制造简单、廉价的土壤表面温度和重力含水量传感器

摘要

准确测量土壤表面上 5 mm 的温度和含水量可以增进我们对生物、化学和物理过程环境控制的理解。在这里，我们描述了一个使用土壤表面温度和水分传感器进行制造、校准和测量的协议。

摘要

量化土壤表面的温度和水分对于了解土壤表面生物群环境环境变化的反应至关重要。然而，在土壤表面，这些变量是高度动态的，标准传感器没有明确测量土壤轮廓上几毫米的温度或水分。本文介绍了制造简单、廉价的传感器的方法，这些传感器可同时测量土壤表面上 5 mm 的温度和湿度。除了传感器结构外，还介绍了质量控制步骤以及各种基板的校准步骤。传感器采用 E 型热电偶，通过测量传感器末端的两个镀金金属探头之间的电阻，在 5 mm 下测量温度和评估土壤湿度。此处介绍的方法可以更改，以自定义不同深度或基板的探头。这些传感器在各种环境中都有效，并经受了热带森林数月的暴雨和美国西南部沙漠的强烈太阳辐射。在全球变化实验中，土壤表面的加热、干燥和冻结。

引言

环境传感器是评估、监控和了解生态系统动态的重要工具。温度和水分是土壤中生物过程的基本驱动力，影响土壤生物的活动和社区组成^1，2。此外，温度和水分已被证明影响幼苗出现的时间和垃圾分解率^3，4，5。在旱地生态系统中，未被血管植物覆盖的土壤表面往往覆盖着苔、地衣和蓝藻群落，称为生物土壤结壳（生物壳）（图1）。这些群落存在于土壤表面，很少能穿透几毫米深的土壤^。生物土壤结壳能对土壤稳定、水渗透和蒸发率、反作用率、温度、养分循环和土壤-大气_CO2交换^{影响7、8、9。}反过来，对于某些系统，这些地表群落的活动可以支配整体土壤属性和各种过程的速率^10。将测量明确聚焦在浅深度上的传感器可以帮助我们进一步了解表面温度和水分如何影响土壤表面生物群的播种、分解率和响应，以及许多其他生态系统功能。

土壤传感器技术的最新发展表明，空间明确的测量对于了解土壤表面^11、12的生物过程非常重要。分析土壤水分的传统方法包括放置在土壤表面下方的传感器，并经常集成跨深度的测量。这些探测器记录的土壤水分有助于了解土壤生物的环境控制，但可能会错过土壤表面发生的许多细微差别。为了明确测量土壤顶部几毫米的含水量，韦伯等人最近研制出生物冻土探头（BWP），通过土壤表面的电导率测定土壤水分，深度为3毫米^11。Tucker 等人将韦伯的传感器与 0 到 5 厘米的集成水分探头结合使用，证明了聚焦于土壤表面顶部几毫米的水分传感器的重要性。特别是，与生物壳群落活动高度相关的小降水事件没有登记0-50毫米（即5厘米）综合探头，只有BWPs¹²检测到。聚焦于顶部几毫米土壤的传感器对于测量水分事件至关重要，这些水分事件不够大，无法渗透到表面，但足以引起表面生物群的反应。

土壤表面温度是驱动生理过程的另一个重要环境因素。日土壤表面温度可能变化很大，特别是在未受沙带沙的土壤表面暴露于大量太阳辐射的植物间空间。此外，土壤表面的温度比土壤剖面¹³或空气¹⁴中较深的温度变化更大。例如，Tucker 等人显示，土壤表面温度的最大温度范围接近 60 °C （13-72 °C），时间仅为 24 小时。这些温度是使用插入土壤表面3毫米的热电偶测量的。同时，附近的温度探头50毫米深测量的范围只有30°C（22-52°C）在同一天^12。明确测量土壤表面温度的热电偶在 50 mm 深度下比传感器变化大得多，因为表面土壤在夜间较冷 10°C，在一天中较热时温度为 20°C，相对于 50 mm 深值。

温度代表对生理过程的关键控制。例如，在实验室条件下恒定的土壤水分条件下，土壤的_CO2损失会随着^{大多数生态系统2、15、16}的温度升高而急剧增加。同样，来自旨在相对于对照提高地块温度的现场气候操纵研究数据显示，加热土壤释放的_CO2比附近的未加热土壤多（至少在处理^17、18的最初几年），生物结壳土壤对^{7、9的变暖表现出}类似的反应。温度和水分已被证明是重要的环境变量和传感器，可以准确地捕获土壤表面的气候条件可以阐明它们如何影响生物体的生理过程在土壤表面^11，12。

