На месте Датчики влажности почвы в ненарушенных почвах

Резюме

Определение содержания воды в почве является критически важным требованием для многих государственных и федеральных агентств. Этот протокол обобщает межведомственные усилия по измерению содержания воды в почве с использованием заглубленных датчиков in situ .

Аннотация

Влажность почвы напрямую влияет на оперативную гидрологию, продовольственную безопасность, экосистемные услуги и климатическую систему. Однако принятие данных о влажности почвы было медленным из-за непоследовательного сбора данных, плохой стандартизации и, как правило, короткой продолжительности записи. Влажность почвы или количественное объемное содержание воды в почве (SWC) измеряется с помощью заглубленных датчиков in situ , которые определяют SWC по электромагнитному отклику. Этот сигнал может значительно варьироваться в зависимости от местных условий, таких как содержание глины и минералогия, засоленность почвы или объемная электропроводность, а также температура почвы; Каждый из них может оказывать различное воздействие в зависимости от технологии датчика.

Кроме того, плохой контакт с почвой и деградация датчиков могут со временем повлиять на качество этих показаний. В отличие от более традиционных датчиков окружающей среды, не существует общепринятых стандартов, методов технического обслуживания или контроля качества данных SWC. Таким образом, SWC является сложным измерением для многих сетей мониторинга окружающей среды. Здесь мы пытаемся установить стандарт практики на уровне сообщества для датчиков SWC in situ , чтобы будущие исследования и приложения имели последовательные рекомендации по выбору площадки, установке датчиков, интерпретации данных и долгосрочному обслуживанию станций мониторинга.

Видеосъемка сосредоточена на межведомственном консенсусе передового опыта и рекомендаций по установке датчиков SWC in situ . В этом документе представлен обзор этого протокола, а также различные шаги, необходимые для высококачественного и долгосрочного сбора данных SWC. Этот протокол будет полезен ученым и инженерам, надеющимся развернуть одну станцию или целую сеть.

Введение

Влажность почвы недавно была признана важной климатической переменной в Глобальной системе наблюдений за климатом¹. Влажность почвы, или количественное объемное содержание воды в почве (SWC), играет важную роль в разделении потока поступающего излучения на скрытое и ощутимое тепло между поверхностью земли и атмосферой и распределении осадков между стоком и инфильтрацией². Однако пространственно-временная изменчивость влажности почвы в точечных, полевых и водосборных масштабах усложняет нашу способность измерять SWC в соответствующем масштабе, необходимом для достижения целей исследований или управления³. Новые методы количественной оценки SWC, включая наземные сети датчиков in situ , проксимальные детекторы и дистанционное зондирование, предоставляют уникальные возможности для картирования вариаций SWC с беспрецедентным разрешением⁴. На месте Датчики SWC обеспечивают наиболее непрерывную во времени и для конкретной глубины запись данных, но также подвержены небольшим объемам зондирования и изменчивости локального масштаба, присущей свойствам почвы, топографии и растительному покрову⁵.

Кроме того, отсутствуют стандарты или общепринятые методы установки, калибровки, валидации, технического обслуживания и контроля качества датчиков SWC in situ . Влажность почвы по своей сути является сложным параметром для измерения и может быть самой сложной переменной для обеспечения качества⁶. Несмотря на то, что общие протоколы для сбора данных SWC были разработаны Международным агентством по атомной энергии⁷, Комитетом по спутникам наблюдения Земли⁸, докладами^{федерального агентства 9} и Американской ассоциацией государственных климатологов¹⁰, существуют ограниченные конкретные рекомендации по установке, техническому обслуживанию, контролю качества и проверке данных SWC из захоронения in situ Зонды. Это затруднило внедрение таких технологий для сетей оперативного мониторинга, таких как государственные мезонеты, для добавления измерений SWC. Точно так же оперативным гидрологам, например, в речных прогностических центрах, также сложно включить эти данные в свой рабочий процесс. Цель этой видеосъемки и сопроводительного документа состоит в том, чтобы предоставить такое руководство и задокументировать согласованный протокол установки для подземных зондов SWC in situ .

Выбор места для мониторинга влажности почвы in situ
Почвы в любой интересующей их области (АОИ) формируются благодаря уникальной и связанной обратной связи с течением времени между топографией, экологией, геологией и климатом^11,12. Изменчивость SWC в разных ландшафтах делает выбор участка критическим аспектом для любого исследования влажности почвы. Для некоторых исследовательских целей может быть выбран участок, представляющий конкретный объект или микроучасток в ландшафте или экосистеме. Для целей сетей мониторинга участок должен быть пространственно репрезентативным для более крупного ландшафтного компонента. Цель состоит в том, чтобы найти место, которое обеспечивает наилучшее пространственное представление AOI. На местах необходимо учитывать более прагматичные соображения, такие как требования к другим метеорологическим приборам, доступности или разрешениям. Тем не менее, доминирующая единица почвенной карты в пределах АОИ обычно является хорошим пространственным представлением условий окружающей среды на более крупной территории¹³. Доминирующая единица почвенной карты может быть определена с помощью Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Этот блок карты почвы также должен быть сверен с неглубокой ямой или испытательной ямой.

Типичная станция мониторинга может занимать 5-50^м2, в зависимости от потребностей датчика и количества вспомогательных измерений. На рисунке 1 изображена типичная станция мониторинга с 3-метровой башней, в которой находится анемометр скорости и направления ветра, датчик температуры и относительной влажности воздуха, пиранометр солнечной радиации и атмосферостойкий и водонепроницаемый корпус Национальной ассоциации производителей электрооборудования (NEMA) (рейтинг NEMA 4). В корпусе NEMA размещены платформа управления данными (DCP), сотовый модем, регулятор заряда солнечной панели, аккумулятор и другое сопутствующее оборудование (см . Таблицу материалов; Компоненты системы). Башня также предоставляет платформу для антенны связи, солнечной панели и громоотвода. Также обычно в комплект входит датчик жидких осадков (PPT), который следует размещать вдали от башни и на минимально возможной высоте, чтобы уменьшить влияние ветра на улавливание PPT. Датчики SWC должны быть установлены на достаточном расстоянии (3-4 м) и вверх по склону, чтобы не было потенциальных помех от башни ни для осадков, ни для наземного потока. Любые связанные кабели должны быть проложены в кабелепроводе на глубине не менее 5 см под поверхностью.

Рисунок 1: Типичная станция мониторинга. USDA SCAN собирает ежечасную информацию о содержании воды в почве и температуре на стандартных глубинах (5, 10, 20, 50 и 100 см), температуре воздуха, относительной влажности, солнечной радиации, скорости и направлении ветра, осадках и атмосферном давлении. В США насчитывается более 200 сайтов SCAN. Сокращения: SCAN = Сеть анализа почвенного климата; NEMA = Национальная ассоциация производителей электрооборудования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Глубина измерения, ориентация и количество датчиков
На месте Датчики SWC обычно устанавливаются горизонтально для представления определенных глубин в почве (рис. 2). Финансируемые из федерального бюджета национальные сети, такие как Сеть почвенного климата (SCAN)¹⁴, Сеть телеметрии снега (SNOTEL)15 и Справочная климатическая сеть США (USCRN)16, измеряют SWC на расстоянии 5, 10, 20, 50 и ¹⁰⁰ см. Эти глубины были достигнуты консенсусом во время разработки SCAN по целому ряду причин. Глубина 5 см соответствует возможностям дистанционного зондирования¹⁷; Глубины 10 и 20 см являются историческими измерениями температуры почвы¹⁸; Глубины 50 и 100 см завершают хранение воды в почве корневой зоны.

Зонды могут быть ориентированы вертикально, горизонтально или под наклоном/углом наклона (рис. 3). Горизонтальная установка наиболее распространена для достижения равномерного измерения температуры почвы на дискретной глубине. В то время как датчик может быть центрирован на дискретной глубине, измерение SWC представляет собой объем вокруг зубьев (т. е. электродов), который может варьироваться в зависимости от уровня влажности, частоты измерений и геометрии установки (горизонтальный, вертикальный или угловой). При горизонтальной установке считывающий объем объединяет влагу выше и ниже глубины, и 95% считывающего объема обычно находится в пределах 3 см от зубьев¹⁹. Вертикальные или угловые установки интегрируют SWC вдоль пальцев, поэтому вертикальная установка может представлять собой хранилище по всей длине датчика глубиной²⁰. Некоторые датчики неравномерно измеряют длину зубьев. Например, осцилляторы линий передачи более чувствительны к влаге вблизи головки зонда, где генерируются электромагнитные импульсы²¹. Вертикальные установки больше подходят для более глубоких зондов, где градиенты температуры и влажности имеют тенденцию к уменьшению.

Рисунок 2: Установка датчиков SWC in situ . Горизонтальное размещение датчика на выбранной глубине с помощью (A, B) эталонного приспособления нулевой глубины и (C) доски нулевой глубины или (D) рукоятки лопаты нулевой глубины для эталона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Ориентация зондов по вертикали, горизонтали или под наклоном . (A) наклонная и вертикальная вставка и (B) горизонтально-вертикальная вставка и горизонтально-горизонтальная глубина центра вставки трехтонного датчика SWC. Аббревиатура: SWC = содержание воды в почве. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Установка на глубину менее 50 см относительно интуитивно понятна, в то время как более глубокие датчики требуют немного больше усилий. Корневая зона SWC или профильное хранение почвенных вод обычно требует измерений до 1 или 2 м. Как показано в этом протоколе, установки 0-50 см выполняются в выкопанном котловане или шнековой яме с зондами, установленными горизонтально в ненарушенном грунте, что сводит к минимуму поверхностное нарушение. Для более глубоких датчиков (например, 100 см) как SCAN, так и USCRN устанавливают датчик вертикально в отдельные отверстия с ручным шнеком с помощью удлинителя (рис. 4).

Учитывая неоднородность SWC, особенно вблизи поверхности, и небольшие объемы измерений датчиков, тройные измерения позволяют лучше статистически представить SWC. Тем не менее, один профиль датчиков in situ типичен для большинства сетей (например, SCAN и SNOTEL). USCRN использует три профиля, расположенных на расстоянии 3-4 м друг от друга, для проведения тройных измерений на каждой глубине¹⁶. Кроме того, избыточность измерений повышает отказоустойчивость и непрерывность записи станции при наличии финансовых ресурсов.

