Summary
ان قياس درجه الحرارة والمحتوي المائي لاعلي 5 مم من سطح التربة بدقه يمكن ان يحسن فهمنا للضوابط البيئية علي العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية. هنا نقوم بوصف بروتوكول لتصنيع ومعايره واجراء القياسات مع درجه حرارة سطح التربة وأجهزه استشعار الرطوبة.
Abstract
ويعد قياس درجه الحرارة والرطوبة علي سطح التربة أمرا أساسيا لفهم كيفيه استجابه الكائنات الحيوية السطحية للتربة للتغيرات التي تطرا علي البيئة. ومع ذلك ، في سطح التربة هذه المتغيرات هي ديناميكية للغاية وأجهزه الاستشعار القياسية لا تقيس بوضوح درجه الحرارة أو الرطوبة في الملليمترات القليلة العليا من الملف الشخصي للتربة. تصف هذه الورقة طرقا لتصنيع أجهزه استشعار بسيطه وغير مكلفه تقيس في الوقت نفسه درجه الحرارة والرطوبة في الجزء العلوي الذي تبلغ مساحته 5 ملم من سطح التربة. بالاضافه إلى أجهزه الاستشعار البناء ، يتم شرح خطوات لمراقبه الجودة ، وكذلك للمعايرة لركائز مختلفه. وتتضمن أجهزه الاستشعار الحرارية من النوع E لقياس درجه الحرارة وتقييم رطوبة التربة عن طريق قياس المقاومة بين مسبارين معدنيين مطليين بالذهب في نهاية المستشعر بعمق 5 ملم. يمكن تغيير الطرق المعروضة هنا لتخصيص تحقيقات لأعماق مختلفه أو ركائز. وقد كانت هذه المجسات فعاله في بيئات متنوعة وعانيت أشهرا من الامطار الغزيرة في الغابات الاستوائية ، فضلا عن الإشعاع الشمسي المكثف في صحاري الولايات الجنوبية الغربية تظهر فعاليه هذه المستشعرات لتقييم الاحترار ، والتجفيف ، وتجميد سطح التربة في تجربه تغيير العالمية.
Introduction
والمستشعرات البيئية أدوات حاسمه لتقييم ديناميات النظم الايكولوجيه ورصدها وفهمها. درجه الحرارة والرطوبة هي المحركات الاساسيه للعمليات البيولوجية في التربة والتاثير علي النشاط والتكوين المجتمعي للكائنات الحية1،2. بالاضافه إلى ذلك, وقد تبين ان درجه الحرارة والرطوبة تؤثر علي توقيت ظهور الشتلات ومعدلات تحلل القمامة3,4,5. وفي النظم الايكولوجيه للأراضي الجافة ، غالبا ما تكون أسطح التربة غير المغطية بنباتات الاوعيه الدموية مغطاه بمجتمعات الطحالب والدجاج والبكتيريا الزرقاء المعروفة بقشره التربة البيولوجية (الشكل 1). هذه المجتمعات موجودة علي سطح التربة ونادرا ما تخترق أعمق من بضعة ملليمترات في التربة6. ويمكن لقشور التربة البيولوجية ان تؤثر بقوة علي استقرار التربة ، وتسرب المياه ، ومعدلات التبخر ، والبياض ، ودرجه الحرارة ، وركوب المغذيات ، والتربة والغلاف الجوي CO2 تبادل7،8،9. المقابل ، بالنسبة لبعض النظم ، يمكن لنشاط هذه المجتمعات السطحية ان يهيمن علي سمات التربة العامة ومعدلات العمليات المختلفة10. يمكن لأجهزه الاستشعار التي تركز بشكل واضح علي القياسات علي أعماق ضحلة ان تساعدنا علي فهم كيفيه تاثير درجه الحرارة والرطوبة سطحي علي إنبات البذور ، ومعدلات التحلل ، واستجابات الكائنات الحيوية السطحية للتربة ، فضلا عن العديد من وظائف النظام الايكولوجي الأخرى.
وقد أظهرت التطورات الاخيره في تكنولوجيا استشعار التربة اهميه القياسات المكانية الواضحة لفهم العمليات البيولوجية علي سطح التربة11،12. وتتضمن الطرق التقليدية لتحليل رطوبة التربة أجهزه استشعار توضع تحت سطح التربة وتدمج في الغالب القياسات عبر الأعماق. رطوبة التربة التي سجلتها هذه التحقيقات يمكن ان تساعد في إبلاغ فهمنا للضوابط البيئية علي كائنات التربة ، ولكن من المرجح ان يغيب العديد من الفروق التي تحدث علي سطح التربة. لقياس محتوي المياه بشكل واضح من الملليمترات القليلة العليا من التربة ، ويبر وآخرون طورت مؤخرا تحقيقات البلل الأحادي (BWP) التي تحدد رطوبة التربة عن طريق الموصليه الكهربائية من سطح التربة إلى عمق 3 مم11. باستخدام مستشعرات ويبر بالتزامن مع تحقيقات الرطوبة المتكاملة من 0 إلى 5 سم ، اظهر تاكر وآخرون اهميه أجهزه استشعار الرطوبة التي تركز علي الملليمترات القليلة العليا من سطح التربة. وعلي وجه الخصوص ، لم تسجل احداث الترسيب الصغيرة ، التي كانت ذات صله وثيقة بنشاط المجتمعات المحلية الاحاديه ، للمسابر المتكاملة البالغة 0-50 مم (اي 5 سنتيمترات) ، ولم تكتشفها سوي الوحدات الخاصة بالسكان12. والمستشعرات التي تركز علي الملليمترات القليلة العليا من التربة ضرورية لقياس احداث الرطوبة التي ليست كبيره بما يكفي للتسلل إلى السطح ولكنها كافيه للحث علي الاستجابات من الكائنات الحيوية علي السطح.
درجه حرارة سطح التربة هو عامل بيئي هام آخر يقود العمليات الفسيولوجية. ويمكن ان تكون درجات حرارة سطح التربة القابلة للحرارة متغيرة للغاية ، لا سيما في الأماكن النباتية التي يتعرض فيها سطح التربة غير المظلل لكميات كبيره من الإشعاع الشمسي. أيضا, درجه حرارة أكثر متغيرة في التربة سطح من عميقة في التربة مظهر13 أو الهواء14. علي سبيل المثال ، أظهرت تاكر وآخرون الحد الأقصى لدرجه حرارة سطح التربة السطحية من حوالي 60 درجه مئوية (13-72 درجه مئوية) التي تحدث علي مدي 24 ساعة فقط. وقد قيست درجات الحرارة هذه باستخدام المزدوجات الحرارية التي أدخلت 3 ملم في سطح التربة. في الوقت نفسه, قريبه درجه حرارة تحقيقات 50 [م] عميقة يقيس مدي من فقط 30 [ك] (22-52 [ك]) اثناء ال نفسه يوم12. وأظهرت المزدوجات الحرارية التي تقيس بوضوح درجه الحرارة علي سطح التربة تباينا اعلي بكثير من أجهزه الاستشعار في أعماق 50 مم ، حيث كانت التربة السطحية 10 درجات مئوية أبرد في الليل و 20 درجه مئوية أكثر دفئا خلال حرارة اليوم بالنسبة للقيم العميقة 50 مم.