本文介绍了旨在测量温度和水分到土壤表面以下5毫米深度的传感器，为评估这些变量如何与冲浪生物群的生物反应相互作用和驱动生物反应提供了强大的动力。E 型热电偶由两种金属（铬和常数）组成，金属中的温度变化会产生不同的电压，由数据记录器记录。土壤水分传感器测量两个镀金金属爪之间的电阻。电阻受土壤含水量的影响，因为更多的水会增加电导率，从而降低爪子之间的电阻。根据Weber等人¹¹号的设计，这些传感器测量土壤湿度到5毫米的深度，另外还包括一个热电偶来测量同一探头的温度。这些传感器通过单个探头，可精细地了解温度和水分动态在土壤表面的变化。这些探测器提供了无数的机会来探索生活在地表的生物体如何对其环境的变化作出反应。这些传感器的另一个好处是，它们相对简单且成本低廉，而且研究人员将很容易采用它们的使用。

以下协议详细介绍了构建传感器的材料和方法，包括将传感器连接到数据记录器的大纲。这些传感器使用市售记录器，但可以使用可连接到多路复用器的任何数据记录器。介绍了将传感器校准到感兴趣的基板的方法。

研究方案

1. 制造传感器

1. 切割适当的电缆长度。
   1. 确定从数据记录器位置到所需传感器放置的最大距离。考虑电缆弯曲所需的额外电缆长度、障碍物和数据记录器附件。
   2. 将所有热电偶和土壤湿气电缆切割到此最大所需长度。电缆长度的差异可能导致传感器之间的电阻变化。通过保持所有传感器电缆长度不变，可以避免此问题。
2. 准备热电偶电缆。
   1. 将电缆护套从电缆末端剥去 4⁄5 厘米。
   2. 从导线末端剥去新暴露的小直径护套 5 mm。
   3. 电弧将导线的外露尖端焊接在一起，并通过轻轻拉扯导线来测试新焊缝的强度，以确保它们不会分离。
      注意:应使用焊接头盔或面罩来防止电弧焊接时产生的辐射。保持工作环境中的一切干燥，以避免潜在的冲击。在通风良好的区域工作，防止吸入区域的烟雾或气体。
   4. 将热电偶电缆的电弧焊接尖端浸入液体电气胶带中，以保护裸露的导线。液体电气胶带应覆盖导线的裸露金属和至少 3 mm 的小直径电线护套。
      注意:液体电胶带有易燃蒸气，会刺激呼吸道。在通风良好的区域使用，远离明火。避免直接接触眼睛和皮肤，因为这可能导致刺激。
   5. 让液体电气胶带干燥约 4 小时或按照制造商的指示干燥。
   6. 切割一块 0.13 英寸（±3.3 毫米）的湿密封热收缩管，该管足够长，可以覆盖小直径护套上的液体电气胶带和至少 1 厘米的热电偶电缆护套（约 6 厘米长）。将导线插入热收缩管中，然后将管移回电缆护套上。等待加热，直到稍后的步骤（步骤 1.5.3）。
3. 准备土壤湿气电缆。
   1. 将电缆护套从电缆末端剥去 5 厘米。
   2. 切断电缆护套处的接地线（无护套），使其不会暴露在护套之外。
   3. 从土壤防潮线末端剥去 1 厘米内小直径护套。
   4. 扭曲每根导线的裸露金属以巩固小股。
   5. 通过在每根导线末端的裸露金属上涂抹焊料，将小扭绞线用于金属。
      注意:使用焊接所需的极热仪器时应小心谨慎。焊接在通风良好的区域，并穿适当的眼睛和皮肤保护。
   6. 切一块 0.38 英寸（±10 毫米）热收缩管，比从电缆护套剥离到镀锡导线末端的距离长 1 厘米。将管放在两根电线上，然后滑回电缆护套上，以便稍后步骤固定到位。
   7. 切割两根 1.5 厘米的 0.13 英寸（±3.3 毫米）湿封热收缩管，并在每根导线上放置一根。在将导线焊接到双插插座条之前，请勿加热。
   8. 将焊料通量涂抹在双插插座条的插脚上。
   9. 将导线的镀锡端焊接到双插插座条的末端。小心保持两端分开，以免接触。
   10. 将两块 0.13 英寸（±3.3 毫米）湿气密封热收缩管移到双插插座条的底座上，以便覆盖所有金属部件。使用热枪粘附热收缩管，注意不要过热并熔化管下方的焊料。
   11. 将 0.38 英寸（±10 毫米）湿密封热收缩管从双插插座条的末端移到 1 mm，以便覆盖插座条、小直径导线和部分电缆护套。使用热枪将热收缩管固定到位。
4. 改变传感器头的端子条。
   1. 要修改八爪端子条，请定向条，使顶部插脚弯曲远离视图。使用线剪从黑色塑料接触条下方的左侧切割第二、第四和第七个插脚（图 2）。
   2. 测量黑色塑料接触条下方 5 mm，并在左侧将第三、第五和第六个爪子标记为 5 mm。在 5 mm 标记处将这些爪子剪下。可以修改此长度以适应不同的研究问题。
5. 组装传感器头。
   1. 切割两根 1 厘米 0.5 英寸（±13 毫米）湿气密封热收缩管，并滑过每个热电偶和土壤湿气电缆。
   2. 将热电偶导线的电弧焊接端移到第三个夹紧的插脚的顶部，以便热电偶的尖端与夹爪的末端定向。弯曲导线，使其跟随爪子的顶部曲线。
   3. 将 0.13 英寸（±3.3 毫米）湿密封热收缩管（从步骤 1.2.6）向上滑到插脚和热电偶导线的弯曲部分。检查热电偶电缆护套是否也覆盖了部分热电偶，并使用热枪将热收缩管粘附到位。用手指挤压弯曲的爪状的热收缩管的一部分，将其固定。
   4. 将插脚 5 和 6 的顶部弯曲端插入双插套接字条（图 2）。
   5. 将顶部 0.5 英寸（±13 毫米）的湿密封热收缩管移向传感器头，使其位于距头部约 1 厘米的位置。使用热枪将其固定在原位，注意使插座条牢固地连接到插脚 5 和 6 以及插脚 3 上的热电偶导线上。
   6. 使用热枪将另一块 0.5 英寸（±13 毫米）的湿封热收缩管粘附在前一块热收缩管后面几厘米处。
   7. 将液体电胶带涂在热电偶导线和插接 3 的所有侧面。
   8. 将液体电气胶带涂抹在插座条连接的所有侧面，确保覆盖所有裸露的金属。但是，请勿覆盖与此连接相关的 5 mm 夹紧插脚（图3）。

