Noggrann mätning av temperatur och vattenhalt i den övre 5 mm av markens yta kan förbättra vår förståelse av miljökontroller på biologiska, kemiska och fysikaliska processer. Här beskriver vi ett protokoll för tillverkning, kalibrering och utförande av mätningar med jordytans temperatur och fukt sensorer.
Kvantifiering av temperatur och fukt på jordytan är avgörande för att förstå hur jordytan biota reagerar på förändringar i miljön. Men på marken ytan dessa variabler är mycket dynamisk och standardsensorer inte uttryckligen mäter temperatur eller fukt i de övre få millimeter av marken profil. Denna uppsats beskriver metoder för tillverkning av enkla, billiga sensorer som samtidigt mäter temperaturen och fukten i den övre 5 mm av markens yta. Förutom sensor konstruktion förklaras steg för kvalitetskontroll samt kalibrering för olika substrat. Sensorerna har ett termoelement av typ E för att mäta temperaturen och bedöma markens fuktighet genom att mäta motståndet mellan två guldpläterade sonder i sensorns ände på ett djup av 5 mm. De metoder som presenteras här kan ändras för att anpassa sonder för olika djup eller substrat. Dessa sensorer har varit effektiva i en mängd olika miljöer och har uthärdade månader av häftiga regn i tropiska skogar samt intensiv solstrålning i öknar i sydvästra USA resultaten visar hur effektiva dessa sensorer för att utvärdera uppvärmning, torkning och frysning av markytan i ett globalt förändrings experiment.
Miljösensorer är viktiga verktyg för att bedöma, övervaka och förstå ekosystemdynamik. Temperatur och fukt är grundläggande drivkrafter för biologiska processer i marken och påverkar aktiviteten och gemenskapens sammansättning av markorganismer1,2. Dessutom, temperatur och fukt har visat sig påverka tidpunkten för Groddplanta uppkomst och kull sönderdelnings hastigheter3,4,5. I drylands ekosystem toppas ofta markytor som inte täcks av vaskulära växter med samhällen av mossor, lavar och cyanobakterier, så kallade biologiska jord skorpor (biocrust) (figur 1). Dessa gemenskaper finns på smutsa ytbehandlar och tränger igenom sällan djupare än några millimetrar in i smutsa6. Biologiskt jord skorster kan starkt påverka jord stabilisering, vatten infiltration och avdunstning priser, albedo, temperatur, näringsämne Cykling, och jord-atmosfär Co2 utbyte7,8,9. I sin tur, för vissa systemaktiviteten av dessa ytan samhällen kan dominera övergripande mark attribut och satserna i olika processer10. Sensorer som uttryckligen fokuserar mätningar på grunda djup kan hjälpa oss att ytterligare förstå hur temperatur och fukt påverkar fröet grobarhet, nedbrytningshastigheter och reaktioner av jordytan biota, samt många andra ekosystemfunktioner.
Den senaste tidens utveckling inom jord sensorteknik har visat vikten av rumsligt explicita mätningar för att förstå biologiska processer på jordytan11,12. Konventionella metoder för att analysera jord fuktighet införliva sensorer placerade under markytan och ofta integrera mätningar över djup. Marken fukt som registrerats av dessa sonder kan bidra till att informera vår förståelse av miljökontroller på mark organismer, men sannolikt missar många av de nyanser som förekommer på jordytan. För att uttryckligen mäta vattenhalt i de översta millimeter av jord, Weber et al. nyligen utvecklat biocrust väta sonder (BWP) som bestämmer markens fuktighet via elektrisk ledningsförmåga av markens yta till ett djup av 3 mm11. Använda Webers sensorer i samband med 0 till 5 cm integrerade fukt sonder, Tucker et al. visat vikten av fukt sensorer som fokuserar på de översta millimeter av markens yta. I synnerhet, små nederbörd händelser, som var mycket relevanta för aktiviteten av biocrust samhällen, inte registrera för 0-50 mm (dvs 5 cm) integrerade sonder och upptäcktes endast av BWPs12. Sensorer fokuserade på de översta millimeter av jordar är viktiga för att mäta fukt händelser som inte är tillräckligt stora för att infiltrera förbi ytan, men är tillräckliga för att inducera svar från biota på ytan.
Markens yttemperatur är en annan viktig miljöfaktor som driver fysiologiska processer. Dygns markens yttemperaturer kan vara mycket varierande, särskilt i växternas resulterar där den oskuggade jordytan utsätts för stora mängder solstrålning. Också är temperaturen mer variabel på smutsa ytbehandlar än djupare i smutsa profilerar13 eller lufta14. Till exempel, Tucker et al. visade en maximal dygns markyta temperaturområde på nästan 60 ° c (13-72 ° c) som inträffar under endast 24 h. Dessa temperaturer mättes med hjälp av termoelement införas 3 mm i markytan. Under tiden mätte närliggande temperaturavsökningar 50 mm djup en räckvidd på endast 30 ° c (22-52 ° c) under samma dag12. De termoelement som uttryckligen mäter temperaturen vid jordytan visade mycket högre variation än sensorer vid 50 mm djup, eftersom ytsmuterna var 10 ° c kallare på natten och 20 ° c varmare under dagens hetta i förhållande till de 50 mm djupa värdena.
