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

Yazarlar, NOAA-NIDIS, Ulusal Koordineli Toprak Nemi İzleme Ağı (NCSMMN) ve USGS Yeni Nesil Su Gözlem Sistemleri (NGWOS) programından finansal desteği kabul etmektedir. Bu protokole katkıları için B. Baker, J. Bolten, S. Connelly, P. Goble, T. Ochsner, S. Quiring, M. Svoboda ve M. Woloszyn dahil olmak üzere NCSMMN İcra Komitesi üyelerine teşekkür ederiz. M. Weaver'a (USGS) taslak protokolü ilk gözden geçirdikleri için teşekkür ederiz.

Ticaret, firma veya ürün adlarının herhangi bir şekilde kullanılması yalnızca açıklayıcı amaçlar içindir ve ABD Hükümeti tarafından onaylandığı anlamına gelmez. Bu makale bir ABD Hükümeti çalışmasıdır ve ABD'de kamu malıdır. USDA, eşit fırsat sunan bir işveren ve sağlayıcıdır.

Toprak nem durumu, toprağın hidrolik ve fiziksel özellikleri ile birlikte yağış, bitki örtüsü, güneş ışınımı ve bağıl nem gibi birçok farklı çevresel faktörün bir sonucudur. Bunlar uzay ve zaman boyunca farklı mekansal ve zamansal ölçeklerde etkileşime girer. Su, enerji ve karbon döngülerini modellemek ve tahmin etmek için SWC durumunu anlamak gerekir. Otomatik ölçüm teknolojilerinin en yaygın türlerinden biri, bozulmamış toprağa yerinde yerleştirilmesi amaçlanan çatallı bir elektromanyetik SWC sensörüdür. Bu protokol, bu yaygın gömülebilir sensör türlerini kurma işlemi için rehberlik sağlamak üzere tasarlanmıştır. Doğruluk, performans ve maliyet tipik olarak sensörlerin çalışma frekansı ile orantılıdır; Düşük frekanslı sensörler daha az maliyetlidir, ancak toprak ve çevresel faktörler tarafından daha fazla karıştırılır45. Toprağa veya sahaya özgü kalibrasyon, düşük frekanslı sensörlerin doğruluğunu artırabilir. Ölçüm yöntemi, elektromanyetik alanın (EMF) altında yatan fiziği nedeniyle sensör performansını da etkiler.
İki ana elektromanyetik fizik yasası elektromanyetik algılamayı yönetir. Birincisi, sensörün yayılmış EMF'sinin ortamın hem ε hem de BEC'sine nasıl bağlı olduğunu açıklayan Gauss yasasıdır. Bununla birlikte, SWC ile geçirgenlik artar, ancak BEC de artar. Bu nedenle, Gauss yasasına bağlı sensörler SWC, BEC ve BEC üzerindeki sıcaklık etkisinin yanı sıra tuzluluktan kaynaklanan herhangi bir girişimden etkilenir. Kapasitans algılama yöntemleri Gauss yasasına uyar ve bu nedenle bu etkilere daha yatkındır46. Ek olarak, Gauss yasası, kapasitansın topraktaki EMF'nin şekliyle değişen geometrik bir faktöre bağımlılığını tanımlar. Araştırmalar, EMF şeklinin toprak yapısı ve sensör çatallarının etrafındaki su içeriğinin küçük ölçekli mekansal değişkenliği ile değiştiğini göstermiştir. Su içeriğinin ve toprak yapısının küçük ölçekli mekansal değişkenliği çoğu toprakta büyüktür, bu da geometrik faktör değişikliklerine ve bunun sonucunda toplu ortalama toprak su içeriği değişiklikleriyle ilgisi olmayan kapasitans değişikliklerine neden olur. Bu faktörler kapasitans sensörünün doğruluğunu azaltır ve veri değişkenliğini arttırır46,47,48. Empedans ve iletim hattı salınım yöntemleri de Gauss yasasına dayanırken, zaman alanı reflektometrisi ve zaman alanı transmizomitri yöntemleri, geometrik bir faktör içermeyen ve BEC'ye bağımlı olmayan Maxwell denklemlerine bağlıdır. Hiçbir sensör sorunsuz olmasa da, zaman alanı yöntemleri, kapasitans veya empedans tabanlı yöntemlerden önemli ölçüde daha doğru ve daha az önyargılı olma eğilimindedir.
Prosedürde birkaç kritik adım vardır. Seyrek bir ağ için, SWC'nin en uygun uzamsal temsiline sahip olmak için uygun yer seçimi ve sensör konumu gereklidir. Yer seçimi, arazi erişimi veya toprak neminin yardımcı ölçüm olduğu diğer atmosferik izleme gereksinimleri gibi dış faktörlerden daha fazla etkilenebilir. Mezo ölçekli meteorolojik alanlar, mikro ölçekli etkileri en aza indirmek için geniş ve açık, iyi bakımlı çimenli yüzeylerde bulunur. Bu tür konumlar SWC izleme için daha az ideal olabilir. Uygulanabilirse, SWC izlemenin mevcut çevresel izleme istasyonundan uzakta ve temsili toprakta gerçekleşmesine izin vermek için kablosuz sensör teknolojileri 49,50,51,52,53 olarak düşünülmelidir. Aktif çiftlik operasyonları ve sulama ekipmanı etrafında çalışmak zordur. Çoğu ağ (örneğin, SCAN ve USDA-ARS), kabloları kesebilen ve sensörleri ortaya çıkarabilen pulluklar veya biçerdöverler gibi toprak işleme faaliyetlerinden kaçınmak için tarlaların saçaklarında kalır. Herhangi bir yerinde sensör ve kablonun yeterince gömülmesi ve çiftlik içi işlemlerden çıkarım yapmaktan kaçınmak için yeterince düşük bir yüzey profiline sahip olması gerekir. Kablosuz sistemler53 ve çıkarılabilir sondaj deliği sensörleri47 daha uygun olabilir. Büyük ölçekli, toprak nemine dayalı sulama kullanılarak yeraltı sularının korunması54, SWC sensörleri için büyüyen bir alandır; Bu protokol, bozulmamış topraklarda uzamsal olarak temsil edilen uzun vadeli SWC verileri ile ilgilidir.
Bazı toprakların ölçülmesi diğerlerinden daha zordur. Kayalık, çakıllı veya çok kuru topraklarda, dişleri zarar görmeden yerleştirmek imkansız olabilir. Bir seçenek, toprak çukurunu kazmak ve sensörleri geri doldurma sırasında yerine yerleştirmek, orijinal BD'ye sıkıştırmaya çalışmaktır. kayalık topraklar, birkaç ıslatma ve kurutma döngüsünden sonra muhtemelen iyileşecek olan çok az yapıya sahip olma eğilimindedir; Bununla birlikte, bu tür bir rahatsızlık hiçbir zaman alanın toprak hidrolojisini gerçekten temsil etmeyebilir. Alternatif olarak, burgu deliklerinin dibine sensörler monte edilirse, çıkarılan toprak taşları çıkarmak için elenebilir ve sensör çatallarını barındıracak kadar derin bir şekilde deliğe yeniden paketlenebilir. Sensör daha sonra dikey olarak monte edilebilir ve burgu deliği, toprak eklendikçe sık sık sıkıştırılarak kalan elenmemiş toprakla yeniden doldurulur.