Рисунок 4: Установка датчиков . (A) Неглубокие датчики обычно устанавливаются горизонтально в боковую стенку выкопанного грунта. Для более глубоких датчиков (B) ручной шнек используется для рытья ямы на глубину с использованием эталона нулевой глубины (например, древесина, охватывающая траншею), и датчики проталкиваются вертикально в дно отверстий с помощью (C) секции трубы из ПВХ, модифицированной для крепления датчика и кабеля во время установки, или (D) монтажного инструмента. Почвенные слои отмечаются как верхний слой почвы (горизонт А) и подпочвенные горизонты с транслоцированными глинами (Bt) и карбонатными накоплениями (Bk). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Тип датчика SWC in situ
Коммерчески доступные датчики выводят SWC из измеренной реакции на электромагнитный сигнал, распространяемый вдоль зубьев в непосредственном контакте с почвой²². Скрытые датчики делятся на пять классов в зависимости от типа распространяемого электромагнитного сигнала и метода измерения отклика: емкость, импеданс, рефлектометрия во временной области, передача во временной области и колебания линии передачи (дополнительная таблица S1 со ссылками на информацию каждого производителя). Эти технологии, как правило, группируются по рабочей частоте и производителю. Более длинные зубья объединяют больший объем почвы; однако их может быть труднее вставлять, и они более подвержены потерям сигнала в почвах с глиной и более высокой объемной электропроводностью (BEC). Производители сообщают о погрешностях измерений SWC 0,02-0,03 м³м−3, в то время как пользователи обычно обнаруживают, что они значительно больше ²³. Надлежащая калибровка и стандартизация электромагнитных датчиков повышает производительность²²; Однако эти калибровки, специфичные для почвы, выходят за рамки этого протокола, который фокусируется на установке.

При выборе датчика следует учитывать желаемый выходной сигнал, метод измерения, рабочую частоту и совместимость с другими измерениями. До 2010 года большинство датчиков SWC были аналоговыми и требовали, чтобы DCP выполнял измерения дифференциальных напряжений, сопротивлений или количества импульсов, что требовало более дорогих компонентов и отдельных каналов (или мультиплексоров) для каждого датчика. Теперь последовательный интерфейс передачи данных со скоростью 1 200 бод (SDI-12) по протоколам связи (http://www.sdi-12.org/) позволяет интеллектуальным датчикам реализовывать внутренние алгоритмы измерения, а затем передавать цифровые данные по одному кабелю связи. Каждый датчик может быть соединен последовательно (т. е. последовательным подключением) с помощью общего провода, соединенного рычажной гайкой или разъемами клеммной колодки (рис. 5), при этом каждый датчик имеет уникальный адрес SDI-12 (0-9, a-z и A-Z). Общий коммуникационный провод датчиков SDI-12 образует единую цепь вместе с проводом питания и заземления. Мультиплексоры или какие-либо измерения на ДКП не требуются; вместо этого DCP просто отправляет и получает цифровые команды и строки текста. Многие датчики SDI-12 SWC также включают измерения температуры почвы, относительной диэлектрической проницаемости (ε) и BEC. Такие измерения полезны для диагностики датчиков и калибровки для конкретной почвы. На этом этапе пользователь выбрал площадку, определил тип, количество и глубину датчика, а также получил все необходимое оборудование и полевой инструмент (Таблица материалов). Таким образом, они могут перейти к протоколу установки.

Рисунок 5: Соединители для сращивания проводов и клеммные колодки, используемые для соединения общих силовых, заземляющих и коммуникационных проводов к одному входу на платформе сбора данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

протокол

1. Предустановочная подготовка датчиков

1. Проверьте адрес SDI-12. Датчики устанавливаются на адрес по умолчанию производителем. Отдельно подключите каждый датчик к платформе управления данными (DCP) с помощью ?! для запроса адреса датчика.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Каждый датчик на общей линии передачи данных должен иметь уникальный адрес (например, 0-9). Обратитесь к руководству по датчику для адресации SDI-12 и изменения значения датчика, если это необходимо.
2. Проведите измерение (например, «aM!», где a — адрес) на воздухе, в сухом песке и в воде.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Измерения воздуха должны составлять 0,00 м 3 м-3 (относительная диэлектрическая проницаемость [ε] ~ 1), пищевого песка < 0,02 м 3 м 3 (ε < 4) и воды ~ 1,00 м 3 ^м-3 (ε ~ 80).
3. Запишите эти значения вместе с серийным номером и адресом SDI-12 каждого датчика в лабораторную книгу. С помощью маркера пометьте головку датчика и конец кабеля номером адреса.
4. Проверьте программу DCP. Некоторые DCP работают по принципу plug-and-play, но для большинства из них требуется программа для проведения измерений и записи данных. Настройте датчики SWC и любые вспомогательные датчики в лаборатории, подключив их все к DCP и батарее. Оставьте датчики SWC подвешенными в воздухе, вставленными в сухой игровой песок или погруженными в воду, следя за тем, чтобы зубья не соприкасались.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Измерения воздуха должны составлять 0,00 м 3 м-3 (относительная диэлектрическая проницаемость [ε] ~ 1), игрового песка < 0,02 м 3 м 3 (ε < 4) и воды ~ 1,00 м 3 ^м-3 (ε ~ 80).
5. Дайте системе поработать в течение ночи или дольше. Убедитесь, что данные записываются с соответствующей скоростью, а значения (например, правильное количество столбцов, значащие цифры) являются подходящими.
6. Также проверьте все выходы вспомогательного датчика SWC (например, температуру и BEC). Дайте системе поработать не менее 1 дня. Проверьте правильность таблиц данных.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Некоторые DCP работают по принципу plug-and-play, но для большинства из них требуется программа для проведения измерений и записи данных.

2. Определите расположение полей

1. Прежде чем начинать какие-либо раскопки, позвоните по номеру 811 (США и Канада) не менее чем за 2 дня до раскопок, чтобы проверить наличие какой-либо подземной инфраструктуры (например, электрических проводов, водоснабжения, газовых труб). Неспособность обеспечить такие разрешения может привести к значительным штрафам и ответственности.
2. Проверьте блок карты почвы в месте карьера. Используйте приложение USDA SoilWeb, доступное для смартфонов iOS и Android, чтобы запросить местоположение. Выкопайте пробную яму с помощью ручного шнека диаметром 5-10 см, чтобы убедиться, что текстура поля соответствует описанию блока карты. Проверьте наличие каких-либо проблем, таких как твердые слои (например, плуговые поддоны, каличе или глинистые горизонты) или слои с высокими фрагментами горных пород; Любой случай может затруднить или даже сделать невозможным введение зонда.
3. Определите наилучшее место для датчиков. Каждый датчик будет установлен в вертикальной поверхности ненарушенного грунта.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если существует какой-либо уклон, забой должен быть вверх по склону, чтобы свести к минимуму преимущественный поток, происходящий через нарушенную почву и вдоль кабельных траншей.
4. Используйте небольшой (1 м²) лист фанеры или брезента, чтобы защитить поверхность почвы и не дать полевым работникам фрезеровать нетронутую почву.
5. Определите местоположение мачты прибора. Убедитесь, что датчики находятся достаточно далеко от мачты, чтобы свести к минимуму пешеходное движение и любые эффекты от башни.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Стандартных кабелей длиной 5 м, как правило, достаточно для большинства установок.
   1. Используйте как можно более короткую длину кабеля, чтобы свести к минимуму поверхностные помехи и вероятность поломки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если мачта прибора уже установлена на существующем участке, может потребоваться более длинный провод для достижения репрезентативного грунта; в качестве альтернативы можно было бы рассмотреть вопрос о беспроводных технологиях (см. «Дополнительные соображения по выбору площадки»).
   2. Убедитесь, что общее расстояние до подставки для прибора составляет 80–90% от длины кабеля, чтобы учесть дополнительный кабель, необходимый для прокладки от глубины установки через кабелепровод до корпуса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Управление проводами может быть неудобным, когда многие датчики SWC находятся в центральной точке.
   3. Более тонкие кабели требуют прокладки в кабелепроводах из ПВХ, в то время как более жесткие, толстые кабели могут быть проложены напрямую. Для обоих выкопайте траншею глубиной >10 см и шириной 10-15 см.
   4. Убедитесь, что в корпусе есть точка входа для любых наземных датчиков и порт кабелепровода для подземных датчиков (рис. 5). Установите корпус на удобной высоте (1 м) для проводки.
   5. Рекомендация: Размотайте датчик. Положите головку датчика на поверхность ямы и расположите конец кабеля на подставке для инструментов. Проверьте правильность длины кабеля и при необходимости отрегулируйте.

3. Выемка грунтового котлована

ПРИМЕЧАНИЕ: Почвенный котлован можно выкопать вручную или механически. Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму общее нарушение работы сайта.

