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

Gli autori riconoscono il sostegno finanziario del NOAA-NIDIS, della National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN) e del programma USGS Next Generation Water Observing Systems (NGWOS). Ringraziamo i membri del Comitato Esecutivo NCSMNN, tra cui B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda e M. Woloszyn per il contributo su questo protocollo. Ringraziamo M. Weaver (USGS) per la revisione iniziale della bozza del protocollo.

Qualsiasi uso di nomi commerciali, aziendali o di prodotti è solo a scopo descrittivo e non implica l'approvazione da parte del governo degli Stati Uniti. Questo articolo è un'opera del governo degli Stati Uniti ed è nel pubblico dominio negli Stati Uniti. USDA è un datore di lavoro e fornitore di pari opportunità.

Lo stato di umidità del suolo è il risultato di molti fattori ambientali diversi, tra cui precipitazioni, vegetazione, irraggiamento solare e umidità relativa, insieme alle proprietà idrauliche e fisiche del suolo. Questi interagiscono nello spazio e nel tempo a diverse scale spaziali e temporali. Per modellare e prevedere i cicli dell'acqua, dell'energia e del carbonio, è necessario comprendere lo stato SWC. Uno dei tipi più comuni di tecnologie di misurazione automatizzate è un sensore SWC elettromagnetico con denti destinati ad essere inseriti in situ in terreni indisturbati. Questo protocollo è progettato per fornire una guida per il processo di installazione di questi tipi comuni di sensori interrati. Precisione, prestazioni e costi sono in genere proporzionali alla frequenza operativa dei sensori; I sensori a bassa frequenza costano meno, ma sono più confusi dal suolo e dai fattori ambientali45. La calibrazione specifica del suolo o del sito può migliorare l'accuratezza dei sensori a bassa frequenza. Il metodo di misurazione influisce anche sulle prestazioni del sensore a causa della fisica sottostante del campo elettromagnetico (EMF).
Due principali leggi fisiche elettromagnetiche governano il rilevamento elettromagnetico. Una è la legge di Gauss, che descrive come l'EMF propagato del sensore dipenda sia dal ε che dal BEC del mezzo. La permittività aumenta con SWC, tuttavia, così anche il BEC. Pertanto, i sensori dipendenti dalla legge di Gauss sono influenzati da SWC, BEC e dall'effetto della temperatura su BEC, nonché da qualsiasi interferenza da salinità. I metodi di rilevamento della capacità obbediscono alla legge di Gauss e quindi sono più inclini a questi effetti46. Inoltre, la legge di Gauss descrive la dipendenza della capacità da un fattore geometrico, che cambia con la forma del campo elettromagnetico nel terreno. La ricerca ha dimostrato che la forma dell'EMF cambia con la struttura del suolo e la variabilità spaziale su piccola scala del contenuto di acqua attorno ai denti del sensore. La variabilità spaziale su piccola scala del contenuto di acqua e della struttura del suolo è grande nella maggior parte dei suoli, con conseguenti cambiamenti dei fattori geometrici e conseguenti cambiamenti di capacità che hanno poco a che fare con i cambiamenti del contenuto idrico medio del suolo. Questi fattori riducono la precisione del sensore di capacità e aumentano la variabilità dei dati46,47,48. Anche i metodi di impedenza e oscillazione della linea di trasmissione dipendono dalla legge di Gauss, mentre la riflettometria nel dominio del tempo e la trasmissomemetria nel dominio del tempo dipendono dalle equazioni di Maxwell, che non includono un fattore geometrico e non dipendono dal BEC. Sebbene nessun sensore sia privo di problemi, i metodi nel dominio del tempo tendono ad essere sensibilmente più accurati e meno distorti rispetto ai metodi basati sulla capacità o sull'impedenza.
Ci sono diversi passaggi critici nella procedura. Per una rete sparsa, sono necessarie una corretta selezione del sito e la posizione del sensore per avere la rappresentazione spaziale più appropriata di SWC. La selezione del sito può essere maggiormente influenzata da fattori esterni, come l'accesso al suolo o altri requisiti di monitoraggio atmosferico in cui l'umidità del suolo è la misura accessoria. I siti meteorologici su mesoscala si trovano su superfici erbose ampie e aperte, ben curate per ridurre al minimo qualsiasi influenza su microscala. Tali posizioni potrebbero essere meno ideali per il monitoraggio SWC. Se applicabile, le tecnologie dei sensori wireless dovrebbero essere considerate 49,50,51,52,53 per consentire che il monitoraggio SWC avvenga lontano dalla stazione di monitoraggio ambientale esistente e in terreni rappresentativi. Lavorare intorno alle operazioni agricole attive e alle attrezzature per l'irrigazione è impegnativo. La maggior parte delle reti (ad esempio, SCAN e USDA-ARS) rimangono ai margini dei campi per evitare attività di lavorazione del terreno come aratri o mietitrici che possono tagliare i cavi e dissotterrare i sensori. Qualsiasi sensore e cavo in situ deve essere sufficientemente interrato e avere un profilo superficiale sufficientemente basso da evitare dedurre con le operazioni in azienda. I sistemi wireless53 e i sensori di trivellazione rimovibili47 possono essere più appropriati. Conservazione delle acque sotterranee mediante irrigazione su larga scala basata sull'umidità del suolo54 è un campo in crescita per i sensori SWC; questo protocollo riguarda dati SWC a lungo termine spazialmente rappresentativi in terreni indisturbati.
Alcuni terreni sono più difficili da misurare di altri. In terreni rocciosi, ghiaiosi o molto asciutti, può essere impossibile inserire i denti senza alcun danno. Un'opzione è quella di scavare la fossa del terreno e posizionare i sensori durante il riempimento, cercando di compattarsi al BD originale. I terreni rocciosi tendono ad avere poca struttura, che probabilmente guarirà dopo diversi cicli di bagnatura e asciugatura; Tuttavia, tale disturbo potrebbe non essere mai veramente rappresentativo dell'idrologia del suolo del sito. In alternativa, se i sensori sono installati sul fondo dei fori della coclea, il terreno rimosso può essere setacciato per rimuovere le pietre e reimballato nel foro abbastanza profondamente da ospitare i denti del sensore. Il sensore può quindi essere installato verticalmente e il foro della coclea riempito con il terreno rimanente non setacciato, con frequenti compattazioni man mano che viene aggiunto terreno.