Orman toprağındaki kökler, prob yerleştirme için benzer zorluklar oluşturur, ancak bazı durumlarda kökler kesilebilir. Orman toprakları genellikle mineral toprağın üstünde organik (O) ufuklara sahiptir, bu da çok düşük BD ve yüksek spesifik yüzey alanına sahip olabilir, büyük miktarlarda bağlı su ile daha yüksek SWC'lerde çok doğrusal olmayan sensör tepkilerine neden olur55. Dahası, uygulayıcı sıfır verisini ya O-ufkunun tepesi ya da meta verilerde bulunan mineral toprak notu olarak ayarlar. Kil bakımından zengin topraklar ve yüksek büzülme/şişme potansiyeline sahip geniş killer, ıslakken elektromanyetik sinyallere karşı son derece iletken olabilir ve kuruduğunda çatlayabilir. Bu tür topraklar, ham ölçümlerden makul SWC elde etmek için ek düzeltmelere ihtiyaç duyabilir56,57. Sığ topraklarda, ideal maksimum derinliğe ulaşmadan önce ana kaya veya kısıtlayıcı bir toprak ufku (örneğin, kaliş veya hardpan) ile karşılaşılabilir. Konumu değiştirmek veya daha derin sensörleri takmamak gerekebilir. Aşırı kuru veya ıslak topraklar zor olabilir ve mevsimsel aşırılıkların dışında kurulum tarihlerinin seçilmesi de tercih edilir. Kuru toprak çok güçlü olabilir ve bir sensörü zarar görmeden takmanın imkansız olduğu kanıtlanabilir. Gerekirse, çukur yüzünü yumuşatmak için önceden burgulu delikler suyla doldurulabilir, ancak toprakların doğal bir duruma dönmesi biraz zaman alabilir. Islak topraklar çukur yüzlerini desteklemek için çok zayıf olabilir veya hendek suyla dolabilir. Islak bir toprağı aşırı sıkıştırmak da daha kolaydır.
Sensör çıkışı sadece SWC'yi değil, geçirgenliği de içermelidir, böylece düzeltmeler veya toprağa özgü kalibrasyonlar daha sonra yapılabilir. Yüksek frekanslı sensörler yüksek BEC topraklarda daha uygundur, ancak daha kısa çatalların daha kompakt topraklara montajı daha kolay olabilir. Bununla birlikte, belki de en kritik adım toprak temasıdır; zayıf temas, herhangi bir elektromanyetik sensörden gelen sinyali bozar. Son olarak, kazıyı yeniden doldurmak önemsiz geliyor, ancak sensörlerin alanına tercihli akışı en aza indirmek, kabloları korumak ve hayvanları bölgeyi rahatsız etmekten caydırmak için anahtardır. Toprağa veya sahaya özgü kalibrasyon sensör doğruluğunu artırabilir, ancak bu protokolde mümkün olandan daha fazla ayrıntı gerektirir. Değişen SWC seviyelerine ayarlanmış veya yeniden paketlenmiş tarla toprakları, yanıtın doğrusallığını kontrol etmek için idealdir ve bazı sensör tipleri21 için sahaya özgü bir kalibrasyon görevi görebilir. Dielektrik sıvılar, sensör tepkisini kontrol etmek için etkili bir ortam olabilir58. Sıcaklık kontrollü su banyoları, toprak sıcaklığı kalibrasyonlarını iyileştirmek için kullanılabilir59. Bu protokol, yerinde SWC sensörü kurulumu için standart bir çalışma prosedürünün oluşturulmasına yönelik ilk adımdır, çünkü mevcut bir yöntem veya SWC sensörleri 60,61 için kabul edilmiş bir kalibrasyon yöntemi yoktur.
SWC izleme bu protokolün odak noktası olsa da, yöntemin sınırlamaları vardır ve SWC tek başına toprak suyu durumunun tam bir resmini veremez. Birçok ekosistem süreci, daha az yaygın olarak in situ62 olarak ölçülen toprak suyu potansiyeli ile de düzenlenir. Yakın zamanda S. Luo, N. Lu, C. Zhang ve W. Likos 63 tarafından gözden geçirilen toprak suyu potansiyeli, suyun enerji durumudur; Bu tür sensörler toprak özelliklerinden daha az etkilenebilir ve SWC sensörleri64 için kalite kontrolü sağlar. Ayrıca, SWC yığın alanı çakıllar, kayalar, kökler ve boşluk alanı (örneğin, tercihli akış yolları) içerir. Yerinde SWC sensörleri genellikle kayaların ve köklerin etrafında yeniden konumlandırılır ve çatalların etrafında yoğunlaşan sınırlı ölçüm hacmi, SWC yığın alanının ayrık ancak önemli yönlerini kaçırabilir.
Bu protokol, kuraklık izleme, su temini tahmini, havza yönetimi, tarımsal yönetim ve mahsul planlaması dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için daha uyumlu ve tek tip bir SWC verisine yol açacaktır. Uzaktan algılama platformları4'ün ortaya çıkışı, SWC'yi küresel olarak tahmin etme yeteneğini büyük ölçüde geliştirdi, ancak bu ürünlerin hala sadece yerinde ağlar65 tarafından makul bir şekilde toplanan zemin doğrulamasına ihtiyacı var. Bilgisayar gelişmeleri, hiper çözünürlüklü SWC modellemesi66'nın geliştirilmesine izin vererek, yüksek çözünürlüklü ve günlük SWC statüsü üretmiştir, ancak bu ürünler belirsizliği hesaplamak için bir temel sağlamak için SWC'nin yerinde tahminlerine de ihtiyaç duymaktadır. Genellikle, yeni bir ürün piyasaya sürüldüğünde sorulan ilk soru "belirsizlik nedir?" SWC ürünleri için, doğrulama için birincil karşılaştırma yerinde ağ verileri67'dir.
ABD Ordusu Mühendisler Birliği Yukarı Missouri Nehri Havzası toprak nemi projesi ve NOAA destekli Güneydoğu ABD ağ birikimi de dahil olmak üzere Ulusal Koordineli Toprak Nemi İzleme Ağı (NCSMMN) ile ilişkili son ağ genişletmeleri olmuştur. Bu tür uygulamalar için SWC tahminlerinin kesinliği ve doğruluğu, yalnızca veri bütünlüğüne güven sağlamak için kapsamlı protokoller ve prosedürlerle gerçekleştirilebilir. NCSMMN, toprak nemi ölçümü, yorumlanması ve uygulanması etrafında bir uygulama topluluğu oluşturarak yardım, rehberlik ve destek sağlamayı amaçlayan federal olarak yönetilen, çok kurumlu bir çabadır - veri sağlayıcılarını, araştırmacıları ve halkı birbirine bağlayan bir "insan ağı"68. Bu protokol NCSMMN çabalarının bir ürünüdür. Bir veri kalite kontrol iş akışı yaklaşıyor.

