Sul posto Sensori di umidità del suolo in terreni indisturbati

Summary

La determinazione del contenuto di acqua del suolo è un requisito fondamentale per molte agenzie statali e federali. Questo protocollo sintetizza gli sforzi multi-agenzia per misurare il contenuto di acqua del suolo utilizzando sensori sepolti in situ .

Abstract

L'umidità del suolo influisce direttamente sull'idrologia operativa, sulla sicurezza alimentare, sui servizi ecosistemici e sul sistema climatico. Tuttavia, l'adozione dei dati sull'umidità del suolo è stata lenta a causa della raccolta di dati incoerente, della scarsa standardizzazione e della durata delle registrazioni in genere breve. L'umidità del suolo, o contenuto quantitativo volumetrico di acqua del suolo (SWC), viene misurata utilizzando sensori in situ interrati che deducono SWC da una risposta elettromagnetica. Questo segnale può variare considerevolmente con le condizioni locali del sito come il contenuto di argilla e mineralogia, la salinità del suolo o la conduttività elettrica di massa e la temperatura del suolo; Ognuno di questi può avere impatti diversi a seconda della tecnologia del sensore.

Inoltre, lo scarso contatto con il suolo e il degrado del sensore possono influire sulla qualità di queste letture nel tempo. A differenza dei sensori ambientali più tradizionali, non esistono standard, pratiche di manutenzione o controlli di qualità accettati per i dati SWC. In quanto tale, SWC è una misura impegnativa da implementare per molte reti di monitoraggio ambientale. Qui, cerchiamo di stabilire uno standard di pratica basato sulla comunità per i sensori SWC in situ in modo che la ricerca e le applicazioni future abbiano una guida coerente sulla selezione del sito, l'installazione dei sensori, l'interpretazione dei dati e la manutenzione a lungo termine delle stazioni di monitoraggio.

La videografia si concentra su un consenso multi-agenzia di best practice e raccomandazioni per l'installazione di sensori SWC in situ . Questo documento presenta una panoramica di questo protocollo insieme ai vari passaggi essenziali per la raccolta di dati SWC di alta qualità e a lungo termine. Questo protocollo sarà utile a scienziati e ingegneri che sperano di implementare una singola stazione o un'intera rete.

Introduction

L'umidità del suolo è stata recentemente riconosciuta come una variabile climatica essenziale nel Global Observing Climate System¹. L'umidità del suolo, o contenuto volumetrico quantitativo di acqua del suolo (SWC), svolge un ruolo importante nella ripartizione del flusso di radiazione in entrata in calore latente e sensibile tra la superficie terrestre e l'atmosfera e nella ripartizione delle precipitazioni tra deflusso e infiltrazione². Tuttavia, la variabilità spazio-temporale dell'umidità del suolo alle scale punto, campo e spartiacque complica la nostra capacità di misurare SWC alla scala appropriata necessaria per raggiungere gli obiettivi di ricerca o gestione³. Nuovi metodi per quantificare SWC, comprese le reti terrestri di sensori in situ , rilevatori prossimali e telerilevamento, offrono opportunità uniche per mappare la variazione di SWC a una risoluzione senza precedenti⁴. Sul posto I sensori SWC forniscono i record di dati più temporalmente continui e specifici per la profondità, ma sono anche soggetti a piccoli volumi di rilevamento e variabilità su scala locale inerente alle proprietà del suolo, alla topografia e alla copertura vegetale⁵.

Inoltre, mancano standard o metodi ampiamente accettati per l'installazione, la calibrazione, la convalida, la manutenzione e il controllo di qualità dei sensori SWC in situ . L'umidità del suolo è intrinsecamente un parametro difficile da misurare e può essere la variabile più difficile per garantire la qualità⁶. Mentre i protocolli generali per la raccolta dei dati SWC sono stati prodotti dall'Agenzia internazionale per l'energia atomica⁷, dal Comitato sui satelliti di osservazione della Terra⁸, dai rapporti dell'agenzia federale⁹ e dall'Associazione americana dei climatologi statali¹⁰, vi sono indicazioni specifiche limitate sull'installazione, la manutenzione, il controllo di qualità e la verifica dei dati SWC da sepolti in situ . Sonde. Ciò ha reso difficile l'adozione di tali tecnologie per le reti di monitoraggio operativo, come i Mesonet statali, per aggiungere misurazioni SWC. Allo stesso modo, è anche difficile per gli idrologi operativi, ad esempio nei centri di previsione fluviale, incorporare questi dati nel loro flusso di lavoro. L'obiettivo di questa videografia e del documento di accompagnamento è quello di fornire tale guida e documentare un protocollo di installazione coerente per sonde SWC interrate in situ .

Selezione di una posizione per il monitoraggio dell'umidità del suolo in situ
I suoli all'interno di qualsiasi area di interesse (AOI) si formano attraverso un feedback unico e accoppiato nel tempo tra la topografia, l'ecologia, la geologia e il clima^11,12. La variabilità di SWC tra i paesaggi rende la selezione del sito un aspetto critico per qualsiasi studio sull'umidità del suolo. Per alcuni obiettivi di ricerca, un sito può essere scelto per rappresentare una particolare caratteristica o microsito sul paesaggio o sull'ecosistema. Ai fini del monitoraggio delle reti, il sito dovrebbe essere rappresentativo spazialmente di una componente paesaggistica più ampia. L'obiettivo è trovare una posizione che fornisca la migliore rappresentazione spaziale dell'AOI. Sul campo, devono essere raggiunte considerazioni più pragmatiche, come i requisiti di altre strumentazioni meteorologiche, l'accessibilità o il permesso. Tuttavia, l'unità di mappa del suolo dominante all'interno dell'AOI è di solito una buona rappresentazione spaziale delle condizioni ambientali di un'area più ampia¹³. L'unità di mappa del suolo dominante può essere determinata utilizzando il Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Questa unità di mappa del suolo dovrebbe anche essere verificata con una fossa poco profonda o un foro di prova.

Una tipica stazione di monitoraggio può occupare 5-50 m², a seconda delle esigenze del sensore e del numero di misurazioni ausiliarie. La figura 1 mostra una tipica stazione di monitoraggio con una torre di 3 m che contiene un anemometro per la velocità e la direzione del vento, un sensore di temperatura dell'aria e umidità relativa, un piranometro per la radiazione solare e un involucro resistente agli agenti atmosferici e impermeabile della National Electrical Manufacturers Association (NEMA rating 4). L'involucro NEMA ospita la piattaforma di controllo dati (DCP), il modem cellulare, il regolatore di carica del pannello solare, la batteria e altro hardware correlato (vedere la tabella dei materiali; Componenti di sistema). La torre fornisce anche una piattaforma per l'antenna di comunicazione, il pannello solare e il parafulmine. In genere è incluso anche un misuratore di precipitazione liquida (PPT), che dovrebbe essere posizionato lontano dalla torre e alla quota più bassa possibile per ridurre gli effetti del vento sulla cattura PPT. I sensori SWC devono essere installati a una distanza sufficiente (3-4 m) e in salita in modo che non vi siano potenziali interferenze dalla torre sulle precipitazioni o sul flusso terrestre. Eventuali cavi correlati devono essere interrati in un condotto ad almeno 5 cm sotto la superficie.

Figura 1: Una tipica stazione di monitoraggio. L'USDA SCAN raccoglie informazioni orarie sul contenuto e la temperatura dell'acqua del suolo a profondità standard (5, 10, 20, 50 e 100 cm), temperatura dell'aria, umidità relativa, radiazione solare, velocità e direzione del vento, precipitazioni e pressione barometrica. Ci sono oltre 200 siti SCAN negli Stati Uniti. Abbreviazioni: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Associazione nazionale dei produttori elettrici. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Profondità di misura, orientamento e numero di sensori
Sul posto I sensori SWC sono tipicamente installati orizzontalmente per rappresentare profondità specifiche nel terreno (Figura 2). Finanziate a livello federale, reti nazionali come la Soil Climate Network (SCAN)¹⁴, la Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 e la U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 misurano SWC a 5, 10, 20, 50 e ¹⁰⁰ cm. Queste profondità sono state raggiunte per consenso durante lo sviluppo di SCAN per una serie di motivi. La profondità di 5 cm corrisponde alle capacità di telerilevamento¹⁷; Le profondità di 10 e 20 cm sono misurazioni storiche per la temperatura del suolo¹⁸; Le profondità di 50 e 100 cm completano l'accumulo dell'acqua del suolo della zona radicale.

Le sonde possono essere orientate verticalmente, orizzontalmente o inclinate/angolate (Figura 3). L'installazione orizzontale è più comune per ottenere una misurazione uniforme della temperatura del suolo a una profondità discreta. Mentre il sensore può essere centrato a una profondità discreta, la misurazione SWC è un volume attorno ai denti (cioè elettrodi), che può variare con i livelli di umidità, la frequenza di misurazione e la geometria dell'installazione (orizzontale, verticale o angolata). Per l'installazione orizzontale, il volume di rilevamento integra l'umidità sopra e sotto la profondità e il 95% del volume di rilevamento si trova in genere entro 3 cm dai denti¹⁹. Le installazioni verticali o angolate integrano SWC lungo i denti, quindi l'installazione verticale può rappresentare lo stoccaggio lungo l'intera lunghezza delle profondità del sensore²⁰. Alcuni sensori non misurano uniformemente lungo i loro denti. Ad esempio, gli oscillatori della linea di trasmissione sono più sensibili all'umidità vicino alla testa della sonda dove vengono generati gli impulsi elettromagnetici²¹. Le installazioni verticali sono più adatte per sonde più profonde in cui i gradienti di temperatura e umidità tendono a ridursi.

Figura 2: Installazione di sensori SWC in situ . Posizionamento orizzontale del sensore alle profondità scelte utilizzando (A,B) una maschera di riferimento a profondità zero e (C) una tavola a profondità zero o (D) una pala a profondità zero come riferimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Orientamento delle sonde verticalmente, orizzontalmente o con un'inclinazione . (A) Inserimento inclinato e verticale e (B) inserimento orizzontale-verticale e profondità centrale di inserimento orizzontale-orizzontale di un sensore SWC a tre punte. Abbreviazione: SWC = contenuto di acqua del suolo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

L'installazione a profondità inferiori a 50 cm è relativamente intuitiva, mentre i sensori più profondi richiedono uno sforzo leggermente maggiore. La zona radicale SWC o il profilo dell'acqua del suolo richiedono in genere misurazioni fino a 1 o 2 m. Come illustrato in questo protocollo, le installazioni da 0 a 50 cm sono completate in una fossa scavata o in un foro a coclea con sonde installate orizzontalmente nel terreno indisturbato, riducendo al minimo il disturbo superficiale. Per sensori più profondi (ad esempio, 100 cm), sia SCAN che USCRN installano il sensore verticalmente in fori separati a coclea manuale utilizzando un palo di estensione (Figura 4).

Data l'eterogeneità di SWC, in particolare vicino alla superficie, e i piccoli volumi di misurazione dei sensori, le misurazioni triplicate consentono una migliore rappresentazione statistica di SWC. Tuttavia, un profilo di sensori in situ è tipico per la maggior parte delle reti (ad esempio, SCAN e SNOTEL). L'USCRN utilizza tre profili distanziati di 3-4 m per effettuare misurazioni triplicate a ciascuna profondità¹⁶. Inoltre, la ridondanza nella misurazione aggiunge resilienza e continuità al record della stazione se sono disponibili risorse finanziarie.

Figura 4: Installazione di sensori . (A) I sensori poco profondi sono tipicamente installati orizzontalmente nella parete laterale di una fossa di terreno scavata. Per i sensori più profondi, (B) una coclea manuale viene utilizzata per scavare un foro in profondità utilizzando un riferimento a profondità zero (ad esempio, il legno che attraversa la trincea) e i sensori vengono spinti verticalmente nel fondo dei fori utilizzando (C) una sezione di tubo in PVC modificata per fissare il sensore e il cavo durante l'installazione o (D) uno strumento di installazione. Gli strati di suolo sono noti come orizzonti del terriccio (A horizon) e del sottosuolo con argille traslocate (Bt) e accumulo di carbonato (Bk). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tipo di sensore SWC in situ
I sensori disponibili in commercio deducono SWC dalla risposta misurata a un segnale elettromagnetico propagato lungo i denti a diretto contatto con il suolo²². I sensori interrati rientrano in cinque classi a seconda del tipo di segnale elettromagnetico propagato e del metodo di misurazione della risposta: capacità, impedenza, riflettometria nel dominio del tempo, trasmissometria nel dominio del tempo e oscillazione della linea di trasmissione (tabella supplementare S1, con collegamenti alle informazioni di ciascun produttore). Queste tecnologie tendono a raggrupparsi per frequenza operativa e produttore. I denti più lunghi integrano un volume maggiore di terreno; tuttavia, possono essere più difficili da inserire e sono più soggetti a perdita di segnale in terreni con argilla e maggiore conducibilità elettrica di massa (BEC). I produttori segnalano errori di misurazione SWC di 0,02-0,03 m³m−3, mentre gli utenti in genere trovano che questi siano significativamente più grandi ²³. Una corretta calibrazione e standardizzazione dei sensori elettromagnetici migliora le prestazioni²²; Tuttavia, queste calibrazioni specifiche del suolo esulano dallo scopo di questo protocollo, che si concentra sull'installazione.

