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Environment

Fabricação de sensores de temperatura de superfície do solo simples e baratos e sensores de conteúdo de água gravimétrica

doi: 10.3791/60308 Published: December 21, 2019

Summary

Medir com precisão a temperatura e o teor de água dos 5 mm superiores da superfície do solo pode melhorar nossa compreensão dos controles ambientais em processos biológicos, químicos e físicos. Aqui descrevemos um protocolo para fabricação, calibração e realização de medições com a temperatura da superfície do solo e sensores de umidade.

Abstract

Quantificar a temperatura e a umidade na superfície do solo é essencial para compreender como a biota da superfície do solo responde às mudanças no ambiente. No entanto, na superfície do solo essas variáveis são altamente dinâmicas e sensores padrão não medem explicitamente a temperatura ou a umidade nos poucos milímetros superiores do perfil do solo. Este artigo descreve métodos para fabricação de sensores simples e baratos que medem simultaneamente a temperatura e a umidade dos 5 mm superiores da superfície do solo. Além da construção de sensores, são explicadas etapas de controle de qualidade, bem como para calibração de vários substratos. Os sensores incorporam um termocasal tipo E para medir a temperatura e avaliar a umidade do solo medindo a resistência entre duas sondas de metal banhadas a ouro no final do sensor a uma profundidade de 5 mm. Os métodos apresentados aqui podem ser alterados para personalizar sondas para diferentes profundidades ou substratos. Esses sensores têm sido eficazes em uma variedade de ambientes e suportaram meses de chuvas fortes em florestas tropicais, bem como intensa radiação solar em desertos do sudoeste dos EUA Resultados demonstram a eficácia desses sensores para avaliar aquecimento, secagem e congelamento da superfície do solo em um experimento de mudança global.

Introduction

Os sensores ambientais são ferramentas críticas para avaliar, monitorar e entender a dinâmica do ecossistema. Temperatura e umidade são fatores fundamentais dos processos biológicos nos solos e influenciam a atividade e composição comunitária dos organismos do solo1,2. Além disso, a temperatura e a umidade têm demonstrado afetar o momento do surgimento de mudas e das taxas de decomposição de lixo3,4,5. Nos ecossistemas de terras secas, as superfícies do solo não cobertas por plantas vasculares são muitas vezes cobertas com comunidades de musgos, líquens e cianobactérias, conhecidas como crosta biológica do solo (biocrosta) (Figura 1). Estas comunidades existem na superfície do solo e raramente penetram mais profundo do que alguns milímetros no solo6. Crostas biológicas do solo podem influenciar fortemente a estabilização do solo, infiltração de água e taxas de evaporação, albedo, temperatura, ciclismo de nutrientes, e solo-atmosfera CO2 troca7,8,9. Por sua vez, para alguns sistemas, a atividade dessas comunidades de superfície pode dominar os atributos gerais do solo e as taxas de vários processos10. Sensores que focam explicitamente medições em profundidades rasas podem nos ajudar a entender melhor como a temperatura e a umidade do surficial afetam a germinação de sementes, as taxas de decomposição e as respostas da biota da superfície do solo, bem como muitas outras funções do ecossistema.

Desenvolvimentos recentes na tecnologia de sensores de solo têm mostrado a importância de medições espacialmente explícitas para a compreensão de processos biológicos na superfície do solo11,12. Os métodos convencionais para analisar a umidade do solo incorporam sensores colocados abaixo da superfície do solo e muitas vezes integram medições através das profundidades. A umidade do solo registrada por essas sondas pode ajudar a informar nossa compreensão dos controles ambientais em organismos do solo, mas provavelmente perder muitas das nuances que ocorrem na superfície do solo. Para medir explicitamente o conteúdo de água dos poucos milímetros superiores do solo, Weber et al. desenvolveram recentemente sondas de umidade biocrustada (BWP) que determinam a umidade do solo através da condutividade elétrica da superfície do solo a uma profundidade de 3 mm11. Usando os sensores de Weber em conjunto com sondas de umidade integradas de 0 a 5 cm, Tucker et al. demonstraram a importância dos sensores de umidade que se concentram nos poucos milímetros superiores da superfície do solo. Em particular, pequenos eventos de precipitação, que foram altamente relevantes para a atividade das comunidades biocrustais, não se registraram para as sondas integradas de 0-50 mm (ou seja, 5 cm) e só foram detectados pelas BWPs12. Sensores focados nos poucos milímetros superiores dos solos são essenciais para medir eventos de umidade que não são grandes o suficiente para se infiltrar após a superfície, mas são suficientes para induzir respostas da biota na superfície.

A temperatura da superfície do solo é outro importante fator ambiental que impulsiona os processos fisiológicos. As temperaturas da superfície do solo diurno podem ser altamente variáveis, especialmente em espaços vegetais onde a superfície do solo não hadalado é exposta a grandes quantidades de radiação solar. Além disso, a temperatura é mais variável na superfície do solo do que mais profunda no perfil do solo13 ou no ar14. Por exemplo, Tucker et al. mostraram uma faixa máxima de temperatura da superfície diurna do solo de quase 60 °C (13-72 °C) ocorrendo em apenas 24 h. Estas temperaturas foram medidas usando termocasais inseridos 3 mm na superfície do solo. Enquanto isso, as sondas de temperatura próximas de 50 mm de profundidade mediram um intervalo de apenas 30 °C (22-52 °C) durante o mesmo dia12. Os termocasais que medem explicitamente a temperatura na superfície do solo apresentaram variação muito maior do que os sensores em profundidades de 50 mm, já que os solos superficiais estavam 10 °C mais frios à noite e 20 °C mais quentes durante o calor do dia em relação aos valores de 50 mm de profundidade.

