토양 표면의 상부 5mm의 온도와 수분 함량을 정확하게 측정하면 생물학적, 화학적, 물리적 공정에 대한 환경 제어에 대한 이해를 향상시킬 수 있습니다. 여기에서는 토양 표면 온도 및 수분 센서를 통해 측정을 제조, 교정 및 수행하기 위한 프로토콜을 설명합니다.
토양 표면의 온도와 수분을 정량화하는 것은 토양 표면의 비오타가 환경의 변화에 어떻게 반응하는지 이해하는 데 필수적입니다. 그러나 토양 표면에서 이러한 변수는 매우 동적이며 표준 센서는 토양 프로파일의 상부 몇 밀리미터에서 온도 또는 수분을 명시적으로 측정하지 않습니다. 이 백서에서는 토양 표면의 상부 5mm의 온도와 수분을 동시에 측정하는 간단하고 저렴한 센서제조 방법을 설명합니다. 센서 구조 외에도 품질 관리 단계와 다양한 기판 교정에 대한 설명이 있습니다. 이 센서는 E형 열전대를 통합하여 센서 끝부분에 있는 두 개의 금도금 금속 프로브 사이의 저항을 5mm 깊이로 측정하여 온도를 측정하고 토양 수분을 평가합니다. 여기에 제시된 방법은 다양한 깊이 또는 기판에 맞게 프로브를 사용자 지정하도록 변경할 수 있습니다. 이 센서는 다양한 환경에서 효과적이며 열대 우림에서 수개월 동안 폭우를 견뎌왔으며 미국 남서부 사막의 강렬한 태양 복사를 견뎌낸 결과 이러한 센서의 효과를 평가합니다. 지구 변화 실험에서 토양 표면의 온난화, 건조 및 동결.
환경 센서는 생태계 역학을 평가, 모니터링 및 이해하는 데 중요한 도구입니다. 온도와 수분은 토양에서 생물학적 과정의 근본적인 동인이며 토양 생물의 활동 및 지역 사회구성에영향을 미치는1,2. 또한, 온도와 수분은 모종의 출현과 쓰레기 분해 율3,4,5의타이밍에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 건국 생태계에서 혈관 식물로 덮여 있지 않은 토양 표면은 종종 생물학적 토양 지각 (biocrust)으로 알려진 이끼, 지의류 및 시아노 박테리아의 커뮤니티로 덮여 있습니다(그림 1). 이러한 공동체는 토양 표면에 존재하며 거의 토양6에몇 밀리미터보다 더 깊은 침투하지 않습니다. 생물학적 토양 지각은 토양 안정화, 물 침투 및 증발 속도, 알베도, 온도, 영양 순환 및 토양 대기CO2 교환7,8,9에강하게 영향을 미칠 수 있습니다. 차례로, 일부 시스템의 경우, 이들 표면 공동체의 활동은 전체적인 토양 특성 및 다양한 공정의 비율을 지배할 수있다 10. 얕은 깊이에 측정을 명시적으로 집중하는 센서는 서핑 온도와 습기가 종자 발아, 분해 속도 및 토양 표면 비오타 반응뿐만 아니라 다른 많은 생태계 기능에 미치는 영향을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
최근 토양 센서 기술의 발전은 토양표면(11,12)에서생물학적 공정을 이해하기 위한 공간적 명시적 측정의 중요성을 보여주었다. 토양 수분을 분석하는 기존의 방법은 토양 표면 아래에 배치 된 센서를 통합하고 종종 깊이에 걸쳐 측정을 통합합니다. 이 프로브에 의해 기록 된 토양 수분은 토양 유기체에 대한 환경 제어에 대한 우리의 이해를 알리는 데 도움이 될 수 있지만, 토양 표면에서 발생하는 뉘앙스의 많은 부분을 놓칠 가능성이 높습니다. 토양의 상위 몇 밀리미터의 수분 함량을 명시적으로 측정하기 위해, Weber 등은 최근 토양 표면의 전기 전도도를 통해 토양 수분을 3mm11의깊이로 결정하는 바이오 크러스트 습윤 성 프로브 (BWP)를 개발했습니다. 터커 등은 웨버의 센서를 0~5cm 의 통합 수분 프로브와 함께 사용하여 토양 표면의 상단 몇 밀리미터에 초점을 맞춘 수분 센서의 중요성을 입증했습니다. 특히, 바이오크러스트 커뮤니티의 활성과 매우 관련이 있는 작은 강수량 이벤트는 0-50 mm(즉, 5cm) 통합 프로브에 등록되지 않았으며 BWPs12에의해서만 검출되었다. 상부 수 밀리미터의 토양에 초점을 맞춘 센서는 표면을 지나침을 침투하기에 충분하지만 표면의 비오타로부터 반응을 유도하기에 충분한 수분 이벤트를 측정하는 데 필수적입니다.