درجه الحرارة يمثل السيطرة الحرجة علي العمليات الفسيولوجية. علي سبيل المثال ، في رطوبة التربة الثابتة في الظروف المختبرية ، CO2 الخسائر من التربة زيادة كبيره مع ارتفاع درجات الحرارة في معظم النظم الايكولوجيه2،15،16. المثل ، فقد أظهرت البيانات المستمدة من دراسات التلاعب بالمناخ الميداني التي تهدف إلى زيادة درجه حرارة المؤامرة بالنسبة للضوابط ان التربة الدافئة تطلق أكثر من2 من التربة غير المسخنة القريبة (علي الأقل في السنوات الاولي من العلاجات17و18). وقد ثبت ان كلا من درجه الحرارة والرطوبة لتكون المتغيرات البيئية الهامه وأجهزه الاستشعار التي يمكن ان تلتقط بدقه الظروف المناخية سطح التربة يمكن ان توضح كيف انها تؤثر علي العمليات الفسيولوجية للكائنات الحية في سطح التربة11,12.
وتقدم هذه الورقة أجهزه استشعار مصممه لقياس درجه الحرارة والرطوبة علي حد سواء إلى عمق 5 مم تحت سطح التربة ، مما يوفر قوه كبيره في تقييم كيفيه تفاعل هذه المتغيرات مع الاستجابات البيولوجية ودفعها من سطحي الكائنات الحيوية. يتكون الحرارية من نوع E من اثنين من المعادن (الكروميل والكونستانتان) ، والتغيرات في درجه الحرارة في المعادن خلق الفولتية المختلفة التي يتم تسجيلها من قبل مسجل البيانات. يقيس مستشعر رطوبة التربة المقاومة بين الشوكتين المعدنيتين المطليتين بالذهب. تتاثر المقاومة بمحتوي مياه التربة ، لان المزيد من المياه يزيد من التوصيل التالي يقلل من المقاومة بين الشوك. وبعد تصميم ويبر وآخرون11، تقيس هذه المستشعرات رطوبة التربة إلى عمق 5 ملم وتشمل بالاضافه إلى ذلك الحرارية لقياس درجه الحرارة علي نفس المسبار. تسمح هذه المستشعرات برؤية محسنه لكيفيه تغير ديناميات الحرارة والرطوبة في الحفل علي سطح التربة باستخدام مسبار واحد. وتوفر هذه التحقيقات فرصا لا تحصي لاستكشاف كيف تستجيب الكائنات الحية التي تعيش علي السطح للتغيرات في بيئتها. ومن الفوائد الاضافيه لأجهزه الاستشعار هذه انها بسيطه نسبيا وغير مكلفه للبناء والمعايرة ، وان الباحثين سيتمكنون بسهوله من اعتماد استخدامها.
يصف البروتوكول التالي بالتفصيل المواد والأساليب لبناء أجهزه الاستشعار ، بما في ذلك الخطوط العريضة لتوصيل أجهزه الاستشعار إلى البيانات الحطابين. وتستخدم هذه المجسات قاطعي الأشجار المتاحين تجاريا ، ولكن يمكن استخدام اي مسجل بيانات يمكن إرفاقه بمعدد الإرسال. كما توصف طرق معايره أجهزه الاستشعار لركائز الفائدة.
Protocol
1-أجهزه الاستشعار التحويلية
- قطع أطوال الكابلات المناسبة.
- تحديد المسافة القصوى من موقع مسجل البيانات إلى موضع المستشعر المطلوب. حساب لطول الكابل اضافيه اللازمة لانحناءات في كابل ، والعقبات ، والتعلق علي مسجل البيانات.
- قطع جميع الكابلات الحرارية ورطوبة التربة إلى هذا الحد الأقصى المطلوب طول. الاختلافات في طول الكابل قد يؤدي إلى مقاومه متغيرة بين أجهزه الاستشعار. يمكن تجنب هذه المشكلة عن طريق الحفاظ علي جميع أطوال كابل الاستشعار نفسه.
- اعداد كابل الحرارية.
- تجريد ستره كابل 4 − 5 سم من نهاية الكابل.
- تجريد المكشوفة حديثا ، والصغيرة القطر المروج 5 ملم من نهاية الأسلاك.
- القوس اللحام معا الأطراف المكشوفة من الأسلاك واختبار قوه اللحام الجديد عن طريق التجاذبات برفق علي الأسلاك للتاكد من انها لا تفصل.
تحذير: يجب استخدام خوذه لحام أو درع الوجه للحماية من الإشعاع المتولد عند لحام القوس. الحفاظ علي كل شيء في بيئة العمل الجافة لتجنب الصدمة المحتملة. العمل في منطقه جيده التهوية للحفاظ علي الابخره أو الغازات من منطقه التنفس الخاصة بك. - تراجع نصائح ملحومه قوس من الكابلات الحرارية في الشريط الكهربائي السائل لحماية الأسلاك المكشوفة. الشريط الكهربائي السائل يجب ان تغطي المعادن المكشوفة من الأسلاك وعلي الأقل 3 ملم من الاغلفه الأسلاك الصغيرة القطر.
تحذير: الشريط الكهربائي السائل لديه أبخره قابله للاشتعال يمكن ان تهيج الجهاز التنفسي. استخدمه في منطقه جيده التهوية بعيدا عن اللهب المكشوف. تجنب التعرض المباشر للعيون والجلد ، لان هذا يمكن ان يسبب تهيج. - السماح للشريط الكهربائية السائل لتجف لمده 4 ساعات تقريبا أو وفقا لتوجيهات الشركة المصنعة.
- قطع قطعه من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب التي هي طويلة بما يكفي لتغطيه الشريط الكهربائي السائل علي المساحات الصغيرة القطر وعلي الأقل 1 سم من ستره الكابلات الحرارية (ما يقرب من 6 سم طويلة). ادراج الأسلاك في أنبوب يتقلص الحرارة وتحريك الأنبوب مره أخرى علي ستره الكابل. الانتظار لتطبيق الحرارة حتى خطوه لاحقه (الخطوة 1.5.3).
- اعداد كابل رطوبة التربة.
- تجريد ستره كابل 5 سم من نهاية الكابل.
- قطع الأسلاك الارضيه (لا غمد) قباله في ستره كابل حتى لا يتعرض وراء ستره.
- تجريد 1 سم من العبوات الداخلية الصغيرة القطر من نهايات أسلاك رطوبة التربة.
- تحريف المعادن المكشوفة من كل سلك لتعزيز خيوط صغيره.
- القصدير خيوط الملتوية الصغيرة من خلال تطبيق لحام علي المعادن المكشوفة في نهاية كل سلك.
تحذير: ينبغي توخي الحذر عند استخدام الاداات الساخنة للغاية اللازمة لحام. اللحام في المناطق جيده التهوية وارتداء العين المناسبة وحماية الجلد. - قطع قطعه من 0.38 في (~ 10 ملم) الحرارة يتقلص الأنابيب التي هي 1 سم أطول من المسافة من حيث تم تجريد ستره كابل إلى نهاية الأسلاك المعلبة. وضع هذا الأنبوب علي كل من الأسلاك والانزلاق عليه مره أخرى علي ستره كابل لإصلاح في مكان في خطوه لاحقه.
- قطع قطعتين 1.5 سم من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب ووضع واحد علي كل سلك. لا تسخن هذه حتى كنت قد ملحوم السلك إلى شريط ماخذ الشقين.
- تطبيق تدفق لحام لحشود من شريط ماخذ الشقين.
- لحام نهايات المعلبة من السلك إلى نهايات قطاع ماخذ الشق اثنين. كن حذرا للحفاظ علي نهايات اثنين منفصلة بحيث لا تلمس.