2. 将传感器连接到数据记录器和多路复用器

注: 这些传感器必须与连接到数据记录器的多路复用器一起使用。此协议中的所有步骤都用于材料表中列出的数据记录器和多路复用器（其他数据记录器也可以工作）。在每个测量时，数据记录器都会打开与多路复用器的通信，而多路复用器又充当继电器，允许电流流向电阻率传感器。

1. 使用音频导线将多路复用器连接到数据记录器。将数据记录器上的 COM 端口连接到多路复用器上的 RES 端口。将数据记录器上的单独 COM 端口连接到多路复用器上的 CLK 端口。将数据记录器上的 G 和 12 V 端口分别连接到多路复用器上的 GND 和 12 V 端口。
2. 通过在数据记录器上的 VX 端口和 H DIFF 端口之间连接通孔 1 kΩ ± 0.1% 电阻，在数据记录器上创建一个分压器。
3. 将两根音频导线与接地连接，从该分压器连接到多路复用器。将分压器上连接到数据记录器上的同一 H DIFF 端口的导线连接到多路复用器上的 COM ODD L 端口。确保另一根导线将数据记录器上的接地端口连接到多路复用器上的 COM ODD H 端口。确保接地线将数据记录器的接地连接到多路复用器上的接地。
4. 将 E 型热电偶导线连接到数据记录器和多路复用器。紫色导线将数据记录器上的 DIFF 1 H 端口连接到多路复用器上的 COM EVEN H 端口。红线将数据记录器上的 DIFF 1 L 端口连接到多路复用器上的 COM EVEN L 端口。确保接地线连接到数据记录器和多路复用器上的接地。
5. 将多路复用器更改为 4 x 16 模式。
6. 将传感器连接到多路复用器。土壤湿气音频电缆连接到 ODD 端口，用黑色线连接到 H，红线连接到 L. 热电偶导线连接到 EVEN 端口，紫色导线连接到 H，红线连接到 L。热电偶导线的顺序对于正确测量至关重要。

