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

De auteurs erkennen de financiële steun van NOAA-NIDIS, het National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN) en het USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS) -programma. We danken leden van het NCSMMN Executive Committee, waaronder B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda en M. Woloszyn voor hun input over dit protocol. Wij danken M. Weaver (USGS) voor hun eerste beoordeling van het ontwerpprotocol.

Elk gebruik van handels-, bedrijfs- of productnamen is alleen voor beschrijvende doeleinden en impliceert geen goedkeuring door de Amerikaanse overheid. Dit artikel is een werk van de Amerikaanse overheid en bevindt zich in het publieke domein in de VS. USDA is een werkgever en aanbieder van gelijke kansen.

De toestand van de bodemvochtigheid is het resultaat van veel verschillende omgevingsfactoren, waaronder neerslag, vegetatie, zonnestraling en relatieve vochtigheid, samen met hydraulische en fysische eigenschappen van de bodem. Deze interageren over ruimte en tijd op verschillende ruimtelijke en temporele schalen. Om de water-, energie- en koolstofcycli te modelleren en te voorspellen, is het noodzakelijk om de SWC-toestand te begrijpen. Een van de meest voorkomende soorten geautomatiseerde meettechnologieën is een elektromagnetische SWC-sensor met tanden die bedoeld zijn om ter plaatse in ongestoorde grond te worden geplaatst. Dit protocol is ontworpen om richtlijnen te bieden voor het proces van het installeren van deze veelvoorkomende typen begraafbare sensoren. Nauwkeurigheid, prestaties en kosten zijn doorgaans evenredig met de bedrijfsfrequentie van de sensoren; Sensoren met een lagere frequentie kosten minder, maar worden meer verstoord door bodem- en omgevingsfactoren45. Bodem- of locatiespecifieke kalibratie kan de nauwkeurigheid van sensoren met een lagere frequentie verbeteren. De meetmethode beïnvloedt ook de sensorprestaties vanwege de onderliggende fysica van het elektromagnetische veld (EMF).
Twee belangrijke elektromagnetische fysische wetten regelen elektromagnetische detectie. Een daarvan is de wet van Gauss, die beschrijft hoe de gepropageerde EMF van de sensor afhankelijk is van zowel de ε als de BEC van het medium. De permittiviteit neemt echter toe met SWC, maar ook de BEC. Daarom worden sensoren die afhankelijk zijn van de wet van Gauss beïnvloed door SWC, BEC en het temperatuureffect op BEC, evenals eventuele interferentie van zoutgehalte. Capacitance sensing methoden gehoorzamen de wet van Gauss en zijn dus meer vatbaar voor deze effecten46. Bovendien beschrijft de wet van Gauss de afhankelijkheid van de capaciteit van een meetkundige factor, die verandert met de vorm van de EMF in de bodem. Onderzoek heeft aangetoond dat de EMF-vorm verandert met de bodemstructuur en de kleinschalige ruimtelijke variabiliteit van het watergehalte rond de sensortanden. Kleinschalige ruimtelijke variabiliteit van watergehalte en bodemstructuur is groot in de meeste bodems, wat resulteert in geometrische factorveranderingen en daaruit voortvloeiende capaciteitsveranderingen die weinig te maken hebben met bulkgemiddelde veranderingen in het bodemwatergehalte. Deze factoren verminderen de nauwkeurigheid van de capaciteitssensor en verhogen de gegevensvariabiliteit46,47,48. De impedantie- en transmissielijnoscillatiemethoden zijn ook afhankelijk van de wet van Gauss, terwijl tijddomeinreflectometrie en tijddomeintransmissometriemethoden afhankelijk zijn van de vergelijkingen van Maxwell, die geen meetkundige factor bevatten en niet afhankelijk zijn van BEC. Hoewel geen enkele sensor probleemloos is, zijn de tijddomeinmethoden meestal aanzienlijk nauwkeuriger en minder bevooroordeeld dan op capaciteit of impedantie gebaseerde methoden.