1. Для вырытой вручную ямы постелите еще один брезент большего размера (2 м² ), примыкающий к месту раскопок. Используйте узкую лопату (например, снайпера), чтобы выкопать прямоугольную яму на глубину ~ 55 см. Убедитесь, что поверхность ямы, в настоящее время защищенная фанерой или брезентом (шаг 2.4), вертикальна (или слегка срезана), чтобы над каждым датчиком была ненарушенная почва. Также убедитесь, что яма имеет ширину 20-40 см и на ~25% длиннее общей длины датчика. Начинайте удалять почву с шагом 10 см и размещайте каждый подъемник на дальнем конце брезента, приближаясь с каждым шагом; Разбейте все комья и удалите крупные камни.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что площадь раскопок как можно меньше и оставляет достаточно места для установки самого глубокого горизонтального зонда.
2. Для гидравлического шнека для отверстий для стойки используйте шнек широкого диаметра (>30 см) и шнек длиной 1 м, установленный на прицепе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шнеки для двух или одного человека могут быть опасными.
   1. Установите шнек на расстоянии ~ 5 см от предполагаемой поверхности ямы.
   2. Сверлите до >50 см, время от времени поднимая шнек, чтобы выгнать почву.
   3. Используйте узкую лопату, чтобы создать плоскую и вертикальную поверхность ямы.
   4. Используйте лопату или ручной шпатель, чтобы переместить почву из ямы в брезент.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выкопанный грунт будет хорошо перемешан; Избежать этого невозможно.
3. Сделайте механически вырытую траншею, используя тяжелую технику.
   ПРИМЕЧАНИЕ: За исключением случаев, когда горизонтальная установка ниже 100 см необходима, крупногабаритное землеройное оборудование не приветствуется. Работа с отвалом (т.е. вынутым грунтом) может быть сложной задачей, а гусеницы и стабилизаторы экскаватора вызывают значительные помехи.
   1. Используйте легкий экскаватор с узким ковшом, в идеале менее 50 см, чтобы выкопать аналогичную узкую траншею глубиной 100 или 200 см.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте перемещения экскаватора, чтобы свести к минимуму удар о поверхность.
   2. Начинайте снимать почву с шагом 10 см и размещайте каждый подъемник на дальнем конце брезента, приближаясь с каждым шагом. Убедитесь, что площадь раскопок как можно меньше и находится на глубине ~ 55 см, оставляя достаточно места для установки самого глубокого горизонтального зонда.
4. Для траншеи для кабеля датчика выкопайте траншею от задней части грунтовой ямы до приборной вышки. Используйте траншейную лопату с помощью кирки, мотыги или пуласки на твердых участках. Выкопайте прямую, узкую (~10 см) траншею глубиной >10 см, уложив грунт с одной стороны траншеи.

4. Сборка/монтаж подставки для приборов и корпуса

ПРИМЕЧАНИЕ: Подставка для инструментов имеет три варианта: простой шест, штатив или вышка. Для базовой станции увлажнения почвы с датчиком PPT достаточно опоры из оцинкованной стали или подставки для инструментов из нержавеющей стали (высотой 120 см) с ножками. Для основных метеорологических измерений необходима более высокая мачта для установки датчиков на высоте 2 м. Большинство мезонетов предпочитают башни высотой 10 м; Однако такие башни выходят за рамки этого протокола.

1. Используйте опору из оцинкованной стали.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Водопроводная труба из оцинкованной стали диаметром 4 см длиной ~ 3 м является наиболее экономичным методом.
   1. Ручным шнеком проделайте небольшое отверстие глубиной не менее 60 см. Поместите шест в отверстие. Убедитесь, что высота полюса достаточна над землей, чтобы вместить корпус, солнечную панель и любые необходимые антенны.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется высота <2 м.
   2. Смешайте быстросхватывающийся бетон или пенопласт для забора, согласно инструкции.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Бетон не разрешен на некоторых федеральных землях, и некоторые частные землевладельцы могут возражать. Пенопластовые альтернативы для установки столбов забора являются хорошей альтернативой и не требуют воды.
   3. Налейте любой материал вокруг шеста и убедитесь, что он выровнен с помощью торпедного уровня. Дайте бетону застыть в течение нескольких часов (в идеале на ночь) и закрепите столб скобами, чтобы он оставался ровным. Хотя пена затвердевает за 30 минут, обязательно удерживайте трубу на месте не менее 2 минут, следя за тем, чтобы она оставалась вертикальной.
2. Подставка для инструментов или штатив (см. инструкции производителя)
   1. Ослабьте или открутите каждую из трех ножек подставки.
   2. Поверните или вытяните каждую ногу и расположите ее над концом выкопанной траншеи.
   3. Вставьте мачту инструмента в ножки и затяните.
   4. Отрегулируйте длину каждой ноги, чтобы мачта была вертикальной.
   5. Вбейте каждую ногу в грунт и еще раз проверьте мачту торпедным уровнем.
3. С помощью U-образных болтов установите корпус на подставку для приборов на расстоянии 1-1,5 м. Вручную затяните болты, чтобы закрепить его; Его окончательная высота и затяжка произойдет позже.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется устанавливать на северной стороне столба, чтобы впоследствии не удариться головой о солнечную панель.

5. Характеристика почвы и отбор проб

ПРИМЕЧАНИЕ: Визуальная характеристика почвы имеет решающее значение для интерпретации динамики влажности почвы после установки. Сбор образцов может помочь в интерпретации количественных данных. Собирайте образцы, даже если финансирование отсутствует или собственные предприятия не могут их обработать. Высушите их на воздухе и заархивируйте на случай, если в будущем потребуется характеристика почвы.

1. Для базового описания почвы обратите внимание на глубину любых очевидных изменений цвета или текстуры почвы (горизонтов).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Национальный центр почвенной съемки предоставляет превосходный обзор описаний и интерпретаций почвенных профилей²⁴. Если локация не идеальна, сейчас самое время переехать.
2. Для базовой характеристики почвы соберите репрезентативные образцы почвы в пакет для заморозки объемом 1 литр (1 л) на каждой глубине датчика, следуя процедуре Lawrence et ^al.25.
   1. По возвращении в офис или лабораторию положите все пакеты объемом 1 литр на прилавок, откройте и дайте им высохнуть на воздухе не менее 48 часов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Сушка на воздухе удаляет большую часть влаги из почвы, сохраняя при этом органические и химические свойства для будущих анализов.
   2. Отправьте образцы либо в университетскую лабораторию (например, https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/), либо в коммерческую лабораторию (например, http://www.al-labs-west.com/) для дальнейшего анализа. В качестве альтернативы можно запустить образец на месте обученными специалистами, используя общепринятые методы, указанные ниже.
   3. Выполните базовый лабораторный анализ, включая физические параметры почвы, такие как гранулометрический состав²⁶, фракция породы (RF; массовый процент более 2 мм), фракция почвы (SF; процент менее 2 мм) и текстура (процентное содержание песка, ила и глины). Проверьте основные химические параметры, в том числе электропроводность насыщенной пасты (dS ^m-1)²⁷ и органическое^{вещество 28}.
   4. Рекомендуется: Выполнить объемный отбор керна почвы на глубине 5, 10, 20 и 50 см с помощью керна для сбора ненарушенного объемного образца. Определите насыпную плотность почвы (BD; г ^см-3) по общей массе сухой почвы и объему ядра²⁹. Пористость почвы (φ; [-]) — физическая верхняя граница SWC. Для минеральных почв оцените φ как 1 - BD/PD, где плотность частиц (PD) для преимущественно кварцевых минеральных почв составляет 2,65 г ^см-3.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пробы для BD отбирают либо в керне известного объема, либо с использованием почвенных педов²⁹.

6. Горизонтальное введение зондов 5, 10, 20 и 50 см

ПРИМЕЧАНИЕ: Цель состоит в том, чтобы обеспечить полный контакт с почвой вокруг пальцев датчика, избегая воздушных зазоров.

1. Аккуратно обрежьте все стяжки и разверните каждый датчик, удалив катушку в кабелях. Расположите головку датчика рядом с почвенной ямой, а кабель — в траншее.
2. Глубина установки определяется как центр датчика при горизонтальной установке, независимо от того, является ли поверхность датчика круглой или прямоугольной. Установите датчик на точной глубине под поверхностью земли и как можно горизонтальнее в почву. Используйте эталон нулевой глубины и измерительное устройство (рулетку или линейку) для точной глубины датчика (рис. 2) и проставку для поддержания расстояния между зубьями во время вставки (рис. 2C).
3. Сначала вставьте датчик 50 см. Вдавливайте датчик горизонтально в почву, стараясь не покачивать датчик, так как это может создать зазоры. Поскольку 50-сантиметровый зонд часто является самым сложным, используйте заземляющий стержень, чтобы обеспечить больше рычагов для вдавливания этого датчика, будьте осторожны, чтобы не сломать эпоксидную головку или не отделить зубцы. Повторите процесс введения, двигаясь вверх до глубины датчика 20, 10 и 5 см. Расположите датчики в шахматном порядке (рис. 2D) или сложите (рис. 2B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Синхронизация измерений в протоколах SDI-12, как правило, не позволяет датчикам считывать одновременно и создавать помехи между соседними датчиками (например, на глубине 5 и 10 см).
4. Ориентируйте каждый кабель датчика на одну и ту же сторону забоя котлована, чтобы они могли висеть на дне котлована. Сфотографируйте выкопанную яму и датчики с помощью рулетки для весов (рис. 6А). Используйте GPS, чтобы определить широту и долготу в пределах нескольких метров от ямы. Если вы проводите раскопки на нескольких участках в день, используйте табличку с уникальным идентификатором, чтобы различать ямы.

Рисунок 6: Примеры фотографий для метаданных . (A) Инструментальная грунтовая яма с рулеткой для масштабирования, (B) кабельная траншея, вырытая обратно к мачте инструмента, и окончательные фотографии участка, обращенные к (C) северу и (D) югу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

7. Вертикальная вставка для зонда 100 см

1. Для установки датчиков на глубине более 50 см проделайте отдельное отверстие для каждого датчика в кабельной траншее или рядом с ней (рис. 4A).
2. Используя ручной шнек (диаметр 5-10 см), копайте на соответствующую глубину (глубины). Глубина определяется как центр измерения (например, 50 см) минус половина длины зубца относительно эталона нулевой глубины (рис. 4B).
3. Разложите выкопанный грунт на брезенте в том порядке, в котором он был удален.
4. Установите датчик вертикально, протолкнув его в нижнюю часть отверстия с помощью установочного инструмента (рис. 4C, 4D). Переупакуйте отверстие шнека выкопанным грунтом от самого глубокого к мелкому. Замените почву небольшими подъемами, уплотнив ее достаточно, чтобы предотвратить застревание грунта в яме и образование пустот.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Упаковочные инструменты могут представлять собой закрытый кусок ПВХ или деревянные дюбели. Избегайте повреждения головки датчика или кабеля.