La selezione del sensore deve considerare l'uscita desiderata, il metodo di misurazione, la frequenza operativa e la compatibilità con altre misurazioni. Prima del 2010, la maggior parte dei sensori SWC erano analogici e richiedevano al DCP di effettuare misurazioni di tensioni differenziali, resistenze o conteggi di impulsi, il che richiedeva componenti più costosi e singoli canali (o multiplexer) per ciascun sensore. Ora, l'interfaccia dati seriale a 1.200 baud (SDI-12) protocolli di comunicazione (http://www.sdi-12.org/) consente ai sensori intelligenti di implementare algoritmi di misurazione interni e quindi trasmettere dati digitali lungo un singolo cavo di comunicazione. Ogni sensore può essere collegato insieme in sequenza (cioè una catena a margherita) utilizzando un filo comune collegato da connettori a leva o morsettiera (Figura 5) con ciascun sensore con un indirizzo SDI-12 univoco (0-9, a-z e A-Z). Il filo di comunicazione comune dei sensori SDI-12 forma un singolo circuito insieme a un cavo di alimentazione e di terra. Non sono richiesti multiplexer o misurazioni al DCP; invece, il DCP invia e riceve semplicemente comandi digitali e righe di testo. Molti sensori SWC SDI-12 includono anche la temperatura del suolo, la permittività relativa (ε) e le misurazioni BEC. Tali misurazioni sono utili per la diagnostica del sensore e la calibrazione specifica del suolo. A questo punto, l'utente ha selezionato un sito, determinato il tipo, il numero e le profondità del sensore e ottenuto tutti gli strumenti hardware e di campo necessari (Table of Materials). Pertanto, possono procedere al protocollo di installazione.

Figura 5: Connettori di giunzione a filo e morsettiere utilizzati per unire i comuni cavi di alimentazione, di terra e di comunicazione a un singolo ingresso sulla piattaforma di raccolta dati. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Protocol

1. Preinstallazione dei sensori

1. Controllare l'indirizzo SDI-12. I sensori sono impostati su un indirizzo predefinito dal produttore. Collegare separatamente ciascun sensore a una piattaforma di controllo dati (DCP) utilizzando il comando ?! per interrogare l'indirizzo del sensore.
   NOTA: ogni sensore su una linea dati comune deve avere un indirizzo univoco (ad esempio, 0-9). Fare riferimento al manuale del sensore per l'indirizzamento SDI-12 e la modifica del valore di un sensore, se necessario.
2. Prendi una misura (ad esempio, "aM!", dove a è l'indirizzo) in aria, sabbia asciutta e immersa nell'acqua.
   NOTA: le misurazioni dell'aria dovrebbero leggere 0,00 m 3 m-3 (permittività relativa [ε] ~ 1), giocare sabbia < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) e acqua ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
3. Registrare questi valori insieme al numero di serie e all'indirizzo SDI-12 di ciascun sensore in un libro di laboratorio. Utilizzando un marcatore, etichettare la testa del sensore e l'estremità del cavo con il numero di indirizzo.
4. Controllare il programma DCP. Alcuni DCP sono plug-and-play, ma la maggior parte richiede un programma per effettuare misurazioni e registrare dati. Configurare i sensori SWC e tutti i sensori ausiliari in laboratorio, collegandoli tutti al DCP e alla batteria. Lasciare i sensori SWC sospesi nell'aria, inseriti nella sabbia asciutta o immersi nell'acqua, assicurandosi che i denti non si tocchino.
   NOTA: le misurazioni dell'aria dovrebbero essere 0,00 m 3 m-3 (permittività relativa [ε] ~ 1), giocare sabbia < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) e acqua ~ 1,00 m 3 ^m-3 (ε ~ 80).
5. Lascia che il sistema funzioni durante la notte o più a lungo. Verificare che i dati vengano registrati alle velocità appropriate e che i valori (ad esempio, numero corretto di colonne, cifre significative) siano appropriati.
6. Controllare anche eventuali uscite ausiliarie del sensore SWC (ad esempio, temperatura e BEC). Consentire al sistema di funzionare per almeno 1 giorno. Verificare che le tabelle di dati siano corrette.
   NOTA: alcuni DCP sono plug-and-play, ma la maggior parte richiede un programma per effettuare misurazioni e registrare dati.

2. Determinare il layout del campo

1. Prima di iniziare qualsiasi scavo, chiamare il numero 811 (Stati Uniti e Canada) almeno 2 giorni prima dello scavo per verificare la presenza di eventuali infrastrutture sotterranee (ad esempio, cavi elettrici, approvvigionamento idrico, tubi del gas). La mancata assicurazione di tali autorizzazioni può comportare sanzioni e responsabilità sostanziali.
2. Verificare l'unità della mappa del suolo nella posizione della fossa. Utilizza l'app USDA SoilWeb, disponibile per smartphone iOS e Android, per interrogare la posizione. Scavare un foro di prova utilizzando una coclea manuale di 5-10 cm di diametro per verificare che la texture del campo sia coerente con la descrizione dell'unità della mappa. Verificare eventuali problemi come strati duri (ad esempio, padelle di aratri, caliche o orizzonti argillici) o strati con alti frammenti di roccia; Entrambi i casi possono rendere difficile o addirittura impossibile l'inserimento della sonda.
3. Determinare la posizione migliore per i sensori. Ogni sensore sarà installato nella faccia verticale di un terreno indisturbato.
   NOTA: Se esiste una pendenza, la fronte di taglio deve essere in salita per ridurre al minimo il flusso preferenziale che si verifica attraverso il terreno disturbato e lungo le trincee dei cavi.
4. Utilizzare un piccolo foglio di compensato (1 m²) o un telo per proteggere la superficie del terreno e impedire ai lavoratori sul campo di macinare sul terreno indisturbato.
5. Determinare la posizione dell'albero dello strumento. Assicurarsi che i sensori siano adeguatamente lontani dal palo per ridurre al minimo il traffico pedonale e gli eventuali effetti della torre.
   NOTA: i cavi di riserva da 5 m sono generalmente sufficienti per la maggior parte delle installazioni.
   1. Utilizzare la lunghezza del cavo più corta possibile per ridurre al minimo il disturbo superficiale e il rischio di rottura.
      NOTA: Se il palo dello strumento è già installato in un sito esistente, potrebbe essere necessario un cavo più lungo per raggiungere un terreno rappresentativo; in alternativa, potrebbero essere prese in considerazione tecnologie wireless (vedere "Ulteriori riflessioni sulla selezione del sito").
   2. Assicurarsi che la distanza totale dal supporto dello strumento sia compresa tra l'80% e il 90% della lunghezza del cavo per tenere conto del cavo aggiuntivo necessario per il passaggio dalla profondità di installazione, attraverso il condotto e fino all'involucro.
      NOTA: la gestione dei cavi può essere scomoda quando molti sensori SWC arrivano a un punto centrale.
   3. I cavi più sottili richiedono l'interramento in condotti in PVC, mentre i cavi più rigidi e spessi possono essere interrati direttamente. Per entrambi, scavare una trincea profonda >10 cm e larga 10-15 cm.
   4. Assicurarsi che l'involucro abbia un punto di ingresso per tutti i sensori fuori terra e una porta del condotto per i sensori sotterranei (Figura 5). Montare il contenitore ad un'altezza comoda (1 m) per il cablaggio.
   5. Raccomandazione: srotolare un sensore. Appoggiare la testa del sensore sulla faccia della fossa e posizionarla sull'estremità del cavo sul supporto dello strumento. Verificare che la lunghezza del cavo sia corretta e regolarla in base alle esigenze.

3. Scavo della fossa del terreno

NOTA: La fossa del terreno può essere scavata manualmente o meccanicamente. L'obiettivo è ridurre al minimo il disturbo generale del sito.

1. Per la fossa scavata a mano, posare un altro telo più grande (2 m²) adiacente all'area di scavo. Utilizzare una vanga stretta (ad esempio, tiratore scelto) per scavare un foro rettangolare ad una profondità di ~ 55 cm. Assicurarsi che la superficie della fossa, attualmente protetta da compensato o telo (fase 2.4), sia verticale (o leggermente tagliata) in modo che ogni sensore abbia terreno indisturbato sopra di essa. Assicurarsi inoltre che la fossa sia larga 20-40 cm e ~ 25% più lunga della lunghezza totale del sensore. Inizia a rimuovere il terreno con incrementi di 10 cm e posiziona ogni sollevamento all'estremità del telo, avvicinandoti ad ogni incremento; rompere eventuali zolle e rimuovere grandi rocce.
   NOTA: Assicurarsi che l'area di scavo sia la più piccola possibile e lasci spazio sufficiente per inserire la sonda orizzontale più profonda.
2. Per la coclea idraulica del palo del foro, utilizzare un diametro largo (>30 cm) e una coclea montata su rimorchio lunga 1 m.
   NOTA: Le coclee per due o una persona possono essere pericolose.
   1. Impostare la coclea ~ 5 cm indietro dalla faccia della fossa prevista.
   2. Perforare fino a >50 cm, sollevando di tanto in tanto la coclea per espellere il terreno.
   3. Usa una vanga stretta per creare una faccia di fossa piatta e verticale.
   4. Usa una vanga o una cazzuola a mano per spostare il terreno dalla fossa al telo.
      NOTA: Il terreno scavato sarà ben miscelato; Non c'è modo di evitarlo.
3. Crea una trincea scavata meccanicamente usando attrezzature pesanti.
   NOTA: A meno che non sia necessaria un'installazione orizzontale inferiore a 100 cm, non sono incoraggiate attrezzature di scavo di grandi dimensioni. Gestire il cumulo di rifiuti (cioè il terreno scavato) può essere difficile e i cingoli e gli stabilizzatori della terna causano disturbi significativi.
   1. Utilizzare una terna leggera con un secchio stretto, idealmente inferiore a 50 cm, per scavare una trincea stretta simile a una profondità di 100 o 200 cm.
      NOTA: evitare di spostare la terna per ridurre al minimo l'impatto sulla superficie.
   2. Inizia a rimuovere il terreno con incrementi di 10 cm e posiziona ogni sollevamento all'estremità del telo, avvicinandoti ad ogni incremento. Assicurarsi che l'area di scavo sia la più piccola possibile e ad una profondità di ~ 55 cm, consentendo spazio sufficiente per inserire la sonda orizzontale più profonda.
4. Per la trincea del cavo del sensore, scavare una trincea dal retro della fossa del terreno alla torre degli strumenti. Usa una pala da trincea assistita da un pick mattock o Pulaski in sezioni dure. Scavare una trincea dritta, stretta (~ 10 cm), profonda >10 cm, posando il terreno su un lato della trincea.

4. Montaggio/montaggio del supporto per strumenti e dell'involucro

NOTA: Il supporto per strumenti ha tre opzioni: un semplice palo, un treppiede o una torre. Per una stazione di umidità del suolo di base con un misuratore PPT, è sufficiente un palo in acciaio zincato o un supporto per strumenti in acciaio inossidabile (alto 120 cm) con gambe. Per le misurazioni meteorologiche di base, è necessario un albero più alto per installare sensori a 2 m. La maggior parte dei mesonet preferisce torri alte 10 m; Tuttavia, tali torri esulano dallo scopo di questo protocollo.

