JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

Ter plaatse Bodemvochtsensoren in ongestoorde bodems

Published: November 18, 2022
doi:
10.3791/64498
, , , , , , , ,
1Nevada Water Science Center,U.S. Geological Survey, 2Agricultural Research Service, Hydrology and Remote Sensing Lab.,U.S. Department of Agriculture, 3Agricultural Research Service, Conservation and Production Research Lab.,U.S. Department of Agriculture, 4South Dakota State University, 5National Water and Climate Center,U.S. Department of Agriculture, 6University of Oklahoma, 7Air Resources Lab,National Oceanic and Atmospheric Administration, 8National Integrated Drought Information System,National Oceanic and Atmospheric Administration, 9Snow Survey Staff,U.S. Department of Agriculture

Summary

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

Abstract

Bodemvocht heeft een directe invloed op de operationele hydrologie, voedselzekerheid, ecosysteemdiensten en het klimaatsysteem. De acceptatie van bodemvochtgegevens is echter traag geweest als gevolg van inconsistente gegevensverzameling, slechte standaardisatie en meestal korte recordduur. Bodemvocht, of kwantitatief volumetrisch bodemwatergehalte (SWC), wordt gemeten met behulp van begraven, in situ sensoren die SWC afleiden uit een elektromagnetische respons. Dit signaal kan aanzienlijk variëren met lokale locatieomstandigheden zoals kleigehalte en mineralogie, zoutgehalte van de bodem of elektrische geleidbaarheid in bulk en bodemtemperatuur; Elk van deze kan verschillende effecten hebben, afhankelijk van de sensortechnologie.

Bovendien kunnen slecht bodemcontact en sensordegradatie de kwaliteit van deze metingen in de loop van de tijd beïnvloeden. In tegenstelling tot meer traditionele omgevingssensoren zijn er geen geaccepteerde normen, onderhoudspraktijken of kwaliteitscontroles voor SWC-gegevens. Als zodanig is SWC een uitdagende meting voor veel milieumonitoringnetwerken om te implementeren. Hier proberen we een community-based praktijkstandaard voor in situ SWC-sensoren vast te stellen, zodat toekomstig onderzoek en toepassingen consistente richtlijnen hebben voor locatieselectie, sensorinstallatie, gegevensinterpretatie en langetermijnonderhoud van meetstations.

De videografie richt zich op een multi-agency consensus van best-practices en aanbevelingen voor de installatie van in situ SWC-sensoren. Dit artikel geeft een overzicht van dit protocol, samen met de verschillende stappen die essentieel zijn voor hoogwaardige en langdurige SWC-gegevensverzameling. Dit protocol zal van nut zijn voor wetenschappers en ingenieurs die hopen een enkel station of een heel netwerk in te zetten.

Introduction

Bodemvocht werd onlangs erkend als een essentiële klimaatvariabele in het Global Observing Climate System1. Bodemvocht, of kwantitatief volumetrisch bodemwatergehalte (SWC), speelt een belangrijke rol bij het verdelen van de flux van inkomende straling in latente en gevoelige warmte tussen het aardoppervlak en de atmosfeer, en het verdelen van neerslag tussen afspoeling en infiltratie2. De spatiotemporele variabiliteit van bodemvocht op de punt-, veld- en stroomgebiedschalen bemoeilijkt echter ons vermogen om SWC te meten op de juiste schaal die nodig is om onderzoeks- of managementdoelente bereiken 3. Nieuwe methoden om SWC te kwantificeren, waaronder op de grond gebaseerde netwerken van in situ sensoren, proximale detectoren en teledetectie, bieden unieke mogelijkheden om de variatie van SWC in kaart te brengen met een ongekende resolutie4. In situ SWC-sensoren bieden de meest temporeel continue en dieptespecifieke gegevensrecords, maar zijn ook onderhevig aan kleine detectievolumes en variabiliteit op lokale schaal die inherent is aan bodemeigenschappen, topografie en vegetatiebedekking5.

Bovendien is er een gebrek aan normen of algemeen aanvaarde methoden voor de installatie, kalibratie, validatie, onderhoud en kwaliteitscontrole van in situ SWC-sensoren. Bodemvocht is inherent een uitdagende parameter om te meten en kan de moeilijkste variabele zijn om de kwaliteit te waarborgen6. Hoewel algemene protocollen voor het verzamelen van SWC-gegevens zijn geproduceerd door het Internationaal Atoomenergieagentschap7, het Committee on Earth Observation Satellites8, rapportenvan het federale agentschap 9 en de American Association of State Climatologists10, zijn er beperkte specifieke richtlijnen voor de installatie, het onderhoud, de kwaliteitscontrole en de verificatie van SWC-gegevens van begraven in situ Sondes. Dit heeft de toepassing van dergelijke technologieën uitdagend gemaakt voor operationele monitoringnetwerken, zoals staatsmesonets, om SWC-metingen toe te voegen. Evenzo is het ook een uitdaging voor operationele hydrologen, bijvoorbeeld bij riviervoorspellingscentra, om deze gegevens in hun workflow op te nemen. Het doel van deze videografie en het begeleidende papier is om dergelijke richtlijnen te bieden en een samenhangend installatieprotocol te documenteren voor begraven in situ SWC-sondes.

Het selecteren van een locatie voor in situ bodemvochtmonitoring
De bodems binnen elk interessegebied (AOI) vormen zich door een unieke en gekoppelde feedback in de loop van de tijd tussen de topografie, ecologie, geologie en klimaat11,12. De variabiliteit van SWC in landschappen maakt locatieselectie een cruciaal aspect voor elk bodemvochtonderzoek. Voor sommige onderzoeksdoelen kan een site worden gekozen om een bepaald kenmerk of microsite op het landschap of ecosysteem te vertegenwoordigen. Ten behoeve van meetnetten moet het gebied ruimtelijk representatief zijn voor een groter landschapsdeel. Het doel is om een locatie te vinden die de beste ruimtelijke weergave van de AOI biedt. In het veld moeten meer pragmatische overwegingen worden gemaakt, zoals de vereisten van andere meteorologische instrumenten, toegankelijkheid of vergunning. De dominante bodemkaarteenheid binnen de AOI is echter meestal een goede ruimtelijke weergave van de omgevingscondities van een groter gebied13. De dominante bodemkaarteenheid kan worden bepaald met behulp van het Web Bodemonderzoek (https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/); Deze bodemkaarteenheid moet ook worden geverifieerd met een ondiepe put of testgat.

Een typisch meetstation kan 5-50 m2 beslaan, afhankelijk van de sensorbehoeften en het aantal aanvullende metingen. Figuur 1 toont een typisch meetstation met een toren van 3 m met een anemometer voor windsnelheid en -richting, een luchttemperatuur- en relatieve vochtigheidssensor, een pyranometer voor zonnestraling en een weerbestendige en waterdichte behuizing van de National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (NEMA-classificatie 4). De NEMA-behuizing herbergt het datacontroleplatform (DCP), mobiele modem, laadregelaar voor zonnepanelen, batterij en andere gerelateerde hardware (zie Materiaaltabel; Systeemcomponenten). De toren biedt ook een platform voor de communicatieantenne, het zonnepaneel en de bliksemafleider. Een vloeibare neerslag (PPT) gage is meestal ook inbegrepen, die uit de buurt van de toren en op de laagst mogelijke hoogte moet worden geplaatst om windeffecten op PPT-vangst te verminderen. De SWC-sensoren moeten op voldoende afstand (3-4 m) en op voldoende afstand (3-4 m) en op helling worden geïnstalleerd, zodat er geen potentiële interferentie van de toren is bij regenval of overlandstroming. Alle gerelateerde kabels moeten worden begraven in een leiding van ten minste 5 cm onder het oppervlak.

Figure 1
Figuur 1: Een typisch meetstation. De USDA SCAN verzamelt elk uur informatie over het bodemwatergehalte en de temperatuur op standaarddiepten (5, 10, 20, 50 en 100 cm), luchttemperatuur, relatieve vochtigheid, zonnestraling, windsnelheid en -richting, neerslag en barometrische druk. Er zijn meer dan 200 SCAN-sites in de VS. Afkortingen: SCAN = Soil Climate Analysis Network; NEMA = Nationale Vereniging van Elektrische Fabrikanten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Meetdiepte, oriëntatie en aantal sensoren
In situ SWC-sensoren worden meestal horizontaal geïnstalleerd om specifieke diepten in de bodem weer te geven (figuur 2). Federaal gefinancierde, nationale netwerken zoals het Soil Climate Network (SCAN)14, Snow Telemetry Network (SNOTEL)15 en U.S. Climate Reference Network (USCRN)16 meten SWC op 5, 10, 20, 50 en 100 cm. Deze diepten werden bereikt door consensus tijdens de ontwikkeling van het SCAN om verschillende redenen. De diepte van 5 cm komt overeen met teledetectiemogelijkheden17; 10 en 20 cm diepte zijn historische metingen voor bodemtemperatuur18; 50 en 100 cm diepte complete wortelzone bodemwaterberging.

Sondes kunnen verticaal, horizontaal of schuin/schuin worden georiënteerd (figuur 3). Horizontale installatie is het meest gebruikelijk om een uniforme bodemtemperatuurmeting op een discrete diepte te bereiken. Hoewel de sensor op een discrete diepte kan worden gecentreerd, is SWC-meting een volume rond de tanden (d.w.z. elektroden), dat kan variëren met vochtniveaus, meetfrequentie en de geometrie van de installatie (horizontaal, verticaal of schuin). Voor horizontale installatie integreert het sensorvolume vocht boven en onder de diepte en 95% van het detectievolume bevindt zich meestal binnen 3 cm van de tanden19. Verticale of schuine installaties integreren SWC langs de tanden, zodat verticale installatie de opslag over de gehele lengte van de sensordiepte20 kan vertegenwoordigen. Sommige sensoren meten niet gelijkmatig langs hun tanden. Transmissielijnoscillatoren zijn bijvoorbeeld gevoeliger voor vocht in de buurt van de sondekop waar de elektromagnetische pulsen worden gegenereerd21. Verticale installaties zijn meer geschikt voor diepere sondes waar temperatuur- en vochtgradiënten de neiging hebben om te worden verminderd.

Figure 2
Figuur 2: Installatie van in situ SWC-sensoren. Horizontale sensorplaatsing op gekozen diepten met behulp van (A,B) een nuldieptereferentiemal en (C) een nuldieptebord of (D) een nuldieptehandgreep ter referentie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Oriëntatie van sondes verticaal, horizontaal of met een helling . (A) Schuine en verticale insertie en (B) horizontaal-verticale insertie en horizontaal-horizontale insertie centrumdiepte van een drie-tined SWC-sensor. Afkorting: SWC = bodemwatergehalte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Installatie op dieptes kleiner dan 50 cm is relatief intuïtief, terwijl diepere sensoren iets meer moeite kosten. Wortelzone SWC of profiel bodemwateropslag vereist meestal metingen tot 1 of 2 m. Zoals geïllustreerd in dit protocol, worden installaties van 0-50 cm voltooid in een uitgegraven put of vijzelgat met sondes die horizontaal in de ongestoorde grond zijn geïnstalleerd, waardoor de oppervlakteverstoring wordt geminimaliseerd. Voor diepere sensoren (bijv. 100 cm) installeren zowel SCAN als USCRN de sensor verticaal in afzonderlijke, met de hand bewerkte gaten met behulp van een verlengpaal (figuur 4).

Gezien de heterogeniteit van SWC, met name in de buurt van het oppervlak, en de kleine meetvolumes van sensoren, zorgen drievoudige metingen voor een betere statistische weergave van SWC. Eén profiel van in situ sensoren is echter typisch voor de meeste netwerken (bijv. SCAN en SNOTEL). De USCRN gebruikt drie profielen die 3-4 m uit elkaar staan om drievoudige metingen te doen op elke diepte16. Bovendien voegt redundantie in de meting veerkracht en continuïteit toe aan het stationsrecord als er financiële middelen beschikbaar zijn.

Figure 4
Figuur 4: Installatie van sensoren . (A) Ondiepe sensoren worden meestal horizontaal in de zijwand van een uitgegraven grondput geïnstalleerd. Voor diepere sensoren wordt (B) een handvijzel gebruikt om een gat op diepte te graven met behulp van een nuldieptereferentie (bijvoorbeeld hout dat de sleuf overspant) en de sensoren worden verticaal in de bodem van gaten geduwd met behulp van (C) een deel van de PVC-buis dat is aangepast om de sensor en kabel tijdens de installatie vast te zetten of (D) een installatietool. Bodemlagen worden aangeduid als bovengrond (A-horizon) en ondergrondse horizonten met getransloceerde klei (Bt) en carbonaataccumulatie (Bk). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In situ SWC-sensortype
In de handel verkrijgbare sensoren leiden SWC af uit de gemeten respons op een elektromagnetisch signaal dat zich voortplant langs tanden in direct contact met de bodem22. Begraven sensoren vallen in vijf klassen, afhankelijk van het type elektromagnetisch signaal dat wordt voortgeplant en de methode om de respons te meten: capaciteit, impedantie, tijddomeinreflectometrie, tijddomeintransmissometrie en transmissielijnoscillatie (aanvullende tabel S1, met links naar de informatie van elke fabrikant). Deze technologieën hebben de neiging om te groeperen op bedrijfsfrequentie en fabrikant. Langere tanden integreren een groter volume grond; ze kunnen echter moeilijker in te brengen zijn en zijn meer onderhevig aan signaalverlies in bodems met klei en een hogere bulk elektrische geleidbaarheid (BEC). Fabrikanten rapporteren SWC-meetfouten van 0,02-0,03 m3m−3, terwijl gebruikers deze doorgaans aanzienlijk groter vinden 23. Goede kalibratie en standaardisatie van elektromagnetische sensoren verbetert de prestaties22; Deze bodemspecifieke kalibraties vallen echter buiten het toepassingsgebied van dit protocol, dat zich richt op installatie.