8. Завершение установки датчика и подключения к DCP

1. Если кабели датчика непосредственно заглублены, убедитесь, что надземные концы, идущие в корпус, находятся в кабелепроводе из ПВХ, используя разъем переборки для входа в корпус (рис. 5).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если вы используете отдельный дождемер (шаг 9.1), обязательно включите этот кабель при прокладке в корпус.
2. Если вы используете кабелепровод, разложите его в кабельной траншее и обрежьте до нужной длины. Подайте кабель через кабелепровод - для этого может потребоваться веревка или рыбная лента, чтобы протянуть кабели. Используйте гибкий кабелепровод или колено с поворотом 90° плюс длину вертикального кабелепровода, чтобы проложить кабели из порта кабелепровода в нижнюю часть корпуса.
3. Уложите кабель или кабель/кабелепровод на дно кабельной траншеи. Протяните концы кабеля через нижний порт корпуса и закрепите стяжками. Если в корпусе есть лишний кабель, протяните его обратно через кабелепровод и намотайте на дно траншеи.
4. Сфотографируйте монтажную яму и траншею с кабелями, ведущими обратно к корпусу (рис. 6B).
5. Для проводки датчика влажности почвы используйте общий провод питания (5-12 вольт) и заземления для каждого датчика SDI-12. Используйте рычажные соединители, соединительные соединители или клеммные колодки (рис. 5), чтобы сделать эти соединения более простыми и безопасными. При использовании нескольких типов датчиков используйте другой коммуникационный порт на DCP, если таковой имеется.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Один неисправный датчик SDI-12 может прерывать работу других датчиков в последовательности.

9. Настройка вспомогательных датчиков и оборудования

1. Датчик осадков (PPT)
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для улучшения улавливания дождемеры должны быть установлены на отдельной вертикальной мачте как можно ближе к уровню земли. Установка датчика выше на креплении траверсы может уменьшить улов из-за большей скорости ветра.
   1. Определите местоположение. Установите дождемер как можно ниже над почвенным покровом (~ 1 м) и на расстоянии, в два раза превышающем высоту любого близлежащего препятствия³⁰. Идеальное расположение - рядом с кабельной траншеей.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Кабель дождемера будет проложен рядом с кабелями датчика перед входом в нижнюю часть корпуса.
   2. Установите вертикальную мачту. С помощью ручного шнека выкопайте яму глубиной ~50 см. Установите отрезок оцинкованной стальной трубы достаточной длины в цемент или пенопласт (см. шаг 4.1).
   3. После отверждения установите манометр с помощью хомутов для шлангов или плоского основания в соответствии с инструкциями датчика. Убедитесь, что манометр идеально выровнен.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Большинство датчиков имеют встроенный пузырьковый уровень.
   4. Проложите кабели между дождемером и ограждением в подземном трубопроводе с кабелями для увлажнения почвы.
   5. Для опрокидывающего датчика подключите два провода к каналу подсчета импульсов на DCP.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Провода могут проходить в любую сторону.
   6. Обязательно снимите верхнюю часть и убедитесь, что механизм опрокидывания свободно движется. Ковши часто закрепляются во время транспортировки резинками.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Дождемеры требуют регулярной очистки и калибровки. При установке дождемера непосредственно на подставку для приборов или траверсу выполните шаг 9.2.
2. Другие датчики
   1. Установите вспомогательные измерительные приборы и любую антенну на вертикальную мачту или поперечину на соответствующей высоте^{над землей 10,30}.
   2. Трасса ведет к надземному входу в ограждение и при необходимости закрепляется кабельными стяжками. Подключите к соответствующим измерительным каналам на DCP.
3. Заземляющий стержень
   1. Установите медный заземляющий стержень длиной >1 м на расстоянии 0,5 м от мачты прибора. Используйте драйвер для столба забора, чтобы вставить стержень в землю, оставив ~ 20 см открытым.
   2. Прикрепите тяжелую (8-10) медную проволоку к стержню с помощью зажима заземления. Прикрепите другой конец к корпусу или штативу.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Заземление может быть целесообразно не во всех ситуациях.
4. Подключите аккумулятор.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Большинству DCP требуется напряжение 5-24 вольта (В), хотя чаще всего 12 В и 7 или 12 Ампер-часов (Ач) достаточно для питания большинства станций увлажнения почвы. Здесь используется аккумуляторная батарея 12 В, 12 Ач и стабилизатор напряжения.
   1. Убедитесь, что регулятор заряда находится в выключенном положении. Используя мультиметр, установленный на постоянный ток для напряжения постоянного тока, убедитесь, что напряжение на батарее достаточное (>10 В для батареи 12 В) и определите клеммы + и - , если они не маркированы.
   2. Сдвиньте клеммный разъем черного (-) провода над лопаточной клеммой на заземляющем (-) полюсе аккумулятора, а красный провод — над клеммой аккумулятора +. Подключите другой конец красного/черного проводов к порту BAT на регуляторе напряжения.
5. Солнечная панель
   ПРИМЕЧАНИЕ: Обычно достаточно панели мощностью 10 или 20 Вт. Повышенная мощность необходима в более высоких широтах, в более затененных областях или в системах с высоким энергопотреблением (например, сотовые модемы, камеры). Панель должна быть ориентирована таким образом, чтобы получать максимальное падающее солнечное излучение в течение 1 года.
   1. Оберните изоленту отдельно вокруг каждого провода на солнечной панели.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Эти провода будут пропускать ток, если панель подвергается воздействию солнечного света.
   2. С помощью U-образных болтов установите солнечную панель над корпусом и на стороне подставки для приборов, обращенной к экватору (например, на юг в США). Используйте угол, соответствующий широте участка, обычно от 25° до 35° в совпадающем США.
   3. Проложите кабель в точку входа в надземный корпус. Снимите ленту с выводов панели. Используя мультиметр, установленный на A для силы тока, убедитесь, что выходная мощность солнечной панели составляет >0.1 А.
   4. Используя мультиметр, настроенный на постоянный ток для напряжения постоянного тока, убедитесь, что выходная мощность солнечной панели составляет >10 В, и определите выводы + (обычно красный) и - (обычно черный), если они не маркированы. Подключите провод - от солнечной панели к порту G (земля), затем провод + от порта SOLAR на регуляторе заряда.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Накройте солнечную панель брезентом или чем-то непрозрачным, чтобы свести к минимуму искрение.
   5. Убедитесь, что CHG или индикатор зарядки теперь горит.
6. Дистанционная передача данных
   ПРИМЕЧАНИЕ: Сотовая телеметрия данных обеспечивает возможность передачи и отправки данных из DCP. Приложения для смартфонов, такие как OpenSignal, могут измерять уровень сигнала и направление к ближайшей вышке сотовой связи. Предпочтительны всенаправленные многодиапазонные антенны; однако направленная антенна (Yagi) типа может улучшить сигнал в более отдаленных районах.
   1. Прикрепите антенну к верхней части приборной мачты с помощью прилагаемых U-образных болтов.
   2. Подключите коаксиальный кабель к антенне, а другой конец проложите в корпус через надземный кабель датчика. Закрепите кабель стяжками.
   3. Подключите другой конец к сотовому модему в корпусе.
7. Включение системы
   ПРИМЕЧАНИЕ: На данный момент предполагается, что программа DCP написана, и все датчики подключены соответствующим образом. Солнечная панель и аккумуляторная батарея подключены к регулятору напряжения с помощью красно-черного провода питания, подключенного к портам питания DCP.
   1. Переведите переключатель на регуляторе напряжения в положение ВКЛ. Запустите программное обеспечение DCP и подключите ноутбук к DCP. Убедитесь, что все датчики сообщают значения, а не не-число (NaN) или значение ошибки.
   2. Проверьте каждый датчик почвы на наличие значений SWC, BEC и T. Убедитесь, что значения SWC составляют >0,05 м 3/м3 и <0,60 м³/^м3. Проверьте любой датчик, выходящий за пределы допустимого диапазона; Снова вставьте или замените любой датчик, который вызывает сомнения. Налейте немного воды через дождемер и убедитесь, что DCP записывает подсчет.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Низкие значения BEC (<0,001) могут указывать на плохой контакт датчика (или очень сухие почвы). При установке в теплое время года T, как правило, самый теплый вверху и самый холодный внизу.
   3. Проверьте силу сотовой связи. Следуйте документации производителя, чтобы определить уровень сигнала.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Уровень сигнала должен быть > -100 дБм для обеспечения достойного качества сигнала. Направленные антенны можно поворачивать, чтобы, возможно, улучшить сигнал. Помимо сотовой связи существует множество других вариантов связи (например, спутниковая).

10.Site завершение строительства

1. Убедившись, что все, что находится под землей, функционирует, а кабели или кабели в кабелепроводе находятся в траншее и проложены в корпус, заполните и герметизируйте отверстия надземных и подземных входов в ограждение электрической замазкой для защиты от влаги и предотвращения попадания насекомых в корпус.
2. Очертите внешний периметр расположения датчиков на поверхности с помощью постоянных кольев с яркими флажками.
3. Засыпьте выкопанный участок, используя почву на брезенте и в порядке, обратном удалению (шаг 3.1) (от самого глубокого к мелкому). Начните с ручной укладки почвы на поверхность траншеи и вокруг головки датчика на расстоянии 50 см, стараясь не мешать датчику. Поддерживайте головку датчика, уплотняя почву вокруг нее, чтобы зубья датчика не двигались.
4. Убедитесь, что все оставшиеся кабели датчиков по-прежнему расположены на дне траншеи; Затем аккуратно засыпьте их более глубоким грунтом из брезента. Уплотните почву на дно ямы, чтобы закрепить кабели, стараясь не тянуть их вниз с какой-либо силой. Используйте достаточное усилие во время уплотнения, чтобы обеспечить одинаковую насыпную плотность удаляемого материала.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Более влажные почвы во время укладки могут быть легко чрезмерно уплотнены, в то время как более сухие почвы могут оставаться рыхлыми независимо от силы.
5. Засыпьте яму подъемами на 10 см, разглаживая и уплотняя поверхность до достижения датчика 20 см. Опять же, осторожно вручную упакуйте почву под датчиком и вокруг него, прежде чем вернуться к обратной засыпке еще на 10 см подъема почвы.
6. Наконец, вручную уложите почву вокруг 10-сантиметрового датчика, затем 5-сантиметрового датчика, убедившись, что оба остаются горизонтальными и на месте. Оставшуюся часть почвенной ямы заполните верхним грунтом из брезента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Вся удаленная почва должна вернуться в яму. Остатки почвы указывают на то, что почва не была упакована до первоначальной насыпной плотности.
7. Используя траншейную лопату, протолкните выкопанный грунт рядом с траншеей по трубопроводу. Убедитесь, что все заглублено полностью и ниже 5 см.
8. Используйте стальные грабли, чтобы выровнять переложенный грунт в яме и траншее вровень с исходной поверхностью. Уплотните почву в траншее трубопровода достаточно, чтобы свести к минимуму любой предпочтительный поток в место установки.
9. Дополнительно: Посыпьте диатомовой землей любое подповерхностное отверстие и поверхность, чтобы отпугнуть муравьев, слизней и других насекомых.
10. Рекомендуется: используйте портативный датчик SWC для снятия показаний поверхностного грунта вокруг датчиков in situ , чтобы облегчить проверку данных с течением времени и любые потребности в масштабировании. Снимайте показания по сторонам света (север, юг, восток и запад) на постоянном расстоянии (например, 5, 10, 25 и 50 м).