Le radici nel suolo forestale pongono sfide simili all'inserimento della sonda, tuttavia le radici possono essere tagliate in alcune situazioni. I suoli forestali hanno spesso orizzonti organici (O) sopra il suolo minerale, che può avere BD molto basso e un'elevata area superficiale specifica, con grandi quantità di acqua legata con conseguenti risposte del sensore molto non lineari a SWC55 più elevati. Inoltre, il professionista imposta il dato zero come la parte superiore dell'O-orizzonte o il suolo minerale che annota nei metadati. I terreni ricchi di argilla e le argille espansive con elevato potenziale di restringimento / rigonfiamento possono essere estremamente conduttivi ai segnali elettromagnetici quando sono bagnati e possono rompersi quando sono asciutti. Tali terreni potrebbero aver bisogno di ulteriori correzioni per ottenere SWC ragionevoli dalle misurazioni grezze56,57. In terreni poco profondi, prima di raggiungere la profondità massima ideale si possono incontrare substrati rocciosi o un orizzonte restrittivo del suolo (ad esempio, caliche o hardpan). Potrebbe essere necessario cambiare posizione o semplicemente non installare i sensori più profondi. Terreni eccessivamente asciutti o umidi possono essere impegnativi ed è anche preferibile scegliere date di installazione al di fuori degli estremi stagionali. Il terreno asciutto può essere molto forte e può rivelarsi impossibile inserire un sensore senza danni. Se necessario, i fori preaugered possono essere riempiti con acqua per ammorbidire la faccia della fossa, anche se potrebbe essere necessario del tempo prima che i terreni ritornino allo stato naturale. I terreni umidi possono essere troppo deboli per sostenere le pareti delle fosse o la trincea può riempirsi d'acqua. È anche più facile compattare eccessivamente un terreno bagnato.
L'uscita del sensore dovrebbe includere la permessività, non solo SWC, in modo che le correzioni o le calibrazioni specifiche del suolo possano essere effettuate in seguito. I sensori ad alta frequenza sono più appropriati in terreni ad alto BEC, mentre i denti più corti possono essere più facili da installare in terreni più compatti. Forse il passo più critico, tuttavia, è il contatto con il suolo; Lo scarso contatto degrada il segnale da qualsiasi sensore elettromagnetico. Infine, il riempimento dello scavo sembra banale, ma è fondamentale per ridurre al minimo il flusso preferenziale nell'area dei sensori, mantenere i cavi protetti e scoraggiare gli animali dal disturbare l'area. Una calibrazione specifica del suolo o del sito può migliorare l'accuratezza del sensore, ma richiede più dettagli di quanto sia possibile in questo protocollo. I terreni di campo regolati o reimballati a diversi livelli SWC sono ideali per verificare la linearità della risposta e possono servire come calibrazione specifica del sito per alcuni tipi di sensori21. I liquidi dielettrici possono anche essere mezzi efficaci per controllare la risposta del sensore58. I bagni d'acqua a temperatura controllata possono essere utilizzati per migliorare le calibrazioni della temperatura del suolo59. Questo protocollo è il primo passo verso la definizione di una procedura operativa standard per l'installazione di sensori SWC in situ, in quanto non esiste un metodo esistente, né alcun metodo accettato di calibrazione per i sensori SWC60,61.
Mentre il monitoraggio SWC è stato al centro di questo protocollo, il metodo ha dei limiti e SWC da solo non può fornire un quadro completo dello stato delle acque del suolo. Molti processi ecosistemici sono anche regolati dal potenziale idrico del suolo, che è meno comunemente misurato in situ62. Il potenziale idrico del suolo, recentemente esaminato da S. Luo, N. Lu, C. Zhang e W. Likos 63, è lo stato energetico dell'acqua; tali sensori possono essere meno influenzati dalle proprietà del suolo e fornire un controllo di qualità per i sensori SWC64. Inoltre, il SWC del campo di rinfuse include ghiaie, rocce, radici e spazi vuoti (ad esempio, percorsi di flusso preferenziali). Sul posto I sensori SWC sono generalmente riposizionati attorno a rocce e radici e il volume di misurazione limitato, concentrato attorno ai denti, può perdere aspetti discreti ma importanti del campo SWC di massa.
Si spera che questo protocollo porti a dati SWC più armonizzati e uniformi per una vasta gamma di applicazioni, tra cui il monitoraggio della siccità, la previsione dell'approvvigionamento idrico, la gestione dei bacini idrografici, la gestione agricola e la pianificazione delle colture. L'avvento delle piattaforme di telerilevamento4 ha notevolmente migliorato la capacità di stimare SWC a livello globale, ma questi prodotti necessitano di una convalida a terra, che è ancora ragionevolmente raccolta solo dalle reti in situ 65. I progressi del computer hanno permesso di sviluppare la modellazione SWC66 ad iper-risoluzione, producendo uno stato SWC ad alta risoluzione e sub-giornaliero, ma questi prodotti necessitano anche di stime in situ di SWC per fornire una base per il calcolo dell'incertezza. Spesso, la prima domanda posta quando viene introdotto un nuovo prodotto è "qual è l'incertezza?" Per i prodotti SWC, il confronto principale per la convalida sono i dati di rete in situ 67.
Ci sono state recenti espansioni della rete associate alla National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), tra cui il progetto di umidità del suolo del bacino del fiume Missouri superiore del Corpo degli ingegneri dell'esercito degli Stati Uniti superiori e l'accumulo della rete del sud-est degli Stati Uniti supportata dal NOAA, tutti progettati per migliorare la previsione dei pericoli idrici, il monitoraggio e fornire supporto decisionale nella gestione delle risorse. La certezza e l'accuratezza delle stime SWC per tali applicazioni possono essere realizzate solo con protocolli e procedure approfonditi per garantire la fiducia nell'integrità dei dati. Il NCSMMN è uno sforzo multi-istituzione guidato a livello federale che mira a fornire assistenza, guida e supporto costruendo una comunità di pratica intorno alla misurazione, all'interpretazione e all'applicazione dell'umidità del suolo: una "rete di persone" che collega fornitori di dati, ricercatori e pubblico68. Questo protocollo è un prodotto degli sforzi di NCSMMN. È imminente un flusso di lavoro di controllo della qualità dei dati.

