度とGWCは、4日間にわたって5加温および5つの制御プロットで10分間隔で記録しました。データは、コロラド高原、米国17の半乾燥草原生態系における世界的な変化実験からのデータです。データは、土壌表面センサーが処理効果を捕捉したことを示しています。(a) 土壌表面の平均気温は、加温されたプロットで一貫して高かった。(b) 温暖化の影響はGWC値においても明らかで、温めたプロット土壌がより速い乾燥時間を維持したことを示した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:霜イベント中のモスバイオクラスト温度と重力水分量2018年1月24日午前9時50分から2018年1月25日午前11時20分までの10分間隔で記録されたシントリキア・カニネルビス・モスバイオクラストの4つの複製の平均表面温度とGWC。夜間の時間は、灰色のシェーディング領域とシェーディングされていない領域の昼間の時間で表されます。苔面に霜の形で水を凍らしたところ、センサーで測定した導電率はなかった。したがって、GWCは0であった。土壌温度が0°Cを下回ったので、夜間の直後に凍結条件が発生しました。日の出直後に、気温が0°Cを超えると、霜が溶け、センサーによって液体水が検出され、解凍が発生しました。これらの結果は、液体の水と氷を区別する際のセンサの有効性を示しており、これは生物学的プロセスの範囲に重要な意味を持つ可能性がある。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
土壌表面温度と水分プローブは、土壌表面の温度と水分量を分析するための効果的なツールであることができます。ウェーバーら11によって開発されたバイオクラスト湿度プローブ(BWP)を除き、一般的な土壌温度および水分センサは、土壌表面の上数ミリメートルでこれらの環境変数を明示的に測定しません。開発時、BSPは表面の土壌水分のみを推定し、温度20は推定しなかった。この原稿に記載されたオリジナルのBWP設計をガイドとして開発し、温度と水分を同時に測定し、これらの環境変数が互いにどのように相互作用するか、ならびに土壌表面における生物学的、化学的、物理的プロセスとの相互作用を評価するために開発されました。
これらのプローブの最適な動作を確保するには、いくつかの考慮事項があります。センサーを構築する間は、内側のシースを切断し、基礎となる金属ワイヤーを露出しないように注意することが重要です。これは、ワイヤ間の導電率とクロストークの変動につながる可能性があります。また、同じ環境内の各プローブの熱電対と抵抗率センサーの両方をテストし、それらが適切に構築されていること、および測定値の変動が土壌基板の物理的および化学的差異によるものであることを確認することも重要です。測定。キャリブレーションプロセス中に、土壌またはバイオクラスト基板の変動を適切に考慮するためには、十分な大きさのサンプル数の抵抗とGWCキャリブレーションが重要です。また、電気分解や腐食により、時間の経過とともにプローブが「ドリフト」するのが一般的であるため、ウェットからドライまで、同じプローブと基板の組み合わせを2回テストするのが最善です。さらに、キャリブレーション中は、プローブの長さ(6~7mm)を収容するのに十分な深さしかない浅い基板サンプルを使用して、測定された水の重量が主に導電率測定の領域にある水からのものとなることが重要です。(プローブ間およびプローブの周囲)。これにより、土壌中の水量の変化は、プローブの抵抗測定の変化に直接関連します。最後に、これらのプローブを現場に配備する際には、導電測定の干渉を制限するが、センサーが位置をずらさないように、プローブを土壌表面(例えば、非導電性ガーデンステーク)に適切に固定することが重要です。長期的な測定の質を低下させます。