- نقل قطعتين من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب إلى قاعده شريط ماخذ الشقين بحيث يتم تغطيه جميع الأجزاء المعدنية. استخدام بندقية الحرارة للانضمام إلى أنابيب يتقلص الحرارة ، مع الحرص علي عدم ارتفاع درجه الحرارة وتذوب لحام تحت الأنابيب.
- نقل 0.38 في (~ 10 ملم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص أنبوب إلى 1 ملم من نهاية قطاع ماخذ الشقين بحيث انه يغطي قطاع ماخذ ، والأسلاك الصغيرة القطر ، وبعض من ستره كابل. استخدام بندقية الحرارة لإصلاح هذا أنبوب يتقلص الحرارة في المكان.
- تغيير قطاع المحطة الطرفية لرئيس جهاز الاستشعار.
- لتعديل قطاع المحطة الطرفية ثمانيه الشق ، وتوجيه الشريط بحيث يتم التقويس اعلي الشوك بعيدا عن العرض. استخدام قصاصات الأسلاك لقطع الثانية والرابعة والسابعة والشوك من اليسار فقط تحت شريط الاتصال البلاستيك الأسود (الشكل 2).
- قياس 5 ملم تحت شريط الاتصال البلاستيك الأسود وعلامة الثالثة والخامسة والسادسة الشوك من اليسار في 5 ملم. قص هذه الشوك في علامة 5 ملم. ويمكن تعديل هذا الطول لتناسب الاسئله البحثية المختلفة.
- تجميع رئيس الاستشعار.
- قطع قطعتين 1 سم من 0.5 في (~ 13 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب والشريحة واحد علي كل من الكابلات الحرارية ورطوبة التربة.
- نقل نهاية ملحومه قوس من الأسلاك الحرارية علي راس الشق الثالث قص بحيث يتم توجيه غيض من الحرارية مع نهاية الشق المقطوع. ثني الأسلاك حتى انها تتبع المنحني العلوي من الشق.
- الشريحة 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص أنبوب (من الخطوة 1.2.6) فوق الجزء المنحني من الشق والأسلاك الحرارية. تحقق من ان أنبوب يتقلص الحرارة هو أيضا تغطي جزءا من ستره الكابلات الحرارية واستخدام بندقية الحرارة للالتزام أنبوب يتقلص الحرارة في المكان. الضغط علي جزء من أنبوب يتقلص الحرارة التي هي علي الشق المنحني مع الأصابع لتامين ذلك.
- ادراج نهايات المنحني العلوي من شوكات 5 و 6 في قطاع ماخذ التوصيل اثنين من الشق (الشكل 2).
- نقل اعلي 0.5 في (~ 13 ملم) قطعه من الرطوبة ختم الحرارة يتقلص أنبوب نحو رئيس الاستشعار بحيث يتم وضعها حوالي 1 سم من الراس. استخدام بندقية الحرارة للتقيد بها في مكان ، مع الحرص علي الحفاظ علي شريط ماخذ متصلة بحزم إلى شوكات 5 و 6 والأسلاك الحرارية علي الشق 3.
- استخدام بندقية الحرارة للتقيد الأخرى 0.5 في (~ 13 ملم) قطعه من الرطوبة ختم الحرارة يتقلص أنابيب بضعة سنتيمترات وراء قطعه السابقة من الحرارة يتقلص الأنابيب.
- تطبيق الشريط الكهربائي السائل لجميع جوانب السلك الحراري والشق 3.
- تطبيق الشريط الكهربائية السائلة علي جميع جوانب اتصال شريط ماخذ ضمان ان يتم تغطيه جميع المعادن المكشوفة. ومع ذلك ، لا تغطي الشوك المقطوع بحجم 5 ملم المرتبط بهذا الاتصال (الشكل 3).
2. توصيل أجهزه الاستشعار إلى مسجل البيانات والمعدد
ملاحظه: يجب استخدام أجهزه الاستشعار هذه مع تعدد الإرسال المتصل بمسجل بيانات. جميع الخطوات في هذا البروتوكول هي للاستخدام مع مسجل البيانات والمعدد المدرجة في جدول المواد (والبيانات الأخرى التي ستعمل أيضا). في كل وقت القياس ، ومسجل البيانات يفتح الاتصالات إلى معدد الإرسال ، والتي ، بدورها ، بمثابه تتابع ويسمح الحالية للتدفق إلى جهاز استشعار المقاومة.
- قم بتوصيل معدد الإرسال بمسجل البيانات باستخدام الأسلاك الصوتية. قم بتوصيل منفذ COM علي مسجل البيانات إلى منفذ RES علي معدد الإرسال. قم بتوصيل منفذ COM منفصلة علي مسجل البيانات إلى منفذ CLK علي معدد الإرسال. قم بتوصيل منافذ G و 12 V علي مسجل البيانات إلى المنافذ GND و 12 V علي معدد الإرسال علي التوالي.
- إنشاء مقسم الجهد علي المسجل البيانات عن طريق ربط من خلال ثقب 1 kΩ ± 0.1 ٪ المقاوم بين منفذ VX ومنفذ H الفرق علي مسجل البيانات.
- ربط اثنين من الأسلاك الصوتية مع الأرض من هذا الفاصل الجهد إلى معدد الإرسال. توصيل سلك من نفس المنفذ H الفرق التي يتم توصيل الفاصل الجهد علي مسجل البيانات إلى المنفذ COM الغريب L علي معدد الإرسال. تاكد من ان السلك الآخر يربط المنفذ الأرضي علي مسجل البيانات إلى منفذ COM الغريب H علي معدد الإرسال. تاكد من ان السلك الأرضي يربط الأرض من مسجل البيانات إلى الأرض علي معدد الإرسال.
- قم بتوصيل السلك الحراري من النوع E بمسجل البيانات ومعدد الإرسال. السلك الأرجواني يربط المنفذ الفرق 1 H علي مسجل البيانات إلى منفذ COM حتى H علي معدد الإرسال. السلك الأحمر يربط المنفذ الفرق 1 L علي مسجل البيانات إلى منفذ COM حتى L علي معدد الإرسال. تاكد من ان السلك الأرضي يتصل بأرضيه علي كل من مسجل البيانات والمعدد.
- تغيير تعدد الإرسال إلى وضع 4 × 16.
- توصيل أجهزه الاستشعار إلى معدد الإرسال. كابلات الصوت رطوبة التربة الاتصال الموانئ الفردية مع السلك الأسود إلى H والسلك الأحمر ل L. الأسلاك الحرارية الاتصال إلى الموانئ حتى مع الأسلاك الأرجواني إلى H والسلك الأحمر إلى L. ترتيب الأسلاك الحرارية أمر حاسم للقياسات السليمة.
3. اختبار أجهزه الاستشعار
- لحام نهايات المقاوم الفيلم إلى شوكات علي موصل مقبس اثنين من الشق باستخدام الرصاص لحام والتمويه لحام.
- قم بتوصيل جميع أجهزه الاستشعار ليتم اختبارها علي معدد الإرسال.
- اضبط برنامج تسجيل البيانات لمسح كل 30 ثانيه ، أو للتردد المفضل لمسح أجهزه الاستشعار المتعددة.
- لأجهزه الاستشعار الرطوبة ، ووضع موصل ماخذ مع المقاوم الفيلم علي شوكات 5 و 6 من جهاز الاستشعار وتسجيل البيانات من مسجل البيانات.
- وضع المقاوم علي كل جهاز استشعار للتاكد من انها تعطي جميع القراءة نفسها.
