原位 未受干扰土壤中的土壤湿度传感器

土壤含水量调节着从作物生产到天气的许多地上和地下过程。它最近已成为许多州和联邦机构的关键任务要求。该协议综合了多机构的努力，使用埋地的原位电磁传感器测量土壤湿度。

该协议对于希望部署单个站点或整个网络的科学家和工程师非常有用。土壤含水量最近被认为是全球气候观测系统中的一个基本气候变量。然而，安装埋地式传感器的做法几乎没有标准化。

我们希望书面协议和视频可以改善数据收集。没有简单的方法可以验证埋藏土壤含水量传感器是否提供了良好的数据。首先，需要确信传感器与土壤良好接触，并且安装不会影响当地的土壤水文。

演示该程序的将是Alex White，他是马里兰州贝尔茨维尔美国农业部ARS水文和遥感实验室的物理科学家。首先，将每个传感器分别连接到数据控制平台。使用问号和感叹号命令查询传感器的地址，并在实验书中记录每个传感器的值以及序列号和SDI-12地址。

然后使用记号笔在传感器头和电缆端贴上SDI-12地址。在实验室中设置土壤含水量传感器和任何辅助传感器，将它们连接到数据控制平台和电池，使土壤含水量传感器悬浮在空气中，插入干燥的地方和/或浸没在水中。验证数据是否以适当的速率记录，并且值是否合适。

使用美国农业部 SoilWeb 应用程序查询位置，并使用后孔挖掘机挖掘测试孔。检查田间纹理是否与土壤描述一致。在挖掘区域铺设防水布，以保护土壤表面免受干扰。

展开传感器并将传感器头放在凹坑面上。然后将电缆端放置在仪器支架所在的位置，验证电缆长度是否正确，根据需要进行调整，并用标志标记支架的位置。使用柱孔挖掘机，挖掘一个大约 55 厘米深的孔。

使用锋利的铲子清理孔，并确保坑面垂直，以便每个传感器上方都有不受干扰的土壤。保持孔和受干扰区域尽可能小，以便快速恢复。以 10 厘米的增量移除土壤，并将每个升降机放在防水布的远端，随着每个增量移动，同时分解任何土块并清除大岩石。

接下来，挖掘一条超过10厘米深的笔直狭窄的沟渠，以掩埋传感器电缆。展开所有传感器，并将它们放在沟槽的一侧。注意土壤颜色或纹理的任何明显变化的深度，同时在每个传感器深度收集一夸脱冷冻袋中的代表性土壤样品。

检查坑面是否垂直或略微切开，以确保每个传感器上方都有未受干扰的土壤。首先，插入 50 厘米的传感器并将传感器水平推入土壤中，尽量不要摆动传感器，因为这会产生间隙。如有必要，使用杠杆轻轻推入传感器，确保尖齿完全嵌入土壤中。

将每根传感器电缆定向到坑的同一侧，使它们悬挂在挖掘坑的底部。用卷尺拍摄挖掘的孔和传感器的照片。对于 100 厘米的传感器，挖一个孔到 100 厘米减去传感器齿长度的一半，在本例中为 94 厘米。

使用安装工具将传感器推入孔底部，垂直安装传感器。用挖掘出的土壤重新包装螺旋钻孔。将所有传感器电缆从沟槽布线到一段 PVC 导管中的外壳中，并通过隔板连接器进入机箱。

然后将电缆镜头拉入底部外壳端口，用扎带固定，并连接五个传感器。使用设置为 DC 的万用表验证电池上的电压是否足够。接下来，将黑色负极线的端子连接器滑过电池接地负极柱上的铲形端子，将红线滑过电池正极柱。

要为系统通电，请将电池电缆插入DCP。启动数据控制平台软件后，将笔记本电脑连接到数据控制平台，并确认所有传感器都报告数值。一旦地面以下的所有东西都正常工作并且电缆已布线到外壳中，请用电腻子填充并密封地上和地下外壳开口。

使用最靠近防水布的较深挖掘土壤，从底部开始向上处理，手动将土壤包装在每个传感器头周围，避免干扰传感器并确保其良好压实。以 10 厘米的升降机回填坑，使表面平滑和压实，直到到达 20 厘米的传感器。用手包装传感器头周围的土壤，然后继续向上移动 10 厘米，直到到达表面。

小心地用防水布上较深的土壤覆盖它们，同时将土壤压实到坑底以固定电缆，注意不要用任何力将它们向下拉。从仪器桅杆向北、向南、向东和向西拍摄已完成的工作站的照片。用标记或其他不同的项目描绘传感器安装位置。

该现场安装报告每小时空气和土壤温度、土壤含水量、日降水量、土壤储水量及其随时间的变化。结果显示，地表附近的土壤含水量急剧增加，每次风暴过后，更深的土壤含水量都会延迟增加。在 2022 年 2 月初和 4 月的事件中，100 厘米处最深的传感器达到了每立方米 0.33 立方米的高原，表明有一段饱和期。

对于密西西比州的类似装置，降雨量40毫米后，所有深度的土壤含水量达到每立方米0.60立方米，而另外70毫米不影响土壤储水量，表明饱和过量径流。对于蒙大拿州的类似装置，冻土和积雪在3月中旬导致土壤含水量急剧下降，然后在解冻期间增加，没有任何降水迹象。警惕不稳定的传感器行为，例如尖峰、阶跃变化和振荡，这可能表明安装不良或传感器故障。

传感器插入可能具有挑战性，尤其是在岩石、根部或干燥的土壤中。确保传感器头与土壤齐平。该协议将导致更加协调和统一的土壤含水量数据，适用于广泛的应用，包括：干旱监测，供水预测，流域和农业管理以及作物规划。

国家协调土壤湿度监测网络正在围绕土壤湿度测量、解释和应用建立一个实践社区。它是一个连接数据提供者、研究人员和公众的人际网络。有关更多详细信息，请参阅文档。