JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Productie van eenvoudige en goedkope bodem oppervlaktetemperatuur en gravimetrische water inhoud sensoren

Published: December 21, 2019
doi:
10.3791/60308
, , , , , , ,
1Southwest Biological Science Center,U.S. Geological Survey, 2Centre for Energy Technology Brandenburg, 3Institute of Environmental Sciences,Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, 4Umweltanalytische Produkte GmbH, 5Institute of Plant Sciences,University of Graz, 6Multiphase Chemistry Department,Max Planck Institute for Chemistry

Summary

Het nauwkeurig meten van de temperatuur en het watergehalte van de bovenste 5 mm van het bodemoppervlak kan ons begrip van milieucontroles op biologische, chemische en fysische processen verbeteren. Hier beschrijven we een protocol voor het vervaardigen, kalibreren en uitvoeren van metingen met de temperatuur van het bodemoppervlak en vochtsensoren.

Abstract

Het kwantificeren van temperatuur en vocht op het bodemoppervlak is essentieel om te begrijpen hoe het bodemoppervlak biota reageert op veranderingen in de omgeving. Echter, op het bodemoppervlak zijn deze variabelen zeer dynamisch en standaard sensoren meten niet expliciet temperatuur of vocht in de bovenste millimeter van het bodemprofiel. Dit artikel beschrijft methoden voor het vervaardigen van eenvoudige, goedkope sensoren die tegelijkertijd de temperatuur en het vocht van de bovenste 5 mm van het bodemoppervlak meten. Naast de sensor constructie worden ook stappen voor kwaliteitscontrole en kalibratie voor verschillende ondergronden toegelicht. De sensoren nemen een thermokoppel van type E op om de temperatuur te meten en het bodemvocht te beoordelen door de weerstand tussen twee vergulde metalen sondes aan het uiteinde van de sensor op een diepte van 5 mm te meten. De hier gepresenteerde methoden kunnen worden gewijzigd om sondes voor verschillende diepten of substraten aan te passen. Deze sensoren zijn effectief in een verscheidenheid van omgevingen en hebben maanden van zware regenval in tropische bossen, evenals intense zonnestraling in woestijnen van de zuidwestelijke VS resultaten aantonen de effectiviteit van deze sensoren voor het evalueren van opwarming, drogen en invriezen van het bodemoppervlak in een wereldwijd veranderings experiment.

Introduction

Omgevingssensoren zijn kritische instrumenten voor het beoordelen, monitoren en begrijpen van ecosysteem dynamiek. Temperatuur en vocht zijn fundamentele drijfkracht van biologische processen in de bodem en beïnvloeden de activiteit en de samenstelling van de Gemeenschap van bodemorganismen1,2. Bovendien is gebleken dat temperatuur en vocht van invloed zijn op de timing van de opkomst van zaailing en de ontledings percentages voor zwerfvuil3,4,5. Bij droogland ecosystemen worden de bodem oppervlakken die niet door vasculaire planten worden bedekt vaak gegarneerd met gemeenschappen van mossen, lichens en cyanobacteriën, bekend als een biologische bodem korst (biocrust) (Figuur 1). Deze gemeenschappen bestaan op het bodemoppervlak en dringen zelden dieper in dan enkele millimeter in de bodem6. Biologische bodem korsten kunnen de bodem stabilisatie sterk beïnvloeden, waterinfiltratie en verdampingssnelheden, albedo, temperatuur, nutriënt fietsen en bodem-atmosfeer co2 Exchange7,8,9. Op zijn beurt, voor sommige systemen de activiteit van deze oppervlakte gemeenschappen kunnen domineren algemene bodemkenmerken en de tarieven van de verschillende processen10. Sensoren die expliciet metingen op ondiepe diepten concentreren kunnen ons helpen verder te begrijpen hoe de temperatuur en het vocht de kiemkracht, afbraak percentages en reacties van bodemoppervlak biota beïnvloeden, evenals vele andere ecosysteemfuncties.

