ان قياس درجه الحرارة والمحتوي المائي لاعلي 5 مم من سطح التربة بدقه يمكن ان يحسن فهمنا للضوابط البيئية علي العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية. هنا نقوم بوصف بروتوكول لتصنيع ومعايره واجراء القياسات مع درجه حرارة سطح التربة وأجهزه استشعار الرطوبة.
ويعد قياس درجه الحرارة والرطوبة علي سطح التربة أمرا أساسيا لفهم كيفيه استجابه الكائنات الحيوية السطحية للتربة للتغيرات التي تطرا علي البيئة. ومع ذلك ، في سطح التربة هذه المتغيرات هي ديناميكية للغاية وأجهزه الاستشعار القياسية لا تقيس بوضوح درجه الحرارة أو الرطوبة في الملليمترات القليلة العليا من الملف الشخصي للتربة. تصف هذه الورقة طرقا لتصنيع أجهزه استشعار بسيطه وغير مكلفه تقيس في الوقت نفسه درجه الحرارة والرطوبة في الجزء العلوي الذي تبلغ مساحته 5 ملم من سطح التربة. بالاضافه إلى أجهزه الاستشعار البناء ، يتم شرح خطوات لمراقبه الجودة ، وكذلك للمعايرة لركائز مختلفه. وتتضمن أجهزه الاستشعار الحرارية من النوع E لقياس درجه الحرارة وتقييم رطوبة التربة عن طريق قياس المقاومة بين مسبارين معدنيين مطليين بالذهب في نهاية المستشعر بعمق 5 ملم. يمكن تغيير الطرق المعروضة هنا لتخصيص تحقيقات لأعماق مختلفه أو ركائز. وقد كانت هذه المجسات فعاله في بيئات متنوعة وعانيت أشهرا من الامطار الغزيرة في الغابات الاستوائية ، فضلا عن الإشعاع الشمسي المكثف في صحاري الولايات الجنوبية الغربية تظهر فعاليه هذه المستشعرات لتقييم الاحترار ، والتجفيف ، وتجميد سطح التربة في تجربه تغيير العالمية.
والمستشعرات البيئية أدوات حاسمه لتقييم ديناميات النظم الايكولوجيه ورصدها وفهمها. درجه الحرارة والرطوبة هي المحركات الاساسيه للعمليات البيولوجية في التربة والتاثير علي النشاط والتكوين المجتمعي للكائنات الحية1،2. بالاضافه إلى ذلك, وقد تبين ان درجه الحرارة والرطوبة تؤثر علي توقيت ظهور الشتلات ومعدلات تحلل القمامة3,4,5. وفي النظم الايكولوجيه للأراضي الجافة ، غالبا ما تكون أسطح التربة غير المغطية بنباتات الاوعيه الدموية مغطاه بمجتمعات الطحالب والدجاج والبكتيريا الزرقاء المعروفة بقشره التربة البيولوجية (الشكل 1). هذه المجتمعات موجودة علي سطح التربة ونادرا ما تخترق أعمق من بضعة ملليمترات في التربة6. ويمكن لقشور التربة البيولوجية ان تؤثر بقوة علي استقرار التربة ، وتسرب المياه ، ومعدلات التبخر ، والبياض ، ودرجه الحرارة ، وركوب المغذيات ، والتربة والغلاف الجوي CO2 تبادل7،8،9. المقابل ، بالنسبة لبعض النظم ، يمكن لنشاط هذه المجتمعات السطحية ان يهيمن علي سمات التربة العامة ومعدلات العمليات المختلفة10. يمكن لأجهزه الاستشعار التي تركز بشكل واضح علي القياسات علي أعماق ضحلة ان تساعدنا علي فهم كيفيه تاثير درجه الحرارة والرطوبة سطحي علي إنبات البذور ، ومعدلات التحلل ، واستجابات الكائنات الحيوية السطحية للتربة ، فضلا عن العديد من وظائف النظام الايكولوجي الأخرى.