A temperatura representa um controle crítico sobre processos fisiológicos. Por exemplo, em constantes umidades do solo em condições de laboratório, as perdas de CO2 do solo aumentam drasticamente com o aumento das temperaturas na maioria dos ecossistemas2,15,16. Da mesma forma, dados de estudos de manipulação climática de campo que visam aumentar as temperaturas do enredo em relação aos controles mostraram que os solos aquecidos liberam mais CO2 do que solos não aquecidos próximos (pelo menos nos primeiros anos de tratamentos17,18)e que solos biocrustados mostram uma resposta semelhante ao aquecimento7,9. Tanto a temperatura quanto a umidade foram demonstradas como importantes variáveis ambientais e sensores que podem capturar com precisão as condições climáticas da superfície do solo podem elucidar como eles influenciam os processos fisiológicos dos organismos na superfície do solo11,12.

Este artigo apresenta sensores projetados para medir a temperatura e a umidade a uma profundidade de 5 mm abaixo da superfície do solo, oferecendo energia significativa na avaliação de como essas variáveis interagem e impulsionam as respostas biológicas da biota surficial. O termopar tipo E é feito de dois metais (cromo e constantan), e as mudanças de temperatura nos metais criam diferentes tensões que são registradas por um registrador de dados. O sensor de umidade do solo mede a resistência entre duas pontas de metal banhadas a ouro. A resistência é afetada pelo índice de água do solo, porque mais água aumenta a condutância e diminui assim a resistência entre os pinos. Seguindo o projeto de Weber et al.11, estes sensores medem a umidade do solo a uma profundidade de 5 milímetros e incluem adicionalmente um thermocouple para medir a temperatura na mesma ponta de prova. Estes sensores permitem uma visão refinada de como a temperatura e a dinâmica da umidade variam em conjunto na superfície do solo usando uma única sonda. Essas sondas oferecem inúmeras oportunidades para explorar como os organismos que vivem na superfície respondem às mudanças em seu ambiente. Um benefício adicional desses sensores é que eles são relativamente simples e baratos de construir e calibrar, e os pesquisadores serão facilmente capazes de adotar seu uso.

O protocolo a seguir descreve em detalhes os materiais e métodos para a construção dos sensores, incluindo um esboço para conectar os sensores aos registradores de dados. Esses sensores usavam madeireiros comercialmente disponíveis, mas qualquer registrador de dados que possa ser anexado a um multiplexer pode ser usado. Métodos para calibrar os sensores para os substratos de interesse também são descritos.

Protocol

1. Sensores de fabricação

  1. Corte os comprimentos apropriados do cabo.
    1. Determine a distância máxima da localização do registrador de dados até a colocação desejada do sensor. Conta para o comprimento adicional do cabo necessário para curvas no cabo, obstáculos e anexo ao registrador de dados.
    2. Corte todos os cabos de termocasal e umidade do solo a este comprimento máximo desejado. Diferenças no comprimento do cabo podem levar a resistências variáveis entre os sensores. Este problema pode ser evitado mantendo todos os comprimentos de cabo de sensor o mesmo.
  2. Prepare o cabo termocasal.
    1. Tira a jaqueta de cabo 4-5 cm do final do cabo.
    2. Tira as bainhas recém-expostas de pequeno diâmetro a 5 mm do final dos fios.
    3. Arco soldar as pontas expostas dos fios e testar a força da nova solda puxando suavemente sobre os fios para garantir que eles não se separam.
      CUIDADO: Um capacete de soldagem ou escudo facial deve ser usado para proteger da radiação gerada quando soldagem a arco. Mantenha tudo no ambiente de trabalho seco para evitar choque potencial. Trabalhe em uma área bem ventilada para manter fumos ou gases de sua área de respiração.
    4. Mergulhe as pontas soldadas a arco do cabo termocasal em fita elétrica líquida para proteger os fios expostos. A fita elétrica líquida deve cobrir o metal exposto dos fios e pelo menos 3 milímetros das bainhas de arame de pequeno diâmetro.
      CUIDADO: A fita elétrica líquida tem os vapores inflamáveis que podem irritar o intervalo respiratório. Use em uma área bem ventilada longe das flamas abertas. Evite a exposição direta aos olhos e pele, pois isso pode causar irritação.
    5. Permita que a fita elétrica líquida seque por aproximadamente 4 h ou conforme indicado pelo fabricante.
    6. Corte um pedaço de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubos que é longo o suficiente para cobrir a fita elétrica líquida nas bainhas de pequeno diâmetro e pelo menos 1 cm da jaqueta de cabo termocasal (aproximadamente 6 cm de comprimento). Insira os fios no tubo de encolhimento de calor e mova o tubo de volta sobre a jaqueta de cabo. Espere para aplicar o calor até uma etapa posterior (Passo 1.5.3).
  3. Prepare o cabo de umidade do solo.
    1. Tira a jaqueta de cabo 5 cm do final do cabo.
    2. Corte o fio de chão (sem bainha) fora na jaqueta de cabo para que ele não é exposto além do casaco.
    3. Tira 1 cm das bainhas internas de pequeno diâmetro das extremidades dos fios de umidade do solo.
    4. Torça o metal exposto de cada fio para consolidar as pequenas cadeias.
    5. Estanho os pequenos fios torcidos, aplicando solda ao metal exposto em cada extremidade do fio.
      CUIDADO: O cuidado deve ser tomado ao usar os instrumentos extremamente quentes exigidos para soldar. Solda em áreas bem ventiladas e usar proteção adequada olho e pele.
    6. Corte um pedaço de 0,38 em (~ 10 mm) tubo de encolhimento de calor que é 1 cm a mais do que a distância de onde o casaco de cabo foi despojado até o final dos fios enlatados. Coloque este tubo sobre ambos os fios e deslize-o de volta sobre a jaqueta de cabo para corrigir no lugar em um passo posterior.
    7. Corte dois pedaços de 1,5 cm de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubos e coloque um sobre cada fio. Não aqueça estes até que você tenha soldado o fio para a tira de tomada de duas pontas.
    8. Aplique o fluxo de solda para as pontas da tira de tomada de duas pontas.
    9. Solda as extremidades enlatadas do fio para as extremidades da tira de tomada de duas pontas. Tenha cuidado para manter as duas extremidades separadas para que eles não estão tocando.
    10. Mova os dois pedaços de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubulação para a base da tira de tomada de duas pontas para que todas as peças de metal são cobertos. Use a arma de calor para aderir aos tubos de encolhimento de calor, tomando cuidado para não superaquecer e derreter a solda debaixo dos tubos.
    11. Mova o tubo de calor de 0,38 em (~10 mm) de umidade-selo para 1 mm a partir do final da tira de tomada de duas pontas para que ele esteja cobrindo a faixa de tomada, os fios de pequeno diâmetro e alguns dos cabos. Use a arma de calor para corrigir este tubo de encolher calor no lugar.
  4. Altere a faixa do terminal para a cabeça do sensor.
    1. Para modificar a faixa terminal de oito pontas, oriente a tira para que as pontas superiores estejam se curvando para longe da vista. Use cortes de arame para cortar o segundo, quarto e sétimo pinos da esquerda logo abaixo da faixa de contato de plástico preto (Figura 2).
    2. Medida 5 mm abaixo da faixa de contato de plástico preto e marcar o terceiro, quinto e sexto pinos da esquerda em 5 mm. Snip estes pinos na marca de 5 mm. Este comprimento pode ser modificado para atender a diferentes questões de pesquisa.
  5. Monte a cabeça do sensor.
    1. Corte dois pedaços de 1 cm de 0,5 em (~13 mm) umidade-selo de calor encolher tubos e deslize um sobre cada um dos cabos de umidade termocasal e solo.
    2. Mova a extremidade arqueada dos fios termopares por cima do terceiro pino cortado para que a ponta do termocasal seja orientada com a extremidade do pino cortado. Dobre os fios para que eles sigam a curva superior do pino.
    3. Deslize o tubo de encolhimento de calor de 0,13 polegadas (~3,3 mm) de umidade-selo (do passo 1.2.6) acima sobre a parte curva da pino e os fios do termocasal. Verifique se o tubo de encolhimento de calor também está cobrindo parte da jaqueta de cabo termocasal e usar uma arma de calor para aderir ao tubo de encolhimento de calor no lugar. Esprema a parte do tubo do encolher do calor que está sobre o pino curvado com os dedos para fixá-lo.
    4. Insira as extremidades curvas superiores de pinos 5 e 6 na tira de tomada de duas pontas(Figura 2).
    5. Mova o top 0,5 em (~ 13 mm) pedaço de umidade-selo de calor encolher tubo em direção à cabeça do sensor para que ele seja posicionado cerca de 1 cm da cabeça. Use uma arma de calor para adere-lo no lugar, tomando cuidado para manter a tira de tomada firmemente ligado a pinos 5 e 6 e para o fio termocasal em pino 3.
    6. Use uma arma de calor para aderir a outros 0,5 em (~ 13 mm) pedaço de umidade-selo de calor encolher tubulação alguns centímetros atrás do pedaço anterior de tubo encolher calor.
    7. Aplique a fita elétrica líquida a todos os lados do fio do thermocouple e prong 3.
    8. Aplique fita elétrica líquida para todos os lados da conexão da tira do soquete, garantindo que todo o metal exposto seja coberto. Não, no entanto, cobrir os pinos cortados de 5 mm associados a essa conexão(Figura 3).