Er zijn verschillende kritieke stappen in de procedure. Voor een schaars netwerk zijn de juiste locatieselectie en sensorlocatie nodig om de meest geschikte ruimtelijke weergave van SWC te hebben. De selectie van locaties kan meer worden beïnvloed door externe factoren, zoals toegang tot het land, of andere atmosferische monitoringvereisten waarbij bodemvocht de aanvullende meting is. Meteorologische locaties op mesoschaal bevinden zich op brede en open, goed onderhouden grasoppervlakken om eventuele invloeden op microschaal te minimaliseren. Dergelijke locaties zijn mogelijk minder ideaal voor SWC-monitoring. Indien van toepassing moeten draadloze sensortechnologieën worden beschouwd als 49,50,51,52,53 om SWC-monitoring buiten het bestaande milieumeetstation en in een representatieve bodem mogelijk te maken. Werken rond actieve landbouwactiviteiten en irrigatieapparatuur is een uitdaging. De meeste netwerken (bijv. SCAN en USDA-ARS) blijven aan de rand van velden om grondbewerkingsactiviteiten zoals ploegen of oogstmachines te vermijden die de kabels kunnen doorsnijden en sensoren kunnen opgraven. Elke in-situ sensor en kabel moet voldoende begraven zijn en een laag genoeg oppervlakteprofiel hebben om te voorkomen dat er bij activiteiten op het bedrijf wordt afgeleid. Draadloze systemen53 en verwijderbare boorgatsensoren47 zijn wellicht geschikter. Grondwaterbehoud met behulp van grootschalige, op bodemvocht gebaseerde irrigatie54 is een groeiend veld voor SWC-sensoren; dit protocol heeft betrekking op ruimtelijk representatieve SWC-gegevens op lange termijn in ongestoorde bodems.
Sommige bodems zijn moeilijker te meten dan andere. In rotsachtige, grindachtige of zeer droge bodems kan het onmogelijk zijn om de tanden zonder schade in te brengen. Een optie is om de grondput uit te graven en de sensoren op hun plaats te leggen tijdens het opvullen, in een poging te verdichten tot de oorspronkelijke BD. Rotsachtige bodems hebben meestal weinig structuur, die waarschijnlijk zal genezen na verschillende bevochtigings- en droogcycli; Een dergelijke verstoring kan echter nooit echt representatief zijn voor de bodemhydrologie van het gebied. Als alternatief, als sensoren in de bodem van vijzelgaten zijn geïnstalleerd, kan de verwijderde grond worden gezeefd om stenen te verwijderen en opnieuw in het gat worden verpakt, net diep genoeg om de sensortanden te huisvesten. De sensor kan vervolgens verticaal worden geïnstalleerd en het vijzelgat kan opnieuw worden gevuld met de resterende niet-gezeefde grond, met frequente verdichting als grond wordt toegevoegd.
Wortels in bosgrond vormen vergelijkbare uitdagingen voor het inbrengen van sondes, maar wortels kunnen in sommige situaties worden gesneden. Bosbodems hebben vaak organische (O) horizonten bovenop de minerale bodem, die een zeer lage BD en een hoog specifiek oppervlak kunnen hebben, met grote hoeveelheden gebonden water, wat resulteert in zeer niet-lineaire sensorresponsen bij hogere SWCs55. Bovendien stelt de beoefenaar de nuldatum in als de bovenkant van de O-horizont of de minerale bodemnotering die in de metadata staat. Kleirijke bodems en uitgestrekte kleien met een hoog krimp- / deiningspotentieel kunnen extreem geleidend zijn voor elektromagnetische signalen wanneer ze nat zijn en kunnen barsten wanneer ze droog zijn. Dergelijke bodems kunnen aanvullende correcties nodig hebben om een redelijke SWC te krijgen van de ruwe metingen56,57. In ondiepe bodems kan gesteente of een beperkende bodemhorizon (bijv. caliche of hardpan) worden aangetroffen voordat de ideale maximale diepte wordt bereikt. Het kan nodig zijn om van locatie te veranderen of de diepere sensor(en) gewoon niet te installeren. Te droge of natte bodems kunnen een uitdaging zijn en het heeft ook de voorkeur om installatiedata te kiezen buiten seizoensextremen. Droge grond kan erg sterk zijn en het kan onmogelijk zijn om een sensor zonder schade in te brengen. Indien nodig kunnen voorgeaugerde gaten worden gevuld met water om het putvlak te verzachten, hoewel het enige tijd kan duren voordat de bodem terugkeert naar een natuurlijke staat. Natte bodems kunnen te zwak zijn om putvlakken te ondersteunen of de geul kan zich vullen met water. Het is ook gemakkelijker om een natte grond te verdichten.