Bij de selectie van de sensor moet rekening worden gehouden met de gewenste output, meetmethode, bedrijfsfrequentie en compatibiliteit met andere metingen. Vóór 2010 waren de meeste SWC-sensoren analoog en moest de DCP metingen doen van differentiële spanningen, weerstanden of pulstellingen, waarvoor duurdere componenten en individuele kanalen (of multiplexers) voor elke sensor nodig waren. Nu stelt de seriële data-interface op 1.200 baud (SDI-12) communicatieprotocollen (http://www.sdi-12.org/) slimme sensoren in staat om interne meetalgoritmen te implementeren en vervolgens digitale gegevens langs een enkele communicatiekabel te verzenden. Elke sensor kan achter elkaar worden aangesloten (d.w.z. een daisy chain) met behulp van een gemeenschappelijke draad die is verbonden door hefboommoer of klemmenblokconnectoren (figuur 5) waarbij elke sensor een uniek SDI-12-adres heeft (0-9, a-z en A-Z). De gemeenschappelijke communicatiedraad van SDI-12-sensoren vormt een enkel circuit samen met een stroom- en aardingsdraad. Multiplexers of metingen bij de DCP zijn niet vereist; in plaats daarvan verzendt en ontvangt de DCP eenvoudig digitale opdrachten en tekstregels. Veel SDI-12 SWC-sensoren bevatten ook bodemtemperatuur, relatieve permittiviteit (ε) en BEC-metingen. Dergelijke metingen zijn nuttig voor sensordiagnostiek en bodemspecifieke kalibratie. Op dit punt heeft de gebruiker een site geselecteerd, het sensortype, het aantal en de diepten bepaald en alle benodigde hardware en veldgereedschappen verkregen (materiaaltabel). Zo kunnen ze doorgaan naar het installatieprotocol.

Figure 5
Figuur 5: Draadverbindingen en aansluitklemmen die worden gebruikt om gemeenschappelijke stroom-, massa- en communicatiedraden te verbinden met een enkele ingang op het platform voor gegevensverzameling. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