3. 测试传感器

1. 使用引线焊料和焊料通量将薄膜电阻器的末端焊接到双插插座接头上的插脚上。
2. 将要测试的所有传感器连接到多路复用器。
3. 调整数据记录程序以每 30 s 扫描一次，或调整到扫描多个传感器的首选频率。
4. 对于湿气传感器，将带有薄膜电阻器的插座接头放在传感器的 5 和 6 面板上，并记录数据记录器的数据。
5. 将电阻器放在每个传感器上，以确保它们都提供相同的读数。
6. 监控热电偶数据，确保它们能够感应到相似的温度。
7. 对于温度传感器，将热电偶端放在两根手指之间，以确保温度相应变化。

4. 校准传感器

注:本节介绍传感器输出与土壤湿度相关的过程。

1. 制造校准传感器头。
   1. 从土壤湿气电缆上剥去 12 厘米的护套。
   2. 拆下导线上的箔屏蔽。
   3. 切割两条内小直径土壤防潮线10厘米长。
   4. 从每根导线的两端剥去大约 1 厘米的护套。
   5. 扭动每个端部上的小电线，用焊接铁将其锡化。
   6. 修改八爪端子条，使之与步骤 1.4.1 和 1.4.2 的规格相同。
   7. 将焊料通量涂抹到爪 5 和 6 的顶部曲线上。
   8. 将导线焊接到 8 爪端子条上 5 和 6 的爪顶部曲线上。
   9. 将八爪端子条的两个外插卡到 5 mm。
   10. 将一根 2 厘米 0.13 英寸（±3.3 毫米）的湿封热收缩管放在两根电线上。
   11. 尽可能将热收缩件粘附到修改后的传感器头附近。
   12. 将两根 2 厘米 0.13 英寸（±3.3 毫米）的湿封热收缩管放在两根电线上，每根导线上各一根。等待在后面的步骤中将它们粘附到位。
   13. 将四爪端子条的两个长中间支爪切至 1 厘米。
   14. 将焊料通量涂抹在四爪端子条中间插脚的顶部弯曲端。
   15. 将两根导线的自由端焊接到四爪端子条的切块上，使顶部四个弯曲的插脚朝远离修改后的传感器头（图 4）。
   16. 将先前放置的湿密封热收缩至四爪端子条的底座，并将其加热到位。
2. 准备土壤湿气电缆进行校准。
   1. 切割与现场使用的传感器长度相同的土壤湿气电缆。
   2. 将电缆的护套从末端剥到 5 厘米。
   3. 切断电缆护套处的接地线（无护套），使其不会暴露在护套之外。
   4. 从土壤防潮线末端剥去 1 厘米的小直径线套。
   5. 扭曲每根导线的裸露金属以巩固小股。
   6. 通过在每根导线末端的裸露金属上涂抹焊料，将小扭绞线用于金属。
   7. 切割一个 6 厘米的 0.38 英寸（±10 毫米）湿密封热收缩管，将其放在两根电线上，然后滑回电缆护套上，以便稍后再固定。
   8. 切割两根 1.5 厘米的 0.13 英寸（±3.3 毫米）热收缩管，并在每根导线上放置一根。在将导线焊接到双插插座条之前，请勿加热。
   9. 将焊料通量涂抹在双插插座条的插脚上。
   10. 将导线的镀锡端焊接到双插插座条的末端。小心保持两端分开，以免接触。
   11. 将两块 0.13 英寸（±3.3 毫米）湿气密封热收缩管移到双插插座条的底座上，以便覆盖所有金属部件。使用热枪将热收缩管粘附到位，注意不要过热并熔化管下方的焊料。
   12. 将 0.38 英寸（±10 毫米）湿密封热收缩管（从步骤 4.2.7）移至双插插座条的末端 1 mm，使其覆盖插座条、小直径导线和部分电缆护套。使用热枪将热收缩管粘附到位。
3. 创建校准土壤容器 （图 5）。
   1. 从盖子顶部切割 50 mL 聚丙烯一次性离心机管 4 厘米。这将创建一个在一端有开口的管子，另一端有一个可拆卸的盖子。
   2. 使用钻头在盖子中心钻一个 2.5 厘米的孔。步进钻头易于使用且有效。
   3. 将两个垂直切口分开 6 mm，从管的开端开始，一直延伸到盖子底部。使用盖子底部的垂直切口连接两个切口并拆下塑料条（图5）。这将创建足够大的间隙，以插入传感器头的导线。
   4. 切割一块直径为 6 厘米的圆形聚丙烯网布。将盖子和管子之间的网格放在盖子和管子上，然后拧上盖子。
