Summary
Medir con precisión la temperatura y el contenido de agua de los 5 mm superiores de la superficie del suelo puede mejorar nuestra comprensión de los controles ambientales en procesos biológicos, químicos y físicos. Aquí describimos un protocolo para la fabricación, calibración y realización de mediciones con sensores de humedad y temperatura de la superficie del suelo.
Abstract
La cuantificación de la temperatura y la humedad en la superficie del suelo es esencial para comprender cómo la biota de la superficie del suelo responde a los cambios en el medio ambiente. Sin embargo, en la superficie del suelo estas variables son altamente dinámicas y los sensores estándar no miden explícitamente la temperatura o la humedad en los pocos milímetros superiores del perfil del suelo. Este documento describe los métodos para la fabricación de sensores simples y económicos que miden simultáneamente la temperatura y la humedad de los 5 mm superiores de la superficie del suelo. Además de la construcción del sensor, se explican los pasos para el control de calidad, así como para la calibración de varios sustratos. Los sensores incorporan un termopar tipo E para medir la temperatura y evaluar la humedad del suelo midiendo la resistencia entre dos sondas metálicas chapadas en oro al final del sensor a una profundidad de 5 mm. Los métodos presentados aquí se pueden modificar para personalizar sondas para diferentes profundidades o sustratos. Estos sensores han sido eficaces en una variedad de entornos y han soportado meses de fuertes lluvias en los bosques tropicales, así como la intensa radiación solar en los desiertos del suroeste de los Estados Unidos Resultados demuestran la eficacia de estos sensores para evaluar calentamiento, secado y congelación de la superficie del suelo en un experimento de cambio global.
Introduction
Los sensores ambientales son herramientas críticas para evaluar, monitorear y comprender la dinámica del ecosistema. La temperatura y la humedad son factores fundamentales de los procesos biológicos en los suelos e influyen en la actividad y composición comunitaria de los organismos del suelo1,2. Además, se ha demostrado que la temperatura y la humedad afectan al momento de la aparición de plántulas y a las tasas de descomposición de la basura3,4,5. En los ecosistemas de tierras secas, las superficies del suelo no cubiertas por plantas vasculares a menudo se cubren con comunidades de musgos, líquenes y cianobacterias, conocidas como corteza biológica del suelo (biocrust)(Figura 1). Estas comunidades existen en la superficie del suelo y rara vez penetran más profundo que unos pocos milímetros en el suelo6. Las costras biológicas del suelo pueden influir fuertemente en la estabilización del suelo, la infiltración del agua y las tasas de evaporación, albedo, temperatura, ciclo de nutrientes, y el suelo-atmósfera CO2 intercambio7,8,9. A su vez, para algunos sistemas la actividad de estas comunidades superficiales puede dominar los atributos generales del suelo y las tasas de varios procesos10. Los sensores que enfocan explícitamente las mediciones en profundidades poco profundas pueden ayudarnos a comprender mejor cómo la temperatura y la humedad del surficial afectan la germinación de las semillas, las tasas de descomposición y las respuestas de la biota de la superficie del suelo, así como muchas otras funciones del ecosistema.
Los recientes avances en la tecnología de sensores de suelo han demostrado la importancia de mediciones espacialmente explícitas para comprender los procesos biológicos en la superficie del suelo11,12. Los métodos convencionales para analizar la humedad del suelo incorporan sensores colocados debajo de la superficie del suelo y a menudo integran mediciones a lo largo de las profundidades. La humedad del suelo registrada por estas sondas puede ayudar a informar nuestra comprensión de los controles ambientales en los organismos del suelo, pero probablemente se pierdan muchos de los matices que ocurren en la superficie del suelo. Para medir explícitamente el contenido de agua de los pocos milímetros superiores del suelo, Weber y otros desarrollaron recientemente sondas de humedad de la biocrust (BWP) que determinan la humedad del suelo a través de la conductividad eléctrica de la superficie del suelo a una profundidad de 3 mm11. Utilizando los sensores de Weber junto con sondas de humedad integradas de 0 a 5 cm, Tucker et al. demostraron la importancia de los sensores de humedad que se centran en los pocos milímetros superiores de la superficie del suelo. En particular, los pequeños acontecimientos de precipitación, que eran muy relevantes para la actividad de las comunidades de biomasa, no se registraron para las sondas integradas de 0-50 mm (es decir, 5 cm) y sólo fueron detectadas por los BHP12. Los sensores centrados en los pocos milímetros superiores de suelos son esenciales para medir los eventos de humedad que no son lo suficientemente grandes como para infiltrarse más allá de la superficie, pero son suficientes para inducir respuestas de la biota en la superficie.
La temperatura de la superficie del suelo es otro factor ambiental importante que impulsa los procesos fisiológicos. Las temperaturas superficiales diurnas del suelo pueden ser muy variables, especialmente en los interespacios vegetales donde la superficie del suelo sin sombra está expuesta a grandes cantidades de radiación solar. Además, la temperatura es más variable en la superficie del suelo que más profunda en el perfil del suelo13 o el aire14. Por ejemplo, Tucker et al. mostraron un rango máximo de temperatura de la superficie del suelo diurno de casi 60 oC (13-72 oC) que se produce a lo largo de solo 24 h. Estas temperaturas se midieron utilizando termopares insertados 3 mm en la superficie del suelo. Mientras tanto, las sondas de temperatura cercanas de 50 mm de profundidad midieron un rango de sólo 30 oC (22-52 oC) durante el mismo día12. Los termopares que miden explícitamente la temperatura en la superficie del suelo mostraron una variación mucho mayor que los sensores a 50 mm de profundidad, ya que los suelos de la superficie eran 10 oC más fríos por la noche y 20 oC más cálidos durante el calor del día en relación con los valores de 50 mm de profundidad.