1. Utilizzare un palo in acciaio zincato.
   NOTA: Un tubo dell'acqua in acciaio zincato di 4 cm di diametro, lungo ~ 3 m è il metodo più economico.
   1. Coclea a mano un piccolo foro ad una profondità minima di 60 cm. Posizionare il palo nel foro. Assicurarsi che l'altezza del palo sia sufficientemente fuori terra per contenere l'involucro, il pannello solare e le antenne necessarie.
      NOTA: Si consiglia un'altezza di <2 m.
   2. Mescolare calcestruzzo a presa rapida o schiuma di recinzione, secondo le istruzioni.
      NOTA: Il calcestruzzo non è consentito su alcune terre federali e alcuni proprietari terrieri privati potrebbero obiettare. Le alternative in schiuma per le installazioni di pali di recinzione sono una buona alternativa e non richiedono acqua.
   3. Versare entrambi i materiali attorno al palo e assicurarsi che sia livellato utilizzando un livello di siluro. Lasciare che il calcestruzzo polimerizzi per diverse ore (idealmente durante la notte) e fissare il palo con bretelle per assicurarsi che rimanga in piano. Sebbene la schiuma si polimerizzi in 30 minuti, assicurarsi di tenere il tubo in posizione per almeno 2 minuti, assicurandosi che rimanga verticale.
2. Supporto per strumenti o treppiede (vedere le istruzioni del produttore)
   1. Allentare o svitare ciascuna delle tre gambe del supporto.
   2. Ruotare o estendere ogni gamba e posizionarsi sopra l'estremità della trincea scavata.
   3. Inserire il montante dello strumento nelle gambe e stringere.
   4. Regola la lunghezza di ogni gamba per assicurarti che l'albero sia verticale.
   5. Metti ogni gamba nel terreno e controlla di nuovo l'albero con un livello di siluro.
3. Utilizzando i bulloni a U, montare la custodia sul supporto dello strumento a 1-1,5 m. Stringere a mano i bulloni per fissarlo; La sua altezza finale e il suo serraggio si verificheranno in seguito.
   NOTA: Si consiglia di montare sul lato nord del palo per evitare di colpire la testa sul pannello solare in seguito.

5. Caratterizzazione del suolo e raccolta dei campioni

NOTA: La caratterizzazione visiva del terreno è fondamentale per interpretare le dinamiche dell'umidità del suolo dopo l'installazione. La raccolta dei campioni può aiutare l'interpretazione con dati quantitativi. Raccogli campioni anche se i finanziamenti non sono disponibili o le strutture interne non sono in grado di elaborarli. Asciugarli all'aria e archiviarli, nel caso in cui sia necessaria la caratterizzazione del suolo in futuro.

1. Per la descrizione di base del suolo, notare la profondità di eventuali cambiamenti evidenti nel colore o nella consistenza del suolo (orizzonti).
   NOTA: Il National Soil Survey Center fornisce un'eccellente panoramica delle descrizioni e delle interpretazioni del profilo del suolo²⁴. Se la posizione non è ideale, ora è il momento di muoversi.
2. Per la caratterizzazione di base del suolo, raccogliere campioni di terreno rappresentativi in un sacchetto da congelatore da 1 litro (1 L) a ciascuna profondità del sensore, seguendo la procedura di Lawrence et ^al.25.
   1. Al ritorno in ufficio o in laboratorio, posare tutti i sacchetti da 1 litro sul bancone, aprirli e lasciarli asciugare all'aria per almeno 48 ore.
      NOTA: L'essiccazione all'aria rimuove la maggior parte dell'umidità del suolo preservando le proprietà organiche e chimiche per analisi future.
   2. Inviare i campioni a un laboratorio di estensione universitario (ad esempio, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) o a un laboratorio commerciale (ad esempio, http://www.al-labs-west.com/) per ulteriori analisi. In alternativa, eseguire il campione internamente da tecnici qualificati, utilizzando i metodi accettati indicati di seguito.
   3. Eseguire analisi di laboratorio di base, inclusi parametri fisici del suolo come distribuzione granulometrica²⁶, frazione rocciosa (RF; percentuale di peso superiore a 2 mm), frazione del suolo (SF; percentuale inferiore a 2 mm) e tessitura (percentuali di sabbia, limo e argilla). Controllare i parametri chimici di base, compresa la conducibilità elettrica della pasta satura (dS ^m-1)²⁷ e la materia organica²⁸.
   4. Consigliato: Eseguire il campionamento volumetrico del nucleo del suolo a profondità di 5, 10, 20 e 50 cm utilizzando un dispositivo di carotaggio per raccogliere un campione volumetrico indisturbato. Determinare la densità apparente del suolo (BD; g ^cm-3) dal peso totale del suolo asciutto e dal volume del nucleo²⁹. Porosità del suolo (φ; [-]) è il limite fisico superiore di SWC. Per i terreni minerali, stimare φ come 1 - BD/PD, dove la densità delle particelle (PD) per i terreni minerali prevalentemente quarzosi è 2,65 g ^cm-3.
      NOTA: I campioni per BD sono raccolti in un nucleo di volume noto o utilizzando peds del suolo²⁹.

6. Inserimento orizzontale delle sonde da 5, 10, 20 e 50 cm

NOTA: L'obiettivo è garantire un contatto completo del terreno attorno ai denti del sensore, evitando eventuali vuoti d'aria.

1. Tagliare con attenzione eventuali fascette e srotolare ogni sensore, rimuovendo qualsiasi bobina nei cavi. Posizionare la testa del sensore vicino alla fossa del terreno e al cavo nella trincea.
2. La profondità di installazione è definita come il centro del sensore quando installato orizzontalmente, indipendentemente dal fatto che la faccia del sensore sia rotonda o rettangolare. Installare il sensore alla profondità precisa sotto la superficie terrestre e il più orizzontalmente possibile nel terreno. Utilizzare un riferimento di profondità zero e un dispositivo di misurazione (metro a nastro o righello) per una profondità del sensore accurata (Figura 2) e un distanziatore per mantenere la spaziatura dei denti durante l'inserimento (Figura 2C).
3. Innanzitutto, inserisci il sensore da 50 cm. Spingere il sensore orizzontalmente nel terreno, cercando di non muovere il sensore in quanto ciò può creare spazi vuoti. Poiché la sonda da 50 cm è spesso la più difficile, utilizzare un'asta di messa a terra per fornire più leva per spingere quel sensore, facendo attenzione a non rompere la testa epossidica o separare i denti. Ripetere il processo di inserimento, lavorando verso l'alto fino alle profondità del sensore di 20, 10 e 5 cm. Sfalsare (Figura 2D) o impilare (Figura 2B) i sensori.
   NOTA: La temporizzazione della misurazione nei protocolli SDI-12 generalmente impedisce ai sensori di leggere simultaneamente e generare interferenze tra sensori adiacenti (ad esempio, le profondità di 5 e 10 cm).
4. Orientare ciascun cavo sensore sullo stesso lato della faccia della fossa, consentendogli di appendersi al fondo della fossa di scavo. Scatta una foto del foro scavato e dei sensori con un metro a nastro per la scala (Figura 6A). Utilizzare un GPS per determinare la latitudine e la longitudine entro pochi metri dalla fossa. Se scavi più siti in un giorno, usa un cartello con un identificatore univoco per distinguere tra le fosse.

Figura 6: Fotografie di esempio per i metadati . (A) La fossa del terreno strumentata con metro a nastro per le scaglie, (B) la trincea scavata fino all'albero dello strumento e le foto finali del sito rivolte verso (C) nord e (D) sud. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

7. Inserimento verticale per la sonda da 100 cm

1. Per le installazioni di sensori a profondità superiori a 50 cm, coclea un foro separato per ciascun sensore all'interno o vicino alla trincea dei cavi (Figura 4A).
2. Utilizzando una coclea manuale (5-10 cm di diametro), scavare fino alla profondità di installazione appropriata. La profondità è definita come il centro di misura (ad esempio, 50 cm) meno la metà della lunghezza del dente rispetto al riferimento di profondità zero (Figura 4B).
3. Disporre il terreno scavato su un telo nell'ordine in cui è stato rimosso.
4. Installare il sensore verticalmente spingendolo nella parte inferiore del foro utilizzando uno strumento di installazione (Figura 4C,4D). Riimballare il foro della coclea con il terreno scavato dal più profondo al più basso. Sostituire il terreno in piccoli ascensori, imballandolo sufficientemente per evitare il ponte del terreno nel buco e la creazione di vuoti.
   NOTA: Gli strumenti di imballaggio possono essere un pezzo di PVC o tasselli di legno con tappo. Evitare danni alla testa o al cavo del sensore.

8. Completamento dell'installazione del sensore e cablaggio a DCP

1. Se i cavi del sensore sono direttamente interrati, assicurarsi che le estremità fuori terra che corrono nella custodia siano in condotto in PVC utilizzando un connettore paratia per entrare nella custodia (Figura 5).
   NOTA: se si utilizza un pluviometro separato (passaggio 9.1), assicurarsi di includere questo cavo durante il routing nel contenitore.
2. Se si utilizza il condotto, disporlo nella trincea dei cavi e tagliare alla lunghezza desiderata. Alimentare il cavo attraverso il condotto: potrebbe essere necessario un filo di trazione o un nastro adesivo per tirare i cavi. Utilizzare un condotto flessibile o un gomito a 90° più una lunghezza di condotto verticale per instradare i cavi da una porta del condotto sul fondo del contenitore.
3. Posare il cavo o il cavo/condotto nella parte inferiore della trincea. Tirare le estremità del cavo attraverso la porta inferiore della custodia e fissare con fascette zip. Se c'è un cavo in eccesso nel recinto, tirarlo indietro attraverso il condotto e avvolgerlo sul fondo della trincea di scavo.
4. Scatta una foto della fossa di installazione e della trincea con i cavi che riconducono al recinto (Figura 6B).
5. Per il cablaggio del sensore di umidità del suolo, utilizzare una potenza comune (5-12 volt) e un cavo di terra per ciascun sensore SDI-12. Utilizzare connettori a leva, connettori di giunzione o morsettiere (Figura 5) per rendere queste connessioni più semplici e sicure. Se si utilizza più di un tipo di sensore, utilizzare una porta di comunicazione diversa sul DCP, se disponibile.
   NOTA: un sensore SDI-12 difettoso può interrompere altri sensori in serie.

