Summary
Noggrann mätning av temperatur och vattenhalt i den övre 5 mm av markens yta kan förbättra vår förståelse av miljökontroller på biologiska, kemiska och fysikaliska processer. Här beskriver vi ett protokoll för tillverkning, kalibrering och utförande av mätningar med jordytans temperatur och fukt sensorer.
Abstract
Kvantifiering av temperatur och fukt på jordytan är avgörande för att förstå hur jordytan biota reagerar på förändringar i miljön. Men på marken ytan dessa variabler är mycket dynamisk och standardsensorer inte uttryckligen mäter temperatur eller fukt i de övre få millimeter av marken profil. Denna uppsats beskriver metoder för tillverkning av enkla, billiga sensorer som samtidigt mäter temperaturen och fukten i den övre 5 mm av markens yta. Förutom sensor konstruktion förklaras steg för kvalitetskontroll samt kalibrering för olika substrat. Sensorerna har ett termoelement av typ E för att mäta temperaturen och bedöma markens fuktighet genom att mäta motståndet mellan två guldpläterade sonder i sensorns ände på ett djup av 5 mm. De metoder som presenteras här kan ändras för att anpassa sonder för olika djup eller substrat. Dessa sensorer har varit effektiva i en mängd olika miljöer och har uthärdade månader av häftiga regn i tropiska skogar samt intensiv solstrålning i öknar i sydvästra USA resultaten visar hur effektiva dessa sensorer för att utvärdera uppvärmning, torkning och frysning av markytan i ett globalt förändrings experiment.
Introduction
Miljösensorer är viktiga verktyg för att bedöma, övervaka och förstå ekosystemdynamik. Temperatur och fukt är grundläggande drivkrafter för biologiska processer i marken och påverkar aktiviteten och gemenskapens sammansättning av markorganismer1,2. Dessutom, temperatur och fukt har visat sig påverka tidpunkten för Groddplanta uppkomst och kull sönderdelnings hastigheter3,4,5. I drylands ekosystem toppas ofta markytor som inte täcks av vaskulära växter med samhällen av mossor, lavar och cyanobakterier, så kallade biologiska jord skorpor (biocrust) (figur 1). Dessa gemenskaper finns på smutsa ytbehandlar och tränger igenom sällan djupare än några millimetrar in i smutsa6. Biologiskt jord skorster kan starkt påverka jord stabilisering, vatten infiltration och avdunstning priser, albedo, temperatur, näringsämne Cykling, och jord-atmosfär Co2 utbyte7,8,9. I sin tur, för vissa systemaktiviteten av dessa ytan samhällen kan dominera övergripande mark attribut och satserna i olika processer10. Sensorer som uttryckligen fokuserar mätningar på grunda djup kan hjälpa oss att ytterligare förstå hur temperatur och fukt påverkar fröet grobarhet, nedbrytningshastigheter och reaktioner av jordytan biota, samt många andra ekosystemfunktioner.
Den senaste tidens utveckling inom jord sensorteknik har visat vikten av rumsligt explicita mätningar för att förstå biologiska processer på jordytan11,12. Konventionella metoder för att analysera jord fuktighet införliva sensorer placerade under markytan och ofta integrera mätningar över djup. Marken fukt som registrerats av dessa sonder kan bidra till att informera vår förståelse av miljökontroller på mark organismer, men sannolikt missar många av de nyanser som förekommer på jordytan. För att uttryckligen mäta vattenhalt i de översta millimeter av jord, Weber et al. nyligen utvecklat biocrust väta sonder (BWP) som bestämmer markens fuktighet via elektrisk ledningsförmåga av markens yta till ett djup av 3 mm11. Använda Webers sensorer i samband med 0 till 5 cm integrerade fukt sonder, Tucker et al. visat vikten av fukt sensorer som fokuserar på de översta millimeter av markens yta. I synnerhet, små nederbörd händelser, som var mycket relevanta för aktiviteten av biocrust samhällen, inte registrera för 0-50 mm (dvs 5 cm) integrerade sonder och upptäcktes endast av BWPs12. Sensorer fokuserade på de översta millimeter av jordar är viktiga för att mäta fukt händelser som inte är tillräckligt stora för att infiltrera förbi ytan, men är tillräckliga för att inducera svar från biota på ytan.
Markens yttemperatur är en annan viktig miljöfaktor som driver fysiologiska processer. Dygns markens yttemperaturer kan vara mycket varierande, särskilt i växternas resulterar där den oskuggade jordytan utsätts för stora mängder solstrålning. Också är temperaturen mer variabel på smutsa ytbehandlar än djupare i smutsa profilerar13 eller lufta14. Till exempel, Tucker et al. visade en maximal dygns markyta temperaturområde på nästan 60 ° c (13-72 ° c) som inträffar under endast 24 h. Dessa temperaturer mättes med hjälp av termoelement införas 3 mm i markytan. Under tiden mätte närliggande temperaturavsökningar 50 mm djup en räckvidd på endast 30 ° c (22-52 ° c) under samma dag12. De termoelement som uttryckligen mäter temperaturen vid jordytan visade mycket högre variation än sensorer vid 50 mm djup, eftersom ytsmuterna var 10 ° c kallare på natten och 20 ° c varmare under dagens hetta i förhållande till de 50 mm djupa värdena.