وقد أظهرت التطورات الاخيره في تكنولوجيا استشعار التربة اهميه القياسات المكانية الواضحة لفهم العمليات البيولوجية علي سطح التربة11،12. وتتضمن الطرق التقليدية لتحليل رطوبة التربة أجهزه استشعار توضع تحت سطح التربة وتدمج في الغالب القياسات عبر الأعماق. رطوبة التربة التي سجلتها هذه التحقيقات يمكن ان تساعد في إبلاغ فهمنا للضوابط البيئية علي كائنات التربة ، ولكن من المرجح ان يغيب العديد من الفروق التي تحدث علي سطح التربة. لقياس محتوي المياه بشكل واضح من الملليمترات القليلة العليا من التربة ، ويبر وآخرون طورت مؤخرا تحقيقات البلل الأحادي (BWP) التي تحدد رطوبة التربة عن طريق الموصليه الكهربائية من سطح التربة إلى عمق 3 مم11. باستخدام مستشعرات ويبر بالتزامن مع تحقيقات الرطوبة المتكاملة من 0 إلى 5 سم ، اظهر تاكر وآخرون اهميه أجهزه استشعار الرطوبة التي تركز علي الملليمترات القليلة العليا من سطح التربة. وعلي وجه الخصوص ، لم تسجل احداث الترسيب الصغيرة ، التي كانت ذات صله وثيقة بنشاط المجتمعات المحلية الاحاديه ، للمسابر المتكاملة البالغة 0-50 مم (اي 5 سنتيمترات) ، ولم تكتشفها سوي الوحدات الخاصة بالسكان12. والمستشعرات التي تركز علي الملليمترات القليلة العليا من التربة ضرورية لقياس احداث الرطوبة التي ليست كبيره بما يكفي للتسلل إلى السطح ولكنها كافيه للحث علي الاستجابات من الكائنات الحيوية علي السطح.
درجه حرارة سطح التربة هو عامل بيئي هام آخر يقود العمليات الفسيولوجية. ويمكن ان تكون درجات حرارة سطح التربة القابلة للحرارة متغيرة للغاية ، لا سيما في الأماكن النباتية التي يتعرض فيها سطح التربة غير المظلل لكميات كبيره من الإشعاع الشمسي. أيضا, درجه حرارة أكثر متغيرة في التربة سطح من عميقة في التربة مظهر13 أو الهواء14. علي سبيل المثال ، أظهرت تاكر وآخرون الحد الأقصى لدرجه حرارة سطح التربة السطحية من حوالي 60 درجه مئوية (13-72 درجه مئوية) التي تحدث علي مدي 24 ساعة فقط. وقد قيست درجات الحرارة هذه باستخدام المزدوجات الحرارية التي أدخلت 3 ملم في سطح التربة. في الوقت نفسه, قريبه درجه حرارة تحقيقات 50 [م] عميقة يقيس مدي من فقط 30 [ك] (22-52 [ك]) اثناء ال نفسه يوم12. وأظهرت المزدوجات الحرارية التي تقيس بوضوح درجه الحرارة علي سطح التربة تباينا اعلي بكثير من أجهزه الاستشعار في أعماق 50 مم ، حيث كانت التربة السطحية 10 درجات مئوية أبرد في الليل و 20 درجه مئوية أكثر دفئا خلال حرارة اليوم بالنسبة للقيم العميقة 50 مم.
درجه الحرارة يمثل السيطرة الحرجة علي العمليات الفسيولوجية. علي سبيل المثال ، في رطوبة التربة الثابتة في الظروف المختبرية ، CO2 الخسائر من التربة زيادة كبيره مع ارتفاع درجات الحرارة في معظم النظم الايكولوجيه2،15،16. المثل ، فقد أظهرت البيانات المستمدة من دراسات التلاعب بالمناخ الميداني التي تهدف إلى زيادة درجه حرارة المؤامرة بالنسبة للضوابط ان التربة الدافئة تطلق أكثر من2 من التربة غير المسخنة القريبة (علي الأقل في السنوات الاولي من العلاجات17و18). وقد ثبت ان كلا من درجه الحرارة والرطوبة لتكون المتغيرات البيئية الهامه وأجهزه الاستشعار التي يمكن ان تلتقط بدقه الظروف المناخية سطح التربة يمكن ان توضح كيف انها تؤثر علي العمليات الفسيولوجية للكائنات الحية في سطح التربة11,12.