L'umidità del suolo è stata recentemente riconosciuta come una variabile climatica essenziale nel Global Observing Climate System1. L'umidità del suolo, o contenuto volumetrico quantitativo di acqua del suolo (SWC), svolge un ruolo importante nella ripartizione del flusso di radiazione in entrata in calore latente e sensibile tra la superficie terrestre e l'atmosfera e nella ripartizione delle precipitazioni tra deflusso e infiltrazione2. Tuttavia, la variabilità spazio-temporale dell'umidità del suolo alle scale punto, campo e spartiacque complica la nostra capacità di misurare SWC alla scala appropriata necessaria per raggiungere gli obiettivi di ricerca o gestione3. Nuovi metodi per quantificare SWC, comprese le reti terrestri di sensori in situ , rilevatori prossimali e telerilevamento, offrono opportunità uniche per mappare la variazione di SWC a una risoluzione senza precedenti4. Sul posto I sensori SWC forniscono i record di dati più temporalmente continui e specifici per la profondità, ma sono anche soggetti a piccoli volumi di rilevamento e variabilità su scala locale inerente alle proprietà del suolo, alla topografia e alla copertura vegetale5.
Inoltre, mancano standard o metodi ampiamente accettati per l'installazione, la calibrazione, la convalida, la manutenzione e il controllo di qualità dei sensori SWC in situ . L'umidità del suolo è intrinsecamente un parametro difficile da misurare e può essere la variabile più difficile per garantire la qualità6. Mentre i protocolli generali per la raccolta dei dati SWC sono stati prodotti dall'Agenzia internazionale per l'energia atomica7, dal Comitato sui satelliti di osservazione della Terra8, dai rapporti dell'agenzia federale9 e dall'Associazione americana dei climatologi statali10, vi sono indicazioni specifiche limitate sull'installazione, la manutenzione, il controllo di qualità e la verifica dei dati SWC da sepolti in situ . Sonde. Ciò ha reso difficile l'adozione di tali tecnologie per le reti di monitoraggio operativo, come i Mesonet statali, per aggiungere misurazioni SWC. Allo stesso modo, è anche difficile per gli idrologi operativi, ad esempio nei centri di previsione fluviale, incorporare questi dati nel loro flusso di lavoro. L'obiettivo di questa videografia e del documento di accompagnamento è quello di fornire tale guida e documentare un protocollo di installazione coerente per sonde SWC interrate in situ .
Selezione di una posizione per il monitoraggio dell'umidità del suolo in situ I suoli all'interno di qualsiasi area di interesse (AOI) si formano attraverso un feedback unico e accoppiato nel tempo tra la topografia, l'ecologia, la geologia e il clima11,12. La variabilità di SWC tra i paesaggi rende la selezione del sito un aspetto critico per qualsiasi studio sull'umidità del suolo. Per alcuni obiettivi di ricerca, un sito può essere scelto per rappresentare una particolare caratteristica o microsito sul paesaggio o sull'ecosistema. Ai fini del monitoraggio delle reti, il sito dovrebbe essere rappresentativo spazialmente di una componente paesaggistica più ampia. L'obiettivo è trovare una posizione che fornisca la migliore rappresentazione spaziale dell'AOI. Sul campo, devono essere raggiunte considerazioni più pragmatiche, come i requisiti di altre strumentazioni meteorologiche, l'accessibilità o il permesso. Tuttavia, l'unità di mappa del suolo dominante all'interno dell'AOI è di solito una buona rappresentazione spaziale delle condizioni ambientali di un'area più ampia13. L'unità di mappa del suolo dominante può essere determinata utilizzando il Web Soil Survey (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Questa unità di mappa del suolo dovrebbe anche essere verificata con una fossa poco profonda o un foro di prova.
Una tipica stazione di monitoraggio può occupare 5-50 m2, a seconda delle esigenze del sensore e del numero di misurazioni ausiliarie. La figura 1 mostra una tipica stazione di monitoraggio con una torre di 3 m che contiene un anemometro per la velocità e la direzione del vento, un sensore di temperatura dell'aria e umidità relativa, un piranometro per la radiazione solare e un involucro resistente agli agenti atmosferici e impermeabile della National Electrical Manufacturers Association (NEMA rating 4). L'involucro NEMA ospita la piattaforma di controllo dati (DCP), il modem cellulare, il regolatore di carica del pannello solare, la batteria e altro hardware correlato (vedere la tabella dei materiali; Componenti di sistema). La torre fornisce anche una piattaforma per l'antenna di comunicazione, il pannello solare e il parafulmine. In genere è incluso anche un misuratore di precipitazione liquida (PPT), che dovrebbe essere posizionato lontano dalla torre e alla quota più bassa possibile per ridurre gli effetti del vento sulla cattura PPT. I sensori SWC devono essere installati a una distanza sufficiente (3-4 m) e in salita in modo che non vi siano potenziali interferenze dalla torre sulle precipitazioni o sul flusso terrestre. Eventuali cavi correlati devono essere interrati in un condotto ad almeno 5 cm sotto la superficie.