1. Pre-installatie voorbereiding van sensoren Controleer het SDI-12-adres. Sensoren worden door de fabrikant ingesteld op een standaardadres. Sluit elke sensor afzonderlijk aan op een data control platform (DCP) met behulp van de ?! om het adres van de sensor op te vragen.OPMERKING: Elke sensor op een gemeenschappelijke gegevenslijn moet een uniek adres hebben (bijvoorbeeld 0-9). Raadpleeg de sensorhandleiding voor SDI-12-adressering en het wijzigen van de waarde van een sensor, indien nodig. Neem een meting (bijv. “aM!”, waarbij a het adres is) in lucht, droog zand en ondergedompeld in water.OPMERKING: Luchtmetingen moeten 0,00 m 3 m-3 (relatieve permittiviteit [ε] ~ 1) zijn, speelzand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) en water ~ 1,00 m 3 m-3 (ε ~ 80). Noteer deze waarden samen met het serienummer en het SDI-12-adres van elke sensor in een laboratoriumboek. Label met behulp van een marker de sensorkop en het kabeluiteinde met het adresnummer. Controleer het DCP-programma. Sommige DCP’s zijn plug-and-play, maar de meeste vereisen een programma om metingen uit te voeren en gegevens vast te leggen. Stel de SWC-sensoren en eventuele aanvullende sensoren in het lab in en sluit ze allemaal aan op de DCP en de batterij. Laat de SWC-sensoren in de lucht hangen, in droog speelzand worden geplaatst of in water worden ondergedompeld, zodat de tanden elkaar niet raken.OPMERKING: Luchtmetingen moeten 0,00 m 3 m-3 (relatieve permittiviteit [ε] ~ 1), speelzand < 0,02 m 3 m 3 (ε < 4) en water ~ 1,00 m 3 m-3 (ε ~ 80) zijn. Laat het systeem ‘s nachts of langer draaien. Controleer of de gegevens met de juiste snelheden worden geregistreerd en of de waarden (bijv. het juiste aantal kolommen, significante cijfers) geschikt zijn. Controleer ook eventuele aanvullende SWC-sensoruitgangen (bijv. Temperatuur en BEC). Laat het systeem minstens 1 dag draaien. Controleer of de gegevenstabellen juist zijn.OPMERKING: Sommige DCP’s zijn plug-and-play, maar de meeste vereisen een programma om metingen uit te voeren en gegevens vast te leggen. 2. Bepaal de veldindeling Voordat u begint met graven, belt u 811 (VS en Canada) ten minste 2 dagen voor de opgraving om de aanwezigheid van ondergrondse infrastructuur (bijv. Elektrische draden, watervoorziening, gasleidingen) te verifiëren. Het niet verzekeren van dergelijke goedkeuringen kan leiden tot aanzienlijke boetes en aansprakelijkheid. Controleer de bodemkaarteenheid op de putlocatie. Gebruik de USDA SoilWeb-app, beschikbaar voor iOS- en Android-smartphones, om de locatie op te vragen. Graaf een testgat met behulp van een handvijzel met een diameter van 5-10 cm om te controleren of de veldtextuur consistent is met de beschrijving van de kaarteenheid. Controleer op problemen zoals harde lagen (bijvoorbeeld ploegpannen, caliche of argillic-horizonten) of lagen met hoge rotsfragmenten; Beide gevallen kunnen het inbrengen van sondes moeilijk of zelfs onmogelijk maken. Bepaal de beste locatie voor de sensoren. Elke sensor wordt geïnstalleerd in het verticale vlak van een ongestoorde bodem.OPMERKING: Als er een helling bestaat, moet de pijler omhoog zijn om preferentiële stroming door verstoorde grond en langs kabelsleuven te minimaliseren. Gebruik een kleine (1 m2) plaat multiplex of een zeil om het bodemoppervlak te beschermen en te voorkomen dat veldwerkers ongestoord op de grond rondfrezen. Bepaal de locatie van de instrumentmast. Zorg ervoor dat de sensoren zich op voldoende afstand van de mast bevinden om voetverkeer en eventuele effecten van de toren te minimaliseren.OPMERKING: Voorraad kabels van 5 m zijn over het algemeen voldoende voor de meeste installaties.Gebruik de kortst mogelijke kabellengte om oppervlakteverstoring en de kans op breuk te minimaliseren.OPMERKING: Als de instrumentmast al op een bestaande locatie staat, kan een langere leiding nodig zijn om een representatieve bodem te bereiken; als alternatief kunnen draadloze technologieën worden overwogen (zie “Aanvullende gedachten over locatieselectie”). Zorg ervoor dat de totale afstand tot de instrumentenstandaard 80%-90% van de kabellengte is om rekening te houden met extra kabel die nodig is om van de installatiediepte, door de leiding en omhoog naar de behuizing te leiden.OPMERKING: Draadbeheer kan lastig zijn wanneer veel SWC-sensoren op een centraal punt komen. Dunnere kabels moeten worden begraven in PVC-leidingen, terwijl stijve, dikkere kabels direct kunnen worden begraven. Graaf voor beide een geul die >10 cm diep en 10-15 cm breed is. Zorg ervoor dat de behuizing een toegangspunt heeft voor bovengrondse sensoren en een buispoort voor ondergrondse sensoren (figuur 5). Monteer de behuizing op een comfortabele hoogte (1 m) voor bedrading. Aanbeveling: Maak een sensor los. Plaats de sensorkop op de putzijde en plaats deze aan het kabeluiteinde bij de instrumentenstandaard. Controleer of de kabellengte correct is en pas deze indien nodig aan. 3. Uitgraven van de grondput OPMERKING: De grondput kan handmatig of mechanisch worden uitgegraven. Het doel is om de algehele verstoring van de site tot een minimum te beperken. Voor de met de hand gegraven put legt u nog een groter zeil (2 m2) naast het graafgebied. Gebruik een smalle spade (bijvoorbeeld scherpschutter) om een rechthoekig gat uit te graven tot een diepte van ~ 55 cm. Zorg ervoor dat het putvlak, dat momenteel wordt beschermd door multiplex of zeil (stap 2.4), verticaal is (of iets is teruggesneden), zodat elke sensor ongestoorde grond erboven heeft. Zorg er ook voor dat de put 20-40 cm breed is en ~25% langer dan de totale sensorlengte. Begin met het verwijderen van grond in stappen van 10 cm en plaats elke lift op het uiteinde van het zeil, dichterbij komend met elke stap; Breek eventuele kluiten af en verwijder grote stenen.OPMERKING: Zorg ervoor dat het graafgebied zo klein mogelijk is en voldoende ruimte biedt om de diepste horizontale sonde in te brengen. Gebruik voor de hydraulische paalgatvijzel een brede diameter (>30 cm) en een 1 m lange, op een aanhangwagen gemonteerde vijzel.OPMERKING: Twee- of eenpersoons hekpaalvijzels kunnen gevaarlijk zijn.Plaats de vijzel ~ 5 cm terug van het beoogde putvlak. Boor tot >50 cm en til de vijzel af en toe op om grond te verdrijven. Gebruik een smalle spade om een vlak en verticaal putvlak te creëren. Gebruik een spade of een handtroffel om grond van de put naar het zeil te verplaatsen.OPMERKING: De uitgegraven grond zal goed gemengd zijn; Er is geen manier om dit te vermijden. Maak een mechanisch gegraven sleuf met behulp van zwaar materieel.OPMERKING: Tenzij horizontale installatie onder 100 cm noodzakelijk is, wordt grote graafapparatuur niet aangemoedigd. Het omgaan met de buitstapel (d.w.z. uitgegraven grond) kan een uitdaging zijn en de rupsbanden en stabilisatoren van de graafmachine veroorzaken aanzienlijke verstoring.Gebruik een lichtgewicht graafmachine met een smalle bak, idealiter minder dan 50 cm, om een vergelijkbare smalle sleuf te graven tot een diepte van 100 of 200 cm.OPMERKING: Vermijd het verplaatsen van de graafmachine om de impact op het oppervlak te minimaliseren. Begin met het verwijderen van de grond in stappen van 10 cm en plaats elke lift op het uiteinde van het zeil, dichterbij met elke stap. Zorg ervoor dat het graafgebied zo klein mogelijk is en op een diepte van ~ 55 cm, zodat er voldoende ruimte is om de diepste horizontale sonde in te brengen. Graaf voor de sensorkabelsleuf een sleuf van de achterkant van de grondput naar de instrumententoren. Gebruik een sleufschep bijgestaan door een plectrummat of Pulaski in harde secties. Graaf een rechte, smalle (~ 10 cm), > 10 cm diepe geul uit en leg de grond aan één kant van de geul. 4. Montage/montage van de instrumentenstandaard en behuizing OPMERKING: De instrumentenstandaard heeft drie opties: een eenvoudige paal, een statief of een toren. Voor een basisbodemvochtstation met een PPT-gage is een gegalvaniseerde stalen paal of roestvrijstalen instrumentenstandaard (120 cm hoog) met poten voldoende. Voor basis meteorologische metingen is een hogere mast nodig om sensoren op 2 m te installeren. De meeste mesonets geven de voorkeur aan 10 m hoge torens; Dergelijke torens vallen echter buiten het toepassingsgebied van dit protocol. Gebruik een gegalvaniseerde stalen paal.OPMERKING: Een gegalvaniseerde stalen waterpijp met een diameter van 4 cm van ~ 3 m lang is de meest economische methode.Met de hand een klein gaatje vijzelen tot een minimum van 60 cm diepte. Plaats de paal in het gat. Zorg ervoor dat de hoogte van de paal voldoende bovengronds is om de behuizing, het zonnepaneel en eventuele benodigde antennes te bevatten.OPMERKING: Een hoogte van <2 m wordt aanbevolen. Meng snelhardend beton of hekpaalschuim, volgens de instructies.OPMERKING: Beton is niet toegestaan op sommige federale gronden en sommige particuliere landeigenaren kunnen bezwaar maken. Schuimalternatieven voor hekpaalinstallaties zijn een goed alternatief en vereisen geen water. Giet beide materialen rond de paal en zorg ervoor dat deze waterpas staat met behulp van een torpedoniveau. Laat het beton enkele uren uitharden (idealiter ‘s nachts) en zet de paal vast met een beugel om ervoor te zorgen dat deze waterpas blijft. Hoewel schuim in 30 minuten uithardt, moet u de pijp minstens 2 minuten op zijn plaats houden en ervoor zorgen dat deze verticaal blijft. Instrumentenstandaard of statief (zie instructies van de fabrikant)Maak elk van de drie standpoten los of maak ze los. Draai of strek elk been en positie over het einde van de uitgegraven sleuf. Steek de instrumentmast in de poten en span aan. Pas de lengte van elke poot aan om ervoor te zorgen dat de mast verticaal is. Steek elk been in de grond en controleer de mast opnieuw met een torpedowaterpas. Monteer met behulp van U-bouten de behuizing op de instrumentenstandaard op 1-1,5 m. Draai de bouten met de hand vast om het vast te zetten; de uiteindelijke hoogte en aanscherping zullen later plaatsvinden.OPMERKING: Het wordt aanbevolen om aan de noordkant van de paal te monteren om te voorkomen dat men later het hoofd op het zonnepaneel raakt. 5. Bodemkarakterisering en monsterverzameling OPMERKING: Het visueel karakteriseren van de bodem is van cruciaal belang voor het interpreteren van de bodemvochtdynamiek na installatie. Monsterverzameling kan de interpretatie met kwantitatieve gegevens helpen. Verzamel monsters, zelfs als er geen financiering beschikbaar is of als interne faciliteiten ze niet kunnen verwerken. Aan de lucht drogen en archiveren, voor het geval bodemkarakterisering in de toekomst nodig is. Let voor een basisbeschrijving van de bodem op de diepte van eventuele duidelijke veranderingen in de kleur of textuur van de bodem (horizonten).OPMERKING: Het Nationaal Centrum voor Bodemonderzoek biedt een uitstekend overzicht van bodemprofielbeschrijvingen en -interpretaties24. Als de locatie niet ideaal is, is dit het moment om te verhuizen. Voor basisbodemkarakterisering verzamelt u representatieve bodemmonsters in een diepvrieszak van 1 liter (1 L) op elke sensordiepte, volgens de procedure van Lawrence et al.25.Bij terugkomst op kantoor of laboratorium, leg alle zakken van 1 kwart op het aanrecht, open en laat ze minstens 48 uur aan de lucht drogen.OPMERKING: Luchtdrogen verwijdert het grootste deel van het bodemvocht met behoud van de organische en chemische eigenschappen voor toekomstige analyses. Dien de monsters in bij een universitair uitbreidingslaboratorium (bijv. https://agsci.colostate.edu/soiltestinglab/) of een commercieel laboratorium (bijv. http://www.al-labs-west.com/) voor verdere analyses. U kunt het monster ook intern uitvoeren door getrainde technici, met behulp van geaccepteerde methoden die hieronder worden vermeld. Voer basislaboratoriumanalyses uit, inclusief fysische bodemparameters zoals deeltjesgrootteverdeling26, gesteentefractie (RF; gewichtspercentage groter dan 2 mm), bodemfractie (SF; percentage minder dan 2 mm) en textuur (zand-, slib- en kleipercentages). Controleer de chemische basisparameters, waaronder de elektrische geleidbaarheid van verzadigde pasta (dS m-1)27 en organisch materiaal28. Aanbevolen: Voer volumetrische bodemkernbemonstering uit op 5, 10, 20 en 50 cm diepte met behulp van een coringapparaat om een ongestoord, volutrisch monster te verzamelen. Bepaal de bulkdichtheid van de bodem (BD; g cm-3) uit het totale droge bodemgewicht en het kernvolume29. Porositeit van de bodem (φ; [-]) is de fysieke bovengrens van SWC. Schat voor minerale bodems φ als 1 – BD/PD, waarbij de deeltjesdichtheid (PD) voor overwegend kwartsmineraalbodems 2,65 g cm-3 is.OPMERKING: Monsters voor BD worden verzameld in een kern met een bekend volume of met behulp van grond peds29. 6. Horizontale inbrenging van de sondes van 5, 10, 20 en 50 cm OPMERKING: Het doel is om volledig bodemcontact rond de sensortanden te garanderen, waarbij luchtspleten worden vermeden. Knip voorzichtig eventuele ritsbanden en rol elke sensor uit, verwijder elke spoel in de kabels. Plaats de sensorkop in de buurt van de grondput en de kabel in de sleuf. De installatiediepte wordt gedefinieerd als het midden van de sensor wanneer deze horizontaal wordt geïnstalleerd, ongeacht of het oppervlak van de sensor rond of rechthoekig is. Installeer de sensor op de precieze diepte onder het landoppervlak en zo horizontaal mogelijk in de grond. Gebruik een nuldieptereferentie en een meetapparaat (meetlint of liniaal) voor nauwkeurige sensordiepte (figuur 2) en een afstandhouder om de tandafstand te behouden tijdens het inbrengen (figuur 2C). Plaats eerst de 50 cm sensor. Duw de sensor horizontaal in de grond en probeer de sensor niet te wiebelen, omdat dit openingen kan veroorzaken. Omdat de sonde van 50 cm vaak het moeilijkst is, gebruikt u een aardingsstaaf om meer hefboomwerking te bieden om die sensor naar binnen te duwen, waarbij u voorzichtig bent om de epoxykop niet te breken of de tanden te scheiden. Herhaal het inbrengproces en werk omhoog naar de sensordiepten van 20, 10 en 5 cm. Spreid (figuur 2D) of stapel (figuur 2B) de sensoren.OPMERKING: De meettiming in SDI-12-protocollen voorkomt over het algemeen dat sensoren tegelijkertijd lezen en interferentie genereren tussen aangrenzende sensoren (bijvoorbeeld de diepte van 5 en 10 cm). Richt elke sensorkabel op dezelfde kant van het putvlak, zodat ze naar de bodem van de graafput kunnen hangen. Maak een foto van het uitgegraven gat en de sensoren met een meetlint voor schaal (figuur 6A). Gebruik een GPS om de lengte- en breedtegraad binnen een paar meter van de put te bepalen. Als u meerdere locaties op een dag uitgraaft, gebruik dan een plakkaat met een unieke identificatie om onderscheid te maken tussen de putten. Figuur 6: Voorbeeldfoto’s voor metadata. (A) De geïnstrumenteerde grondput met meetlint voor schaal, (B) de kabelgoot uitgegraven terug naar de instrumentmast, en uiteindelijke sitefoto’s gericht op (C) noord en (D) zuid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. 7. Verticaal inbrengen voor de sonde van 100 cm Voor sensorinstallaties op een diepte van meer dan 50 cm vijzelt u voor elke sensor een afzonderlijk gat in of nabij de kabelsleuf (figuur 4A). Graaf met behulp van een handvijzel (5-10 cm diameter) naar de juiste installatiediepte(n). De diepte wordt gedefinieerd als het meetpunt (bijvoorbeeld 50 cm) minus de helft van de tandlengte ten opzichte van de nuldieptereferentie (figuur 4B). Schik de uitgegraven grond op een zeil in de volgorde waarin het is verwijderd. Installeer de sensor verticaal door deze met een installatietool in de bodem van het gat te duwen (figuur 4C,4D). Herpak het vijzelgat met de uitgegraven grond van het diepste naar het ondiepste. Vervang de grond in kleine liften en pak deze voldoende in om te voorkomen dat de grond in het gat overbrugt en holtes ontstaat.OPMERKING: Verpakkingsgereedschappen kunnen een afgedekt stuk PVC of houten deuvels zijn. Voorkom schade aan de sensorkop of kabel. 8. Voltooien van de sensorinstallatie en bedrading naar DCP Als de sensorkabels direct zijn begraven, zorg er dan voor dat de bovengrondse uiteinden die in de behuizing lopen, zich in een PVC-buis bevinden met behulp van een schotconnector om de behuizing binnen te gaan (figuur 5).OPMERKING: Als u een gescheiden regenbui gebruikt (stap 9.1), zorg er dan voor dat u deze kabel meeneemt wanneer u deze in de behuizing leidt. Als u een buis gebruikt, leg deze dan in de kabelsleuf en snijd deze op de gewenste lengte. Voer de kabel door de leiding – dit kan een trekkoord of vistape vereisen om de kabels door te trekken. Gebruik een flexibele buis of een 90° veegelleboog plus een lengte verticale leiding om de kabels van een leidingpoort naar de onderkant van de behuizing te leiden. Leg de kabel of kabel/leiding in de bodem van de kabelgoot. Trek de kabeluiteinden door de poort van de onderste behuizing en zet deze vast met ritsbanden. Als er overtollige kabel in de behuizing zit, trek deze dan terug door de leiding en spoel deze in de bodem van de graafsleuf. Maak een foto van de installatieput en de sleuf met kabels die terug naar de behuizing leiden (figuur 6B). Gebruik voor de bedrading van de bodemvochtsensor een gemeenschappelijke voedings- (5-12 volt) en aardingsdraad voor elke SDI-12-sensor. Gebruik hendelconnectoren, splitconnectoren of aansluitklemmen (afbeelding 5) om deze verbindingen eenvoudiger en veiliger te maken. Als u meer dan één type sensor gebruikt, gebruikt u een andere communicatiepoort op de DCP, indien beschikbaar.OPMERKING: Een defecte SDI-12-sensor kan andere sensoren in een serie onderbreken. 9. Aanvullende sensoren en hardware-instellingen Neerslag (PPT) gageOPMERKING: Om de vangst te verbeteren, moeten regengages op een aparte verticale mast zo dicht mogelijk bij het maaiveld worden geïnstalleerd. Het installeren van de gage hoger op de dwarsarmbevestiging kan de vangst verminderen als gevolg van hogere windsnelheden.Bepaal de locatie. Installeer de regengoog zo laag mogelijk boven de bodembedekking (~ 1 m) en op een afstand die tweemaal zo hoog is als een nabijgelegen obstakel30. De ideale locatie ligt dicht bij de kabelsleuf.OPMERKING: De regenkabel wordt naast de sensorkabels ingegraven voordat deze de onderkant van de behuizing binnengaat. Installeer een verticale mast. Graaf met behulp van een handvijzel een gat uit tot ~50 cm diepte. Zet een sectie gegalvaniseerde stalen buis van voldoende lengte in cement of schuim (zie stap 4.1). Na het uitharden installeert u de gage met behulp van slangklemmen of een platte montagebasis, volgens de sensorinstructies. Zorg ervoor dat de gage perfect waterpas staat.OPMERKING: De meeste gages hebben een ingebouwd bellenniveau. Loop kabels tussen de regengoot en de behuizing in de ondergrondse leiding met de bodemvochtkabels. Voor een tipping gage sluit u de twee kabels aan op een pulstellingskanaal op de DCP.OPMERKING: De draden kunnen aan beide kanten naar binnen. Zorg ervoor dat u de bovenkant verwijdert en controleer of het kantelmechanisme vrij beweegt. De emmers worden tijdens het transport vaak vastgezet met elastiekjes.OPMERKING: Regengages moeten routinematig worden gereinigd en gekalibreerd. Als u de regenbak direct op de instrumentenstandaard of dwarsarm monteert, volgt u stap 9.2. Andere sensorenInstalleer aanvullende metingen en eventuele antennes op de verticale mast of dwarsarmsteunen op de juiste hoogte boven de grond10,30. Route leidt naar de ingang van de bovengrondse behuizing en beveiligt waar nodig met kabelbinders. Draad in de juiste meetkanalen op de DCP. AardingsstangInstalleer een >1 m lange koperen aardingsstang op 0,5 m van de instrumentmast. Gebruik een hekpaaldriver om de hengel in de grond te steken, waardoor ~ 20 cm bloot komt te liggen. Bevestig zware (8-10) gage koperdraad aan de staaf met behulp van een grondklem. Bevestig het andere uiteinde aan de behuizing of het statief.OPMERKING: Aarding is mogelijk niet in alle situaties aan te raden. Sluit de batterij aan.OPMERKING: De meeste DCP’s hebben 5-24 volt (V) nodig, hoewel 12 V het meest voorkomt en 7 of 12 Ampère-uur (AH) voldoende is om de meeste bodemvochtstations van stroom te voorzien. Een 12V 12AH accupakket en spanningsregelaar worden hierbij gebruikt.Zorg ervoor dat de laadregelaar in de uit-stand staat. Gebruik een multimeter die is ingesteld op DC voor gelijkstroomspanning, controleer of de spanning op de batterij voldoende is (>10V voor een 12V-batterij) en identificeer de + en – polen, indien niet gemarkeerd. Schuif de aansluitklem van de zwarte (-) draad over de spadeklem op de grondpaal (-) van de batterij en de rode draad over de + batterijpaal. Steek het andere uiteinde van de rood/zwarte draden in de BAT-poort van de spanningsregelaar. ZonnepaneelOPMERKING: Een paneel van 10 of 20 watt is meestal voldoende. Een hoger wattage is nodig op hogere breedtegraden, meer gearceerde gebieden of op systemen met een hoog stroomverbruik (bijvoorbeeld mobiele modems, camera’s). Het paneel moet worden georiënteerd om maximale invallende zonnestraling te ontvangen in de loop van 1 jaar.Wikkel elektrische tape afzonderlijk rond elke kabel op het zonnepaneel.OPMERKING: Deze draden zullen stroom dragen als het paneel wordt blootgesteld aan zonlicht. Monteer het zonnepaneel met behulp van U-bouten boven de behuizing en aan de zijkant van de instrumentenstandaard naar de evenaar gericht (bijvoorbeeld naar het zuiden in de VS). Gebruik de juiste hoek voor de breedtegraad van de locatie, meestal 25 ° tot 35 ° in de aangrenzende VS. Leid de kabel naar het toegangspunt van de bovengrondse behuizing. Verwijder de tape van de paneelkabels. Gebruik een multimeter die is ingesteld op A voor stroomsterkte en controleer of het vermogen van het zonnepaneel >0,1 A is. Gebruik een multimeter die is ingesteld op DC voor gelijkstroomspanning, controleer of de output van het zonnepaneel > 10V is en identificeer de + (meestal rood) en – (meestal zwarte) leads, indien niet gemarkeerd. Sluit de – kabel van het zonnepaneel aan op de G (grond) poort, vervolgens de + kabel van de SOLAR-poort op de laadregelaar. OPMERKING: Bedek het zonnepaneel met een zeil of iets ondoorzichtigs om vonken te minimaliseren. Controleer of het CHG – of oplaadlampje nu brandt. Datacommunicatie op afstandOPMERKING: Mobiele datatelemetrie biedt de mogelijkheid om gegevens te verzenden en te verzenden vanaf de DCP. Smartphone-apps, zoals OpenSignal, kunnen de signaalsterkte en de koers naar de dichtstbijzijnde zendmast meten. Omnidirectionele, multi-band antennes hebben de voorkeur; een directionele (Yagi) type antenne kan echter het signaal in meer afgelegen gebieden verbeteren.Bevestig de antenne aan de bovenkant van de instrumentmast met behulp van meegeleverde U-bouten. Sluit de coaxkabel aan op de antenne en leid het andere uiteinde in de behuizing via de bovengrondse sensorleiding. Zet de kabel vast met ritssluitingen. Sluit het andere uiteinde aan op de mobiele modem in de behuizing. Het systeem inschakelenOPMERKING: Op dit punt is de aanname dat het DCP-programma is geschreven en dat alle sensoren op de juiste manier zijn bedraad. Het zonnepaneel en de oplaadbare batterij zijn aangesloten op een spanningsregelaar met een rood/zwarte voedingsdraad aangesloten op de DCP-voedingspoorten.Zet de schakelaar op de spanningsregelaar aan. Start de DCP-software en sluit een laptop aan op de DCP. Controleer of alle sensoren waarden rapporteren en geen getal (NaN) of een foutwaarde. Controleer elke bodemsensor op SWC-, BEC- en T-waarden. Zorg ervoor dat de SWC-waarden >0,05 m 3/m 3 en <0,60 m 3/m 3 zijn. Controleer elke sensor buiten het bereik; plaats of vervang een sensor die twijfelachtig is opnieuw. Giet wat water door de regenbak en controleer of de DCP tellingen registreert.OPMERKING: Lage BEC-waarden (<0,001) kunnen wijzen op slecht sensorcontact (of zeer droge bodems). Bij installatie in warmere seizoenen is T over het algemeen het warmst aan de bovenkant en koel aan de onderkant. Controleer de cellulaire communicatiesterkte. Volg de documentatie van de fabrikant om de signaalsterkte te bepalen.OPMERKING: De signaalsterkte moet > -100 dBm zijn om een fatsoenlijke signaalkwaliteit te garanderen. Richtingsantennes kunnen worden gedraaid om het signaal mogelijk te verbeteren. Veel andere communicatiemogelijkheden bestaan buiten cellulaire (bijv. Satelliet). 10.Site voltooiing Zodra zeker is dat alles onder de grond functioneert en de kabels of kabels in de leiding allemaal in de sleuf zitten en in de behuizing worden geleid, vult en sluit u de openingen van de boven- en ondergrondse behuizingsingangen af met elektrische stopverf om te beschermen tegen vocht en insecten uit de behuizing te houden. Baken de buitenomtrek van sensorlocaties op het oppervlak af met permanente palen met heldere markering. Vul het uitgegraven gebied op met de grond op het zeil en in de omgekeerde volgorde van verwijdering (stap 3.1) (diep naar ondiep). Begin met het met de hand inpakken van de grond tegen de sleufwand en rond de sensorkop op 50 cm, waarbij u ervoor zorgt dat de sensor niet wordt verstoord. Ondersteun de sensorkop terwijl je er aarde omheen pakt, zodat de sensortanden niet bewegen. Zorg ervoor dat alle resterende sensorkabels nog steeds in de buurt van de bodem van de sleuf zijn geplaatst; Bedek ze vervolgens voorzichtig met diepere grond van het zeil. Druk de grond samen in de bodem van de put om de kabels vast te zetten, en zorg ervoor dat je ze niet met enige kracht naar beneden trekt. Gebruik voldoende kracht tijdens de verdichting om een vergelijkbare bulkdichtheid van het verwijderde materiaal te garanderen.OPMERKING: Nattere bodems tijdens de installatie kunnen gemakkelijk oververdicht worden, terwijl drogere bodems los kunnen blijven, ongeacht de kracht. Vul de put op in liften van 10 cm, maak het oppervlak glad en verdicht totdat de sensor van 20 cm is bereikt. Nogmaals, pak de grond voorzichtig met de hand onder en rond de sensor, voordat u terugkeert naar het opvullen van nog eens 10 cm grond. Pak ten slotte de grond met de hand rond de 10 cm-sensor en vervolgens de 5 cm-sensor, zodat beide horizontaal en op hun plaats blijven. Vul de rest van de grondput met bovengronden van het zeil.OPMERKING: Alle verwijderde grond moet terug in de put gaan. Overgebleven grond geeft aan dat de grond niet was verpakt tot de oorspronkelijke bulkdichtheid. Duw met behulp van de sleufschop de uitgegraven grond naast de geul over de leiding. Zorg ervoor dat alles volledig begraven is en onder de 5 cm. Gebruik een stalen hark om de opnieuw verpakte grond in de put te egaliseren en sleuf gelijk met het oorspronkelijke oppervlak. Compacte grond in de buissleuf voldoende om eventuele voorkeursstroming naar de installatielocatie te minimaliseren. Optioneel: Strooi wat diatomeeënaarde rond elke ondergrondse opening en op het oppervlak om mieren, naaktslakken en andere insecten te ontmoedigen. Aanbevolen: gebruik een draagbare SWC-sensor om metingen te doen van de oppervlaktegrond rond de in-situ sensoren om gegevensverificatie in de loop van de tijd en eventuele schaalbehoeften te ondersteunen. Neem metingen in windrichtingen (noord, zuid, oost en west) op consistente afstanden (bijv. 5, 10, 25 en 50 m). 11. Record station metadata, de gegevens achter de gegevens23 OPMERKING: Documenteer metagegevens bij de installatie en elk bezoek ter plaatse (zie tabel 1). Consistente rapportage van metagegevens ondersteunt de groeiende praktijkgemeenschap en is van cruciaal belang om de integriteit van gegevens en netwerken te waarborgen. Documenteer de installatiedetails, inclusief een unieke site-id, installatiedatum, serienummers van de sensor, bijbehorende SDI-12-adressen, invoegrichtingen (horizonaal of verticaal) en diepten. Beschrijf het bodemprofiel en maak bijbehorende foto’s. Noteer monsteridentificaties voor alle verzamelde bodemmonsters. Noteer voor de locatie van de site de breedte- en lengtegraad, hoogte, helling, aspect, landgebruik en landbedekking. Noteer de informatie van de landeigenaar en de contactpersoon, evenals de toegankelijkheid van de site, inclusief poort- of sluiscodes. Meet met behulp van de Compass-app op een smartphone (of een echt kompas) en een meetlint de hoek en afstand tot de sensorput (en eventuele sensorvijzelgaten) vanaf twee referentiepunten (bijvoorbeeld aardingsstang of een statiefpoot).OPMERKING: Dit zal helpen om hun posities later te trianguleren. Maak foto’s van het voltooide station en oriëntaties ten noorden (figuur 6C), zuid (figuur 6D), oost en west vanaf de instrumentmast. Baken de installatielocatie van de sensor af met markeringen of andere afzonderlijke items. Tabel 1: Metagegevens van stations voor het verzamelen van bodemvochtgegevens. Afkortingen: Dec. = afnemend; GPS = Global Positioning System; 3DEP = 3D-hoogteprogramma; O&M = bediening en onderhoud; SSURGO = Geografische Database Bodemonderzoek; Mukey = kaarteenheidssleutel. Klik hier om deze tabel te downloaden. 12. Exploitatie en onderhoud OPMERKING: Er moet een gedetailleerd onderhoudslogboek worden toegevoegd aan het metagegevensrecord, inclusief sensorvervanging, vegetatiestatus of -wijzigingen of verstoring van de site. Voer minimaal jaarlijks routinematige inspecties ter plaatse uit (tabel 2). Noteer eventuele sensorkalibraties of vervangingen. Zorg voor regelmatig vegetatiebeheer, vooral voor permanente stations, zodat het terrein niet overwoekerd raakt of abnormaal wordt ten opzichte van de omgeving. Pas het dierenbeheer aan de lokale fauna aan, eventueel inclusief hekwerk. In geval van sensorstoring, doe een noodbezoek ter plaatse en installeer een vervanging (tabel 2). Tabel 2: Voorbeeld onderhoudsschema. Afkorting: DCP = data control platform. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Representative Results