2. Conectando sensores ao registrador de dados e multiplexer

NOTA: Esses sensores devem ser usados com um multiplexer que está conectado a um registrador de dados. Todas as etapas deste protocolo são para uso com o registrador de dados e multiplexer listados na Tabela de Materiais (outros registradores de dados também funcionariam). Em cada momento de medição, o registrador de dados abre a comunicação ao multiplexer, que, por sua vez, atua como um relé e permite que a corrente flua para o sensor de resistividade.

  1. Conecte o multiplexer ao registrador de dados usando fios de áudio. Conecte a porta COM no registrador de dados à porta RES no multiplexer. Conecte a porta COM separada no registrador de dados à porta CLK no multiplexer. Conecte as portas G e 12 V no registrador de dados ao GND e às portas 12 V no multiplexer, respectivamente.
  2. Crie um divisor de tensão no registrador de dados conectando um através do buraco 1 kΩ ± 0,1% resistor entre uma porta VX e uma porta H DIFF no registrador de dados.
  3. Conecte dois fios de áudio com um solo deste divisor de tensão ao multiplexer. Conecte um fio da mesma porta H DIFF à que o divisor de tensão está conectado no registrador de dados à porta COM ODD L no multiplexer. Certifique-se de que o outro fio conecte uma porta terrestre no registrador de dados à porta COM ODD H no multiplexer. Certifique-se de que um fio terrestre conecte um terreno do registrador de dados a um terreno no multiplexer.
  4. Conecte um fio termoacoplado tipo E ao registrador de dados e multiplexer. O fio roxo conecta a porta DIFF 1 H no registrador de dados para a porta COM MESMO H no multiplexer. O fio vermelho conecta a porta DIFF 1 L no registrador de dados para a porta COM EVEN L no multiplexer. Certifique-se de que o fio terrestre se conecte a um terreno tanto no registrador de dados quanto no multiplexer.
  5. Mude o multiplexer para o modo 4 x 16.
  6. Conecte os sensores ao multiplexer. Os cabos audio da umidade do solo conectam às portas impares com o fio preto a H e o fio vermelho aos fios de L. Thermocouple conectam mesmo aos portos mesmo com o fio roxo a H e ao fio vermelho a L. A ordem dos fios thermocouple é crucial para medidas apropriadas.