9. Sensori ausiliari e configurazione hardware

1. Misuratore di precipitazioni (PPT)
   NOTA: Per migliorare la cattura, i misuratori di pioggia devono essere installati su un albero verticale separato il più vicino possibile al livello del suolo. L'installazione del misuratore più in alto sul supporto a braccio trasversale può ridurre la cattura a causa della maggiore velocità del vento.
   1. Determinare la posizione. Installare il pluviometro il più in basso possibile sopra la copertura del suolo (~ 1 m) e ad una distanza doppia rispetto all'altezza di qualsiasi ostacolo vicino³⁰. La posizione ideale è vicino alla funivia.
      NOTA: il cavo pluviometrico verrà sepolto accanto ai cavi del sensore prima di entrare nella parte inferiore del contenitore.
   2. Installare un albero verticale. Usando una coclea a mano, scavare un foro a ~ 50 cm di profondità. Impostare una sezione di tubo di acciaio zincato di lunghezza sufficiente in cemento o schiuma (vedere punto 4.1).
   3. Dopo l'indurimento, installare il misuratore utilizzando morsetti per tubi flessibili o una base di montaggio piatta, secondo le istruzioni del sensore. Assicurarsi che il misuratore sia perfettamente in piano.
      NOTA: la maggior parte dei misuratori ha una livella a bolla incorporata.
   4. Far scorrere i cavi tra il pluviometro e l'involucro nel condotto sotterraneo con i cavi di umidità del suolo.
   5. Per un misuratore di ribaltamento, collegare i due cavi in un canale di conteggio degli impulsi sul DCP.
      NOTA: i fili possono andare su entrambi i lati.
   6. Assicurati di rimuovere la parte superiore e controlla che il meccanismo di ribaltamento si muova liberamente. I secchi sono spesso fissati durante la spedizione con elastici.
      NOTA: i pluviometri richiedono una pulizia e una calibrazione di routine. Se si monta il pluviometro direttamente sul supporto dello strumento o sul braccio trasversale, seguire il punto 9.2.
2. Altri sensori
   1. Installare misure ausiliarie e qualsiasi antenna al montante verticale o ai supporti a braccio trasversale all'altezza appropriata dal suolo^10,30.
   2. Il percorso conduce all'ingresso dell'involucro fuori terra e fissalo dove necessario con fascette per cavi. Collegare il filo nei canali di misurazione appropriati sul DCP.
3. Asta di messa a terra
   1. Installare un'asta di messa a terra in rame lunga >1 m a 0,5 m dal montante dello strumento. Utilizzare un driver di recinzione per inserire l'asta nel terreno, lasciando esposti ~ 20 cm.
   2. Fissare il filo di rame pesante (8-10) all'asta usando un morsetto a terra. Fissare l'altra estremità al contenitore o al treppiede.
      NOTA: la messa a terra potrebbe non essere consigliabile in tutte le situazioni.
4. Collegare la batteria.
   NOTA: La maggior parte dei DCP ha bisogno di 5-24 volt (V), anche se 12 V è più comune e 7 o 12 Ampere ore (AH) sono sufficienti per alimentare la maggior parte delle stazioni di umidità del suolo. Qui vengono utilizzati un pacco batterie 12V 12AH e un regolatore di tensione.
   1. Assicurarsi che il regolatore di carica sia in posizione off . Utilizzando un multimetro impostato su DC per la tensione di corrente continua, verificare che la tensione sulla batteria sia sufficiente (>10V per una batteria da 12V) e identificare i terminali + e - , se non contrassegnati.
   2. Far scorrere il connettore terminale del filo nero (-) sul terminale della vanga sul montante di terra (-) della batteria e il filo rosso sul palo + batteria. Collegare l'altra estremità dei fili rosso/nero alla porta BAT del regolatore di tensione.
5. Pannello solare
   NOTA: un pannello da 10 o 20 watt è in genere sufficiente. È necessario aumentare la potenza a latitudini più elevate, aree più ombreggiate o su sistemi con un elevato assorbimento di potenza (ad esempio, modem cellulari, telecamere). Il pannello dovrebbe essere orientato per ricevere la massima radiazione solare incidente nel corso di 1 anno.
   1. Avvolgere il nastro isolante separatamente attorno a ciascun cavo sul pannello solare.
      NOTA: questi fili trasportano corrente se il pannello è esposto alla luce solare.
   2. Utilizzando i bulloni a U, montare il pannello solare sopra l'involucro e sul lato del supporto dello strumento rivolto verso l'equatore (ad esempio, sud negli Stati Uniti). Utilizzare l'angolo appropriato per la latitudine del sito, in genere da 25 ° a 35 ° negli Stati Uniti confinanti.
   3. Instradare il cavo nel punto di ingresso dell'involucro fuori terra. Rimuovere il nastro dai cavi del pannello. Utilizzando un multimetro impostato su A per l'amperaggio, verificare che l'uscita del pannello solare sia >0,1 A .
   4. Utilizzando un multimetro impostato su DC per la tensione di corrente continua, verificare che l'uscita del pannello solare sia >10V e identificare i cavi + (di solito rosso) e - (di solito nero), se non contrassegnati. Collegare il cavo - dal pannello solare alla porta G (terra), quindi il cavo + dalla porta SOLAR sul regolatore di carica.
      NOTA: Coprire il pannello solare con un telo o qualcosa di opaco per ridurre al minimo le scintille.
   5. Verificare che la spia CHG o di ricarica sia ora accesa.
6. Comunicazioni dati remote
   NOTA: la telemetria dei dati cellulare consente di trasmettere e inviare dati dal DCP. Le app per smartphone, come OpenSignal, possono misurare la potenza del segnale e la direzione verso la torre cellulare più vicina. Sono preferite antenne omnidirezionali e multibanda; tuttavia, un'antenna direzionale (Yagi) può migliorare il segnale in aree più remote.
   1. Collegare l'antenna alla parte superiore del palo dello strumento utilizzando i bulloni a U in dotazione.
   2. Collegare il cavo coassiale all'antenna e instradare l'altra estremità nell'involucro attraverso il condotto del sensore fuori terra. Fissare il cavo con fascette zip.
   3. Collegare l'altra estremità al modem cellulare nell'enclosure.
7. Accensione del sistema
   NOTA: a questo punto, si presuppone che il programma DCP sia scritto e che tutti i sensori siano cablati in modo appropriato. Il pannello solare e la batteria ricaricabile sono collegati a un regolatore di tensione con un cavo di alimentazione rosso/nero collegato alle porte di alimentazione DCP.
   1. Accendere l'interruttore sul regolatore di tensione. Avviare il software DCP e collegare un laptop al DCP. Verificare che tutti i sensori stiano segnalando valori e non un numero (NaN) o un valore di errore.
   2. Controllare ogni sensore del suolo per i valori SWC, BEC e T. Assicurarsi che i valori SWC siano >0,05 m 3/m 3 e <0,60 m 3/m ³. Controllare qualsiasi sensore fuori portata; Reinserire o sostituire qualsiasi sensore discutibile. Versare un po' d'acqua attraverso il pluviometro e verificare che il DCP stia registrando i conteggi.
      NOTA: bassi valori di BEC (<0,001) possono indicare uno scarso contatto con il sensore (o terreni molto asciutti). Quando si installa nelle stagioni più calde, T è generalmente più caldo nella parte superiore e più freddo nella parte inferiore.
   3. Controlla la potenza della comunicazione cellulare. Seguire la documentazione del produttore per determinare la potenza del segnale.
      NOTA: la potenza del segnale deve essere > -100 dBm per garantire una qualità del segnale decente. Le antenne di direzione possono essere ruotate per migliorare eventualmente il segnale. Esistono molte altre opzioni di comunicazione oltre al cellulare (ad esempio, satellite).

10.Site completamento

1. Una volta che tutto ciò che è sotto terra funziona, e i cavi o i cavi nel condotto sono tutti nella trincea e instradati nel recinto, riempire e sigillare le aperture delle entrate del recinto sopra e sotto terra con stucco elettrico per proteggere dall'umidità e tenere gli insetti fuori dal recinto.
2. Delinea il perimetro esterno delle posizioni dei sensori sulla superficie con paletti permanenti con segnalazione luminosa.
3. Riempire l'area scavata usando il terreno sul telo e nell'ordine inverso di rimozione (Passo 3.1) (dal più profondo al più basso). Iniziare imballando a mano il terreno contro la faccia della trincea e attorno alla testa del sensore a 50 cm, avendo cura di evitare di disturbare il sensore. Sostenere la testa del sensore mentre si imballa il terreno intorno ad essa in modo che i denti del sensore non si muovono.
4. Assicurarsi che tutti i cavi del sensore rimanenti siano ancora posizionati vicino al fondo della trincea; Quindi, coprirli con cura con terreno più profondo dal telo. Comprimere il terreno sul fondo della fossa per fissare i cavi, facendo attenzione a non tirarli verso il basso con alcuna forza. Utilizzare una forza sufficiente durante la compattazione per garantire una densità apparente simile del materiale rimosso.
   NOTA: i terreni più umidi durante l'installazione possono essere facilmente compattati, mentre i terreni più asciutti possono rimanere sciolti indipendentemente dalla forza.
5. Riempire la fossa in sollevamenti da 10 cm, levigando e compattando la superficie fino a raggiungere il sensore da 20 cm. Ancora una volta, imballare accuratamente a mano il terreno sotto e intorno al sensore, prima di tornare a riempire un altro sollevamento di 10 cm di terreno.
6. Infine, imballare a mano il terreno attorno al sensore da 10 cm, quindi al sensore da 5 cm, assicurandosi che entrambi rimangano orizzontali e in posizione. Riempire il resto della fossa del terreno con terreni superiori dal telo.
   NOTA: Tutto il terreno rimosso dovrebbe tornare nella fossa. Il terreno residuo indica che il terreno non è stato imballato alla densità apparente originale.
7. Usando la pala da trincea, spingere il terreno scavato accanto alla trincea oltre il condotto. Assicurati che tutto sia sepolto completamente e al di sotto dei 5 cm.
8. Utilizzare un rastrello in acciaio per livellare il terreno reimballato nella fossa e nella trincea a filo con la superficie originale. Terreno compatto nella trincea del condotto sufficientemente da ridurre al minimo qualsiasi flusso preferenziale nel sito di installazione.
9. Facoltativo: cospargere un po 'di terra diatomacea intorno a qualsiasi apertura del sottosuolo e sulla superficie per scoraggiare formiche, lumache e altri insetti.
10. Consigliato: utilizzare un sensore SWC portatile per acquisire letture del terreno superficiale attorno ai sensori in situ per facilitare la verifica dei dati nel tempo e qualsiasi esigenza di scalabilità. Prendi le letture in direzioni cardinali (nord, sud, est e ovest) a distanze costanti (ad esempio, 5, 10, 25 e 50 m).

11. Registrare i metadati della stazione, i dati dietro i dati²³

NOTA: documentare i metadati al momento dell'installazione e di ogni visita al sito (vedere Tabella 1). La creazione di report coerenti sui metadati supporta la crescente comunità di pratica ed è fondamentale per garantire l'integrità dei dati e della rete.

1. Documentare i dettagli dell'installazione, inclusi un identificatore univoco del sito, la data di installazione, i numeri di serie del sensore, gli indirizzi SDI-12 corrispondenti, gli orientamenti di inserimento (orizzontale o verticale) e le profondità.
2. Descrivi il profilo del suolo e scatta le foto associate. Registrare gli identificatori dei campioni per tutti i campioni di terreno raccolti.
3. Per la posizione del sito, registrare la latitudine e la longitudine, l'altitudine, la pendenza, l'aspetto, l'uso del suolo e la copertura del suolo.
4. Prendi nota del proprietario del terreno e delle informazioni di contatto, nonché dell'accessibilità del sito, inclusi i codici di cancello o lucchetto.
5. Utilizzando l'app Compass su uno smartphone (o una bussola reale) e un nastro di misurazione, misurare l'angolo e la distanza dalla fossa del sensore (e da eventuali fori della coclea del sensore) da due punti di riferimento (ad esempio, asta di messa a terra o gamba di un treppiede).
   NOTA: Questo aiuterà a triangolare le loro posizioni in seguito.
6. Scatta foto della stazione completata e degli orientamenti nord (Figura 6C), sud (Figura 6D), est e ovest dal palo dello strumento. Delinea la posizione di installazione del sensore con contrassegnazioni o altri elementi distinti.

Tabella 1: Metadati della stazione per la raccolta dei dati sull'umidità del suolo. Abbreviazioni: Dec. = decrescente; GPS = Global Positioning System; 3DEP = Programma di elevazione 3D; O&M = funzionamento e manutenzione; SSURGO = Database geografico di rilevamento del suolo; Mukey = chiave dell'unità della mappa. Clicca qui per scaricare questa tabella.

12. Operazioni e manutenzione

NOTA: al record di metadati deve essere aggiunto un registro di manutenzione dettagliato, inclusa la sostituzione del sensore, lo stato o le modifiche della vegetazione o qualsiasi disturbo del sito.

1. Eseguire ispezioni di routine del sito almeno annualmente (Tabella 2). Registrare eventuali calibrazioni o sostituzioni del sensore.
2. Garantire una gestione regolare della vegetazione, in particolare per le stazioni permanenti, in modo che il sito non diventi invaso o anomalo per l'area circostante.
3. Adattare la gestione degli animali alla fauna locale, possibilmente includendo la recinzione.
4. In caso di guasto del sensore, effettuare una visita di emergenza in loco e installare una sostituzione (Tabella 2).

Tabella 2: Esempio di programma di manutenzione. Abbreviazione: DCP = piattaforma di controllo dati. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Representative Results

La rete SCAN è nata come progetto pilota dell'NRCS nel 1991. È la rete di raccolta dati SWC operativa più^{lunga 15} e la base per i risultati rappresentativi in questo protocollo. Tutti i siti SCAN sono originariamente iniziati con un sensore di capacità analogico. Il sito di installazione sul campo (SCAN 2049) a Beltsville, Maryland, utilizzato nella componente video di questo protocollo, monitora (Figura 7A) la temperatura oraria dell'aria e del suolo e (Figura 7B) SWC orario a profondità di 5, 10, 20, 50 e 100 cm. PPT giornaliero, stoccaggio dell'acqua del suolo (SWS) a 20 cm e il suo cambiamento nel tempo (dSWS) sono mostrati nella Figura 7C. Per ogni evento PPT, c'è stato un forte aumento di SWC vicino alla superficie (5 e 10 cm) e un aumento più attenuato e ritardato a profondità maggiori man mano che il fronte bagnante si propagava verso il basso sotto la gravità. Durante gli eventi di inizio febbraio e aprile del 2022, il sensore più profondo a 100 cm ha raggiunto un plateau di 0,33 m 3 / m³, che è stato sostenuto per diversi giorni. Tali condizioni indicano una breve durata di saturazione. La densità apparente secca dell'orizzonte del suolo dai dati di caratterizzazione (Tabella 3) era di 1,73 g / cm³, con una porosità stimata (φ) di 0,35 [-], fornendo ulteriori prove che lo spazio dei pori era interamente riempito d'acqua. Data la sabbia sabbiosa e limosa del profilo del suolo, le condizioni sature erano molto probabilmente prodotte da uno scarso drenaggio o da una falda freatica poco profonda che inibiva il drenaggio. Nota, la temperatura dell'aria in questo sito scende sotto lo zero quasi tutte le sere fino ad aprile; tuttavia, le temperature del suolo sono rimaste al di sopra di 2 °C e non vi era alcuna indicazione di acqua ghiacciata nei dati SWC a qualsiasi profondità.