Temperatur representerar en kritisk kontroll över fysiologiska processer. Till exempel, vid konstant jord fukt i laboratorieförhållanden, Co2 förluster från jord ökar dramatiskt med ökande temperaturer i de flesta ekosystem2,15,16. På samma sätt har data från fält klimat manipulation studier som syftar till att öka tomt temperaturer i förhållande till kontroller visat att värmda jordar släppa mer Co2 än närliggande ouppvärmd jord (åtminstone under de första åren av behandlingar17,18) och att biocrusted jordar visar ett liknande svar på uppvärmningen7,9. Både temperatur och fukt har visat sig vara viktiga miljövariabler och sensorer som exakt kan fånga jordytan klimatförhållanden kan belysa hur de påverkar fysiologiska processer av organismer på jordytan11,12.
Detta papper presenterar sensorer som är utformade för att mäta både temperatur och fukt till ett 5 mm djup under markytan, som ger betydande effekt vid bedömningen av hur dessa variabler interagerar med och driver biologiska reaktioner från surficial biota. Typ E termoelement är tillverkad av två metaller (Chromel och constantan), och temperaturförändringar i metaller skapa olika spänningar som registreras av en datalogger. Jord fuktgivaren mäter motståndet mellan två guldpläterade stift. Motståndet påverkas av markens vattenhalt, eftersom mer vatten ökar konfukthalten och därmed minskar motståndet mellan stift. Efter utformningen av Weber et al.11mäter dessa sensorer jord fuktighet till ett djup av 5 mm och inkluderar dessutom ett termoelement för att mäta temperaturen på samma sond. Dessa sensorer ger en förfinad bild av hur temperatur och fuktdynamik varierar i samförstånd på jordytan med hjälp av en enda sond. Dessa sonder ger otaliga möjligheter att utforska hur organismer som lever på ytan reagerar på förändringar i sin omgivning. En ytterligare fördel med dessa sensorer är att de är relativt enkla och billiga att bygga och kalibrera, och forskare kommer att vara lätt kunna anta sin användning.
Följande protokoll beskriver i detalj material och metoder för att konstruera sensorer, inklusive en kontur för att ansluta sensorer till datalogger. Dessa sensorer används kommersiellt tillgängliga loggers, men alla datalogger som kan anslutas till en multiplexer kan användas. Metoder för kalibrering av sensorer till substrat av intresse beskrivs också.
Protocol
1. sensorer för tillverkning
- Kapa lämpliga kabellängder.
- Bestäm det maximala avståndet från datalogger plats till önskad sensorplacering. Redogöra för den ytterligare Kabellängd som behövs för krökningar i kabeln, hinder och fäste till datalogger.
- Skär alla termoelement och jord fukt kablar till denna maximala önskad längd. Skillnader i Kabellängd kan leda till variabla motstånd bland sensorer. Detta problem kan undvikas genom att hålla alla sensorkabel längder samma.
- Förbered termoparkabeln.
- Bandkabel jackan 4 − 5 cm från kabelns ände.
- Remsor de nyexponerade, liten diameter slidor 5 mm från änden av trådarna.
- Arc svetsa ihop de exponerade topparna av trådarna och testa styrkan i den nya svetsen genom att rycka försiktigt på trådarna för att se till att de inte separerar.
Varning: en svetshjälm eller visir ska användas för att skydda mot den strålning som uppstår vid bågsvetsning. Håll allt i arbetsmiljön torr för att undvika potentiella stötar. Arbeta i ett väl ventilerat utrymme för att hålla ångor eller gaser från andnings området. - Doppa Arc-svetsade tips av termoelement kabeln till flytande eltejp för att skydda de exponerade trådarna. Den flytande eltejp bör täcka den exponerade metall av trådarna och minst 3 mm av de små diameter tråd slidor.
Varning: flytande eltejp har brandfarliga ångor som kan irritera luftvägarna. Använd i ett väl ventilerat utrymme borta från öppen eld. Undvik direkt exponering för ögon och hud, eftersom detta kan orsaka irritation. - Låt vätskan eltejp torka i cirka 4 h eller enligt anvisningar från tillverkaren.
- Skär en bit av 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-Seal krympslang som är tillräckligt lång för att täcka den flytande eltejp på den lilla diametern slidor och minst 1 cm av termoelement kabel jacka (ca 6 cm lång). För in trådarna i krympröret och flytta röret tillbaka över kabel jackan. Vänta med att applicera värme tills ett senare steg (steg 1.5.3).
- Förbered jord fukt kabeln.
- Bandkabel jackan 5 cm från kabelns ände.
- Skär jordtråden (inget hölje) av vid kabel jackan så att den inte utsätts utanför jackan.
- Strip 1 cm av de inre små diameter slidor från ändarna av marken fukt ledningar.
- Vrid den exponerade metallen av varje tråd för att konsolidera de små strängarna.
- Tenn de små vridna strängarna genom att applicera lödtenn på den exponerade metallen vid varje kabelände.
Varning: försiktighet bör iakttas vid användning av extremt varma instrument som krävs för lödning. Lödtenn i välventilerade utrymmen och Använd lämpliga ögon-och hudskydd. - Skär en bit av 0,38 i (~ 10 mm) krympslang som är 1 cm längre än avståndet från där kabel jackan var strippad till slutet av de förtent trådarna. Placera detta rör över båda trådarna och Skjut tillbaka den över kabel jackan för att fixa på plats vid ett senare steg.
- Skär två 1,5 cm bitar av 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-Seal krympslang och placera en över varje tråd. Värm inte dessa tills du har lödda tråden till två stift socket Strip.
- Applicera löda Flux till stift på två stift socket Strip.