وتقدم هذه الورقة أجهزه استشعار مصممه لقياس درجه الحرارة والرطوبة علي حد سواء إلى عمق 5 مم تحت سطح التربة ، مما يوفر قوه كبيره في تقييم كيفيه تفاعل هذه المتغيرات مع الاستجابات البيولوجية ودفعها من سطحي الكائنات الحيوية. يتكون الحرارية من نوع E من اثنين من المعادن (الكروميل والكونستانتان) ، والتغيرات في درجه الحرارة في المعادن خلق الفولتية المختلفة التي يتم تسجيلها من قبل مسجل البيانات. يقيس مستشعر رطوبة التربة المقاومة بين الشوكتين المعدنيتين المطليتين بالذهب. تتاثر المقاومة بمحتوي مياه التربة ، لان المزيد من المياه يزيد من التوصيل التالي يقلل من المقاومة بين الشوك. وبعد تصميم ويبر وآخرون11، تقيس هذه المستشعرات رطوبة التربة إلى عمق 5 ملم وتشمل بالاضافه إلى ذلك الحرارية لقياس درجه الحرارة علي نفس المسبار. تسمح هذه المستشعرات برؤية محسنه لكيفيه تغير ديناميات الحرارة والرطوبة في الحفل علي سطح التربة باستخدام مسبار واحد. وتوفر هذه التحقيقات فرصا لا تحصي لاستكشاف كيف تستجيب الكائنات الحية التي تعيش علي السطح للتغيرات في بيئتها. ومن الفوائد الاضافيه لأجهزه الاستشعار هذه انها بسيطه نسبيا وغير مكلفه للبناء والمعايرة ، وان الباحثين سيتمكنون بسهوله من اعتماد استخدامها.
يصف البروتوكول التالي بالتفصيل المواد والأساليب لبناء أجهزه الاستشعار ، بما في ذلك الخطوط العريضة لتوصيل أجهزه الاستشعار إلى البيانات الحطابين. وتستخدم هذه المجسات قاطعي الأشجار المتاحين تجاريا ، ولكن يمكن استخدام اي مسجل بيانات يمكن إرفاقه بمعدد الإرسال. كما توصف طرق معايره أجهزه الاستشعار لركائز الفائدة.
يمكن ان تكون درجه حرارة سطح التربة وتحقيقات الرطوبة أدوات فعاله لتحليل درجه الحرارة ومحتوي المياه علي سطح التربة. وباستثناء تحقيقات البلل التي طورتها شركه ويبر وآخرون11، فان درجه حرارة التربة الشائعة ومستشعرات الرطوبة لا تقيس بوضوح هذه المتغيرات البيئية في الملليمترات القليلة العليا من سطح التربة. وفي وقت التطوير ، قدرت الوحدة رطوبة التربة علي السطح وليس درجه الحرارة20. مع تصميم BWP الأصلي المستخدم كدليل ، تم تطوير التحقيقات الموصوفة في هذه المخطوطة لقياس درجه الحرارة والرطوبة في نفس الوقت لتقييم كيفيه تفاعل هذه المتغيرات البيئية مع بعضها البعض ، وكذلك مع العمليات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية علي سطح التربة.
هناك عدد من الاعتبارات لضمان التشغيل الأمثل لهذه المجسات. اثناء بناء جهاز الاستشعار ، من المهم ان نحرص علي عدم قطع من خلال الاغلفه الداخلية وفضح الأسلاك المعدنية الاساسيه. وهذا يمكن ان يؤدي إلى الاختلاف في التوصيل والمتقاطع بين الأسلاك. ومن المهم أيضا اختبار كل من المزدوجات الحرارية وأجهزه الاستشعار المقاومة لكل مسبار في نفس البيئة ، للتاكد من انها شيدت بشكل صحيح وان الاختلافات في القراءات ترجع إلى الاختلافات الفيزيائية والكيميائية في الركيزة التربة يجري قياس. خلال عمليه المعايرة ، عدد كبير بما فيه الكفاية عينه من المقاومة ومعايره GWC أمر بالغ الاهميه لحساب بشكل صحيح للتباين في التربة أو ركائز بيووكريست. أيضا ، فمن الأفضل لاختبار نفس المسبار والركيزة مزيج مرتين ، من الرطب إلى الجاف ، كما هو شائع لهذه التحقيقات إلى “الانجراف” مع مرور الوقت بسبب التحليل الكهربائي أو التاكل. بالاضافه إلى ذلك ، اثناء المعايرة من المهم استخدام عينات الركيزة الضحلة التي هي فقط عميقة بما يكفي لاستيعاب طول المسبار (اي ما بين 6 و 7 ملم) ، بحيث تقاس أوزان المياه من الماء في المقام الأول في منطقه قياسات الموصلات (بين وحول المجسات). وهذا يضمن ان التغيرات في كتله المياه في التربة ترتبط مباشره بالتغيرات في قياسات المقاومة للمسابر. وأخيرا ، عند نشر هذه التحقيقات في الميدان ، من المهم تامين التحقيقات بشكل صحيح إلى سطح التربة (علي سبيل المثال ، مع أوتاد الحديقة غير الموصلة) ، والتي ستحد من التداخل في قياسات التوصيل ولكن يمكنها ضمان عدم تحول المستشعرات إلى موضع والتقليل من جوده القياسات طويلة الأجل.