토양 표면 온도는 생리적 과정을 구동하는 또 다른 중요한 환경 요소입니다. 대각선 토양 표면 온도는 특히 무그늘진 토양 표면이 다량의 태양 복사에 노출되는 식물 간 공간에서 매우 가변적일 수 있습니다. 또한, 토양 표면에서 온도는 토양프로파일(13) 또는공기(14)에서더 깊은 것보다 더 가변적이다. 예를 들어, Tucker 등은 24시간 동안 발생하는 거의 60°C(13-72°C)의 최대 일주 토양 표면 온도 범위를 나타내었습니다. 이러한 온도는 토양 표면에 3mm 삽입된 열전대를 사용하여 측정되었습니다. 한편, 인근 온도 프로브는 50 mm 깊이에서 같은 날12일동안 30°C(22-52°C)의 범위를 측정하였다. 토양 표면의 온도를 명시적으로 측정하는 열전대는 50mm 깊이의 센서보다 훨씬 높은 편차를 보였으며, 표면 토양은 밤에는 10 °C, 50mm 깊이값에 비해 낮의 열 동안 20 °C 더 따뜻했습니다.
온도는 생리적 과정에 대한 중요한 제어를 나타냅니다. 예를 들어, 실험실 조건에서 일정한 토양 수분에서, 토양에서CO2 손실은 대부분의생태계2,15,16의온도 증가와 함께 극적으로 증가한다. 유사하게, 대조군을 기준으로 플롯 온도를 증가시키는 것을 목표로 하는 현장 기후 조작 연구에서 데이터는 온난한 토양이 근처의 가열되지 않은 토양보다 더 많은CO2를 방출한다는 것을 보여주었다 (적어도 치료 의 첫 해17,18)및 생물 껍질 토양온난화에 유사한 반응을 나타낸다7,9. 온도와 수분 모두 토양 표면기후 조건을 정확하게 포착할 수 있는 중요한 환경 변수 및 센서가 토양표면(11,12)에서생물의 생리적 과정에 미치는 영향을 해명할 수 있는 것으로 입증되었다.
이 백서는 온도와 습기를 토양 표면 아래 5mm 깊이까지 측정하도록 설계된 센서를 제공하므로 이러한 변수가 surficial biota에서 생물학적 반응을 어떻게 상호 작용하고 유도하는지 평가하는 데 상당한 힘을 제공합니다. 타입 E 열전대는 두 개의 금속(크롬및 콘스탄탄)으로 만들어졌으며, 금속의 온도 변화는 데이터 로거에 의해 기록되는 다른 전압을 생성합니다. 토양 수분 센서는 두 개의 금도금 금속 프롱 사이의 저항을 측정합니다. 저항은 토양 수분 함량에 의해 영향을, 더 많은 물이 전도도를 증가시키고, 따라서 프롱 사이의 저항을 감소하기 때문에. Weber 등11의설계에 따라 이 센서는 토양 수분을 5mm 깊이로 측정하고 동일한 프로브의 온도를 측정하는 열전대를 추가로 포함합니다. 이 센서를 통해 단일 프로브를 사용하여 토양 표면에서 온도 및 수분 역학이 어떻게 달라지는지 세련되게 볼 수 있습니다. 이 탐사선은 표면에 사는 유기체가 환경의 변화에 어떻게 반응하는지 탐구할 수 있는 무수한 기회를 제공합니다. 이러한 센서의 또 다른 이점은 비교적 간단하고 저렴하여 구축하고 교정할 수 있으며, 연구원들은 쉽게 사용할 수 있다는 점입니다.