De sensoruitgang moet permittiviteit bevatten, niet alleen SWC, zodat correcties of bodemspecifieke kalibraties later kunnen worden uitgevoerd. Sensoren met een hogere frequentie zijn geschikter in bodems met een hoge BEC, terwijl kortere tanden gemakkelijker te installeren zijn in compactere bodems. Misschien wel de meest kritische stap is echter bodemcontact; slecht contact degradeert het signaal van een elektromagnetische sensor. Ten slotte klinkt het opvullen van de opgraving triviaal, maar het is de sleutel tot het minimaliseren van de voorkeursstroom in het gebied van de sensoren, het beschermen van kabels en het ontmoedigen van dieren om het gebied te verstoren. Een bodem- of locatiespecifieke kalibratie kan de nauwkeurigheid van de sensor verbeteren, maar vereist meer details dan mogelijk is in dit protocol. Veldbodems die zijn aangepast of herverpakt naar verschillende SWC-niveaus zijn ideaal om de lineariteit van de respons te controleren en kunnen dienen als een locatiespecifieke kalibratie voor sommige sensortypen21. Diëlektrische vloeistoffen kunnen ook effectieve media zijn om de sensorrespons58 te controleren. Temperatuurgecontroleerde waterbaden kunnen worden gebruikt om de kalibraties van de bodemtemperatuur te verbeteren59. Dit protocol is de eerste stap in de richting van de vaststelling van een standaard bedrijfsprocedure voor de installatie van een SWC-sensor in situ, aangezien er geen bestaande methode bestaat, noch een geaccepteerde kalibratiemethode voor SWC-sensoren60,61.
Hoewel SWC-monitoring de focus van dit protocol is geweest, heeft de methode beperkingen en kan SWC alleen geen volledig beeld geven van de toestand van het bodemwater. Veel ecosysteemprocessen worden ook gereguleerd door het bodemwaterpotentieel, dat minder vaak in situ62 wordt gemeten. Bodemwaterpotentieel, onlangs beoordeeld door S. Luo, N. Lu, C. Zhang en W. Likos 63, is de energietoestand van water; dergelijke sensoren kunnen minder worden beïnvloed door bodemeigenschappen en bieden kwaliteitscontrole voor SWC-sensoren64. Bovendien omvat het bulkveld SWC grind, rotsen, wortels en lege ruimte (bijv. Preferentiële stromingspaden). In situ SWC-sensoren worden over het algemeen verplaatst rond rotsen en wortels, en het beperkte meetvolume, geconcentreerd rond de tanden, kan discrete maar belangrijke aspecten van het bulkveld SWC missen.
Dit protocol zal hopelijk leiden tot meer geharmoniseerde en uniforme SWC-gegevens voor een breed scala aan toepassingen, waaronder droogtemonitoring, voorspelling van de watervoorziening, stroomgebiedbeheer, landbouwbeheer en gewasplanning. De komst van teledetectieplatforms4 heeft de mogelijkheid om SWC wereldwijd te schatten aanzienlijk verbeterd, maar deze producten hebben grondvalidatie nodig, die nog steeds alleen redelijkerwijs wordt verzameld door in situ-netwerken 65. Computerontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt om SWC-modellering met hyperresolutie66 te ontwikkelen, waardoor een SWC-status met hoge resolutie en sub-dagelijkse SWC-status wordt geproduceerd, maar deze producten hebben ook in-situ schattingen van SWC nodig om enige basis te bieden voor het berekenen van onzekerheid. Vaak is de eerste vraag die wordt gesteld wanneer een nieuw product wordt geïntroduceerd "wat is de onzekerheid?" Voor SWC-producten is de primaire vergelijking voor validatie in-situ netwerkgegevens67.
Er zijn recente netwerkuitbreidingen geweest in verband met het National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), waaronder het U.S. Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin bodemvochtproject en de door NOAA ondersteunde zuidoostelijke Amerikaanse netwerkopbouw, allemaal ontworpen om de voorspelling van watergevaar, monitoring en ondersteuning bij het nemen van beslissingen over resourcebeheer te verbeteren. Zekerheid en nauwkeurigheid van SWC-schattingen voor dergelijke toepassingen kan alleen worden bereikt met grondige protocollen en procedures om vertrouwen te bieden in de gegevensintegriteit. De NCSMMN is een federaal geleide, multi-institutionele inspanning die tot doel heeft hulp, begeleiding en ondersteuning te bieden door een praktijkgemeenschap op te bouwen rond bodemvochtmeting, interpretatie en toepassing - een "netwerk van mensen" dat gegevensleveranciers, onderzoekers en het publiek verbindt68. Dit protocol is een product van ncsmmn inspanningen. Er komt een workflow voor gegevenskwaliteitscontrole.

