Производство простых и недорогих датчиков поверхности почвы и гравиметрических датчиков содержания воды

Резюме

Точное измерение температуры и содержания воды в верхних 5 мм поверхности почвы может улучшить наше понимание экологического контроля биологических, химических и физических процессов. Здесь мы описываем протокол для производства, калибровки и проведения измерений с датчиками температуры поверхности почвы и влаги.

Аннотация

Количественная температура и влажность на поверхности почвы необходимы для понимания того, как биота поверхности почвы реагирует на изменения в окружающей среде. Однако на поверхности почвы эти переменные являются высокодинамическими, и стандартные датчики не измеряют явно температуру или влажность в верхних нескольких миллиметрах профиля почвы. В данной статье описаны методы изготовления простых, недорогих датчиков, которые одновременно измеряют температуру и влажность верхних 5 мм поверхности почвы. Помимо сенсорной конструкции, разъясняются шаги по контролю качества, а также для калибровки различных субстратов. Датчики включают термопару типа E для измерения температуры и оценки влажности почвы путем измерения сопротивления между двумя позолоченными металлическими зондами в конце датчика на глубине 5 мм. Методы, представленные здесь, могут быть изменены для настройки зондов для различных глубин или субстратов. Эти датчики были эффективны в различных средах и пережили месяцев проливных дождей в тропических лесах, а также интенсивное солнечное излучение в пустынях юго-западной части США Результаты демонстрируют эффективность этих датчиков для оценки потепление, сушка и замораживание поверхности почвы в эксперименте по глобальным изменениям.

Введение

Датчики окружающей среды являются важнейшими инструментами оценки, мониторинга и понимания динамики экосистем. Температура и влажность являются основными движущими силами биологических процессов в почвах и влияют на активность и состав населения почвенных организмов^1,2. Кроме того, температура и влажность, как было показано, влияют на сроки появления рассады и скорость разложения мусора^3,4,5. В засушливых экосистемах поверхности почвы, не покрытые сосудистыми растениями, часто покрываются сообществами мхов, лишайников и цианобактерий, известных как биологическая корка почвы (биокрус) (Рисунок 1). Эти общины существуют на поверхности почвы и редко проникают глубже, чем несколько миллиметров в почву⁶. Биологические корки почвы могут сильно влиять на стабилизацию почвы, скорость инфильтрации и испарения воды, альбедо, температуру, циклирование питательных веществ и почвенно-атмосферную CO₂ exchange^7,8,9. В свою очередь, для некоторых систем активность этих поверхностных сообществ может доминировать в общих почвенных атрибутах и темпах различных процессов^10. Датчики, которые явно фокусируют измерения на малых глубинах, могут помочь нам глубже понять, как температура и влажность сефреймов влияют на прорастание семян, скорость разложения и реакции биоты поверхности почвы, а также на многие другие экосистемные функции.

Последние разработки в технологии датчиков почвы показали важность пространственно явных измерений для понимания биологических процессов на поверхности почвы^11,12. Обычные методы анализа влажности почвы включают датчики, расположенные под поверхностью почвы, и часто интегрируют измерения на глубинах. Влажность почвы, зарегистрированная этими зондами, может помочь нам понять, как они контролируют окружающую среду в почвенных организмах, но, вероятно, пропустит многие нюансы, возникающие на поверхности почвы. Для четкого измерения содержания воды в верхних нескольких миллиметрах почвы, Weber et al. недавно разработали биокорковую влажность зондов (BWP), которые определяют влажность почвы через электрическую проводимость поверхности почвы на глубину 3 мм¹¹. Используя датчики Вебера в сочетании с интегрированными влагаными зондами от 0 до 5 см, Такер и др. продемонстрировали важность датчиков влажности, которые фокусируются на верхних немногих миллиметрах поверхности почвы. В частности, небольшие осадки, которые имели большое значение для активности биокорковых сообществ, не регистрировались для 0-50 мм (т.е. 5 см) интегрированных зондов и были обнаружены только BWPs¹². Датчики, сосредоточенные на верхних нескольких миллиметрах почв, необходимы для измерения влаганых явлений, которые не являются достаточно большими, чтобы проникнуть мимо поверхности, но достаточны для того, чтобы вызвать реакцию биоты на поверхность.

Температура поверхности почвы является еще одним важным экологическим фактором, влияющим на физиологические процессы. Суточная температура поверхности почвы может быть весьма переменной, особенно в растительных межпространствах, где незатененные поверхности почвы подвергаются большому количеству солнечного излучения. Кроме того, температура более изменчива на поверхности почвы, чем глубже в профиле почвы¹³ или^{воздуха 14}. Например, Такер и др. показали максимальный суточный диапазон температурповерхности почвы, который составляет почти 60 градусов по Цельсию (13-72 градусов по Цельсию), который составляет всего 24 ч. Эти температуры измерялись с помощью термопар, вставленных 3 мм в поверхность почвы. Между тем, близлежащие температурные зонды глубиной 50 мм измерили диапазон всего 30 градусов по Цельсию (22-52 градусов по Цельсию) в тот же день¹². Термопары, явно измеряющие температуру на поверхности почвы, показали гораздо более высокую вариацию, чем датчики на глубине 50 мм, так как поверхностные почвы были на 10 градусов холоднее ночью и на 20 градусов теплее в жару дня относительно значений глубиной 50 мм.