다음 프로토콜은 센서를 데이터 로거에 연결하기 위한 개요를 포함하여 센서를 구성하는 재료 및 방법을 자세히 설명합니다. 이러한 센서는 시판되는 로거를 사용했지만 멀티플렉서에 연결할 수 있는 모든 데이터 로거를 사용할 수 있습니다. 관심 있는 기판에 센서를 교정하는 방법도 설명되어 있습니다.
토양 표면 온도 및 수분 프로브는 토양 표면의 온도 및 수분 함량을 분석하는 효과적인 도구가 될 수 있습니다. Weber et al.11에서개발한 Biocrust 습감 프로브(BWP)를 제외하고, 일반적인 토양 온도 및 수분 센서는 토양 표면의 상단 수 밀리미터에서 이러한 환경 변수를 명시적으로 측정하지 않습니다. 개발 당시, BWPs는 온도20이아닌 표면에서 토양 수분만을 추정했다. 가이드로 사용되는 원래의 BWP 설계를 통해 이 원고에 설명된 프로브는 온도와 수분을 동시에 측정하여 이러한 환경 변수가 토양 표면의 생물학적, 화학적, 물리적 공정과 상호 작용하는 방식을 평가하기 위해 개발되었습니다.
이러한 프로브의 최적 작동을 보장하기 위한 여러 가지 고려 사항이 있습니다. 센서를 구축하는 동안 내부 덮개를 잘라 내고 기본 금속 와이어를 노출하지 않도록 주의하는 것이 중요합니다. 이것은 전선 간의 전도도 및 크로스토크의 변화로 이어질 수 있습니다. 또한 동일한 환경에서 각 프로브에 대한 열전대와 저항 센서를 모두 테스트하여 제대로 구성되고 판독값의 변동이 토양 기판의 물리적 및 화학적 차이로 인한 것이 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 측정. 교정 과정에서 토양 또는 바이오크러스트 기판의 변동을 적절히 고려하려면 충분한 수의 저항 및 GWC 교정이 중요합니다. 또한, 전기 분해 또는 부식으로 인해 시간이 지남에 따라 이러한 프로브가 ‘드리프트’하는 것이 일반적이기 때문에 습식에서 건식까지 동일한 프로브와 기판 조합을 두 번 테스트하는 것이 가장 좋습니다. 또한, 교정 중에 프로브 길이(즉, 6~7mm 사이)를 수용할 수 있을 만큼 충분히 깊은 얕은 기판 샘플을 사용하여 측정된 물 분동이 주로 전도도 측정 영역에서 물에서 발생하도록 하는 것이 중요합니다. (프로브 사이 와 주변). 이를 통해 토양의 물 질량 변화가 프로브의 저항 측정 변화와 직접적인 관련이 있습니다. 마지막으로, 이러한 프로브를 현장에 배치할 때, 전도도 측정의 간섭을 제한하지만 센서가 위치를 이동하지 않도록 할 수 있는 토양 표면(예: 전도성 정원 지분 포함)에 프로브를 적절히 고정하는 것이 중요합니다. 장기 측정의 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다.
또한 이러한 센서의 몇 가지 제한 사항에 유의하는 것이 중요합니다. 저항 프로브의 길이는 5mm에 불과하기 때문에 기판의 큰 공기 충전 기공 공간에 의해 측정이 크게 영향을 받을 수 있습니다. 프로브를 따라 큰 공기 갭은 기판의 연결을 감소시키고 일반적으로 낮은 측정 전도도 따라서 더 낮은 추정 된 수분 함량으로 이어질, 이는 큰 규모에 걸쳐 실제 토양 수분의 반영되지 않을 수 있습니다. 마찬가지로, 토양의 화학 조성은 토양 수분 측정값에 영향을 미칠 수 있습니다. 더 높은 살은 전도도를 증가시키고 더 높은 지멘스 값21로이끌어 낼 것입니다. 두 가지 문제는 적절한 기판별 교정으로 해결해야 합니다. 그러나 일부 토양은 화학적 차이를 유지하거나 이러한 센서의 열악한 환경을 만들 수 있는 큰 기공 공간 구조를 가질 수 있습니다. 온도는 또한 토양의 전기 전도도에 영향을 미치므로15로간주해야합니다. 미래에는 이러한 센서를 사용하여 온도가 측정된 기판의 저항을 어떻게 변화시키는지 결정하기 위해 온도 교정을 수행해야 합니다.
