Nøjagtig måling af temperatur og vandindhold i den øvre 5 mm af jordens overflade kan forbedre vores forståelse af miljøkontrol på biologiske, kemiske og fysiske processer. Her beskriver vi en protokol til fremstilling, kalibrering og udførelse af målinger med jordoverflade temperatur og fugt sensorer.
Kvantificering af temperatur og fugt på jordoverfladen er afgørende for at forstå, hvordan jordoverfladen biota reagerer på ændringer i miljøet. Men på jordoverfladen disse variabler er meget dynamisk og standardsensorer ikke eksplicit måle temperatur eller fugt i de øverste par millimeter af jordprofilen. Dette papir beskriver metoder til fremstilling af enkle, billige sensorer, der samtidig måler temperaturen og fugt i de øvre 5 mm af jordens overflade. Ud over sensor konstruktion, trin til kvalitetskontrol, samt til kalibrering for forskellige substrater, forklares. Sensorerne inkorporerer et type E-termoelement for at måle temperaturen og vurdere jordens fugtighed ved at måle modstanden mellem to forgyldte metal sonder i enden af sensoren i en dybde på 5 mm. De metoder, der præsenteres her, kan ændres for at tilpasse sonder til forskellige dybder eller substrater. Disse sensorer har været effektive i en række forskellige miljøer og har udholdt måneder med kraftige regnskyl i tropiske skove samt intens solstråling i ørkener i det sydvestlige USA resultater demonstrere effektiviteten af disse sensorer til evaluering opvarmning, tørring og frysning af jordoverfladen i et globalt forandrings eksperiment.
Miljø sensorer er vigtige værktøjer til at vurdere, overvåge og forstå økosystemernes dynamik. Temperatur og fugt er grundlæggende drivkræfter for biologiske processer i jordbunden og påvirker aktiviteten og Fællesskabets sammensætning af jordorganismer1,2. Derudover har temperatur og fugt vist sig at påvirke timingen af frøplante fremkomst og kuld nedbrydnings rater3,4,5. I tør økosystemer er jord overflader, der ikke er dækket af vaskulære planter ofte toppet med samfund af mosser, lav, og cyanobakterier, kendt som en biologisk jord skorpe (biocrust) (figur 1). Disse samfund findes på jordoverfladen og sjældent trænge dybere end et par millimeter i jorden6. Biologiske jord skorster kan stærkt påvirke jord stabilisering, vand infiltration og fordampning satser, albedo, temperatur, næringsstof cykling, og jord-atmosfære Co2 udveksling7,8,9. Til gengæld for nogle systemer aktiviteten af disse overflade samfund kan dominere samlede jord attributter og satserne for forskellige processer10. Sensorer, der eksplicit fokuserer målinger på lavvandede dybder, kan hjælpe os med yderligere at forstå, hvordan den kunstige temperatur og fugt påvirker frøspiring, nedbrydnings rater og reaktioner fra jordoverfladen biota samt mange andre økosystemfunktioner.
Den seneste udvikling inden for jordbunds sensorteknologi har vist vigtigheden af rumligt eksplicitte målinger til forståelse af biologiske processer på jordoverfladen11,12. Konventionelle metoder til analyse af jordens fugt inkorporerer sensorer placeret under jordoverfladen og integrerer ofte målinger på tværs af dybderne. Jordens fugtighed registreres af disse sonder kan hjælpe med at informere vores forståelse af miljøkontrol på jordorganismer, men sandsynligvis savner mange af de nuancer, der forekommer på jordoverfladen. For eksplicit at måle vandindholdet i de øverste få millimeter af jord, Weber et al. nylig udviklet biocrust optimal fugt folk sonder (BWP) at bestemme jordens fugtighed via elektrisk ledningsevne af jordoverfladen til en dybde på 3 mm11. Ved hjælp af Webers sensorer i forbindelse med 0 til 5 cm integrerede fugt sonder, har Tucker et al. påvist vigtigheden af fugt sensorer, der fokuserer på de øverste få millimeter af jordens overflade. Navnlig blev små nedbørs hændelser, som var yderst relevante for biocrust samfundenes aktivitet, ikke registreret for de integrerede sonder på 0-50 mm (dvs. 5 cm) og blev kun opdaget af BWPs12. Sensorer fokuseret på de øverste par millimeter af jord er afgørende for at måle fugt begivenheder, der ikke er store nok til at infiltrere forbi overfladen, men er tilstrækkelige til at fremkalde svar fra biota på overfladen.
Jordens overfladetemperatur er en anden vigtig miljømæssig faktor, der driver fysiologiske processer. Døgn jordoverflade temperaturer kan være meget varierende, især i anlæg interspaces, hvor den uskraverede jordoverfladen er udsat for store mængder af solstråling. Temperaturen er også mere variabel på jordoverfladen end dybere i jordprofilen13 eller luften14. For eksempel viste Tucker et al. et maksimalt døgn overfladetemperatur område på næsten 60 °C (13-72 °C), som kun forekom over 24 timer. Disse temperaturer blev målt ved hjælp af termo par indsat 3 mm i jordoverfladen. I mellemtiden, nærliggende temperatur sonder 50 mm dyb målt en rækkevidde på kun 30 °c (22-52 °c) i løbet af samme dag12. Termo parrene, der eksplicit måler temperaturen på jordoverfladen, viste meget højere variation end sensorer ved 50 mm dybder, da overfladearealet var 10 °C koldere om natten og 20 °C varmere under dagens varme i forhold til de 50 mm dybe værdier.