- Lödtenn de tinnade ändarna av tråden till ändarna av två stift uttaget band. Var noga med att hålla de två ändarna separerade så att de inte vidrör.
- Flytta de två delarna av 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-Seal krympslang till basen av två-stift uttaget band så att alla metalldelar täcks. Använd värmepistol för att fästa krympslang, noga med att inte överhettas och smälta lödtenn under rören.
- Flytta 0,38 i (~ 10 mm) fukt-tätning krympslang till 1 mm från slutet av två stift uttaget band så att den täcker uttaget band, den liten diameter ledningar, och en del av kabel jackan. Använd värme pistolen för att fixa detta krympslang på plats.
- Ändra Kopplingsplint för sensorhuvudet.
- För att modifiera den åtta-stift kopplingsplint, orientera remsan så att de övre stift är böjda bort från vyn. Använd tråd skärmklipp att skära den andra, fjärde och sjunde stift från vänster strax under den svarta plast kontakt remsan (figur 2).
- Mät 5 mm under den svarta kontakt remsan för plast och markera de tredje, femte och sjätte stift från vänster vid 5 mm. klipp dessa stift på 5 mm märket. Denna längd kan modifieras för att passa olika forskningsfrågor.
- Montera sensorhuvudet.
- Skär två 1 cm bitar av 0,5 i (~ 13 mm) fukt-tätning krympslang och skjut en över var och en av termoelement och jord fukt kablar.
- Flytta den Arc-svetsade änden av termoelement ledningar över toppen av den tredje klippta stift så att spetsen av termoelement är orienterad med slutet av klippt stift. Böj trådarna så att de följer den övre kurvan av stift.
- Skjut 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-tätning krympslang (från steg 1.2.6) upp över den böjda delen av stift och termoelement ledningar. Kontrollera att krympslang också täcker en del av termoelement kabel jacka och använda en värmepistol för att fästa krympslang på plats. Pressa den del av krympslang som är över böjda stift med fingrarna för att säkra den.
- Sätt i de övre böjda ändarna på stift 5 och 6 i den två-stift (figur 2).
- Flytta den övre 0,5 i (~ 13 mm) bit fukt-Seal krympslang mot sensorn huvudet så det är placerad ca 1 cm från huvudet. Använd en värmepistol för att fästa den på plats, noga med att hålla uttaget band ordentligt ansluten till stift 5 och 6 och till termoelement tråd på stift 3.
- Använd en värmepistol för att fästa de andra 0,5 i (~ 13 mm) bit fukt-tätning krympslang några centimeter bakom föregående bit av värmekrympslang.
- Applicera flytande elektrisk tejp på alla sidor av termoelement tråd och stift 3.
- Applicera flytande elektrisk tejp på alla sidor av uttaget band anslutning se till att alla exponerade metall är täckt. Täck dock inte över de 5 mm klippta stift som är förknippade med denna anslutning (figur 3).
2. ansluta sensorer till datalogger och multiplexer
Obs: dessa sensorer måste användas med en multiplexer som är ansluten till en datalogger. Alla steg i detta protokoll är för användning med datalogger och multiplexer som anges i tabellen av material (andra datalogger skulle också fungera). Vid varje Mätningstid öppnar datalogger kommunikation till multiplexer, som i sin tur fungerar som ett relä och tillåter ström att strömma till resistivitet sensorn.
- Anslut multiplexer till datalogger med hjälp av ljud ledningar. Anslut COM-porten på datalogger till RES-porten på multiplexer. Anslut den separata COM-porten på datalogger till CLK-porten på multiplexer. Anslut G-och 12 V-portarna på datalogger till GND-och 12 V-portarna på multiplexer.
- Skapa en spänningsavdelare på datalogger genom att ansluta ett genomgående hål 1 kΩ ± 0,1% motstånd mellan en VX-port och en H-diff-port på datalogger.
- Anslut två ljud ledningar med en jord från denna spänningsavdelare till multiplexer. Anslut en kabel från samma H DIFF-port som spänningsavdelaren är ansluten till på datalogger till COM ODD L-porten på multiplexer. Se till att den andra kabeln ansluter en markport på datalogger till COM ODD H-porten på multiplexer. Se till att en jordkabel ansluter en jord från datalogger till en jord på multiplexer.
- Anslut en termoparkabel av typ E till datalogger och multiplexer. Den lila tråden ansluter DIFF 1 H-porten på datalogger till COM även H-porten på multiplexer. Den röda tråden ansluter DIFF 1 L-porten på datalogger till COM även L-porten på multiplexer. Se till att jordkabeln ansluts till en jord på både datalogger och multiplexer.
- Ändra multiplexer till 4 x 16-läge.
- Anslut sensorerna till multiplexer. Jord fukt ljudkablar ansluta till udda portar med den svarta tråden till H och den röda tråden till L. termoelement ledningar ansluta till även hamnar med den lila tråden till H och den röda tråden till L. Ordningen på termoelement ledningar är avgörande för korrekt mätningar.
3. Test sensorer
- Löda ändarna på en film motstånd till stift på en två-stift uttag kontakt med bly lödtenn och lödtenn.
- Anslut alla sensorer som ska testas till multiplexer.
- Justera dataloggnings programmet så att det skannar varje 30-talet, eller till en prioriterad frekvens för skanning av flera sensorer.
- För fukt sensorer, placera uttaget kontakten med film motstånd på stift 5 och 6 av sensorn och registrera data från datalogger.
- Placera motståndet på varje sensor så att de alla ger samma avläsning.