La temperatura representa un control crítico sobre los procesos fisiológicos. Por ejemplo, a la humedad constante del suelo en condiciones de laboratorio, las pérdidas de CO2 por el suelo aumentan drásticamente con el aumento de las temperaturas en la mayoría de los ecosistemas2,15,16. Del mismo modo, los datos de los estudios de manipulación climática de campo que tienen por objeto aumentar la temperatura de la parcela en relación con los controles han demostrado que los suelos calentados liberan másCO2 que los suelos no calentados cercanos (al menos en los primeros años de tratamientos17,18)y que los suelos biocrustedes muestran una respuesta similar al calentamiento7,9. Tanto la temperatura como la humedad han demostrado ser variables ambientales importantes y los sensores que pueden capturar con precisión las condiciones climáticas de la superficie del suelo pueden dilucidar cómo influyen en los procesos fisiológicos de los organismos en la superficie del suelo11,12.
Este documento presenta sensores diseñados para medir tanto la temperatura como la humedad a una profundidad de 5 mm por debajo de la superficie del suelo, ofreciendo una potencia significativa en la evaluación de cómo interactúan estas variables y impulsan las respuestas biológicas de la biota surficia. El termopar Tipo E está hecho de dos metales (cromo y constantan), y los cambios de temperatura en los metales crean diferentes voltajes que son registrados por un registrador de datos. El sensor de humedad del suelo mide la resistencia entre dos puntas metálicas chapadas en oro. La resistencia se ve afectada por el contenido de agua del suelo, porque más agua aumenta la conductancia y por lo tanto disminuye la resistencia entre las puntas. Siguiendo el diseño de Weber et al.11, estos sensores miden la humedad del suelo a una profundidad de 5 mm y además incluyen un termopar para medir la temperatura en la misma sonda. Estos sensores permiten una visión refinada de cómo la temperatura y la dinámica de humedad varían en concierto en la superficie del suelo utilizando una sola sonda. Estas sondas proporcionan innumerables oportunidades para explorar cómo los organismos que viven en la superficie responden a los cambios en su entorno. Un beneficio adicional de estos sensores es que son relativamente simples y baratos de construir y calibrar, y los investigadores serán fácilmente capaces de adoptar su uso.
El siguiente protocolo describe en detalle los materiales y métodos para la construcción de los sensores, incluido un esquema para conectar los sensores a los registradores de datos. Estos sensores utilizaban registradores disponibles comercialmente, pero se podría utilizar cualquier registrador de datos que se pueda conectar a un multiplexor. También se describen los métodos para calibrar los sensores a los sustratos de interés.
Protocol
1. Sensores de fabricación
- Corte las longitudes de cable adecuadas.
- Determine la distancia máxima desde la ubicación del registrador de datos hasta la ubicación deseada del sensor. Tenga en cuenta la longitud de cable adicional necesaria para las curvas en el cable, los obstáculos y la fijación al registrador de datos.
- Corte todos los cables de termopar y humedad del suelo a esta longitud máxima deseada. Las diferencias en la longitud del cable pueden dar lugar a resistencias variables entre los sensores. Este problema se puede evitar manteniendo todas las longitudes de cable del sensor iguales.
- Prepare el cable del termopar.
- Retire la chaqueta de cable a 4 x 5 cm del extremo del cable.
- Retire las vainas de diámetro pequeño recién expuestas a 5 mm del extremo de los cables.
- Arco soldar las puntas expuestas de los cables y probar la resistencia de la nueva soldadura tirando suavemente sobre los cables para asegurarse de que no se separan.
ADVERTENCIA: Se debe utilizar un casco de soldadura o un protector facial para protegerse de la radiación generada al soldar. Mantenga todo en el ambiente de trabajo seco para evitar posibles golpes. Trabaje en un área bien ventilada para mantener los humos o gases de su área de respiración. - Sumerja las puntas soldadas por arco del cable termopar en cinta eléctrica líquida para proteger los cables expuestos. La cinta eléctrica líquida debe cubrir el metal expuesto de los cables y al menos 3 mm de las cubiertas de alambre de diámetro pequeño.
ADVERTENCIA: La cinta eléctrica líquida tiene vapores inflamables que pueden irritar las vías respiratorias. Usar en un área bien ventilada lejos de llamas abiertas. Evite la exposición directa a los ojos y la piel, ya que esto puede causar irritación. - Deje que la cinta eléctrica líquida se seque durante aproximadamente 4 horas o según las instrucciones del fabricante.
- Corte una pieza de 0,13 pulgadas (3,3 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad que sea lo suficientemente largo como para cubrir la cinta eléctrica líquida en las vainas de diámetro pequeño y al menos 1 cm de la chaqueta de cable termopar (aproximadamente 6 cm de largo). Inserte los cables en el tubo termorretráctil y mueva el tubo de nuevo sobre la chaqueta de cable. Espere a aplicar calor hasta un paso posterior (Paso 1.5.3).
- Prepare el cable de humedad del suelo.
- Retire la chaqueta de cable a 5 cm del extremo del cable.
- Corte el cable de tierra (sin vaina) en la chaqueta de cable para que no se exponga más allá de la chaqueta.
- Tira 1 cm de las vainas internas de diámetro pequeño desde los extremos de los cables de humedad del suelo.
- Gire el metal expuesto de cada alambre para consolidar las pequeñas hebras.
- Estañe las pequeñas hebras retorcidas aplicando soldadura al metal expuesto en cada extremo del alambre.
ADVERTENCIA: Se debe tener cuidado al utilizar los instrumentos extremadamente calientes necesarios para la soldadura. Soldar en áreas bien ventiladas y llevar protección adecuada para los ojos y la piel. - Corte una pieza de 0,38 in (10 mm) de tubo termorretráctil que es 1 cm más larga que la distancia desde donde se despojó la chaqueta de cable hasta el final de los cables enlatados. Coloque este tubo sobre ambos cables y deslícelo de nuevo sobre la chaqueta de cable para fijarlo en su lugar en un paso posterior.
- Corte dos trozos de 1,5 cm de 0,13 pulgadas (3,3 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad y coloque uno sobre cada cable. No los caliente hasta que haya soldado el cable a la tira de enchufe de dos clavatres.