11. Запишите метаданные станции, данные, стоящие за данными²³

ПРИМЕЧАНИЕ: Документируйте метаданные при установке и при каждом посещении объекта (см. Таблицу 1). Согласованная отчетность по метаданным поддерживает растущее сообщество практиков и имеет решающее значение для обеспечения целостности данных и сети.

1. Задокументируйте сведения об установке, включая уникальный идентификатор площадки, дату установки, серийные номера датчиков, соответствующие адреса SDI-12, ориентацию вставки (горизонтальную или вертикальную) и глубину.
2. Опишите профиль почвы и сделайте соответствующие фотографии. Запишите идентификаторы проб для всех собранных образцов почвы.
3. Для местоположения участка запишите широту и долготу, высоту, уклон, аспект, землепользование и почвенно-растительный покров.
4. Запишите информацию землевладельца и контактную информацию, а также доступность участка, включая коды ворот или замков.
5. Используя приложение «Компас » на смартфоне (или настоящий компас) и измерительную ленту, измерьте угол и расстояние до ямы датчика (и любых отверстий шнека датчика) от двух опорных точек (например, заземляющего стержня или ножки штатива).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Это поможет триангулировать их позиции позже.
6. Сфотографируйте завершенную станцию и ориентацию на север (рис. 6C), юг (рис. 6D), восток и запад от приборной мачты. Очертите место установки датчика с помощью пометки или других отдельных элементов.

Таблица 1: Метаданные станции для сбора данных о влажности почвы. Сокращения: декабрь = убывающий; GPS = глобальная система позиционирования; 3DEP = программа 3D Elevation; O&M = эксплуатация и техническое обслуживание; SSURGO = Географическая база данных почвенной съемки; Mukey = клавиша блока карты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

12. Эксплуатация и техническое обслуживание

ПРИМЕЧАНИЕ: К записи метаданных должен быть добавлен подробный журнал технического обслуживания, включая замену датчика, состояние или изменения растительности или любые нарушения на участке.

1. Проводите плановые инспекции на объектах не реже одного раза в год (таблица 2). Записывайте любые калибровки или замены датчиков.
2. Обеспечьте регулярное управление растительностью, особенно для постоянных станций, чтобы участок не зарос или не стал аномальным для окружающей местности.
3. Адаптировать управление животными к местной дикой природе, возможно, включая ограждение.
4. В случае выхода из строя датчика проведите экстренный выезд на объект и установите замену (таблица 2).

Таблица 2: Пример графика технического обслуживания. Аббревиатура: DCP = платформа управления данными. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Результаты

Сеть SCAN началась как пилотный проект NRCS в 1991 году. Это самая длинная действующая сеть^{сбора данных SWC 15} и основа для репрезентативных результатов в этом протоколе. Все сайты SCAN изначально начинались с аналогового датчика емкости. Полевая установка (SCAN 2049) в Белтсвилле, штат Мэриленд, используемая в видеокомпоненте этого протокола, контролирует (рис. 7A) почасовую температуру воздуха и почвы и (рис. 7B) ежечасную SWC на глубине 5, 10, 20, 50 и 100 см. Суточный PPT, накопление почвенных вод (SWS) до 20 см и их изменение во времени (dSWS) показаны на рисунке 7C. Для каждого события PPT наблюдалось резкое увеличение SWC вблизи поверхности (5 и 10 см) и более ослабленное и замедленное увеличение на больших глубинах по мере того, как фронт смачивания распространялся вниз под действием силы тяжести. Во время событий в начале февраля и апреле 2022 года самый глубокий датчик на высоте 100 см достиг плато 0,33 м 3/м³ , которое сохранялось в течение нескольких дней. Такие условия указывают на короткую продолжительность насыщения. Сухая насыпная плотность почвенного горизонта по данным характеристики (таблица 3) составила 1,73 г/^см3 при расчетной пористости (φ) 0,35 [-], что является дополнительным доказательством того, что поровое пространство было полностью заполнено водой. Учитывая супесчаный/суглинистый песок почвенного профиля, насыщенные условия, скорее всего, были вызваны плохим дренажем или неглубоким уровнем грунтовых вод, которые препятствовали дренажу. Обратите внимание, что температура воздуха на этом участке опускается ниже нуля большую часть вечеров до апреля; однако температура почвы оставалась выше 2 ° C, и в данных SWC не было никаких признаков замерзшей воды на любой глубине.

Рисунок 7: Пример результатов с полевой станции (SCAN 2049), расположенной в Белтсвилле, штат Мэриленд. (A) Почасовая температура воздуха и почвы, (B) почасовой SWC и (C) суточные осадки, запас почвенной воды до 20 см и его разница во времени. Сокращения: SWC = содержание воды в почве; PPT = осадки; SWS = хранение почвенных вод; dSWS = различия в SWS с течением времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 3: Данные о участках и характеристика почвы для примеров данных, представленных в репрезентативных результатах. Все данные, представленные в виде рисунков и таблиц, были получены из онлайновой базы данных NRCS по URL-адресу, указанному для каждого сайта. Данные о характеристике почвы для Столовой горы (#808) недоступны. Сокращения: NRCS = Служба охраны природных ресурсов; URL = унифицированный указатель ресурса; c = глина; FSL = мелкая супесь; ls = суглинистый песок; s = песок; sc = песчаная глина; scl = супесчаные суглинки; si = ил; sil = илистый суглинок; sl = супесь; nd = нет данных; BD = насыпная плотность 33 кПа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Более экстремальный пример насыщения показан на рисунке 8 для местоположения SCAN (2110) недалеко от Язу, штат Миссисипи. Почвы имеют очень высокое содержание глины (более 60%), низкую насыпную плотность в диапазоне от 1,06 до 1,23 г/^см3 и φ в диапазоне от 0,54 до 0,60 [-] (таблица 3). Первое событие PPT ~ 40 мм 13 апреля 2020 года пропитало почву до SWC >0,60 м³/м³ на всех глубинах в течение 12 дней подряд - значения, очень близкие к измеренным φ. Второе событие со скоростью 70 мм/сутки 20 апреля 2020 года не повлияло на dSWS, что свидетельствует о насыщении-избыточном стоке. Аналогичный период насыщения был заметен в ноябре 2020 года. В то время как измерения на 100 см не проводилось, SWC на 50 см оставался стабильным на уровне 0,39 м 3 / м 3 , за исключением конца лета, когда он незначительно снизился до 0,36 м³ / м ³ . Примечания к объекту (Дополнительная таблица S2) указывают на то, что использовалась калибровка³¹ датчика «суглинка», как и в случае с емкостными датчиками, используемыми на большинстве сайтов SCAN и USCRN. Оба примера иллюстрируют важность характеристики почвы и данных BD, собранных во время характеристики участка (шаг 5), для интерпретации данных SWC.

Рисунок 8: Пример получен на влажном участке с умеренным климатом (SCAN 2110), расположенном недалеко от Язу, штат Миссисипи . (A) Почасовая температура воздуха и почвы, (B) почасовой SWC и (C) суточные осадки и изменение запасов воды в почве. Сокращения: SWC = содержание воды в почве; PPT = осадки; SWS = хранение почвенных вод; dSWS = различия в SWS с течением времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 9 представлен более простой временной ряд SWC in situ на пяти глубинах с пятью событиями смачивания, которые приводят к последовательному распространению фронта смачивания вниз по профилю почвы. Этот участок SCAN (2189) был расположен недалеко от Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, в средиземноморском климате с влажной весной и долгим сухим летом на супесчаной почве с φ в диапазоне от 0,37 до 0,51 [-] (таблица 3). Реакция на увлажнение поверхности почвы была быстрой и уменьшалась по величине с глубиной. Финального крупного события PPT в течение 5 дней было достаточно, чтобы показать реакцию на глубине 50 и 100 см. По мере увеличения глубины суточный цикл амплитуды температуры почвы уменьшался, а время максимальных и минимальных температур еще больше отставало от температуры воздуха и меньших глубин (рис. 9А). Хотя эти характеристики могут быть полезны для различения глубины датчика, как обсуждается в следующем разделе, также было заметное влияние на колебания SWC на глубине 5 и 10 см. Амплитуда SWC составила ~ 0,02 м 3 / м 3 на расстоянии 5 см, ~ 0,01 м³ / м ³ на расстоянии 10 см и более незначительна в более глубоких датчиках. Он также находился в фазе с температурой почвы, и шум, скорее всего, вызывался в датчике колебаниями температуры и вряд ли был результатом какого-либо физического движения почвенной влаги или фактических осадков. Этот более сухой участок (2189) имеет гораздо большие суточные изменения температуры почвы, чем более мезиальный полевой участок (2049), который не показывает температурного шума в данных SWC (рис. 7B).