Figura 7: Risultati di esempio dalla stazione di campo (SCAN 2049) situata a Beltsville, Maryland. (A) Temperatura oraria dell'aria e del suolo, (B) SWC oraria e (C) precipitazioni giornaliere, stoccaggio dell'acqua del suolo a 20 cm e sua differenza nel tempo. Abbreviazioni: SWC = contenuto di acqua del suolo; PPT = precipitazione; SWS = stoccaggio dell'acqua del suolo; dSWS = differenze nel SWS nel tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Tabella 3: Dati del sito e caratterizzazione del suolo per esempi di dati presentati nei risultati rappresentativi. Tutti i dati presentati in figure e tabelle sono stati recuperati dal database on-line NRCS all'URL indicato per ciascun sito. I dati di caratterizzazione del suolo non erano disponibili per Table Mountain (# 808). Abbreviazioni: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = localizzatore uniforme delle risorse; c = argilla; FSL = terriccio di sabbia fine; ls = sabbia argillosa; s = sabbia; sc = argilla sabbiosa; scl = terriccio argilloso sabbioso; si = limo; sil = terriccio limoso; SL = terriccio sabbioso; nd = nessun dato; BD = densità apparente 33 kPa. Clicca qui per scaricare questa tabella.

Un esempio più estremo di saturazione è mostrato nella Figura 8 per una posizione SCAN (2110) vicino a Yazoo, Mississippi. I terreni hanno un contenuto di argilla molto elevato (superiore al 60%), basse densità apparenti che vanno da 1,06 a 1,23 g / cm 3 e un φ che varia da 0,54 a 0,60 [-] (Tabella 3). Il primo evento PPT di ~40 mm il 13 aprile 2020 ha saturato il suolo a un SWC di >0,60 m 3/m³ a tutte le profondità per 12 giorni consecutivi, valori molto vicini al φ misurato. Un secondo evento di 70 mm / giorno il 20 aprile 2020 non ha avuto alcun effetto sul dSWS, suggerendo un deflusso in eccesso di saturazione. Un periodo simile di saturazione è stato notevole nel novembre 2020. Mentre non c'era alcuna misurazione a 100 cm, il SWC a 50 cm è rimasto stabile a 0,39 m 3 / m 3, tranne alla fine dell'estate dove è sceso modestamente a 0,36 m 3 / m ³. Le note sul sito (tabella supplementare S2) indicano che è stata utilizzata la calibrazione specifica del sensore "terriccio"³¹, come nel caso dei sensori di capacità utilizzati nella maggior parte dei siti SCAN e USCRN. Entrambi gli esempi illustrano l'importanza della caratterizzazione del suolo e dei dati BD, raccolti durante la caratterizzazione del sito (fase 5), sull'interpretazione dei dati SWC.

Figura 8: Risultati di esempio da un sito umido e temperato (SCAN 2110) situato vicino a Yazoo, Mississippi . (A) Temperatura oraria dell'aria e del suolo, (B) SWC oraria e (C) precipitazioni giornaliere e variazione dello stoccaggio dell'acqua del suolo. Abbreviazioni: SWC = contenuto di acqua del suolo; PPT = precipitazione; SWS = stoccaggio dell'acqua del suolo; dSWS = differenze nel SWS nel tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

La Figura 9 presenta una serie temporale più semplice di SWC in situ a cinque profondità con cinque eventi di bagnatura che provocano la propagazione sequenziale del fronte di bagnatura verso il basso nel profilo del suolo. Questo sito SCAN (2189) era situato vicino a San Luis Obispo, CA, in un clima mediterraneo con una primavera umida e una lunga estate secca su un terreno argilloso sabbioso con un φ che va da 0,37 a 0,51 [-] (Tabella 3). La risposta alla bagnatura superficiale del suolo è stata rapida ed è diminuita di entità con la profondità. L'ultimo grande evento PPT in 5 giorni è stato sufficiente per mostrare la risposta alle profondità di 50 e 100 cm. Con l'aumentare della profondità, il ciclo diurno dell'ampiezza della temperatura del suolo è diminuito e il tempo delle temperature massime e minime è rimasto ulteriormente indietro rispetto alla temperatura dell'aria e alle profondità meno profonde (Figura 9A). Mentre queste caratteristiche possono essere utili per discriminare tra le profondità del sensore, come discusso nella prossima sezione, c'è stato anche un notevole effetto sulla fluttuazione di SWC a profondità di 5 e 10 cm. L'ampiezza SWC era ~0,02 m 3/m 3 a 5 cm, ~0,01 m 3/m ³ a 10 cm, e più trascurabile nei sensori più profondi. Era anche in fase con le temperature del suolo e il rumore era più probabilmente indotto nel sensore dalle fluttuazioni di temperatura ed era improbabile che fosse il risultato di qualsiasi movimento fisico dell'umidità del suolo o di precipitazioni effettive. Questo sito più secco (2189) ha variazioni diurne molto più grandi della temperatura del suolo rispetto al sito di installazione del campo più mesico (2049), che non mostra alcun rumore di temperatura nei dati SWC (Figura 7B).

Figura 9: Risultati di esempio da un sito semi-arido mediterraneo (SCAN 2189) situato vicino a San Luis Obispo, California . (A) Temperatura oraria dell'aria e del suolo, (B) SWC oraria e (C) precipitazioni giornaliere e variazione dello stoccaggio dell'acqua nel suolo. Abbreviazioni: SWC = contenuto di acqua del suolo; PPT = precipitazione; SWS = stoccaggio dell'acqua del suolo; dSWS = differenze nel SWS nel tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

La figura 10 presenta una delle interpretazioni dei dati SWC più impegnative esistenti con il suolo ghiacciato e il manto nevoso. Questo sito (808) era situato vicino a Boseman, MT, a 4.474 piedi sul livello del mare. Le temperature giornaliere dell'aria hanno occasionalmente superato le temperature di congelamento durante l'inverno (dicembre, gennaio e febbraio) del 2020. Le temperature del suolo sono rimaste appena sopra 0 °C fino a marzo. La presenza di neve sulla superficie isolerebbe il terreno dalle variazioni di temperatura dell'aria. Inoltre, nei terreni umidi, il rilascio di calore latente e il consumo di energia, accompagnati da processi di transizione di fase legati ai cicli di gelo-disgelo, tamponano le temperature del suolo, mantenendoli molto vicini a 0 °C fino al completamento di questi cambiamenti di fase. La piccola ε di ghiaccio nei terreni gelidi appare come una drastica diminuzione del SWC seguita da aumenti durante lo scongelamento senza alcuna indicazione di PPT. Ciò è stato più evidente a metà dicembre e metà marzo, quando le temperature dell'aria sono scese rapidamente e SWC a 5 e 10 cm è diminuito per 3 giorni e poi è rimbalzato. La temperatura del suolo a 100 cm ha raggiunto il punto di congelamento a metà novembre ed era a un SWC basso l'autunno precedente, per tutto l'inverno, e non è cambiata durante il disgelo primaverile, suggerendo che potrebbe aver funzionato male. Tuttavia, le rapide cadute e il recupero negli altri sensori possono o meno essere cambiamenti reali nell'acqua del suolo liquido; L'interpretazione di tali dati può essere estremamente difficile senza misurazioni accessorie della presenza o della profondità della neve. Spesso, i dati SWC al di sotto o al di sotto dello zero sono censurati nel controllo di qualità. Ulteriori discussioni sulle temperature del suolo prossime allo zero sono presentate nella sezione di controllo della qualità dei record di dati.

Figura 10: Risultati di esempio da un sito alpino semi-arido (SCAN 808) situato vicino a Three Forks, Montana . (A) temperatura oraria dell'aria e del suolo, (B) SWC orario e (C) precipitazioni giornaliere e variazione dello stoccaggio dell'acqua nel suolo. Abbreviazioni: SWC = contenuto di acqua del suolo; PPT = precipitazione; SWS = stoccaggio dell'acqua del suolo; dSWS = differenze nel SWS nel tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Altri esempi e dati di caratterizzazione sono stati estratti dal database SCAN (vedere la tabella 3 per Uniform Resource Locator, [URL]). La segnalazione e il controllo di qualità di questi dati necessitano di qualche interpretazione per determinare se esiste un meccanismo fisico per spiegare qualsiasi comportamento irregolare. La nostra interpretazione manca di qualsiasi conoscenza del sito locale e, nonostante anni di valutazione delle serie temporali SWC, può ancora essere difficile valutare un buon sensore o installazione da uno guasto o da uno cattivo.

La figura 11 presenta esempi comuni di record di dati problematici, scelti casualmente da 40 stazioni SCAN tra il 2020 e il 2021. Gli errori più comuni includono picchi (Figura 11A) e cambi di passo verso l'alto (Figura 11B) o verso il basso (Figura 11C), come segnalato dall'International Soil Moisture Network³². Per ognuno di questi, non esiste un evento PPT simultaneo per spiegare tali cambiamenti e possono essere considerati errati. Il problema con picchi o cali istantanei è aggravato quando si guardano solo i mezzi quotidiani, che possono nascondere tali eventi. È meglio rimuoverli prima di fare qualsiasi calcolo medio. L'inizio e la fine di un cambio di passo possono essere ovvi, ma è difficile compilare qualsiasi dato intermedio. Non ci avviciniamo alla compilazione dei dati in questo protocollo, ma piuttosto solo ai dati errati. Il comportamento irregolare (Figura 11D) si presenta come fluttuazione selvaggia senza alcuna risposta agli eventi PPT. In alcuni casi, i picchi possono scomparire dopo i controlli del cablaggio e la sostituzione del multiplexor, come mostrato nella Figura 11A dopo agosto 2020. Più spesso, il comportamento irregolare è il preludio a un sensore guasto, come mostrato nella Figura 11E. Il sensore a 10 cm di profondità ha dato un ragionevole avvertimento di comportamento irregolare a gennaio e guasto a fine marzo. Il sensore a 5 cm di profondità, tuttavia, si è guastato senza preavviso il 1 ° marzo 2021.

Figura 11: Esempi di record di problemi. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, che mostra cali periodici a 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, con un cambio di passo positivo a 50 cm di profondità, (C) SCAN 808, Table Mountain, Montana, con un cambio di passo verso il basso, punte e persino recupero a 50 cm di profondità, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, che non mostra alcuna risposta agli eventi di precipitazione al sensore da 5 o 10 cm, con un certo recupero del sensore da 10 cm seguito dall'eminente guasto di entrambi, e (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, con un sensore glitch a 20 cm e un guasto catastrofico a entrambe le profondità di 5 e 20 cm. Le profondità del sensore sono indicate come 5 cm (nero), 10 cm (blu), 20 cm (arancione), 50 cm (grigio scuro) e 100 cm (giallo). Abbreviazioni: SWC = contenuto di acqua del suolo; PPT = precipitazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

A SCAN 2084, il sito ha iniziato a registrare i dati il 2/6/2004 e aveva diverse note di comportamento irregolare relativo ai multiplexer SDI-12, che sono stati sostituiti più volte (Tabella supplementare S2). Tuttavia, i sensori sono originali e, dopo 18 anni, rimangono funzionanti. A SCAN 2015, la raccolta dei dati è iniziata il 25/10/1993 e il sensore da 50 cm nella Figura 11B è stato considerato sospetto nel 2017 (Tabella supplementare S2). Il sito più vecchio, SCAN 808, ha iniziato a riferire il 30/9/1986 ed è stato convertito in una stazione SCAN il 25/10/2006; Fino ad oggi non è stato sostituito alcun sensore. Le anomalie, come mostrato nella Figura 11E, non sempre provocano guasti, poiché la Figura 10 contiene dati ragionevoli. SCAN 2006 ha iniziato a riferire il 10/1/1993; i sensori originali da 5 e 10 cm nella figura 11D sono stati sostituiti il 24/01/2022. SCAN 2027 ha iniziato la rendicontazione il 19/05/1999; i sensori originali da 5 e 10 cm nella figura 11E sono stati sostituiti il 13/08/2021. Come notato, i siti SCAN sono iniziati con un sensore di capacità analogico. Molti di questi sensori sono durati oltre 20 anni e, pur non producendo necessariamente dati della massima qualità, sono rimasti funzionanti. Determinare il punto in cui sostituire un sensore rimane una questione aperta per i professionisti. I metadati del sito e le proprietà del suolo per i siti nella Figura 11 sono disponibili nella tabella supplementare S3.