- Övervaka termoelement data för att säkerställa att de känner av liknande temperaturer.
- För temperatursensorer, placera termoelement änden mellan två fingrar för att se till att temperaturerna ändras i enlighet med detta.
4. Kalibrera sensorer
Anmärkning: i detta avsnitt beskrivs processen för att förbinda sensor utgång till jord fuktighet.
- Tillverka huvud för kalibrerings sensorn.
- Strip 12 cm av jackan från jord fukt kabeln.
- Ta bort folien avskärmning från trådarna.
- Skär en 10 cm lång av både inre små diameter jord fukt ledningar.
- Remsa ca 1 cm av mantel av båda ändarna av varje tråd.
- Vrid de små trådarna på var och en av ändarna och tenn dem med en lödkolv.
- Ändra en åtta stift kopplingsplint till samma specifikationer som steg 1.4.1 och 1.4.2.
- Applicera lödflux till de övre kurvorna av stift 5 och 6.
- Lödtenn trådarna till de övre kurvor av stift 5 och 6 på åtta-stift terminalremsa.
- Klipp de två yttre stift av åtta-stift terminalen remsor till 5 mm.
- Placera en 2 cm bit 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-tätning krympslang på båda trådarna.
- Följ värmekrympnings bitarna så nära det modifierade sensorhuvudet som möjligt.
- Placera två 2 cm bitar av 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-tätning krympslang på båda trådarna, en på varje tråd. Vänta med att fästa dem på plats vid ett senare steg.
- Skär de två långa mitten stift av en fyra-stift kopplingsplint till 1 cm.
- Applicera löda Flux till de övre böjda ändarna av de mellersta stift på fyra stift terminalremsa.
- Lödtenn de fria ändarna av båda trådarna till de skurna stift på fyra stift kopplingsplint så att de fyra böjda stift är vända bort från den modifierade sensorn huvudet (figur 4).
- Flytta den tidigare placerade fukt-tätning värmen krympa upp till basen av fyra-stift terminalremsa och värm den på plats.
- Förbered jord fukt kabeln för kalibrering.
- Skär en jord fukt kabel som är lika lång som de sensorer som används i fältet.
- Band kabelns mantel till 5 cm från änden.
- Skär jordtråden (inget hölje) av vid kabel jackan så att den inte utsätts utanför jackan.
- Strip 1 cm av de små diameter tråd slidor från ändarna av marken fukt ledningar.
- Vrid den exponerade metallen av varje tråd för att konsolidera de små strängarna.
- Tenn de små vridna strängarna genom att applicera lödtenn på den exponerade metallen vid varje kabelände.
- Skär en 6 cm bit 0,38 i (~ 10 mm) fukt-Seal krympslang, placera den över båda trådarna, och skjut den tillbaka över kabel jackan för att fästa den vid ett senare steg.
- Skär två 1,5 cm bitar av 0,13 i (~ 3,3 mm) krympslang och placera en över varje tråd. Använd inte värme förrän tråden är fastlödda på den två-stift socket Strip.
- Applicera löda Flux till stift på två stift socket Strip.
- Lödtenn de tinnade ändarna av tråden till ändarna av två stift uttaget band. Var noga med att hålla de två ändarna separerade så att de inte vidrör.
- Flytta de två delarna av 0,13 i (~ 3,3 mm) fukt-Seal krympslang till basen av två-stift uttaget band så att alla metalldelar täcks. Använd värme pistolen för att fästa krympslangarna på plats, och var noga med att inte överhettas och smälta lödtenn under rören.
- Flytta 0,38 i (~ 10 mm) fukthalt krympslang (från steg 4.2.7) till 1 mm från slutet av den två-stift uttaget band så att den täcker uttaget band, de små diameter ledningar, och en del av kabel jackan. Använd värme pistolen för att fästa krympröret på plats.
- Skapa kalibrerings jord behållaren (figur 5).
- Skär en 50 mL polypropen engångscentrifug röret 4 cm från toppen av locket. Detta kommer att skapa ett rör med en öppning i ena änden och ett avtagbart lock på den andra.
- Använd en borrspets för att borra ett hål på 2,5 cm i mitten av locket. En steg borrbit är enkel att använda och effektiv.
- Skär två vertikala slitsar 6 mm isär, med början vid den öppna änden av röret och sträcker sig till botten av locket. Använd ett vinkelrätt snitt längst ner på locket för att ansluta de två springorna och ta bort plastremsan (figur 5). Detta kommer att skapa en tillräckligt stor lucka för att infoga kablarna av sensorn huvudet.
- Skär en 6 cm diameter cirkulär bit polypropen mesh Cloth. Placera maskan mellan locket och röret och skruva på locket.
- För in kalibrerings sensorns åtta-stift-kopplingsplint i röret så att trådarna glider ner i gapet som skapats i steg 4.3.3.
- Tejpa de längre stift på den fyra-stift kopplingsplinten på sidan av den öppna änden av röret så att de övre stift är vända bort från röret och kan lätt anslutas till två stift uttaget band av kalibrerings kabeln (figur 5).
- Placera behållaren med monterat sensorhuvud i en 60 ° c tork ugn för 48 h för att avlägsna eventuell fukt.
- Kalibrera sensor och jord.
- Väg de tomma, ugnstorkade kalibrerings behållarna tillsammans med en kalibrerings sensorhuvudet på en balans med 0,0001 g precision. Denna mätning kommer att användas för att beräkna gravimetrisk vattenhalt (GWC) vid ett senare steg.