Het SCAN-netwerk begon in 1991 als proefproject van de NRCS. Het is het langst werkende SWC-gegevensverzamelingsnetwerk15 en de basis voor de representatieve resultaten in dit protocol. Alle SCAN-sites begonnen oorspronkelijk met een analoge capaciteitssensor. De veldinstallatielocatie (SCAN 2049) in Beltsville, Maryland, gebruikt in de videocomponent van dit protocol, bewaakt (figuur 7A) de lucht- en bodemtemperatuur per uur en (figuur 7B) elk uur SWC op 5, 10, 20, 50 en 100 cm diepte. Dagelijkse PPT, bodemwateropslag (SWS) tot 20 cm en de verandering in de tijd (dSWS) zijn weergegeven in figuur 7C. Voor elke PPT-gebeurtenis was er een sterke toename van SWC nabij het oppervlak (5 en 10 cm) en een meer verzwakte en vertraagde toename op grotere diepten naarmate het bevochtigingsfront zich onder zwaartekracht naar beneden voortplantte. Tijdens evenementen begin februari en april van 2022 bereikte de diepste sensor op 100 cm een plateau van 0,33 m 3/m3, dat enkele dagen werd volgehouden. Dergelijke omstandigheden duiden op een korte verzadigingsduur. De droge bulkdichtheid van de bodemhorizon uit karakteriseringsgegevens (tabel 3) was 1,73 g/cm3, met een geschatte porositeit (φ) van 0,35 [-], wat aanvullend bewijs levert dat de porieruimte volledig gevuld was met water. Gezien het zandleem/leemzand van het bodemprofiel, werden verzadigde omstandigheden hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door slechte drainage of een ondiepe grondwaterspiegel die de drainage belemmerde. Let op, de luchttemperatuur op deze site daalt de meeste avonden tot april onder het vriespunt; de bodemtemperatuur bleef echter boven de 2 °C en er was geen indicatie van bevroren water in de SWC-gegevens op enige diepte. Figuur 7: Voorbeeldresultaten van het veldstation (SCAN 2049) in Beltsville, Maryland. (A) Lucht- en bodemtemperatuur per uur, (B) SWC per uur en (C) dagelijkse neerslag, bodemwateropslag tot 20 cm, en het verschil in de tijd. Afkortingen: SWC = bodemwatergehalte; PPT = neerslag; SWS = bodemwateropslag; dSWS = verschillen in SWS in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Tabel 3: Locatiegegevens en bodemkarakterisering voor gegevensvoorbeelden die in de representatieve resultaten worden gepresenteerd. Alle gegevens in cijfers en tabellen werden opgehaald uit de NRCS online database op de URL die voor elke site werd genoteerd. Bodemkarakteriseringsgegevens waren niet beschikbaar voor de Tafelberg (#808). Afkortingen: NRCS = Natural Resources Conservation Service; URL = uniforme resource locator; c = klei; FSL = fijne zandleem; ls = leemzand; s = zand; sc = zandige klei; SCL = zandige kleileem; si = slib; sil = silty leem; sl = zandleem; nd = geen gegevens; BD = bulkdichtheid 33 kPa. Klik hier om deze tabel te downloaden. Een extremer voorbeeld van verzadiging is te zien in figuur 8 voor een SCAN-locatie (2110) in de buurt van Yazoo, Mississippi. De bodems hebben een zeer hoog kleigehalte (boven 60%), lage bulkdichtheden variërend van 1,06 tot 1,23 g/cm 3 en een φ variërend van 0,54 tot 0,60 [-] (tabel 3). De eerste PPT-gebeurtenis van ~40 mm op 13 april 2020 verzadigde de bodem tot een SWC van >0,60 m 3/m3 op alle diepten gedurende 12 opeenvolgende dagen – waarden zeer dicht bij de gemeten φ. Een tweede gebeurtenis van 70 mm/dag op 20 april 2020 had geen effect op dSWS, wat wijst op verzadiging-overtollige afvloeiing. Een vergelijkbare periode van verzadiging was opmerkelijk in november 2020. Hoewel er geen meting was bij 100 cm, bleef de SWC op 50 cm stabiel op 0,39 m 3/m 3, behalve in de nazomer waar deze bescheiden daalde tot 0,36 m 3/m 3. Locatienotities (aanvullende tabel S2) geven aan dat de ‘leem’-sensorspecifieke kalibratie31 is gebruikt, zoals het geval is voor capaciteitssensoren die op de meeste SCAN- en USCRN-locaties worden gebruikt. Beide voorbeelden illustreren het belang van bodemkarakterisering en BD-gegevens, verzameld tijdens de karakterisering van de locatie (stap 5), voor de interpretatie van SWC-gegevens. Figuur 8: Voorbeeldresultaten van een vochtige, gematigde locatie (SCAN 2110) in de buurt van Yazoo, Mississippi . (A) Lucht- en bodemtemperatuur per uur, (B) SWC per uur en (C) dagelijkse neerslag en verandering in bodemwateropslag. Afkortingen: SWC = bodemwatergehalte; PPT = neerslag; SWS = bodemwateropslag; dSWS = verschillen in SWS in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 9 toont een meer eenvoudige tijdreeks van in situ SWC op vijf diepten met vijf bevochtigingsgebeurtenissen die resulteren in de sequentiële voortplanting van het bevochtigingsfront naar beneden in het bodemprofiel. Deze SCAN-site (2189) bevond zich in de buurt van San Luis Obispo, CA, in een mediterraan klimaat met een nat voorjaar en een lange, droge zomer op een zandleemgrond met een φ variërend van 0,37 tot 0,51 [-] (tabel 3). De reactie op bevochtiging van het bodemoppervlak was snel en nam in omvang af met de diepte. Het laatste grote PPT-evenement over 5 dagen was voldoende om respons te laten zien op de 50 en 100 cm diepte. Naarmate de diepte toenam, nam de dagelijkse cyclus van de amplitude van de bodemtemperatuur af en bleef de tijd van maxima- en minimatemperaturen verder achter bij de luchttemperatuur en ondiepere diepten (figuur 9A). Hoewel deze kenmerken nuttig kunnen zijn om onderscheid te maken tussen sensordiepten, zoals besproken in de volgende sectie, was er ook een opmerkelijk effect op de fluctuatie van SWC op 5 en 10 cm diepte. De SWC-amplitude was ~0,02 m 3/m 3 bij 5 cm, ~0,01 m 3/m 3 bij 10 cm en meer verwaarloosbaar in de diepere sensoren. Het was ook in fase met bodemtemperaturen en het was waarschijnlijker dat ruis in de sensor werd geïnduceerd door temperatuurschommelingen en waarschijnlijk niet het gevolg was van een fysieke beweging van bodemvocht of werkelijke neerslag. Deze drogere locatie (2189) heeft veel grotere dagelijkse veranderingen in de bodemtemperatuur dan de meer mesische veldinstallatieplaats (2049), die geen temperatuurgeluid vertoont in de SWC-gegevens (figuur 7B). Figuur 9: Voorbeeldresultaten van een semi-aride, mediterrane locatie (SCAN 2189) in de buurt van San Luis Obispo, Californië . (A) Lucht- en bodemtemperatuur per uur, (B) SWC per uur en (C) dagelijkse neerslag en verandering in bodemwateropslag. Afkortingen: SWC = bodemwatergehalte; PPT = neerslag; SWS = bodemwateropslag; dSWS = verschillen in SWS in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 10 toont een van de meer uitdagende SWC-gegevensinterpretaties die bestaan met bevroren grond en sneeuwbedekking. Deze site (808) bevond zich in de buurt van Boseman, MT, op 4.474 voet boven de zeespiegel. De dagelijkse luchttemperaturen overschreden af en toe de vriestemperaturen tijdens de winter (december, januari en februari) van 2020. De bodemtemperatuur bleef tot maart net boven de 0 °C. De aanwezigheid van sneeuw op het oppervlak zou de bodem isoleren van variaties in de luchttemperatuur. Bovendien, in vochtige bodems, de afgifte van latente warmte en het verbruik van energie, vergezeld van faseovergangsprocessen in verband met vries-dooicycli, gebufferde bodemtemperaturen, waardoor ze zeer dicht bij 0 °C bleven totdat deze faseveranderingen voltooid waren. De kleine ε ijs in ijskoude bodems verschijnt als dramatische afnames in SWC gevolgd door toenames tijdens het ontdooien zonder enige indicatie van PPT. Dit was het duidelijkst in half december en half maart, toen de luchttemperaturen snel daalden en SWC op 5 en 10 cm gedurende 3 dagen daalde en vervolgens weer opveerde. De bodemtemperatuur op 100 cm bereikte half november het vriespunt en was de vorige herfst, de hele winter, op een laag SWC en veranderde niet tijdens de dooi in het voorjaar, wat suggereert dat het mogelijk niet goed functioneerde. De snelle dalingen en terugwinning in de andere sensoren kunnen echter al dan niet echte veranderingen in vloeibaar bodemwater zijn; Het interpreteren van dergelijke gegevens kan een enorme uitdaging zijn zonder aanvullende metingen van de aanwezigheid of diepte van sneeuw. Vaak worden SWC-gegevens bij of onder het vriespunt gecensureerd in de kwaliteitscontrole. Meer discussie over bodemtemperaturen in de buurt van het vriespunt wordt gepresenteerd in de sectie kwaliteitscontrole van gegevensrecords. Figuur 10: Voorbeeldresultaten van een semi-aride, alpiene site (SCAN 808) in de buurt van Three Forks, Montana . (A) Lucht- en bodemtemperatuur per uur, (B) SWC per uur en (C) dagelijkse neerslag en verandering in bodemwateropslag. Afkortingen: SWC = bodemwatergehalte; PPT = neerslag; SWS = bodemwateropslag; dSWS = verschillen in SWS in de tijd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Andere voorbeelden en karakteriseringsgegevens zijn uit de SCAN-database gehaald (zie tabel 3 voor Uniform Resource Locator, [URL]). De rapportage en kwaliteitscontrole van deze gegevens hebben enige interpretatie nodig om te bepalen of er een fysiek mechanisme is om grillig gedrag te verklaren. Onze interpretatie mist enige kennis van de lokale site en ondanks jarenlange evaluatie van SWC-tijdreeksen, kan het nog steeds een uitdaging zijn om een goede sensor of installatie te beoordelen op een falende of slechte. Figuur 11 toont veelvoorkomende voorbeelden van probleemgegevensrecords, willekeurig gekozen uit 40 SCAN-stations tussen 2020 en 2021. De meest voorkomende fouten zijn pieken (figuur 11A) en stapveranderingen naar boven (figuur 11B) of naar beneden (figuur 11C), zoals gemarkeerd door het International Soil Moisture Network32. Voor elk van deze is er geen gelijktijdige PPT-gebeurtenis om dergelijke wijzigingen te verklaren en ze kunnen als onjuist worden beschouwd. Het probleem met onmiddellijke pieken of dalen wordt verergerd wanneer alleen naar dagelijkse middelen wordt gekeken, die dergelijke gebeurtenissen kunnen verbergen. Het is het beste om ze te verwijderen voordat u een gemiddelde berekening maakt. Het begin en einde van een stapsgewijze verandering ligt misschien voor de hand, maar het is moeilijk om tussendoor gegevens in te vullen. We benaderen het invullen van gegevens in dit protocol niet, maar markeren alleen foutieve gegevens. Grillig gedrag (figuur 11D) presenteert zich als wilde fluctuatie zonder enige reactie op PPT-gebeurtenissen. In sommige gevallen kunnen pieken verdwijnen na bedradingscontroles en vervanging van multiplexor, zoals weergegeven in figuur 11A na augustus 2020. Vaker is grillig gedrag een opmaat naar een falende sensor, zoals weergegeven in figuur 11E. De sensor op 10 cm diepte gaf een redelijke waarschuwing voor grillig gedrag in januari en falen eind maart. De sensor op 5 cm diepte begaf het echter zonder waarschuwing op 1 maart 2021. Figuur 11: Voorbeelden van probleemrecords. (A) SCAN 2084, Uapb-Marianna, Arkansas, met periodieke dips op 5 cm, (B) SCAN 2015, Adams Ranch #1, New Mexico, met een positieve stapverandering op 50 cm diepte, (C) SCAN 808, Tafelberg, Montana, met een neerwaartse stapverandering, spikes en zelfs herstel op 50 cm diepte, (D ) SCAN 2006, Bushland #1, Texas, toont geen reactie op neerslaggebeurtenissen bij de 5 of 10 cm sensor, met enig herstel van de 10 cm sensor gevolgd door de eminente storing van beide, en (E) SCAN 2027, Little River, Georgia, met een glinsterende sensor op 20 cm en catastrofale storing op zowel de 5 als 20 cm diepte. Sensordieptes worden aangeduid als 5 cm (zwart), 10 cm (blauw), 20 cm (oranje), 50 cm (donkergrijs) en 100 cm (geel). Afkortingen: SWC = bodemwatergehalte; PPT = neerslag. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Bij SCAN 2084 begon de site met het opnemen van gegevens op 2/6/2004 en had verschillende notities van grillig gedrag met betrekking tot SDI-12-multiplexers, die verschillende keren werden vervangen (aanvullende tabel S2). De sensoren zijn echter origineel en blijven na 18 jaar functioneel. Op SCAN 2015 begon de gegevensverzameling op 25-10-1993 en de 50 cm-sensor in figuur 11B werd in 2017 als verdacht beschouwd (aanvullende tabel S2). De oudste site, SCAN 808, begon te rapporteren op 30-9-1986 en werd op 25-10-2006 omgebouwd tot een SCAN-station; Het heeft tot op heden geen sensoren laten vervangen. Afwijkingen, zoals weergegeven in figuur 11E, leiden niet altijd tot falen, aangezien figuur 10 redelijke gegevens bevat. SCAN 2006 begon met rapporteren op 10/1/1993; de originele sensoren van 5 en 10 cm in figuur 11D zijn op 24-1-2022 vervangen. SCAN 2027 begon met rapporteren op 19-5-1999; de originele sensoren van 5 en 10 cm in figuur 11E zijn op 13-8-2021 vervangen. Zoals opgemerkt, begonnen SCAN-sites met een analoge capaciteitssensor. Veel van deze sensoren gaan al meer dan 20 jaar mee en zijn, hoewel ze niet noodzakelijkerwijs gegevens van de hoogste kwaliteit produceren, functioneel gebleven. Het bepalen van het punt waarop een sensor moet worden vervangen, blijft een open vraag voor beoefenaars. Site metadata en bodemeigenschappen voor sites in figuur 11 zijn te vinden in aanvullende tabel S3. Rapportage van gegevensContinue in situ SWC-sensoren rapporteren drie tot zes waarden per tijdsregistratie-interval. Samen met eventuele aanvullende metingen genereert de langdurige inzet van SWC-sensoren grote hoeveelheden eenheidswaardegegevens die moeten worden opgeslagen en geleverd. Omgevingsmetingen worden uitgevoerd met discrete bemonsteringsintervallen die in de loop van de tijd worden geaggregeerd en gerapporteerd als het gegevensrecord. De frequentie van de bemonstering van atmosferische metingen varieert per meting; Het is groter voor wind- en zonnestralingsmetingen (<10 s) en groter voor luchttemperatuur en vochtigheid (60 s)30. Deze monsterwaarden worden gemiddeld of geaccumuleerd over een rapportage-interval dat kan variëren van 5 minuten tot 1 uur. Op dezelfde manier kan SWC onmiddellijk worden bemonsterd met het rapportage-interval of worden bemonsterd (bijvoorbeeld elke 5 min) en worden gemiddeld in gemiddelden van 30 minuten of 60 minuten, omdat de dynamiek van SWC relatief langzamer is in vergelijking. Hoewel gemiddelden van frequentere bemonstering ruis door temperatuurschommelingen, elektrische interferentie en inherente sensorvariabiliteit kunnen verminderen, is het niet raadzaam, omdat gegevenspieken de gemiddelde waarde kunnen vertekenen zoals eerder besproken. De meeste SWC-gegevensrecords kunnen tevreden zijn met detectie op elk uur, maar voor regio’s met hogere snelheid drainagecondities (zandgrond) en intensieve PPT (moessonomstandigheden), registreren sommige netwerken op een tijdsinterval van 20 minuten om neerslaggebeurtenissen volledig vast te leggen. Ten slotte kan gegevensoverdracht of telemetrie worden beperkt door de technologie (bijv. Satellietsystemen) of kostenniveaus hebben op basis van gegevensgrootte en -frequentie. Het optimaliseren van rapportage-intervallen en telemetervariabelen kan helpen de kosten te beheersen. Het verzenden van onbewerkte waarden (bijvoorbeeld ε of tellingen) heeft bijvoorbeeld de voorkeur boven afgeleide waarden (bijvoorbeeld SWC) die kunnen worden berekend in de nabewerking. De gegevensresolutie kan ook van invloed zijn op de grootte van het telemetriepakket; Het is echter belangrijk om SWC weer te geven als een percentage (0,0-100,0%) bij een resolutie van 0,1% of als een decimaal (0,00-1,00) bij een resolutie van 0,001 m 3 m-3. De decimale versie in m 3 m-3 heeft sterk de voorkeur om verwarring met procentuele veranderingen van het watergehalte in latere analyses en rapportage te voorkomen, en om verwarring te voorkomen met watergehalten op massabasis (g / g) die ook als percentage watergehalte kunnen worden gerapporteerd. Bodemtemperatuur, ε en BEC worden gewoonlijk gerapporteerd bij respectievelijk 0,1 °C, 0,1 [-] en 0,1 dS m-1 resoluties. Kwaliteitscontrole van gegevensrecordsHet kwaliteitscontroleproces voor gegevensrecords verifieert de gegevens en documenteert de kwaliteit ervan. Nauwkeurige veldnotities en kalibratielogboeken zijn essentieel bij het verwerken van het gegevensrecord. De typische stappen bij het verwerken van een record zijn een eerste evaluatie, verwijdering van voor de hand liggende onjuiste gegevens, toepassing van berekeningen of correcties van afgeleide waarden en een definitieve gegevensevaluatie. SWC-records bestaan over het algemeen uit een signaal (bijv. ε, tellingen of mV), bodemtemperatuur en BEC die in verschillende mate worden gebruikt om de SWC af te leiden. Sensoren kunnen ook een van de fabrikant afgeleide SWC uitvoeren. Geen enkele sensor meet echter direct SWC; Deze berekening kan deel uitmaken van de gegevensberekeningsstap, ervan uitgaande dat een geschikte kalibratievergelijking beschikbaar is en deel uitmaakt van de metagegevensrecord. Een record kan een onmiddellijke meting of een gemiddelde over een bepaalde periode zijn. Het is wenselijk dat onbewerkte gegevens worden bijgehouden, zodat de meest geschikte formaten kunnen worden berekend voor kwaliteitscontrole en verbeteringen in kalibratievergelijkingen of sensorbegrip kunnen worden toegepast op de onbewerkte gegevens. Sensorkenmerken moeten bepalen of momentane waarden of gemiddelde waarden van meerdere metingen worden geregistreerd, hoewel momentane waarden de voorkeur hebben om eerder genoemde redenen. Er zijn verschillende manieren om aanvullende gegevens (zie gegevensverificatie hieronder) op te nemen in een workflow voor kwaliteitscontrole. Neerslag is de eerste controle – “is SWC toegenomen na een regengebeurtenis?” Er zijn situaties waarin SWC kan toenemen zonder PPT (bijv. Sneeuwsmelt, grondwaterafvoer, irrigatie). De tweede controle is om de verandering in bodemwaterberging te vergelijken met de totale hoeveelheid PPT voor een specifieke gebeurtenis (figuur 7C). Idealiter zou deze gebeurtenis een geïsoleerde, lage intensiteit neerslaggebeurtenis moeten zijn. Neerslag infiltreert de bodem vanaf het oppervlak en sijpelt naar beneden. De piek in SWC zou een vergelijkbaar patroon naar beneden moeten volgen (figuur 7B). Voorkeursstroming kan er echter voor zorgen dat infiltrerend water een ondiepe sensor omzeilt of een snelle reactie op diepere sensoren veroorzaakt. Hoewel dit ‘echte’ reacties kunnen zijn, kan een slechte verdichting van de installatiesleuf of rond een individuele sensor bij voorkeur water naar een sensor leiden. Vooringenomenheid bij het bevochtigen van frontaankomsten moet met voorzichtigheid en gezond verstand worden gebruikt bij het interpreteren van ongebruikelijke reacties op regenval of sneeuwsmeltgebeurtenissen. Zoals geïllustreerd in tabel 3, dicteert BD de bovengrens van de porieruimte in de bodem, φ [-], in minerale bodems. Watergehaltes die routinematig groter zijn dan φ duiden op een defecte sensor of een onjuiste sensorkalibratie. In het eerste geval kunnen gegevens uit het record worden verwijderd. In het laatste geval kan herkalibratie het mogelijk maken de record te behouden, waarbij de waarden worden aangepast aan de herkalibratie. Bodemtemperatuur is een andere variabele die helpt bij het controleren van kwaliteitsgegevens. De bodemtemperatuur plant zich naar beneden voort in de bodemkolom en verzwakt met de diepte (figuur 7A). De temperatuur moet eerder en hoger pieken dichter bij het oppervlak met toenemende vertragingstijd vanaf de oppervlaktepiek naarmate de sensordiepte toeneemt. Eventuele out-of-order sensorvertragingen kunnen een indicatie zijn van een verkeerd geïdentificeerde diepte of een onjuist SDI-12-adres. Zoals weergegeven in figuur 10 en daarin besproken, zijn elektromagnetische sensoren afhankelijk van veranderingen in ε, die variëren van ~ 3 voor ijs tot ~ 80 voor water. Veranderingen tussen water en ijs worden geregistreerd door SWC-sensoren. Het kan echter nodig zijn om de markeringsdrempel te verhogen, omdat het detectievolume van de sensor verschilt van het detectievolume van de bodemtemperatuurthermistor en de drempel kan oplopen tot 4 °C. Omdat de mate van bevriezing en de relatieve hoeveelheid vloeibaar water belangrijk kunnen zijn voor het beoordelen van de hydrologie van de bodem, moeten deze gegevens worden gemarkeerd als beïnvloed door bevriezing en niet noodzakelijkerwijs worden verwijderd. Op het meest basale niveau moet kwaliteitscontrole elke onregelmatige sensorreactie op een fysiek mechanisme rationaliseren, anders is het een fout. Hoewel geautomatiseerde kwaliteitscontroleroutines een vereiste zijn voor grote netwerken en ongelijksoortige gegevensbronnen 13,33,34,35, is er geen vervanging voor eyes-on-data om de gegevenskwaliteit op lange termijn te behouden. Verificatie van gegevensEen van de meest uitdagende aspecten van SWC-gegevens is verificatie – “levert de sensor goede en nauwkeurige gegevens?” De meeste omgevingssensoren zijn toegankelijk na implementatie en kunnen na enige tijd worden vervangen door een nieuwe sensor, worden teruggestuurd naar de fabrikant of het laboratorium om opnieuw te worden gekalibreerd volgens normen en / of de gegevens te laten verifiëren aan de hand van een monster dat uit het veld is verzameld. Meteorologische organisaties volgen strikte procedures voor atmosferische sensoren, waaronder sensorrotaties, sensoronderhoud en kalibraties in het veld waarmee preventief onderhoud kan dienen als de eerste doorgang voor gegevensverificatie10,30. SWC-sensoren worden ter plaatse begraven en kunnen niet worden gecontroleerd of opnieuw worden gekalibreerd zonder significante verstoring van de locatie en mogelijke schade aan de sensor. Bovendien zijn er geen geaccepteerde normen voor SWC-sensoren en als zodanig vereist gegevensverificatie enige kennis van de verwachte sensorrespons en enig vertrouwen in de sensor zelf. Beide vereisen praktische ervaring en best practices die in het veld worden gevolgd (d.w.z. onderhoud en inspecties van de site). Als ongebruikelijke prestatieproblemen, zoals weergegeven in figuur 11, chronisch worden, is de kans groot dat de sensor faalt en moet deze worden vervangen. Elektromagnetische sensoren hebben geen bewegende delen en de draad en circuits zijn meestal robuust. Na 3 jaar rapporteerde het Texas Soil Observation Network een uitvalpercentage van 2% voor transmissielijnoscillatorsensoren21. Na meer dan 10 jaar dienst meldde het Amerikaanse Climate Response Network een duidelijke toename van het uitvalpercentage van impedantiesensoren bij 15-18 sondes per 100 van 2014 tot 201736. Zoals weergegeven in figuur 11, waren de meeste SCAN-sensoren meer dan 20 jaar oud voordat ze defect raakten. Het heeft de voorkeur om een sensor te vervangen voordat er een storing optreedt, zodat de sensor opnieuw kan worden geëvalueerd in lucht, water en zand om te controleren op drift ten opzichte van predeployment-waarden, als deze zijn geregistreerd (bijvoorbeeld stap 1), naast andere redenen. Routinematige vervanging is enigszins onpraktisch met SWC-sensoren en wordt zelden gedaan in grote netwerken, en we zijn ons niet bewust van langetermijnevaluaties van elektromagnetische SWC-sensorveranderingen in de loop van de tijd. Het USCRN-netwerk migreert momenteel naar een nieuwe sensortechnologie na meer dan 10 jaar met behulp van capaciteitssensoren. Het plan is om een minimale overlap van 2 jaar te hebben tussen oude en nieuwe sensoren om eventuele aanpassingen te doen. Regelmatige onderhoudsbezoeken moeten verificatie van SWC-gegevens omvatten, idealiter over een reeks vochtcondities. Dit kan indirect worden bereikt met behulp van een draagbare sensor, idealiter gekalibreerd op sommige bodemmonsters of direct op volumetrische bodemkernen die ter plaatse zijn verzameld. De beste aanpak is om in situ sensormetingen te vergelijken met SWC van volumetrische bodemmonsters op equivalente diepten37 (figuur 12). Gepland onderhoud moet proberen een reeks bodemvochtcondities te dekken, zodat een eenvoudige regressie tussen directe / indirecte SWC-metingen en toevallige sensormetingen kan worden vergeleken. Diepere bodembemonstering kan worden gemaakt in vijzelgaten of met mechanische coring-apparaten. Verificatie van de oppervlaktesensoren (bijv. 5 en 10 cm) kan voldoende zijn, omdat de diepere sensoren een vergelijkbare karakteristieke reactie op PPT moeten volgen, zoals eerder besproken. Er zijn verschillende beperkingen aan deze post hoc SWC-beoordeling. Het belangrijkste nadeel is dat de volumetrische monsters niet direct bij de sensoren kunnen (en mogen) worden genomen en mogelijk niet echt representatief zijn voor het SWC binnen het sensorvolume rond de tanden (binnen 3 cm). Dit leidt tot het tweede nadeel; er kunnen veel meer bemonsteringslocaties en -diepten nodig zijn om een representatieve SWC-waarde voor het veld te verkrijgen. Dit kan ook resulteren in veel gaten en verstoring rond het terrein. Een derde nadeel is de moeilijkheid om volumetrische bodemmonsters op diepte te verkrijgen zonder uitgraving die het bodemprofiel verstoort. Figuur 12: Volumetrische SWC-gegevens. SWC-gegevens van 60 cm3 bodemkernen genomen als veldkalibratiegegevens in vergelijking met SWC van in situ sensoren op diepten van 15, 30, 45 en 60 cm, in texturen variërend van leemachtig, fijn zand tot klei. Dit cijfer is overgenomen uit Evett et al.37. Afkorting: SWC = bodemwatergehalte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. De NRCS ontwikkelde een bodembemonsteringsmethode in vijzelgaten met behulp van een volumetrische bemonsteringsbuis (een Madera-achtige sonde) op een verlengstaaf voor monsters op de bodem van een vijzelgat38. Deze directe metingen kunnen ook worden gecombineerd met indirecte metingen van draagbare sensoren37,39,40 om een gekalibreerde beoordeling te geven van de ruimtelijke representativiteit van de in situ sensoren13,41. Zoals beschreven in protocolstap 10.10, kan dit proces worden herhaald om een metriek (bijv. wortelgemiddelde kwadraatfout, vertekening, correlatie) in staat te stellen een recente afwijking van de in situ sensoren van de directe bemonstering of indirecte schattingen van SWC te bepalen. Meer details worden ook gepresenteerd door de Internationale Organisatie voor Atoomenergie IAEA7. Bodemafgravings- en karakteriseringsgegevens die in stap 3 en 5 worden gepresenteerd, bieden ook gegevens over φ (SWC mag deze waarde niet overschrijden). Bodemtextuur en horizon illustreren zones met hoge/lage geleidbaarheid en bodemwaterretentie. Deze stappen zijn zeer in lijn met het bosbodembemonsteringsprotocol25. De gewenste schaal van representativiteit kan worden gebruikt om de validatiegegevensset te verzamelen en daarna kan het station worden geschaald naar de gevalideerde voetafdruk42. Als een type stationssensor wordt vervangen, zou het redelijk zijn om een andere set validatiegegevens te verzamelen over verschillende bodemwateromstandigheden om de installatiebias opnieuw vast te leggen. Aanvullende datasets kunnen helpen bij de verificatie en beoordeling van SWC-gegevens. Het is duidelijk dat een hydrologische tijdreeks drastisch is verbeterd met een on-site PPT-gage om de timing, duur en omvang van gebeurtenissen te verifiëren. Bodemmatric potentiaalsensoren geven de energiestatus van het bodemwater weer, cruciaal voor het kwantificeren van het beschikbare water van de plant. Meteorologische sensoren, waaronder luchttemperatuur, relatieve vochtigheid, windsnelheid en zonnestraling, maken de directe berekening van referentieverdamping (ET) mogelijk, wat een nuttige gids is voor de relatieve opname van plantenwater en dus de droogsnelheid van de bodem43. Er zijn verschillende economische, alles-in-één weersensoren verkrijgbaar met SDI-12-uitgang. Grondwaterstandinformatie van een drukomvormer is een andere waardevolle meting, als de grondwaterspiegel zich in de buurt van het oppervlak bevindt en een monitoringput kan worden geïnstalleerd. Ten slotte kan een veldcamera zowel wetenschappelijke waarde als site-beveiligingswaarde bieden. Digitale beelden kunnen vegetatiegroei en groenheid44 registreren en de algemene toestand van het station kan worden beoordeeld zonder een veldbezoek. Aanvullende tabel S1: Gemeenschappelijke (maar niet inclusieve) in situ SWC-sensortechnologieën. Klik hier om dit bestand te downloaden. Aanvullende tabel S2: Sensorgeschiedenislogboeken geëxtraheerd uit de NRCS-online database voor alle sites die in dit protocol worden gepresenteerd. Gegevens beschikbaar via elke URL. Klik hier om dit bestand te downloaden. Aanvullende tabel S3: Locatiegegevens en bodemkarakterisering voor gegevensvoorbeelden in figuur 11. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