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> Figura 1: Una tipica stazione di monitoraggio. L'USDA SCAN raccoglie informazioni orarie sul contenuto e la temperatura dell'acqua del suolo a profondità standard (5, 10, 20, 50 e 100 cm), temperatura dell'aria, umidità relativa, radiazione solare, velocità e direzione del vento, precipitazioni e pressione barometrica. Ci sono oltre 200 siti SCAN negli Stati Uniti. Abbreviazioni: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Associazione nazionale dei produttori elettrici. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
Profondità di misura, orientamento e numero di sensori Sul posto I sensori SWC sono tipicamente installati orizzontalmente per rappresentare profondità specifiche nel terreno (Figura 2). Finanziate a livello federale, reti nazionali come la Soil Climate Network (SCAN)14, la Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 e la U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 misurano SWC a 5, 10, 20, 50 e 100 cm. Queste profondità sono state raggiunte per consenso durante lo sviluppo di SCAN per una serie di motivi. La profondità di 5 cm corrisponde alle capacità di telerilevamento17; Le profondità di 10 e 20 cm sono misurazioni storiche per la temperatura del suolo18; Le profondità di 50 e 100 cm completano l'accumulo dell'acqua del suolo della zona radicale.
Le sonde possono essere orientate verticalmente, orizzontalmente o inclinate/angolate (Figura 3). L'installazione orizzontale è più comune per ottenere una misurazione uniforme della temperatura del suolo a una profondità discreta. Mentre il sensore può essere centrato a una profondità discreta, la misurazione SWC è un volume attorno ai denti (cioè elettrodi), che può variare con i livelli di umidità, la frequenza di misurazione e la geometria dell'installazione (orizzontale, verticale o angolata). Per l'installazione orizzontale, il volume di rilevamento integra l'umidità sopra e sotto la profondità e il 95% del volume di rilevamento si trova in genere entro 3 cm dai denti19. Le installazioni verticali o angolate integrano SWC lungo i denti, quindi l'installazione verticale può rappresentare lo stoccaggio lungo l'intera lunghezza delle profondità del sensore20. Alcuni sensori non misurano uniformemente lungo i loro denti. Ad esempio, gli oscillatori della linea di trasmissione sono più sensibili all'umidità vicino alla testa della sonda dove vengono generati gli impulsi elettromagnetici21. Le installazioni verticali sono più adatte per sonde più profonde in cui i gradienti di temperatura e umidità tendono a ridursi.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> Figura 2: Installazione di sensori SWC in situ . Posizionamento orizzontale del sensore alle profondità scelte utilizzando (A,B) una maschera di riferimento a profondità zero e (C) una tavola a profondità zero o (D) una pala a profondità zero come riferimento. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> Figura 3: Orientamento delle sonde verticalmente, orizzontalmente o con un'inclinazione . (A) Inserimento inclinato e verticale e (B) inserimento orizzontale-verticale e profondità centrale di inserimento orizzontale-orizzontale di un sensore SWC a tre punte. Abbreviazione: SWC = contenuto di acqua del suolo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
L'installazione a profondità inferiori a 50 cm è relativamente intuitiva, mentre i sensori più profondi richiedono uno sforzo leggermente maggiore. La zona radicale SWC o il profilo dell'acqua del suolo richiedono in genere misurazioni fino a 1 o 2 m. Come illustrato in questo protocollo, le installazioni da 0 a 50 cm sono completate in una fossa scavata o in un foro a coclea con sonde installate orizzontalmente nel terreno indisturbato, riducendo al minimo il disturbo superficiale. Per sensori più profondi (ad esempio, 100 cm), sia SCAN che USCRN installano il sensore verticalmente in fori separati a coclea manuale utilizzando un palo di estensione (Figura 4).