Toprak nemi yakın zamanda Küresel Gözlemleyen İklim Sistemi1'de Temel İklim Değişkeni olarak kabul edilmiştir. Toprak nemi veya kantitatif olarak hacimsel toprak suyu içeriği (SWC), gelen radyasyonun akışının dünya yüzeyi ile atmosfer arasındaki gizli ve mantıklı ısıya bölünmesinde ve yağışın akış ve sızma arasında bölünmesinde önemli bir rol oynar2. Bununla birlikte, nokta, tarla ve havza ölçeklerindeki toprak neminin mekansal zamansal değişkenliği, SWC'yi araştırma veya yönetim hedeflerini karşılamak için gereken uygun ölçekte ölçme yeteneğimizi zorlaştırmaktadır3. Yerinde sensörlerin, proksimal dedektörlerin ve uzaktan algılamanın yer tabanlı ağları da dahil olmak üzere SWC'yi ölçmek için yeni yöntemler, SWC'nin varyasyonunu benzeri görülmemiş bir çözünürlükte haritalamak için benzersiz fırsatlar sunar4. Yerinde SWC sensörleri en geçici olarak sürekli ve derinliğe özgü veri kayıtlarını sağlar, ancak aynı zamanda toprak özellikleri, topografya ve bitki örtüsü5'in doğasında bulunan küçük algılama hacimlerine ve yerel ölçekli değişkenliğe de tabidir.
Ayrıca, yerinde SWC sensörlerinin kurulumu, kalibrasyonu, doğrulanması, bakımı ve kalite kontrolü için standartların veya yaygın olarak kabul edilen yöntemlerin eksikliği vardır. Toprak nemi doğası gereği ölçülmesi zor bir parametredir ve kalite garantisi için en zor değişken olabilir6. SWC veri toplama için genel protokoller Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı7, Dünya Gözlem Uyduları Komitesi8, federal ajans raporları9 ve Amerikan Devlet Klimatologları Birliği10 tarafından üretilmiş olsa da, gömülü SWC verilerinin kurulumu, bakımı, kalite kontrolü ve doğrulanması konusunda sınırlı özel rehberlik vardır. Sonda. Bu, SWC ölçümleri eklemek için devlet Mesonetleri gibi operasyonel izleme ağları için bu tür teknolojilerin benimsenmesini zorlaştırmıştır. Benzer şekilde, operasyonel hidrologların, örneğin nehir tahmin merkezlerinde, bu verileri iş akışlarına dahil etmeleri de zordur. Bu videografinin ve beraberindeki makalenin amacı, bu tür bir rehberlik sağlamak ve gömülü in situ SWC probları için uyumlu bir kurulum protokolünü belgelemektir.
Yerinde toprak nemi izleme için bir yer seçme Herhangi bir ilgi alanındaki (AOI) topraklar, topografya, ekoloji, jeoloji ve iklim arasında zaman içinde benzersiz ve birleştirilmiş bir geri bildirim yoluyla oluşur11,12. SWC'nin manzaralar arasındaki değişkenliği, yer seçimini herhangi bir toprak nemi çalışması için kritik bir unsur haline getirir. Bazı araştırma hedefleri için, peyzaj veya ekosistemdeki belirli bir özelliği veya mikrositeyi temsil etmek üzere bir site seçilebilir. Ağları izlemek amacıyla, site daha büyük bir peyzaj bileşeninin mekansal olarak temsilcisi olmalıdır. Amaç, AOI'nin en iyi mekansal temsilini sağlayan bir yer bulmaktır. Bu alanda, diğer meteorolojik enstrümantasyon, erişilebilirlik veya izin gereklilikleri gibi daha pragmatik hususlara ulaşılmalıdır. Bununla birlikte, AOI içindeki baskın toprak haritası birimi genellikle daha geniş bir alanın çevresel koşullarının iyi bir mekansal temsilidir13. Baskın toprak haritası birimi, Web Toprak Etüdü (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/) kullanılarak belirlenebilir; Bu toprak haritası ünitesi ayrıca sığ bir çukur veya test deliği ile doğrulanmalıdır.
Tipik bir izleme istasyonu, sensör ihtiyaçlarına ve yardımcı ölçümlerin sayısına bağlı olarak 5-50m2'yi işgal edebilir. Şekil 1 , rüzgar hızı ve yönü için bir anemometre, bir hava sıcaklığı ve bağıl nem sensörü, güneş radyasyonu için bir piranometre ve Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği (NEMA) hava koşullarına dayanıklı ve su geçirmez muhafaza (NEMA derecelendirme 4) tutan 3 m'lik bir kuleye sahip tipik bir izleme istasyonunu göstermektedir. NEMA muhafazası, veri kontrol platformu (DCP), hücresel modem, güneş paneli şarj regülatörü, pil ve diğer ilgili donanımları barındırır (bkz . Sistem bileşenleri). Kule ayrıca iletişim anteni, güneş paneli ve paratoner için bir platform sağlar. PPT yakalama üzerindeki rüzgar etkilerini azaltmak için kuleden uzağa ve mümkün olan en düşük yüksekliğe yerleştirilmesi gereken bir sıvı yağış (PPT) ölçer de tipik olarak dahil edilir. SWC sensörleri yeterli bir mesafeye (3-4 m) ve yukarı eğime monte edilmelidir, böylece kuleden yağış veya kara akışı üzerinde potansiyel bir parazit olmaz. İlgili kablolar, yüzeyin en az 5 cm altındaki kanala gömülmelidir.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig01.jpg"> Şekil 1: Tipik bir izleme istasyonu. USDA SCAN, standart derinliklerde (5, 10, 20, 50 ve 100 cm), hava sıcaklığı, bağıl nem, güneş radyasyonu, rüzgar hızı ve yönü, yağış ve barometrik basınçta toprak suyu içeriği ve sıcaklığı hakkında saatlik bilgi toplar. ABD genelinde 200'den fazla tarama sitesi bulunmaktadır. Kısaltmalar: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Ulusal Elektrik Üreticileri Birliği. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig01large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ölçüm derinliği, yönü ve sensör sayısı Yerinde SWC sensörleri tipik olarak topraktaki belirli derinlikleri temsil etmek için yatay olarak monte edilir (Şekil 2). Federal olarak finanse edilen, Toprak İklim Ağı (SCAN)14, Kar Telemetri Ağı (SNOTEL)15 ve ABD İklim Referans Ağı (USCRN)16 gibi ulusal ağlar, SWC'yi 5, 10, 20, 50 ve 100 cm'de ölçer. Bu derinliklere, çeşitli nedenlerden dolayı tarama geliştirme sırasında fikir birliği ile ulaşılmıştır. 5 cm derinlik, uzaktan algılama yeteneklerine karşılık gelir17; 10 ve 20 cm derinlikler toprak sıcaklığı için tarihsel ölçümlerdir18; 50 ve 100 cm derinliklerde kök bölgesi toprak suyu depolamasını tamamlar.
Problar dikey, yatay veya eğimli/açılı olarak yönlendirilebilir (Şekil 3). Yatay kurulum, ayrı bir derinlikte düzgün bir toprak sıcaklığı ölçümü elde etmek için en yaygın olanıdır. Sensör ayrı bir derinlikte ortalanabilse de, SWC ölçümü dişlerin etrafındaki bir hacimdir (yani elektrotlar), nem seviyelerine, ölçüm frekansına ve kurulumun geometrisine (yatay, dikey veya açılı) göre değişebilir. Yatay kurulum için, algılama hacmi derinliğin üstündeki ve altındaki nemi bütünleştirir ve algılama hacminin% 95'i tipik olarak çatalların 3 cm'si içindedir19. Dikey veya açılı kurulumlar SWC'yi çatallar boyunca entegre eder, böylece dikey kurulum, sensör derinliklerinin20 tüm uzunluğu boyunca depolamayı temsil edebilir. Bazı sensörler çatalları boyunca eşit olarak ölçüm yapmaz. Örneğin, iletim hattı osilatörleri, elektromanyetik darbelerin üretildiği prob kafasının yakınındaki neme karşı daha hassastır21. Dikey kurulumlar, sıcaklık ve nem gradyanlarının azalma eğiliminde olduğu daha derin problar için daha uygundur.