- Utför kalibreringar i en miljö som kan bibehålla en konstant temperatur.
- Förbered biocrust jord för kalibrering.
- Ta bort locket på kalibrerings röret och Använd den gängade änden som en form för att skära ut en bit biocrust av samma diameter. Den biocrust bör stanna i röret när drog upp men kan kräva lite hjälp för att hålla den i röret.
- Med ett finger, tryck på biocrust provet från den skurna änden av röret så att 3-5 mm av toppen av biocrust kvar i röret. Skrapa bort överflödig jord som skjuts ut ur den gängade änden av röret så att botten av biocrust är i jämnhöjd med botten av röret.
- Placera 6 cm diameter polypropylen mesh på den gängade änden, under biocrust, och skruva locket på tätt.
- Fukta den biocrust provet och försiktigt fixa sensorn huvudet i toppen av underlaget så att stift är helt begravda. Ledningarna kan behöva böjas för att säkerställa att sensorhuvudet förblir på plats och inte rör sig under kalibreringen.
- Förbered mineraljord för kalibrering.
- Samla jordar från den övre 5 mm vid det område där sensorerna kommer att placeras.
- Använd en 2 mm sikt för att ta bort stora stenar och organiskt material från jorden.
- Se till att locket skruvas på tätt med 6 cm diameter polypropen mesh fast mellan locket och röret.
- Placera sållen jord i kalibrerings behållaren så att den täcker botten av behållaren till ett 6 mm djup.
- Fukta jordprovet och fäst försiktigt sensorn huvudet i toppen av underlaget så att stift är helt begravda. Ledningarna kan behöva böjas för att säkerställa att sensorhuvudet förblir på plats och inte rör sig under kalibreringen.
- Mätta substratet (biocrust eller jord) med avjoniserat vatten tills ett glansigt vatten skikt syns på ytan.
- Låt det mättade underlaget torka över natten.
- Innan du påbörjar några mätningar, kontrollera att sensorn huvudet är fortfarande på plats och stift är alla helt begravda i underlaget.
- Mätta underlaget med avjoniserat vatten tills ett glansigt skikt syns på ytan.
- Torka av underlaget i 15 min.
- Anslut den två-stift socket Strip av kalibrerings jord fukt kabel till de inre två stift på fyra-stift terminalremsa.
- Program mera datalogger för att registrera mätningar varje minut.
- Slå på datalogger att börja samla motstånd mätningar.
- Placera en fläkt för att försiktigt blåsa luft över kalibrerings behållaren när vikter inte registreras för att främja torkning.
- Blöt underlaget med avjoniserat vatten tills en glans syns på ytan.
- Placera kalibrerings behållaren med våt jord på en pappershandduk för att absorbera droppande vatten.
- Koppla bort kalibrerings jord fukt tråden från den fyra-stift kopplingsplint.
- Knacka lätt på behållaren för att utvisa droppande vatten.
- Stäng av fläkten innan du placerar kalibrerings behållaren på balansen.
- Placera behållaren på balansen och registrera vikten och tiden för mätningen.
- Återanslut jord fukthalten till den fyra-stift kopplingsplint.
- Sätt tillbaka kalibrerings behållaren på pappers handduken.
- Sätt på fläkten för att påskynda torkning.
- Rekord vikter var 15 min tills underlaget har helt lufttorkad. Fullständig torkning indikeras med liten eller ingen förändring i kalibrerings containerns vikter mellan mätningarna.
- Placera kalibrerings behållaren, kalibrerings sensorns huvud och substrat i en tork ugn på 60 ° c för 48 h.
- Väg det ugns torkade underlaget, behållaren och sensorhuvudet.
- Analys av sensor kalibreringsdata.
- Beräkna den torra substrat vikten genom att subtrahera den torra kalibrerings Behållarens vikt som bestäms i steg 4.4.1 från vikten av den torra kalibrerings behållaren med substrat bestämd i steg 4.4.34.
- Beräkna vatten vikten för varje 15-minuters tidpunkten eller kalibreringen genom att subtrahera den torra kalibrerings Behållarens vikt med substrat (steg 4.4.34) från de vikter som spelats in var 15: e minut.
- Beräkna GWC för varje 15-min tidpunkten genom att dividera vatten vikter (steg 4.5.2) med torr mark vikt (4.5.1).
- Match motstånd mätnings tider till GWC av varje 15-min tidpunkten bestäms i steg 4.5.3.
- Bestäm kalibreringskurvan från regressionsanalys med GWCs som beroende variabler och Siemens som oberoende variabler (figur 6). Olika typer av kurvor (linjär, effekt, logaritmisk) kan vara lämpligast för kalibrering av olika substrat.
Representative Results
Att bedöma mikroklimatet i markytan är avgörande för att förstå och förutsäga de biologiska, kemiska och fysikaliska processer som förekommer där. Dessa sonder ger kraftfulla möjligheter att övervaka mikroklimatet vid själva ytskiktet av jord profilen och är därför värdefulla för bedömningar av biologisk aktivitet som sker i de översta millimeter av jorden11,12. Dessa sonder utvecklades och förfinades för att bedöma kontroller över biologisk Jord skorpa aktivitet eftersom temperatur och fukt i biocrust kan vara avgörande för dess funktion2,8,10,12,15. Men medan dessa prober utvecklades för fotosyntetiska jordar i drylands, det finns en stark potential för att genomföra dem i ett brett spektrum av system, samt att bedöma hur temperatur och fukt varierar längs markens Djupprofiler. Till exempel, dessa sensorer har satts in i en tropisk skog uppvärmningen experiment för att fastställa hur uppvärmningen behandlingar och naturliga variationer i klimatet samverkar för att avgöra variationer i jord processer, temperatur, och fukt.