- مراقبه البيانات الحرارية للتاكد من انها تستشعر درجات حرارة مماثله.
- لأجهزه استشعار درجه الحرارة ، ضع نهاية الحرارية بين اصبعين للتاكد من تغيير درجات الحرارة وفقا لذلك.
4. معايره أجهزه الاستشعار
ملاحظه: يصف هذا القسم العملية المتعلقة بإنتاج أجهزه الاستشعار لترطيب التربة.
- تصنيع راس مستشعر المعايرة.
- تجريد 12 سم من ستره من كابل رطوبة التربة.
- أزاله التدريع إحباط من الأسلاك.
- قطع طول 10 سم من كل من الأسلاك الداخلية صغيره القطر رطوبة التربة.
- تجريد حوالي 1 سم من غمد قباله كلا الطرفين من كل سلك.
- تويست الأسلاك الصغيرة علي كل من نهايات والقصدير لهم لحام الحديد.
- تعديل قطاع المحطة الطرفية ثمانيه الشق إلى نفس المواصفات مثل الخطوات 1-4-1 و.
- تطبيق تدفق لحام إلى المنحنيات العليا من شوكات 5 و 6.
- لحام الأسلاك إلى المنحنيات العليا من شوكات 5 و 6 علي قطاع المحطة الطرفية ثمانيه الشق.
- كليب اثنين من الشوك الخارجي من شرائط محطه ثمانيه الشق إلى 5 ملم.
- وضع قطعه 2 سم من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب علي كلا الأسلاك.
- التمسك القطع يتقلص الحرارة بالقرب من رئيس جهاز الاستشعار تعديل قدر الإمكان.
- وضع اثنين من القطع 2 سم من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب علي كلا الأسلاك ، واحد علي كل سلك. الانتظار للتقيد بها في مكان في خطوه لاحقه.
- قطع اثنين من الحشود المتوسطة الطويلة من قطاع محطه أربعه الشق إلى 1 سم.
- تطبيق تدفق لحام إلى نهايات منحنيه اعلي من الشوك الأوسط علي قطاع المحطة الطرفية أربعه الشق.
- لحام نهايات حره من كلا الأسلاك إلى قطع الشوك من قطاع المحطة الاربعه الشق بحيث الأعلى أربعه الشوك المنحنية التي تواجه بعيدا عن رئيس جهاز الاستشعار المعدلة (الشكل 4).
- نقل الحرارة التي وضعت سابقا الرطوبة ختم يتقلص حتى قاعده القطاع الطرفي الاربعه الشق وتسخينه في مكانه.
- اعداد كابل رطوبة التربة للمعايرة.
- قطع كابل رطوبة التربة الذي هو نفس طول أجهزه الاستشعار المستخدمة في الميدان.
- تجريد ستره من الكابل إلى 5 سم من النهاية.
- قطع الأسلاك الارضيه (لا غمد) قباله في ستره كابل حتى لا يتعرض وراء ستره.
- تجريد 1 سم من قطرات الأسلاك الصغيرة من نهايات الأسلاك رطوبة التربة.
- تحريف المعادن المكشوفة من كل سلك لتعزيز خيوط صغيره.
- القصدير خيوط الملتوية الصغيرة من خلال تطبيق لحام علي المعادن المكشوفة في نهاية كل سلك.
- قطع 6 سم قطعه من 0.38 في (~ 10 ملم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب ، وضعه علي كل من الأسلاك ، والانزلاق مره أخرى علي ستره كابل للانضمام اليها في خطوه لاحقه.
- قطع قطعتين 1.5 سم من 0.13 في (~ 3.3 mm) الحرارة يتقلص الأنابيب ووضع واحد علي كل سلك. لا تقم بتطبيق الحرارة حتى يتم ملحوم السلك إلى شريط ماخذ الشقين.
- تطبيق تدفق لحام لحشود من شريط ماخذ الشقين.
- لحام نهايات المعلبة من السلك إلى نهايات قطاع ماخذ الشق اثنين. كن حذرا للحفاظ علي نهايات اثنين منفصلة بحيث لا تلمس.
- نقل قطعتين من 0.13 في (~ 3.3 مم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص الأنابيب إلى قاعده شريط ماخذ الشقين بحيث يتم تغطيه جميع الأجزاء المعدنية. استخدام بندقية الحرارة للانضمام إلى أنابيب يتقلص الحرارة في المكان ، مع الحرص علي عدم ارتفاع درجه الحرارة وتذوب لحام تحت الأنابيب.
- نقل 0.38 في (~ 10 ملم) الرطوبة ختم الحرارة يتقلص أنبوب (من الخطوة 4.2.7) إلى 1 ملم من نهاية قطاع ماخذ الشق اثنين بحيث انه يغطي قطاع ماخذ ، والأسلاك الصغيرة القطر ، وبعض من ستره كابل. استخدام بندقية الحرارة للانضمام إلى أنبوب يتقلص الحرارة في المكان.
- إنشاء حاويه التربة المعايرة (الشكل 5).
- قطع 50 mL البولي بروبيلين القابل للتصرف أنبوب الطرد المركزي 4 سم من اعلي الغطاء. وهذا سيخلق أنبوب مع فتحه في نهاية واحده وغطاء قابل للازاله من جهة أخرى.
- استخدم قطعه مثقاب لحفر ثقب 2.5 سم في وسط الغطاء. بت المثقاب خطوه سهله الاستخدام وفعاله.
- قطع اثنين من الشقوق العمودية 6 مم بصرف النظر ، بدءا من نهاية مفتوحة من الأنبوب وتمتد إلى أسفل الغطاء. استخدام قطع عمودي في الجزء السفلي من الغطاء لربط الشقوق اثنين وأزاله الشريط البلاستيكي (الشكل 5). وهذا سيخلق فجوه كبيره بما فيه الكفاية لادراج أسلاك راس الاستشعار.
- قطع قطعه دائريه قطرها 6 سم من القماش البولي بروبلين شبكه. وضع الشبكة بين الغطاء والأنبوب والمسمار علي الغطاء.
- ادراج قطاع المحطة الطرفية ثمانيه الشق من رئيس جهاز استشعار المعايرة في الأنبوب بحيث الأسلاك تنزلق إلى أسفل الفجوة التي تم إنشاؤها في الخطوة 4.3.3.
- شريط الحشود أطول من القطاع الطرفي الاربعه الشق إلى جانب الطرف المفتوح من الأنبوب بحيث تكون الشوكات العلوية التي تواجه بعيدا عن الأنبوب ويمكن بسهوله ان تكون متصلا شريط ماخذ الشقين من كابل المعايرة (الشكل 5).
- وضع الحاوية مع رئيس الاستشعار المرفقة في فرن تجفيف 60 درجه مئوية ل 48 h لأزاله اي رطوبة.
- معايره الاستشعار والتربة.
- تزن حاويات المعايرة الفارغة والمجففة بالفرن إلى جانب راس مستشعر المعايرة علي توازن مع دقه 0.0001 جرام. سيتم استخدام هذا القياس لحساب المحتوي المائي الوزني (GWC) في خطوه لاحقه.
- اجراء المعايرة في بيئة يمكن ان تحافظ علي درجه حرارة ثابته.
- اعداد التربة البيوقراطيه للمعايرة.
- أزاله غطاء أنبوب المعايرة واستخدام نهاية مترابطة كقالب لقطع قطعه من البيووكريست من نفس القطر. يجب ان يبقي الشخص في الأنبوب عند سحبه ولكنه قد يحتاج إلى بعض المساعدة لإبقاءه في الأنبوب.