Рисунок 9: Пример результатов на полузасушливом средиземноморском участке (SCAN 2189), расположенном недалеко от Сан-Луис-Обиспо, Калифорния . (A) Почасовая температура воздуха и почвы, (B) почасовая SWC и (C) суточные осадки и изменение запасов почвенных вод. Сокращения: SWC = содержание воды в почве; PPT = осадки; SWS = хранение почвенных вод; dSWS = различия в SWS с течением времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На рисунке 10 представлена одна из наиболее сложных интерпретаций данных SWC, которые существуют для мерзлой почвы и снежного покрова. Это место (808) было расположено недалеко от Боузмана, штат Монтана, на высоте 4,474 фута над уровнем моря. Дневные температуры воздуха иногда превышали отрицательные температуры зимой (декабрь, январь и февраль) 2020 года. Температура почвы оставалась чуть выше 0 °C до марта. Наличие снега на поверхности изолирует почву от колебаний температуры воздуха. Кроме того, во влажных почвах высвобождение скрытого тепла и потребление энергии, сопровождающиеся процессами фазового перехода, связанными с циклами замораживания-оттаивания, буферизуют температуру почвы, удерживая ее очень близкой к 0 ° C до тех пор, пока эти фазовые изменения не будут завершены. Небольшое ε льда в замерзающих почвах проявляется в виде резкого снижения SWC с последующим увеличением во время оттаивания без каких-либо признаков PPT. Это было наиболее очевидно в середине декабря и середине марта, когда температура воздуха быстро падала, а SWC на 5 и 10 см снижался в течение 3 дней, а затем восстанавливался. Температура почвы в 100 см достигла точки замерзания в середине ноября и была на низком уровне SWC предыдущей осенью, всю зиму, и не изменилась во время весенней оттепели, что позволяет предположить, что она могла быть неисправной. Тем не менее, быстрые падения и восстановление в других датчиках могут быть, а могут и не быть реальными изменениями в жидкой почвенной воде; Интерпретация таких данных может быть чрезвычайно сложной задачей без дополнительных измерений присутствия или глубины снега. Часто данные SWC при замораживании или ниже подвергаются цензуре при контроле качества. Более подробное обсуждение температуры почвы, близкой к замерзанию, представлено в разделе контроля качества регистрации данных.

Рисунок 10: Пример результатов из полузасушливого альпийского участка (SCAN 808), расположенного недалеко от Три-Форкс, штат Монтана . (A) почасовая температура воздуха и почвы, (B) почасовой SWC и (C) суточные осадки и изменение запасов почвенных вод. Сокращения: SWC = содержание воды в почве; PPT = осадки; SWS = хранение почвенных вод; dSWS = различия в SWS с течением времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Другие примеры и данные о характеристиках были взяты из базы данных SCAN (см. Таблицу 3 для Uniform Resource Locator, [URL]). Отчетность и контроль качества этих данных нуждаются в некоторой интерпретации, чтобы определить, существует ли физический механизм, объясняющий какое-либо неустойчивое поведение. В нашей интерпретации отсутствуют какие-либо знания о местном участке, и, несмотря на годы оценки временных рядов SWC, все еще может быть сложно оценить хороший датчик или установку по неисправной или плохой.

На рисунке 11 представлены типичные примеры записей проблемных данных, случайным образом выбранных из 40 станций SCAN в период с 2020 по 2021 год. К наиболее распространенным ошибкам относятся всплески (рис. 11А) и ступенчатые изменения либо вверх (рис. 11В), либо вниз (рис. 11С), как отмечено Международной сетью влажности почвы³². Для каждого из них нет параллельного события PPT, объясняющего такие изменения, и их можно считать ошибочными. Проблема с мгновенными всплесками или провалами усугубляется, если смотреть только на ежедневные средства, которые могут скрыть такие события. Лучше всего удалить их, прежде чем делать какие-либо средние расчеты. Начало и конец изменения шага могут быть очевидны, но трудно заполнить какие-либо данные между ними. Мы не подходим к заполнению данных в этом протоколе, а только помечаем ошибочные данные. Неустойчивое поведение (рис. 11D) проявляется как дикие колебания без какой-либо реакции на события PPT. В некоторых случаях спайки могут исчезнуть после проверки проводки и замены мультиплексора, как показано на рисунке 11A после августа 2020 года. Чаще всего неустойчивое поведение является прелюдией к выходу из строя датчика, как показано на рисунке 11E. Датчик на глубине 10 см дал разумное предупреждение о неустойчивом поведении в январе и выходе из строя в конце марта. Однако 1 марта 2021 года датчик на глубине 5 см вышел из строя без предупреждения.

Рисунок 11: Примеры записей о проблемах. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Арканзас, показывающий периодические провалы на 5 см, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, Нью-Мексико, с положительным изменением шага на глубине 50 см, (C) SCAN 808, Столовая гора, Монтана, с изменением ступеней вниз, шипами и даже восстановлением на глубине 50 см (D ) SCAN 2006, Бушленд #1, Техас, не показывающий никакой реакции на осадки на датчике 5 или 10 см, с некоторым восстановлением 10-сантиметрового датчика с последующим выдающимся отказом обоих, и (E) SCAN 2027, Литл-Ривер, штат Джорджия, с датчиком сбоя на глубине 20 см и катастрофическим отказом на глубине 5 и 20 см. Глубина датчика обозначается как 5 см (черный), 10 см (синий), 20 см (оранжевый), 50 см (темно-серый) и 100 см (желтый). Сокращения: SWC = содержание воды в почве; PPT = осадки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

На SCAN 2084 сайт начал регистрировать данные 06.02.2004 и имел несколько заметок о неустойчивом поведении, связанном с мультиплексорами SDI-12, которые несколько раз заменялись (дополнительная таблица S2). Тем не менее, датчики являются оригинальными и спустя 18 лет остаются работоспособными. На SCAN 2015 сбор данных начался 25.10.1993, а 50-сантиметровый датчик на рисунке 11B был признан подозрительным в 2017 году (дополнительная таблица S2). Самый старый сайт, SCAN 808, начал сообщать 30.09.1986 и был преобразован в станцию SCAN 25.10.2006; На сегодняшний день датчики не были заменены. Аномалии, как показано на рисунке 11E, не всегда приводят к отказу, поскольку на рисунке 10 есть разумные данные. SCAN 2006 начал отчитываться 01.10.1993; оригинальные датчики 5 и 10 см на рисунке 11D были заменены 24.01.2022. SCAN 2027 начал отчитываться 19.05.1999; оригинальные датчики 5 и 10 см на рисунке 11E были заменены 13.08.2021. Как уже отмечалось, сайты SCAN начинались с аналогового датчика емкости. Многие из этих датчиков прослужили более 20 лет и, хотя и не обязательно дают данные высочайшего качества, остаются функциональными. Определение точки, в которой следует заменить датчик, остается открытым вопросом для практикующих врачей. Метаданные и свойства почвы для участков на рисунке 11 можно найти в дополнительной таблице S3.

Отчетность по данным
Непрерывные датчики SWC in situ сообщают от трех до шести значений за интервал временной регистрации. Наряду с любыми вспомогательными измерениями, долгосрочное развертывание датчиков SWC генерирует большие объемы данных об удельной стоимости, которые необходимо хранить и доставлять. Измерения окружающей среды проводятся с дискретными интервалами отбора проб, которые агрегируются с течением времени и сообщаются в виде записи данных. Частота выборки атмосферных измерений зависит от измерения; Он больше для измерений ветровой и солнечной радиации (<10 с) и больше для температуры и влажности воздуха (60 с)³⁰. Эти выборочные значения усредняются или накапливаются в течение отчетного интервала, который может варьироваться от 5 минут до 1 часа. Аналогичным образом, SWC может быть мгновенно отобран с интервалом отчетности или отобран (например, каждые 5 минут) и усреднен в средние значения за 30 или 60 минут, поскольку динамика SWC относительно медленнее по сравнению с ним. Хотя усреднение от более частой выборки может уменьшить шум от колебаний температуры, электрических помех и внутренней изменчивости датчика, это не рекомендуется, поскольку всплески данных могут сместить среднее значение, как обсуждалось ранее. Большинство записей данных SWC могут быть удовлетворены зондированием каждый час, но для регионов с более высокими условиями дренажа скорости (песчаная почва) и интенсивными PPT (муссонные условия) некоторые сети записывают с интервалом времени 20 минут, чтобы полностью зафиксировать осадки. Наконец, передача данных или телеметрия могут быть ограничены технологией (например, спутниковыми системами) или иметь уровни затрат, основанные на размере и частоте данных. Оптимизация интервалов отчетности и телеметрических переменных может помочь контролировать затраты. Например, передача необработанных значений (например, ε или счетов) предпочтительнее производных значений (например, SWC), которые могут быть вычислены при постобработке. Разрешение данных также может повлиять на размер пакета телеметрии; однако важно представлять SWC либо в процентах (0,0-100,0%) при разрешении 0,1%, либо в виде десятичной дроби (0,00-1,00) при разрешении 0,001 м 3 ^м-3. Десятичный вариант в м 3 ^м-3 является весьма предпочтительным для того, чтобы избежать путаницы с процентными изменениями содержания воды в последующих анализах и отчетах, а также во избежание путаницы с массовым содержанием воды (г/г), которое также может быть указано как процентное содержание воды. Температура почвы, ε и BEC обычно сообщаются при разрешении 0,1 °C, 0,1 [-] и 0,1 дС ^м-1 соответственно.

Контроль качества записи данных
Процесс контроля качества записи данных проверяет данные и документирует их качество. Точные полевые заметки и журналы калибровки имеют важное значение для обработки записи данных. Типичными этапами обработки записи являются первоначальная оценка, удаление очевидных ошибочных данных, применение любых производных вычислений или исправлений и окончательная оценка данных. Записи SWC обычно состоят из сигнала (например, ε, количества или мВ), температуры почвы и BEC, которые в той или иной степени используются для получения SWC. Датчики также могут выводить SWC, полученный производителем. Однако ни один датчик не измеряет SWC напрямую; Это вычисление может быть частью этапа вычисления данных, предполагая, что соответствующее калибровочное уравнение доступно и является частью записи метаданных. Запись может быть мгновенным измерением или средним значением за некоторый период. Желательно, чтобы необработанные данные сохранялись, чтобы можно было рассчитать наиболее подходящие форматы для контроля качества и можно было бы применить к необработанным данным усовершенствования калибровочных уравнений или понимание датчиков. Характеристики датчика должны определять, записываются ли мгновенные значения или средние значения нескольких показаний, хотя мгновенные значения предпочтительнее по причинам, указанным ранее.