Bodemvocht werd onlangs erkend als een essentiële klimaatvariabele in het Global Observing Climate System1. Bodemvocht, of kwantitatief volumetrisch bodemwatergehalte (SWC), speelt een belangrijke rol bij het verdelen van de flux van inkomende straling in latente en gevoelige warmte tussen het aardoppervlak en de atmosfeer, en het verdelen van neerslag tussen afspoeling en infiltratie2. De spatiotemporele variabiliteit van bodemvocht op de punt-, veld- en stroomgebiedschalen bemoeilijkt echter ons vermogen om SWC te meten op de juiste schaal die nodig is om onderzoeks- of managementdoelente bereiken 3. Nieuwe methoden om SWC te kwantificeren, waaronder op de grond gebaseerde netwerken van in situ sensoren, proximale detectoren en teledetectie, bieden unieke mogelijkheden om de variatie van SWC in kaart te brengen met een ongekende resolutie4. In situ SWC-sensoren bieden de meest temporeel continue en dieptespecifieke gegevensrecords, maar zijn ook onderhevig aan kleine detectievolumes en variabiliteit op lokale schaal die inherent is aan bodemeigenschappen, topografie en vegetatiebedekking5.
Bovendien is er een gebrek aan normen of algemeen aanvaarde methoden voor de installatie, kalibratie, validatie, onderhoud en kwaliteitscontrole van in situ SWC-sensoren. Bodemvocht is inherent een uitdagende parameter om te meten en kan de moeilijkste variabele zijn om de kwaliteit te waarborgen6. Hoewel algemene protocollen voor het verzamelen van SWC-gegevens zijn geproduceerd door het Internationaal Atoomenergieagentschap7, het Committee on Earth Observation Satellites8, rapportenvan het federale agentschap 9 en de American Association of State Climatologists10, zijn er beperkte specifieke richtlijnen voor de installatie, het onderhoud, de kwaliteitscontrole en de verificatie van SWC-gegevens van begraven in situ Sondes. Dit heeft de toepassing van dergelijke technologieën uitdagend gemaakt voor operationele monitoringnetwerken, zoals staatsmesonets, om SWC-metingen toe te voegen. Evenzo is het ook een uitdaging voor operationele hydrologen, bijvoorbeeld bij riviervoorspellingscentra, om deze gegevens in hun workflow op te nemen. Het doel van deze videografie en het begeleidende papier is om dergelijke richtlijnen te bieden en een samenhangend installatieprotocol te documenteren voor begraven in situ SWC-sondes.
Het selecteren van een locatie voor in situ bodemvochtmonitoring De bodems binnen elk interessegebied (AOI) vormen zich door een unieke en gekoppelde feedback in de loop van de tijd tussen de topografie, ecologie, geologie en klimaat11,12. De variabiliteit van SWC in landschappen maakt locatieselectie een cruciaal aspect voor elk bodemvochtonderzoek. Voor sommige onderzoeksdoelen kan een site worden gekozen om een bepaald kenmerk of microsite op het landschap of ecosysteem te vertegenwoordigen. Ten behoeve van meetnetten moet het gebied ruimtelijk representatief zijn voor een groter landschapsdeel. Het doel is om een locatie te vinden die de beste ruimtelijke weergave van de AOI biedt. In het veld moeten meer pragmatische overwegingen worden gemaakt, zoals de vereisten van andere meteorologische instrumenten, toegankelijkheid of vergunning. De dominante bodemkaarteenheid binnen de AOI is echter meestal een goede ruimtelijke weergave van de omgevingscondities van een groter gebied13. De dominante bodemkaarteenheid kan worden bepaald met behulp van het Web Bodemonderzoek (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Deze bodemkaarteenheid moet ook worden geverifieerd met een ondiepe put of testgat.
Een typisch meetstation kan 5-50 m2 beslaan, afhankelijk van de sensorbehoeften en het aantal aanvullende metingen. Figuur 1 toont een typisch meetstation met een toren van 3 m met een anemometer voor windsnelheid en -richting, een luchttemperatuur- en relatieve vochtigheidssensor, een pyranometer voor zonnestraling en een weerbestendige en waterdichte behuizing van de National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (NEMA-classificatie 4). De NEMA-behuizing herbergt het datacontroleplatform (DCP), mobiele modem, laadregelaar voor zonnepanelen, batterij en andere gerelateerde hardware (zie Materiaaltabel; Systeemcomponenten). De toren biedt ook een platform voor de communicatieantenne, het zonnepaneel en de bliksemafleider. Een vloeibare neerslag (PPT) gage is meestal ook inbegrepen, die uit de buurt van de toren en op de laagst mogelijke hoogte moet worden geplaatst om windeffecten op PPT-vangst te verminderen. De SWC-sensoren moeten op voldoende afstand (3-4 m) en op voldoende afstand (3-4 m) en op helling worden geïnstalleerd, zodat er geen potentiële interferentie van de toren is bij regenval of overlandstroming. Alle gerelateerde kabels moeten worden begraven in een leiding van ten minste 5 cm onder het oppervlak.