- باستخدام اصبع ، دفع العينة البيووكريست من نهاية قطع الأنبوب بحيث 3-5 مم من الأعلى من البيووكريست تبقي في الأنبوب. كشط اي التربة الزائدة التي يتم دفعها للخروج من نهاية مترابطة من الأنبوب بحيث الجزء السفلي من البيووكريست هو دافق مع الجزء السفلي من الأنبوب.
- وضع شبكه البولي بروبيلين قطرها 6 سم علي نهاية مترابطة ، تحت بيووكريست ، والمسمار الغطاء علي ضيق.
- بلل عينه biocrust وإصلاح بلطف رئيس جهاز الاستشعار في الأعلى من الركيزة بحيث يتم دفن الشوك تماما. قد تحتاج الأسلاك إلى ان تكون عازمه للتاكد من ان رئيس أجهزه الاستشعار لا تزال في مكانها ولا تتحرك اثناء المعايرة.
- اعداد التربة المعدنية للمعايرة.
- جمع التربة من الجزء العلوي 5 مم في المنطقة حيث سيتم وضع أجهزه الاستشعار.
- استخدام غربال 2 ملم لأزاله الصخور الكبيرة والمواد العضوية من التربة.
- تاكد من مشدود الغطاء علي ضيق مع شبكه البولي بروبيلين قطرها 6 سم ثابته بين الغطاء والأنبوب.
- مكان ينخل التربة في حاويه المعايرة بحيث يغطي الجزء السفلي من الحاوية إلى عمق 6 ملم.
- بلل عينه التربة وإصلاح بلطف رئيس الاستشعار في الأعلى من الركيزة بحيث يتم دفن الشوك تماما. قد تحتاج الأسلاك إلى ان تكون عازمه علي ضمان بقاء رئيس أجهزه الاستشعار في مكانها ولا تتحرك اثناء المعايرة.
- تشبع الركيزة (بيووكريست أو التربة) مع الماء منزوع الأيونات حتى تكون طبقه المياه اللامعة مرئية علي السطح.
- دع الركيزة المشبعة تجف بين عشيه وضحيها.
- قبل البدء في اي قياسات ، تاكد من ان راس المستشعر لا يزال في مكانه وان الشوك مدفون بالبالكامل في الركيزة.
- تشبع الركيزة مع الماء منزوع الأيونات حتى طبقه لامعه مرئية علي السطح.
- تجفيف الركيزة لمده 15 دقيقه.
- قم بتوصيل شريط ماخذ التوصيل ثنائي الشق من كابل رطوبة التربة المعايرة إلى الداخلية اثنين من الشوك من القطاع الطرفي الاربعه الشق.
- برنامج مسجل البيانات لتسجيل القياسات في كل دقيقه.
- قم بتشغيل مسجل البيانات لبدء جمع قياسات المقاومة.
- ضع مروحة لنفخ الهواء برفق فوق حاويه المعايرة عندما لا يتم تسجيل الأوزان لتعزيز التجفيف.
- الرطب الركيزة مع الماء منزوع الأيونات حتى لمعان مرئية علي السطح.
- وضع حاويه المعايرة مع التربة الرطبة علي منشفه ورقيه لامتصاص الماء يقطر.
- افصل سلك رطوبة التربة المعايرة من قطاع المحطات الاربعه الشق.
- اضغط برفق علي الحاوية لطرد الماء يقطر.
- قم بإيقاف تشغيل المروحة قبل وضع حاويه المعايرة علي الميزان.
- ضع الحاوية علي الميزان وسجل الوزن ووقت القياس.
- أعاده توصيل سلك رطوبة التربة إلى القطاع الطرفي الاربعه الشق.
- ضع حاويه المعايرة مره أخرى علي منشفه الورق.
- قم بتشغيل المروحة لتسريع التجفيف.
- سجل الأوزان كل 15 دقيقه حتى الركيزة قد جفت تماما الهواء. ويشار إلى التجفيف الكامل بالقليل أو بدون تغيير في أوزان حاويه المعايرة بين القياسات.
- مكان حاويه المعايرة ، والمعايرة رئيس الاستشعار ، والركيزة في 60 درجه مئوية فرن التجفيف لمده 48 ساعة.
- تزن الركيزة المجففة في الفرن ، والحاويات ، ورئيس الاستشعار.
- تحليل بيانات معايره المستشعر.
- احسب وزن الركيزة الجافة عن طريق طرح وزن حاويه المعايرة الجافة المحددة في الخطوة 4.4.1 من وزن حاويه المعايرة الجافة مع الركيزة المحددة في الخطوة 4.4.34.
- حساب وزن الماء لكل نقطه زمنيه 15 دقيقه أو المعايرة عن طريق طرح الوزن حاويه المعايرة الجافة مع الركيزة (خطوه 4.4.34) من الأوزان المسجلة كل 15 دقيقه.
- حساب GWC لكل نقطه زمنيه 15 دقيقه عن طريق تقسيم أوزان المياه (الخطوة 4.5.2) بواسطة وزن التربة الجافة (4.5.1).
- تطابق مرات قياس المقاومة إلى GWC من كل نقطه زمنيه 15 دقيقه تحدد في الخطوة 4.5.3.
- تحديد منحني المعايرة من تحليل الانحدار مع GWCs كمتغيرات تابعه وسيمنز كمتغيرات مستقله (الشكل 6). قد تكون أنواع المنحنيات المختلفة (الخطية ، الطاقة ، اللوغاريتمية) هي الأكثر ملاءمة لمعايره الركائز المختلفة.
Representative Results
ويعد تقييم المناخ الصغير لسطح التربة أمرا أساسيا لفهم العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية التي تحدث هناك والتنبؤ بها. وتوفر هذه التحقيقات فرصا قويه لرصد المناخ الجزئي في الطبقة السطحية جدا من ملامح التربة ، التالي فهي قيمه لتقييم النشاط البيولوجي الذي يحدث في الملليمترات القليلة الاولي من التربة11،12. وقد تم تطوير هذه التحقيقات وصقلها لتقييم الضوابط علي نشاط قشره التربة البيولوجية لان درجه الحرارة والرطوبة في البيوكريوست يمكن ان تكون حاسمه بالنسبة لوظيفتها2،8،10،12،15. ومع ذلك ، في حين تم تطوير هذه التحقيقات للتربة الضوئية في الأراضي الجافة ، هناك إمكانات قويه لتنفيذها في مجموعه واسعه من النظم ، وكذلك لتقييم كيف تختلف درجه الحرارة والرطوبة علي طول ملامح عمق التربة. فعلي سبيل المثال ، تم نشر أجهزه الاستشعار هذه في تجربه لاحترار الغابات المدارية للتاكد من كيفيه تفاعل المعالجات الاحترار والتغير الطبيعي في المناخ لتحديد الاختلافات في عمليات التربة ودرجه الحرارة والرطوبة.
ومع ذلك ، هناك بعض الاعتبارات الرئيسية قبل تنفيذ أجهزه استشعار سطح التربة. علي سبيل المثال ، يجب تطوير منحنيات المعايرة لتحويل وحدات المقاومة إلى مقاييس أكثر استخداما لرطوبة التربة ، مثل GWC. يقيس مستشعر سطح التربة المقاومة بين الشوك المعدنية والمخرجات الموصلة (معكوس المقاومة) في سيمنز (1/أوم). التالي ، يجب ان يتم التحويل من سيمنز إلى رطوبة التربة. ويمكن ان يؤثر عدد من الخواص الكيميائية والفيزيائية لركيزة التربة علي العلاقة بين قراءات الاستشعار الموصلة في سيمنز ورطوبة التربة. ولذلك فمن الاهميه بمكان اجراء معايرات خاصه بالركيزة لتحويل قراءات المسبار إلى قيم رطوبة التربة. يتم عرض بيانات المعايرة من ثلاث ركائز تبين هذه الاختلافات.