Recente ontwikkelingen in de bodem sensortechnologie hebben het belang aangetoond van ruimtelijk expliciete metingen voor het begrijpen van biologische processen op het bodemoppervlak11,12. Conventionele methoden voor het analyseren van bodemvocht omvatten sensoren die onder het bodemoppervlak zijn geplaatst en integreren vaak metingen over diepten. Het bodemvocht dat door deze sondes wordt opgenomen, kan helpen ons begrip van milieucontroles op bodemorganismen te informeren, maar mist waarschijnlijk veel van de nuances die zich op het bodemoppervlak voordoen. Om het watergehalte van de bovenste millimeter bodem expliciet te meten, heeft Weber et al. recent ontwikkelde biocrust-nattigheid (BWP) die bodemvochtigheid bepalen via elektrische geleiding van het bodemoppervlak tot een diepte van 3 mm11. Door de sensoren van Weber te gebruiken in combinatie met 0 tot 5 cm geïntegreerde vocht voelers, toonde Tucker et al. het belang aan van vochtsensoren die zich richten op de bovenste millimeter van het bodemoppervlak. In het bijzonder waren kleine neerslag gebeurtenissen, die zeer relevant waren voor de activiteit van biocrust Gemeenschappen, niet geregistreerd voor de 0-50 mm (d.w.z. 5 cm) geïntegreerde sondes en werden alleen gedetecteerd door de BWPs12. Sensoren gericht op de bovenste millimeter van de bodem zijn essentieel voor het meten van vocht gebeurtenissen die niet groot genoeg zijn om te infiltreren langs het oppervlak, maar volstaan om reacties te induceren van de biota aan de oppervlakte.

De temperatuur van het bodemoppervlak is een andere belangrijke milieufactor die fysiologische processen aansturen. De temperatuur van het bodemoppervlak kan zeer variabel zijn, vooral in de installatie ruimten waar het niet-gearceerde bodemoppervlak wordt blootgesteld aan grote hoeveelheden zonnestraling. Ook is de temperatuur meer variabel op het bodemoppervlak dan dieper in de bodemprofiel13 of de Air14. Bijvoorbeeld, Tucker et al. toonde een maximaal dagactieve bodem oppervlaktetemperatuur bereik van bijna 60 °c (13-72 °c) die zich voordoen over slechts 24 uur. Deze temperaturen werden gemeten met behulp van thermokoppels die 3 mm in het bodemoppervlak werden gestoken. Ondertussen, nabijgelegen temperatuurvoelers 50 mm diep gemeten een bereik van slechts 30 °C (22-52 °C) op dezelfde dag12. De thermokoppels die expliciet de temperatuur op het bodemoppervlak meten vertoonden een veel hogere variatie dan sensoren op 50 mm diepten, omdat de oppervlakte bodems 10 °C kouder waren bij nacht en 20 °C warmer tijdens de hitte van de dag ten opzichte van de 50 mm diepe waarden.

Temperatuur staat voor een kritische controle over fysiologische processen. Bijvoorbeeld, bij constante bodemvocht in laboratoriumomstandigheden, co2 verliezen uit de bodem stijgen dramatisch met toenemende temperaturen in de meeste ecosystemen2,15,16. Evenzo hebben gegevens uit het veld klimaat manipulatie studies die tot doel hebben om de plot temperaturen ten opzichte van de controles te verhogen, aangetoond dat opgewarmde bodems meer co2 vrijgeven dan onverwarmde bodems in de buurt (althans in de eerste jaren van de behandelingen17,18) en dat de biocrusted bodems een vergelijkbare reactie vertonen op de opwarming van de7,9. Zowel de temperatuur als het vocht zijn aangetoond als belangrijke omgevingsvariabelen en sensoren die nauwkeurig de klimatologische omstandigheden van het bodemoppervlak kunnen opvangen, kunnen verhelzien hoe zij de fysiologische processen van organismen op het bodemoppervlak beïnvloeden11,12.