Temperatur representerar en kritisk kontroll över fysiologiska processer. Till exempel, vid konstant jord fukt i laboratorieförhållanden, Co2 förluster från jord ökar dramatiskt med ökande temperaturer i de flesta ekosystem2,15,16. På samma sätt har data från fält klimat manipulation studier som syftar till att öka tomt temperaturer i förhållande till kontroller visat att värmda jordar släppa mer Co2 än närliggande ouppvärmd jord (åtminstone under de första åren av behandlingar17,18) och att biocrusted jordar visar ett liknande svar på uppvärmningen7,9. Både temperatur och fukt har visat sig vara viktiga miljövariabler och sensorer som exakt kan fånga jordytan klimatförhållanden kan belysa hur de påverkar fysiologiska processer av organismer på jordytan11,12.
Detta papper presenterar sensorer som är utformade för att mäta både temperatur och fukt till ett 5 mm djup under markytan, som ger betydande effekt vid bedömningen av hur dessa variabler interagerar med och driver biologiska reaktioner från surficial biota. Typ E termoelement är tillverkad av två metaller (Chromel och constantan), och temperaturförändringar i metaller skapa olika spänningar som registreras av en datalogger. Jord fuktgivaren mäter motståndet mellan två guldpläterade stift. Motståndet påverkas av markens vattenhalt, eftersom mer vatten ökar konfukthalten och därmed minskar motståndet mellan stift. Efter utformningen av Weber et al.11mäter dessa sensorer jord fuktighet till ett djup av 5 mm och inkluderar dessutom ett termoelement för att mäta temperaturen på samma sond. Dessa sensorer ger en förfinad bild av hur temperatur och fuktdynamik varierar i samförstånd på jordytan med hjälp av en enda sond. Dessa sonder ger otaliga möjligheter att utforska hur organismer som lever på ytan reagerar på förändringar i sin omgivning. En ytterligare fördel med dessa sensorer är att de är relativt enkla och billiga att bygga och kalibrera, och forskare kommer att vara lätt kunna anta sin användning.
Följande protokoll beskriver i detalj material och metoder för att konstruera sensorer, inklusive en kontur för att ansluta sensorer till datalogger. Dessa sensorer används kommersiellt tillgängliga loggers, men alla datalogger som kan anslutas till en multiplexer kan användas. Metoder för kalibrering av sensorer till substrat av intresse beskrivs också.
Jordytan temperatur och fukt sonder kan vara effektiva verktyg för att analysera temperatur och vattenhalt på jordytan. Förutom de Biocrust wetness sonder (BWP) som utvecklats av Weber et al.11, vanliga jord temperatur och fukt sensorer inte uttryckligen mäta dessa miljömässiga variabler på de översta millimeter av marken ytan. Vid tidpunkten för utvecklingen uppskattade BWPs endast jord fuktighet vid ytan och inte temperaturen20. Med den ursprungliga BWP-designen som användes som guide utvecklades sonderna som beskrivs i detta manuskript för att samtidigt mäta temperatur och fukt för att bedöma hur dessa miljövariabler interagerar med varandra, samt med biologiska, kemiska och fysikaliska processer på jordytan.
Det finns ett antal överväganden för att säkerställa optimal drift av dessa sonder. Samtidigt bygga sensorn, är det viktigt att noga med att inte skära igenom de inre slidor och exponera de underliggande metall trådarna. Detta kan leda till variation i värmeledningsförmåga och överhörning bland trådarna. Det är också viktigt att testa både termoelement och resistivitet sensorer för varje sond i samma miljö, för att bekräfta att de är korrekt konstruerade och att variationer i avläsningar beror på fysiska och kemiska skillnader i marken substrat som Mätt. Under kalibreringsprocessen är ett tillräckligt stort prov antal motstånd och GWC kalibreringar avgörande för att korrekt redogöra för variation i jord eller biocrust substrat. Dessutom är det bäst att testa samma sond och substrat kombination två gånger, från våt till torr, eftersom det är vanligt att dessa sonder att “glida” över tid på grund av elektrolys eller korrosion. Dessutom, under kalibrering är det viktigt att använda grunda substrat prover som bara är tillräckligt djupa för att rymma sonden längd (dvs., mellan 6 och 7 mm), så att uppmätta vatten vikter är från vatten främst i området av värmeledningsförmåga mätningar (mellan och runt sonderna). Detta säkerställer att förändringar i vattenmassan i marken är direkt relaterade till förändringar i resistensmätningar av sonderna. Slutligen, när du distribuerar dessa sonder i fältet, är det viktigt att ordentligt säkra sonderna till markytan (t. ex. med icke-ledande trädgård Stakes), som kommer att begränsa interferens i konduktans mätningar men kan se till att sensorerna inte flytta positionen och minska kvaliteten på långtidsmätningar.