ويصور الشكل 6 بيانات المعايرة الجافة لعينين لكل من ركائز التربة الثلاث ، ولكل منها مسبار خاص بها. وكانت الركائز مشبعه تماما حتى تكون كميه صغيره من الماء مرئية علي السطح. تم قياس مقاومه المسبار وأوزان التربة كل 15 دقيقه حتى تجف جميع العينات. واستخدمت في وقت لاحق كتله التربة لحساب GWC. ويبين الشكل 6 تراجع الموصلات والمياه الصالحة لكل عينه. وتشمل الركائز المستخدمة لهذه المعايرة التربة الطينية (23 ٪ الرمل ، 64 ٪ الطمي ، و 13 ٪ من الطين) التي تم جمعها في محطه ميدانيه تجريبية في الغابات الوطنية El Yunque ، بورتوريكو. [موس-هيمن] [بيوروستس] يجمع قرب قصر واد, [يوتا]; والتربة الرملية الجميلة (92 ٪ الرمل ، 3 ٪ الطمي ، و 5 ٪ من الطين) من المؤامرات الاحترار التجريبية بالقرب من مؤب ، يوتا.
ويتجلى الحاجة إلى معايره الاستشعار الركيزة الخاصة من خلال الاختلاف في المسبار التحقيق ورطوبة التربة لكل ركيزة. فعلي سبيل المثال ، كانت تراجع عينات التربة الطينية (الشكل 6ا) متميزة عن الطبقتين الأخريين من ركائز التربة. ولذلك ، فان تطبيق معادله الانحدار من التربة الطينية الطينية إلى الطحلب البيووكريست ، أو العكس ، سيؤدي إلى قيم مختلفه بشكل كبير. ومن ناحية أخرى ، كانت العلاقة بين الشركة والمسبار المقاوم للتربة الرملية الناعمة (الشكل 6ج) والطحلب بيووكريست (الشكل 6ب) متشابهة. ومع ذلك ، فان التربة الرملية الناعمة لم تكن قادره علي عقد الكثير من المياه كما الطحلب وشهدت بالمقابل التجفيف أسرع بكثير. كما ان هناك اختلاف داخل ركائز ، فمن المهم ان يكون حجم عينه كبيره بما يكفي لإنتاج منحني معايره دقيقه وإنشاء منحنيات المعايرة الفردية لجميع المواقع.
وفي بيئة تجريبية ، استخدمت أجهزه استشعار سطح التربة هذه لتقييم الآثار العلاجية لدراسة التلاعب بالمناخ بالقرب من مؤبي ، يوتا ، الولايات الامريكيه. استخدمت هذه الدراسة مصابيح الاشعه تحت الحمراء لزيادة درجه الحرارة المحيطة من المؤامرات بنسبه 4 درجه مئوية في نفس الموقع ومع أساليب مماثله وصفتها Wertin et al.17. ويبين الشكل 7 متوسط درجه الحرارة والمياه الساخنة من مؤامرات التدفئة والسيطرة لاثنين من الاحداث المطيرة المنفصلة التي وقعت في أوائل أيار/مايو 2018. وكان متوسط درجات الحرارة في الأراضي الدافئة اعلي باستمرار من متوسط درجات الحرارة في قطع المراقبة (الشكل 7ا). علي مدي هذه الاحداث المطر اثنين من أجهزه الاستشعار المقاومة في المؤامرات الساخنة سجلت رطوبة التربة اقل من الضوابط والمؤامرات ساخنه جفت بسرعة أكبر (الشكل 7ب). وتجدر الاشاره إلى ان الزيادات في درجه الحرارة يمكن ان تؤدي إلى زيادة الموصليه التربة التي يجب ان تمثل19. وقد سمحت حساسية كل من مكونات درجه الحرارة والرطوبة في هذه المستشعرات السطحية للتربة لنا بعدم ملاحظه الاختلافات في درجه الحرارة في المعالجة الحرارية فحسب ، بل أيضا كيف أثرت علي ديناميات الرطوبة في المؤامرات.
وخضعت تفاعلات درجه الحرارة والرطوبة لمزيد من التحقيق في دراسة رصد باستخدام هذه المستشعرات السطحية للتربة لتحليل توقيت توافر الرطوبة في المبيدات الحيوية اثناء ظروف التجمد والذوبان في هضبة كولورادو بالولايات الامريكيه. ووضعت أجهزه الاستشعار في اعلي 5 ملم من المبيدات الحيوية التي كانت تتالف في المقام الأول من الطحلب Syntrichia caninervis، وسجلت درجه الحرارة السطحية والرطوبة خلال أشهر كانون الثاني/يناير وشباط/فبراير 2018. عندما كانت درجات الحرارة اقل من 0 درجه مئوية ، تم تجميد الرطوبة علي سطح الطحلب ، والقيم الناتجة الاستشعار التوصيل تتوافق إلى 0 ٪ GWC (الشكل 8). ومع ذلك ، كما تجاوزت درجات الحرارة 0 درجه مئوية ، ذاب الصقيع علي سطح الطحلب والمياه السائلة المسجلة علي جهاز استشعار المقاومة. وفي هذه الحالة ، أظهرت القياسات المتزامنة لدرجه الحرارة والرطوبة كيف تفاعلت المتغيرات مع العمليات البيولوجية التي يحتمل ان تؤثر علي الكائنات الحية الموجودة علي سطح التربة.