3. Sensores de teste

  1. Soldar as extremidades de um resistor de filme para as pontas em um conector de tomada de duas pontas usando solda de chumbo e fluxo de solda.
  2. Conecte todos os sensores a serem testados ao multiplexer.
  3. Ajuste o programa de registro de dados para digitalizar a cada 30 anos ou a uma frequência preferida para digitalizar vários sensores.
  4. Para sensores de umidade, coloque o conector de tomada com resistor de filme em pinos 5 e 6 do sensor e registre os dados do registrador de dados.
  5. Coloque o resistor em cada sensor para garantir que todos eles dão a mesma leitura.
  6. Monitore os dados do termocasal para garantir que eles estejam sentindo temperaturas semelhantes.
  7. Para sensores de temperatura, coloque a extremidade termopar entre dois dedos para se certificar de que as temperaturas mudam em conformidade.

4. Sensores calibrantes

NOTA: Esta seção descreve o processo para relacionar a saída do sensor à umidade do solo.

  1. Fabrice a cabeça do sensor de calibração.
    1. Tira 12 cm da jaqueta do cabo de umidade do solo.
    2. Retire a folha de proteção dos fios.
    3. Corte um comprimento de 10 cm de ambos os fios internos de umidade do solo de pequeno diâmetro.
    4. Tira aproximadamente 1 cm de bainha fora de ambas as extremidades de cada fio.
    5. Torça os fios pequenos em cada uma das extremidades e enlata-os com um ferro de solda.
    6. Modifique uma faixa terminal de oito pinos com as mesmas especificações que as etapas 1.4.1 e 1.4.2.
    7. Aplique o fluxo de solda para as curvas superiores de pinos 5 e 6.
    8. Soldar os fios para as curvas superiores de pinos 5 e 6 na faixa terminal de oito pinos.
    9. Clip as duas pontas exteriores das tiras terminais de oito pinos para 5 mm.
    10. Coloque um pedaço de 2 cm de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubulação em ambos os fios.
    11. Adere as partes do encolher do calor tão perto da cabeça modificada do sensor como possível.
    12. Coloque dois pedaços de 2 cm de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubulação em ambos os fios, um em cada fio. Espere para adere-los no lugar em um passo posterior.
    13. Corte as duas longas pontas médias de uma faixa terminal de quatro pontas para 1 cm.
    14. Aplique o fluxo de solda para as extremidades curvas superiores das pontas médias na faixa terminal de quatro pontas.
    15. Soldar as extremidades livres de ambos os fios para as pontas cortadas da faixa terminal de quatro pontas para que os quatro principais pinos curvos estão voltados para longe da cabeça do sensor modificado (Figura 4).
    16. Mova o calor previamente colocado do umidade-selo encolher até a base da tira terminal four-prong e aquecê-la no lugar.
  2. Prepare o cabo de umidade do solo para calibração.
    1. Corte um cabo de umidade do solo que é o mesmo comprimento que os sensores que estão sendo usados no campo.
    2. Tira a jaqueta do cabo a 5 cm do final.
    3. Corte o fio de chão (sem bainha) fora na jaqueta de cabo para que ele não é exposto além do casaco.
    4. Tira 1 cm das bainhas de arame de pequeno diâmetro das extremidades dos fios de umidade do solo.
    5. Torça o metal exposto de cada fio para consolidar as pequenas cadeias.
    6. Estanho os pequenos fios torcidos, aplicando solda ao metal exposto em cada extremidade do fio.
    7. Corte um pedaço de 6 cm de 0,38 em (~ 10 mm) umidade-selo de calor encolher tubos, colocá-lo sobre ambos os fios, e deslize-o de volta sobre o casaco de cabo para adecê-lo em um passo posterior.
    8. Corte dois pedaços de 1,5 cm de 0,13 em (~ 3,3 mm) tubo de calor encolher e coloque um sobre cada fio. Não aplique calor até que o fio seja soldado na faixa de tomada de duas pontas.
    9. Aplique o fluxo de solda para as pontas da tira de tomada de duas pontas.
    10. Solda as extremidades enlatadas do fio para as extremidades da tira de tomada de duas pontas. Tenha cuidado para manter as duas extremidades separadas para que eles não estão tocando.
    11. Mova os dois pedaços de 0,13 em (~ 3,3 mm) umidade-selo de calor encolher tubulação para a base da tira de tomada de duas pontas para que todas as peças de metal são cobertos. Use a arma de calor para aderir aos tubos de encolhimento de calor no lugar, tomando cuidado para não superaquecer e derreter a solda debaixo dos tubos.
    12. Mova o tubo de encolhimento de calor de 0,38 em (~10 mm) de umidade-selo (do passo 4.2.7) para 1 mm do final da tira de tomada de duas pontas para que ele esteja cobrindo a faixa de tomada, os fios de pequeno diâmetro e alguns da jaqueta de cabo. Use a arma de calor para aderir ao tubo de encolhimento de calor no lugar.
  3. Criar o recipiente de calibração do solo(Figura 5).
    1. Corte um tubo de centrífuga descartável de polipropileno de 50 mL a 4 cm do topo da tampa. Isto criará um tubo com uma abertura em uma extremidade e uma tampa removível na outra.
    2. Use um pedaço de broca para perfurar um buraco de 2,5 cm no centro da tampa. Um bocado da broca da etapa é fácil de usar-se e eficaz.
    3. Corte duas fendas verticais de 6 mm de distância, começando na extremidade aberta do tubo e estendendo-se até o fundo da tampa. Use um corte perpendicular na parte inferior da tampa para conectar as duas fendas e remover a tira de plástico (Figura 5). Isso criará uma lacuna grande o suficiente para inserir os fios da cabeça do sensor.
    4. Corte uma peça circular de 6 cm de diâmetro de pano de malha de polipropileno. Coloque a malha entre a tampa e o tubo e parafuso a tampa.
    5. Insira a faixa terminal de oito pinos da cabeça do sensor de calibração no tubo para que os fios deslizem pela lacuna criada na etapa 4.3.3.