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig02.jpg"> Resim 2: Yerinde SWC sensörlerinin kurulumu. Referans için (A,B) sıfır derinlikli bir referans jig ve (C) sıfır derinlikli bir kart veya (D) sıfır derinlikli bir kürek kolu kullanılarak seçilen derinliklerde yatay sensör yerleşimi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig02large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig03.jpg"> Şekil 3: Probların dikey, yatay veya eğimli olarak yönlendirilmesi . (A) Eğimli ve dikey yerleştirme ve (B) üç renkli SWC sensörünün yatay-dikey yerleştirme ve yatay-yatay yerleştirme merkezi derinliği. Kısaltma: SWC = toprak suyu içeriği. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig03large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
50 cm'den daha küçük derinliklere kurulum nispeten sezgiseldir, daha derin sensörler ise biraz daha fazla çaba gerektirir. Kök bölgesi SWC veya profil toprak suyu depolaması tipik olarak 1 veya 2 m'ye kadar ölçümler gerektirir. Bu protokolde gösterildiği gibi, 0-50 cm'lik kurulumlar, bozulmamış toprağa yatay olarak monte edilmiş problarla kazılmış bir çukurda veya burgu deliğinde tamamlanır ve yüzey rahatsızlığını en aza indirir. Daha derin sensörler için (örneğin, 100 cm), hem SCAN hem de USCRN, sensörü bir uzatma direği kullanarak ayrı, elle burgulu deliklere dikey olarak monte eder (Şekil 4).
SWC'nin heterojenliği, özellikle yüzeye yakın olması ve sensörlerin küçük ölçüm hacimleri göz önüne alındığında, üçlü ölçümler SWC'nin daha iyi bir istatistiksel temsilini sağlar. Bununla birlikte, in situ sensörlerin bir profili çoğu ağ için tipiktir (örneğin, SCAN ve SNOTEL). USCRN, her derinlik16'da üçlü ölçümler yapmak için 3-4 m aralıklarla üç profil kullanır. Ayrıca, ölçümdeki yedeklilik, finansal kaynaklar mevcutsa istasyon kaydına esneklik ve süreklilik katar.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig04.jpg"> Şekil 4: Sensörlerin montajı . (A) Sığ sensörler tipik olarak kazılmış bir toprak çukurunun yan duvarına yatay olarak monte edilir. Daha derin sensörler için, (B) sıfır derinlikli bir referans (örneğin, hendeği kaplayan ahşap) kullanarak derinliğe kadar bir delik kazmak için bir el burgusu kullanılır ve sensörler, (C) kurulum sırasında sensörü ve kabloyu sabitlemek için modifiye edilmiş bir PVC boru bölümü veya (D) bir kurulum aracı kullanılarak deliklerin dibine dikey olarak itilir. Toprak katmanları, üst toprak (A ufku) ve translokasyonlu killer (Bt) ve karbonat birikimi (Bk) ile toprak altı ufukları olarak not edilir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig04large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Yerinde SWC sensör tipi Ticari olarak temin edilebilen sensörler, SWC'yi, toprakla doğrudan temas halinde olan çatallar boyunca yayılan elektromanyetik bir sinyale ölçülen tepkiden çıkarır22. Gömülü sensörler, yayılan elektromanyetik sinyalin türüne ve tepkiyi ölçme yöntemine bağlı olarak beş sınıfa ayrılır: kapasitans, empedans, zaman alanı reflektometrisi, zaman alanı transmissometrisi ve iletim hattı salınımı (Ek Tablo S1, her üreticinin bilgilerine bağlantılar ile). Bu teknolojiler, çalışma frekansına ve üreticiye göre gruplandırma eğilimindedir. Daha uzun çatallar daha büyük bir toprak hacmini bütünleştirir; Bununla birlikte, yerleştirilmeleri daha zor olabilir ve killi ve daha yüksek kütle elektrik iletkenliğine (BEC) sahip topraklarda sinyal kaybına daha fazla maruz kalırlar. Üreticiler 0,02-0,03 m 3 m−3SWC ölçüm hataları bildirirken, kullanıcılar genellikle bunları önemli ölçüde daha büyükbulmaktadır 23. Elektromanyetik sensörlerin uygun kalibrasyonu ve standardizasyonu performansı artırır22; ancak, toprağa özgü bu kalibrasyonlar, kuruluma odaklanan bu protokolün kapsamı dışındadır.
Sensör seçiminde istenen çıktı, ölçüm yöntemi, çalışma frekansı ve diğer ölçümlerle uyumluluk göz önünde bulundurulmalıdır. 2010'dan önce, çoğu SWC sensörü analogdu ve DCP'nin diferansiyel voltajların, dirençlerin veya darbe sayımlarının ölçümlerini yapmasını gerektiriyordu, bu da her sensör için daha pahalı bileşenler ve ayrı kanallar (veya çoklayıcılar) gerektiriyordu. Şimdi, 1.200 baud (SDI-12) iletişim protokollerindeki (http://www.sdi-12.org/) seri veri arayüzü, akıllı sensörlerin dahili ölçüm algoritmalarını uygulamasına ve ardından dijital verileri tek bir iletişim kablosu boyunca iletmesine izin veriyor. Her sensör, kol somunu veya terminal bloğu konektörleri (Şekil 5) ile bağlanmış ortak bir tel kullanılarak sırayla (yani bir papatya zinciri) birbirine bağlanabilir ve her sensör benzersiz bir SDI-12 adresine (0-9, a-z ve A-Z) sahiptir. SDI-12 sensörlerinin ortak iletişim teli, bir güç ve topraklama teli ile birlikte tek bir devre oluşturur. Çoklayıcılar veya DCP'deki herhangi bir ölçüm gerekli değildir; bunun yerine, DCP sadece dijital komutları ve metin satırlarını gönderir ve alır. Birçok SDI-12 SWC sensörü ayrıca toprak sıcaklığı, bağıl geçirgenlik (ε) ve BEC ölçümlerini içerir. Bu tür ölçümler sensör teşhisi ve toprağa özgü kalibrasyon için kullanışlıdır. Bu noktada, kullanıcı bir site seçmiş, sensör tipini, sayısını ve derinliklerini belirlemiş ve gerekli tüm donanım ve saha araçlarını elde etmiştir (Malzeme Tablosu). Böylece, kurulum protokolüne geçebilirler.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64498/64498fig05.jpg"> Şekil 5: Ortak güç, topraklama ve iletişim kablolarını veri toplama platformundaki tek bir girişe birleştirmek için kullanılan tel ekleme konektörleri ve terminal blokları. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64498/64498fig05large.jpg" target="_blank">Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</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