Температура представляет собой критический контроль над физиологическими процессами. Например, при постоянной влажности почвы в лабораторных условиях потери CO₂ от почвы резко возрастают с повышением температуры в большинстве экосистем^2,15,16. Аналогичным образом, данные полевых исследований манипуляции климатом, которые направлены на повышение температуры участка по отношению к контролю показали, что подогретые почвы выделяют больше CO_2, чем близлежащие неотапливаемые почвы (по крайней мере, в первые годы лечения^17,18) и что биокоркой почвы показывают аналогичную реакцию на потепление^7,9. Как температура, так и влажность были продемонстрированы, чтобы быть важными экологическими переменными и датчики, которые могут точно захватить почвенной поверхности климатических условий может прояснить, как они влияют на физиологические процессы организмов на поверхности почвы^11,12.

В этой статье представлены датчики, предназначенные для измерения температуры и влажности на глубину 5 мм под поверхностью почвы, предлагая значительную мощность в оценке того, как эти переменные взаимодействуют с и диск биологических реакций из серфинга биоты. Термопара типа E состоит из двух металлов (хромл и констант), а изменения температуры в металлах создают различные напряжения, которые регистрируются регистратором данных. Датчик влажности почвы измеряет сопротивление между двумя позолоченными металлическими зубцами. Сопротивление зависит от содержания воды в почве, потому что больше воды увеличивает проводимость и, таким образом, снижает устойчивость между зубцами. После разработки Weber et al.¹¹эти датчики измеряют влажность почвы на глубину 5 мм и дополнительно включают термопарус для измерения температуры на том же зонде. Эти датчики позволяют изысканное представление о том, как динамика температуры и влажности изменяется в концерте на поверхности почвы с помощью одного зонда. Эти зонды предоставляют множество возможностей для изучения того, как организмы, живущие на поверхности, реагируют на изменения в окружающей среде. Дополнительным преимуществом этих датчиков является то, что они относительно просты и недороги в сборке и калибровке, и исследователи с могут легко принять их использование.

В следующем протоколе подробно описаны материалы и методы построения датчиков, в ключая план для подключения датчиков к регистраторам данных. Эти датчики использовали коммерчески доступные регистраторы, но любой регистратор данных, который может быть прикреплен к мультиплексеру, может быть использован. Также описаны методы калибровки датчиков на субстраты интереса.

протокол

1. Производственные датчики

1. Сократите соответствующую длину кабеля.
   1. Определите максимальное расстояние от местоположения регистратора данных до желаемого размещения датчика. Учитываем дополнительную длину кабеля, необходимую для изгибов в кабеле, препятствий и крепления к регистратору данных.
   2. Отрежьте все термопары и кабели влажности почвы к этой максимально йенете длине. Различия в длине кабеля могут привести к переменному сопротивлению между датчиками. Эту проблему можно избежать, сохраняя все длины сенсорного кабеля одинаково.
2. Подготовьте термопара кабеля.
   1. Снимите кабельную куртку на 4-5 см от конца кабеля.
   2. Стрип вновь подвергаются, малого диаметра оболочки 5 мм от конца проводов.
   3. Дуга сварки вместе подвергаются кончики проводов и проверить прочность нового сварки, дергая мягко на провода, чтобы убедиться, что они не отделяются.
      ВНИМАНИЕ: Сварочный шлем или лицевым щитом следует использовать для защиты от радиации, образующейся при дуговой сварке. Держите все в рабочей среде сухой, чтобы избежать потенциального шока. Работавв в хорошо проветриваемом районе, чтобы держать пары или газы из дыхательной области.
   4. Опустите дуговые сварные кончики термопара кабеля в жидкую электрическую ленту для защиты открытых проводов. Жидкая электрическая лента должна покрывать открытый металл проводов и не менее 3 мм оболочек проволоки малого диаметра.
      ВНИМАНИЕ: ликвидная электрическая лента имеет легковоспламеняющиеся пары, которые могут раздражать дыхательные пути. Используйте в хорошо проветриваемом районе вдали от открытого пламени. Избегайте прямого воздействия на глаза и кожу, так как это может вызвать раздражение.
   5. Разрешить жидкой электрической ленты, чтобы высохнуть в течение примерно 4 ч или по указанию производителя.
   6. Вырезать кусок 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла сжатия трубки, что достаточно долго, чтобы покрыть жидкой электрической лентой на малом диаметре оболочки и по крайней мере 1 см термопары кабельной куртки (примерно 6 см в длину). Вставьте провода в трубку сжатия тепла и переместите трубку назад над кабельной курткой. Подождите, чтобы применить тепло до более позднего шага (Шаг 1.5.3).
3. Подготовка почвы влаги кабеля.
   1. Снимите кабельную куртку на 5 см от конца кабеля.
   2. Отрежьте землю провода (без оболочки) от на кабель куртку, чтобы он не подвергается за куртку.
   3. Полоса 1 см внутренней оболочки малого диаметра от концов почвы влаги проводов.
   4. Твист подвергаются металла каждого провода для консолидации малых нитей.
   5. Олово малых витой нити, применяя припой на подвергаются металла на каждом конце провода.
      ВНИМАНИЕ: Следует проявлять осторожность при использовании чрезвычайно горячих инструментов, необходимых для пайки. Солдер в хорошо проветриваемых областях и носить соответствующую защиту глаз и кожи.
   6. Вырежьте кусок 0,38 в (10 мм) тепловой трубки, что на 1 см больше, чем расстояние, от которого кабель куртка была разделась до конца консервированных проводов. Поместите эту трубку на обоих проводах и сдвиньте ее обратно через кабельную куртку, чтобы исправить на месте на более позднем этапе.
   7. Вырежьте два 1,5 см штук 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла термосажед трубки и место по одному на каждом проводе. Не нагревайте их, пока вы не припаяли провода на двухзубцовой полосе розетки.
   8. Нанесите поток припоя на зубцы двухзубцовой полоски розетки.
   9. Приспойка консервированные концы провода к концам двухзубцовой полосы розетки. Будьте осторожны, чтобы держать два конца разделены, чтобы они не касаясь.
   10. Переместите две части 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла сжатия труб к основанию двух-зубчатой полосы розетки так, что все металлические части покрыты. Используйте тепловой пистолет, чтобы придерживаться тепловой термоусадки труб, заботясь, чтобы не перегреться и расплавить припой под трубками.
   11. Переместите 0,38 в (10 мм) влаги печать тепла термоусадочной трубки до 1 мм с конца двухзубцовой полосы гнездо так, что она покрывает полоску розетки, малой диаметр проводов, а также некоторые из кабельной куртки. Используйте тепловой пистолет, чтобы исправить эту тепловую трубку на месте.
4. Измените терминальной полосы для головы датчика.
   1. Чтобы изменить восьмизубцовую терминальной полосы, сняйте полосу так, чтобы верхние зубцы изогнуты от глаз. Используйте проволоки snips сократить второй, четвертый и седьмой зубцы слева чуть ниже черной пластиковой полосой контакта (Рисунок 2).
   2. Измерьте 5 мм ниже черной пластиковой контактной полосы и отметьте третий, пятый и шестой зубцы слева на 5 мм. Snip эти зубцы на отметке 5 мм. Эта длина может быть изменена в соответствии с различными вопросами исследования.
5. Соберите головку датчика.
   1. Вырезать два 1 см штук 0,5 в (13 мм) влаги печать тепла сжатия труб и слайд по одному над каждым из термопары и почвы влаги кабелей.
   2. Переместите дуги сварных конца термопары проводов поверх третьего обрезанный зубец так, что кончик термопары ориентирована с конца обрезанного зубца. Согните провода, чтобы они следовали верхней кривой зубца.
   3. Сдвиньте 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла сжатия трубки (от шага 1.2.6) вверх по изогнутой части зубца и термопары проводов. Убедитесь, что тепловая трубка сокращается также охватывает часть термопары кабельной куртки и использовать тепловой пистолет придерживаться тепла термо термоса трубки на месте. Сожмите часть тепловой трубки, которая находится над изогнутой зубец пальцами, чтобы обеспечить его.
   4. Вставьте верхние изогнутые концы зубцов 5 и 6 в двухзубцовую полоску розетки(рисунок 2).
   5. Переместите верхнюю часть 0,5 в (13 мм) кусок влаги-печать тепла сжатия трубки к голове датчика, чтобы он расположен примерно на 1 см от головы. Используйте тепловой пистолет, чтобы придерживаться его на месте, заботясь, чтобы сохранить полоску розетки прочно подключен к зубцы 5 и 6 и термопара провода на зубец 3.
   6. Используйте тепловую пушку, чтобы придерживаться других 0,5 в (13 мм) кусок влаги-печать тепла теплосужетных труб на несколько сантиметров позади предыдущего куска тепла сжатия труб.
   7. Нанесите жидкую электрическую ленту на все стороны термопары провода и зубец 3.
   8. Нанесите жидкую электрическую ленту на все стороны розетки, гарантируя, что все открытые металлы покрыты. Не, однако, не покрывайте 5-мм обрезанные зубцы, связанные с этим соединением(рисунок 3).