    6. Fita as pontas mais longas da faixa terminal de quatro pontas para o lado da extremidade aberta do tubo para que as pontas superiores estão voltados para longe do tubo e pode ser facilmente conectado à tira de tomada de duas pontas do cabo de calibração (Figura 5).
    7. Coloque o recipiente com a cabeça do sensor anexado em um forno de secagem de 60 °C por 48 h para remover qualquer umidade.
  4. Calibrar sensor e solo.
    1. Pese os recipientes vazios, secos do forno da calibração junto com uma cabeça do sensor da calibração em um contrapeso com precisão de 0.0001 g. Esta medida será usada para calcular o conteúdo de água gravimétrica (GWC) em uma etapa posterior.
    2. Conduzir calibrações em um ambiente que pode manter uma temperatura constante.
    3. Prepare o solo biocrustpara calibração.
    4. Retire a tampa do tubo de calibração e use a extremidade threaded como um molde para cortar um pedaço de biocrosta do mesmo diâmetro. A biocrosta deve permanecer no tubo quando puxado para cima, mas pode exigir alguma ajuda para mantê-lo no tubo.
    5. Usando um dedo, empurre a amostra de biocrosta da extremidade cortada do tubo para que 3-5 mm da parte superior da biocrosta permaneçam no tubo. Raspe fora todo o solo adicional que for empurrado fora da extremidade threaded do tubo de modo que a parte inferior do biocrust esteja nivelada com a parte inferior do tubo.
    6. Coloque a malha de polipropileno de 6 cm de diâmetro na extremidade roscada, abaixo da biocrosta, e parafuso a tampa em apertado.
    7. Umedeça a amostra de biocrosta e corrija suavemente a cabeça do sensor na parte superior do substrato para que as pontas estejam completamente enterradas. Os fios podem precisar de ser dobrados para assegurar-se de que a cabeça do sensor permaneça no lugar e não se mova durante a calibração.
    8. Prepare o solo mineral para calibração.
    9. Coletar solos dos 5 mm superiores na área onde os sensores serão colocados.
    10. Use uma peneira de 2 mm para remover grandes rochas e material orgânico do solo.
    11. Certifique-se de que a tampa é parafusada com a malha de polipropileno de 6 cm de diâmetro fixada entre a tampa e o tubo.
    12. Coloque o solo peneirado no recipiente de calibração para que ele cubra o fundo do recipiente a uma profundidade de 6 mm.
    13. Umedeça a amostra do solo e corrija suavemente a cabeça do sensor na parte superior do substrato para que as pontas estejam completamente enterradas. Os fios podem precisar de ser dobrados para assegurar-se de que a cabeça do sensor permaneça no lugar e não se mova durante a calibração.
    14. Sature o substrato (biocrosta ou solo) com água desionizada até que uma camada de água brilhante seja visível na superfície.
    15. Deixe o substrato saturado secar durante a noite.
    16. Antes de iniciar quaisquer medições, verifique se a cabeça do sensor ainda está no lugar e as pontas estão totalmente enterradas no substrato.
    17. Sature o substrato com água desionizada até que uma camada brilhante seja visível na superfície.
    18. Seque o substrato por 15 min.
    19. Conecte a tira de tomada de duas pontas do cabo de umidade do solo de calibração aos dois pinos internos da faixa terminal de quatro pontas.
    20. Programe o registrador de dados para registrar medições a cada minuto.
    21. Ligue o registrador de dados para começar a coletar medições de resistência.
    22. Posicione um ventilador para fundir delicadamente o ar sobre o recipiente da calibração quando os pesos não estão sendo gravados para promover a secagem.
    23. Molhe o substrato com água desionizada até que um brilho seja visível na superfície.
    24. Coloque o recipiente de calibração com solo úmido em uma toalha de papel para absorver água pingando.
    25. Desconecte o fio de umidade do solo de calibração da faixa terminal de quatro pontas.
    26. Bata levemente o recipiente para expelir a água de gotejamento.
    27. Desligue o ventilador antes de colocar o recipiente de calibração no balanço.
    28. Coloque o recipiente no equilíbrio e registre o peso e o tempo de medição.
    29. Reconecte o fio de umidade do solo à faixa terminal de quatro pontas.
    30. Coloque o recipiente de calibração de volta para a toalha de papel.
    31. Ligue o ventilador para acelerar a secagem.
    32. Peso recorde a cada 15 min até que o substrato tenha completamente seco ao ar. A secagem completa é indicada por pouca ou nenhuma alteração nos pesos do recipiente de calibração entre as medições.
    33. Coloque o recipiente de calibração, a cabeça do sensor de calibração e o substrato em um forno de secagem de 60 °C por 48 h.
    34. Pese o substrato seco, o recipiente e a cabeça do sensor.
  5. Análise de dados de calibração do sensor.
    1. Calcule o peso do substrato seco subtraindo o peso seco do recipiente da calibração determinado na etapa 4.4.1 do peso do recipiente seco da calibração com substrato determinado na etapa 4.4.34.
    2. Calcule o peso da água para cada ponto de tempo de 15 min ou a calibração subtraindo o peso seco do recipiente da calibração com substrato (etapa 4.4.34) dos pesos gravados cada 15 min.
    3. Calcule o GWC para cada ponto de tempo de 15 min dividindo os pesos da água (etapa 4.5.2) pelo peso seco do solo (4.5.1).
    4. Combine os tempos de medição da resistência ao GWC de cada ponto de tempo de 15 min determinado na etapa 4.5.3.
    5. Determinar a curva de calibração da análise de regressão com GWCs como variáveis dependentes e Siemens como variáveis independentes (Figura 6). Diferentes tipos de curva (linear, potência, logarítica) podem ser mais adequados para a calibração de diferentes substratos.