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> Figuur 1: Een typisch meetstation. De USDA SCAN verzamelt elk uur informatie over het bodemwatergehalte en de temperatuur op standaarddiepten (5, 10, 20, 50 en 100 cm), luchttemperatuur, relatieve vochtigheid, zonnestraling, windsnelheid en -richting, neerslag en barometrische druk. Er zijn meer dan 200 SCAN-sites in de VS. Afkortingen: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationale Vereniging van Elektrische Fabrikanten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Meetdiepte, oriëntatie en aantal sensoren In situ SWC-sensoren worden meestal horizontaal geïnstalleerd om specifieke diepten in de bodem weer te geven (figuur 2). Federaal gefinancierde, nationale netwerken zoals het Soil Climate Network (SCAN)14, Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 en U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 meten SWC op 5, 10, 20, 50 en 100 cm. Deze diepten werden bereikt door consensus tijdens de ontwikkeling van het SCAN om verschillende redenen. De diepte van 5 cm komt overeen met teledetectiemogelijkheden17; 10 en 20 cm diepte zijn historische metingen voor bodemtemperatuur18; 50 en 100 cm diepte complete wortelzone bodemwaterberging.
Sondes kunnen verticaal, horizontaal of schuin/schuin worden georiënteerd (figuur 3). Horizontale installatie is het meest gebruikelijk om een uniforme bodemtemperatuurmeting op een discrete diepte te bereiken. Hoewel de sensor op een discrete diepte kan worden gecentreerd, is SWC-meting een volume rond de tanden (d.w.z. elektroden), dat kan variëren met vochtniveaus, meetfrequentie en de geometrie van de installatie (horizontaal, verticaal of schuin). Voor horizontale installatie integreert het sensorvolume vocht boven en onder de diepte en 95% van het detectievolume bevindt zich meestal binnen 3 cm van de tanden19. Verticale of schuine installaties integreren SWC langs de tanden, zodat verticale installatie de opslag over de gehele lengte van de sensordiepte20 kan vertegenwoordigen. Sommige sensoren meten niet gelijkmatig langs hun tanden. Transmissielijnoscillatoren zijn bijvoorbeeld gevoeliger voor vocht in de buurt van de sondekop waar de elektromagnetische pulsen worden gegenereerd21. Verticale installaties zijn meer geschikt voor diepere sondes waar temperatuur- en vochtgradiënten de neiging hebben om te worden verminderd.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> Figuur 2: Installatie van in situ SWC-sensoren. Horizontale sensorplaatsing op gekozen diepten met behulp van (A,B) een nuldieptereferentiemal en (C) een nuldieptebord of (D) een nuldieptehandgreep ter referentie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> Figuur 3: Oriëntatie van sondes verticaal, horizontaal of met een helling . (A) Schuine en verticale insertie en (B) horizontaal-verticale insertie en horizontaal-horizontale insertie centrumdiepte van een drie-tined SWC-sensor. Afkorting: SWC = bodemwatergehalte. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Installatie op dieptes kleiner dan 50 cm is relatief intuïtief, terwijl diepere sensoren iets meer moeite kosten. Wortelzone SWC of profiel bodemwateropslag vereist meestal metingen tot 1 of 2 m. Zoals geïllustreerd in dit protocol, worden installaties van 0-50 cm voltooid in een uitgegraven put of vijzelgat met sondes die horizontaal in de ongestoorde grond zijn geïnstalleerd, waardoor de oppervlakteverstoring wordt geminimaliseerd. Voor diepere sensoren (bijv. 100 cm) installeren zowel SCAN als USCRN de sensor verticaal in afzonderlijke, met de hand bewerkte gaten met behulp van een verlengpaal (figuur 4).
Gezien de heterogeniteit van SWC, met name in de buurt van het oppervlak, en de kleine meetvolumes van sensoren, zorgen drievoudige metingen voor een betere statistische weergave van SWC. Eén profiel van in situ sensoren is echter typisch voor de meeste netwerken (bijv. SCAN en SNOTEL). De USCRN gebruikt drie profielen die 3-4 m uit elkaar staan om drievoudige metingen te doen op elke diepte16. Bovendien voegt redundantie in de meting veerkracht en continuïteit toe aan het stationsrecord als er financiële middelen beschikbaar zijn.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> Figuur 4: Installatie van sensoren . (A) Ondiepe sensoren worden meestal horizontaal in de zijwand van een uitgegraven grondput geïnstalleerd. Voor diepere sensoren wordt (B) een handvijzel gebruikt om een gat op diepte te graven met behulp van een nuldieptereferentie (bijvoorbeeld hout dat de sleuf overspant) en de sensoren worden verticaal in de bodem van gaten geduwd met behulp van (C) een deel van de PVC-buis dat is aangepast om de sensor en kabel tijdens de installatie vast te zetten of (D) een installatietool. Bodemlagen worden aangeduid als bovengrond (A-horizon) en ondergrondse horizonten met getransloceerde klei (Bt) en carbonaataccumulatie (Bk). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