Ändå finns det några viktiga överväganden innan du implementerar markytan sensorer. Till exempel, kalibreringskurvor måste utvecklas för att omvandla enheter av resistens till mer allmänt använda mätvärden av jord fuktighet, såsom GWC. Smutsen ytbehandlar avkännaren mäter motstånd mellan belägga med metall stift och matar ut värmeledningsförmåga (inversen av motstånd) värderar i Siemens (1/ohm). Således måste omvandling från Siemens till markfuktighet utföras. Ett antal kemiska och fysikaliska egenskaper hos jord substratet kan påverka förhållandet mellan sensorns värmeledningsförmåga avläsningar i Siemens och markfuktighet. Det är därför viktigt att utföra substratspecifika kalibreringar för att omvandla sond avläsningar till markens fukt värden. Kalibreringsdata från tre substrat som visar dessa skillnader visas.
Figur 6 visar tork kalibreringsdata för två prover var och en av tre jord substrat, var och en med sin egen sond. Substrat var mättade helt tills en liten mängd vatten var synlig på ytan. Sond motstånd och mark vikter mättes var 15 min tills alla prover var torra. Jord massan användes sedan för att beräkna GWC. Figur 6 visar regressioner av värmeledningsförmåga och GWC för varje prov. De substrat som används för dessa kalibreringar inkluderar silt loam jordar (23% sand, 64% Silt, och 13% lera) samlas på en experimentell fältstation i El Yunque National Forest, Puerto Rico; Moss-dominerade biocrusts samlas nära Castle Valley, Utah; och fin sand jord (92% sand, 3% Silt, och 5% lera) från experimentell uppvärmning tomter nära Moab, Utah.
Behovet av grundmaterial-specifika sensorkalibreringar påvisas genom variationen i sond konkonkonktans och markfuktighet för varje substrat. Till exempel var regressioner för silt loam jordprover (figur 6a) skiljer sig från de andra två mark substrat. Därför skulle tillämpa regressionsekvationen för silt loam jord till Moss biocrust, eller vice versa, skulle leda till dramatiskt olika värden. Å andra sidan, förhållandet mellan GWC och sond motstånd för den fina sanden jord (figur 6c) och Moss biocrust (figur 6b) var likartade. Men den fina sanden marken inte kunde hålla så mycket vatten som mossan och på motsvarande sätt upplevt mycket snabbare torkning. Eftersom det finns variation inom substrat, är det viktigt att ha en tillräckligt stor provstorlek för att producera en exakt kalibreringskurva och för att skapa individuella kalibreringskurvor för alla platser.
I en experimentell miljö användes dessa mark sensorer för att utvärdera Behandlingseffekterna av en klimatmanipuleringsstudie nära Moab, Utah, USA. Denna studie använde infraröda lampor för att öka omgivningstemperaturen på tomter med 4 ° c på samma plats och med liknande metoder som beskrivs av Wertin et al.17. Figur 7 visar medeltemperatur och GWC från uppvärmda och kontrollområden för två separata regn händelser som inträffade i början av maj 2018. De genomsnittliga temperaturerna i de värmda skiftena var genomgående högre än de genomsnittliga temperaturerna i kontrollområdena (figur 7a). Under loppet av dessa två regn händelser de resistivitet sensorer i uppvärmda tomter registreras mindre markfuktighet än kontrollerna och de uppvärmda tomter torkade snabbare (figur 7b). Det bör noteras att temperaturökningar kan leda till högre ledningsförmåga av jordar som måste redovisas19. Känsligheten hos både temperatur och fukt komponenter i dessa jordytan sensorer tillät oss att inte bara observera temperaturskillnader i uppvärmningen behandling utan också hur det påverkade fukt dynamik i tomterna.
Samspelet mellan temperatur och fukt utreds ytterligare i en observationsstudie med hjälp av dessa markyta sensorer för att analysera tidpunkten för fukt tillgång till biocruster under frys-Tina villkor på Colorado Plateau, USA. Sensorer placerades i topp 5 mm av biocrusts som bestod främst av mossa Syntrichia caninervis, och yttemperatur och fukt registrerades under månaderna januari och februari 2018. När temperaturen var under 0 ° c, var fukten på ytan av mossan fryst, och sensorns utflödes konconductance värden motsvarade 0% GWC (figur 8). I och med att temperaturen översteg 0 ° c smälte dock Frost vid Moss ytan och det vätske vatten som registrerats på resistivitet sensorn. I detta fall visade samtidiga mätningar av temperatur och fukt hur variablerna interagerade för att potentiellt påverka biologiska processer av organismer som finns på jordytan.