Temperatur repræsenterer en kritisk kontrol over fysiologiske processer. For eksempel, ved konstant jord fugt i laboratorieforhold, co2 tab fra jord stiger dramatisk med stigende temperaturer i de fleste økosystemer2,15,16. Tilsvarende data fra felt klima manipulation undersøgelser, der har til formål at øge plot temperaturer i forhold til kontrol har vist, at varmet jord frigive mere Co2 end nærliggende uopvarmet jord (i det mindste i de første år af behandlinger17,18), og at biocrusted jord viser en lignende reaktion på opvarmning7,9. Både temperatur og fugt har vist sig at være vigtige miljømæssige variabler og sensorer, der præcist kan fange jordens overflade klimatiske forhold kan belyse, hvordan de påvirker de fysiologiske processer af organismer på jordoverfladen11,12.
Dette papir præsenterer sensorer designet til at måle både temperatur og fugt til en 5 mm dybde under jordoverfladen, der giver betydelig effekt i vurderingen af, hvordan disse variabler interagere med og drive biologiske reaktioner fra surficial biota. Type E-termo parret er fremstillet af to metaller (chromel og constantan), og temperaturændringer i metallerne skaber forskellige spændinger, der registreres af en datalogger. Jordens fugt sensor måler modstanden mellem to forgyldte metal prongs. Resistens påvirkes af jordens vandindhold, fordi mere vand øger ledningsevne og dermed mindsker modstanden mellem benene. Efter designet af Weber et al.11måler disse sensorer jordens fugt til en dybde på 5 mm og omfatter desuden et termoelement til måling af temperaturen på den samme sonde. Disse sensorer giver en raffineret visning af, hvordan temperatur og fugt dynamik varierer i koncert på jordoverfladen ved hjælp af en enkelt sonde. Disse sonder giver utallige muligheder for at udforske, hvordan organismer, der lever på overfladen, reagerer på ændringer i deres omgivelser. En yderligere fordel ved disse sensorer er, at de er relativt enkle og billige at bygge og kalibrere, og forskerne vil være let i stand til at vedtage deres anvendelse.
Følgende protokol indeholder en detaljeret beskrivelse af materialer og metoder til konstruktion af sensorerne, herunder en skitse til tilslutning af sensorer til dataloggere. Disse sensorer brugte kommercielt tilgængelige loggere, men enhver datalogger, der kan knyttes til en multiplexer, kan anvendes. Metoder til kalibrering af sensorer til de substrater af interesse er også beskrevet.
Jordoverfladen temperatur og fugt sonder kan være effektive værktøjer til at analysere temperatur og vandindhold på jordoverfladen. Med undtagelse af Biocrust wetness sonder (BWP), der er udviklet af Weber et al.11, måler fælles jord temperatur-og fugtighedssensorer ikke eksplicit disse miljøvariabler på de øverste få millimeter af jordoverfladen. På tidspunktet for udviklingen, den BWPs kun anslået jordfugtighed på overfladen og ikke temperaturen20. Med det oprindelige BWP-design, der blev brugt som vejledning, blev sonderne beskrevet i dette manuskript udviklet til samtidigt at måle temperatur og fugt for at vurdere, hvordan disse miljøvariabler interagerer med hinanden, samt med biologiske, kemiske og fysiske processer på jordoverfladen.
Der er en række overvejelser for at sikre optimal drift af disse sonder. Mens du bygger sensoren, er det vigtigt at passe på ikke at skære gennem de indvendige skeder og udsætte de underliggende metalledninger. Dette kan føre til variation i ledningsføringen og krydstale blandt ledningerne. Det er også afgørende at teste både termo parrene og resistivitet sensorer for hver sonde i samme miljø, for at bekræfte, at de er korrekt konstrueret, og at variationer i aflæsninger skyldes fysiske og kemiske forskelle i jord substrat er Målt. Under kalibreringsprocessen er et stort nok antal af resistens-og GWC-kalibreringer afgørende for en korrekt hensyntagen til variation i jord-eller biocrust-substrater. Det er også bedst at teste den samme sonde og substrat kombination to gange, fra våd til tør, da det er almindeligt for disse sonder at “glide” over tid på grund af elektrolyse eller korrosion. Under kalibreringen er det desuden vigtigt at bruge lavvandede substrat prøver, der kun er dybe nok til at rumme sonde længden (dvs. mellem 6 og 7 mm), således at målte vand vægte er fra vand primært i området for lednings målinger (mellem og omkring proberne). Dette sikrer, at ændringer i vandmasse i jorden er direkte relateret til ændringer i resistens målinger af sonder. Endelig, når du implementerer disse sonder i marken, er det vigtigt at sikre sonderne til jordoverfladen (f. eks. med ikke-ledende have indsatser), hvilket vil begrænse interferens i lednings målinger, men kan sikre, at sensorerne ikke skifter position og mindsker kvaliteten af langsigtede målinger.