Toprak nemi, operasyonel hidrolojiyi, gıda güvenliğini, ekosistem hizmetlerini ve iklim sistemini doğrudan etkiler. Bununla birlikte, toprak nemi verilerinin benimsenmesi, tutarsız veri toplama, zayıf standardizasyon ve tipik olarak kısa kayıt süresi nedeniyle yavaş olmuştur. Toprak nemi veya kantitatif olarak hacimsel toprak suyu içeriği (SWC), elektromanyetik bir tepkiden SWC çıkarımı yapan gömülü, yerinde sensörler kullanılarak ölçülür. Bu sinyal, kil içeriği ve mineraloji, toprak tuzluluğu veya toplu elektrik iletkenliği ve toprak sıcaklığı gibi yerel saha koşullarına göre önemli ölçüde değişebilir; bunların her birinin sensör teknolojisine bağlı olarak değişen etkileri olabilir.
Ayrıca, zayıf toprak teması ve sensör bozulması zamanla bu okumaların kalitesini etkileyebilir. Daha geleneksel çevre sensörlerinin aksine, SWC verileri için kabul edilmiş standartlar, bakım uygulamaları veya kalite kontrolleri yoktur. Bu nedenle, SWC, birçok çevresel izleme ağının uygulanması için zorlu bir ölçümdür. Burada, yerinde SWC sensörleri için topluluk tabanlı bir uygulama standardı oluşturmaya çalışıyoruz, böylece gelecekteki araştırma ve uygulamalar saha seçimi, sensör kurulumu, veri yorumlama ve izleme istasyonlarının uzun vadeli bakımı konusunda tutarlı bir rehberliğe sahip olacak.
Videografi, en iyi uygulamaların çok kurumlu bir fikir birliğine ve yerinde SWC sensörlerinin kurulumu için önerilere odaklanmaktadır. Bu makale, yüksek kaliteli ve uzun vadeli SWC veri toplama için gerekli çeşitli adımlarla birlikte bu protokole genel bir bakış sunmaktadır. Bu protokol, tek bir istasyonu veya tüm ağı dağıtmayı uman bilim adamları ve mühendisler için yararlı olacaktır.