Representative Results

Avaliar o microclima da superfície do solo é essencial para compreender e prever os processos biológicos, químicos e físicos que ocorrem lá. Estas sondas oferecem poderosas oportunidades para monitorar o microclima na camada de superfície do perfil do solo e, portanto, são valiosas para avaliações da atividade biológica que ocorrem nos poucos milímetros superiores do solo11,12. Estas sondas foram desenvolvidas e refinadas para avaliar os controles sobre a atividade biológica da crosta do solo, pois a temperatura e a umidade na biocrosta podem ser críticas à sua função2,8,10,12,15. No entanto, enquanto essas sondas foram desenvolvidas para solos fotossintéticos em terras secas, há um forte potencial para implementá-las em uma ampla gama de sistemas, bem como para avaliar como a temperatura e a umidade variam ao longo dos perfis de profundidade do solo. Por exemplo, esses sensores foram implantados em um experimento de aquecimento florestal tropical para verificar como os tratamentos de aquecimento e variação natural no clima interagem para determinar covariações nos processos do solo, temperatura e umidade.

No entanto, existem algumas considerações fundamentais antes de implementar sensores de superfície do solo. Por exemplo, as curvas de calibração devem ser desenvolvidas para converter unidades de resistência a métricas mais comumente usadas de umidade do solo, como o GWC. O sensor de superfície do solo mede a resistência entre os prongs metálicos e os valores de condução de saídas (o inverso da resistência) na Siemens (1/Ohm). Assim, a conversão da Siemens para a umidade do solo deve ser realizada. Uma série de propriedades químicas e físicas do substrato do solo podem afetar a relação entre as leituras de condução do sensor na Siemens e a umidade do solo. Por conseguinte, é fundamental realizar calibrações específicas por substratos para converter leituras de sondas em valores de umidade do solo. Dados de calibração de três substratos que demonstram essas diferenças são mostrados.

A Figura 6 retrata dados de calibração secos para duas amostras cada uma das três substratos de solo, cada uma com sua própria sonda. Os substratos foram saturados completamente até que uma pequena quantidade de água fosse visível na superfície. As resistências da ponta de prova e os pesos do solo foram medidos cada 15 min até que todas as amostras estivessem secas. A massa do solo foi usada subseqüentemente para calcular GWC. A Figura 6 mostra regressões de condução e GWC para cada amostra. Os substratos utilizados para essas calibrações incluem solos de loam de loso (23% de areia, 64% de lodo e 13% de argila) coletados em uma estação de campo experimental na Floresta Nacional de El Yunque, Porto Rico; biocrostas dominadas por musgo coletadas perto de Castle Valley, Utah; e solo de areia fina (92% de areia, 3% de lodo e 5% de argila) de parcelas de aquecimento experimental perto de Moab, Utah.

A necessidade de calibrações de sensores específicas de substrato é demonstrada pela variação na condutância da sonda e na umidade do solo para cada substrato. Por exemplo, as regressões para as amostras de solo de loam(Figura 6a)eram distintas dos outros dois substratos do solo. Portanto, aplicar a equação de regressão do solo loam lomate à biocrosta de musgo, ou vice-versa, levaria a valores dramaticamente diferentes. Por outro lado, a relação entre gwc e sonda resistências para o solo de areia fina (Figura 6c)e musgo biocrust(Figura 6b)foram semelhantes. Entretanto, o solo fino da areia não podia prender tanta água quanto o musgo e experimentou correspondente uma secagem muito mais rápida. Como há variação dentro de substratos, é importante ter um tamanho de amostra grande o suficiente para produzir uma curva de calibração precisa e criar curvas de calibração individuais para todos os sites.

Em um ajuste experimental, estes sensores de superfície do solo foram usados para avaliar os efeitos do tratamento de um estudo da manipulação de clima perto de Moab, Utá, EUA. Este estudo utilizou lâmpadas infravermelhas para aumentar a temperatura ambiente das parcelas em 4 °C no mesmo local e com métodos semelhantes descritos por Wertin et al.17. A figura 7 mostra temperatura média e GWC de parcelas aquecidas e de controle para dois eventos de chuva separados que ocorreram no início de maio de 2018. As temperaturas médias nas parcelas aquecidas foram consistentemente mais elevadas do que as temperaturas médias das parcelas de controle (Figura 7a). Ao longo desses dois eventos de chuva, os sensores de resistividade nas parcelas aquecidas registraram menos umidade do solo do que os controles e as parcelas aquecidas secas mais rapidamente(Figura 7b). Note-se que o aumento da temperatura pode levar a uma maior condutividade dos solos que devem ser contabilizadospor 19. A sensibilidade dos componentes de temperatura e umidade desses sensores de superfície do solo nos permitiu não apenas observar as diferenças de temperatura do tratamento de aquecimento, mas também como isso afetou a dinâmica da umidade nas parcelas.

As interações de temperatura e umidade foram investigadas em um estudo observacional usando esses sensores de superfície do solo para analisar o momento da disponibilidade de umidade para biocrostas durante as condições de congelamento-degelo no Planalto do Colorado, EUA. Sensores foram colocados no top 5 mm de biocrostas que foram compostas principalmente do musgo Syntrichia caninervis, e temperatura da superfície e umidade foram registradas durante os meses de janeiro e fevereiro de 2018. Quando as temperaturas estavam abaixo de 0 °C, a umidade na superfície do musgo foi congelada, e os valores de condução de saída do sensor corresponderam a 0% GWC(Figura 8). No entanto, à medida que as temperaturas excediam 0 °C, a geada derreteu na superfície do musgo e a água líquida registrada no sensor de resistividade. Neste caso, medições simultâneas de temperatura e umidade mostraram como as variáveis interagiram para afetar potencialmente os processos biológicos de organismos existentes na superfície do solo.