ومن المهم أيضا ملاحظه بعض القيود المفروضة علي أجهزه الاستشعار هذه. لان التحقيقات المقاومة هي فقط 5 ملم طويلة ، يمكن ان تتاثر قياساتها بشده من المساحات الكبيرة التي تملا الهواء المسام في ركائز. وتؤدي الفجوات الكبيرة في الهواء علي طول المجسات إلى تقليل القدرة علي الاتصال بالركيزة وتفضي عموما إلى انخفاض الموصليه المقيسة التالي انخفاض المحتوي المقدر للمياه ، وهو ما قد لا يعكس رطوبة التربة الفعلية عبر الموازين الأكبر. المثل ، يمكن ان يؤثر التركيب الكيميائي للتربة علي قراءات رطوبة التربة. ارتفاع ملوحة سيزيد الموصليه ويقود إلى [سيمنس] [هيغر] قيم21. يجب حل كلا المشكلتين مع المعايرة المناسبة الركيزة الخاصة. ومع ذلك ، قد تحافظ بعض التربة علي الاختلافات الكيميائية أو لديها بنيه كبيره للمساحة المسام يمكن ان تجعلها بيئات رديئه لأجهزه الاستشعار هذه. درجه الحرارة يؤثر أيضا علي الموصليه الكهربائية للتربة ، التالي يجب ان تعتبر15. في المستقبل ، يجب اجراء معايره درجه الحرارة مع هذه المجسات لتحديد كيف تغير درجات الحرارة مقاومه الركائز المقاسه.
مثل مجسات البلل Biocrust التي وضعتها ويبر وآخرون11، وهذه المعايرة الاستشعار تظهر ان قياسات المقاومة موثوقه في محتويات المياه المتوسطة ، ولكن انها تواجه بعض التشوات في محتويات المياه عاليه جدا ومنخفضه (الشكل 6). الاضافه إلى ذلك ، خلال المعايرة الجافة إلى أسفل ، وقيم المقاومة تقرا أحيانا الصفر عندما كان هناك لا يزال بعض المياه الموجودة في عينه الركيزة. ويمكن ان يكون هذا بسبب كميه الركيزة في حاويه المعايرة كونها أكبر قليلا من المنطقة التي يقاسها جهاز الاستشعار. إذا كان الماء موجودا خارج منطقه المقاومة ، فان المستشعر يقرا الصفر في حين ان الركيزة لا تزال لديها الرطوبة الحالية. وقد اتخذت الرعاية لإنقاص حجم الركيزة دون المساومة علي قياسات المقاومة. بما ان ماء يزيد محتوي, مقاومه قيم ضمن الركيزة تناقص, يقود إلى [سيمنس] [هيغر] مخرجات. ومع ذلك ، في اعلي محتويات المياه ، وزيادة القيم المقاومة مع زيادة محتوي المياه. وهذا يؤدي إلى “هوك” في بيانات المعايرة كما هو معروف في الشكل 1ج. كان هذا هوك موجودا في كل الركيزة المستخدمة للمعايرة ولكن كان أبرزها في التربة الرملية الجميلة (الشكل 6). يشير ويبر وآخرون11 إلى ان السبب المحتمل لزيادة المقاومة غير الطبيعية في محتويات المياه المرتفعة هو ان الماء الإضافي يخفف الأيونات في التربة المشبعة ، مما يزيد من المقاومة.