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

Toprak suyu içeriğinin belirlenmesi, birçok eyalet ve federal kurum için kritik bir görev gereksinimidir. Bu protokol, gömülü in situ sensörleri kullanarak toprak suyu içeriğini ölçmek için çok kurumlu çabaları sentezler.

Yerinde Bozulmamış Topraklarda Toprak Nemi Sensörleri

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

Toprak suyu içeriği, mahsul üretiminden hava durumuna kadar birçok yer üstü ve yer altı işlemini düzenler. Son zamanlarda birçok eyalet ve federal kurum için kritik bir görev gereksinimi haline gelmiştir. Bu protokol, gömülü yerinde elektromanyetik sensörler kullanarak toprak nemini ölçmek için çok kurumlu çabaları sentezler.Bu protokol, tek bir istasyonu veya tüm ağı dağıtmayı uman bilim adamları ve mühendisler için yararlı olacaktır. Toprak suyu içeriği son zamanlarda küresel iklim gözlem sisteminde önemli bir iklim değişkeni olarak kabul edildi. Yine de, gömülü yerinde sensörlerin kurulması uygulamasında çok az standardizasyon olmuştur.Yazılı protokol ve videonun veri toplamayı geliştirebileceğini umuyoruz. Gömülü bir toprak suyu içerik sensörünün iyi veriler sağladığını doğrulamanın kolay bir yolu yoktur. İlk başta, sensörlerin toprakla iyi temas halinde olduğu ve kurulumun yerel toprak hidrolojisini etkilemediği konusunda güven ve güvence gerekir.Prosedürü gösteren, Maryland, Beltsville'deki USDA ARS Hidroloji ve Uzaktan Algılama Laboratuvarı'nda fizik bilimci olan Alex White olacak. Başlamak için, her sensörü ayrı ayrı bir veri kontrol platformuna bağlayın. Sensörün adresini sorgulamak için soru işareti ve ünlem komutunu kullanın ve değerleri, her sensörün seri numarası ve SDI-12 adresiyle birlikte bir laboratuvar defterine kaydedin.Ardından sensör kafasını ve kablo ucunu bir işaretleyici kullanarak SDI-12 adresiyle etiketleyin. Toprak suyu içeriği sensörlerini ve yardımcı sensörleri laboratuvarda kurun, bunları veri kontrol platformuna ve bataryaya bağlayın, toprak suyu içeriği sensörlerini havada asılı bırakın, kuru yere yerleştirin ve / veya suya batırın. Verilerin uygun oranlarda kaydedildiğini ve değerlerin uygun olduğunu doğrulayın.USDA SoilWeb uygulamasını kullanarak konumu sorgulayın ve bir post hole kazıcı kullanarak bir test deliği kazın. Tarla dokusunun toprak tanımıyla tutarlı olup olmadığını kontrol edin. Toprak yüzeyini bozulmadan korumak için kazı alanının üzerine bir muşamba yerleştirin.Bir sensörü açın ve sensör kafasını çukur yüzüne yerleştirin. Ardından, kablo uzunluğunun doğru olduğunu doğrulayarak kablo ucunu gösterge standının yerleştirileceği yere yerleştirin, gerektiğinde ayarlayın ve standın konumunu bir bayrakla işaretleyin. Bir direk deliği kazıcı kullanarak, yaklaşık 55 santimetre derinliğinde bir delik kazın.Keskin bir kürek kullanarak deliği temizleyin ve çukur yüzünün dikey olduğundan emin olun, böylece her sensörün üzerinde bozulmamış toprak olacaktır. Deliği ve rahatsız edilen alanı mümkün olduğunca küçük tutun, böylece hızlı bir şekilde iyileşir. Toprağı 10 santimetrelik artışlarla çıkarın ve her asansörü muşambanın uzak ucuna yerleştirin, herhangi bir parçayı parçalarken ve büyük kayaları çıkarırken her artışta daha da yaklaşın.Ardından, sensör kablolarını gömmek için 10 santimetreden daha derin düz, dar bir hendek kazın. Tüm sensörleri açın ve açmanın bir tarafına yerleştirin. Her sensör derinliğinde bir litrelik dondurucu torbasında temsili toprak örnekleri toplarken toprak rengindeki veya dokusundaki belirgin değişikliklerin derinliğine dikkat edin.Çukur yüzünün dikey olup olmadığını kontrol edin veya her sensörün üzerinde bozulmamış toprak olmasını sağlamak için hafifçe kesin. İlk olarak, 50 santimetrelik sensörü takın ve sensörü yatay olarak toprağa itin, sensörü kıpırdatmamaya çalışın, çünkü bu boşluklar yaratabilir. Gerekirse, dişlilerin toprağa tamamen gömülü olduğundan emin olarak sensörü nazikçe itmek için kaldıraç kullanın.Her sensör kablosunu çukurun aynı tarafına yönlendirerek kazı çukurunun dibine asılmalarını sağlayın. Kazılan deliğin ve sensörlerin fotoğrafını ölçek için mezura ile çekin. 