2. Подключение датчиков к регистратору данных и мультиплексеру

ПРИМЕЧАНИЕ: Эти датчики должны использоваться с мультиплексером, который подключен к регистратору данных. Все этапы этого протокола для использования с регистратором данных и мультиплексером, перечисленными в таблице материалов (другие регистраторы данных также будут работать). В каждое время измерения регистратор данных открывает связь с мультиплексером, который, в свою очередь, действует как ретранслятор и позволяет току перетекать к датчику резистистовертивости.

1. Подключите мультиплексер к регистратору данных с помощью аудиопроводов. Подключите порт COM к регистратору данных к порту ВИР на мультиплексере. Подключите отдельный порт COM к регистратору данных к порту CLK на мультиплексере. Подключите порты G и 12 V к регистратору данных к gnD и 12 V-портам на мультиплексере соответственно.
2. Создайте разделитель напряжения на регистраторе данных, подключив сквозное отверстие 1 кЗ 0,1% резистора между портом VX и портом H DIFF на регистраторе данных.
3. Соедините два аудиопровода с грунтом из этого разделителя напряжения к мультиплексису. Подключите провод из того же порта H DIFF, к которому подключен разделитель напряжения на регистраторе данных, к порту COM ODD L на мультиплексере. Убедитесь, что другой провод соединяет наземный порт на регистраторе данных к порту COM ODD H на мультиплексере. Убедитесь, что наземный провод соединяет землю от регистратора данных к земле на мультиплексере.
4. Подключите провод термопары типа E к регистратору данных и мультиплексу. Фиолетовый провод соединяет порт DIFF 1 H на регистраторе данных с портом COM EVEN H на мультиплексере. Красный провод соединяет порт DIFF 1 L на регистраторе данных с портом COM EVEN L на мультиплексере. Убедитесь, что наземный провод подключается к земле как на регистраторе данных, так и на мультиплексере.
5. Измените мультиплекс на режим 4 x 16.
6. Подключите датчики к мультиплексеру. Почва влаги аудио кабели подключаются к нечетным портов с черным проводом h и красный провод к L. Thermocouple провода подключаются к портам EVEN с фиолетовым проводом к H и красный провод к L. Порядок термосоединительных проводов имеет решающее значение для надлежащих измерений.