De toestand van de bodemvochtigheid is het resultaat van veel verschillende omgevingsfactoren, waaronder neerslag, vegetatie, zonnestraling en relatieve vochtigheid, samen met hydraulische en fysische eigenschappen van de bodem. Deze interageren over ruimte en tijd op verschillende ruimtelijke en temporele schalen. Om de water-, energie- en koolstofcycli te modelleren en te voorspellen, is het noodzakelijk om de SWC-toestand te begrijpen. Een van de meest voorkomende soorten geautomatiseerde meettechnologieën is een elektromagnetische SWC-sensor met tanden die bedoeld zijn om ter plaatse in ongestoorde grond te worden geplaatst. Dit protocol is ontworpen om richtlijnen te bieden voor het proces van het installeren van deze veelvoorkomende typen begraafbare sensoren. Nauwkeurigheid, prestaties en kosten zijn doorgaans evenredig met de bedrijfsfrequentie van de sensoren; Sensoren met een lagere frequentie kosten minder, maar worden meer verstoord door bodem- en omgevingsfactoren45. Bodem- of locatiespecifieke kalibratie kan de nauwkeurigheid van sensoren met een lagere frequentie verbeteren. De meetmethode beïnvloedt ook de sensorprestaties vanwege de onderliggende fysica van het elektromagnetische veld (EMF).