Figur 1: biocrusted resulterar på Colorado Plateau, USA. I många öken ekosystem är utrymmena mellan växter ofta täckta med biocrust samhällen som består av lavar, mossor och cyanobakterier. Två jord temperatur och fukt sensorer placerades i ytan av Moss biocrust. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: klippning av den åtta-stift kopplingsplint. Den guldpläterade kopplingsplint är orienterad med de övre böjda stift vända bort. De stift är numrerade 1 till 8, med början på vänster och flytta höger. Stift 2, 4 och 7 är klippta med botten av den svarta plasten. Stift 3, 5 och 6 skärs på 5 mm under den svarta plasten. Prong 3 stabiliserar Arc-svetsade termoelement ledningar, medan motståndet mäts mellan stift 5 och 6. Dessa fungerar som jord fuktsensorn. Stift 1 och 8 tjänar som holdfastar i marken. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: färdigt sensorhuvud. Den modifierade sensorn huvudet och termoelement kabeln är täckta med flytande eltejp. Det är viktigt att hålla stift 5 och 6 (fuktsensorn) rena och inte belagda med flytande eltejp för att säkerställa att det inte finns någon förorening som skulle påverka motståndet mätningar. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: huvud för kalibrerings sensorn. Den fyra-stift kopplingsplint är lödda till trådarna så att den är vänd bort från den modifierade sensorn huvudet. Fukt tätning värme krympa är fast på plats nära terminalen remsor för att förhindra överhörning mellan trådarna. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: kalibrerings behållare och sensorhuvud. Den fyra-stift kopplingsplint är tejpade till behållaren och orienterade så att den lätt kan anslutas till en två-stift socket Strip. Denna placering gör att sensorn huvudet att placeras i snittet slits och fast i underlaget av intresse. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: sensorkalibreringar för tre jord substrat. Beräknad gravimetrisk vattenhalt (GWC) procentsatser, som bestäms genom mätning av markens massa under substrat torr-Down, jämfördes med jord sensorns konduktansvärden från sonderna (mätt i Siemens). Data som visas är för två prover från vart och ett av tre distinkta jord substrat. Jord substrat var (a) en silt loam jord, (b) en Moss biocrust, och (c) en fin sand jord. (a) förhållandet mellan GWC och värmeledningsförmåga värden i övervägande silt loam jordar var bäst representeras av en effekt regression. (b) ett starkt linjärt förhållande mellan GWC och sensorconductance observerades för biokruster som domineras av Moss syntrichia caninervis. (c) en linjär regression bäst representerade förhållandet mellan GWC och sensorconductance mätningar i fina sandjordar. Vid höga GWC-värden avviker värmeledningsförmåga-värdena från kalibreringskurvan, vilket indikerar en potentiell begränsning av sensorerna när marken är mättad. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: temperatur och gravimetrisk vattenhalt med fält infraröda värmande behandlingar. Timvis genomsnittlig yttemperatur och GWC som spelats in med 10 minuters mellanrum i 5 uppvärmda och 5 kontrollområden under 4 dagar. Data är från ett globalt förändrings experiment i ett semi-torrt stäpp ekosystem på Colorado Plateau, USA17. Data visar att markytan sensorer fångade behandlingseffekter. (a) den genomsnittliga temperaturen vid jordytan var genomgående högre i de värmda tomterna. (b) effekterna av uppvärmningen var också uppenbara i GWC värden, visar att värmas tomt jordar upprätthållas snabbare torktider. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Moss biocrust temperatur och gravimetrisk vattenhalt under Frost händelser. Genomsnittlig yttemperatur och GWC på fyra replikat av Syntrichia caninervis Moss biocrusts registreras vid 10-min intervall från 9:50 AM 24 januari 2018 till 11:20 am 25 januari 2018. Nattliga timmar representeras i det gråa skuggade området och dagtid i de oskuggade områdena. När vatten frystes i form av frost på mossan ytan, det fanns ingen värmeledningsförmåga mätt med sensorn. Således var GWC 0. Frys förhållandena inträffade strax efter nattfallet då jordtemperaturen sjönk under 0 ° c. Upptinning inträffade strax efter soluppgången när temperaturen steg över 0 ° c, när frosten smälte, och det flytande vattnet upptäcktes av sensorerna. Dessa resultat visar hur effektiva sensorerna är för att särskilja flytande vatten och is, vilket kan få viktiga konsekvenser för en rad biologiska processer. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Jordytan temperatur och fukt sonder kan vara effektiva verktyg för att analysera temperatur och vattenhalt på jordytan. Förutom de Biocrust wetness sonder (BWP) som utvecklats av Weber et al.11, vanliga jord temperatur och fukt sensorer inte uttryckligen mäta dessa miljömässiga variabler på de översta millimeter av marken ytan. Vid tidpunkten för utvecklingen uppskattade BWPs endast jord fuktighet vid ytan och inte temperaturen20. Med den ursprungliga BWP-designen som användes som guide utvecklades sonderna som beskrivs i detta manuskript för att samtidigt mäta temperatur och fukt för att bedöma hur dessa miljövariabler interagerar med varandra, samt med biologiska, kemiska och fysikaliska processer på jordytan.
Det finns ett antal överväganden för att säkerställa optimal drift av dessa sonder. Samtidigt bygga sensorn, är det viktigt att noga med att inte skära igenom de inre slidor och exponera de underliggande metall trådarna. Detta kan leda till variation i värmeledningsförmåga och överhörning bland trådarna. Det är också viktigt att testa både termoelement och resistivitet sensorer för varje sond i samma miljö, för att bekräfta att de är korrekt konstruerade och att variationer i avläsningar beror på fysiska och kemiska skillnader i marken substrat som Mätt. Under kalibreringsprocessen är ett tillräckligt stort prov antal motstånd och GWC kalibreringar avgörande för att korrekt redogöra för variation i jord eller biocrust substrat. Dessutom är det bäst att testa samma sond och substrat kombination två gånger, från våt till torr, eftersom det är vanligt att dessa sonder att "glida" över tid på grund av elektrolys eller korrosion. Dessutom, under kalibrering är det viktigt att använda grunda substrat prover som bara är tillräckligt djupa för att rymma sonden längd (dvs., mellan 6 och 7 mm), så att uppmätta vatten vikter är från vatten främst i området av värmeledningsförmåga mätningar (mellan och runt sonderna). Detta säkerställer att förändringar i vattenmassan i marken är direkt relaterade till förändringar i resistensmätningar av sonderna. Slutligen, när du distribuerar dessa sonder i fältet, är det viktigt att ordentligt säkra sonderna till markytan (t. ex. med icke-ledande trädgård Stakes), som kommer att begränsa interferens i konduktans mätningar men kan se till att sensorerna inte flytta positionen och minska kvaliteten på långtidsmätningar.