3. Датчики тестирования

1. Приспование концы пленки резистор ассоцировать зубцы на двухзубцовой разъем ездобы с использованием свинцового припоя и припой потока.
2. Подключите все датчики для тестирования в мультиплексер.
3. Отрегулируйте программу регистрации данных для сканирования каждые 30 с с или на предпочтительную частоту для сканирования нескольких датчиков.
4. Для датчиков влажности поместите разъем розетки с резистором пленки на зубцы 5 и 6 датчика и запишите данные из регистратора данных.
5. Поместите резистор на каждый датчик, чтобы убедиться, что все они дают то же чтение.
6. Мониторинг термопары данных, чтобы убедиться, что они зондирования аналогичных температур.
7. Для датчиков температуры поместите конец термопары между двумя пальцами, чтобы убедиться, что температура меняется соответствующим образом.

4. Датчики калибровки

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описывается процесс соотвенения выхода датчика с влажностью почвы.

1. Изготовление головы датчика калибровки.
   1. Полоса 12 см куртки от кабеля влаги почвы.
   2. Снимите фольгу, закрывающуюся от проводов.
   3. Вырезать 10 см длиной обоих внутренних проволок и влажности почвы малого диаметра.
   4. Снимите с обоих концов каждого провода около 1 см оболочки.
   5. Твист небольшие провода на каждом из концов и ожгу их с паяльником.
   6. Измените восьмизубую терминальной полосы на те же характеристики, что и шаги 1.4.1 и 1.4.2.
   7. Нанесите поток припой на верхние кривые зубцов 5 и 6.
   8. Приспойк проводов к верхней кривые зубцы 5 и 6 на восьмизубщицы терминала полосы.
   9. Закрепите два внешних зубца восьмизубцевых полос терминала до 5 мм.
   10. Поместите 2 см кусок 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла сжатия труб на обоих проводах.
   11. Придерживайтесь теплового сжатия частей как можно ближе к измененной головой датчика, как это возможно.
   12. Поместите два 2 см штук 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла теплосужетные трубки на обоих проводах, по одному на каждом проводе. Подождите, чтобы придерживаться их на месте на более позднем шаге.
   13. Разрежьте два длинных средних зубца четырехзубцовой терминальной полосы до 1 см.
   14. Нанесите поток припоя на верхние изогнутые концы средних зубцов на четырехстороннюю терминальной полосе.
   15. Solder свободные концы обоих проводов к отрезанным зубщиву прокладки 4-prong стержня так, что верхние 4 изогнутых зубца смотрят на далеко от доработанных головки датчика (рисунок 4).
   16. Переместите ранее размещенное тепло влагоу-печать, сжимаемое до основания четырехзубцовой терминальной полосы, и нагрейте ее на место.
2. Подготовьте кабель влажности почвы для калибровки.
   1. Отрежьте кабель влажности почвы который такой же длины как датчики будучи используемым в поле.
   2. Снимите пиджак кабеля до 5 см с конца.
   3. Отрежьте землю провода (без оболочки) от на кабель куртку, чтобы он не подвергается за куртку.
   4. Полоса 1 см мелкого диаметра проволоки оболочки с концах почвы влаги проводов.
   5. Твист подвергаются металла каждого провода для консолидации малых нитей.
   6. Олово малых витой нити, применяя припой на подвергаются металла на каждом конце провода.
   7. Вырежьте 6 см кусок 0,38 в (10 мм) влаги печать тепла сжатия труб, поместите его на обоих проводов, и сдвиньте его обратно над кабельной куртке придерживаться его на более позднем этапе.
   8. Вырежьте два 1,5 см штук 0,13 в (3,3 мм) теплосужающие трубки и поместите по одному на каждый провод. Не нанося тепло до тех пор, пока провод не припаян к двухзубцовой полосе розетки.
   9. Нанесите поток припоя на зубцы двухзубцовой полоски розетки.
   10. Приспойка консервированные концы провода к концам двухзубцовой полосы розетки. Будьте осторожны, чтобы держать два конца разделены, чтобы они не касаясь.
   11. Переместите две части 0,13 в (3,3 мм) влаги печать тепла сжатия труб к основанию двух-зубчатой полосы розетки так, что все металлические части покрыты. Используйте тепловой пистолет придерживаться тепловой термоусадки на месте, заботясь, чтобы не перегреться и расплавить припой под трубками.
   12. Переместите 0,38 в (10 мм) влаги печать тепловой термоусадочной трубки (от шага 4.2.7) до 1 мм с конца двухзубцовой полосы розетки так, что она покрывает полоску розетки, провода малого диаметра, и некоторые из кабельной куртки. Используйте тепловой пистолет придерживаться тепла термоусадок трубки на месте.
3. Создайте контейнер для калибровки почвы(рисунок 5).
   1. Вырезать 50 мл полипропилена одноразовой центрифуги трубки 4 см от верхней части крышки. Это позволит создать трубку с отверстием на одном конце и съемной крышкой на другом.
   2. Используйте сверло бит, чтобы просверлить 2,5 см отверстие в центре крышки. Шаг буровой бит прост в использовании и эффективен.
   3. Разрежьте две вертикальные щели на 6 мм друг от друга, начиная с открытого конца трубки и расширяяся до нижней части крышки. Используйте перпендикулярный разрез в нижней части крышки, чтобы соединить две щели и удалить пластиковую полоску(рисунок 5). Это создаст достаточно большой зазор для вставки проводов сенсорной головки.
   4. Вырезать 6 см диаметром круговой кусок полипропиленовой сетки ткани. Поместите сетку между крышкой и трубкой и привинчив крышку.
   5. Вставьте восьмизубнюю терминальной полосой головы датчика калибровки в трубку так, чтобы провода сползали вниз по зазору, созданному в шаге 4.3.3.