Существует несколько способов включения вспомогательных данных (см. проверку данных ниже) в рабочий процесс контроля качества. Осадки - это первая проверка - «увеличился ли SWC после дождя?» Существуют ситуации, когда SWC может увеличиваться без PPT (например, таяние снега, сброс грунтовых вод, орошение). Вторая проверка заключается в сравнении изменения в запасе почвенных вод с общим количеством PPT для конкретного события (рис. 7C). В идеале это событие должно быть изолированным событием с осадками низкой интенсивности. Осадки проникают в почву с поверхности и просачивается вниз. Пик SWC должен следовать аналогичной схеме вниз (рис. 7B). Однако преимущественный поток может привести к тому, что проникающая вода обойдет неглубокий датчик или вызовет быструю реакцию на более глубоких датчиках. Хотя это могут быть «реальные» реакции, плохое уплотнение монтажной траншеи или вокруг отдельного датчика может предпочтительно направлять воду к датчику. Смещение при прибытии влажного фронта следует использовать с осторожностью и здравым смыслом при интерпретации необычных реакций на осадки или таяние снега. Как показано в таблице 3, BD диктует верхний предел порового пространства почвы, φ [-], в минеральных почвах. Содержание воды, обычно превышающее φ указывает либо на неисправный датчик, либо на неправильную калибровку датчика. В первом случае данные могут быть удалены из записи. В последнем случае повторная калибровка может позволить сохранить запись со значениями, измененными в соответствии с повторной калибровкой.

Температура почвы является еще одной переменной, которая помогает контролировать качество данных. Температура почвы распространяется вниз в почвенном столбе и ослабевает с глубиной (рис. 7А). Температура должна достигать пика раньше и выше ближе к поверхности с увеличением времени задержки от пика поверхности по мере увеличения глубины датчика. Любые неупорядоченные задержки датчика могут указывать на неправильно идентифицированную глубину или неправильный адрес SDI-12. Как показано на рисунке 10 и обсуждается на нем, электромагнитные датчики зависят от изменений ε, которые варьируются от ~3 для льда до ~80 для воды. Изменения между водой и льдом регистрируются датчиками SWC. Однако может потребоваться повысить порог маркировки, поскольку объем срабатывания датчика отличается от объема срабатывания термистора температуры почвы, и пороговое значение может достигать 4 °C. Поскольку степень замерзания и относительное количество жидкой воды могут иметь важное значение для оценки гидрологии почвы, эти данные должны быть помечены как подверженные влиянию замерзания и не обязательно удаляться. На самом базовом уровне контроль качества должен рационализировать любую неустойчивую реакцию датчика на какой-либо физический механизм, иначе это ошибка. Несмотря на то, что автоматизированные процедуры контроля качества являются обязательным требованием для крупных сетей и разрозненных источников данных 13,33,34,35^, ничто не заменит наблюдение за данными для поддержания качества данных в долгосрочной перспективе.

Проверка данных
Одним из наиболее сложных аспектов данных SWC является проверка: «Предоставляет ли датчик хорошие и точные данные?» Большинство датчиков окружающей среды доступны после развертывания и могут быть заменены новым датчиком через некоторое время, возвращены производителю или лаборатории для повторной калибровки в соответствии со стандартами и/или проверки данных по образцу, собранному в полевых условиях. Метеорологические организации следуют строгим процедурам для атмосферных датчиков, включая вращение датчиков, техническое обслуживание датчиков и калибровку в полевых условиях, что позволяет профилактическому обслуживанию служить первым проходом проверки данных^10,30. Датчики SWC заглублены на место и не могут быть проверены или откалиброваны без значительного нарушения места и потенциального повреждения датчика. Кроме того, не существует общепринятых стандартов для датчиков SWC, и поэтому проверка данных требует некоторых знаний об ожидаемом отклике датчика и некоторой уверенности в самом датчике. И то, и другое требует практического опыта и передовой практики, применяемой на местах (т.е. техническое обслуживание площадки и инспекции). Если необычные проблемы с производительностью, как показано на рисунке 11, становятся хроническими, существует высокая вероятность выхода датчика из строя, и его следует заменить.

Электромагнитные датчики не имеют движущихся частей, а провода и схемы, как правило, прочные. Через 3 года Техасская сеть наблюдения за почвой сообщила о 2% отказе датчиков осциллятора²¹ линии передачи. После более чем 10 лет службы Сеть реагирования на климат США сообщила о заметном увеличении частоты отказов датчиков импеданса до 15-18 зондов на 100 с 2014 по 2017 год³⁶. Как показано на рисунке 11, большинству датчиков SCAN до отказа было более 20 лет. Предпочтительно заменить датчик перед отказом, чтобы датчик можно было повторно оценить в воздухе, воде и песке, чтобы проверить дрейф по сравнению со значениями до развертывания, если они были зарегистрированы (например, шаг 1), среди других причин. Регулярная замена несколько непрактична для датчиков SWC и редко выполняется в больших сетях, и мы не знаем о каких-либо долгосрочных оценках изменения электромагнитного датчика SWC с течением времени. Сеть USCRN в настоящее время переходит на новую сенсорную технологию после более чем 10 лет использования емкостных датчиков. План состоит в том, чтобы иметь минимальное перекрытие в 2 года между старыми и новыми датчиками для внесения каких-либо корректировок.

Регулярные визиты по техническому обслуживанию должны включать проверку данных SWC, в идеале в различных условиях влажности. Это может быть достигнуто косвенно с помощью портативного датчика, идеально откалиброванного для некоторых образцов почвы или непосредственно для объемных кернов почвы, собранных на месте. Наилучший подход заключается в сравнении показаний датчиков in situ с SWC из объемных образцов почвы на эквивалентных глубинах³⁷ (рис. 12). Плановое техническое обслуживание должно быть направлено на то, чтобы охватить диапазон условий влажности почвы, чтобы можно было сравнить простую регрессию между прямыми/косвенными измерениями SWC и совпадающими показаниями датчиков. Более глубокий отбор проб почвы может производиться в шнековых отверстиях или с помощью механических устройств отбора керна. Проверка поверхностных датчиков (например, 5 и 10 см) может быть достаточной, поскольку более глубокие датчики должны следовать аналогичной характеристической реакции на PPT, как обсуждалось ранее. Существует несколько ограничений этой оценки SWC post hoc. Основным недостатком является то, что объемные образцы не могут (и не должны) отбираться непосредственно на датчиках и не могут быть по-настоящему репрезентативными для SWC в пределах чувствительного объема вокруг зубьев (в пределах 3 см). Это приводит ко второму недостатку; Для получения репрезентативного значения SWC в полевых условиях может потребоваться гораздо больше мест отбора проб и глубин. Это также может привести к появлению большого количества отверстий и помех вокруг участка. Третьим недостатком является трудность получения объемных образцов грунта на глубине без выемки грунта, что нарушает почвенный профиль.

Рисунок 12: Объемные данные SWC. Данные SWC из 60 см³ почвенных кернов, взятых в качестве полевых калибровочных данных, по сравнению с SWC с датчиков in situ на глубинах 15, 30, 45 и 60 см, в текстурах от суглинистого, мелкого песка до глины. Эта цифра была адаптирована из Evett et ^al.37. Аббревиатура: SWC = содержание воды в почве. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

NRCS разработала метод отбора проб почвы в шнековых скважинах с использованием объемной пробоотборной трубки (зонда типа Мадеры) на удлинительном стержне для проб на дне шнекового отверстия³⁸. Эти прямые измерения также могут быть объединены с косвенными измерениями от портативных датчиков^37,39,40 для обеспечения калиброванной оценки пространственной репрезентативности датчиков in situ ^13,41. Как описано в протокольном шаге 10.10, этот процесс может быть повторен для того, чтобы позволить некоторой метрике (например, среднеквадратичной ошибке, смещению, корреляции) определить любое недавнее отклонение датчиков in situ от прямого отбора проб или косвенных оценок SWC. Более подробную информацию также представляет Международное агентство по атомной энергии МАГАТЭ⁷. Данные о выемке грунта и характеристиках, представленные на этапах 3 и 5, также содержат данные о φ (SWC не должен превышать это значение). Текстура и горизонтация почвы иллюстрируют зоны высокой/низкой проводимости и удержания воды в почве. Эти шаги во многом согласуются с протоколом^{отбора проб лесных почв 25}. Желаемая шкала репрезентативности может быть использована для сбора набора валидационных данных, а затем станция может быть масштабирована до проверенного посадочного места⁴². Если тип датчика станции заменяется, было бы разумно собрать еще один набор данных проверки для различных условий почвы и воды, чтобы снова зафиксировать смещение установки.

Вспомогательные наборы данных могут помочь в проверке и оценке данных SWC. Очевидно, что гидрологические временные ряды значительно улучшаются с помощью датчика PPT на месте для проверки времени, продолжительности и величины событий. Датчики матричного потенциала почвы обеспечивают энергетическое состояние почвенной воды, что имеет решающее значение для количественного определения доступной воды для растений. Метеорологические датчики, включая температуру воздуха, относительную влажность, скорость ветра и солнечное излучение, позволяют напрямую вычислять эталонное суммарное испарение (ET), которое является полезным руководством для относительного поглощения воды растениями и, следовательно, скорости высыхания почвы⁴³. Несколько экономичных универсальных метеодатчиков доступны с выходом SDI-12. Информация об уровне грунтовых вод от датчика давления является еще одним ценным измерением, если уровень грунтовых вод находится близко к поверхности и может быть установлен контрольный колодец. Наконец, полевая камера может обеспечить как научную ценность, так и безопасность объекта. Цифровые изображения могут фиксировать рост растительности и зелень⁴⁴, а общее состояние станции можно оценить без выезда на место.

Дополнительная таблица S1: Распространенные (но не всеобъемлющие) технологии датчиков SWC in situ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S2: Журналы истории датчиков, извлеченные из онлайновой базы данных NRCS для всех сайтов, представленных в этом протоколе. Данные доступны по каждому URL-адресу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S3: Данные на участке и характеристика почвы для примеров данных, представленных на рисунке 11. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Обсуждение

Состояние влажности почвы является результатом множества различных факторов окружающей среды, включая осадки, растительность, солнечное излучение и относительную влажность, а также гидравлические и физические свойства почвы. Они взаимодействуют в пространстве и времени в разных пространственных и временных масштабах. Чтобы моделировать и прогнозировать водный, энергетический и углеродный циклы, необходимо понимать состояние SWC. Одним из наиболее распространенных типов автоматизированных измерительных технологий является электромагнитный датчик SWC с зубьями, предназначенными для установки на месте в ненарушенную почву. Этот протокол предназначен для предоставления рекомендаций по процессу установки этих распространенных типов заглубляемых датчиков. Точность, производительность и стоимость, как правило, пропорциональны рабочей частоте датчиков; Низкочастотные датчики стоят дешевле, но в большей степени подвержены влиянию факторов почвы и окружающей среды⁴⁵. Калибровка для конкретной почвы или участка может повысить точность низкочастотных датчиков. Метод измерения также влияет на производительность датчика из-за лежащей в основе физики электромагнитного поля (ЭМП).