Segnalazione dei dati
I sensori SWC continui in situ riportano da tre a sei valori per intervallo di registrazione temporale. Insieme a qualsiasi misurazione ausiliaria, l'implementazione a lungo termine dei sensori SWC genera grandi quantità di dati a valore unitario che devono essere memorizzati e consegnati. Le misurazioni ambientali vengono effettuate a intervalli di campionamento discreti che vengono aggregati nel tempo e riportati come record di dati. La frequenza di campionamento delle misurazioni atmosferiche varia in base alla misurazione; È più grande per le misurazioni della radiazione eolica e solare (<10 s) e più grande per la temperatura e l'umidità dell'aria (60 s)³⁰. Questi valori del campione sono mediati o accumulati su un intervallo di segnalazione che può variare da 5 minuti a 1 ora. Allo stesso modo, SWC può essere campionato istantaneamente all'intervallo di segnalazione o campionato (ad esempio, ogni 5 minuti) e mediato in medie di 30 minuti o 60 minuti, poiché la dinamica di SWC è relativamente più lenta in confronto. Sebbene la media di campionamenti più frequenti possa ridurre il rumore dovuto alle fluttuazioni di temperatura, alle interferenze elettriche e alla variabilità intrinseca del sensore, non è consigliabile, perché i picchi di dati possono influenzare il valore medio come discusso in precedenza. La maggior parte dei record di dati SWC può essere soddisfatta con il rilevamento ad ogni ora, ma per le regioni con condizioni di drenaggio a velocità più elevata (terreno sabbioso) e PPT intensivo (condizioni monsoniche), alcune reti registrano su un intervallo di tempo di 20 minuti per catturare completamente gli eventi di pioggia. Infine, la trasmissione dei dati o la telemetria possono essere limitate dalla tecnologia (ad esempio, i sistemi satellitari) o avere livelli di costo basati sulla dimensione e la frequenza dei dati. L'ottimizzazione degli intervalli di reporting e delle variabili telemisurate può aiutare a controllare i costi. Ad esempio, la trasmissione di valori grezzi (ad esempio, ε o conteggi) è preferibile ai valori derivati (ad esempio, SWC) che possono essere calcolati in post-elaborazione. La risoluzione dei dati può anche influire sulle dimensioni del pacchetto di telemetria. tuttavia, è importante rappresentare SWC come percentuale (0,0-100,0%) con una risoluzione dello 0,1% o come decimale (0,00-1,00) con una risoluzione di 0,001 m 3 ^m-3. La versione decimale in m 3 ^m-3 è di gran lunga preferita per evitare confusione con le variazioni percentuali del contenuto d'acqua nelle analisi e nei rapporti successivi e per evitare confusione con il contenuto di acqua su base di massa (g / g) che può anche essere riportato come contenuto d'acqua percentuale. La temperatura del suolo, la ε e il BEC sono comunemente riportati rispettivamente a risoluzioni di 0,1 °C, 0,1 [-] e 0,1 dS ^m-1.

Controllo della qualità dei record di dati
Il processo di controllo della qualità dei record di dati verifica i dati e ne documenta la qualità. Note sul campo accurate e registri di calibrazione sono essenziali per l'elaborazione del record di dati. Le fasi tipiche dell'elaborazione di un record sono una valutazione iniziale, la rimozione di dati errati evidenti, l'applicazione di eventuali calcoli o correzioni di valori derivati e una valutazione finale dei dati. Le registrazioni SWC generalmente consistono in un segnale (ad esempio, ε, conteggi o mV), temperatura del suolo e BEC che vengono utilizzati in vari gradi per derivare il SWC. I sensori possono anche emettere un SWC derivato dal produttore. Tuttavia, nessun sensore misura direttamente SWC; Questo calcolo può far parte della fase di calcolo dei dati, presupponendo che sia disponibile un'equazione di calibrazione appropriata e resa parte del record di metadati. Un record può essere una misurazione istantanea o una media in un determinato periodo. È auspicabile che i dati grezzi vengano mantenuti in modo da poter calcolare i formati più appropriati per il controllo della qualità e migliorare le equazioni di calibrazione o la comprensione del sensore possano essere applicati ai dati grezzi. Le caratteristiche del sensore dovrebbero determinare se vengono registrati valori istantanei o valori medi di letture multiple, sebbene i valori istantanei siano preferiti per i motivi indicati in precedenza.

Esistono diversi modi per incorporare dati ausiliari (vedere la verifica dei dati di seguito) in un flusso di lavoro di controllo qualità. Le precipitazioni sono il primo controllo: "SWC è aumentato dopo un evento di pioggia?" Ci sono situazioni in cui SWC può aumentare senza PPT (ad esempio, scioglimento della neve, scarico delle acque sotterranee, irrigazione). Il secondo controllo consiste nel confrontare la variazione dello stoccaggio dell'acqua del suolo con la quantità totale di PPT per un evento specifico (Figura 7C). Idealmente, questo evento dovrebbe essere un evento di pioggia isolato e a bassa intensità. Le precipitazioni si infiltrano nel terreno dalla superficie e percolano verso il basso. Il picco in SWC dovrebbe seguire un modello simile verso il basso (Figura 7B). Tuttavia, il flusso preferenziale può causare l'infiltrazione di acqua per bypassare un sensore poco profondo o causare una risposta rapida a sensori più profondi. Mentre queste possono essere risposte "reali", una scarsa compattazione della trincea di installazione o attorno a un singolo sensore può incanalare preferenzialmente l'acqua verso un sensore. La distorsione nell'arrivo del fronte bagnante dovrebbe essere usata con cautela e buon senso quando si interpretano risposte insolite a precipitazioni o eventi di scioglimento della neve. Come illustrato nella Tabella 3, BD detta il limite superiore dello spazio dei pori del suolo, φ [-], nei terreni minerali. Contenuti d'acqua normalmente superiori a φ indicano un sensore malfunzionante o una calibrazione del sensore inappropriata. Nel primo caso, i dati possono essere cancellati dal record. In quest'ultimo caso, la ricalibrazione può consentire di conservare il record, con valori modificati in base alla ricalibrazione.

La temperatura del suolo è un'altra variabile che aiuta a controllare i dati di qualità. La temperatura del suolo si propaga verso il basso nella colonna del suolo e si attenua con la profondità (Figura 7A). La temperatura dovrebbe raggiungere il picco prima e più in alto vicino alla superficie con un tempo di ritardo crescente dal picco della superficie all'aumentare della profondità del sensore. Qualsiasi ritardo del sensore fuori ordine può essere un'indicazione di una profondità identificata in modo errato o di un indirizzo SDI-12 errato. Come mostrato nella Figura 10 e ivi discusso, i sensori elettromagnetici dipendono da cambiamenti nella ε, che vanno da ~ 3 per il ghiaccio a ~ 80 per l'acqua. I cambiamenti tra acqua e ghiaccio vengono registrati dai sensori SWC. Tuttavia, potrebbe essere necessario aumentare la soglia di segnalazione, poiché il volume di rilevamento del sensore è diverso dal volume di rilevamento del termistore della temperatura del suolo e la soglia potrebbe raggiungere i 4 °C. Poiché il grado di congelamento e la quantità relativa di acqua liquida possono essere importanti per valutare l'idrologia del suolo, questi dati dovrebbero essere contrassegnati come influenzati dal congelamento e non necessariamente rimossi. Al livello più elementare, il controllo di qualità dovrebbe razionalizzare qualsiasi risposta irregolare del sensore a qualche meccanismo fisico, altrimenti si tratta di un errore. Sebbene le routine di controllo qualità automatizzate siano un requisito per reti di grandi dimensioni e fonti di dati disparate 13,33,34,35^, non vi è alcun sostituto per gli occhi sui dati per mantenere la qualità dei dati a lungo termine.

Verifica dei dati
Uno degli aspetti più impegnativi dei dati SWC è la verifica: "il sensore fornisce dati buoni e accurati?" La maggior parte dei sensori ambientali sono accessibili dopo l'implementazione e possono essere sostituiti con un nuovo sensore dopo un certo periodo, restituiti al produttore o al laboratorio per essere ricalibrati rispetto agli standard e/o far verificare i dati rispetto a un campione raccolto sul campo. Le organizzazioni meteorologiche seguono procedure rigorose per i sensori atmosferici, comprese le rotazioni dei sensori, la manutenzione dei sensori e le calibrazioni sul campo che consentono alla manutenzione preventiva di servire come primo passaggio di verifica dei dati^10,30. I sensori SWC sono sepolti in situ e non possono essere controllati o ricalibrati senza disturbi significativi del sito e potenziali danni al sensore. Inoltre, non esistono standard accettati per i sensori SWC e, in quanto tali, la verifica dei dati richiede una certa conoscenza della risposta prevista del sensore e una certa fiducia nel sensore stesso. Entrambi richiedono esperienza pratica e migliori pratiche che vengono seguite sul campo (ad esempio, manutenzione del sito e ispezioni). Se problemi di prestazioni insoliti, come presentato nella Figura 11, diventano cronici, c'è un'alta probabilità che il sensore si guasti e deve essere sostituito.

I sensori elettromagnetici non hanno parti mobili e il filo e i circuiti tendono ad essere robusti. Dopo 3 anni, il Texas Soil Observation Network ha riportato un tasso di guasto del 2% per i sensori dell'oscillatore della linea di trasmissione²¹. Dopo oltre 10 anni di servizio, la rete di risposta climatica degli Stati Uniti ha registrato un marcato aumento del tasso di guasto dei sensori di impedenza a 15-18 sonde per 100 dal 2014 al 2017³⁶. Come illustrato nella Figura 11, la maggior parte dei sensori SCAN aveva più di 20 anni prima del guasto. È preferibile sostituire un sensore prima di un guasto in modo che il sensore possa essere rivalutato in aria, acqua e sabbia per verificare la deriva rispetto ai valori pre-distribuzione, se questi sono stati registrati (ad esempio, il passaggio 1), tra le altre ragioni. La sostituzione di routine è in qualche modo poco pratica con i sensori SWC e raramente eseguita in reti di grandi dimensioni, e non siamo a conoscenza di valutazioni a lungo termine del cambiamento del sensore SWC elettromagnetico nel tempo. La rete USCRN sta attualmente migrando verso una nuova tecnologia di sensori dopo oltre 10 anni di utilizzo di sensori di capacità. Il piano è quello di avere una sovrapposizione minima di 2 anni tra vecchi e nuovi sensori per apportare eventuali regolazioni.

Le visite di manutenzione regolari dovrebbero includere la verifica dei dati SWC, idealmente in una serie di condizioni di umidità. Ciò può essere realizzato indirettamente utilizzando un sensore portatile, idealmente calibrato su alcuni campioni di terreno o direttamente su carote volumetriche del suolo raccolte in loco. L'approccio migliore consiste nel confrontare le letture dei sensori in situ con SWC da campioni volumetrici di terreno a profondità equivalenti³⁷ (Figura 12). La manutenzione programmata dovrebbe tentare di coprire una serie di condizioni di umidità del suolo in modo da poter confrontare una semplice regressione tra misurazioni SWC dirette / indirette e letture coincidenti del sensore. Il campionamento più profondo del terreno può essere effettuato in fori a coclea o con carotaggi meccanici. La verifica dei sensori di superficie (ad esempio, 5 e 10 cm) può essere sufficiente poiché i sensori più profondi dovrebbero seguire una risposta caratteristica simile al PPT, come discusso in precedenza. Ci sono diverse limitazioni di questa valutazione SWC post hoc. Lo svantaggio principale è che i campioni volumetrici non possono (né dovrebbero) essere prelevati direttamente dai sensori e potrebbero non essere veramente rappresentativi del SWC all'interno del volume di rilevamento attorno ai denti (entro 3 cm). Questo porta al secondo svantaggio; potrebbero essere necessarie molte più posizioni e profondità di campionamento per ottenere un valore SWC rappresentativo del campo. Ciò può anche causare molti buchi e disturbi intorno al sito. Un terzo svantaggio è la difficoltà di ottenere campioni volumetrici di terreno in profondità senza scavi che sconvolgono il profilo del suolo.