   6. Лента больше зубцы четырехзубцовой полосы терминала в сторону открытого конца трубки, так что верхние зубцы сталкиваются от трубки и может быть легко подключен к двухзубцовой полоске разъема калибровочного кабеля (Рисунок 5).
   7. Поместите контейнер с прикрепленной головкой датчика в сушилку в 60 градусов по Цельсию на 48 ч, чтобы удалить любую влагу.
4. Датчик калибровки и почва.
   1. Взвесьте пустые, высушенные в духовке контейнеры калибровки вместе с головкой датчика калибровки на балансе с точностью 0,0001 г. Это измерение будет использоваться для расчета содержания гравиметрической воды (GWC) на более позднем этапе.
   2. Проводите калибровку в среде, которая может поддерживать постоянную температуру.
   3. Подготовка биокорки почвы для калибровки.
   4. Снимите крышку калибровочной трубки и используйте резьбовый конец в качестве формы, чтобы вырезать кусок биокоры того же диаметра. Биокрус должен оставаться в трубке, когда подъехал, но может потребоваться некоторая помощь, чтобы держать его в трубке.
   5. Используя палец, нажмите образец биокорки от разреза конце трубки так, что 3-5 мм верхней части биокоры остаются в трубке. Очистите от любой избыточной почвы, которая выталкивается из резьбовой конца трубки, так что дно биокорки заподлицо с нижней части трубки.
   6. Поместите полипропиленовой сетки диаметром 6 см на резьбовый конец, ниже биокорки, и привинчить крышку на жесткой.
   7. Смочите образец биокорки и аккуратно зафиксировать голову датчика в верхней части субстрата, чтобы зубцы были полностью похоронены. Провода, возможно, должны быть согнуты, чтобы убедиться, что головка датчика остается на месте и не перемещается во время калибровки.
   8. Подготовка минеральной почвы для калибровки.
   9. Собирайте почвы с верхних 5 мм в районе, где будут установлены датчики.
   10. Используйте 2 мм сито, чтобы удалить большие камни и органический материал из почвы.
   11. Убедитесь, что крышка привинчена плотно с полипропиленовой сеткой диаметром 6 см, закрепленной между крышкой и трубкой.
   12. Поместите просеянную почву в калибровочный контейнер, чтобы она покрывала дно контейнера на глубину 6 мм.
   13. Смочите образец почвы и аккуратно зафиксировать голову датчика в верхней части субстрата, чтобы зубцы были полностью похоронены. Провода, возможно, должны быть согнуты, чтобы убедиться, что головка датчика остается на месте и не перемещается во время калибровки.
   14. Насыщенный субстрат (биокрус или почва) деионизированной водой до тех пор, пока на поверхности не будет виден глянцевый слой воды.
   15. Дайте насыщенному субстрату высохнуть на ночь.
   16. Перед началом любых измерений, убедитесь, что головка датчика все еще на месте и зубцы все полностью похоронены в субстрате.
   17. Насыщенный субстрат деионизированной водой до тех пор, пока на поверхности не будет виден глянцевый слой.
   18. Высушите субстрат в течение 15 мин.
   19. Соедините двухзубцовую полоску калибровки почвенного влаги к внутренним двум зубчам четырехзубцовой полосы терминала.
   20. Запрограммируйте регистратор данных для записи измерений каждую минуту.
   21. Включите регистратор данных, чтобы начать сбор измерений сопротивления.
   22. Позиция вентилятора мягко дуть воздух над калибровкой контейнера, когда вес не регистрируется для содействия сушки.
   23. Влажный субстрат с деионизированной водой, пока блеск не виден на поверхности.
   24. Поместите калибровочный контейнер с влажной почвой на бумажное полотенце, чтобы поглотить капающую воду.
   25. Отключите калибровочный провод влаги почвы от четырехзубцовой терминальной полосы.
   26. Слегка нажмите контейнер, чтобы изгнать капает воды.
   27. Выключите вентилятор перед размещением калибровоспособного контейнера на балансе.
   28. Поместите контейнер на баланс и запишите вес и время измерения.
   29. Воссоедините проволоку влажности почвы к четырехсторонней терминальной полосе.
   30. Поместите калибровочный контейнер обратно на бумажное полотенце.
   31. Включите вентилятор, чтобы ускорить сушки.
   32. Запись весит каждые 15 минут, пока субстрат полностью высушивается. Полная сушка указываетна на незначительное или отсутствие изменений в весах контейнера калибровки между измерениями.
   33. Поместите калибровочный контейнер, головку датчика калибровки и субстрат в сушилку на 40 градусов по Цельсию в течение 48 ч.
   34. Взвесьте высушенный в духовке субстрат, контейнер и головку датчика.
5. Анализ данных калибровки датчиков.
   1. Рассчитайте сухой вес субстрата, вычитая вес сухого контейнера калибровки, определяемого в шаге 4.4.1 от веса сухого контейнера калибровки с субстратом, определяемым в шаге 4.4.34.
   2. Рассчитайте вес воды для каждого 15-мин тайм-пойнта или калибровки, вычитая сухой вес контейнера калибровки с субстратом (шаг 4.4.34) из весов, зарегистрированных каждые 15 минут.
   3. Рассчитайте GWC для каждого 15-минутного тайм-пойнта, разделив вес воды (шаг 4.5.2) на сухой вес почвы (4.5.1).
   4. Время измерения сопротивления соответствия GWC каждого 15-минутного тайм-пойнта, определяемого в шаге 4.5.3.
   5. Определите кривую калибровки от регрессионного анализа с ПОМОЩЬю GWC в качестве зависимых переменных и Siemens как независимых переменных(рисунок 6). Различные типы кривой (линейные, мощность, логарифмические) могут быть наиболее подходящими для калибровки различных субстратов.