Det er også vigtigt at bemærke nogle begrænsninger af disse sensorer. Fordi resistivitet sonder er kun 5 mm lange, kan deres målinger påvirkes kraftigt af store luftfyldte pore rum i substrater. Store lufthuller langs sonderne mindsker tilkobling af substratet og fører generelt til lavere målt ledningsevne og derfor lavere anslået vandindhold, som måske ikke afspejler den faktiske jordfugtighed på tværs af større skalaer. På samme måde kan den kemiske sammensætning af jorden påvirke jordens fugt aflæsninger. Højere saltholdighed vil øge ledningsevnen og føre til højere Siemens værdier21. Begge problemer skal løses med passende substrat specifikke kalibreringer. Men nogle jordarter kan opretholde kemiske forskelle eller har stor pore plads arkitektur, der kunne gøre dem dårlige miljøer for disse sensorer. Temperaturen påvirker også jordens elektriske ledningsevne og skal derfor betragtes som15. I fremtiden skal der udføres temperatur kalibreringer med disse sensorer for at bestemme, hvordan temperaturerne ændrer modstanden i de målte substrater.
Ligesom Biocrust wetness sonder udviklet af Weber et al.11, viser disse sensor kalibreringer, at resistens målinger er pålidelige ved medium vandindhold, men at de oplever nogle abnormiteter ved meget høje og lave vandindhold (figur 6). Under tørkalibreringer aflæste modstands værdierne undertiden nul, når der stadig var noget vand til stede i substrat prøven. Dette kan skyldes, at mængden af substrat i kalibrerings beholderen er lidt større end det område, der måles af sensoren. Hvis vandet var til stede uden for resistivitet området, ville sensoren læse nul, mens substratet stadig havde fugt til stede. Der blev taget omhu for at sænke substrat størrelsen uden at kompromittere resistens målingerne. Når vandindholdet stiger, mindskes modstands værdierne inden for substratet, hvilket fører til højere Siemens-udgange. Men ved det højeste vandindhold øges modstands værdierne med stigende vandindhold. Dette fører til en “krog” i kalibreringsdataene, som det ses i figur 1C. Denne krog var til stede i hvert substrat, der anvendes til kalibreringer, men var mest fremtrædende i de fine sand jord (figur 6). Weber et al.11 antyder, at en potentiel årsag til unormal resistens øges ved højt vandindhold er, at yderligere vand fortynder ioner i mættet jord, hvilket øger modstanden.
Disse sensorer er i øjeblikket afhængige af at bruge eksisterende multiplexer og data logger teknologier. Multiplexeren gør det muligt for sensorerne at være “slukket” og sender kun en strøm til sensorerne på et programmeret tidspunkt. Dette forhindrer jordens fugt sensor terminaler i at korrodere. Andre elektroniske virksomheder leverer datalogger og multiplexer alternativer til sonder, og programmerbare kredsløbskort og computere kan også inkorporeres for en trådløs design af jord temperatur og fugt sensorer, som kunne repræsentere en spændende forskud.
Design og opbygning af sensorer gør det muligt for forskeren at tilpasse sonder. Længden og retningen af benene kan manipuleres for bedre at vurdere fugt i forskellige medier eller i forskellige dybder. Brugerdefinerede ledninger kan bestilles til at give mulighed for design med flere sensor hoveder stammer fra samme kabel. Med tilføjelsen af billige data logging og multiplexer muligheder, disse sensorer giver en billig og tilgængelig mulighed for forskere til at måle temperatur og jordfugtighed på jordoverfladen. Dette omfatter måling af svære at indfange begivenheder, såsom frost og dug dannelse (figur 8), og eksperimentelle behandlingseffekter såsom opvarmning (figur 7). Dette papir giver en trinvis vejledning til opbygning af jordoverflade sensorer, der samtidig måler temperatur og fugt, som kan bruges og raffineres af alle, der er interesseret i at vurdere miljøet i biocrust samfund og de surficial lag af mange andre jordtyper.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Robin Reibold for hans omhyggelige Arc-svejsning og Cara Lauria for hendes præcision under kalibreringer. Vi er taknemmelige for Dr. Steve Fick og tre anonyme anmeldere for deres nyttige kommentarer til et tidligere udkast til dette manuskript. Dette arbejde blev støttet af den amerikanske geologiske undersøgelse land Change Science program og U.S. Department of Energy Office of Science, kontor for biologisk og miljømæssig forskning terrestriske økosystem Sciences program (Awards 89243018SSC000017 og DESC-0008168). BW’S arbejde blev støttet af den tyske forskningsfond (Grants WE2393/2-1, 2-2), Max Planck Society og universitetet i Graz. Enhver brug af handels-, firma-eller produktnavne er kun til beskrivende formål og indebærer ikke godkendelse fra den amerikanske regering.
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 |