Figure 1
Figura 1: Interespaços biocrustados no Platô de Colorado, EUA. Em muitos ecossistemas do deserto os espaços entre plantas são cobertos frequentemente com as comunidades do biocrust compor dos líquens, dos musgos, e dos cyanobacteria. Dois sensores da temperatura e da umidade do solo foram coloc na superfície da biocrosta do musgo. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 2
Figura 2: Recorte da faixa terminal de oito pontas. A faixa terminal banhada a ouro é orientada com as pontas curvas superiores viradas para longe. As pinos estão numeradas de 1 a 8, começando à esquerda e movendo-se para a direita. Pinos 2, 4 e 7 são cortados com o fundo do plástico preto. Pinos 3, 5 e 6 são cortados a 5 mm abaixo do plástico preto. O prong 3 estabiliza os fios termoacoplados arco-soldados, quando a resistência for medida entre prongs 5 e 6. Estes funcionam como o sensor de umidade do solo. As pinças 1 e 8 servem como holdfasts no solo. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 3
Figura 3: Cabeça terminada do sensor. A cabeça do sensor modificado e o cabo thermocouple são cobertos com fita elétrica líquida. É importante manter as pinças 5 e 6 (o sensor de umidade) limpas e não revestidas com fita elétrica líquida para garantir que não haja contaminação que afete as medições de resistência. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 4
Figura 4: Cabeça do sensor de calibração. A faixa terminal de quatro pontas é soldada aos fios de modo que enfrente longe da cabeça modificada do sensor. O encolhimento do calor do selo da umidade é reparado no lugar perto das tiras terminais para impedir o crosstalk entre os fios. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 5
Figura 5: Recipiente de calibração e cabeça do sensor. A faixa terminal de quatro pontas é colada ao recipiente e orientada para que possa ser facilmente conectada a uma tira de tomada de duas pontas. Esta colocação permite que a cabeça do sensor seja coloc na fenda cortada e reparada na carcaça do interesse. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 6
Figura 6: Calibrações do sensor para três substratos do solo. Os percentuais de teor de água gravimétrica calculada (GWC), determinados pela medição da massa do solo durante a seca do substrato, foram comparados com os valores de condução do sensor do solo das sondas (medidas na Siemens). Os dados mostrados são para duas amostras de cada um de três substratos distintos do solo. Os substratos do solo eram(a)um solo do loam do silte,(b)um biocrust do musgo, e(c)um solo fino da areia. (a)A relação de GWC e valores de condução em solos predominantemente loam silte foi melhor representado por uma regressão de poder. (b)Observou-se uma forte relação linear de GWC e condução do sensor para biocrusts dominadas pelo musgo Syntrichia caninervis. (c)Uma regressão linear melhor representou a relação entre medições de condução gwc e sensor em solos de areia fina. Em valores elevados de GWC os valores da condução divergem da curva de calibração, indicando uma limitação potencial dos sensores quando os solos são saturados. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 7
Figura 7: Temperatura e teor de água gravimétrica com tratamentos de aquecimento infravermelho de campo. Temperatura média horária da superfície e GWC registrados em intervalos de 10 minutos em 5 aquecido e 5 parcelas de controle ao longo de 4 dias. Os dados são de um experimento de mudança global em um ecossistema de estepe semi-árida no Planalto do Colorado, EUA17. Os dados mostram que os sensores de superfície do solo capturaram efeitos do tratamento. (a)As temperaturas médias na superfície do solo foram consistentemente mais elevadas nas parcelas aquecidas. (b) Os efeitos do aquecimento também foram evidentes nos valores gwc, mostrando que os solos de enredo aquecido manteve tempos de secagem mais rápidos. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Figure 8
Figura 8: Temperatura da biocrosta do musgo e índice de água gravimetric durante eventos da geada. Temperatura média da superfície e GWC de quatro réplicas de biocrusts de musgo syntrichia caninervis registradas em intervalos de 10 minutos das 9h50 de 24 de janeiro de 2018 às 11h20 de 25 de janeiro de 2018. As horas noturnas são representadas na área sombreada cinza e horas diurnas nas áreas não sombreadas. Quando a água foi congelada na forma de geada na superfície do musgo, não houve condução medida pelo sensor. Assim, o GWC foi 0. As condições de congelamento ocorreram logo após o anoitecer, pois a temperatura do solo caiu abaixo de 0 °C. O descongelamento ocorreu logo após o nascer do sol, quando as temperaturas subiram acima de 0 °C, quando a geada derreteu, e a água líquida foi detectada pelos sensores. Esses resultados demonstram a eficácia dos sensores na distinção de água e gelo líquidos, o que pode ter implicações importantes para uma série de processos biológicos. Clique aqui para ver uma versão maior deste número.

Discussion

A temperatura da superfície do solo e as sondas de umidade podem ser ferramentas eficazes para analisar a temperatura e o conteúdo de água na superfície do solo. Com exceção das sondas de umidade biocrustadas (BWP) desenvolvidas por Weber et al.11, a temperatura comum do solo e os sensores de umidade não medem explicitamente essas variáveis ambientais nos poucos milímetros superiores da superfície do solo. No momento do desenvolvimento, os BWPs estimaram apenas a umidade do solo na superfície e não a temperatura20. Com o projeto bwp original usado como um guia, as sondas descritas neste manuscrito foram desenvolvidas para medir simultaneamente a temperatura e a umidade para avaliar como essas variáveis ambientais interagem entre si, bem como com processos biológicos, químicos e físicos na superfície do solo.