Data l'eterogeneità di SWC, in particolare vicino alla superficie, e i piccoli volumi di misurazione dei sensori, le misurazioni triplicate consentono una migliore rappresentazione statistica di SWC. Tuttavia, un profilo di sensori in situ è tipico per la maggior parte delle reti (ad esempio, SCAN e SNOTEL). L'USCRN utilizza tre profili distanziati di 3-4 m per effettuare misurazioni triplicate a ciascuna profondità16. Inoltre, la ridondanza nella misurazione aggiunge resilienza e continuità al record della stazione se sono disponibili risorse finanziarie.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> Figura 4: Installazione di sensori . (A) I sensori poco profondi sono tipicamente installati orizzontalmente nella parete laterale di una fossa di terreno scavata. Per i sensori più profondi, (B) una coclea manuale viene utilizzata per scavare un foro in profondità utilizzando un riferimento a profondità zero (ad esempio, il legno che attraversa la trincea) e i sensori vengono spinti verticalmente nel fondo dei fori utilizzando (C) una sezione di tubo in PVC modificata per fissare il sensore e il cavo durante l'installazione o (D) uno strumento di installazione. Gli strati di suolo sono noti come orizzonti del terriccio (A horizon) e del sottosuolo con argille traslocate (Bt) e accumulo di carbonato (Bk). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</a>
Tipo di sensore SWC in situ I sensori disponibili in commercio deducono SWC dalla risposta misurata a un segnale elettromagnetico propagato lungo i denti a diretto contatto con il suolo22. I sensori interrati rientrano in cinque classi a seconda del tipo di segnale elettromagnetico propagato e del metodo di misurazione della risposta: capacità, impedenza, riflettometria nel dominio del tempo, trasmissometria nel dominio del tempo e oscillazione della linea di trasmissione (tabella supplementare S1, con collegamenti alle informazioni di ciascun produttore). Queste tecnologie tendono a raggrupparsi per frequenza operativa e produttore. I denti più lunghi integrano un volume maggiore di terreno; tuttavia, possono essere più difficili da inserire e sono più soggetti a perdita di segnale in terreni con argilla e maggiore conducibilità elettrica di massa (BEC). I produttori segnalano errori di misurazione SWC di 0,02-0,03 m3m−3, mentre gli utenti in genere trovano che questi siano significativamente più grandi 23. Una corretta calibrazione e standardizzazione dei sensori elettromagnetici migliora le prestazioni22; Tuttavia, queste calibrazioni specifiche del suolo esulano dallo scopo di questo protocollo, che si concentra sull'installazione.
La selezione del sensore deve considerare l'uscita desiderata, il metodo di misurazione, la frequenza operativa e la compatibilità con altre misurazioni. Prima del 2010, la maggior parte dei sensori SWC erano analogici e richiedevano al DCP di effettuare misurazioni di tensioni differenziali, resistenze o conteggi di impulsi, il che richiedeva componenti più costosi e singoli canali (o multiplexer) per ciascun sensore. Ora, l'interfaccia dati seriale a 1.200 baud (SDI-12) protocolli di comunicazione (http://www.sdi-12.org/) consente ai sensori intelligenti di implementare algoritmi di misurazione interni e quindi trasmettere dati digitali lungo un singolo cavo di comunicazione. Ogni sensore può essere collegato insieme in sequenza (cioè una catena a margherita) utilizzando un filo comune collegato da connettori a leva o morsettiera (Figura 5) con ciascun sensore con un indirizzo SDI-12 univoco (0-9, a-z e A-Z). Il filo di comunicazione comune dei sensori SDI-12 forma un singolo circuito insieme a un cavo di alimentazione e di terra. Non sono richiesti multiplexer o misurazioni al DCP; invece, il DCP invia e riceve semplicemente comandi digitali e righe di testo. Molti sensori SWC SDI-12 includono anche la temperatura del suolo, la permittività relativa (ε) e le misurazioni BEC. Tali misurazioni sono utili per la diagnostica del sensore e la calibrazione specifica del suolo. A questo punto, l'utente ha selezionato un sito, determinato il tipo, il numero e le profondità del sensore e ottenuto tutti gli strumenti hardware e di campo necessari (Table of Materials). Pertanto, possono procedere al protocollo di installazione.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> Figura 5: Connettori di giunzione a filo e morsettiere utilizzati per unire i comuni cavi di alimentazione, di terra e di comunicazione a un singolo ingresso sulla piattaforma di raccolta dati. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.</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

