Name: in situ soil moisture sensors in undisturbed soils
Uploaded: 2022-11-18T14:10:00
Duration: 8 min 20 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils at JoVE.com

作者感谢NOAA-NIDIS，国家协调土壤湿度监测网络（NCSMMN）和USGS下一代水观测系统（NGWOS）计划的财政支持。我们感谢NCSMMN执行委员会成员，包括B. Baker，J. Bolten，S. Connelly，P. Goble，T. Ochsner，S. Quiring，M. Svoboda和M. Woloszyn对该协议的意见。我们感谢韦弗先生（美国地质调查局）对议定书草案的初步审查。

对贸易、公司或产品名称的任何使用仅用于描述目的，并不意味着美国政府的认可。本文是美国政府的作品，在美国属于公有领域。美国农业部是一个机会均等的雇主和提供者。

土壤湿度状态是许多不同的环境因素的结果，包括降水、植被、太阳辐照度和相对湿度，以及土壤水力和物理性质。它们在不同的空间和时间尺度上相互作用。为了对水、能源和碳循环进行建模和预测，有必要了解SWC状态。最常见的自动测量技术类型之一是电磁SWC传感器，其尖齿旨在 原位 插入未受干扰的土壤中。该协议旨在为安装这些常见类型的可埋藏传感器的过程提供指导。精度、性能和成本通常与传感器的工作频率成正比;低频传感器成本较低，但更容易受到土壤和环境因素的影响45.土壤或特定地点的校准可以提高低频传感器的精度。由于电磁场（EMF）的基本物理特性，测量方法也会影响传感器性能。
两个主要的电磁物理定律控制着电磁传感。一个是高斯定律，它描述了传感器的传播EMF如何依赖于介质的ε和BEC。然而，介电常数随着SWC的增加而增加，BEC也是如此。因此，依赖于高斯定律的传感器会受到SWC、BEC和温度对BEC的影响，以及盐度的任何干扰。电容传感方法遵循高斯定律，因此更容易受到这些影响46.此外，高斯定律描述了电容对几何因子的依赖性，几何因子随土壤中电动势的形状而变化。研究表明，EMF形状随土壤结构和传感器尖齿周围含水量的小规模空间变化而变化。大多数土壤的含水量和土壤结构的小尺度空间变异性较大，导致几何因子变化和随之而来的电容变化，与土壤水分含量的体积平均变化关系不大。这些因素会降低电容传感器的精度并增加数据可变性46，47，48。阻抗和传输线振荡方法也取决于高斯定律，而时域反射计和时域透偏计方法取决于麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组不包括几何因子，也不依赖于BEC。虽然没有传感器是没有问题的，但时域方法往往比基于电容或阻抗的方法更精确，偏差更小。
该过程有几个关键步骤。对于稀疏网络，需要正确的选址和传感器位置，以获得最合适的SWC空间表示。选址可能更多地受到外部因素的影响，例如土地通道或其他大气监测要求，其中土壤湿度是辅助测量。中尺度气象站点位于宽阔开阔、修剪整齐的草地上，以尽量减少任何微观尺度的影响。这些位置可能不太适合 SWC 监测。如果适用，应考虑无线传感器技术49，50，51，52，53，以允许SWC监测在远离现有环境监测站和代表性土壤中进行。围绕活跃的农场运营和灌溉设备开展工作具有挑战性。大多数网络（例如，SCAN 和 USDA-ARS）都位于田地的边缘，以避免耕作活动，例如可以切断电缆和挖掘传感器的犁或收割机。任何原位传感器和电缆都需要充分埋入，并且具有足够低的表面轮廓，以避免推断农场操作。无线系统53和可移动钻孔传感器47可能更合适。使用大规模的土壤水分灌溉54进行地下水保护是SWC传感器的一个不断增长的领域;该协议涉及未受干扰土壤中具有空间代表性的长期SWC数据。