Det är också viktigt att notera vissa begränsningar av dessa sensorer. Eftersom resistivitet sonderna är bara 5 mm lång, kan deras mätningar påverkas starkt av stora luftfyllda porutrymmen i substrat. Stora luft luckor längs sonderna minska anslutningen av substratet och i allmänhet leda till lägre uppmätt ledningsförmåga och därmed lägre beräknad vattenhalt, som inte kan vara reflekterande av den faktiska marken fukt över större skalor. På samma sätt kan den kemiska sammansättningen av jordar påverka markens fukt avläsningar. Högre salthalt kommer att öka ledningsförmågan och leda till högre Siemens värden21. Båda frågorna bör lösas med lämpliga substrat-specifika kalibreringar. Vissa jordar kan dock bibehålla kemiska skillnader eller ha stora porrum arkitektur som kan göra dem fattiga miljöer för dessa sensorer. Temperaturen påverkar också markens elektriska ledningsförmåga och måste därför betraktas som15. I framtiden bör Temperaturkalibreringar med dessa sensorer utföras för att avgöra hur temperaturen förändrar resistensen hos uppmätta substrat.
Liksom Biocrust wetness sonder som utvecklats av Weber et al.11, dessa sensorer kalibreringar visar att motståndet mätningar är tillförlitliga på medelhög vatteninnehåll, men att de upplever vissa avvikelser vid mycket hög och lågvatten innehåll (figur 6). Dessutom, under torr-Down kalibreringar, motstånd värden ibland läsa noll när det fortfarande fanns en del vatten som finns i underlaget provet. Detta kan bero på att mängden substrat i kalibrerings behållaren är något större än det område som mäts av sensorn. Om vatten var närvarande utanför resistivitet området, skulle sensorn läsa noll medan underlaget fortfarande hade fukt närvarande. Försiktighet har vidtagits för att minska substrat storlek utan att kompromissa motstånd mätningar. När vattenhalt ökar, resistens värden inom substratet minskar, vilket leder till högre Siemens utgångar. Men vid de högsta vatteninnehåll, resistens värden ökar med ökande vattenhalt. Detta leder till en “krok” i kalibreringsdata som visas i figur 1C. Denna krok var närvarande i varje substrat som används för kalibreringar men var mest framträdande i de fina sandjordar (figur 6). Weber et al.11 föreslår att en potentiell orsak till onormal resistens ökar vid höga vatteninnehåll är att ytterligare vatten späds joner i mättade jordar, vilket ökar motståndet.
Dessa sensorer är för närvarande beroende av befintliga multiplexer och data logger teknik. Multiplexer tillåter sensorer att vara “avstängd” och endast sänder en ström till sensorerna vid en programmerad tid. Detta förhindrar att jord fukt sensorns terminaler korroderar. Andra elektroniska företag tillhandahåller datalogger och multiplexer alternativ för sonderna, och programmerbara kretskort och datorer kan också införlivas för en trådlös design av jord temperatur och fukt sensorer, som kan representera en spännande framsteg.
Designa och bygga sensorer gör det möjligt för forskaren att anpassa sonderna. Längden och riktningen av stift kan manipuleras för att bättre bedöma fukt i olika medier eller på olika djup. Anpassade ledningar kan beställas för att möjliggöra konstruktioner med flera sensor huvuden som utgår från samma kabel. Med tillägg av billig dataloggning och multiplexer alternativ, dessa sensorer ger ett billigt och tillgängligt alternativ för forskare att mäta temperatur och markfuktighet på jordytan. Detta inkluderar mätning av svåra att fånga händelser, såsom frost och daggbildning (figur 8), och experimentella behandlingseffekter såsom uppvärmning (figur 7). Detta papper ger en steg-för-steg-guide för att bygga jordytan sensorer som samtidigt mäter temperatur och fukt, som kan användas och förfinas av alla som är intresserade av att bedöma miljön i biocrust samhällen och de surficial lagren av många andra jordtyper.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar Robin Reibold för hans noggranna bågsvetsning och Cara Lauria för hennes precision under kalibreringar. Vi är tacksamma för Dr Steve fick och tre anonyma granskare för deras hjälpsamma kommentarer om ett tidigare utkast till detta manuskript. Detta arbete stöddes av den amerikanska geologiska undersökningen land Change Science program och US Department of Energy Office of Science, kontoret för biologisk och miljömässig forskning terrestra ekosystem Sciences program (Awards 89243018SSC000017 och DESC-0008168). Arbetet av BW stöddes av den tyska forskning fundamentet (bidrag WE2393/2-1, 2-2), den Max Planck samhället och vid universitetar av Graz. All användning av handels-, firma-eller produktnamn är endast för beskrivande ändamål och innebär inte godkännande av den amerikanska regeringen.
Single sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004848 | Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR |
Double sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004635 | Cable; 2Pr; 22AWG; 7×30; 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 |