L'umidità del suolo influisce direttamente sull'idrologia operativa, sulla sicurezza alimentare, sui servizi ecosistemici e sul sistema climatico. Tuttavia, l'adozione dei dati sull'umidità del suolo è stata lenta a causa della raccolta di dati incoerente, della scarsa standardizzazione e della durata delle registrazioni in genere breve. L'umidità del suolo, o contenuto quantitativo volumetrico di acqua del suolo (SWC), viene misurata utilizzando sensori in situ interrati che deducono SWC da una risposta elettromagnetica. Questo segnale può variare considerevolmente con le condizioni locali del sito come il contenuto di argilla e mineralogia, la salinità del suolo o la conduttività elettrica di massa e la temperatura del suolo; Ognuno di questi può avere impatti diversi a seconda della tecnologia del sensore.
Inoltre, lo scarso contatto con il suolo e il degrado del sensore possono influire sulla qualità di queste letture nel tempo. A differenza dei sensori ambientali più tradizionali, non esistono standard, pratiche di manutenzione o controlli di qualità accettati per i dati SWC. In quanto tale, SWC è una misura impegnativa da implementare per molte reti di monitoraggio ambientale. Qui, cerchiamo di stabilire uno standard di pratica basato sulla comunità per i sensori SWC in situ in modo che la ricerca e le applicazioni future abbiano una guida coerente sulla selezione del sito, l'installazione dei sensori, l'interpretazione dei dati e la manutenzione a lungo termine delle stazioni di monitoraggio.
La videografia si concentra su un consenso multi-agenzia di best practice e raccomandazioni per l'installazione di sensori SWC in situ . Questo documento presenta una panoramica di questo protocollo insieme ai vari passaggi essenziali per la raccolta di dati SWC di alta qualità e a lungo termine. Questo protocollo sarà utile a scienziati e ingegneri che sperano di implementare una singola stazione o un'intera rete.