Результаты

Оценка микроклимата поверхности почвы имеет важное значение для понимания и прогнозирования биологических, химических и физических процессов, происходящих там. Эти зонды предоставляют мощные возможности для мониторинга микроклимата на самом поверхностном слое почвенного профиля и поэтому ценны для оценки биологической активности, происходящей в верхних нескольких миллиметрах почвы^11,12. Эти зонды были разработаны и уточнены для оценки контроля над биологической активностью коры почвы, потому что температура и влажность в биокруре могут иметь решающее значение для его функции^2,8,10,12,15. Однако, хотя эти зонды были разработаны для фотосинтетических почв в засушливых районах, существует большой потенциал для их реализации в широком диапазоне систем, а также для оценки того, как температура и влажность различаются в зависимости от профилей глубины почвы. Например, эти датчики были развернуты в эксперименте по потеплению тропических лесов, чтобы выяснить, как потепление лечения и естественные изменения климата взаимодействуют для определения ковариаций в почвенных процессах, температуре и влажности.

Тем не менее, есть некоторые ключевые соображения, прежде чем внедрять датчики поверхности почвы. Например, необходимо разработать кривые калибровки для преобразования единиц сопротивления в более часто используемые показатели влажности почвы, такие как GWC. Датчик поверхности почвы измеряет сопротивление между металлическими зубцами и выходами проводимости (обратное сопротивление) значения в Siemens (1/Ohm). Таким образом, необходимо провести преобразование из Siemens в влажность почвы. Ряд химических и физических свойств почвенного субстрата может повлиять на взаимосвязь между показаниями проводимости датчика в Siemens и влажностью почвы. Поэтому крайне важно проводить калибровку субстрата для преобразования показаний зонда в значения влажности почвы. Показаны данные калибровки из трех субстратов, демонстрирующих эти различия.

На рисунке 6 изображены данные о высохе калибровки по двум образцам, каждый из трех почвенных субстратов, каждый со своим собственным зондом. Субстраты были полностью насыщены до тех пор, пока на поверхности не было видно небольшого количества воды. Устойчивость зондов и вес почвы измерялись каждые 15 минут до тех пор, пока все образцы не были сухими. Почвенная масса впоследствии использовалась для расчета ГВЦ. На рисунке 6 показаны регрессии проводимости и GWC для каждого образца. Субстраты, используемые для этих калибровок, включают иловые суглинки почв (23% песка, 64% ила и 13% глины), собранные на экспериментальной полевой станции в Национальном лесу Эль-Yunque, Пуэрто-Рико; биокоры, в которых доминируют мх, собраны вблизи Касл-Вэлли, штат и мелкой песчаной почвы (92% песка, 3% ила и 5% глины) от экспериментальных участков потепления вблизи Моава, штат

Необходимость калибровки субстрата- датчиков проявляется в изменении проводимости зонда и влажности почвы для каждого субстрата. Например, регрессии образцов почвы ила(рисунок 6a)отличались от двух других почвенных субстратов. Таким образом, применение регрессии уравнения ила суглинка почвы для мха биокоры, или наоборот, приведет к резко разные значения. С другой стороны, отношения между GWC и зонд сопротивления для тонкой почвы песка(рисунок 6с) и мха биокрус(рисунок 6b) были похожи. Однако, тонкая песчаная почва не смогла провести столько воды, как мох и, соответственно, испытала гораздо более быструю сушку. Поскольку в субстратах есть вариации, важно иметь достаточно большой размер выборки, чтобы произвести точную кривую калибровки и создать индивидуальные кривые калибровки для всех участков.

В экспериментальной обстановке, эти датчики поверхности почвы были использованы для оценки последствий лечения исследования манипуляции климатом вблизи Моава, штат юта, США. В этом исследовании использовались инфракрасные лампы для повышения температуры окружающей среды участков на 4 градуса по Цельсию в том же месте и с аналогичными методами, описанными Wertin et al.¹⁷. На рисунке 7 показана средняя температура и GWC от отапливаемых и контрольных участков для двух отдельных дождевых событий, которые произошли в начале мая 2018 года. Средние температуры на разогретых участках были стабильно выше средних температур контрольных участков(рисунок 7a). В течение этих двух дождевых событий датчики резивности на нагретых участках зафиксировали меньше влажности почвы, чем элементы управления, а нагретые участки высушивались быстрее(рисунок 7b). Следует отметить, что повышение температуры может привести к повышению проводимости почв, на которые должно быть учтено^19. Чувствительность как температурных, так и влажных компонентов этих датчиков поверхности почвы позволила нам не только наблюдать температурные различия в температуре согревающей обработки, но и то, как она влияет на динамику влаги на участках.