有些土壤比其他土壤更难测量。在岩石、砾石或非常干燥的土壤中，可能不可能在不损坏的情况下插入尖齿。一种选择是挖掘土坑并在回填时将传感器放置到位，试图压实到原始BD。 岩石土壤往往几乎没有结构，经过几次润湿和干燥循环后可能会愈合;然而，这种干扰可能永远不能真正代表该地点的土壤水文。或者，如果传感器安装在螺旋钻孔的底部，则可以筛分去除的土壤以去除石头，并在孔中重新包装，刚好足够深以容纳传感器齿。然后可以垂直安装传感器，并用剩余的非筛土重新填充螺旋钻孔，并在添加土壤时频繁压实。
森林土壤中的根对探针插入提出了类似的挑战，但是在某些情况下可以切断根。森林土壤通常在矿物土壤顶部具有有机（O）层，其BD非常低，比表面积高，大量的结合水导致在较高的SWC55下产生非常非线性的传感器响应。此外，从业者将零基准面设置为O形地平线的顶部或矿物土壤 - 在元数据中注明其中。富含粘土的土壤和具有高收缩/膨胀潜力的膨胀粘土在潮湿时对电磁信号具有极强的导电性，在干燥时可能会开裂。这些土壤可能需要额外的校正才能从原始测量值中获得合理的SWC。在浅层土壤中，在达到理想的最大深度之前，可能会遇到基岩或限制性土壤层（例如，卡利切或硬质）。可能需要更改位置或根本不安装更深的传感器。过于干燥或潮湿的土壤可能具有挑战性，最好选择极端季节之外的安装日期。干燥的土壤可能非常坚固，并且可能无法在不损坏的情况下插入传感器。如有必要，可以用水填充预钻孔以软化坑面，尽管土壤恢复到自然状态可能需要一些时间。潮湿的土壤可能太弱而无法支撑坑面，或者沟渠可能充满水。湿土壤也更容易过度压实。
传感器输出应包括介电常数，而不仅仅是SWC，以便以后可以进行校正或土壤特定校准。高频传感器更适合高BEC土壤，而较短的尖齿可能更容易安装在更紧凑的土壤中。然而，也许最关键的一步是土壤接触;接触不良会降低来自任何电磁传感器的信号。最后，回填挖掘听起来微不足道，但它是最大限度地减少优先流入传感器区域、保护电缆和阻止动物干扰该区域的关键。特定于土壤或地点的校准可以提高传感器的精度，但需要比该协议中可能更多的细节。将现场土壤调整或重新包装到不同的SWC水平是检查响应线性的理想选择，并且可以作为某些传感器类型的特定地点校准21。介电液体也可以是检查传感器响应的有效介质58。温控水浴可用于改善土壤温度校准59.该协议是建立 原位 SWC传感器安装标准操作程序的第一步，因为没有现有的方法，也没有任何公认的SWC传感器校准方法60，61。
虽然SWC监测一直是该协议的重点，但该方法具有局限性，仅靠SWC无法全面了解土壤水分状况。许多生态系统过程也受到土壤水势的调节，土壤水势不太常见于原位测量62。最近由S. Luo，N. Lu，C. Zhang和W. Likos 63审查的土壤水势是水的能量状态;这种传感器可能受土壤特性的影响较小，并为SWC传感器提供质量控制64。此外，散装场SWC包括砾石，岩石，根部和空隙空间（例如，优先流路）。 原位 SWC传感器通常重新定位在岩石和根部周围，有限的测量体积集中在尖齿周围，可能会错过散体场SWC的离散但重要的方面。
该协议有望为广泛的应用带来更加协调和统一的SWC数据，包括干旱监测，供水预测，流域管理，农业管理和作物规划。遥感平台4 的出现大大提高了全球SWC的估计能力，但这些产品需要地面验证，而地面验证仍然只能由 原位 网络65合理收集。计算机的进步使得超分辨率SWC建模66 得以开发，产生高分辨率和亚日常SWC状态，但这些产品还需要对SWC进行原位 估计，以便为计算不确定性提供一些基础。通常，在推出新产品时，第一个问题是“不确定性是什么？对于SWC产品，验证的主要比较是 原位 网络数据67。
最近与国家协调土壤湿度监测网络（NCSMMN）相关的网络扩展，包括美国陆军工程兵团上密苏里河流域土壤湿度项目和NOAA支持的美国东南部网络建设，所有这些都旨在改善水危害预测，监测和提供资源管理决策支持。只有通过全面的协议和程序才能实现此类应用程序的SWC估计的确定性和准确性，以提供对数据完整性的信心。NCSMMN是一项由联邦政府领导的多机构努力，旨在通过围绕土壤湿度测量，解释和应用建立一个实践社区来提供援助，指导和支持 - 一个连接数据提供者，研究人员和公众的“人网络”68。该协议是NCSMMN努力的产物。即将推出数据质量控制工作流程。