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

La determinazione del contenuto di acqua del suolo è un requisito fondamentale per molte agenzie statali e federali. Questo protocollo sintetizza gli sforzi multi-agenzia per misurare il contenuto di acqua del suolo utilizzando sensori sepolti in situ .

Sul posto Sensori di umidità del suolo in terreni indisturbati

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

Il contenuto di acqua del suolo regola molti processi sopra e sotto terra, dalla produzione agricola alle condizioni meteorologiche. Recentemente è diventato un requisito di missione critico per molte agenzie statali e federali. Questo protocollo sintetizza gli sforzi multi-agenzia per misurare l'umidità del suolo, utilizzando sensori elettromagnetici in situ sepolti.Questo protocollo sarà utile per scienziati e ingegneri che sperano di implementare una singola stazione o un'intera rete. Il contenuto di acqua del suolo è stato recentemente riconosciuto come una variabile climatica essenziale nel sistema globale di osservazione del clima. Eppure c'è stata poca standardizzazione nella pratica di installare sensori in situ sepolti.Speriamo che il protocollo scritto e il video possano migliorare la raccolta dei dati. Non esiste un modo semplice per verificare che un sensore del contenuto di acqua del suolo sepolto fornisca buoni dati. All'inizio, ci vuole fiducia e garanzia che i sensori siano in buon contatto con il terreno e che l'installazione non abbia influenzato l'idrologia del suolo locale.A dimostrare la procedura sarà Alex White, uno scienziato fisico dell'USDA ARS Hydrology and Remote Sensing Laboratory qui a Beltsville, nel Maryland. Per iniziare, collegare separatamente ciascun sensore a una piattaforma di controllo dati. Utilizzare il punto interrogativo e il comando esclamativo per interrogare l'indirizzo del sensore e registrare i valori insieme al numero di serie e all'indirizzo SDI-12 di ciascun sensore in un libro di laboratorio.Quindi etichettare la testa del sensore e l'estremità del cavo con l'indirizzo SDI-12 utilizzando un marcatore. Installare i sensori di contenuto idrico del suolo ed eventuali sensori ausiliari in laboratorio, collegandoli alla piattaforma di controllo dati e alla batteria, lasciando i sensori del contenuto dell'acqua del suolo sospesi nell'aria, inseriti in luogo asciutto e/o immersi nell'acqua. Verificare che i dati siano registrati alle velocità appropriate e che i valori siano appropriati.Interroga la posizione utilizzando l'app USDA SoilWeb e scava un foro di prova usando una scavatrice post hole. Verificare che la tessitura del campo sia coerente con la descrizione del terreno. Posare un telo sopra l'area di scavo per proteggere la superficie del terreno dal disturbo.Srotolare un sensore e appoggiare la testa del sensore sulla faccia della fossa. Quindi posizionare l'estremità del cavo dove verrà posizionato il supporto dello strumento, verificando che la lunghezza del cavo sia corretta, regolare se necessario e contrassegnare la posizione del supporto con una bandiera. Utilizzando una scavatrice post hole, scavare un foro profondo circa 55 centimetri.Pulire il foro con una vanga affilata e assicurarsi che la faccia della fossa sia verticale in modo che ogni sensore abbia terreno indisturbato sopra di esso. Mantieni il foro e l'area disturbata il più piccoli possibile in modo che si riprendano rapidamente. Rimuovere il terreno con incrementi di 10 centimetri e posizionare ogni ascensore all'estremità del telo, avvicinandosi ad ogni incremento, rompendo eventuali zolle e rimuovendo grandi rocce.Quindi, scavare una trincea dritta e stretta profonda più di 10 centimetri per seppellire i cavi del sensore. Srotolare tutti i sensori e posizionarli su un lato della trincea. Notare la profondità di eventuali cambiamenti evidenti nel colore o nella consistenza del suolo durante la raccolta di campioni di terreno rappresentativi in un sacchetto da congelatore da un litro a ciascuna profondità del sensore.Verificare che la superficie della fossa sia verticale o leggermente ridotta per assicurarsi che ciascun sensore abbia terreno indisturbato sopra di esso. Innanzitutto, inserire il sensore da 50 centimetri e spingere il sensore orizzontalmente nel terreno, cercando di non muovere il sensore, poiché ciò può creare spazi vuoti. Se necessario, utilizzare la leva per spingere delicatamente il sensore, assicurandosi che i denti siano completamente incorporati nel terreno.Orientare ciascun cavo sensore sullo stesso lato della fossa, consentendo loro di appendersi al fondo della fossa di scavo. Scatta una foto del