100 santimetrelik sensör için, sensör çatal uzunluğunun yarısı eksi 100 santimetreye veya bu durumda 94 santimetreye kadar bir delik kazın.Sensörü bir kurulum aleti kullanarak deliğin dibine iterek dikey olarak takın. Burgu deliğini kazılan toprakla yeniden paketleyin. Tüm sensör kablolarını açmadan PVC kanalın bir bölümündeki muhafazaya ve muhafazaya girmek için bir bölme konektöründen geçirin.Ardından kablo lensini alt muhafaza bağlantı noktasına çekin, fermuarlı bağlarla sabitleyin ve beş sensörü bağlayın. Doğru akım voltajı için DC'ye ayarlanmış bir multimetre kullanarak akü üzerindeki voltajın yeterli olduğunu doğrulayın. Ardından, siyah negatif telin terminal konektörünü, pilin topraklama negatif direğindeki kürek terminalinin üzerinden, kırmızı teli ise pozitif pil direğinin üzerine kaydırın.Sistemi çalıştırmak için, pil kablosunu DCP'ye takın. Veri kontrol platformu yazılımını başlattıktan sonra, veri kontrol platformuna bir dizüstü bilgisayar bağlayın ve tüm sensörlerin sayısal değerleri bildirdiğini onaylayın. Yerin altındaki her şey çalıştıktan ve kablolar muhafazaya yönlendirildikten sonra, yer üstü ve yer altı muhafaza açıklıklarını elektrikli macunla doldurun ve kapatın.Muşambaya en yakın daha derin kazılmış toprağı kullanarak, toprağı her bir sensör kafasının etrafına, alttan başlayıp yukarı doğru çalışarak, sensörü rahatsız etmekten kaçınarak ve iyi sıkıştırıldığından emin olarak elle paketleyin. Çukuru 10 santimetrelik asansörlerle doldurun, 20 santimetrelik sensöre ulaşılana kadar yüzeyi pürüzsüzleştirin ve sıkıştırın. Toprağı sensör kafasının etrafına elle toplayın ve yüzeye ulaşana kadar 10 santimetrelik asansörlerle yukarı doğru devam edin.Kabloları sabitlemek için toprağı çukurun dibine sıkıştırırken, herhangi bir kuvvetle aşağı doğru çekmemeye dikkat edin. Tamamlanan istasyonun fotoğraflarını enstrüman direğinden kuzey, güney, doğu ve batı yönlerinde çekin. Sensör kurulum konumunu işaretleme veya diğer farklı öğelerle belirtin.Bu saha kurulumu, saatlik hava ve toprak sıcaklıklarını, toprak suyu içeriğini, günlük yağışları, toprak suyu depolamasını ve zaman içindeki değişimini rapor eder. Sonuçlar, yüzeye yakın toprak suyu içeriğinde keskin bir artış olduğunu ve her fırtınayı takiben daha büyük derinliklerde gecikmeli bir artış olduğunu göstermektedir. 2022'nin Şubat ve Nisan aylarındaki olaylar sırasında, 100 santimetredeki en derin sensör, metreküp başına 0.33 metreküplük bir platoya ulaştı ve bu da bir doygunluk dönemine işaret etti.Mississippi'deki benzer bir kurulum için, toprak suyu içeriği 40 milimetre yağıştan sonra tüm derinliklerde metreküp başına 0.60 metreküpe ulaşırken, 70 milimetre daha toprak suyu depolamasını etkilemedi, bu da doygunluğun aşırı akışını düşündürdü. Montana'daki benzer bir kurulum için, donmuş toprak ve kar örtüsü, Mart ayının ortalarında toprak suyu içeriğinde çarpıcı bir düşüşe, daha sonra herhangi bir yağış belirtisi olmadan çözülme sırasında bir artışa neden oldu. Kötü kurulum veya sensör arızasına işaret edebilecek ani artışlar, adım değişiklikleri ve salınımlar gibi düzensiz sensör davranışlarına karşı dikkatli olun.Sensör yerleştirme, özellikle kayalık, köklü veya kuru topraklarda zor olabilir. Sensör kafasının toprağa karşı aynı hizada itildiğinden emin olun. Bu protokol, kuraklık izleme, su temini tahmini, havza ve tarımsal yönetim ve mahsul planlaması dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için daha uyumlu ve üniforma haline getirilmiş toprak suyu içeriği verilerine yol açacaktır.Ulusal Koordineli Toprak Nemi İzleme Ağı, toprak nemi ölçümü, yorumlanması ve uygulanması etrafında bir uygulama topluluğu oluşturmaktadır. Veri sağlayıcıları, araştırmacıları ve halkı birbirine bağlayan bir insan ağıdır. Daha fazla ayrıntı için lütfen belgelere bakın.