土壤湿度最近被认为是全球观测气候系统中的基本气候变量1。土壤湿度或定量体积土壤含水量（SWC）在将入射辐射通量划分为地球表面和大气之间的潜热和显热以及将降水划分为径流和渗透方面起着重要作用2。然而，土壤湿度在点、田间和流域尺度上的时空变化使我们在满足研究或管理目标所需的适当尺度上测量SWC的能力变得复杂3。量化SWC的新方法，包括 原位 传感器、近端探测器和遥感的地面网络，为以前所未有的分辨率绘制SWC变化提供了独特的机会4。 原位 SWC传感器提供时间上最连续和深度特定的数据记录，但也受到小传感量和土壤特性、地形和植被覆盖固有的局部尺度变化的影响5。
此外，在 原位 SWC传感器的安装、校准、验证、维护和质量控制方面，缺乏标准或广泛接受的方法。土壤湿度本质上是一个具有挑战性的测量参数，可能是最难保证质量的变量6.虽然SWC数据收集的一般协议已经由国际原子能机构7，地球观测卫星委员会8，联邦机构报告9和美国国家气候学家协会10制定，但关于安装，维护，质量控制和验证SWC数据的具体指导有限。 探针。这使得采用此类技术成为运营监控网络（如状态 Mesonets）增加 SWC 测量的挑战。同样，对于河流预报中心等业务水文学家来说，将这些数据纳入其工作流程也具有挑战性。本录像和随附论文的目的是为埋入 式 SWC探头提供此类指导并记录一个有凝聚力的安装协议。
选择原位土壤湿度监测的位置 任何感兴趣区域 （AOI） 内的土壤通过地形、生态、地质和气候之间随时间推移的独特和耦合反馈形成11，12。SWC在不同景观中的可变性使得选址成为任何土壤湿度研究的关键方面。对于某些研究目标，可以选择一个地点来代表景观或生态系统上的特定特征或微型地点。为了监测网络的目的，该地点应在空间上代表更大的景观组成部分。目标是找到一个提供AOI最佳空间表示的位置。在现场，必须达到更务实的考虑因素，例如其他气象仪器的要求、可及性或介电导数。然而，AOI内的主要土壤图单元通常是较大区域环境条件的良好空间表示13。主要土壤地图单位可以使用网络土壤调查（https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/）确定;该土壤地图单元也应使用浅坑或测试孔进行验证。
一个典型的监测站可以占用5-50 m2，具体取决于传感器需求和辅助测量的数量。 图 1 描绘了一个典型的监测站，该塔有一个 3 m 的塔，该塔装有风速和风向的风速计、一个空气温度和相对湿度传感器、一个用于太阳辐射的日射强度计，以及一个美国国家电气制造商协会 （NEMA） 耐候和防水外壳（NEMA 等级 4）。NEMA外壳容纳数据控制平台（DCP），蜂窝调制解调器，太阳能电池板充电调节器，电池和其他相关硬件（见 材料表;系统组件）。该塔还为通信天线、太阳能电池板和避雷针提供了一个平台。通常还包括液体沉淀（PPT）测厚仪，应将其放置在远离塔架的位置，并尽可能降低海拔，以减少风对PPT捕获的影响。SWC传感器应安装在足够远的距离（3-4米）和上坡处，以便塔对降雨或陆流没有潜在的干扰。任何相关电缆都应埋在地表以下至少 5 厘米的导管中。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> 图 1：典型的监测站。 美国农业部 SCAN 每小时收集有关标准深度（5、10、20、50 和 100 厘米）的土壤含水量和温度、气温、相对湿度、太阳辐射、风速和风向、降水和气压的信息。美国有 200 多个 SCAN 站点。缩写：SCAN = 土壤气候分析网络;NEMA = 国家电气制造商协会。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
传感器的测量深度、方向和数量 原位SWC传感器通常水平安装，以表示土壤中的特定深度（图2）。由联邦政府资助的国家网络，如土壤气候网络 （SCAN）14、雪遥测网络 （SNOTEL）15 和美国气候参考网络 （USCRN）16，测量 5、10、20、50 和 100 厘米的 SWC。由于各种原因，在 SCAN 开发过程中通过共识达成了这些深度。5厘米的深度对应于遥感能力17;10 和 20 厘米深度是土壤温度的历史测量值18;50 和 100 厘米深度完成根区土壤储水。
探头可以垂直、水平或倾斜/倾斜定向（图 3）。水平安装是最常见的，以实现离散深度的均匀土壤温度测量。虽然传感器可能以离散深度为中心，但SWC测量是围绕尖齿（即电极）的体积，其可能随湿度水平、测量频率和安装几何形状（水平、垂直或倾斜）而变化。对于水平安装，感应体积将深度上方和下方的水分整合在一起，并且 95% 的感应体积通常在尖齿19 的 3 cm 以内。垂直或倾斜安装沿尖齿集成SWC，因此垂直安装可以表示沿传感器深度20的整个长度的存储。有些传感器不能沿其齿均匀测量。例如，传输线振荡器对产生电磁脉冲的探头附近的水分更敏感21。垂直安装更适合温度和湿度梯度趋于减小的更深探头。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> 图 2： 原位 SWC 传感器的安装。 使用（A，B）零深度参考夹具和（C）零深度板或（D）零深度铲手柄作为参考，在所选深度水平传感器放置。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> 图 3：探头垂直、水平或倾斜方向 。 （A） 倾斜和垂直插入和 （B） 三色 SWC 传感器的水平-垂直插入和水平-水平插入中心深度。缩写：SWC = 土壤含水量。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
安装到小于 50 厘米的深度相对直观，而更深的传感器需要稍微多一些努力。根区 SWC 或剖面土壤储水量通常需要测量 1 或 2 米。如本协议所示，0-50厘米的安装是在挖掘的坑或螺旋钻孔中完成的，探头水平安装到未受干扰的土壤中，从而最大限度地减少表面干扰。对于更深的传感器（例如 100 cm），SCAN 和 USCRN 都使用延长杆将传感器垂直安装在单独的手动螺旋钻孔中（图 4）。
鉴于SWC的异质性，特别是在表面附近，以及传感器的小测量体积，三次测量可以更好地表示SWC。然而，对于大多数网络（例如，SCAN 和 SNOTEL）， 原位 传感器的一个配置文件是典型的。USCRN使用间隔3-4米的三个剖面在每个深度进行三次测量16。此外，如果有财政资源，测量冗余会增加台站记录的弹性和连续性。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> 图 4：传感器的安装 。 （A）浅层传感器通常水平安装在挖掘的土坑的侧壁上。对于更深的传感器，（B）使用手动螺旋钻使用零深度参考（例如，横跨沟渠的木材）将孔挖到深处，并且使用（C）在安装过程中修改为固定传感器和电缆而修改的PVC管的一部分或（D）安装工具将传感器垂直推入孔的底部。土壤层被记录为表土（A地层）和具有易位粘土（Bt）和碳酸盐堆积（Bk）的底土层。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>
原位 SWC 传感器类型 市售传感器根据测量到的对沿与土壤直接接触的尖齿传播的电磁信号的响应来推断SWC。根据传播的电磁信号类型和测量响应的方法，埋入式传感器分为五类：电容、阻抗、时域反射计、时域透射计和传输线振荡（补充表S1，附有每个制造商信息的链接）。这些技术倾向于按工作频率和制造商进行分组。较长的尖齿整合了更大的土壤体积;然而，它们可能更难插入，并且在具有粘土和更高体积电导率 （BEC） 的土壤中更容易受到信号损失的影响。制造商报告的SWC测量误差为0.02-0.03 m3m−3，而用户通常发现这些误差明显更大23。电磁传感器的正确校准和标准化提高了性能22;但是，这些特定于土壤的校准超出了该协议的范围，该协议侧重于安装。
传感器的选择应考虑所需的输出、测量方法、工作频率以及与其他测量的兼容性。在2010年之前，大多数SWC传感器都是模拟的，需要DCP测量差分电压、电阻或脉冲计数，这需要更昂贵的组件和每个传感器的单个通道（或多路复用器）。现在，1，200波特（SDI-12）通信协议（http://www.sdi-12.org/）的串行数据接口允许智能传感器实现内部测量算法，然后通过单根通信电缆传输数字数据。每个传感器可以使用通过杠杆螺母或接线端子连接器（图 5）连接的公共电线按顺序连接在一起（即菊花链），每个传感器具有唯一的 SDI-12 地址（0-9、a-z 和 A-Z）。SDI-12传感器的通用通信线与电源线和地线一起形成单个电路。不需要多路复用器或DCP的任何测量;相反，DCP 只是发送和接收数字命令和文本行。许多SDI-12 SWC传感器还包括土壤温度、相对介电常数（ε）和BEC测量。这种测量对于传感器诊断和土壤特定校准非常有用。此时，用户已选择站点，确定传感器类型、数量和深度，并获得所有必要的硬件和现场工具（材料表）。因此，他们可以继续安装协议。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> 图 5：用于将公共电源、接地和通信电线连接到数据收集平台上的单个输入的电线接头连接器和接线端子。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的大图。</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>System components, essential</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>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&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery, sealed rechargable 12 V 12 AH&#160;</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>BP12</td>
			<td>7 amp-hour (AH) minimum</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Charging regulator</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CH200</td>
			<td>Charge regulator, needed for any unregulated solar panel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conduit, schedule 40 PVC, 1 to 2&#34; diameter&#160;&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Diameter sized appropriate to number of sensors and cable thickness. Length dependent on height of enclosure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data aquistion software</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>PC400</td>