وتعتمد هذه المستشعرات حاليا علي استخدام تكنولوجيات الإرسال المعدد ومسجلات البيانات الموجودة. المعدد يسمح لأجهزه الاستشعار ان تكون “إيقاف” ويرسل فقط الحالية إلى أجهزه الاستشعار في الوقت المبرمج. وهذا يمنع محطات استشعار رطوبة التربة من التاكل. وتقدم الشركات الكترونيه الأخرى المسجلة للبيانات والبدائل المعددة للمسابر ، ويمكن أيضا ادراج لوحات الدوائر القابلة للبرمجة وأجهزه الكمبيوتر لتصميم لاسلكي لدرجه حرارة التربة وأجهزه استشعار الرطوبة ، والتي يمكن ان تمثل تقدم مثيره.
تصميم وبناء أجهزه الاستشعار يسمح للباحث لتخصيص التحقيقات. يمكن التلاعب بطول واتجاه الشوك لتقييم الرطوبة بشكل أفضل في مختلف الأوساط أو في أعماق مختلفه. يمكن ان يؤمر الأسلاك المخصصة للسماح للتصاميم مع رؤساء أجهزه الاستشعار متعددة المنبثقة من نفس الكابل. ومع أضافه خيارات غير مكلفه لتسجيل البيانات وتعدد الإرسال ، توفر هذه المستشعرات خيارا غير مكلف ومتاحا للباحثين لقياس درجه الحرارة ورطوبة التربة علي سطح التربة. ويشمل ذلك قياس الاحداث التي يصعب التقاطها ، مثل الصقيع وتشكيل الندي (الشكل 8) ، وأثار العلاج التجريبية مثل الاحترار (الشكل 7). تقدم هذه الورقة دليل خطوه بخطوه لبناء أجهزه استشعار سطح التربة التي تقيس في الوقت نفسه درجه الحرارة والرطوبة ، والتي يمكن استخدامها وصقلها من قبل اي شخص مهتم في تقييم بيئة المجتمعات المحلية الاحاديه والطبقات السطحية للعديد من أنواع التربة الأخرى.
The authors have nothing to disclose.
ونحن نشكر روبن Reibold له دقيق قوس لحام و Cara Lauria لدقه لها اثناء المعايرة. ونحن ممتنون للدكتور ستيف فأيك وثلاثه من المراجعين المجهولين لتعليقاتهم المفيدة علي مسودة سابقه لهذه المخطوطة. وقد حظي هذا العمل بدعم برنامج الدراسات الجيولوجية الامريكيه لعلوم تغيير الأراضي ومكتب وزاره الطاقة الامريكيه للعلوم ، ومكتب البحوث البيولوجية والبيئية لعلوم النظم الايكولوجيه الارضيه (جوائز 89243018SSC000017 و DESC-0008168). وحظي عمل المنظمة بدعم مؤسسه البحوث المانيه (المنح WE2393/2-1 ، 2-2) ، وجمعيه ماكس بلانك ، وجامعه غراتس. وأي استخدام لأسماء التجارة أو الشركات أو المنتجات هو لأغراض وصفيه فقط ولا ينطوي علي تاييد من الحكومة الامريكيه.
Single sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004848 | Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR |
Double sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004635 | Cable; 2Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS |
Thermocouple cable | Omega.com | Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) | Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error |
Eight prong terminal strip | Samtec.com | MTSW-108-21-G-S-1130-RA | |
Four prong terminal strip | Samtec.com | MTSW-104-21-G-S-1130-RA | |
Two prong socket strip | Samtec.com | SSW-102-03-G-S | |
0.13" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K51 | |
0.25" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K53 | |
0.38" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K54 | |
0.5" moisture-seal heat shrink tubing | McMaster.com | Part #: 7861K55 | |
Liquid electrical tape | McMaster.com | Part #: 76425A23 | |
Metal film resistor | Newark.com | Part #: RN55C1001BB14 | |
Voltage divider resistor | Newark.com | Part #: 83F1210 | |
16- or 32-Channel Relay Multiplexer | campbellsci.com | AM16/32B | This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly |
CR1000X Measurement and Control Datalogger | campbellsci.com | CR1000X |