Взаимодействия температуры и влажности были дополнительно исследованы в ходе обсервационного исследования с использованием этих датчиков поверхности почвы для анализа времени наличия влаги в биокорах во время замораживания-оттепели на плато Колорадо, США. Датчики были помещены в топ 5 мм биокор, которые состояли в основном из мха Syntrichia caninervis, и температура поверхности и влаги были зарегистрированы в январе и феврале 2018 года. Когда температура была ниже 0 градусов по Цельсию, влага на поверхности мха была заморожена, а значения проводки выходного датчика соответствовали 0% GWC(рисунок 8). Однако, поскольку температура превышала 0 градусов по Цельсию, мороз растаял на поверхности мха, а жидкая вода регистрировалась на датчике резистистоции. В данном случае параллельные измерения температуры и влажности показали, как переменные взаимодействуют для потенциального влияния на биологические процессы организмов, существующих на поверхности почвы.

Рисунок 1: Биокорковая межпространства на плато Колорадо, США. Во многих пустынных экосистемах пространства между растениями часто покрыты биокорными сообществами, состоящими из лишайников, мхов и цианобактерий. Два датчика температуры почвы и влажности были помещены в поверхность биокоры мха. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2: Отсечение восьмизубцовой терминальной полосы. Позолоченная терминальная полоса ориентирована с верхними изогнутыми зубцами, обращенными прочь. Зубцы пронумерованы от 1 до 8, начиная с левой стороны и двигаясь вправо. Зубцы 2, 4 и 7 вырезаны заподлицо с нижней части черного пластика. Зубцы 3, 5 и 6 разрезаются на 5 мм ниже черного пластика. Пронг 3 стабилизирует провода термопары, в то время как сопротивление измеряется между зубцами 5 и 6. Эти функции, как датчик влажности почвы. Пронги 1 и 8 служат в качестве холды в почве. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 3: Готовая головка датчика. Модифицированная головка датчика и термопара кабеля покрыты жидкой электрической лентой. Важно, чтобы зубцы 5 и 6 (датчик влажности) чистыми и не покрыты жидкой электрической лентой, чтобы убедиться, что нет загрязнения, которое повлияет на измерения сопротивления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4: Голова датчика калибровки. Четырехсторонний терминальной полосы припаян к проводам так, что он сталкивается от модифицированной сенсорной головке. Тепловой сжиматель влаги крепится на месте рядом с терминальными полосами, чтобы предотвратить перекрестный разговор между проводами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 5: Калибровка контейнера и датчика головы. Четырехсторонний терминальной полосы прикрепляется к контейнеру и ориентирован так, что он может быть легко подключен к двухзубцовой полосе розетки. Это размещение позволяет головке датчика быть помещены в разрез щели и фиксированной в субстрат интереса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 6: Датчик калибровки для трех почвенных субстратов. Рассчитанные проценты содержания гравиметрической воды (GWC), определяемые путем измерения массы почвы во время высыхания субстрата, сопоходили со значениями проводимости датчиков почвы зондами (измеренными в Siemens). Данные показаны для двух образцов из каждого из трех различных субстратов почвы. Почвенные субстраты были(а)иловый суглинок почвы, (b) мох биокрус, и (с) мелкой песчаной почвы. ()Отношение GWC и значения проводимости в преимущественно иловых почвах суглинка лучше всего было представлено регрессией власти. (b) Сильное линейное отношение GWC и провода датчика наблюдалось для biocrusts преобладано moss Syntrichia caninervis. (c)Линейная регрессия наилучшим образом представляла связь между GWC и измерениями проводимости датчика в тонких почвах песка. При высоких значениях GWC значения проводимости расходятся с кривой калибровки, что указывает на потенциальное ограничение датчиков при насыщении почв. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 7: Температура и гравиметрическое содержание воды с полевымин инфракрасным потеплением. Почасовая средняя температура поверхности и GWC регистрируются с интервалом 10 минут на 5 потепленных и 5 контрольных участках в течение 4 дней. Данные взяты из эксперимента по глобальным изменениям в экосистеме полузасушливых степей на плато Колорадо,^{США 17.} Данные показывают, что датчики поверхности почвы зафиксировали эффекты обработки. (a)Средние температуры на поверхности почвы были последовательно выше на разогретых участках. (b)Последствия потепления были также очевидны в значениях GWC, показывая, что подогретые почвы участка поддерживали более быстрое время сушки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 8: Температура биокоры мошатого и гравиметрическое содержание воды во время морозных событий. Средняя температура поверхности и GWC из четырех реплик биокор синтрихий мохов, зарегистрированных с интервалом в 10 минут с 9:50 24 января 2018 года до 11:20 25 января 2018 года. Ночные часы представлены в серой затененном месте и в дневное время в незатененных районах. Когда вода замерзалась в виде мороза на поверхности мха, не было никакой проводимости, измеренной датчиком. Таким образом, GWC был 0. Замораживание условия произошли вскоре после наступления темноты, как температура почвы упала ниже 0 градусов по Цельсию. Таяние произошло вскоре после восхода солнца, когда температура поднялась выше 0 градусов по Цельсию, когда мороз растаял, и жидкая вода была обнаружена датчиками. Эти результаты свидетельствуют об эффективности датчиков при различении жидкой воды и льда, что может иметь важные последствия для целого ряда биологических процессов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Обсуждение

Температура поверхности почвы и влага зонды могут быть эффективными инструментами для анализа температуры и содержания воды на поверхности почвы. За исключением зондов влажности Biocrust (BWP), разработанных Weber et al.^11,общие датчики температуры почвы и влаги явно не измеряют эти экологические переменные в верхних нескольких миллиметрах поверхности почвы. На момент разработки, BWPs только оценкам влажности почвы на поверхности, а не температура²⁰. С оригинальной конструкцией BWP, используемой в качестве руководства, зонды, описанные в этой рукописи, были разработаны для одновременного измерения температуры и влаги для оценки того, как эти экологические переменные взаимодействуют друг с другом, а также с биологическими, химическими и физическими процессами на поверхности почвы.