Twee belangrijke elektromagnetische fysische wetten regelen elektromagnetische detectie. Een daarvan is de wet van Gauss, die beschrijft hoe de gepropageerde EMF van de sensor afhankelijk is van zowel de ε als de BEC van het medium. De permittiviteit neemt echter toe met SWC, maar ook de BEC. Daarom worden sensoren die afhankelijk zijn van de wet van Gauss beïnvloed door SWC, BEC en het temperatuureffect op BEC, evenals eventuele interferentie van zoutgehalte. Capacitance sensing methoden gehoorzamen de wet van Gauss en zijn dus meer vatbaar voor deze effecten46. Bovendien beschrijft de wet van Gauss de afhankelijkheid van de capaciteit van een meetkundige factor, die verandert met de vorm van de EMF in de bodem. Onderzoek heeft aangetoond dat de EMF-vorm verandert met de bodemstructuur en de kleinschalige ruimtelijke variabiliteit van het watergehalte rond de sensortanden. Kleinschalige ruimtelijke variabiliteit van watergehalte en bodemstructuur is groot in de meeste bodems, wat resulteert in geometrische factorveranderingen en daaruit voortvloeiende capaciteitsveranderingen die weinig te maken hebben met bulkgemiddelde veranderingen in het bodemwatergehalte. Deze factoren verminderen de nauwkeurigheid van de capaciteitssensor en verhogen de gegevensvariabiliteit46,47,48. De impedantie- en transmissielijnoscillatiemethoden zijn ook afhankelijk van de wet van Gauss, terwijl tijddomeinreflectometrie en tijddomeintransmissometriemethoden afhankelijk zijn van de vergelijkingen van Maxwell, die geen meetkundige factor bevatten en niet afhankelijk zijn van BEC. Hoewel geen enkele sensor probleemloos is, zijn de tijddomeinmethoden meestal aanzienlijk nauwkeuriger en minder bevooroordeeld dan op capaciteit of impedantie gebaseerde methoden.