In situ SWC-sensortype In de handel verkrijgbare sensoren leiden SWC af uit de gemeten respons op een elektromagnetisch signaal dat zich voortplant langs tanden in direct contact met de bodem22. Begraven sensoren vallen in vijf klassen, afhankelijk van het type elektromagnetisch signaal dat wordt voortgeplant en de methode om de respons te meten: capaciteit, impedantie, tijddomeinreflectometrie, tijddomeintransmissometrie en transmissielijnoscillatie (aanvullende tabel S1, met links naar de informatie van elke fabrikant). Deze technologieën hebben de neiging om te groeperen op bedrijfsfrequentie en fabrikant. Langere tanden integreren een groter volume grond; ze kunnen echter moeilijker in te brengen zijn en zijn meer onderhevig aan signaalverlies in bodems met klei en een hogere bulk elektrische geleidbaarheid (BEC). Fabrikanten rapporteren SWC-meetfouten van 0,02-0,03 m3m−3, terwijl gebruikers deze doorgaans aanzienlijk groter vinden 23. Goede kalibratie en standaardisatie van elektromagnetische sensoren verbetert de prestaties22; Deze bodemspecifieke kalibraties vallen echter buiten het toepassingsgebied van dit protocol, dat zich richt op installatie.
Bij de selectie van de sensor moet rekening worden gehouden met de gewenste output, meetmethode, bedrijfsfrequentie en compatibiliteit met andere metingen. Vóór 2010 waren de meeste SWC-sensoren analoog en moest de DCP metingen doen van differentiële spanningen, weerstanden of pulstellingen, waarvoor duurdere componenten en individuele kanalen (of multiplexers) voor elke sensor nodig waren. Nu stelt de seriële data-interface op 1.200 baud (SDI-12) communicatieprotocollen (http://www.sdi-12.org/) slimme sensoren in staat om interne meetalgoritmen te implementeren en vervolgens digitale gegevens langs een enkele communicatiekabel te verzenden. Elke sensor kan achter elkaar worden aangesloten (d.w.z. een daisy chain) met behulp van een gemeenschappelijke draad die is verbonden door hefboommoer of klemmenblokconnectoren (figuur 5) waarbij elke sensor een uniek SDI-12-adres heeft (0-9, a-z en A-Z). De gemeenschappelijke communicatiedraad van SDI-12-sensoren vormt een enkel circuit samen met een stroom- en aardingsdraad. Multiplexers of metingen bij de DCP zijn niet vereist; in plaats daarvan verzendt en ontvangt de DCP eenvoudig digitale opdrachten en tekstregels. Veel SDI-12 SWC-sensoren bevatten ook bodemtemperatuur, relatieve permittiviteit (ε) en BEC-metingen. Dergelijke metingen zijn nuttig voor sensordiagnostiek en bodemspecifieke kalibratie. Op dit punt heeft de gebruiker een site geselecteerd, het sensortype, het aantal en de diepten bepaald en alle benodigde hardware en veldgereedschappen verkregen (materiaaltabel). Zo kunnen ze doorgaan naar het installatieprotocol.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> Figuur 5: Draadverbindingen en aansluitklemmen die worden gebruikt om gemeenschappelijke stroom-, massa- en communicatiedraden te verbinden met een enkele ingang op het platform voor gegevensverzameling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Bodemvocht heeft een directe invloed op de operationele hydrologie, voedselzekerheid, ecosysteemdiensten en het klimaatsysteem. De acceptatie van bodemvochtgegevens is echter traag geweest als gevolg van inconsistente gegevensverzameling, slechte standaardisatie en meestal korte recordduur. Bodemvocht, of kwantitatief volumetrisch bodemwatergehalte (SWC), wordt gemeten met behulp van begraven, in situ sensoren die SWC afleiden uit een elektromagnetische respons. Dit signaal kan aanzienlijk variëren met lokale locatieomstandigheden zoals kleigehalte en mineralogie, zoutgehalte van de bodem of elektrische geleidbaarheid in bulk en bodemtemperatuur; Elk van deze kan verschillende effecten hebben, afhankelijk van de sensortechnologie.
Bovendien kunnen slecht bodemcontact en sensordegradatie de kwaliteit van deze metingen in de loop van de tijd beïnvloeden. In tegenstelling tot meer traditionele omgevingssensoren zijn er geen geaccepteerde normen, onderhoudspraktijken of kwaliteitscontroles voor SWC-gegevens. Als zodanig is SWC een uitdagende meting voor veel milieumonitoringnetwerken om te implementeren. Hier proberen we een community-based praktijkstandaard voor in situ SWC-sensoren vast te stellen, zodat toekomstig onderzoek en toepassingen consistente richtlijnen hebben voor locatieselectie, sensorinstallatie, gegevensinterpretatie en langetermijnonderhoud van meetstations.
De videografie richt zich op een multi-agency consensus van best-practices en aanbevelingen voor de installatie van in situ SWC-sensoren. Dit artikel geeft een overzicht van dit protocol, samen met de verschillende stappen die essentieel zijn voor hoogwaardige en langdurige SWC-gegevensverzameling. Dit protocol zal van nut zijn voor wetenschappers en ingenieurs die hopen een enkel station of een heel netwerk in te zetten.