   5. 将校准传感器头的八爪端子条插入管中，以便导线滑下步骤 4.3.3 中创建的间隙。
   6. 将四爪端子条的较长插脚带带带到管的开端一侧，使上部插脚朝远离管，并可轻松连接到校准电缆的双插式插座条（图 5）。
   7. 将带有附加传感器头的容器放入 60°C 干燥炉中 48 小时，以去除任何湿气。
4. 校准传感器和土壤。
   1. 以 0.0001 g 的精度在天平上称重空的烤箱干燥校准容器以及校准传感器头。此测量值将用于在后面的步骤中计算重力含水量 （GWC）。
   2. 在能够保持恒定温度的环境中进行校准。
   3. 准备生物粘土进行校准。
   4. 取下校准管的盖子，将螺纹端作为模具切割出相同直径的生物壳。当拉起时，生物壳应留在管中，但可能需要一些帮助才能将其保存在管中。
   5. 用手指将生物壳样品从管的切割端推，使生物壳顶部的 3-5 mm 留在管中。刮掉从管子螺纹端推出的任何多余的土壤，使生物壳的底部与管底齐平。
   6. 将直径为 6 厘米的聚丙烯网格放在螺纹端、生物壳下方，然后拧紧盖子。
   7. 润湿生物壳样品，轻轻固定基板顶部的传感器头，使爪子完全埋没。可能需要弯曲导线，以确保传感器头保持原位，并在校准过程中不移动。
   8. 准备矿物土壤进行校准。
   9. 从传感器放置区域的上部 5 mm 收集土壤。
   10. 使用 2 mm 筛子从土壤中去除大岩石和有机材料。
   11. 确保盖子拧紧，将 6 厘米直径的聚丙烯网固定在盖子和管子之间。
   12. 将筛土放入校准容器中，使其覆盖容器底部至 6 mm 深度。
   13. 润湿土壤样品，轻轻固定基板顶部的传感器头，使爪子完全埋没。可能需要弯曲导线，以确保传感器头保持原位，并在校准过程中不移动。
   14. 用去离子水使基板（生物结块或土壤）饱和，直到表面可见光滑的水层。
   15. 让饱和基板通宵干燥。
   16. 在开始任何测量之前，检查传感器头是否仍然就位，并且插脚是否完全埋在基板中。
   17. 用去离子水使基材饱和，直到表面可见光滑的层。
   18. 干燥基板15分钟。
   19. 将校准土壤湿气电缆的双插孔接字条连接到四爪端子条的内部两个插脚。
   20. 对数据记录器进行编程，以记录每分钟的测量值。
   21. 打开数据记录器以开始收集电阻测量值。
   22. 当重量未记录以促进干燥时，放置风扇以在校准容器上轻轻吹风。
   23. 用去离子水湿润基板，直到表面可见光泽。
   24. 将带有湿土的校准容器放在纸巾上以吸收滴水。
   25. 断开校准土壤防潮线与四爪端子条的连接。
   26. 轻轻敲击容器以排出滴水。
   27. 将校准容器放在天平上之前，请关闭风扇。
   28. 将容器放在天平上，并记录重量和测量时间。
   29. 将土壤防潮线重新连接到四爪端子条。
   30. 将校准容器放回纸巾上。
   31. 打开风扇以加快干燥速度。
   32. 每 15 分钟记录一次重量，直到基板完全风干。测量之间的校准容器重量变化很小或没有变化，从而指示完全干燥。
   33. 将校准容器、校准传感器头和基板放入 60°C 干燥炉中 48 小时。
   34. 称重烤箱干燥的基板、容器和传感器头。
5. 传感器校准数据分析。
   1. 通过从步骤 4.4.34 中确定的干校准容器重量中减去步骤 4.4.1 中确定的干校准容器重量，计算干基板重量。
   2. 通过从每 15 分钟记录的重量中减去带基板的干校准容器重量（步骤 4.4.34），计算每个 15 分钟时间点的水重量或校准。
   3. 将水权重（步骤 4.5.2）除以干土重量 （4.5.1），计算每个 15 分钟时间点的 GWC。
   4. 将电阻测量时间与步骤 4.5.3 中确定的每个 15 分钟时间点的 GWC 相匹配。
   5. 从回归分析中确定校准曲线，将 GwC 作为因变量，将西门子确定为独立变量 （图 6）。不同的曲线类型（线性、功率、对数）可能最适合于不同基板的校准。