Er zijn verschillende kritieke stappen in de procedure. Voor een schaars netwerk zijn de juiste locatieselectie en sensorlocatie nodig om de meest geschikte ruimtelijke weergave van SWC te hebben. De selectie van locaties kan meer worden beïnvloed door externe factoren, zoals toegang tot het land, of andere atmosferische monitoringvereisten waarbij bodemvocht de aanvullende meting is. Meteorologische locaties op mesoschaal bevinden zich op brede en open, goed onderhouden grasoppervlakken om eventuele invloeden op microschaal te minimaliseren. Dergelijke locaties zijn mogelijk minder ideaal voor SWC-monitoring. Indien van toepassing moeten draadloze sensortechnologieën worden beschouwd als 49,50,51,52,53 om SWC-monitoring buiten het bestaande milieumeetstation en in een representatieve bodem mogelijk te maken. Werken rond actieve landbouwactiviteiten en irrigatieapparatuur is een uitdaging. De meeste netwerken (bijv. SCAN en USDA-ARS) blijven aan de rand van velden om grondbewerkingsactiviteiten zoals ploegen of oogstmachines te vermijden die de kabels kunnen doorsnijden en sensoren kunnen opgraven. Elke in-situ sensor en kabel moet voldoende begraven zijn en een laag genoeg oppervlakteprofiel hebben om te voorkomen dat er bij activiteiten op het bedrijf wordt afgeleid. Draadloze systemen53 en verwijderbare boorgatsensoren47 zijn wellicht geschikter. Grondwaterbehoud met behulp van grootschalige, op bodemvocht gebaseerde irrigatie54 is een groeiend veld voor SWC-sensoren; dit protocol heeft betrekking op ruimtelijk representatieve SWC-gegevens op lange termijn in ongestoorde bodems.

Sommige bodems zijn moeilijker te meten dan andere. In rotsachtige, grindachtige of zeer droge bodems kan het onmogelijk zijn om de tanden zonder schade in te brengen. Een optie is om de grondput uit te graven en de sensoren op hun plaats te leggen tijdens het opvullen, in een poging te verdichten tot de oorspronkelijke BD. Rotsachtige bodems hebben meestal weinig structuur, die waarschijnlijk zal genezen na verschillende bevochtigings- en droogcycli; Een dergelijke verstoring kan echter nooit echt representatief zijn voor de bodemhydrologie van het gebied. Als alternatief, als sensoren in de bodem van vijzelgaten zijn geïnstalleerd, kan de verwijderde grond worden gezeefd om stenen te verwijderen en opnieuw in het gat worden verpakt, net diep genoeg om de sensortanden te huisvesten. De sensor kan vervolgens verticaal worden geïnstalleerd en het vijzelgat kan opnieuw worden gevuld met de resterende niet-gezeefde grond, met frequente verdichting als grond wordt toegevoegd.

Wortels in bosgrond vormen vergelijkbare uitdagingen voor het inbrengen van sondes, maar wortels kunnen in sommige situaties worden gesneden. Bosbodems hebben vaak organische (O) horizonten bovenop de minerale bodem, die een zeer lage BD en een hoog specifiek oppervlak kunnen hebben, met grote hoeveelheden gebonden water, wat resulteert in zeer niet-lineaire sensorresponsen bij hogere SWCs55. Bovendien stelt de beoefenaar de nuldatum in als de bovenkant van de O-horizont of de minerale bodemnotering die in de metadata staat. Kleirijke bodems en uitgestrekte kleien met een hoog krimp- / deiningspotentieel kunnen extreem geleidend zijn voor elektromagnetische signalen wanneer ze nat zijn en kunnen barsten wanneer ze droog zijn. Dergelijke bodems kunnen aanvullende correcties nodig hebben om een redelijke SWC te krijgen van de ruwe metingen56,57. In ondiepe bodems kan gesteente of een beperkende bodemhorizon (bijv. caliche of hardpan) worden aangetroffen voordat de ideale maximale diepte wordt bereikt. Het kan nodig zijn om van locatie te veranderen of de diepere sensor(en) gewoon niet te installeren. Te droge of natte bodems kunnen een uitdaging zijn en het heeft ook de voorkeur om installatiedata te kiezen buiten seizoensextremen. Droge grond kan erg sterk zijn en het kan onmogelijk zijn om een sensor zonder schade in te brengen. Indien nodig kunnen voorgeaugerde gaten worden gevuld met water om het putvlak te verzachten, hoewel het enige tijd kan duren voordat de bodem terugkeert naar een natuurlijke staat. Natte bodems kunnen te zwak zijn om putvlakken te ondersteunen of de geul kan zich vullen met water. Het is ook gemakkelijker om een natte grond te verdichten.

De sensoruitgang moet permittiviteit bevatten, niet alleen SWC, zodat correcties of bodemspecifieke kalibraties later kunnen worden uitgevoerd. Sensoren met een hogere frequentie zijn geschikter in bodems met een hoge BEC, terwijl kortere tanden gemakkelijker te installeren zijn in compactere bodems. Misschien wel de meest kritische stap is echter bodemcontact; slecht contact degradeert het signaal van een elektromagnetische sensor. Ten slotte klinkt het opvullen van de opgraving triviaal, maar het is de sleutel tot het minimaliseren van de voorkeursstroom in het gebied van de sensoren, het beschermen van kabels en het ontmoedigen van dieren om het gebied te verstoren. Een bodem- of locatiespecifieke kalibratie kan de nauwkeurigheid van de sensor verbeteren, maar vereist meer details dan mogelijk is in dit protocol. Veldbodems die zijn aangepast of herverpakt naar verschillende SWC-niveaus zijn ideaal om de lineariteit van de respons te controleren en kunnen dienen als een locatiespecifieke kalibratie voor sommige sensortypen21. Diëlektrische vloeistoffen kunnen ook effectieve media zijn om de sensorrespons58 te controleren. Temperatuurgecontroleerde waterbaden kunnen worden gebruikt om de kalibraties van de bodemtemperatuur te verbeteren59. Dit protocol is de eerste stap in de richting van de vaststelling van een standaard bedrijfsprocedure voor de installatie van een SWC-sensor in situ, aangezien er geen bestaande methode bestaat, noch een geaccepteerde kalibratiemethode voor SWC-sensoren60,61.

Hoewel SWC-monitoring de focus van dit protocol is geweest, heeft de methode beperkingen en kan SWC alleen geen volledig beeld geven van de toestand van het bodemwater. Veel ecosysteemprocessen worden ook gereguleerd door het bodemwaterpotentieel, dat minder vaak in situ62 wordt gemeten. Bodemwaterpotentieel, onlangs beoordeeld door S. Luo, N. Lu, C. Zhang en W. Likos 63, is de energietoestand van water; dergelijke sensoren kunnen minder worden beïnvloed door bodemeigenschappen en bieden kwaliteitscontrole voor SWC-sensoren64. Bovendien omvat het bulkveld SWC grind, rotsen, wortels en lege ruimte (bijv. Preferentiële stromingspaden). In situ SWC-sensoren worden over het algemeen verplaatst rond rotsen en wortels, en het beperkte meetvolume, geconcentreerd rond de tanden, kan discrete maar belangrijke aspecten van het bulkveld SWC missen.

Dit protocol zal hopelijk leiden tot meer geharmoniseerde en uniforme SWC-gegevens voor een breed scala aan toepassingen, waaronder droogtemonitoring, voorspelling van de watervoorziening, stroomgebiedbeheer, landbouwbeheer en gewasplanning. De komst van teledetectieplatforms4 heeft de mogelijkheid om SWC wereldwijd te schatten aanzienlijk verbeterd, maar deze producten hebben grondvalidatie nodig, die nog steeds alleen redelijkerwijs wordt verzameld door in situ-netwerken 65. Computerontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt om SWC-modellering met hyperresolutie66 te ontwikkelen, waardoor een SWC-status met hoge resolutie en sub-dagelijkse SWC-status wordt geproduceerd, maar deze producten hebben ook in-situ schattingen van SWC nodig om enige basis te bieden voor het berekenen van onzekerheid. Vaak is de eerste vraag die wordt gesteld wanneer een nieuw product wordt geïntroduceerd “wat is de onzekerheid?” Voor SWC-producten is de primaire vergelijking voor validatie in-situ netwerkgegevens67.

Er zijn recente netwerkuitbreidingen geweest in verband met het National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network (NCSMMN), waaronder het U.S. Army Corps of Engineers Upper Missouri River Basin bodemvochtproject en de door NOAA ondersteunde zuidoostelijke Amerikaanse netwerkopbouw, allemaal ontworpen om de voorspelling van watergevaar, monitoring en ondersteuning bij het nemen van beslissingen over resourcebeheer te verbeteren. Zekerheid en nauwkeurigheid van SWC-schattingen voor dergelijke toepassingen kan alleen worden bereikt met grondige protocollen en procedures om vertrouwen te bieden in de gegevensintegriteit. De NCSMMN is een federaal geleide, multi-institutionele inspanning die tot doel heeft hulp, begeleiding en ondersteuning te bieden door een praktijkgemeenschap op te bouwen rond bodemvochtmeting, interpretatie en toepassing – een “netwerk van mensen” dat gegevensleveranciers, onderzoekers en het publiek verbindt68. Dit protocol is een product van ncsmmn inspanningen. Er komt een workflow voor gegevenskwaliteitscontrole.