Figura 12: Dati volumetrici SWC. Dati SWC da carote di terreno di 60 cm³ prese come dati di calibrazione sul campo confrontati con SWC da sensori in situ a profondità di 15, 30, 45 e 60 cm, in trame che vanno dalla limosa, sabbia fine all'argilla. Questa cifra è stata adattata da Evett et ^al.37. Abbreviazione: SWC = contenuto di acqua del suolo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

L'NRCS ha sviluppato un metodo di campionamento del suolo nei fori della coclea utilizzando un tubo di campionamento volumetrico (una sonda in stile Madera) su un'asta di estensione per campioni sul fondo di un foro di coclea³⁸. Queste misurazioni dirette possono anche essere combinate con misurazioni indirette da sensori portatili^37,39,40 per fornire una valutazione calibrata della rappresentatività spaziale dei sensori in situ ^13,41. Come descritto nella fase 10.10 del protocollo, questo processo può essere ripetuto per consentire ad alcune metriche (ad esempio, errore quadratico medio della radice, bias, correlazione) di determinare qualsiasi deviazione recente dei sensori in situ dal campionamento diretto o dalle stime indirette di SWC. Maggiori dettagli sono presentati anche dall'Agenzia internazionale per l'energia atomica AIEA⁷. Anche i dati di scavo e caratterizzazione del suolo presentati nelle fasi 3 e 5 forniscono dati su φ (SWC non deve superare questo valore). La tessitura e l'orizzontalizzazione del suolo illustrano zone di alta/bassa conduttività e ritenzione idrica del suolo. Queste fasi sono molto in linea con il protocollo di campionamento del suolo forestale²⁵. La scala di rappresentatività desiderata può essere utilizzata per raccogliere il set di dati di convalida e, successivamente, la stazione può essere scalata all'impronta convalidata⁴². Se un tipo di sensore di stazione viene sostituito, sarebbe ragionevole raccogliere un'altra serie di dati di convalida su una varietà di condizioni idriche del suolo per catturare nuovamente la distorsione dell'installazione.

I set di dati ausiliari possono aiutare nella verifica e nella valutazione dei dati SWC. È ovvio che una serie temporale idrologica è notevolmente migliorata con un misuratore PPT in loco per verificare i tempi, la durata e l'entità degli eventi. I sensori di potenziale matric del suolo forniscono lo stato energetico dell'acqua del suolo, fondamentale per quantificare l'acqua disponibile delle piante. I sensori meteorologici, tra cui la temperatura dell'aria, l'umidità relativa, la velocità del vento e l'irraggiamento solare, consentono il calcolo diretto dell'evapotraspirazione di riferimento (ET), che è un'utile guida all'assorbimento relativo dell'acqua delle piante e, quindi, al tasso di essiccazione del suolo⁴³. Sono disponibili diversi sensori meteorologici economici all-in-one con uscita SDI-12. Le informazioni sul livello delle acque sotterranee da un trasduttore di pressione sono un'altra misura preziosa, se la falda freatica è vicina alla superficie e può essere installato un pozzo di monitoraggio. Infine, una telecamera da campo può fornire sia valore scientifico che valore di sicurezza del sito. Le immagini digitali possono registrare la crescita della vegetazione e il verde⁴⁴ e le condizioni generali della stazione possono essere valutate senza una visita sul campo.

Tabella supplementare S1: tecnologie di sensori SWC in situ comuni (ma non incluse). Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare S2: Registri della cronologia dei sensori estratti dal database on-line NRCS per tutti i siti presentati in questo protocollo. Dati disponibili tramite ciascun URL. Clicca qui per scaricare questo file.

Tabella supplementare S3: Dati del sito e caratterizzazione del suolo per esempi di dati presentati nella Figura 11. Clicca qui per scaricare questo file.

Discussion

Lo stato di umidità del suolo è il risultato di molti fattori ambientali diversi, tra cui precipitazioni, vegetazione, irraggiamento solare e umidità relativa, insieme alle proprietà idrauliche e fisiche del suolo. Questi interagiscono nello spazio e nel tempo a diverse scale spaziali e temporali. Per modellare e prevedere i cicli dell'acqua, dell'energia e del carbonio, è necessario comprendere lo stato SWC. Uno dei tipi più comuni di tecnologie di misurazione automatizzate è un sensore SWC elettromagnetico con denti destinati ad essere inseriti in situ in terreni indisturbati. Questo protocollo è progettato per fornire una guida per il processo di installazione di questi tipi comuni di sensori interrati. Precisione, prestazioni e costi sono in genere proporzionali alla frequenza operativa dei sensori; I sensori a bassa frequenza costano meno, ma sono più confusi dal suolo e dai fattori ambientali⁴⁵. La calibrazione specifica del suolo o del sito può migliorare l'accuratezza dei sensori a bassa frequenza. Il metodo di misurazione influisce anche sulle prestazioni del sensore a causa della fisica sottostante del campo elettromagnetico (EMF).

Due principali leggi fisiche elettromagnetiche governano il rilevamento elettromagnetico. Una è la legge di Gauss, che descrive come l'EMF propagato del sensore dipenda sia dal ε che dal BEC del mezzo. La permittività aumenta con SWC, tuttavia, così anche il BEC. Pertanto, i sensori dipendenti dalla legge di Gauss sono influenzati da SWC, BEC e dall'effetto della temperatura su BEC, nonché da qualsiasi interferenza da salinità. I metodi di rilevamento della capacità obbediscono alla legge di Gauss e quindi sono più inclini a questi effetti⁴⁶. Inoltre, la legge di Gauss descrive la dipendenza della capacità da un fattore geometrico, che cambia con la forma del campo elettromagnetico nel terreno. La ricerca ha dimostrato che la forma dell'EMF cambia con la struttura del suolo e la variabilità spaziale su piccola scala del contenuto di acqua attorno ai denti del sensore. La variabilità spaziale su piccola scala del contenuto di acqua e della struttura del suolo è grande nella maggior parte dei suoli, con conseguenti cambiamenti dei fattori geometrici e conseguenti cambiamenti di capacità che hanno poco a che fare con i cambiamenti del contenuto idrico medio del suolo. Questi fattori riducono la precisione del sensore di capacità e aumentano la variabilità dei dati^46,47,48. Anche i metodi di impedenza e oscillazione della linea di trasmissione dipendono dalla legge di Gauss, mentre la riflettometria nel dominio del tempo e la trasmissomemetria nel dominio del tempo dipendono dalle equazioni di Maxwell, che non includono un fattore geometrico e non dipendono dal BEC. Sebbene nessun sensore sia privo di problemi, i metodi nel dominio del tempo tendono ad essere sensibilmente più accurati e meno distorti rispetto ai metodi basati sulla capacità o sull'impedenza.

Ci sono diversi passaggi critici nella procedura. Per una rete sparsa, sono necessarie una corretta selezione del sito e la posizione del sensore per avere la rappresentazione spaziale più appropriata di SWC. La selezione del sito può essere maggiormente influenzata da fattori esterni, come l'accesso al suolo o altri requisiti di monitoraggio atmosferico in cui l'umidità del suolo è la misura accessoria. I siti meteorologici su mesoscala si trovano su superfici erbose ampie e aperte, ben curate per ridurre al minimo qualsiasi influenza su microscala. Tali posizioni potrebbero essere meno ideali per il monitoraggio SWC. Se applicabile, le tecnologie dei sensori wireless dovrebbero essere considerate 49,50,51,52,53 per consentire che il monitoraggio SWC avvenga lontano dalla stazione di monitoraggio ambientale esistente e in terreni rappresentativi. Lavorare intorno alle operazioni agricole attive e alle attrezzature per l'irrigazione è impegnativo. La maggior parte delle reti (ad esempio, SCAN e USDA-ARS) rimangono ai margini dei campi per evitare attività di lavorazione del terreno come aratri o mietitrici che possono tagliare i cavi e dissotterrare i sensori. Qualsiasi sensore e cavo in situ deve essere sufficientemente interrato e avere un profilo superficiale sufficientemente basso da evitare dedurre con le operazioni in azienda. I sistemi wireless⁵³ e i sensori di trivellazione rimovibili⁴⁷ possono essere più appropriati. Conservazione delle acque sotterranee mediante irrigazione su larga scala basata sull'umidità del suolo⁵⁴ è un campo in crescita per i sensori SWC; questo protocollo riguarda dati SWC a lungo termine spazialmente rappresentativi in terreni indisturbati.

Alcuni terreni sono più difficili da misurare di altri. In terreni rocciosi, ghiaiosi o molto asciutti, può essere impossibile inserire i denti senza alcun danno. Un'opzione è quella di scavare la fossa del terreno e posizionare i sensori durante il riempimento, cercando di compattarsi al BD originale. I terreni rocciosi tendono ad avere poca struttura, che probabilmente guarirà dopo diversi cicli di bagnatura e asciugatura; Tuttavia, tale disturbo potrebbe non essere mai veramente rappresentativo dell'idrologia del suolo del sito. In alternativa, se i sensori sono installati sul fondo dei fori della coclea, il terreno rimosso può essere setacciato per rimuovere le pietre e reimballato nel foro abbastanza profondamente da ospitare i denti del sensore. Il sensore può quindi essere installato verticalmente e il foro della coclea riempito con il terreno rimanente non setacciato, con frequenti compattazioni man mano che viene aggiunto terreno.

Le radici nel suolo forestale pongono sfide simili all'inserimento della sonda, tuttavia le radici possono essere tagliate in alcune situazioni. I suoli forestali hanno spesso orizzonti organici (O) sopra il suolo minerale, che può avere BD molto basso e un'elevata area superficiale specifica, con grandi quantità di acqua legata con conseguenti risposte del sensore molto non lineari a SWC⁵⁵ più elevati. Inoltre, il professionista imposta il dato zero come la parte superiore dell'O-orizzonte o il suolo minerale che annota nei metadati. I terreni ricchi di argilla e le argille espansive con elevato potenziale di restringimento / rigonfiamento possono essere estremamente conduttivi ai segnali elettromagnetici quando sono bagnati e possono rompersi quando sono asciutti. Tali terreni potrebbero aver bisogno di ulteriori correzioni per ottenere SWC ragionevoli dalle misurazioni grezze^56,57. In terreni poco profondi, prima di raggiungere la profondità massima ideale si possono incontrare substrati rocciosi o un orizzonte restrittivo del suolo (ad esempio, caliche o hardpan). Potrebbe essere necessario cambiare posizione o semplicemente non installare i sensori più profondi. Terreni eccessivamente asciutti o umidi possono essere impegnativi ed è anche preferibile scegliere date di installazione al di fuori degli estremi stagionali. Il terreno asciutto può essere molto forte e può rivelarsi impossibile inserire un sensore senza danni. Se necessario, i fori preaugered possono essere riempiti con acqua per ammorbidire la faccia della fossa, anche se potrebbe essere necessario del tempo prima che i terreni ritornino allo stato naturale. I terreni umidi possono essere troppo deboli per sostenere le pareti delle fosse o la trincea può riempirsi d'acqua. È anche più facile compattare eccessivamente un terreno bagnato.

L'uscita del sensore dovrebbe includere la permessività, non solo SWC, in modo che le correzioni o le calibrazioni specifiche del suolo possano essere effettuate in seguito. I sensori ad alta frequenza sono più appropriati in terreni ad alto BEC, mentre i denti più corti possono essere più facili da installare in terreni più compatti. Forse il passo più critico, tuttavia, è il contatto con il suolo; Lo scarso contatto degrada il segnale da qualsiasi sensore elettromagnetico. Infine, il riempimento dello scavo sembra banale, ma è fondamentale per ridurre al minimo il flusso preferenziale nell'area dei sensori, mantenere i cavi protetti e scoraggiare gli animali dal disturbare l'area. Una calibrazione specifica del suolo o del sito può migliorare l'accuratezza del sensore, ma richiede più dettagli di quanto sia possibile in questo protocollo. I terreni di campo regolati o reimballati a diversi livelli SWC sono ideali per verificare la linearità della risposta e possono servire come calibrazione specifica del sito per alcuni tipi di sensori²¹. I liquidi dielettrici possono anche essere mezzi efficaci per controllare la risposta del sensore⁵⁸. I bagni d'acqua a temperatura controllata possono essere utilizzati per migliorare le calibrazioni della temperatura del suolo⁵⁹. Questo protocollo è il primo passo verso la definizione di una procedura operativa standard per l'installazione di sensori SWC in situ, in quanto non esiste un metodo esistente, né alcun metodo accettato di calibrazione per i sensori SWC^60,61.