			<td>Free versions with limited programability, for more basic applications, manual downloads and simple sensor configurations</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data control platform</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CR300</td>
			<td>Any SDI-12 compatible DCP is sufficint. Many also have integrated cellular modems available&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Enclosure (NEMA), 10 x 12 inch, -DC 2 conduits for cables, -MM tripod mast mount</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>ENC10/12-DC-MM</td>
			<td>Two bottom conduits are required for above and below ground instruments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounting pole (47 inch) with pedestal legs</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CM305-PL</td>
			<td>Smaller footprint, not tall enough for weather sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rain Gage with 8 in. Orifice, 20 ft of cable</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>TE525WS-L20-PT</td>
			<td>Recommend installing rain gage on a separate vertical pole some distance from the instrument stand</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensors, 12 cm water content reflectometer, 17ft cable, -VS SDI-12 address varies</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CS655-17-PT-VS</td>
			<td>See Supplement Table 1 for more options&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solar panel, 20 W</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>SP20</td>
			<td>Use higher wattage panels for northern sites and lower for southern sites with higher exposre</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>System components, optional</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cellular Antenna, 2 dB multiband omnidirectional&#160;</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>32262</td>
			<td>Directional antennas can improve signal, if the tower location is known.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cellular modem for Verizon/ATT</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CELL210/205</td>
			<td>Provider is site-dependent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Crossarm mount, 4 feet</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CM204</td>
			<td>Ideal for mounting 2 m sensors&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data aquistion software, advanced</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>Loggernet</td>
			<td>More advanced commercial sofware that includes remote communications options and advanced programming</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DIN Rail Perforated Steel</td>
			<td>Phoenix Contact</td>
			<td>1207639</td>
			<td>Used to mount terminal blocks inside enclosure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized steel water pipe, 1.5 or 2 inch diameter, 10 ft in length</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>The most economical option for an instrument mast. Can be cut to length. Replaces the 47 inch mounting pole with legs</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Instrument tripod, 10 foot stainless-Steel with grounding kit</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CM110</td>
			<td>Taller instrument stand for 2 m meteorologic sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lever nut connectors, five ports (Figure 5)</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>222-415/VE00/1000</td>
			<td>Connect one SDI-12 wire to 4 sensor wires. Alternative to DIN rail.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Null modem cable&#160;</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>18663</td>
			<td>Inteface cable between DCP with modem. Not required for integrated cellular modems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plug-in bridge - FBS 3-5</td>
			<td>Phoenix Contact</td>
			<td>3030174</td>
			<td>Used to connect the curcuit of multiple terminal blocks. Available at mouser.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Secure Set Foam, 10 Post Kit (2 gallon)</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Altnerative to concrete when using a steel pipe mast or for precipation gage pole. Two part foam mixture</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor, air temperature and relative humidity, 10 ft cable&#160;</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>HygroVUE10-10-PT</td>
			<td>Lower accuracy and pression option. Replacable chips are the fastest means to meet annual calibration cycles.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor, solar radiation pyranometer, digital thermopile&#160;</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>CS320</td>