Существует ряд соображений, чтобы обеспечить оптимальную работу этих зондов. При создании датчика, важно позаботиться, чтобы не прорезать внутренние оболочки и разоблачить основные металлические провода. Это может привести к изменению проводимости и перекрестного разговора между проводами. Также важно проверить как термопары, так и датчики резистисточенности для каждого зонда в одной среде, чтобы подтвердить, что они правильно построены и что изменения в показаниях обусловлены физическими и химическими различиями в почвеном субстрате Измеряется. В процессе калибровки достаточно большое количество резистентности и калибровки GWC имеет решающее значение для правильного учета изменений в почве или субстратах биокоры. Кроме того, лучше всего проверить тот же зонд и субстрат сочетание в два раза, от мокрой до сухой, как это обычно для этих зондов, чтобы "дрейф" с течением времени из-за электролиза или коррозии. Кроме того, при калибровке важно использовать неглубокие образцы субстрата, которые являются достаточно глубокими, чтобы вместить длину зонда (т.е. от 6 до 7 мм), так что измеренные веса воды от воды в первую очередь в области проводимых измерений (между зондами и вокруг него). Это гарантирует, что изменения массы воды в почвах напрямую связаны с изменениями в измерениях сопротивления зондов. Наконец, при развертывании этих зондов в поле, важно должным образом обезопасить зонды к поверхности почвы (например, с непроводящие садовые колья), что будет ограничивать вмешательство в проводимых измерений, но может обеспечить датчики не сдвиг позиции и снижение качества долгосрочных измерений.

Важно также отметить некоторые ограничения этих датчиков. Поскольку прорези зондов длиной всего 5 мм, на их измерения могут сильно влиять большие заполненные воздухом поры в субстратах. Большие воздушные зазоры вдоль зондов уменьшают связь субстрата и, как правило, приводят к снижению измеренной проводимости и, следовательно, к снижению предполагаемого содержания воды, что может не отражать фактическую влажность почвы в более крупных масштабах. Аналогичным образом, химический состав почв может влиять на показания влажности почвы. Более высокая сотока повысит проводимость и приведет к более высоким значениям Siemens^21. Оба вопроса должны быть решены с помощью надлежащей калибровки субстрата. Тем не менее, некоторые почвы могут поддерживать химические различия или имеют большую архитектуру пространства пор, которые могли бы сделать их плохими условиями для этих датчиков. Температура также влияет на электрическую проводимость почв и, таким образом, должны быть рассмотрены¹⁵. В будущем калибровки температуры с помощью этих датчиков должны проводиться для определения того, как температура изменяет сопротивление измеренных субстратов.

Как Biocrust влажности зондов, разработанных Вебер и др.¹¹, эти калибровки датчиков показывают, что сопротивление измерений являются надежными при среднем содержании воды, но что они испытывают некоторые аномалии при очень высоком и низком содержании воды (Рисунок 6). Кроме того, во время засушливых калибровок значения сопротивления иногда читаются ноль, когда в образце субстрата еще есть вода. Это может быть связано с тем, что количество субстрата в контейнере калибровки немного больше, чем площадь, измеренная датчиком. Если вода присутствовала за пределами области резистистостия, датчик будет читать ноль в то время как субстрат все еще присутствует влага. Была принята мера по уменьшению размера субстрата без ущерба для измерений сопротивления. По мере увеличения содержания воды значения сопротивления в рамках субстрата уменьшаются, что приводит к увеличению объема производства Siemens. Однако при самом высоком содержании воды значения сопротивления увеличиваются с увеличением содержания воды. Это приводит к "крючок" в калибровке данных, как видно на рисунке 1C. Этот крюк присутствовал в каждом субстрате, используемом для калибровки, но был наиболее заметен в тонких песчаных почвах(рисунок 6). Вебер и др.¹¹ предполагает, что потенциальная причина аномального сопротивления увеличивается при высоком содержании воды в том, что дополнительная вода разбавляет ионы в насыщенных почвах, тем самым увеличивая сопротивление.

Эти датчики в настоящее время зависят от использования существующих мультиплексных и регистраторов данных технологий. Мультиплекс позволяет "выключить датчики" и отправляет ток на датчики только в запрограммированное время. Это предотвращает разъедание датчиков влажности почвы. Другие электронные компании предоставляют данные регистратора и мультиплексных альтернатив для зондов, а также программируемые печатные платы и компьютеры могут быть также включены для беспроводной конструкции датчиков температуры почвы и влаги, которые могут представлять захватывающее заранее.

Проектирование и строительство датчиков позволяет исследователю настроить зонды. Длина и направление зубцов можно манипулировать, чтобы лучше оценить влагу в различных средах или на разных глубинах. Пользовательские проводки могут быть заказаны, чтобы для конструкций с несколькими сенсорными головками, исполнимых из того же кабеля. С добавлением недорогих регистраций данных и опций мультиплекса, эти датчики обеспечивают недорогой и доступный вариант для исследователей для измерения температуры и влажности почвы на поверхности почвы. Это включает в себя измерение трудно захватить события, такие как мороз и роса формирования(рисунок 8), и экспериментальные эффекты лечения, такие как потепление(рисунок 7). Данная статья представляет собой пошаговое руководство по созданию датчиков поверхности почвы, которые одновременно измеряют температуру и влажность, которые могут быть использованы и уточнены всеми, кто заинтересован в оценке окружающей среды сообществ биокорки и сефоiciальных слоев многих других типов почв.

Материалы

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