また、これらのセンサーのいくつかの制限に注意することも重要です。抵抗率プローブの長さはわずか5mmなので、基板内の大きな空気で満たされた細孔空間の影響を強く受けることができます。プローブに沿った大きな空気ギャップは、基板の接続性を低下させ、一般的に測定された導電性を低下させ、したがって推定水分量を低くするため、より大きなスケール全体で実際の土壌水分を反射しない可能性があります。同様に、土壌の化学組成は、土壌水分の測定値に影響を与えることができます。より高いサリン度は導電性を増加させ、シーメンス値21を高くする。両方の問題は、適切な基板固有のキャリブレーションで解決する必要があります。しかし、一部の土壌は化学的な違いを維持したり、これらのセンサーの環境が悪い可能性がある大きな細孔空間アーキテクチャを持つ場合があります。温度はまた、土壌の電気伝導度に影響を与えるので、15を考慮する必要があります。将来的には、これらのセンサを使用した温度キャリブレーションを実施して、温度が測定された基板の抵抗をどのように変化させるかを決定する必要があります。
ウェーバーら11が開発したバイオクラストの湿度プローブと同様に、これらのセンサキャリブレーションは、抵抗測定が中水内容物で信頼性が高いが、非常に高く低い水内容物でいくつかの異常を経験することを示しています(図6)。さらに、ドライダウンキャリブレーション中に、基板サンプルにまだ水が存在していた場合、抵抗値がゼロを読み取ることがあります。これは、キャリブレーションコンテナ内の基板の量が、センサによって測定された領域よりもわずかに大きいためである可能性があります。水が抵抗領域の外側に存在する場合、基板がまだ水分を持っている間、センサーはゼロを読み取ります。抵抗測定を損なうことなく基板サイズを小さくすることに注意を払った。水分量が増加するにつれて、基板内の抵抗値が減少し、シーメンス出力が高くなります。しかし、水分含有量が最も高いほど、水分含有量が増加すると抵抗値が大きくなります。これは、図 1Cに示すように、キャリブレーション データの"フック"につながります。このフックは、キャリブレーションに使用される各基板に存在していましたが、微細な砂の土壌で最も顕著でした(図6)。ウェーバーら11は、高水内容物で異常抵抗が増加する潜在的な原因が飽和土壌中のイオンを希釈し、それによって抵抗力を高めることであることを示唆している。
これらのセンサは現在、既存のマルチプレクサおよびデータロガー技術の使用に依存しています。マルチプレクサはセンサーを「オフ」にし、プログラムされた時間にセンサーに電流を送信するだけです。これにより、土壌水分センサー端子の腐食を防ぎます。他の電子企業は、プローブ用のデータロガーとマルチプレクサの代替手段を提供し、プログラマブル回路基板とコンピュータは、土壌温度および水分センサの無線設計のために組み込むことができ、エキサイティングな進歩。
センサーの設計と構築により、研究者はプローブをカスタマイズできます。プロングの長さと方向は、異なる媒体または異なる深さで水分をより良く評価するために操作することができます。カスタム配線は、同じケーブルから発する複数のセンサーヘッドを備えた設計を可能にするために注文することができます。安価なデータロギングとマルチプレクサオプションを追加すると、これらのセンサは、研究者が土壌表面の温度と土壌水分を測定するための安価でアクセス可能なオプションを提供します。これには、霜や露の形成などの事象を捕捉しにくい測定(図8)や、温暖化などの実験的な治療効果が含まれます(図7)。このペーパーでは、温度と水分を同時に測定する土壌表面センサーを構築するためのステップバイステップガイドを提供します。
Disclosures
著者たちは何も開示する必要はない。
Acknowledgments
ロビン・ライボルトの慎重なアーク溶接とカラ・ラウリアの校正時の精度に感謝します。スティーブ・フィック博士と3人の匿名のレビュー担当者が、この原稿の以前の草稿に関する有益なコメントをしてくれたことに感謝しています。この研究は、米国地質調査地質調査地質科学プログラムおよび米国エネルギー省科学省生物環境研究地上生態系科学プログラム(アワード89243018SSSC000017およびDESC-0008168)によって支援されました。BWの研究は、ドイツ研究財団(助成金WE2393/2-1、2-2)、マックスプランク協会、グラーツ大学によって支援されました。貿易、会社、または製品名の使用は、説明的な目的のみを目的としており、米国政府による支持を意味するものではありません。
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 |
References
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