Weber et al.11에서개발한 Biocrust 습감 프로브와 마찬가지로 이러한 센서 교정은 중간 수분 함량에서 저항 측정이 신뢰할 수 있지만 매우 높고 낮은 수분 함량에서 약간의 이상이 있음을 보여줍니다(그림 6). 또한, 드라이다운 교정 중에 기판 시료에 물이 남아 있을 때 저항 값이 때때로 0을 읽습니다. 이는 교정 용기내의 기판양이 센서에 의해 측정된 영역보다 약간 더 크기 때문일 수 있습니다. 물이 저항 영역 외부에 있으면 기판에 수분이 있는 동안 센서가 0을 읽습니다. 저항 측정을 손상시키지 않으면서 기판 크기를 줄이기 위해 주의를 기울여야 했습니다. 수분 함량이 증가함에 따라 기판 내의 저항 값이 감소하여 지멘스 출력이 증가합니다. 그러나 가장 높은 수분 함량에서는 수분 함량이 증가함에 따라 저항 값이 증가합니다. 이는 그림 1C에서볼 수 있는 교정 데이터의 “후크”로 이어집니다. 이 후크는 교정에 사용되는 각 기판에 존재했지만 미세한 모래 토양에서 가장 두드러졌습니다(그림 6). Weber 등11은 높은 수분 함량에서 비정상적인 저항 증가의 잠재적 인 원인은 추가물이 포화 토양에서 이온을 희석시켜 저항을 증가시킨다는 것을 시사합니다.
이러한 센서는 현재 기존 멀티플렉서 및 데이터 로거 기술을 사용하는 데 의존하고 있습니다. 멀티플렉서를 사용하면 센서를 “끄고” 프로그래밍된 시간에 센서에 전류만 전송할 수 있습니다. 이렇게 하면 토양 수분 센서 단자부가 부식되는 것을 방지할 수 있습니다. 다른 전자 회사들은 프로브를 위한 데이터 로거 및 멀티플렉서 대안을 제공하며, 프로그래밍 가능한 회로 기판과 컴퓨터는 토양 온도 및 수분 센서의 무선 설계를 위해 통합될 수 있습니다. 흥미 진진한 진보.
센서를 설계하고 구축하면 연구원이 프로브를 사용자 정의할 수 있습니다. 프롱의 길이와 방향은 다른 매체 또는 다른 깊이에서 수분을 더 잘 평가하기 위해 조작될 수 있습니다. 사용자 지정 배선은 동일한 케이블에서 방출되는 여러 센서 헤드가 있는 설계를 허용하도록 주문할 수 있습니다. 저렴한 데이터 로깅 및 멀티플렉서 옵션을 추가한 이 센서는 연구원이 토양 표면의 온도와 토양 수분을 측정할 수 있는 저렴하고 접근 가능한 옵션을 제공합니다. 여기에는 서리 및 이슬 형성과 같은 이벤트를 포착하기 어려운측정(그림 8)및 온난화와 같은 실험적 치료 효과(그림7)가포함됩니다. 이 백서는 온도와 수분을 동시에 측정하는 토양 표면 센서를 구축하기 위한 단계별 가이드를 제공하며, 바이오크러스트 지역 사회의 환경과 다른 많은 토양 유형의 서핑 레이어를 평가하는 데 관심이 있는 사람이 라면 누구나 사용하고 정제할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
로빈 레이볼드(Robin Reibold)는 세심한 아크 용접과 카라 라우리아(Cara Lauria)의 정밀도에 대해 감사드립니다. 우리는 이 원고의 이전 초안에 대한 유용한 의견에 대해 스티브 픽 박사와 3명의 익명 리뷰어들에게 감사드립니다. 이 작품은 미국 지질 조사 토지 변경 과학 프로그램과 미국 과학국, 생물 및 환경 연구 지상 생태계 과학 프로그램 (상 89243018SSC00017 및 DESC-0008168)에 의해 지원되었습니다. BW의 작품은 독일 연구 재단에 의해 지원되었다 (그랜트 WE2393/2-1, 2-2), 막스 플랑크 사회와 그라츠 대학에 의해. 무역, 회사 또는 제품 이름을 사용하는 것은 설명적인 목적으로만 사용되며 미국 정부의 승인을 의미하지는 않습니다.
Single sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004848 | Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR |
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Liquid electrical tape | McMaster.com | Part #: 76425A23 | |
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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 |