			<td>Most inexpensive, ISO class C (second class). Better options are available but much more expensive</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sensor, wind speed anemometer, 10 ft cable</td>
			<td>Met One</td>
			<td>014A-10</td>
			<td>More expensive options include wind direction, or sonic sensors with no moving parts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solar shield for air temperature and relative humidity sensor</td>
			<td>Campbell Scientific&#160;</td>
			<td>RAD10E</td>
			<td>All air temperature sensors require sheilded from the sun</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Terminal blocks (Figure 5), feed-through&#160;</td>
			<td>Phoenix Contact</td>
			<td>3064085</td>
			<td>The most secure method to connect multiple SDI-12 sensor wires. Available at mouser.com</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Field tools, essential</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freezer bags: quart and gallon sized</td>
			<td>Any grocery store</td>
			<td></td>
			<td>Storage for soil samples collected for characterization</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Miscellaneous digging tools including hand trowl, flat spade, and pointed spade</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Backup tools to aid excavation&#39;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shovel (Sharpshooter) 16 in. D-handle drain spade</td>
			<td>Razorback</td>
			<td></td>
			<td>Manual tool for excavating soil pit. Any narrow pointed spade will work.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Shovel, trenching, 4 in wide steel blade&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Ideal trenching tool for burying cable or conduit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soil auger (&#60;4 in diameter) with T-handle or and extension bar as needed for r test holes</td>
			<td>AMS Samplers</td>
			<td>400.06</td>
			<td>Recommended for test holes. The auger type should match soil, but &#39;regular&#39; performs well in most soils</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tarp (plastic) or plywood sheet</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Soil management during excavation and trenching</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Field tools, optional</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,000 lb Mini Excavator</td>
			<td>Sunbelt Rentals</td>
			<td>350110</td>
			<td>Rental equipment for mechanical excavation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breaker or digging bar</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Useful to break rocks and cut roots during excavation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Galvanized Cattle Fence Panel, 16 ft x 50 in</td>
			<td>Tractor Supply Co.&#160;</td>
			<td>350207799</td>
			<td>Recommend cutting fencing panels into 8&#39; sections</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pick mattock or pulaski&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Great for loosening in hard or rocky soils&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Post Hole Auger Hydraulic Tow Behind with 18&#34; diameter auger</td>
			<td>Sunbelt Rentals</td>
			<td>700033</td>
			<td>Rental equipment for mechanical excavation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Post hole digger, 48 in handle</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Useful to clear soil in bottom of pit, or for test holes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel fence T-posts, 6 feet tall and fence post driver, ~14 lb.</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Fencing support and installation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel rake</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Ideal for smoothing disturbed soil at field area</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Every Day Carry (EDC), recommendations for any field technician&#39;s toolbag</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable wrench with insulated handle&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Assorted UV-resistant zip ties</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Critical for neat wiring&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diagonal cutting pliers</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Efficient way to cut light and heavy wires and snip zip ties</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital camera, GPS, and compass</td>
			<td>Misc.&#160;</td>
			<td></td>