الشكل 1: المناطق الاحيائيه الصدئة علي هضبة كولورادو ، الولايات الامريكيه. في العديد من النظم الايكولوجيه الصحراوية غالبا ما يتم تغطيه المسافات بين النباتات مع المجتمعات المحلية التي تتكون من الدجاج ، الطحالب ، والبكتيريا الزرقاء. تم وضع اثنين من درجه حرارة التربة وأجهزه الاستشعار الرطوبة في السطح من الطحلب البيوكريست. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: قطع القطاع الطرفي الثماني الشق. ويوجه الشريط الطرفي المطلي بالذهب مع القمم المنحنية العلوية التي تواجه بعيدا. يتم ترقيم الشوك من 1 إلى 8 ، بدءا من اليسار والتحرك إلى اليمين. يتم قطع الشوك 2 ، 4 ، و 7 دافق مع الجزء السفلي من البلاستيك الأسود. يتم قطع الشوك 3 ، 5 ، و 6 في 5 ملم تحت البلاستيك الأسود. الشق 3 يستقر الأسلاك الحرارية قوس ملحومه ، في حين يتم قياس المقاومة بين الشوك 5 و 6. هذه وظيفة الاستشعار رطوبة التربة. [برونغس] 1 و 8 خدمت ك[هولصوم] في التربة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الانتهاء من رئيس الاستشعار. يتم تغطيه راس المستشعر المعدل والكابل الحراري بالشريط الكهربائي السائل. من المهم للحفاظ علي شوكات 5 و 6 (استشعار الرطوبة) نظيفه وغير المغلفة مع الشريط الكهربائي السائل لضمان عدم وجود التلوث التي من شانها ان تؤثر علي قياسات المقاومة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: راس مستشعر المعايرة. وملحوم الشريط الطرفي أربعه الشق إلى الأسلاك بحيث انه يواجه بعيدا عن راس الاستشعار المعدلة. يتم إصلاح الرطوبة ختم الانكماش الحراري في مكان قريب من شرائط المحطة الطرفية لمنع المتبادل بين الأسلاك. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: حاويه المعايرة وراس المستشعر. يتم تسجيل قطاع المحطة الطرفية الاربعه الشق إلى الحاوية والموجهة بحيث يمكن بسهوله ان تكون متصلا إلى قطاع ماخذ التوصيل اثنين من الشق. يسمح هذا الموضع بوضع راس المستشعر في الشق المقطوع وتثبيته في ركيزة الفائدة. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: معايره أجهزه الاستشعار لثلاث ركائز للتربة. تمت مقارنه النسب المئوية للمحتوي المائي المحسوب (GWC) ، التي تم تحديدها من خلال قياس كتله التربة اثناء الطبقة السفلية الجافة ، بقيم موصله لاستشعار التربة من المجسات (مقيسة في سيمنز). البيانات المعروضة هي لعينين من كل من ثلاث ركائز التربة المتميزة. وكانت ركائز التربة (ا) تربه الطمي الطيني ، (ب) الطحالب الدقيقة ، و (ج) تربه رملية ناعمه. (ا) ان العلاقة بين التربة والقيم الموصلة للتربة التي يغلب عليها الطمي الطيني هي الأفضل تمثيلا بانحدار السلطة. (ب) لوحظ وجود علاقة خطيه قويه بين الغاز الإحيائي الإحيائي وجهاز الاستشعار بالنسبة للمبيدات الحيوية التي يهيمن عليها الطحلب syntrichia caninervis. (ج) ويمثل الانحدار الخطي علي أفضل وجه العلاقة بين الغاز وقياسات الاستشعار في التربة الرملية الدقيقة. وفي الارتفاع الكبير لقيمه الطاقة الكهربية ، تختلف قيم التوصيل عن منحني المعايرة ، مما يشير إلى وجود حد محتمل لأجهزه الاستشعار عندما تكون التربة مشبعه. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: درجه الحرارة ومحتوي المياه الوزني مع العلاجات الميدانية الاحترار الاشعه تحت الحمراء. متوسط درجه حرارة سطح الساعة و GWC سجلت في فواصل 10 دقيقه في 5 والمؤامرات السيطرة 5 علي مدي 4 أيام. البيانات هي من تجربه التغيير العالمي في النظام الايكولوجي السهوب شبه القاحلة علي هضبة كولورادو, USA17. وتبين البيانات ان أجهزه استشعار سطح التربة استولت علي اثار العلاج. (ا) كان متوسط درجات الحرارة علي سطح التربة اعلي باستمرار في الأراضي التي تم تسخينها. (ب) كانت اثار الاحترار واضحة أيضا في قيم المياه الجافة ، مما يدل علي ان التربة التي ارتفعت فيها المؤامرة حافظت علي أوقات تجفيف أسرع. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: درجه حرارة الطحالب والمحتوي المائي الوزني اثناء احداث الصقيع. متوسط درجه الحرارة السطحية و GWC من أربع نسخ متماثلة من المبيدات الحيوية Syntrichia الطحلب المسجلة في فترات 10 دقيقه من 9:50 صباحا يناير 24, 2018 إلى 11:20 am يناير 25, 2018. ويتم تمثيل ساعات الليل في المنطقة المظللة الرمادية وساعات النهار في المناطق غير المظللة. عندما جمدت المياه في شكل الصقيع علي سطح الطحلب ، لم يكن هناك التوصيل تقاس بواسطة جهاز الاستشعار. التالي ، كان GWC 0. وقد وقعت ظروف التجمد بعد حلول الليل بفترة وجيزة حيث انخفضت درجه حرارة التربة إلى اقل من 0 درجه مئوية. وقعت الذوبان بعد وقت قصير من شروق الشمس حيث ارتفعت درجات الحرارة فوق 0 درجه مئوية ، عندما ذاب الصقيع ، وتم الكشف عن المياه السائلة من قبل أجهزه الاستشعار. وتبين هذه النتائج فعاليه أجهزه الاستشعار في تمييز المياه السائلة والجليد ، الأمر الذي قد يكون له اثار هامه بالنسبة لمجموعه من العمليات البيولوجية. يرجى النقر هنا لعرض نسخه أكبر من هذا الرقم.
Discussion
يمكن ان تكون درجه حرارة سطح التربة وتحقيقات الرطوبة أدوات فعاله لتحليل درجه الحرارة ومحتوي المياه علي سطح التربة. وباستثناء تحقيقات البلل التي طورتها شركه ويبر وآخرون11، فان درجه حرارة التربة الشائعة ومستشعرات الرطوبة لا تقيس بوضوح هذه المتغيرات البيئية في الملليمترات القليلة العليا من سطح التربة. وفي وقت التطوير ، قدرت الوحدة رطوبة التربة علي السطح وليس درجه الحرارة20. مع تصميم BWP الأصلي المستخدم كدليل ، تم تطوير التحقيقات الموصوفة في هذه المخطوطة لقياس درجه الحرارة والرطوبة في نفس الوقت لتقييم كيفيه تفاعل هذه المتغيرات البيئية مع بعضها البعض ، وكذلك مع العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية علي سطح التربة.
هناك عدد من الاعتبارات لضمان التشغيل الأمثل لهذه المجسات. اثناء بناء جهاز الاستشعار ، من المهم ان نحرص علي عدم قطع من خلال الاغلفه الداخلية وفضح الأسلاك المعدنية الاساسيه. وهذا يمكن ان يؤدي إلى الاختلاف في التوصيل والمتقاطع بين الأسلاك. ومن المهم أيضا اختبار كل من المزدوجات الحرارية وأجهزه الاستشعار المقاومة لكل مسبار في نفس البيئة ، للتاكد من انها شيدت بشكل صحيح وان الاختلافات في القراءات ترجع إلى الاختلافات الفيزيائية والكيميائية في الركيزة التربة يجري قياس. خلال عمليه المعايرة ، عدد كبير بما فيه الكفاية عينه من المقاومة ومعايره GWC أمر بالغ الاهميه لحساب بشكل صحيح للتباين في التربة أو ركائز بيووكريست. أيضا ، فمن الأفضل لاختبار نفس المسبار والركيزة مزيج مرتين ، من الرطب إلى الجاف ، كما هو شائع لهذه التحقيقات إلى "الانجراف" مع مرور الوقت بسبب التحليل الكهربائي أو التاكل. بالاضافه إلى ذلك ، اثناء المعايرة من المهم استخدام عينات الركيزة الضحلة التي هي فقط عميقة بما يكفي لاستيعاب طول المسبار (اي ما بين 6 و 7 ملم) ، بحيث تقاس أوزان المياه من الماء في المقام الأول في منطقه قياسات الموصلات (بين وحول المجسات). وهذا يضمن ان التغيرات في كتله المياه في التربة ترتبط مباشره بالتغيرات في قياسات المقاومة للمسابر. وأخيرا ، عند نشر هذه التحقيقات في الميدان ، من المهم تامين التحقيقات بشكل صحيح إلى سطح التربة (علي سبيل المثال ، مع أوتاد الحديقة غير الموصلة) ، والتي ستحد من التداخل في قياسات التوصيل ولكن يمكنها ضمان عدم تحول المستشعرات إلى موضع والتقليل من جوده القياسات طويلة الأجل.