结果

评估土壤表面的微气候对于了解和预测那里发生的生物、化学和物理过程至关重要。这些探针为监测土壤剖面表层的微气候提供了强有力的机会，因此对评估土壤^前几毫米内生物活动的价值。这些探测器被开发和改进，以评估对生物土壤地壳活动的控制，因为生物壳的温度和水分对于其功能^{2、8、10、12、15}至关重要。然而，虽然这些探头是为旱地的光合土壤开发的，但在广泛的系统中实施这些探针，以及评估温度和水分如何随土壤深度剖面变化的潜力很大。例如，这些传感器已部署在热带森林变暖实验中，以确定气候变暖处理和气候自然变化如何相互作用，以确定土壤过程、温度和水分的变化。

然而，在实施土壤表面传感器之前，有一些关键的考虑因素。例如，必须开发校准曲线，将电阻单位转换为更常用的土壤湿度指标，如 GWC。土壤表面传感器测量西门子（1/欧姆）中金属爪和输出电导值（电阻的反向）之间的电阻。因此，必须实现从西门子到土壤水分的转换。土壤基板的一些化学和物理特性会影响西门子传感器的电导读数与土壤水分之间的关系。因此，进行基板特定的校准以将探头读数转换为土壤湿度值至关重要。显示了三个基板的校准数据，表明这些差异。

图 6描述了三个土壤基板中两个样品的干式校准数据，每个样品都有自己的探头。基底完全饱和，直到表面看到少量水。探头电阻和土壤重量每15分钟测量一次，直到所有样品都干燥。土壤质量随后被用来计算GWC。图 6显示了每个样本的电导率和 GWC 的回归。用于这些校准的基材包括波多黎各El Yunque国家森林试验田站收集的淤泥土壤（23%沙土、64%淤泥和13%粘土）;在犹他州城堡谷附近收集的以青苔为主的生物壳;和细沙土（92%的沙，3%的淤泥，和5%的粘土）从实验加热地块附近的Moab，犹他州。

每种基材的探头电导率和土壤湿度变化都证明了对基板特定传感器校准的需求。例如，淤泥土样本的回归（图6a）与其他两种土壤基质不同。因此，将淤泥土的回归方程应用于苔类生物壳，反之亦然，将导致显著不同的值。另一方面，GWC与细沙土的探针电阻（图6c）和苔类生物壳（图6b）的关系相似。然而，细沙土不能容纳尽可能多的水，因为青苔，相应的经历了更快的干燥。由于基板内部存在差异，因此必须拥有足够大的样本大小，以产生精确的校准曲线，并为所有位点创建单独的校准曲线。

在实验环境中，这些土壤表面传感器用于评估美国犹他州Moab附近的气候操纵研究的处理效果。本研究使用红外灯在同一地点将地块的环境温度提高4°C，并采用Wertin等人¹⁷号描述的类似方法。图 7显示了 2018 年 5 月初发生的两次单独降雨事件的平均温度和来自加热和控制地块的 GWC。热化地块的平均气温始终高于控制图的平均温度（图7a）。在这两次降雨事件中，加热地块中的电阻率传感器记录的土壤湿度比对照组少，加热地块干燥得更快（图7b）。应该指出，温度升高会导致土壤电导率升高，必须占^19。这些土壤表面传感器的温度和水分成分的敏感性使我们能够不仅观察气候变暖处理的温度差异，还能够观察它如何影响地块中的水分动态。

美国科罗拉多高原冻融条件下，利用这些土壤表面传感器对生物壳的水分可用性时间进行了分析，进一步研究了温度和水分的相互作用。传感器被放置在顶部5毫米的生物壳，主要由苔辛特里基亚罐组成，并在2018年1月和2月记录表面温度和水分。当温度低于 0 °C 时，苔面的湿气被冻结，传感器输出电导值对应于 0% GWC（图8）。然而，当温度超过0°C时，霜冻在苔面融化，液态水在电阻率传感器上记录。在这种情况下，温度和水分的并发测量显示了变量如何相互作用，从而可能影响土壤表面存在的生物体的生物过程。

图1:美国科罗拉多高原上生物裂化的间空间。在许多沙漠生态系统中，植物之间的空间通常覆盖着由地衣、苔丝和蓝藻组成的生物壳群落。两个土壤温度和水分传感器被放置在苔层生物壳的表面。请点击此处查看此图的较大版本。