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

Materials

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

Riferimenti

  1. GCOS Steering Committee. The Global Observing System for Climate: Implementation Needs. Report No. GCOS-200. World Meteorological Organization, Global Climate Observing System. , 315 (2016).
  2. Seneviratne, S. I., et al. Investigating soil moisture-climate interactions in a changing climate: A review. Earth-Science Reviews. 99 (3-4), 125-161 (2010).
  3. Vereecken, H., et al. On the value of soil moisture measurements in vadose zone hydrology: A review. Water Resources Research. 44 (4), (2008).
  4. Babaeian, E., et al. proximal, and satellite remote sensing of soil moisture. Reviews of Geophysics. 57 (2), 530-616 (2019).
  5. Ochsner, T. E., et al. State of the art in large-scale soil moisture monitoring. Soil Science Society of America Journal. 77 (6), 1888-1919 (2013).
  6. Fiebrich, C. A., Morgan, C. R., McCombs, A. G., Hall, P. K., McPherson, R. A. Quality assurance procedures for mesoscale meteorological data. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 27 (10), 1565-1582 (2010).
  7. IAEA. Field Estimation of Soil Water Content. Training Course Series. Report No. 30. International Atomic Energy Agency. , (2008).
  8. Montzka, C., et al. Soil Moisture Product Validation Good Practices, Protocol Version 1.0. Committee on Earth Observation Satellites, Working Group on Calibration and Validation, Land Product Validation Subgroup. , (2020).
  9. Johnson, A. I. Methods of Measuring Soil Moisture in the Field. Report No. 25 Water-Supply Paper 1619-U. U.S. Geological Survey. , (1962).
  10. Fiebrich, C., et al. . The American Association of State Climatologists’ Recommendations and Best Practices for Mesonets. , 36 (2019).
  11. Caldwell, T. G., Young, M. H., McDonald, E. V., Zhu, J. T. Soil heterogeneity in Mojave Desert shrublands: Biotic and abiotic processes. Water Resources Research. 48 (9), (2012).
  12. Lin, H. S. Three principles of soil change and pedogenesis in time and space. Soil Science Society of America Journal. 75 (6), 2049-2070 (2011).
  13. Caldwell, T. G., et al. The Texas soil observation network: A comprehensive soil moisture dataset for remote sensing and land surface model validation. Vadose Zone Journal. 18, 100034 (2019).
  14. Schaefer, G. L., Cosh, M. H., Jackson, T. J. The USDA natural resources conservation service soil climate analysis network (SCAN). Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 24 (12), 2073-2077 (2007).
  15. Schaefer, G. L., Paetzold, F., Hubbard, K., Sivakumar, M. V. K. SNOTEL (SNOpack and TELemetry) and SCAN (soil climate analysis network). Automated Weather Stations for Applications in Agriculture and Water Resources Management: Current Use and Future Perspectives. , 187-194 (2001).
  16. Palecki, M. A., Bell, J. E. U.S. Climate Reference Network soil moisture observations with triple redundancy: Measurement variability. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  17. Chan, S. K., et al. Assessment of the SMAP passive soil moisture product. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 54 (8), 4994-5007 (2016).
  18. Hu, Q., Feng, S. A daily soil temperature dataset and soil temperature climatology of the contiguous United States. Journal of Applied Meteorology. 42 (8), 1139-1156 (2003).
  19. Patrignani, A., Ochsner, T. E., Feng, L., Dyer, D., Rossini, P. R. Calibration and validation of soil water reflectometers. Vadose Zone Journal. , 20190 (2022).
  20. Adams, J. R., Berg, A. A., McNairn, H. Field level soil moisture variability at 6-and 3-cm sampling depths: implications for microwave sensor validation. Vadose Zone Journal. 12 (3), (2013).
  21. Caldwell, T. G., Bongiovanni, T., Cosh, M. H., Halley, C., Young, M. H. Field and laboratory evaluation of the CS655 soil water content sensor. Vadose Zone Journal. 17, 170214 (2018).
  22. Vaz, C. M. P., Jones, S., Meding, M., Tuller, M. Evaluation of standard calibration functions for eight electromagnetic soil moisture sensors. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  23. Cosh, M. H., et al. Developing a strategy for the national coordinated soil moisture monitoring network. Vadose Zone Journal. 20 (4), 20139 (2021).
  24. Schoeneberger, P. J., Wysocki, D. A., Benham, E. C. . Field Book for Describing and Sampling Soils. Version 3.0. , (2012).
  25. Lawrence, G. B., et al. Methods of soil resampling to monitor changes in the chemical concentrations of forest soils. Journal of Visualized Experiments. (117), e54815 (2016).
  26. Gee, G. W., Or, D., Dane, J. H., Topp, G. C. 2.4 Particle-size Analysis. Methods of Soil Analysis, Part 4. Physical Methods. 5, 255-293 (2002).
  27. Rhoades, J. D., Sparks, D. L. Salinity: Electrical conductivity and total dissolved solids. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. 5, 417-435 (1996).
  28. Nelson, D. W., Sommers, L. E., Sparks, D. L. Total carbon, organic carbon, and organic matter. Methods of Soil Analysis, Part 3: Chemical Methods. 5, 961-1010 (1996).
  29. Grossman, R. B., Reinsch, T. G., Dane, J. H., Topp, G. C. Bulk density and linear extensibility. Methods of Soil Analysis, Part 4: Physical Methods. 5, 201-228 (2002).
  30. WMO. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation. Report No. WMO-No. 8. World Meteorological Organization. , 548 (2018).
  31. Seyfried, M. S., Murdock, M. D. Measurement of soil water content with a 50-MHz soil dielectric sensor. Soil Science Society of America Journal. 68 (2), 394-403 (2004).
  32. Dorigo, W., et al. The International Soil Moisture Network: serving Earth system science for over a decade. Hydrology and Earth System Sciences. 25 (11), 5749-5804 (2021).
  33. Xia, Y., Ford, T. W., Wu, Y., Quiring, S. M., Ek, M. B. Automated Quality control of in situ soil moisture from the North American soil moisture database using NLDAS-2 products. Journal of Applied Meteorology and Climatology. 54 (6), 1267-1282 (2015).
  34. Dorigo, W. A., et al. Global automated quality control of in situ soil moisture data from the International Soil Moisture Network. Vadose Zone Journal. 12 (3), (2013).
  35. Liao, W., Wang, D., Wang, G., Xia, Y., Liu, X. Quality control and evaluation of the observed daily data in the North American soil moisture database. Journal of Meteorological Research. 33 (3), 501-518 (2019).
  36. Wilson, T. B., et al. Evaluating time domain reflectometry and coaxial impedance sensors for soil observations by the U.S. Climate Reference Network. Vadose Zone Journal. 19 (1), 20013 (2020).
  37. Evett, S. R., et al. Resolving discrepancies between laboratory-determined field capacity values and field water content observations: implications for irrigation management. Irrigation Science. 37 (6), 751-759 (2019).
  38. Evett, S. R. Soil water and monitoring technology. Irrigation of Agricultural Crops. 30, 23-84 (2007).
  39. Kim, H., Cosh, M. H., Bindlish, R., Lakshmi, V. Field evaluation of portable soil water content sensors in a sandy loam. Vadose Zone Journal. 19 (1), 20033 (2020).
  40. Cosh, M. H., Jackson, T. J., Bindlish, R., Famiglietti, J. S., Ryu, D. Calibration of an impedance probe for estimation of surface soil water content over large regions. Journal of Hydrology. 311 (1-4), 49-58 (2005).
  41. Cosh, M. H., Evett, S. R., McKee, L. Surface soil water content spatial organization within irrigated and non-irrigated agricultural fields. Advances In Water Resources. 50, 55-61 (2012).
  42. Coopersmith, E. J., et al. Deploying temporary networks for upscaling of sparse network stations. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 52, 433-444 (2016).
  43. Allen, R. G., et al. The ASCE Standardized Reference Evapotranspiration Equation. American Society of Civil Engineers. , (2005).
  44. Krueger, E. S., et al. Grassland productivity estimates informed by soil moisture measurements: Statistical and mechanistic approaches. Agronomy Journal. 113 (4), 3498-3517 (2021).
  45. Kizito, F., et al. Frequency, electrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor. Journal of Hydrology. 352 (3-4), 367-378 (2008).
  46. Evett, S. R., Schwartz, R. C., Casanova, J. J., Heng, L. K. Soil water sensing for water balance, ET and WUE. Agricultural Water Management. 104, 1-9 (2012).
  47. Evett, S. R., Schwartz, R. C., Tolk, J. A., Howell, T. A. Soil profile water content determination: spatiotemporal variability of electromagnetic and neutron probe sensors in access tubes. Vadose Zone Journal. 8 (4), 926-941 (2009).
  48. Evett, S. R., Tolk, J. A., Howell, T. A. Soil profile water content determination: sensor accuracy, axial response, calibration, temperature dependence, and precision. Vadose Zone Journal. 5 (3), 894-907 (2006).
  49. Bogena, H. R., et al. Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability. Vadose Zone Journal. 9 (4), 1002-1013 (2010).
  50. Kerkez, B., Glaser, S. D., Bales, R. C., Meadows, M. W. Design and performance of a wireless sensor network for catchment-scale snow and soil moisture measurements. Water Resources Research. 48 (9), 09515 (2012).
  51. Li, X., et al. Internet of Things to network smart devices for ecosystem monitoring. Science Bulletin. 64 (17), 1234-1245 (2019).
  52. Moghaddam, M., et al. A wireless soil moisture smart sensor web using physics-based optimal control: concept and initial demonstrations. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 3 (4), 522-535 (2010).
  53. Evett, S. R., Thompson, A. I., Schomberg, H. H., Andrade, M. A., Anderson, J. Solar node and gateway wireless system functions in record breaking polar vortex outbreak of February 2021. Agrosystems, Geosciences and Environment. 4 (4), 20193 (2021).
  54. Irmak, S., et al. Large-scale on-farm implementation of soil moisture-based irrigation management strategies for increasing maize water productivity. Transactions of the ASABE. 55 (3), 881-894 (2012).
  55. Bircher, S., et al. Soil moisture sensor calibration for organic soil surface layers. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems. 5 (1), 109-125 (2016).
  56. Singh, J., Lo, T., Rudnick, D. R., Irmak, S., Blanco-Canqui, H. Quantifying and correcting for clay content effects on soil water measurement by reflectometers. Agricultural Water Management. 216, 390-399 (2019).
  57. Schwartz, R. C., Casanova, J. J., Pelletier, M. G., Evett, S. R., Baumhardt, R. L. Soil permittivity response to bulk electrical conductivity for selected soil water sensors. Vadose Zone Journal. 12 (2), (2013).
  58. Blonquist, J. M., Jones, S. B., Robinson, D. A. Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 2. Evaluation of seven sensing systems. Vadose Zone Journal. 4 (4), 1059-1069 (2005).
  59. Naranjo, R. Methods for installation, removal, and downloading data from the temperature profiling probe (TROD). Report No. Open-File Report 2019-1066. U.S. Geological Survey. , 14 (2019).
  60. Jones, S. B., Blonquist, J. M., Robinson, D. A., Rasmussen, V. P., Or, D. Standardizing characterization of electromagnetic water content sensors: Part 1. Methodology. Vadose Zone Journal. 4 (4), 1048-1058 (2005).
  61. Jones, S. B., Sheng, W., Xu, J., Robinson, D. A. Electromagnetic sensors for water content: the need for international testing standards. 2018 12th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances. , 1-9 (2018).
  62. Novick, K. A., et al. Confronting the water potential information gap. Nature Geoscience. 15 (3), 158-164 (2022).
  63. Luo, S., Lu, N., Zhang, C., Likos, W. Soil water potential: A historical perspective and recent breakthroughs. Vadose Zone Journal. 20203, (2022).
  64. Jackisch, C., et al. Soil moisture and matric potential-an open field comparison of sensor systems. Earth System Science Data. 12 (1), 683-697 (2020).
  65. Colliander, A., et al. Validation and scaling of soilmoisture in a semi-arid environment: SMAP validation experiment 2015 (SMAPVEX15). Remote Sensing of Environment. 196, 101-112 (2017).
  66. Vergopolan, N., et al. High-resolution soil moisture data reveal complex multi-scale spatial variability across the United States. Geophysical Research Letters. 49 (15), (2022).
  67. Gruber, A., et al. Validation practices for satellite soil moisture retrievals: What are (the) errors. Remote Sensing of Environment. 244, 111806 (2020).
  68. Baker, C. B., et al. Working toward a National Coordinated Soil Moisture Monitoring Network: vision, progress, and future directions. Bulletin of the American Meteorological Society. , (2022).

Tags

Soil MoistureIn-situ SensorsSoil Water ContentClimate VariableSensor InstallationSoil HydrologyData CollectionUSDAARSHydrology And Remote Sensing LaboratorySDI-12Soil TextureSoil DisturbanceSensor Cable

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Caldwell, T. G., Cosh, M. H., Evett, S. R., Edwards, N., Hofman, H., Illston, B. G., Meyers, T., Skumanich, M., Sutcliffe, K. In Situ Soil Moisture Sensors in Undisturbed Soils. J. Vis. Exp. (189), e64498, doi:10.3791/64498 (2022).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image