- Aplique el flujo de soldadura a las puntas de la tira de zócalo de dos puntas.
- Soldar los extremos enlatados del cable a los extremos de la tira de enchufe de dos puntas. Tenga cuidado de mantener los dos extremos separados para que no se toquen.
- Mueva las dos piezas de tubo termorretráctil de sellado de humedad de 0,13 pulgadas (3,3 mm) a la base de la toma de corriente de dos puntas para que todas las piezas metálicas estén cubiertas. Utilice la pistola de calor para adherir los tubos termorretráctiles, teniendo cuidado de no sobrecalentar se y derretir la soldadura debajo de los tubos.
- Mueva el tubo termorretráctil de sellado de humedad de 0,38 pulgadas (10 mm) a 1 mm desde el extremo de la tira de enchufe de dos clavtas para que esté cubriendo la tira de enchufe, los cables de pequeño diámetro y parte de la chaqueta de cable. Utilice la pistola de calor para fijar este tubo termorretráctil en su lugar.
- Altere la regleta de bornes para el cabezal del sensor.
- Para modificar la tira de terminalde ocho puntas, oriente la tira para que las puntas superiores se alejen de la vista. Utilice los recortes de alambre para cortar la segunda, cuarta y séptima puntas desde la izquierda justo debajo de la tira de contacto de plástico negro(Figura 2).
- Mida 5 mm por debajo de la tira de contacto de plástico negro y marque la tercera, quinta y sexta puntas desde la izquierda a 5 mm. Snip estas puntas en la marca de 5 mm. Esta longitud se puede modificar para adaptarse a diferentes preguntas de investigación.
- Montar el cabezal del sensor.
- Corte dos piezas de 1 cm de 0,5 pulgadas (13 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad y deslice una sobre cada uno de los cables de termopar y humedad del suelo.
- Mueva el extremo soldado por arco de los cables del termopar sobre la parte superior de la tercera punta recortada para que la punta del termopar esté orientada con el extremo de la punta recortada. Dobla los cables para que sigan la curva superior de la punta.
- Deslice el tubo termorretráctil de sellado de humedad de 0,13 pulgadas (3,3 mm) (desde el paso 1.2.6) sobre la parte curva de la punta y los cables del termopar. Compruebe que el tubo termorretráctil también está cubriendo parte de la chaqueta de cable termopar y utilice una pistola de calor para adherir el tubo termorretráctil en su lugar. Apriete la parte del tubo termorretráctil que está sobre la punta curvada con los dedos para asegurarla.
- Inserte los extremos curvos superiores de las puntas 5 y 6 en la banda de zócalo de dos puntas(Figura 2).
- Mueva la pieza superior de 0,5 pulgadas (13 mm) del tubo termorretráctil de sellado de humedad hacia la cabeza del sensor para que se coloque aproximadamente a 1 cm de la cabeza. Utilice una pistola de calor para adherirla en su lugar, teniendo cuidado de mantener la tira de enchufe firmemente conectada a las puntas 5 y 6 y al cable del termopar en la punta 3.
- Utilice una pistola de calor para adherir la otra pieza de 0,5 pulgadas (13 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad unos pocos centímetros detrás de la pieza anterior de tubo termorretráctil.
- Aplique cinta eléctrica líquida a todos los lados del cable del termopar y la punta 3.
- Aplique cinta eléctrica líquida a todos los lados de la conexión de la toma de corriente, asegurándose de que todo el metal expuesto esté cubierto. Sin embargo, no cubra las puntas recortadas de 5 mm asociadas a esta conexión(Figura 3).
2. Conexión de sensores al registrador de datos y multiplexor
NOTA: Estos sensores deben utilizarse con un multiplexor conectado a un registrador de datos. Todos los pasos de este protocolo se utilizan con el registrador de datos y el multiplexor enumerados en la Tabla de materiales (otros registradores de datos también funcionarían). En cada momento de medición, el registrador de datos abre la comunicación con el multiplexor, que, a su vez, actúa como un relé y permite que la corriente fluya al sensor de resistividad.
- Conecte el multiplexor al registrador de datos mediante cables de audio. Conecte el puerto COM en el registrador de datos al puerto RES en el multiplexor. Conecte el puerto COM separado en el registrador de datos al puerto CLK en el multiplexor. Conecte los puertos G y 12 V en el registrador de datos con los puertos GND y 12 V en el multiplexor, respectivamente.
- Cree un divisor de voltaje en el registrador de datos conectando una resistencia de orificio pasante de 1 k a 0,1% entre un puerto VX y un puerto H DIFF en el registrador de datos.
- Conecte dos cables de audio con un suelo desde este divisor de voltaje al multiplexor. Conecte un cable desde el mismo puerto H DIFF al que está conectado el divisor de voltaje en el registrador de datos al puerto COM ODD L del multiplexor. Asegúrese de que el otro cable conecte un puerto de tierra en el registrador de datos con el puerto COM ODD H en el multiplexor. Asegúrese de que un cable de tierra conecte un suelo del registrador de datos a un suelo en el multiplexor.
- Conecte un cable termopar tipo E al registrador de datos y al multiplexor. El cable púrpura conecta el puerto DIFF 1 H del registrador de datos al puerto COM EVEN H del multiplexor. El cable rojo conecta el puerto DIFF 1 L en el registrador de datos al puerto COM EVEN L en el multiplexor. Asegúrese de que el cable de tierra se conecte a un suelo tanto en el registrador de datos como en el multiplexor.
- Cambie el multiplexor a modo 4 x 16.
- Conecte los sensores al multiplexor. Los cables de audio de humedad del suelo se conectan a los puertos ODD con el cable negro a H y el cable rojo a L. Los cables termopar se conectan a los puertos EVEN con el cable púrpura a H y el cable rojo a L. El orden de los cables del termopar es crucial para las mediciones adecuadas.
3. Sensores de prueba
- Soldar los extremos de una resistencia de película a las puntas en un conector de zócalo de dos clavios utilizando soldadura de plomo y flujo de soldadura.