Два основных электромагнитных физических закона управляют электромагнитным зондированием. Одним из них является закон Гаусса, который описывает, как распространяемая ЭДС датчика зависит как от ε, так и от BEC среды. Однако диэлектрическая проницаемость увеличивается с SWC, то же самое происходит и с BEC. Следовательно, датчики, зависящие от закона Гаусса, подвержены влиянию SWC, BEC и температурного воздействия на BEC, а также любых помех от солености. Методы измерения емкости подчиняются закону Гаусса и, таким образом, более подвержены этим эффектам⁴⁶. Кроме того, закон Гаусса описывает зависимость емкости от геометрического фактора, который изменяется в зависимости от формы ЭДС в почве. Исследования показали, что форма ЭДС изменяется в зависимости от структуры почвы и мелкомасштабной пространственной изменчивости содержания воды вокруг пальцев датчика. Мелкомасштабная пространственная изменчивость содержания воды и структуры почвы велика в большинстве почв, что приводит к изменениям геометрических факторов и последующим изменениям емкости, которые имеют мало общего с изменениями среднего содержания воды в почве. Эти факторы снижают точность емкостного датчика и увеличивают вариабельность данных^46,47,48. Методы импеданса и колебаний линии передачи также зависят от закона Гаусса, в то время как методы рефлектометрии во временной области и трансмиссометрии во временной области зависят от уравнений Максвелла, которые не включают геометрический фактор и не зависят от BEC. Хотя ни один датчик не является беспроблемным, методы во временной области, как правило, значительно более точны и менее смещены, чем методы, основанные на емкости или импедансе.

Процедура состоит из нескольких важных этапов. Для разреженной сети необходим правильный выбор площадки и расположение датчиков, чтобы иметь наиболее подходящее пространственное представление SWC. Выбор участка может в большей степени зависеть от внешних факторов, таких как доступ к земле или другие требования к атмосферному мониторингу, где влажность почвы является вспомогательным измерением. Мезомасштабные метеорологические объекты расположены на широких и открытых, хорошо ухоженных травянистых поверхностях, чтобы свести к минимуму любые микромасштабные воздействия. Такие места могут быть менее идеальными для мониторинга SWC. Если применимо, беспроводные сенсорные технологии следует рассматривать как 49,50,51,52,53, чтобы обеспечить мониторинг SWC вдали от существующей станции мониторинга окружающей среды и в репрезентативной почве. Работа с активными сельскохозяйственными операциями и ирригационным оборудованием является сложной задачей. Большинство сетей (например, SCAN и USDA-ARS) остаются на окраинах полей, чтобы избежать обработки почвы, такой как плуги или комбайны, которые могут перерезать кабели и выкапывать датчики. Любой датчик и кабель in situ должны быть достаточно заглублены и иметь достаточно низкий профиль поверхности, чтобы избежать выводов при работе на ферме. Беспроводные системы⁵³ и съемные скважинные датчики⁴⁷ могут быть более подходящими. Сохранение подземных вод с использованием крупномасштабного орошения на основе влажности почвы⁵⁴ является растущей областью для датчиков SWC; этот протокол относится к пространственно репрезентативным долгосрочным данным SWC в ненарушенных почвах.

Некоторые почвы труднее измерить, чем другие. В каменистых, гравийных или очень сухих почвах может быть невозможно вставить зубья без каких-либо повреждений. Один из вариантов — выкопать почвенную яму и установить датчики на место во время обратной засыпки, пытаясь уплотнить их до исходного BD. Каменистые почвы, как правило, имеют небольшую структуру, которая, вероятно, заживет после нескольких циклов увлажнения и сушки; Однако такое нарушение никогда не может быть по-настоящему репрезентативным для гидрологии почвы участка. В качестве альтернативы, если датчики установлены на дне отверстий шнека, удаленный грунт можно просеять для удаления камней и переупаковать в отверстие достаточно глубоко, чтобы разместить зубья датчика. Затем датчик можно установить вертикально, а отверстие шнека заполнить оставшимся непросеянным грунтом с частым уплотнением по мере добавления грунта.

Корни в лесной почве создают аналогичные проблемы для введения зонда, однако в некоторых ситуациях корни могут быть срезаны. Лесные почвы часто имеют органические (O) горизонты поверх минеральной почвы, которые могут иметь очень низкий BD и высокую удельную поверхность, с большим количеством связанной воды, что приводит к очень нелинейным откликам датчиков при более высоких SWC⁵⁵. Кроме того, практик устанавливает нулевое датумное в качестве либо вершины O-горизонта, либо в качестве минеральной почвы, отмечающей это в метаданных. Богатые глиной почвы и обширные глины с высоким потенциалом усадки / набухания могут быть чрезвычайно проводящими к электромагнитным сигналам во влажном состоянии и могут трескаться при высыхании. Такие почвы могут нуждаться в дополнительных поправках, чтобы получить разумный SWC из необработанных измерений^56,57. На неглубоких почвах коренные породы или ограничительный почвенный горизонт (например, каличе или хардпан) могут встречаться до достижения идеальной максимальной глубины. Возможно, потребуется изменить местоположение или просто не устанавливать более глубокие датчики. Чрезмерно сухие или влажные почвы могут быть сложными, и также предпочтительно выбирать даты установки вне сезонных экстремальных условий. Сухая почва может быть очень прочной, и может оказаться невозможным вставить датчик без повреждений. При необходимости предварительно подготовленные отверстия могут быть заполнены водой, чтобы смягчить поверхность ямы, хотя может пройти некоторое время, прежде чем почвы вернутся в естественное состояние. Влажные почвы могут быть слишком слабыми, чтобы поддерживать забои котлованов, или траншея может быть заполнена водой. Также легче чрезмерно уплотнить влажную почву.

Выходной сигнал датчика должен включать диэлектрическую проницаемость, а не только SWC, чтобы впоследствии можно было внести поправки или калибровку для конкретной почвы. Высокочастотные датчики более подходят для почв с высоким BEC, в то время как более короткие зубья могут быть проще установить в более компактных почвах. Однако, возможно, наиболее важным шагом является контакт с почвой; Плохой контакт ухудшает сигнал от любого электромагнитного датчика. Наконец, обратная засыпка раскопок звучит тривиально, но она является ключом к минимизации предпочтительного потока в зону датчиков, защите кабелей и предотвращению того, чтобы животные беспокоили территорию. Калибровка для конкретной почвы или участка может повысить точность датчика, но требует большей детализации, чем это возможно в этом протоколе. Полевые почвы, отрегулированные или переупакованные до различных уровней SWC, идеально подходят для проверки линейности отклика и могут служить калибровкой для некоторых типов^{датчиков 21} для конкретного участка. Диэлектрические жидкости также могут быть эффективными средами для проверки отклика⁵⁸ датчика. Водяные бани с регулируемой температурой могут использоваться для улучшения калибровки температуры почвы⁵⁹. Этот протокол является первым шагом на пути к установлению стандартной рабочей процедуры для установки датчиков SWC in situ, поскольку не существует ни существующего метода, ни какого-либо общепринятого метода калибровки для датчиков^{SWC 60,61}.

Несмотря на то, что мониторинг SWC был в центре внимания этого протокола, этот метод имеет ограничения, и сам по себе SWC не может дать полную картину состояния почвенных вод. Многие экосистемные процессы также регулируются водным потенциалом почвы, который реже измеряется in situ⁶². Водный потенциал почвы, недавно рассмотренный С. Ло, Н. Лу, К. Чжаном и В. Ликосом ⁶³, представляет собой энергетическое состояние воды; такие датчики могут в меньшей степени зависеть от свойств почвы и обеспечивать контроль качества датчиков⁶⁴ SWC. Кроме того, объемное поле SWC включает гравий, камни, корни и пустотное пространство (например, предпочтительные пути потока). На месте Датчики SWC, как правило, перемещаются вокруг камней и корней, а ограниченный объем измерений, сосредоточенный вокруг зубьев, может упустить дискретные, но важные аспекты SWC объемного поля.

Мы надеемся, что этот протокол приведет к более согласованным и единообразным данным SWC для широкого круга применений, включая мониторинг засухи, прогнозирование водоснабжения, управление водосборными бассейнами, управление сельским хозяйством и планирование урожая. Появление платформ дистанционного зондирования⁴ значительно расширило возможности оценки SWC в глобальном масштабе, но эти продукты нуждаются в наземной проверке, которая по-прежнему разумно собирается только сетями 65 in situ. Компьютерные достижения позволили разработать моделирование^{SWC 66} с гиперразрешением, создающее высокое разрешение и субсуточное состояние SWC, но эти продукты также нуждаются в оценках SWC in situ, чтобы обеспечить некоторую основу для расчета неопределенности. Часто первый вопрос, который задают при внедрении нового продукта: «Что такое неопределенность?» Для продуктов SWC первичным сравнением для валидации являются сетевые данные⁶⁷ in situ.

Недавно были расширены сети, связанные с Национальной скоординированной сетью мониторинга влажности почвы (NCSMMN), включая проект Инженерного корпуса армии США по влажности почвы в бассейне реки Верхний Миссури и создание сети на юго-востоке США при поддержке NOAA, все они предназначены для улучшения прогнозирования и мониторинга водных опасностей и поддержки принятия решений по управлению ресурсами. Определенность и точность оценок SWC для таких приложений могут быть достигнуты только с помощью тщательных протоколов и процедур, обеспечивающих уверенность в целостности данных. NCSMMN - это многопрофильная инициатива, возглавляемая федеральным правительством, целью которой является оказание помощи, руководства и поддержки путем создания сообщества практиков в области измерения, интерпретации и применения влажности почвы - «сети людей», которая связывает поставщиков данных, исследователей и общественность⁶⁸. Этот протокол является продуктом усилий NCSMMN. В ближайшее время будет запущен рабочий процесс контроля качества данных.

Материалы

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