			<td>Ideally, these are all on your smartphone</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital multimeter</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Key tool for troubleshooting power and connectivity issues in electrical systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical tape&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Non-black tape can be used for labeling&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrician&#39;s Puddy for filling entrance holes of enclosures</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Needed to close and seal all conduit ports in the enclosure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hex key sets in both standard and metric sizes</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Required for many sensor mounts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic torpedo level (8 to 12&#34;)</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Needed to get instrument stand vertical and leveling any meteorlogical sensors</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metric tape measure&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Critical for inserting probes and sampling soils - both use metric depths.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pliers: needle nose, lineman&#39;s, and channel-lock</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Lineman&#39;s pliers are essential for bailing wire fences.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Portable drill, bits, nut drivers</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ratchet wrench and appropriate socket sizes&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Ratch wrenches can get into tight spaces around sensor mounts where standard box wrenches do not work</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safety: first aid kit, water (5 gallons),&#160; trash bags, gloves, sunscreen, insect repellent</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Screw drivers: small and large size with insulated handles&#160;</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Screws on DCP and terminal blocks are very small. Small flat and phillips heads are required. Larger tools will also come in handy</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sharpies, pencils, and notebook</td>
			<td>Forestry Supplier</td>
			<td></td>
			<td>Basic record keeping is essential for metadata</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Step ladder, 6 ft</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Hard to install 2m sensors without a ladder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Utility knife and box cutter</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vegetation control: hand loppers, weed whacker, saw</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Depending on the environment, vegetation can quickly overwhelm a fenced off areas.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wire strippers (8-20 gage)</td>
			<td>Any home supply store</td>
			<td></td>
			<td>Essential tool for preparing wires for insertion into DCP or terminal blocks. Self-adjusting strippers are the latest rage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Annual Maintenance Supplies</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery cleaner (baking soda) and brush</td>
			<td>Any grocery store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cleaning:compressed air, isopropyl alcohol, tooth brush, pipe cleaners, paper towels&#160;</td>
			<td>Any grocery store</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desiccant, silica gel bags</td>
			<td>Clariant</td>
			<td>Desi Pak</td>
			<td>Reusable after oven drying at 105 &#176;C for over 24 h. Swap out annually.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Field calibration device for rain gage</td>
			<td>R.M. Young</td>
			<td>52260</td>
			<td>Device that drips water into a rain gage at varying intensity&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Handheld Weather Meter</td>
			<td>Kestrel Instruments</td>
			<td>0830</td>
			<td>Direct measurement of air temperature, relative humidity, and wind speed for field verification</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>One quart and one gallon freezer bags</td>
			<td>Any grocery store</td>
			<td></td>
			<td>Storage for any gravimetric soil samples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Portable soil moisture sensor&#160;</td>
			<td>Delta-T Devics</td>
			<td>SM150T</td>
			<td>A variety of sensors exist. See evaluation at https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/vzj2.20033</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soil core sampler, 2-1/4 in. Diameter</td>
			<td>Soilmoisture Equipment Corp.</td>
			<td>0200</td>
			<td>Gravimetric soil moisture and bulk density sampler&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ soil moisture sensors in undisturbed soils