foro scavato e dei sensori con un metro a nastro per la scala. Per il sensore da 100 centimetri, scavare un foro a 100 centimetri meno la metà della lunghezza del sensore o 94 centimetri in questo caso.Installare il sensore verticalmente spingendolo nella parte inferiore del foro utilizzando uno strumento di installazione. Riimballare il foro della coclea con il terreno scavato. Instradare tutti i cavi del sensore dalla trincea alla custodia in una sezione di condotto in PVC e attraverso un connettore paratia per entrare nella custodia.Quindi inserire l'obiettivo del cavo nella porta inferiore dell'involucro, fissarli con fascette e collegare i cinque sensori. Verificare che la tensione sulla batteria sia sufficiente utilizzando un multimetro impostato su DC per la tensione di corrente continua. Quindi, far scorrere il connettore terminale del filo negativo nero sul terminale della vanga sul palo negativo a terra della batteria e il filo rosso sul palo positivo della batteria.Per accendere il sistema, collegare il cavo della batteria al DCP. Dopo aver avviato il software della piattaforma di controllo dati, collegare un laptop alla piattaforma di controllo dati e verificare che tutti i sensori riportino valori numerici. Una volta che tutto ciò che è sotto terra funziona e i cavi sono stati instradati nell'involucro, riempire e sigillare le aperture della custodia sopra e sotto terra con stucco elettrico.Utilizzando il terreno scavato più profondo più vicino al telo, imballare a mano il terreno attorno a ciascuna testa del sensore, partendo dal basso e lavorando verso l'alto, evitando di disturbare il sensore e assicurandosi che sia ben compattato. Riempire la fossa in sollevamenti di 10 centimetri, levigando e compattando la superficie fino a raggiungere il sensore di 20 centimetri. Imballare a mano il terreno attorno alla testa del sensore e proseguire verso l'alto in sollevamenti di 10 centimetri fino a raggiungere la superficie.Coprirli con cura con terra più profonda dal telo mentre si compatta il terreno sul fondo della fossa per fissare i cavi, facendo attenzione a non tirarli verso il basso con alcuna forza. Scatta foto della stazione completata con orientamento nord, sud, est e ovest dal palo dello strumento. Delinea la posizione di installazione del sensore con contrassegnazioni o altri elementi distinti.Questa installazione sul campo riporta le temperature orarie dell'aria e del suolo, il contenuto di acqua del suolo, le precipitazioni giornaliere, lo stoccaggio dell'acqua del suolo e il suo cambiamento nel tempo. I risultati mostrano un forte aumento del contenuto di acqua del suolo vicino alla superficie, con un aumento ritardato a profondità maggiori dopo ogni tempesta. Durante gli eventi di inizio febbraio e aprile del 2022, il sensore più profondo a 100 centimetri ha raggiunto un plateau di 0,33 metri cubi per metro cubo, indicando un periodo di saturazione.Per un'installazione simile in Mississippi, il contenuto di acqua del suolo ha raggiunto 0,60 metri cubi per metro cubo a tutte le profondità dopo 40 millimetri di pioggia, mentre altri 70 millimetri non hanno influenzato lo stoccaggio dell'acqua del suolo, suggerendo un deflusso in eccesso di saturazione. Per un'installazione simile nel Montana, il suolo ghiacciato e il manto nevoso hanno prodotto una drastica diminuzione del contenuto di acqua del suolo a metà marzo, quindi un aumento durante lo scongelamento, senza alcuna indicazione di precipitazioni. Prestare attenzione al comportamento irregolare del sensore, come picchi, cambi di passo e oscillazioni, che possono indicare un'installazione errata o un guasto del sensore.L'inserimento del sensore può essere difficile, in particolare in terreni rocciosi, radicati o asciutti. Assicurarsi che la testa del sensore sia spinta a filo contro il terreno. Questo protocollo porterà a dati più armonizzati e uniformi sul contenuto idrico del suolo, per una vasta gamma di applicazioni, tra cui: monitoraggio della siccità, previsione dell'approvvigionamento idrico, gestione dei bacini idrografici e agricoli e pianificazione delle colture.Il National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network sta costruendo una comunità di pratica intorno alla misurazione, interpretazione e applicazione dell'umidità del suolo. È una rete di persone che collega fornitori di dati, ricercatori e pubblico. Per ulteriori dettagli, consulta la documentazione.

Research

JoVE Journal

Environment

In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils

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

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