Há uma série de considerações para garantir o funcionamento ideal dessas sondas. Ao construir o sensor, é importante tomar cuidado para não cortar as bainhas internas e expor os fios de metal subjacentes. Isso pode levar a variações na condução e crosstalk entre os fios. Também é fundamental testar tanto os termocasais quanto os sensores de resistividade para cada sonda no mesmo ambiente, para confirmar que eles são devidamente construídos e que as variações nas leituras se devem às diferenças físicas e químicas no substrato do solo Medido. Durante o processo de calibração, um número de amostra grande o suficiente de resistência e calibrações GWC é fundamental para explicar adequadamente a variação nos substratos do solo ou da biocrosta. Além disso, é melhor testar a mesma combinação de sonda e substrato duas vezes, de molhado a seco, pois é comum que essas sondas 'derivam' ao longo do tempo devido à eletrólise ou corrosão. Além disso, durante a calibração, é importante usar amostras de substrato rasas que são apenas profundas o suficiente para acomodar o comprimento da sonda (ou seja, entre 6 e 7 mm), de modo que os pesos de água medidos são provenientes de água principalmente na área das medições de condução (entre e em torno das sondas). Isso garante que as mudanças na massa de água nos solos estejam diretamente relacionadas a mudanças nas medições de resistência das sondas. Finalmente, ao implantar essas sondas no campo, é importante proteger adequadamente as sondas para a superfície do solo (por exemplo, com estacas de jardim não condutoras), o que limitará a interferência nas medições de condução, mas pode garantir que os sensores não mudem de posição e diminuir a qualidade das medições a longo prazo.

Também é importante notar algumas limitações desses sensores. Como as sondas de resistividade têm apenas 5 mm de comprimento, suas medições podem ser fortemente afetadas por grandes espaços de poros cheios de ar em substratos. Grandes lacunas de ar ao longo das sondas diminuem a conectividade do substrato e geralmente levam a uma menor condutividade medida e, portanto, reduzem o teor de água estimado, o que pode não refletir a umidade real do solo em escalas maiores. Da mesma forma, a composição química dos solos pode afetar as leituras de umidade do solo. Maior salinidade aumentará a condutividade e levará a valores mais elevados da Siemens21. Ambos os problemas devem ser resolvidos com calibrações específicas de substrato adequadas. Entretanto, alguns solos podem manter diferenças químicas ou ter a arquitetura grande do espaço do pore que poderia lhes fazer ambientes pobres para estes sensores. A temperatura também afeta a condutividade elétrica dos solos e, portanto, deve ser considerada15. No futuro, as calibrações de temperatura com esses sensores devem ser conduzidas para determinar como as temperaturas alteram a resistência dos substratos medidos.

Como as sondas de umidade biocrustdesenvolvidas por Weber et al.11,essas calibrações de sensores mostram que as medições de resistência são confiáveis no conteúdo de água média, mas que experimentam algumas anormalidades em conteúdos de água muito altos e baixos (Figura 6). Além disso, durante as calibrações de aquete, os valores de resistência ocasionalmente são lidos zero quando ainda havia alguma água presente na amostra de substrato. Isto poderia ser devido à quantidade de substrato no recipiente de calibração ser ligeiramente maior do que a área medida pelo sensor. Se a água estivesse presente fora da área de resistividade, o sensor seria lido zero enquanto o substrato ainda tinha umidade presente. Foi tomado cuidado para diminuir o tamanho do substrato sem comprometer as medidas de resistência. À medida que o conteúdo da água aumenta, os valores de resistência dentro do substrato diminuem, levando a maiores saídas da Siemens. No entanto, com o maior teor de água, os valores de resistência aumentam com o aumento do teor de água. Isso leva a um "gancho" nos dados de calibração, como visto na Figura 1C. Este gancho estava presente em cada substrato usado para calibrações, mas foi mais proeminente nos solos de areia fina (Figura 6). Weber et al.11 sugerem que uma causa potencial para aumentos anormais da resistência em índices elevados da água é que a água adicional dilui íons em solos saturados, aumentando desse modo a resistência.

Esses sensores são atualmente dependentes do uso de multiplexer existente e tecnologias de registro de dados. O multiplexer permite que os sensores sejam "desligados" e só envia uma corrente para os sensores em um horário programado. Isso impede que os terminais do sensor de umidade do solo corroam. Outras empresas eletrônicas fornecem alternativas de registrador de dados e multiplexer para as sondas, e placas de circuito programáveis e computadores também podem ser incorporados para um design sem fio de sensores de temperatura e umidade do solo, o que poderia representar um avanço emocionante.

Projetar e construir sensores permite ao pesquisador personalizar as sondas. O comprimento e a direção das pinças podem ser manipulados para avaliar melhor a umidade em diferentes meios ou em diferentes profundidades. A fiação feita encomenda pode ser requisitada para permitir projetos com as cabeças múltiplas do sensor que emanam do mesmo cabo. Com a adição de opções baratas de registro de dados e multiplexer, esses sensores fornecem uma opção barata e acessível para os pesquisadores medirem a temperatura e a umidade do solo na superfície do solo. Isso inclui medir eventos difíceis de capturar, como geada e formação de orvalho (Figura 8),e efeitos experimentais do tratamento, como aquecimento (Figura 7). Este artigo fornece um guia passo a passo para a construção de sensores de superfície do solo que medem simultaneamente a temperatura e a umidade, que podem ser usadas e refinadas por qualquer pessoa interessada em avaliar o ambiente das comunidades de biocrosta e as camadas de surficial de muitos outros tipos de solo.

Disclosures

Os autores não têm nada a divulgar.

Acknowledgments

Agradecemos robin Reibold por sua cuidadosa arco de soldagem e Cara Lauria por sua precisão durante calibrações. Estamos gratos ao Dr. Steve Fick e três revisores anônimos por seus comentários úteis sobre um rascunho anterior deste manuscrito. Este trabalho foi apoiado pelo Programa de Ciência da Mudança De Terra do Serviço Geológico dos EUA e pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Sem Ecossistemas Terrestres de Pesquisa Biológica e Ambiental (Awards 89243018SC000017 e DESC-0008168). O trabalho da BW foi apoiado pela German Research Foundation (Grants WE2393/2-1, 2-2), a Sociedade Max Planck e pela Universidade de Graz. Qualquer uso de nomes de comércio, empresa ou produtos é apenas para fins descritivos e não implica endosso do governo dos EUA.

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

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Fabricação de sensores de temperatura de superfície do solo simples e baratos e sensores de conteúdo de água gravimétrica
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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).

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