图 2:剪切八爪端子条。镀金端子条面向顶部弯曲的爪子朝向远方。爪子编号为 1 到 8，从左侧开始，向右移动。Prongs 2、4 和 7 与黑色塑料底部齐平。3、5 和 6 的爪子在黑色塑料下方 5 mm 处切割。P容 3 可稳定电弧焊接热电偶导线，而电阻在 5 和 6 之间测量。这些功能作为土壤水分传感器。爪子1和8在土壤中充当固定器。请点击此处查看此图的较大版本。

图 3:已完成的传感器头。修改后的传感器头和热电偶电缆用液体电胶带覆盖。保持爪子 5 和 6（水分传感器）清洁且不涂有液体电气胶带，以确保没有影响电阻测量的污染，这一点很重要。请点击此处查看此图的较大版本。

图 4:校准传感器头。四爪端子条焊接到导线上，使其朝向远离经过改进的传感器头。湿气密封热收缩固定在端子条附近，以防止导线之间的串扰。请点击此处查看此图的较大版本。

图5:校准容器和传感器头。四爪端子条被贴在容器上，并朝向，以便它可以轻松地连接到双插接字条。这种放置允许将传感器头放入切割狭缝中，并固定在感兴趣的基板上。请点击此处查看此图的较大版本。

图6:三个土壤基板的传感器校准。通过测量基材干燥过程中的土壤质量来确定的计算重力含水量 （GWC） 百分比与探头的土壤传感器电导值（在 Siemens 中测量）进行比较。所示数据来自三个不同的土壤基质中的两个样本。土壤基质是 （a） 淤泥土， （b） 苔生物壳， 和 （c） 细沙土.（a） GWC 和以淤泥为主的土壤中的电导值之间的关系最好用功率回归表示。（b） 观察到GWC和传感器电导的强线性关系，这种生物结块以苔丝辛特里基亚锥体为主。（c） 线性回归最能代表在细沙土壤中GWC和传感器电导测量之间的关系。在 GWC 值较高时，电导值与校准曲线不同，表明当土壤饱和时传感器的潜在限制。请点击此处查看此图的较大版本。

图7:温度和重力含水量与现场红外暖化处理。在 4 天内，在 5 个加热图和 5 个控制图中以 10 分钟间隔记录每小时平均表面温度和 GWC。数据来自美国美国科罗拉多高原半干旱草原生态系统的全球变化^实验。数据显示，土壤表面传感器捕获了处理效果。（a） 在加热地块中，土壤表面的平均温度一直较高.（b） 在GWC值中也很明显变暖的影响，表明加热的地块土壤保持更快的干燥时间。请点击此处查看此图的较大版本。

图8:霜冻期间苔生物壳温度和重力含水量。从 2018 年 1 月 24 日上午 9:50 到 2018 年 1 月 25 日上午 11:20，以 10 分钟间隔记录Syntrichia Caninervis苔类生物壳的四个副本的平均表面温度和 GWC。夜间时间表示在灰色阴影区域和未阴影区域的白天时间。当水以霜的形式冻结在青苔表面时，传感器没有测量电导。因此，GWC 为 0。夜幕降临后不久，土壤温度降至0°C以下，出现冰冻情况。日出后不久，当温度上升到0°C以上，当霜冻融化，传感器检测到液态水时，解冻发生。这些结果证明了传感器在区分液态水和冰方面的有效性，这可能对一系列生物过程产生重要影响。请点击此处查看此图的较大版本。

讨论

土壤表面温度和水分探头是分析土壤表面温度和含水量的有效工具。除了韦伯等人¹¹开发的生物壳湿度探头（BWP）外，常见的土壤温度和水分传感器没有明确测量土壤表面顶部几毫米处的环境变量。在开发时，BWP只估计地表的土壤湿度，而不是温度^20。以最初的BWP设计为指导，本手稿中描述的探头被开发出来，以同时测量温度和水分，以评估这些环境变量如何相互作用，以及土壤表面的生物、化学和物理过程。

有许多注意事项可确保这些探头的最佳运行。在构建传感器时，请务必注意不要穿过内护套并暴露底层金属导线。这可能导致导线之间的电导和串扰发生变化。在同一环境中测试每个探头的热电偶和电阻率传感器也至关重要，以确认它们结构正确，并且读数的变化是由于土壤基板的物理和化学差异造成的。测量。在校准过程中，足够大的电阻样本数和 GWC 校准对于正确解释土壤或生物壳基板的变化至关重要。此外，最好测试相同的探头和基板组合两次，从湿到干，因为这些探头通常由于电解或腐蚀而随时间而"漂移"。此外，在校准过程中，必须使用深度足以容纳探头长度（即 6 至 7 mm）的浅基板样品，以便测量的水重量主要来自导电测量区域的水（探头之间和周围）。这可确保土壤中水质量的变化与探头电阻测量的变化直接相关。最后，在现场部署这些探头时，将探头正确固定到土壤表面（例如，具有不导电花园桩），这将限制电导测量的干扰，但可以确保传感器不移动位置。"降低长期测量的质量。