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils at JoVE.com

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

De bepaling van het bodemwatergehalte is een kritieke missievereiste voor veel staats- en federale agentschappen. Dit protocol synthetiseert multi-agency inspanningen om het bodemwatergehalte te meten met behulp van begraven in situ sensoren.

Ter plaatse Bodemvochtsensoren in ongestoorde bodems

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

Het bodemwatergehalte reguleert veel boven- en ondergrondse processen, van gewasproductie tot het weer. Het is onlangs een kritieke missievereiste geworden voor veel staats- en federale agentschappen. Dit protocol synthetiseert multi-agency inspanningen om bodemvocht te meten, met behulp van begraven in-situ elektromagnetische sensoren.Dit protocol zal nuttig zijn voor wetenschappers en ingenieurs die hopen een enkel station of een heel netwerk in te zetten. Het bodemwatergehalte werd onlangs erkend als een essentiële klimaatvariabele in het wereldwijde klimaatobservatiesysteem. Toch is er weinig standaardisatie geweest in de praktijk van het installeren van begraven in-situ sensoren.We hopen dat het geschreven protocol en de video de gegevensverzameling kunnen verbeteren. Er is geen eenvoudige manier om te controleren of een sensor voor het gehalte aan begraven bodemwater goede gegevens oplevert. In eerste instantie is het vertrouwen en zekerheid nodig dat de sensoren in goed contact staan met de bodem en dat de installatie geen invloed heeft gehad op de lokale bodemhydrologie.Alex White, een fysisch wetenschapper in het USDA ARS Hydrology and Remote Sensing Laboratory hier in Beltsville, Maryland, zal de procedure demonstreren. Om te beginnen sluit u elke sensor afzonderlijk aan op een gegevensbesturingsplatform. Gebruik het vraagteken en de uitroeptekenopdracht om het adres van de sensor op te vragen en noteer de waarden samen met het serienummer en het SDI-12-adres van elke sensor in een labboek.Label vervolgens de sensorkop en het kabeluiteinde met het SDI-12-adres met behulp van een marker. Stel de bodemwaterinhoudssensoren en eventuele aanvullende sensoren in het laboratorium in, sluit ze aan op het gegevenscontroleplatform en de batterij, laat de bodemwaterinhoudssensoren in de lucht hangen, op een droge plaats plaatsen en / of ondergedompeld in water. Controleer of de gegevens met de juiste snelheden zijn geregistreerd en of de waarden geschikt zijn.Vraag de locatie op met behulp van de USDA SoilWeb-app en graaf een testgat met behulp van een graafmachine voor paalgaten. Controleer of de veldtextuur consistent is met de bodembeschrijving. Leg een zeil over het graafgebied om het bodemoppervlak te beschermen tegen verstoring.Maak een sensor los en leg de sensorkop op de put. Plaats vervolgens het kabeluiteinde op de plaats waar de instrumentenstandaard zich bevindt, controleer of de kabellengte correct is, pas indien nodig aan en markeer de locatie van de standaard met een vlag. Graaf met behulp van een paalgatgraver een ongeveer 55 centimeter diep gat uit.Reinig het gat met een scherpe spade en zorg ervoor dat het putvlak verticaal is, zodat elke sensor ongestoorde grond erboven heeft. Houd het gat en het verstoorde gebied zo klein mogelijk, zodat het snel zal herstellen. Verwijder de grond in stappen van 10 centimeter en plaats elke lift op het uiteinde van het zeil, waarbij je met elke stap dichterbij komt terwijl je kluiten breekt en grote rotsen verwijdert.Graaf vervolgens een rechte, smalle sleuf van meer dan 10 centimeter diep uit om de sensorkabels te begraven. Maak alle sensoren los en leg ze aan één kant van de sleuf. Let op de diepte van eventuele duidelijke veranderingen in bodemkleur of textuur tijdens het verzamelen van representatieve bodemmonsters in een diepvrieszak van één kwart op elke sensordiepte.Controleer of het putvlak verticaal is of iets is teruggesneden om ervoor te zorgen dat elke sensor ongestoorde grond erboven heeft. Plaats eerst de sensor van 50 centimeter en duw de sensor horizontaal in de grond, in een poging de sensor niet te wiebelen, omdat dit openingen kan creëren. Gebruik indien nodig een hefboom om de sensor voorzichtig in te duwen, zodat u er zeker van bent dat de tanden volledig in de grond zijn ingebed.Richt elke sensorkabel op dezelfde kant van de put, zodat ze naar de bodem van de graafput kunnen hangen. Maak een foto van het uitgegraven gat en sensoren met een meetlint voor schaal. Graaf voor de sensor van 100 centimeter een gat tot 100 centimeter minus de helft van de lengte van de sensortand, of 94 centimeter in dit geval.Installeer de sensor verticaal door deze met een installatietool in de bodem van het gat te duwen. Herpak het vijzelgat met de uitgegraven grond. Leid alle sensorkabels van de sleuf naar de behuizing in een gedeelte van de PVC-buis en door een schotconnector om de behuizing binnen te komen.Trek vervolgens de kabellens in de onderste behuizingspoort, zet ze vast met ritsbanden en sluit de vijf sensoren aan. Controleer of de spanning op de batterij