- Conecte todos los sensores que se probarán al multiplexor.
- Ajuste el programa de registro de datos para escanear cada 30 s, o a una frecuencia preferida para escanear varios sensores.
- Para los sensores de humedad, coloque el conector de toma con resistencia de película en las puntas 5 y 6 del sensor y registre los datos del registrador de datos.
- Coloque la resistencia en cada sensor para asegurarse de que todos dan la misma lectura.
- Supervise los datos del termopar para asegurarse de que están detectando temperaturas similares.
- Para los sensores de temperatura, coloque el extremo del termopar entre dos dedos para asegurarse de que las temperaturas cambian en consecuencia.
4. Sensores de calibración
NOTA: En esta sección se describe el proceso para relacionar la salida del sensor con la humedad del suelo.
- Fabricar el cabezal del sensor de calibración.
- Tira 12 cm de la chaqueta del cable de humedad del suelo.
- Retire el blindaje de lámina de los cables.
- Corte una longitud de 10 cm de ambos cables internos de humedad del suelo de pequeño diámetro.
- Retire aproximadamente 1 cm de vaina de ambos extremos de cada alambre.
- Gire los cables pequeños en cada uno de los extremos y estañe con un soldador.
- Modifique una regleta de ocho clavantes según las mismas especificaciones que los pasos 1.4.1 y 1.4.2.
- Aplique el fundente de soldadura a las curvas superiores de las puntas 5 y 6.
- Soldar los cables a las curvas superiores de las puntas 5 y 6 en la banda de terminales de ocho puntas.
- Sujete las dos puntas exteriores de las tiras terminales de ocho puntas a 5 mm.
- Coloque una pieza de 2 cm de 0,13 pulgadas (3,3 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad en ambos cables.
- Adherir las piezas termorretráctiles lo más cerca posible del cabezal del sensor modificado.
- Coloque dos piezas de 2 cm de 0,13 pulgadas (3,3 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad en ambos cables, una en cada cable. Espere a adherirlos en su lugar en un paso posterior.
- Cortar las dos puntas medias largas de una tira terminal de cuatro puntas a 1 cm.
- Aplique el flujo de soldadura en los extremos curvos superiores de las puntas medias en la regleta de terminales de cuatro puntas.
- Soldar los extremos libres de ambos cables a las puntas de corte de la banda de terminales de cuatro puntas para que las cuatro puntas curvas superiores estén mirando hacia fuera del cabezal del sensor modificado(Figura 4).
- Mueva el encogimiento de calor de sellado de humedad colocado anteriormente hasta la base de la regleta de cuatro clavatres y caliente en su lugar.
- Prepare el cable de humedad del suelo para la calibración.
- Corte un cable de humedad del suelo que tenga la misma longitud que los sensores que se utilizan en el campo.
- Retire la chaqueta del cable a 5 cm del extremo.
- Corte el cable de tierra (sin vaina) en la chaqueta de cable para que no se exponga más allá de la chaqueta.
- Tira 1 cm de las vainas de alambre de pequeño diámetro de los extremos de los cables de humedad del suelo.
- Gire el metal expuesto de cada alambre para consolidar las pequeñas hebras.
- Estañe las pequeñas hebras retorcidas aplicando soldadura al metal expuesto en cada extremo del alambre.
- Corte una pieza de 6 cm de 0,38 pulgadas (10 mm) de tubo termorretráctil de sellado de humedad, colóquela sobre ambos cables y deslícela de nuevo sobre la chaqueta del cable para adherirla en un paso posterior.
- Corte dos piezas de 1,5 cm de 0,13 in (3,3 mm) de tubo termorretráctil y coloque una sobre cada cable. No aplique calor hasta que el cable esté soldado a la tira de enchufe de dos clavatres.
- Aplique el flujo de soldadura a las puntas de la tira de zócalo de dos puntas.
- Soldar los extremos enlatados del cable a los extremos de la tira de enchufe de dos puntas. Tenga cuidado de mantener los dos extremos separados para que no se toquen.
- Mueva las dos piezas de tubo termorretráctil de sellado de humedad de 0,13 pulgadas (3,3 mm) a la base de la toma de corriente de dos puntas para que todas las piezas metálicas estén cubiertas. Utilice la pistola de calor para adherir los tubos termorretráctiles en su lugar, teniendo cuidado de no sobrecalentar y derretir la soldadura debajo de los tubos.
- Mueva el tubo termorretráctil de sellado de humedad de 0,38 pulgadas (10 mm) (del paso 4.2.7) a 1 mm desde el extremo de la tira de enchufe de dos clavatas para que cubra la tira de la toma, los cables de diámetro pequeño y parte de la chaqueta de cable. Utilice la pistola de calor para adherir el tubo termorretráctil en su lugar.
- Cree el contenedor de suelo de calibración (Figura 5).
- Corte un tubo centrífugo desechable de polipropileno de 50 ml a 4 cm de la parte superior de la tapa. Esto creará un tubo con una abertura en un extremo y una tapa extraíble en el otro.
- Utilice una broca para perforar un agujero de 2,5 cm en el centro de la tapa. Una broca paso a paso es fácil de usar y eficaz.
- Corte dos aberturas verticales de 6 mm de separación, comenzando en el extremo abierto del tubo y extendiéndose hasta la parte inferior de la tapa. Utilice un corte perpendicular en la parte inferior de la tapa para conectar las dos ranuras y retirar la tira de plástico(Figura 5). Esto creará un espacio lo suficientemente grande como para insertar los cables de la cabeza del sensor.
- Corte una pieza circular de 6 cm de diámetro de tela de malla de polipropileno. Coloque la malla entre la tapa y el tubo y enrosque la tapa.
- Inserte la banda de terminales de ocho puntas del cabezal del sensor de calibración en el tubo para que los cables se deslicen por el espacio creado en el paso 4.3.3.
- Tape las puntas más largas de la regleta de terminales de cuatro puntas a un lado del extremo abierto del tubo para que las puntas superiores estén mirando hacia fuera del tubo y se puedan conectar fácilmente a la tira de zócalo de dos clavatas del cable de calibración(Figura 5).