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

Sürekli Tasarımı ve İşletilmesi<sup&gt; 13</sup&gt; C ve<sup&gt; 15</supÜniformalı veya Diferansiyel için&gt; N Etiketleme Odası, Metabolik ve Yapısal, Bitki İzotop Etiketleme

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

Entegre Saha Lysimetry ve gözenek suyu Örnekleme Topraklarda Kimyasal Hareketlilik Değerlendirilmesi ve kurulan Bitki Örtüsü

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

Statik Chambers kullanma Tarım Topraklarının Sera Gazı Flux Ölçümü

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

Topraklarda Atterberg Plastik Limiti Belirleme A Bükme Testi

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

Ekstraksiyon ve Topraklarda Mikrobiyal Fosfolipid Yağ Asitleri Analizi

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

Sıralı Fumigasyon Kuluçka Prosedürleri kullanma Toprakta Dayanıksız Organik Karbon Değerlendirilmesi

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

Toprak Yeniden örnekleme yöntemleri Orman Topraklarının Kimyasal Konsantrasyonlarına Değişiklik Monitör

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

Çim Bitkileri Sistemlerinde Transferli Pestisit Kalıntı miktarının için Protokoller

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

Kalibrasyon ve kapasite sensörler kullanımı ağaçlarda kök su içeriği izlemek için

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