voldoende is met behulp van een multimeter die is ingesteld op DC voor gelijkstroomspanning. Schuif vervolgens de terminalconnector van de zwarte negatieve draad over de spadeklem op de grondnegatieve paal van de batterij en de rode draad over de positieve batterijpaal.Om het systeem van stroom te voorzien, sluit u de batterijkabel aan op de DCP. Nadat u de software van het gegevensbesturingsplatform hebt gestart, sluit u een laptop aan op het gegevensbeheerplatform en bevestigt u dat alle sensoren numerieke waarden rapporteren. Zodra alles onder de grond functioneert en de kabels in de behuizing zijn geleid, vult en sluit u de boven- en ondergrondse behuizingsopeningen af met elektrische stopverf.Gebruik de diepere uitgegraven grond die zich het dichtst bij het zeil bevindt, pak de grond met de hand rond elke sensorkop, begin vanaf de bodem en werk omhoog, vermijd verstoring van de sensor en zorg ervoor dat deze goed is verdicht. Vul de put op in liften van 10 centimeter, maak het oppervlak glad en verdicht totdat de sensor van 20 centimeter is bereikt. Pak de grond met de hand rond de sensorkop en ga omhoog in liften van 10 centimeter totdat u het oppervlak bereikt.Bedek ze voorzichtig met diepere grond van het zeil terwijl je de grond in de bodem van de put verdicht om de kabels vast te zetten, en zorg ervoor dat je ze niet met enige kracht naar beneden trekt. Maak foto's van het voltooide station in oriëntaties noord, zuid, oost en west vanaf de instrumentmast. Baken de installatielocatie van de sensor af met markeringen of andere afzonderlijke items.Deze veldinstallatie rapporteert de lucht- en bodemtemperatuur per uur, het bodemwatergehalte, de dagelijkse neerslag, de opslag van bodemwater en de verandering ervan in de loop van de tijd. De resultaten tonen een sterke toename van het bodemwatergehalte in de buurt van het oppervlak, met een vertraagde toename op grotere diepten na elke storm. Tijdens evenementen begin februari en april van 2022 bereikte de diepste sensor op 100 centimeter een plateau van 0,33 kubieke meter per kubieke meter, wat wijst op een periode van verzadiging.Voor een vergelijkbare installatie in Mississippi bereikte het bodemwatergehalte 0,60 kubieke meter per kubieke meter op alle diepten na 40 millimeter regenval, terwijl nog eens 70 millimeter geen invloed had op de opslag van bodemwater, wat wijst op verzadiging overtollige afvloeiing. Voor een vergelijkbare installatie in Montana produceerden bevroren grond en sneeuwbedekking half maart een dramatische daling van het bodemwatergehalte en vervolgens een toename tijdens het ontdooien, zonder enige indicatie van neerslag. Wees op uw hoede voor grillig sensorgedrag, zoals pieken, stapwijzigingen en oscillaties, wat kan wijzen op een slechte installatie of sensorstoring.Het inbrengen van sensoren kan een uitdaging zijn, vooral in rotsachtige, wortelachtige of droge bodems. Zorg ervoor dat de sensorkop vlak tegen de grond wordt geduwd. Dit protocol zal leiden tot meer geharmoniseerde en uniforme gegevens over het bodemwatergehalte, voor een breed scala aan toepassingen, waaronder: droogtemonitoring, voorspelling van de watervoorziening, stroomgebied- en landbouwbeheer en gewasplanning.Het National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network bouwt aan een praktijkgemeenschap rond het meten, interpreteren en toepassen van bodemvocht. Het is een netwerk van mensen dat dataleveranciers, onderzoekers en het publiek met elkaar verbindt. Raadpleeg de documentatie voor meer informatie.

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

Opzet en werking van een continue<sup&gt; 13</sup&gt; C<sup&gt; 15</sup&gt; N Labeling Kamer voor Uniform of Differentieel, Metabole en structurele, Plant isotooplabelen

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

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

Geïntegreerde Field Lysimetry en poriënwater bemonstering voor evaluatie van chemische Mobiliteit in de bodem en bestaande vegetatie

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

Meting van Greenhouse Gas Flux uit landbouwgrond met statisch 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

Een Buigen Test voor het bepalen van de Atterberg Plastic Limiet in bodems

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

Extractie en analyse van Microbiële Phospholipid vetzuren in de bodem

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

Beoordeling van de labiele organische koolstof in de bodem met behulp van Sequential Fumigatiediensten Incubation Procedures

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

Methoden van Soil Resampling op veranderingen in de chemische concentraties van bosbodems Monitor

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

Protocollen voor het kwantificeren van Overdraagbare residuen van bestrijdingsmiddelen in Turfgrass Systems

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

De kalibratie en het gebruik van capaciteit sensoren volgen vochtgehalte van de stam van bomen

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