- Coloque el recipiente con el cabezal del sensor conectado en un horno de secado de 60oC durante 48 h para eliminar la humedad.
- Calibre el sensor y el suelo.
- Pese los recipientes vacíos de calibración secados al horno junto con un cabezal de sensor de calibración en una balanza con una precisión de 0.0001 g. Esta medición se utilizará para calcular el contenido de agua gravimétrica (GWC) en un paso posterior.
- Realizar calibraciones en un entorno que puede mantener una temperatura constante.
- Preparar el suelo de la biocrust para la calibración.
- Retire la tapa del tubo de calibración y utilice el extremo roscado como molde para cortar una pieza de biocrust del mismo diámetro. La biocrust debe permanecer en el tubo cuando se detiene, pero puede requerir ayuda para mantenerla en el tubo.
- Con un dedo, empuje la muestra de biocrust desde el extremo cortado del tubo para que 3-5 mm de la parte superior de la biocorteza permanezcan en el tubo. Raspa cualquier exceso de tierra que se expulse del extremo roscado del tubo para que la parte inferior de la biocrust quede al ras con la parte inferior del tubo.
- Coloque la malla de polipropileno de 6 cm de diámetro en el extremo roscado, debajo de la biocorteza, y atornille la tapa firmemente.
- Humedezca la muestra de biocrust y fije suavemente el cabezal del sensor en la parte superior del sustrato para que las puntas estén completamente enterradas. Es posible que sea necesario doblar los cables para garantizar que el cabezal del sensor permanece en su lugar y no se mueve durante la calibración.
- Preparar el suelo mineral para la calibración.
- Recoger los suelos de la parte superior 5 mm en el área donde se colocarán los sensores.
- Utilice un tamiz de 2 mm para eliminar rocas grandes y material orgánico del suelo.
- Asegúrese de que la tapa esté atornillada firmemente con la malla de polipropileno de 6 cm de diámetro fijada entre la tapa y el tubo.
- Coloque el suelo tamizado en el recipiente de calibración para que cubra la parte inferior del recipiente a una profundidad de 6 mm.
- Humedezca la muestra del suelo y fije suavemente el cabezal del sensor en la parte superior del sustrato para que las puntas estén completamente enterradas. Es posible que sea necesario doblar los cables para garantizar que el cabezal del sensor permanezca en su lugar y no se mueva durante la calibración.
- Saturar el sustrato (biocrust o suelo) con agua desionizada hasta que una capa de agua brillante sea visible en la superficie.
- Deje que el sustrato saturado se seque durante la noche.
- Antes de iniciar cualquier medición, compruebe que el cabezal del sensor todavía está en su lugar y que las puntas están completamente enterradas en el sustrato.
- Saturar el sustrato con agua desionizada hasta que una capa brillante sea visible en la superficie.
- Secar el sustrato durante 15 min.
- Conecte la banda de zócalo de dos clavatres del cable de humedad del suelo de calibración a las dos puntas internas de la regleta de terminales de cuatro clavatres.
- Programe el registrador de datos para registrar las mediciones cada minuto.
- Encienda el registrador de datos para empezar a recopilar mediciones de resistencia.
- Coloque un ventilador para soplar suavemente aire sobre el recipiente de calibración cuando no se registren pesas para promover el secado.
- Humedezca el sustrato con agua desionizada hasta que un heen sea visible en la superficie.
- Coloque el recipiente de calibración con tierra húmeda sobre una toalla de papel para absorber el agua goteando.
- Desconecte el cable de humedad del suelo de calibración de la regleta de cuatro clavatres.
- Toque ligeramente el recipiente para expulsar el agua que gotea.
- Apague el ventilador antes de colocar el contenedor de calibración en la balanza.
- Coloque el recipiente en la balanza y registre el peso y el tiempo de medición.
- Vuelva a conectar el cable de humedad del suelo a la regleta de cuatro clavatres.
- Vuelva a colocar el recipiente de calibración en la toalla de papel.
- Encienda el ventilador para agilizar el secado.
- Registre pesos cada 15 minutos hasta que el sustrato se haya secado completamente al aire. El secado completo se indica por poco o ningún cambio en los pesos del contenedor de calibración entre las mediciones.
- Coloque el recipiente de calibración, el cabezal del sensor de calibración y el sustrato en un horno de secado de 60 oC durante 48 horas.
- Pesar el sustrato secado al horno, el recipiente y la cabeza del sensor.
- Análisis de datos de calibración del sensor.
- Calcule el peso del sustrato seco restando el peso del contenedor de calibración en seco determinado en el paso 4.4.1 del peso del recipiente de calibración en seco con el sustrato determinado en el paso 4.4.34.
- Calcule el peso del agua para cada punto de tiempo de 15 minutos o la calibración restando el peso del contenedor de calibración en seco con sustrato (paso 4.4.34) de los pesos registrados cada 15 minutos.
- Calcule el GWC para cada punto de tiempo de 15 minutos dividiendo los pesos de agua (paso 4.5.2) por el peso del suelo seco (4.5.1).
- Haga coincidir los tiempos de medición de resistencia con el GWC de cada punto de tiempo de 15 minutos determinado en el paso 4.5.3.
- Determine la curva de calibración a partir del análisis de regresión con GWC como variables dependientes y Siemens como variables independientes (Figura 6). Diferentes tipos de curvas (lineales, de potencia, logarítmicas) pueden ser las más adecuadas para la calibración de diferentes sustratos.