ومن المهم أيضا ملاحظه بعض القيود المفروضة علي أجهزه الاستشعار هذه. لان التحقيقات المقاومة هي فقط 5 ملم طويلة ، يمكن ان تتاثر قياساتها بشده من المساحات الكبيرة التي تملا الهواء المسام في ركائز. وتؤدي الفجوات الكبيرة في الهواء علي طول المجسات إلى تقليل القدرة علي الاتصال بالركيزة وتفضي عموما إلى انخفاض الموصليه المقيسة التالي انخفاض المحتوي المقدر للمياه ، وهو ما قد لا يعكس رطوبة التربة الفعلية عبر الموازين الأكبر. المثل ، يمكن ان يؤثر التركيب الكيميائي للتربة علي قراءات رطوبة التربة. ارتفاع ملوحة سيزيد الموصليه ويقود إلى [سيمنس] [هيغر] قيم21. يجب حل كلا المشكلتين مع المعايرة المناسبة الركيزة الخاصة. ومع ذلك ، قد تحافظ بعض التربة علي الاختلافات الكيميائية أو لديها بنيه كبيره للمساحة المسام يمكن ان تجعلها بيئات رديئه لأجهزه الاستشعار هذه. درجه الحرارة يؤثر أيضا علي الموصليه الكهربائية للتربة ، التالي يجب ان تعتبر15. في المستقبل ، يجب اجراء معايره درجه الحرارة مع هذه المجسات لتحديد كيف تغير درجات الحرارة مقاومه الركائز المقاسه.
مثل مجسات البلل Biocrust التي وضعتها ويبر وآخرون11، وهذه المعايرة الاستشعار تظهر ان قياسات المقاومة موثوقه في محتويات المياه المتوسطة ، ولكن انها تواجه بعض التشوات في محتويات المياه عاليه جدا ومنخفضه (الشكل 6). الاضافه إلى ذلك ، خلال المعايرة الجافة إلى أسفل ، وقيم المقاومة تقرا أحيانا الصفر عندما كان هناك لا يزال بعض المياه الموجودة في عينه الركيزة. ويمكن ان يكون هذا بسبب كميه الركيزة في حاويه المعايرة كونها أكبر قليلا من المنطقة التي يقاسها جهاز الاستشعار. إذا كان الماء موجودا خارج منطقه المقاومة ، فان المستشعر يقرا الصفر في حين ان الركيزة لا تزال لديها الرطوبة الحالية. وقد اتخذت الرعاية لإنقاص حجم الركيزة دون المساومة علي قياسات المقاومة. بما ان ماء يزيد محتوي, مقاومه قيم ضمن الركيزة تناقص, يقود إلى [سيمنس] [هيغر] مخرجات. ومع ذلك ، في اعلي محتويات المياه ، وزيادة القيم المقاومة مع زيادة محتوي المياه. وهذا يؤدي إلى "هوك" في بيانات المعايرة كما هو معروف في الشكل 1ج. كان هذا هوك موجودا في كل الركيزة المستخدمة للمعايرة ولكن كان أبرزها في التربة الرملية الجميلة (الشكل 6). يشير ويبر وآخرون11 إلى ان السبب المحتمل لزيادة المقاومة غير الطبيعية في محتويات المياه المرتفعة هو ان الماء الإضافي يخفف الأيونات في التربة المشبعة ، مما يزيد من المقاومة.
وتعتمد هذه المستشعرات حاليا علي استخدام تكنولوجيات الإرسال المعدد ومسجلات البيانات الموجودة. المعدد يسمح لأجهزه الاستشعار ان تكون "إيقاف" ويرسل فقط الحالية إلى أجهزه الاستشعار في الوقت المبرمج. وهذا يمنع محطات استشعار رطوبة التربة من التاكل. وتقدم الشركات الكترونيه الأخرى المسجلة للبيانات والبدائل المعددة للمسابر ، ويمكن أيضا ادراج لوحات الدوائر القابلة للبرمجة وأجهزه الكمبيوتر لتصميم لاسلكي لدرجه حرارة التربة وأجهزه استشعار الرطوبة ، والتي يمكن ان تمثل تقدم مثيره.
تصميم وبناء أجهزه الاستشعار يسمح للباحث لتخصيص التحقيقات. يمكن التلاعب بطول واتجاه الشوك لتقييم الرطوبة بشكل أفضل في مختلف الأوساط أو في أعماق مختلفه. يمكن ان يؤمر الأسلاك المخصصة للسماح للتصاميم مع رؤساء أجهزه الاستشعار متعددة المنبثقة من نفس الكابل. ومع أضافه خيارات غير مكلفه لتسجيل البيانات وتعدد الإرسال ، توفر هذه المستشعرات خيارا غير مكلف ومتاحا للباحثين لقياس درجه الحرارة ورطوبة التربة علي سطح التربة. ويشمل ذلك قياس الاحداث التي يصعب التقاطها ، مثل الصقيع وتشكيل الندي (الشكل 8) ، وأثار العلاج التجريبية مثل الاحترار (الشكل 7). تقدم هذه الورقة دليل خطوه بخطوه لبناء أجهزه استشعار سطح التربة التي تقيس في الوقت نفسه درجه الحرارة والرطوبة ، والتي يمكن استخدامها وصقلها من قبل اي شخص مهتم في تقييم بيئة المجتمعات المحلية الاحاديه والطبقات السطحية للعديد من أنواع التربة الأخرى.
Disclosures
وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.
Acknowledgments
ونحن نشكر روبن Reibold له دقيق قوس لحام و Cara Lauria لدقه لها اثناء المعايرة. ونحن ممتنون للدكتور ستيف فأيك وثلاثه من المراجعين المجهولين لتعليقاتهم المفيدة علي مسودة سابقه لهذه المخطوطة. وقد حظي هذا العمل بدعم برنامج الدراسات الجيولوجية الامريكيه لعلوم تغيير الأراضي ومكتب وزاره الطاقة الامريكيه للعلوم ، ومكتب البحوث البيولوجية والبيئية لعلوم النظم الايكولوجيه الارضيه (جوائز 89243018SSC000017 و DESC-0008168). وحظي عمل المنظمة بدعم مؤسسه البحوث المانيه (المنح WE2393/2-1 ، 2-2) ، وجمعيه ماكس بلانك ، وجامعه غراتس. وأي استخدام لأسماء التجارة أو الشركات أو المنتجات هو لأغراض وصفيه فقط ولا ينطوي علي تاييد من الحكومة الامريكيه.
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
- 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).
- 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).
- Thompson, K., Grime, J. P., Mason, G. Seed Germination in response to diurnal fluctuations in temperature. Nature. 267, 147-149 (1977).
- 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).
- 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).
- 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).
- Belnap, J., Büdel, B., Lange, O. L. Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. Belnap, J., Lange, O. , Springer. Berlin Heidelberg. 263-279 (2003).
- 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).
- Rutherford, W. A., et al. Albedo feedbacks to future climate via climate change impacts on dryland biocrust. Scientific Reports. 7, 44188 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pierson, F. B., Wight, J. R. Variability of near-surface soil temperature on sagebrush rangeland. Journal of Range Management. 44 (5), 491-497 (1991).
- Jin, M., Dickenson, R. E. Land surface skin temperature climatology: benefitting from the strengths of satellite observations. Environmental Research Letters. 5 (4), 044004 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- McNeill, D. J. Rapid, Accurate Mapping of Soil Salinity by Electromagnetic Ground Conductivity Meters. Soil Science Society of America. 30, 209-229 (1992).
- 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).
- 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).