土壤湿度直接影响业务水文、粮食安全、生态系统服务和气候系统。然而，由于数据收集不一致、标准化程度差以及记录持续时间通常较短，土壤湿度数据的采用速度很慢。土壤湿度或定量体积土壤含水量（SWC）是使用埋藏的 原位 传感器测量的，该传感器从电磁响应推断SWC。该信号可能随当地场地条件（例如粘土含量和矿物学、土壤盐度或体积电导率以及土壤温度）而有很大差异;根据传感器技术的不同，这些中的每一个都会产生不同的影响。
此外，随着时间的推移，土壤接触不良和传感器退化会影响这些读数的质量。与更传统的环境传感器不同，SWC数据没有公认的标准、维护实践或质量控制。因此，对于许多环境监测网络来说，SWC是一项具有挑战性的衡量标准。在这里，我们试图为原 位 SWC传感器建立一个基于社区的实践标准，以便未来的研究和应用在现场选择，传感器安装，数据解释和监测站的长期维护方面具有一致的指导。
该录像侧重于多机构就 安装原位 SWC传感器的最佳实践和建议达成共识。本文概述了该协议以及高质量和长期SWC数据收集所必需的各种步骤。该协议将对希望部署单个站点或整个网络的科学家和工程师有用。

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In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

土壤含水量的测定是许多州和联邦机构的关键任务要求。该协议综合了多机构的努力，使用埋地 传感器 测量土壤含水量。

原位 未受干扰土壤中的土壤湿度传感器

Soil moisture directly affects operational hydrology, food security, ecosystem services, and the climate system. However, the adoption of soil moisture ...

土壤含水量调节着从作物生产到天气的许多地上和地下过程。它最近已成为许多州和联邦机构的关键任务要求。该协议综合了多机构的努力，使用埋地的原位电磁传感器测量土壤湿度。该协议对于希望部署单个站点或整个网络的科学家和工程师非常有用。土壤含水量最近被认为是全球气候观测系统中的一个基本气候变量。然而，安装埋地式传感器的做法几乎没有标准化。我们希望书面协议和视频可以改善数据收集。没有简单的方法可以验证埋藏土壤含水量传感器是否提供了良好的数据。首先，需要确信传感器与土壤良好接触，并且安装不会影响当地的土壤水文。演示该程序的将是Alex White，他是马里兰州贝尔茨维尔美国农业部ARS水文和遥感实验室的物理科学家。首先，将每个传感器分别连接到数据控制平台。使用问号和感叹号命令查询传感器的地址，并在实验书中记录每个传感器的值以及序列号和SDI-12地址。然后使用记号笔在传感器头和电缆端贴上SDI-12地址。在实验室中设置土壤含水量传感器和任何辅助传感器，将它们连接到数据控制平台和电池，使土壤含水量传感器悬浮在空气中，插入干燥的地方和/或浸没在水中。验证数据是否以适当的速率记录，并且值是否合适。使用美国农业部 SoilWeb 应用程序查询位置，并使用后孔挖掘机挖掘测试孔。检查田间纹理是否与土壤描述一致。在挖掘区域铺设防水布，以保护土壤表面免受干扰。展开传感器并将传感器头放在凹坑面上。然后将电缆端放置在仪器支架所在的位置，验证电缆长度是否正确，根据需要进行调整，并用标志标记支架的位置。使用柱孔挖掘机，挖掘一个大约 55 厘米深的孔。使用锋利的铲子清理孔，并确保坑面垂直，以便每个传感器上方都有不受干扰的土壤。保持孔和受干扰区域尽可能小，以便快速恢复。以 10 厘米的增量移除土壤，并将每个升降机放在防水布的远端，随着每个增量移动，同时分解任何土块并清除大岩石。接下来，挖掘一条超过10厘米深的笔直狭窄的沟渠，以掩埋传感器电缆。展开所有传感器，并将它们放在沟槽的一侧。注意土壤颜色或纹理的任何明显变化的深度，同时在每个传感器深度收集一夸脱冷冻袋中的代表性土壤样品。检查坑面是否垂直或略微切开，以确保每个传感器上方都有未受干扰的土壤。首先，插入 50 厘米的传感器并将传感器水平推入土壤中，尽量不要摆动传感器，因为这会产生间隙。如有必要，使用杠杆轻轻推入传感器，确保尖齿完全嵌入土壤中。将每根传感器电缆定向到坑的同一侧，使它们悬挂在挖掘坑的底部。用卷尺拍摄挖掘的孔和传感器的照片。对于 100 厘米的传感器，挖一个孔到 100 厘米减去传感器齿长度的一半，在本例中为 94 厘米。使用安装工具将传感器推入孔底部，垂直安装传感器。用挖掘出的土壤重新包装螺旋钻孔。将所有传感器电缆从沟槽布线到一段 PVC 导管中的外壳中，并通过隔板连接器进入机箱。然后将电缆镜头拉入底部外壳端口，用扎带固定，并连接五个传感器。使用设置为 DC 的万用表验证电池上的电压是否足够。接下来，将黑色负极线的端子连接器滑过电池接地负极柱上的铲形端子，将红线滑过电池正极柱。要为系统通电，请将电池电缆插入DCP。启动数据控制平台软件后，将笔记本电脑连接到数据控制平台，并确认所有传感器都报告数值。一旦地面以下的所有东西都正常工作并且电缆已布线到外壳中，请用电腻子填充并密封地上和地下外壳开口。使用最靠近防水布的较深挖掘土壤，从底部开始向上处理，手动将土壤包装在每个传感器头周围，避免干扰传感器并确保其良好压实。以 10 厘米的升降机回填坑，使表面平滑和压实，直到到达 20 厘米的传感器。用手包装传感器头周围的土壤，然后继续向上移动 10 厘米，直到到达表面。小心地用防水布上较深的土壤覆盖它们，同时将土壤压实到坑底以固定电缆，注意不要用任何力将它们向下拉。从仪器桅杆向北、向南、向东和向西拍摄已完成的工作站的照片。用标记或其他不同的项目描绘传感器安装位置。该现场安装报告每小时空气和土壤温度、土壤含水量、日降水量、土壤储水量及其随时间的变化。结果显示，地表附近的土壤含水量急剧增加，每次风暴过后，更深的土壤含水量都会延迟增加。在 2022 年 2 月初和 4 月的事件中，100 厘米处最深的传感器达到了每立方米 0.33 立方米的高原，表明有一段饱和期。对于密西西比州的类似装置，降雨量40毫米后，所有深度的土壤含水量达到每立方米0.60立方米，而另外70毫米不影响土壤储水量，表明饱和过量径流。对于蒙大拿州的类似装置，冻土和积雪在3月中旬导致土壤含水量急剧下降，然后在解冻期间增加，没有任何降水迹象。警惕不稳定的传感器行为，例如尖峰、阶跃变化和振荡，这可能表明安装不良或传感器故障。传感器插入可能具有挑战性，尤其是在岩石、根部或干燥的土壤中。确保传感器头与土壤齐平。该协议将导致更加协调和统一的土壤含水量数据，适用于广泛的应用，包括：干旱监测，供水预测，流域和农业管理以及作物规划。国家协调土壤湿度监测网络正在围绕土壤湿度测量、解释和应用建立一个实践社区。它是一个连接数据提供者、研究人员和公众的人际网络。有关更多详细信息，请参阅文档。