Det är också viktigt att notera vissa begränsningar av dessa sensorer. Eftersom resistivitet sonderna är bara 5 mm lång, kan deras mätningar påverkas starkt av stora luftfyllda porutrymmen i substrat. Stora luft luckor längs sonderna minska anslutningen av substratet och i allmänhet leda till lägre uppmätt ledningsförmåga och därmed lägre beräknad vattenhalt, som inte kan vara reflekterande av den faktiska marken fukt över större skalor. På samma sätt kan den kemiska sammansättningen av jordar påverka markens fukt avläsningar. Högre salthalt kommer att öka ledningsförmågan och leda till högre Siemens värden21. Båda frågorna bör lösas med lämpliga substrat-specifika kalibreringar. Vissa jordar kan dock bibehålla kemiska skillnader eller ha stora porrum arkitektur som kan göra dem fattiga miljöer för dessa sensorer. Temperaturen påverkar också markens elektriska ledningsförmåga och måste därför betraktas som15. I framtiden bör Temperaturkalibreringar med dessa sensorer utföras för att avgöra hur temperaturen förändrar resistensen hos uppmätta substrat.
Liksom Biocrust wetness sonder som utvecklats av Weber et al.11, dessa sensorer kalibreringar visar att motståndet mätningar är tillförlitliga på medelhög vatteninnehåll, men att de upplever vissa avvikelser vid mycket hög och lågvatten innehåll (figur 6). Dessutom, under torr-Down kalibreringar, motstånd värden ibland läsa noll när det fortfarande fanns en del vatten som finns i underlaget provet. Detta kan bero på att mängden substrat i kalibrerings behållaren är något större än det område som mäts av sensorn. Om vatten var närvarande utanför resistivitet området, skulle sensorn läsa noll medan underlaget fortfarande hade fukt närvarande. Försiktighet har vidtagits för att minska substrat storlek utan att kompromissa motstånd mätningar. När vattenhalt ökar, resistens värden inom substratet minskar, vilket leder till högre Siemens utgångar. Men vid de högsta vatteninnehåll, resistens värden ökar med ökande vattenhalt. Detta leder till en "krok" i kalibreringsdata som visas i figur 1C. Denna krok var närvarande i varje substrat som används för kalibreringar men var mest framträdande i de fina sandjordar (figur 6). Weber et al.11 föreslår att en potentiell orsak till onormal resistens ökar vid höga vatteninnehåll är att ytterligare vatten späds joner i mättade jordar, vilket ökar motståndet.
Dessa sensorer är för närvarande beroende av befintliga multiplexer och data logger teknik. Multiplexer tillåter sensorer att vara "avstängd" och endast sänder en ström till sensorerna vid en programmerad tid. Detta förhindrar att jord fukt sensorns terminaler korroderar. Andra elektroniska företag tillhandahåller datalogger och multiplexer alternativ för sonderna, och programmerbara kretskort och datorer kan också införlivas för en trådlös design av jord temperatur och fukt sensorer, som kan representera en spännande framsteg.
Designa och bygga sensorer gör det möjligt för forskaren att anpassa sonderna. Längden och riktningen av stift kan manipuleras för att bättre bedöma fukt i olika medier eller på olika djup. Anpassade ledningar kan beställas för att möjliggöra konstruktioner med flera sensor huvuden som utgår från samma kabel. Med tillägg av billig dataloggning och multiplexer alternativ, dessa sensorer ger ett billigt och tillgängligt alternativ för forskare att mäta temperatur och markfuktighet på jordytan. Detta inkluderar mätning av svåra att fånga händelser, såsom frost och daggbildning (figur 8), och experimentella behandlingseffekter såsom uppvärmning (figur 7). Detta papper ger en steg-för-steg-guide för att bygga jordytan sensorer som samtidigt mäter temperatur och fukt, som kan användas och förfinas av alla som är intresserade av att bedöma miljön i biocrust samhällen och de surficial lagren av många andra jordtyper.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Vi tackar Robin Reibold för hans noggranna bågsvetsning och Cara Lauria för hennes precision under kalibreringar. Vi är tacksamma för Dr Steve fick och tre anonyma granskare för deras hjälpsamma kommentarer om ett tidigare utkast till detta manuskript. Detta arbete stöddes av den amerikanska geologiska undersökningen land Change Science program och US Department of Energy Office of Science, kontoret för biologisk och miljömässig forskning terrestra ekosystem Sciences program (Awards 89243018SSC000017 och DESC-0008168). Arbetet av BW stöddes av den tyska forskning fundamentet (bidrag WE2393/2-1, 2-2), den Max Planck samhället och vid universitetar av Graz. All användning av handels-, firma-eller produktnamn är endast för beskrivande ändamål och innebär inte godkännande av den amerikanska regeringen.
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).