Representative Results
Evaluar el microclima de la superficie del suelo es esencial para comprender y predecir los procesos biológicos, químicos y físicos que se producen allí. Estas sondas ofrecen poderosas oportunidades para monitorear el microclima en la capa superficial misma del perfil del suelo y por lo tanto son valiosas para las evaluaciones de la actividad biológica que se produce en los pocos milímetros superiores del suelo11,12. Estas sondas fueron desarrolladas y refinadas para evaluar los controles sobre la actividad biológica de la corteza del suelo porque la temperatura y la humedad en la biocrust pueden ser críticas para su función2,8,10,12,15. Sin embargo, mientras que estas sondas fueron desarrolladas para suelos fotosintéticos en tierras secas, existe un fuerte potencial para implementarlas en una amplia gama de sistemas, así como para evaluar cómo la temperatura y la humedad varían a lo largo de los perfiles de profundidad del suelo. Por ejemplo, estos sensores se han implementado en un experimento de calentamiento de bosques tropicales para determinar cómo interactúan los tratamientos de calentamiento y la variación natural en el clima para determinar las covariaciones en los procesos del suelo, la temperatura y la humedad.
Sin embargo, hay algunas consideraciones clave antes de implementar sensores de superficie del suelo. Por ejemplo, las curvas de calibración deben desarrollarse para convertir unidades de resistencia en métricas más utilizadas de humedad del suelo, como GWC. El sensor de superficie del suelo mide la resistencia entre las puntas metálicas y los valores de conductividad de salida (inverso de resistencia) en Siemens (1/Ohm). Por lo tanto, se debe realizar la conversión de Siemens a la humedad del suelo. Una serie de propiedades químicas y físicas del sustrato del suelo pueden afectar la relación entre las lecturas de conductancia del sensor en Siemens y la humedad del suelo. Por lo tanto, es fundamental realizar calibraciones específicas del sustrato para convertir las lecturas de la sonda en valores de humedad del suelo. Se muestran los datos de calibración de tres sustratos que demuestran estas diferencias.
La Figura 6 muestra los datos de calibración seca para dos muestras cada uno de los tres sustratos del suelo, cada uno con su propia sonda. Los sustratos se saturaron completamente hasta que una pequeña cantidad de agua era visible en la superficie. Las resistencias de las sondas y el peso del suelo se midieron cada 15 minutos hasta que todas las muestras se secaron. La masa del suelo se utilizó posteriormente para calcular GWC. La Figura 6 muestra regresiones de conductividad y GWC para cada muestra. Los sustratos utilizados para estas calibraciones incluyen suelos de limo (23% arena, 64% limo y 13% arcilla) recogidos en una estación de campo experimental en el Bosque Nacional El Yunque, Puerto Rico; biocrusts dominados por musgo recogidos cerca de Castle Valley, Utah; y suelo de arena fina (92% arena, 3% limo y 5% arcilla) de parcelas de calentamiento experimental cerca de Moab, Utah.
La necesidad de calibraciones de sensores específicos del sustrato se demuestra por la variación en la conductancia de la sonda y la humedad del suelo para cada sustrato. Por ejemplo, las regresiones para las muestras de suelo de limo(Figura 6a) fueron distintas de los otros dos sustratos del suelo. Por lo tanto, la aplicación de la ecuación de regresión del suelo de limo a la biocorteza de musgo, o viceversa, conduciría a valores dramáticamente diferentes. Por otro lado, la relación entre GWC y las resistencias de la sonda para el suelo de arena fina(Figura 6c)y la biocrust de musgo(Figura 6b)fueron similares. Sin embargo, el suelo de arena fina no era capaz de contener tanta agua como el musgo y, en consecuencia, experimentó un secado mucho más rápido. Como hay variación dentro de los sustratos, es importante tener un tamaño de muestra lo suficientemente grande como para producir una curva de calibración precisa y para crear curvas de calibración individuales para todos los sitios.
En un entorno experimental, estos sensores de superficie del suelo se utilizaron para evaluar los efectos del tratamiento de un estudio de manipulación climática cerca de Moab, Utah, EE. UU. Este estudio utilizó lámparas infrarrojas para aumentar la temperatura ambiente de las parcelas en 4 oC en el mismo lugar y con métodos similares descritos por Wertin et al.17. La Figura 7 muestra la temperatura media y el GWC de las parcelas climatizadas y de control para dos eventos de lluvia separados que ocurrieron a principios de mayo de 2018. Las temperaturas medias en las parcelas calentadas fueron consistentemente más altas que las temperaturas medias de las parcelas de control(Figura 7a). En el transcurso de estos dos eventos de lluvia, los sensores de resistividad en las parcelas calentadas registraron menos humedad del suelo que los controles y las parcelas calentadas se secaron más rápidamente(Figura 7b). Cabe señalar que los aumentos de la temperatura pueden conducir a una mayor conductividad de los suelos que deben ser contabilizados por19. La sensibilidad de los componentes de temperatura y humedad de estos sensores de superficie del suelo nos permitió no sólo observar las diferencias de temperatura del tratamiento de calentamiento, sino también cómo afectó a la dinámica de humedad en las parcelas.
Las interacciones de la temperatura y la humedad se investigaron más a fondo en un estudio observacional utilizando estos sensores de superficie del suelo para analizar el momento de la disponibilidad de humedad a las biocrusts durante las condiciones de congelación-deshielo en la meseta de Colorado, EE.UU. Los sensores se colocaron en la parte superior de 5 mm de biocrusts que estaban compuestas principalmente por el musgo Syntrichia caninervis,y la temperatura superficial y la humedad se registraron durante los meses de enero y febrero de 2018. Cuando las temperaturas eran inferiores a 0 oC, la humedad en la superficie del musgo se congelaba y los valores de conductancia de salida del sensor correspondían al 0% de GWC(Figura 8). Sin embargo, a medida que las temperaturas superaban los 0 oC, la helada se derritió en la superficie del musgo y el agua líquida se registró en el sensor de resistividad. En este caso, las mediciones simultáneas de la temperatura y la humedad mostraron cómo las variables interactuaron para afectar potencialmente los procesos biológicos de los organismos existentes en la superficie del suelo.