Research

JoVE Journal

Environment

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

Design and Operation of a Continuous 13C and 15N Labeling Chamber for Uniform or Differential, Metabolic and Structural, Plant Isotope Labeling

设计一个连续和操作<sup&gt; 13</sup&gt; C和<sup&gt; 15</sup&gt;Ñ贴标商会统一或差分，代谢和结构，植物同位素标记

Tracing rare stable isotopes from plant material through the ecosystem provides the most sensitive information about ecosystem processes; from CO2 fluxes ...

科研

环境科学

Integrated Field Lysimetry and Porewater Sampling for Evaluation of Chemical Mobility in Soils and Established Vegetation

综合外地Lysimetry和孔隙水采样的化学活动性土壤的评价和植被成立

Potentially toxic chemicals are routinely applied to land to meet growing demands on waste management and food production, but the fate of these chemicals ...

Measurement of Greenhouse Gas Flux from Agricultural Soils Using Static Chambers

Measurement of greenhouse gas (GHG) fluxes between the soil and the atmosphere, in both managed and unmanaged ecosystems, is critical to understanding the ...

A Bending Test for Determining the Atterberg Plastic Limit in Soils

弯曲试验在土壤确定阿太堡限塑

The thread rolling test is the most commonly used method to determine the plastic limit (PL) in soils. It has been widely criticized, because a ...

Extraction and Analysis of Microbial Phospholipid Fatty Acids in Soils

提取及土壤微生物磷脂脂肪酸分析

Phospholipid fatty acids (PLFAs) are key components of microbial cell membranes. The analysis of PLFAs extracted from soils can provide information about ...

Assessment of Labile Organic Carbon in Soil Using Sequential Fumigation Incubation Procedures

活性有机碳评估土壤中连续熏蒸孵化程序

Management practices and environmental changes can alter soil nutrient and carbon cycling. Soil labile organic carbon, a readily decomposable C pool, is ...

Methods of Soil Resampling to Monitor Changes in the Chemical Concentrations of Forest Soils

土壤重采样的方法监控森林土壤的化学浓度的变化

Recent soils research has shown that important chemical soil characteristics can change in less than a decade, often the result of broad environmental ...

Protocols for Quantifying Transferable Pesticide Residues in Turfgrass Systems

协议在草坪系统量化转换农药残留

Plant canopies in established turfgrass systems can intercept an appreciable amount of sprayed pesticides, which can be transferred through various routes ...

The Calibration and Use of Capacitance Sensors to Monitor Stem Water Content in Trees

电容式传感器监测林木茎含水量的标定及应用

Water transport and storage through the soil-plant-atmosphere continuum is critical to the terrestrial water cycle, and has become a major research focus ...

Sampling Soils in a Heterogeneous Research Plot

在异构研究图中取样土壤

Soils are highly heterogeneous. In general, the number of soil samples required for soil research has always been determined arbitrarily and the ...

原位 未受干扰土壤中的土壤湿度传感器

原位未受干扰土壤中的土壤湿度传感器