还必须注意这些传感器的一些限制。由于电阻率探头只有 5 mm 长，其测量可能会受到基板中大量充满空气孔隙空间的强烈影响。探头沿线的大气隙会降低基板的连接性，通常会导致测量的电导率降低，因此估计的含水量较低，这可能不能反映较大尺度上的实际土壤水分。同样，土壤的化学成分也会影响土壤水分读数。较高的盐度将提高电导率，并导致更高的西门子值^21。这两个问题都应通过适当的基板特定校准来解决。然而，一些土壤可能保持化学差异或具有较大的孔隙空间结构，这可能使它们对这些传感器的环境较差。温度也影响土壤的导电性，因此必须考虑^15。将来，应对这些传感器进行温度校准，以确定温度如何改变测量基板的电阻。

与韦伯等人¹¹开发的生物壳湿度探头一样，这些传感器校准表明，在中等含水量下，电阻测量是可靠的，但在非常高和低含水量时，它们会遇到一些异常（图6）。此外，在干式校准期间，当基板样品中仍有一些水时，电阻值偶尔会为零。这可能是由于校准容器中的基板量略大于传感器测量的区域。如果电阻率区域外存在水，则传感器读数为零，而基板仍有湿气。注意减小基板尺寸，同时不影响电阻测量。随着含水量的增加，基板内的电阻值会降低，从而导致西门子输出增加。然而，在最高含水量时，电阻值随含水量的增加而增加。这导致校准数据中的"挂钩"，如图1C所示。此挂钩存在于用于校准的每个基材中，但在细沙土中最为突出（图 6）。Weber等人¹¹号指出，高含水量增加的一个潜在原因是额外的水稀释饱和土壤中的离子，从而增加电阻。

这些传感器目前依赖于使用现有的多路复用器和数据记录器技术。多路复用器允许传感器"关闭"，并且仅在编程时间向传感器发送电流。这样可以防止土壤水分传感器端子腐蚀。其他电子公司为探头提供数据记录仪和多路复用器替代品，可编程电路板和计算机也可以用于土壤温度和湿度传感器的无线设计，这可以代表令人兴奋的进步。

设计和构建传感器使研究人员能够定制探头。可以操纵爪子的长度和方向，以便更好地评估不同介质或不同深度的水分。可订购定制接线，以允许使用来自同一电缆的多个传感器头进行设计。这些传感器增加了廉价的数据记录和多路复用器选项，为研究人员提供了一个廉价且易于访问的选项，用于测量土壤表面的温度和土壤湿度。这包括测量难以捕获的事件，如霜冻和露水形成（图8），以及实验处理效果，如变暖（图7）。本文为构建同时测量温度和湿度的土壤表面传感器提供了分步指南，任何有兴趣评估生物壳群落的环境和许多其他土壤类型的表面层的人都可以使用和提炼该传感器。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Single sensor audio cable	alliedelec.com	Allied Stock #: 70004848	Cable; 1Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR
Double sensor audio cable	alliedelec.com	Allied Stock #: 70004635	Cable; 2Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS
Thermocouple cable	Omega.com	Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length)	Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error
Eight prong terminal strip	Samtec.com	MTSW-108-21-G-S-1130-RA
Four prong terminal strip	Samtec.com	MTSW-104-21-G-S-1130-RA
Two prong socket strip	Samtec.com	SSW-102-03-G-S
0.13" moisture-seal heat shrink tubing	McMaster.com	Part #: 7861K51
0.25" moisture-seal heat shrink tubing	McMaster.com	Part #: 7861K53
0.38" moisture-seal heat shrink tubing	McMaster.com	Part #: 7861K54
0.5" moisture-seal heat shrink tubing	McMaster.com	Part #: 7861K55
Liquid electrical tape	McMaster.com	Part #: 76425A23
Metal film resistor	Newark.com	Part #: RN55C1001BB14
Voltage divider resistor	Newark.com	Part #: 83F1210
16- or 32-Channel Relay Multiplexer	campbellsci.com	AM16/32B	This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly
CR1000X Measurement and Control Datalogger	campbellsci.com	CR1000X