Figura 1: Interespacios biocrtidos en la meseta de Colorado, EE. UU. En muchos ecosistemas desérticos, los espacios entre plantas a menudo están cubiertos de comunidades de biocrust compuestas de líquenes, musgos y cianobacterias. Dos sensores de temperatura y humedad del suelo fueron colocados en la superficie de la biocorteza de musgo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Recorte de la tira de terminales de ocho puntas. La tira de terminalchapada en oro está orientada con las puntas curvas superiores mirando hacia otro lado. Las puntas están numeradas del 1 al 8, comenzando a la izquierda y moviéndose a la derecha. Las puntas 2, 4 y 7 se cortan al ras con la parte inferior del plástico negro. Las puntas 3, 5 y 6 se cortan a 5 mm por debajo del plástico negro. La punta 3 estabiliza los cables del termopar soldados por arco, mientras que la resistencia se mide entre las clavaciones 5 y 6. Estos funcionan como el sensor de humedad del suelo. Las puntas 1 y 8 sirven como retenes en el suelo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Cabezal del sensor terminado. El cabezal del sensor modificado y el cable del termopar están cubiertos con cinta eléctrica líquida. Es importante mantener las puntas 5 y 6 (el sensor de humedad) limpias y no recubiertas con cinta eléctrica líquida para asegurarse de que no haya contaminación que afecte a las mediciones de resistencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Cabezal del sensor de calibración. La tira de terminalde cuatro puntas se suelda a los cables de modo que se aleje de la cabeza del sensor modificada. El encogimiento térmico del sello de humedad se fija en su lugar cerca de las tiras terminales para evitar la interferencia entre los cables. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Contenedor de calibración y cabezal del sensor. La regleta de terminales de cuatro clavantes está pegada al contenedor y orientada para que pueda conectarse fácilmente a una regleta de enchufe de dos clavtas. Esta colocación permite colocar el cabezal del sensor en la ranura de corte y fijarlo en el sustrato de interés. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Calibraciones del sensor para tres sustratos de suelo. Los porcentajes calculados de contenido de agua gravimétrica (GWC), determinados por la medición de la masa del suelo durante el secado del sustrato, se compararon con los valores de conductividad del sensor de suelo de las sondas (medidos en Siemens). Los datos mostrados son para dos muestras de cada uno de los tres sustratos de suelo distintos. Los sustratos del suelo eran(a ) un suelo franco limos, (b) una biocrust musgo, y (c) un suelo de arena fina. (a) La relación de GWC y los valores de conductancia en suelos predominantemente francos de limo se representó mejor mediante una regresión de potencia. (b) Se observó una fuerte relación lineal de GWC y la conductancia del sensor para las biocrusts dominadas por el musgo Syntrichia caninervis. (c) Una regresión lineal representó mejor la relación entre GWC y las mediciones de conductancia del sensor en suelos de arena fina. A valores altos de GWC, los valores de conductividad difieren de la curva de calibración, lo que indica una posible limitación de los sensores cuando los suelos están saturados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Contenido de temperatura y agua gravimétrica con tratamientos de calentamiento infrarrojo de campo. Temperatura superficial media por hora y GWC registrado a intervalos de 10 minutos en 5 parcelas calentadas y 5 gráficas de control durante 4 días. Los datos provienen de un experimento de cambio global en un ecosistema de estepa semiárida en la meseta de Colorado, EE.UU.17. Los datos muestran que los sensores de superficie del suelo capturaron efectos de tratamiento. (a) Las temperaturas medias en la superficie del suelo fueron consistentemente más altas en las parcelas calentadas. (b) Los efectos del calentamiento también fueron evidentes en los valores de GWC, lo que demuestra que los suelos de parcela calentados mantenían tiempos de secado más rápidos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Temperatura de la biomasa de musgo y contenido de agua gravimétrica durante los eventos de heladas. Temperatura superficial media y GWC de cuatro réplicas de biocrusts de musgo Syntrichia caninervis registrados a intervalos de 10 minutos desde las 9:50 AM 24 de enero de 2018 hasta las 11:20 AM 25 de enero de 2018. Las horas nocturnas se representan en la zona sombreada gris y las horas diurnas en las áreas no sombreadas. Cuando el agua se congelaba en forma de helada en la superficie del musgo, no había conductancia medida por el sensor. Por lo tanto, el GWC era 0. Las condiciones de congelación ocurrieron poco después del anochecer, ya que la temperatura del suelo cayó por debajo de 0 oC. El deshielo se produjo poco después del amanecer, ya que las temperaturas subieron por encima de 0 oC, cuando la helada se derritió y los sensores detectaron el agua líquida. Estos resultados demuestran la eficacia de los sensores para distinguir el agua líquida y el hielo, lo que puede tener implicaciones importantes para una serie de procesos biológicos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
La temperatura superficial del suelo y las sondas de humedad pueden ser herramientas eficaces para analizar la temperatura y el contenido de agua en la superficie del suelo. A excepción de las sondas de humedad de biocrust (BWP) desarrolladas por Weber et al.11, los sensores comunes de temperatura y humedad del suelo no miden explícitamente estas variables ambientales en los pocos milímetros superiores de la superficie del suelo. En el momento del desarrollo, los BHP sólo estimaron la humedad del suelo en la superficie y no la temperatura20. Con el diseño original de BWP utilizado como guía, las sondas descritas en este manuscrito fueron desarrolladas para medir simultáneamente la temperatura y la humedad para evaluar cómo estas variables ambientales interactúan entre sí, así como con procesos biológicos, químicos y físicos en la superficie del suelo.