Mentre il monitoraggio SWC è stato al centro di questo protocollo, il metodo ha dei limiti e SWC da solo non può fornire un quadro completo dello stato delle acque del suolo. Molti processi ecosistemici sono anche regolati dal potenziale idrico del suolo, che è meno comunemente misurato in situ⁶². Il potenziale idrico del suolo, recentemente esaminato da S. Luo, N. Lu, C. Zhang e W. Likos ⁶³, è lo stato energetico dell'acqua; tali sensori possono essere meno influenzati dalle proprietà del suolo e fornire un controllo di qualità per i sensori SWC⁶⁴. Inoltre, il SWC del campo di rinfuse include ghiaie, rocce, radici e spazi vuoti (ad esempio, percorsi di flusso preferenziali). Sul posto I sensori SWC sono generalmente riposizionati attorno a rocce e radici e il volume di misurazione limitato, concentrato attorno ai denti, può perdere aspetti discreti ma importanti del campo SWC di massa.

Si spera che questo protocollo porti a dati SWC più armonizzati e uniformi per una vasta gamma di applicazioni, tra cui il monitoraggio della siccità, la previsione dell'approvvigionamento idrico, la gestione dei bacini idrografici, la gestione agricola e la pianificazione delle colture. L'avvento delle piattaforme di telerilevamento⁴ ha notevolmente migliorato la capacità di stimare SWC a livello globale, ma questi prodotti necessitano di una convalida a terra, che è ancora ragionevolmente raccolta solo dalle reti in situ ⁶⁵. I progressi del computer hanno permesso di sviluppare la modellazione SWC⁶⁶ ad iper-risoluzione, producendo uno stato SWC ad alta risoluzione e sub-giornaliero, ma questi prodotti necessitano anche di stime in situ di SWC per fornire una base per il calcolo dell'incertezza. Spesso, la prima domanda posta quando viene introdotto un nuovo prodotto è "qual è l'incertezza?" Per i prodotti SWC, il confronto principale per la convalida sono i dati di rete in situ ⁶⁷.

Ci sono state recenti espansioni della rete associate alla National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), tra cui il progetto di umidità del suolo del bacino del fiume Missouri superiore del Corpo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti superiori e l'accumulo della rete del sud-est degli Stati Uniti supportata dal NOAA, tutti progettati per migliorare la previsione dei pericoli idrici, il monitoraggio e fornire supporto decisionale nella gestione delle risorse. La certezza e l'accuratezza delle stime SWC per tali applicazioni possono essere realizzate solo con protocolli e procedure approfonditi per garantire la fiducia nell'integrità dei dati. Il NCSMMN è uno sforzo multi-istituzione guidato a livello federale che mira a fornire assistenza, guida e supporto costruendo una comunità di pratica intorno alla misurazione, all'interpretazione e all'applicazione dell'umidità del suolo: una "rete di persone" che collega fornitori di dati, ricercatori e pubblico⁶⁸. Questo protocollo è un prodotto degli sforzi di NCSMMN. È imminente un flusso di lavoro di controllo della qualità dei dati.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
System components, essential			This system is the typcial micro-station used in the TxSON soil moisture network. The TxSON meteorlogical station is listed under optional components. https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.2136/vzj2019.04.0034
Battery, sealed rechargable 12 V 12 AH	Campbell Scientific	BP12	7 amp-hour (AH) minimum
Charging regulator	Campbell Scientific	CH200	Charge regulator, needed for any unregulated solar panel
Conduit, schedule 40 PVC, 1 to 2" diameter	Any home supply store		Diameter sized appropriate to number of sensors and cable thickness. Length dependent on height of enclosure
Data aquistion software	Campbell Scientific	PC400	Free versions with limited programability, for more basic applications, manual downloads and simple sensor configurations
Data control platform	Campbell Scientific	CR300	Any SDI-12 compatible DCP is sufficint. Many also have integrated cellular modems available
Enclosure (NEMA), 10 x 12 inch, -DC 2 conduits for cables, -MM tripod mast mount	Campbell Scientific	ENC10/12-DC-MM	Two bottom conduits are required for above and below ground instruments
Mounting pole (47 inch) with pedestal legs	Campbell Scientific	CM305-PL	Smaller footprint, not tall enough for weather sensors
Rain Gage with 8 in. Orifice, 20 ft of cable	Campbell Scientific	TE525WS-L20-PT	Recommend installing rain gage on a separate vertical pole some distance from the instrument stand
Sensors, 12 cm water content reflectometer, 17ft cable, -VS SDI-12 address varies	Campbell Scientific	CS655-17-PT-VS	See Supplement Table 1 for more options
Solar panel, 20 W	Campbell Scientific	SP20	Use higher wattage panels for northern sites and lower for southern sites with higher exposre
System components, optional
Cellular Antenna, 2 dB multiband omnidirectional	Campbell Scientific	32262	Directional antennas can improve signal, if the tower location is known.
Cellular modem for Verizon/ATT	Campbell Scientific	CELL210/205	Provider is site-dependent
Crossarm mount, 4 feet	Campbell Scientific	CM204	Ideal for mounting 2 m sensors
Data aquistion software, advanced	Campbell Scientific	Loggernet	More advanced commercial sofware that includes remote communications options and advanced programming
DIN Rail Perforated Steel	Phoenix Contact	1207639	Used to mount terminal blocks inside enclosure
Galvanized steel water pipe, 1.5 or 2 inch diameter, 10 ft in length	Any home supply store		The most economical option for an instrument mast. Can be cut to length. Replaces the 47 inch mounting pole with legs
Instrument tripod, 10 foot stainless-Steel with grounding kit	Campbell Scientific	CM110	Taller instrument stand for 2 m meteorologic sensors
Lever nut connectors, five ports (Figure 5)	Digi-Key	222-415/VE00/1000	Connect one SDI-12 wire to 4 sensor wires. Alternative to DIN rail.
Null modem cable	Campbell Scientific	18663	Inteface cable between DCP with modem. Not required for integrated cellular modems
Plug-in bridge - FBS 3-5	Phoenix Contact	3030174	Used to connect the curcuit of multiple terminal blocks. Available at mouser.com
Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 gallon)	Any home supply store		Altnerative to concrete when using a steel pipe mast or for precipation gage pole. Two part foam mixture
Sensor, air temperature and relative humidity, 10 ft cable	Campbell Scientific	HygroVUE10-10-PT	Lower accuracy and pression option. Replacable chips are the fastest means to meet annual calibration cycles.
Sensor, solar radiation pyranometer, digital thermopile	Campbell Scientific	CS320	Most inexpensive, ISO class C (second class). Better options are available but much more expensive
Sensor, wind speed anemometer, 10 ft cable	Met One	014A-10	More expensive options include wind direction, or sonic sensors with no moving parts
Solar shield for air temperature and relative humidity sensor	Campbell Scientific	RAD10E	All air temperature sensors require sheilded from the sun
Terminal blocks (Figure 5), feed-through	Phoenix Contact	3064085	The most secure method to connect multiple SDI-12 sensor wires. Available at mouser.com
Field tools, essential
Freezer bags: quart and gallon sized	Any grocery store		Storage for soil samples collected for characterization
Miscellaneous digging tools including hand trowl, flat spade, and pointed spade	Any home supply store		Backup tools to aid excavation'
Shovel (Sharpshooter) 16 in. D-handle drain spade	Razorback		Manual tool for excavating soil pit. Any narrow pointed spade will work.
Shovel, trenching, 4 in wide steel blade	Any home supply store		Ideal trenching tool for burying cable or conduit
Soil auger (<4 in diameter) with T-handle or and extension bar as needed for r test holes	AMS Samplers	400.06	Recommended for test holes. The auger type should match soil, but 'regular' performs well in most soils
Tarp (plastic) or plywood sheet	Any home supply store		Soil management during excavation and trenching
Field tools, optional
2,000 lb Mini Excavator	Sunbelt Rentals	350110	Rental equipment for mechanical excavation
Breaker or digging bar	Any home supply store		Useful to break rocks and cut roots during excavation
Galvanized Cattle Fence Panel, 16 ft x 50 in	Tractor Supply Co.	350207799	Recommend cutting fencing panels into 8' sections
Pick mattock or pulaski	Any home supply store		Great for loosening in hard or rocky soils
Post Hole Auger Hydraulic Tow Behind with 18" diameter auger	Sunbelt Rentals	700033	Rental equipment for mechanical excavation
Post hole digger, 48 in handle	Any home supply store		Useful to clear soil in bottom of pit, or for test holes
Steel fence T-posts, 6 feet tall and fence post driver, ~14 lb.	Any home supply store		Fencing support and installation
Steel rake	Any home supply store		Ideal for smoothing disturbed soil at field area
Every Day Carry (EDC), recommendations for any field technician's toolbag
Adjustable wrench with insulated handle	Any home supply store
Assorted UV-resistant zip ties	Any home supply store		Critical for neat wiring
Diagonal cutting pliers	Any home supply store		Efficient way to cut light and heavy wires and snip zip ties
Digital camera, GPS, and compass	Misc.		Ideally, these are all on your smartphone
Digital multimeter	Any home supply store		Key tool for troubleshooting power and connectivity issues in electrical systems
Electrical tape	Any home supply store		Non-black tape can be used for labeling
Electrician's Puddy for filling entrance holes of enclosures	Any home supply store		Needed to close and seal all conduit ports in the enclosure
Hex key sets in both standard and metric sizes	Any home supply store		Required for many sensor mounts
Magnetic torpedo level (8 to 12")	Any home supply store		Needed to get instrument stand vertical and leveling any meteorlogical sensors
Metric tape measure	Any home supply store		Critical for inserting probes and sampling soils - both use metric depths.
Pliers: needle nose, lineman's, and channel-lock	Any home supply store		Lineman's pliers are essential for bailing wire fences.
Portable drill, bits, nut drivers	Any home supply store
Ratchet wrench and appropriate socket sizes	Any home supply store		Ratch wrenches can get into tight spaces around sensor mounts where standard box wrenches do not work
Safety: first aid kit, water (5 gallons),  trash bags, gloves, sunscreen, insect repellent	Any home supply store
Screw drivers: small and large size with insulated handles	Any home supply store		Screws on DCP and terminal blocks are very small. Small flat and phillips heads are required. Larger tools will also come in handy
Sharpies, pencils, and notebook	Forestry Supplier		Basic record keeping is essential for metadata
Step ladder, 6 ft	Any home supply store		Hard to install 2m sensors without a ladder
Utility knife and box cutter	Any home supply store
Vegetation control: hand loppers, weed whacker, saw	Any home supply store		Depending on the environment, vegetation can quickly overwhelm a fenced off areas.
Wire strippers (8-20 gage)	Any home supply store		Essential tool for preparing wires for insertion into DCP or terminal blocks. Self-adjusting strippers are the latest rage
Annual Maintenance Supplies
Battery cleaner (baking soda) and brush	Any grocery store
Cleaning:compressed air, isopropyl alcohol, tooth brush, pipe cleaners, paper towels	Any grocery store
Desiccant, silica gel bags	Clariant	Desi Pak	Reusable after oven drying at 105 °C for over 24 h. Swap out annually.
Field calibration device for rain gage	R.M. Young	52260	Device that drips water into a rain gage at varying intensity
Handheld Weather Meter	Kestrel Instruments	0830	Direct measurement of air temperature, relative humidity, and wind speed for field verification
One quart and one gallon freezer bags	Any grocery store		Storage for any gravimetric soil samples
Portable soil moisture sensor	Delta-T Devics	SM150T	A variety of sensors exist. See evaluation at https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033
Soil core sampler, 2-1/4 in. Diameter	Soilmoisture Equipment Corp.	0200	Gravimetric soil moisture and bulk density sampler