Hay una serie de consideraciones para garantizar un funcionamiento óptimo de estos sondeos. Al construir el sensor, es importante tener cuidado de no cortar a través de las cubiertas internas y exponer los cables metálicos subyacentes. Esto puede conducir a la variación en la conductancia y la interferencia entre los cables. También es fundamental probar tanto los termopares como los sensores de resistividad para cada sonda en el mismo entorno, para confirmar que están correctamente construidos y que las variaciones en las lecturas se deben a diferencias físicas y químicas en el sustrato del suelo Medido. Durante el proceso de calibración, un número de muestra suficientemente grande de resistencia y calibraciones GWC es fundamental para tener en cuenta correctamente la variación en el suelo o los sustratos de la biocrust. Además, es mejor probar la misma combinación de sonda y sustrato dos veces, de húmedo a seco, ya que es común que estas sondas se 'desvíen' con el tiempo debido a la electrólisis o la corrosión. Además, durante la calibración es importante utilizar muestras de sustrato poco profundas que sólo sean lo suficientemente profundas como para acomodar la longitud de la sonda (es decir, entre 6 y 7 mm), de modo que los pesos de agua medidos sean del agua principalmente en el área de las mediciones de conductancia (entre y alrededor de las sondas). Esto garantiza que los cambios en la masa de agua en los suelos estén directamente relacionados con los cambios en las mediciones de resistencia de las sondas. Por último, al desplegar estas sondas en el campo, es importante fijar correctamente las sondas a la superficie del suelo (por ejemplo, con estacas de jardín no conductoras), lo que limitará la interferencia en las mediciones de conductancia, pero puede garantizar que los sensores no cambien de posición y disminuir la calidad de las mediciones a largo plazo.
También es importante tener en cuenta algunas limitaciones de estos sensores. Debido a que las sondas de resistividad miden sólo 5 mm de largo, sus medidas pueden verse fuertemente afectadas por grandes espacios de poros llenos de aire en sustratos. Los grandes espacios de aire a lo largo de las sondas disminuyen la conectividad del sustrato y generalmente conducen a una menor conductividad medida y, por lo tanto, a un menor contenido de agua estimado, lo que puede no reflejar la humedad real del suelo a grandes escalas. Del mismo modo, la composición química de los suelos puede afectar las lecturas de humedad del suelo. Una mayor salinidad aumentará la conductividad y dará lugar a valores más altos de Siemens21. Ambos problemas deben resolverse con calibraciones adecuadas específicas del sustrato. Sin embargo, algunos suelos pueden mantener diferencias químicas o tener una gran arquitectura espacial de poros que podría convertirlos en entornos pobres para estos sensores. La temperatura también afecta a la conductividad eléctrica de los suelos y, por lo tanto, debe considerarse15. En el futuro, se deben realizar calibraciones de temperatura con estos sensores para determinar cómo cambian las temperaturas la resistencia de los sustratos medidos.
Al igual que las sondas de humedad biocrust desarrolladas por Weber et al.11, estas calibraciones de sensores muestran que las mediciones de resistencia son fiables en el contenido medio de agua, pero que experimentan algunas anomalías en un contenido de agua muy alto y bajo(Figura 6). Además, durante las calibraciones de secado, los valores de resistencia ocasionalmente se leen cero cuando todavía había algo de agua presente en la muestra de sustrato. Esto podría deberse a que la cantidad de sustrato en el contenedor de calibración es ligeramente mayor que el área medida por el sensor. Si el agua estuviera presente fuera del área de resistividad, el sensor leería cero mientras el sustrato todavía tenía humedad presente. Se tuvo cuidado de disminuir el tamaño del sustrato sin comprometer las mediciones de resistencia. A medida que aumenta el contenido de agua, los valores de resistencia dentro del sustrato disminuyen, lo que conduce a mayores salidas de Siemens. Sin embargo, con el contenido de agua más alto, los valores de resistencia aumentan con el aumento del contenido de agua. Esto conduce a un "gancho" en los datos de calibración como se ve en la Figura 1C. Este gancho estaba presente en cada sustrato utilizado para las calibraciones, pero era más prominente en los suelos de arena fina(Figura 6). 11 sugiere que una posible causa de resistencia anormal aumenta a un alto contenido de agua es que el agua adicional diluye los iones en suelos saturados, aumentando así la resistencia.
Estos sensores dependen actualmente del uso de tecnologías existentes de multiplexor y registrador de datos. El multiplexor permite que los sensores se "apaguen" y solo envía una corriente a los sensores a una hora programada. Esto evita que los terminales del sensor de humedad del suelo se corroan. Otras empresas electrónicas proporcionan alternativas de registrador de datos y multiplexor para las sondas, y las placas de circuito sprogramable y las computadoras también podrían incorporarse para un diseño inalámbrico de sensores de temperatura y humedad del suelo, lo que podría representar un avance emocionante.
El diseño y la construcción de sensores permite al investigador personalizar las sondas. La longitud y la dirección de las puntas se pueden manipular para evaluar mejor la humedad en diferentes medios o a diferentes profundidades. El cableado personalizado se puede pedir para permitir diseños con múltiples cabezales de sensor que emanan del mismo cable. Con la adición de opciones de registro de datos y multiplexores económicos, estos sensores proporcionan una opción económica y accesible para que los investigadores midan la temperatura y la humedad del suelo en la superficie del suelo. Esto incluye la medición de eventos difíciles de capturar, como la formación de heladas y rocío(Figura 8),y efectos de tratamiento experimental como el calentamiento(Figura 7). Este documento proporciona una guía paso a paso para la construcción de sensores de superficie del suelo que miden simultáneamente la temperatura y la humedad, que pueden ser utilizados y refinados por cualquier persona interesada en evaluar el entorno de las comunidades de biocrust y las capas de surficia de muchos otros tipos de suelo.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Agradecemos a Robin Reibold por su cuidadosa soldadura por arco y Cara Lauria por su precisión durante las calibraciones. Agradecemos al Dr. Steve Fick y a tres revisores anónimos por sus comentarios útiles sobre un borrador anterior de este manuscrito. Este trabajo fue apoyado por el Programa de Ciencia sin Cambio de Tierras del Servicio Geológico de los Estados Unidos y el Programa de Ciencias de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental del Programa de Ciencias de los Ecosistemas Terrestres (Premios 89243018SSC000017 y DESC-0008168). El trabajo de BW fue apoyado por la Fundación Alemana de Investigación (Grants WE2393/2-1, 2-2), la Sociedad Max Planck y por la Universidad de Graz. Cualquier uso de nombres comerciales, de empresas o de productos es sólo para fines descriptivos y no implica la aprobación por parte del Gobierno de los Estados Unidos.
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
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