Dit papier presenteert sensoren die zijn ontworpen om zowel temperatuur als vocht te meten tot een diepte van 5 mm onder het bodemoppervlak, wat een aanzienlijke kracht biedt bij het beoordelen van de interactie van deze variabelen en het stimuleren van biologische reacties van onregelmatige biota. Het type E thermokoppel is gemaakt van twee metalen (chromel en constantan), en temperatuurveranderingen in de metalen creëren verschillende spanningen die worden opgenomen door een datalogger. De bodemvocht sensor meet de weerstand tussen twee vergulde metalen uitsteeksels. De weerstand wordt beïnvloed door het bodem watergehalte, omdat meer water de geleiding verhoogt en zo de weerstand tussen de uitsteeksels verlaagt. Na het ontwerp van Weber et al.11meten deze sensoren het bodemvocht tot een diepte van 5 mm en bevatten ze bovendien een thermokoppel om de temperatuur op dezelfde sonde te meten. Deze sensoren bieden een verfijnd beeld van hoe de temperatuur en de vocht dynamiek variëren in concert op het bodemoppervlak met behulp van een enkele sonde. Deze sondes bieden talloze mogelijkheden om te onderzoeken hoe organismen die aan de oppervlakte leven, inspelen op veranderingen in hun omgeving. Een bijkomend voordeel van deze sensoren is dat ze relatief eenvoudig en goedkoop zijn om te bouwen en te kalibreren, en onderzoekers zullen gemakkelijk in staat zijn om hun gebruik aan te nemen.

Het volgende protocol beschrijft in detail de materialen en methoden voor de constructie van de sensoren, met inbegrip van een overzicht voor het aansluiten van de sensoren op dataloggers. Deze sensoren gebruikt commercieel beschikbare loggers, maar elke datalogger die kan worden aangesloten op een multiplexer kan worden gebruikt. Methoden voor het kalibreren van de sensoren op de substraten van belang worden ook beschreven.

Protocol

1. productie sensoren Snijd de juiste kabellengtes. Bepaal de maximale afstand van de datalogger-locatie tot de gewenste sensor plaatsing. Rekening voor de extra kabel lengte die nodig is voor bochten in de kabel, obstakels en gehechtheid aan de datalogger. Knip alle thermokoppel-en bodemvocht kabels naar deze maximale gewenste lengte. Verschillen in kabel lengte kunnen leiden tot variabele weerstanden onder sensoren. Dit probleem kan worden vermeden door alle sensorkabel lengtes hetzelfde te houden. Maak de thermokoppel kabel klaar. Strip de kabelmantel 4 − 5 cm van het uiteinde van de kabel. Strip de nieuw blootgestelde, kleine diameter omhulsels 5 mm van het uiteinde van de draden. Arc las de blootgestelde uiteinden van de draden samen en test de sterkte van de nieuwe las door zachtjes op de draden te trekken om ervoor te zorgen dat ze niet scheiden.Let op: een Lashelm of gelaatsscherm moet worden gebruikt om te beschermen tegen de straling die wordt gegenereerd bij het lassen van de boog. Houd alles in de werkomgeving droog om mogelijke schokken te voorkomen. Werk in een goed geventileerde ruimte om rook of gassen uit uw ademhalingsgebied te houden. Dompel de Arc-gelaste uiteinden van de thermokoppel kabel in vloeibare elektrische tape om de blootgestelde draden te beschermen. De vloeibare elektrische tape moet het blootgestelde metaal van de draden en ten minste 3 mm van de kleine diameter draad omhulsels bedekken.Let op: vloeibare elektrische tape heeft ontvlambare dampen die de luchtwegen kunnen irriteren. Gebruik in een goed geventileerde ruimte uit de buurt van open vlammen. Vermijd directe blootstelling aan de ogen en de huid, omdat dit irritatie kan veroorzaken. Laat de vloeibare elektrische tape ongeveer 4 uur drogen of volgens de aanwijzingen van de fabrikant. Snijd een stuk van 0,13 in (~ 3,3 mm) vocht-afdichting Krimpkous die lang genoeg is om de vloeibare elektrische tape op de kleine diameter omhulsels en ten minste 1 cm van de thermokoppel kabelmantel (ongeveer 6 cm lang) te bedekken. Steek de draden in de Krimpkous en beweeg de buis terug over de kabelmantel. Wacht tot een latere stap (stap 1.5.3) om warmte toe te passen. Bereid de bodemvocht kabel. Strip de kabelmantel 5 cm van het uiteinde van de kabel. Snijd de aarddraad (geen mantel) uit bij de kabelmantel, zodat deze niet buiten de jas wordt blootgesteld. Strip 1 cm van de binnenste kleine diameter omhulsels van de uiteinden van de bodemvocht draden. Draai het blootgestelde metaal van elke draad om de kleine strengen te consolideren. Tin de kleine gedraaide strengen door het toepassen van soldeer op het blootgestelde metaal aan elke draad uiteinde.Let op: voorzichtigheid is geboden bij het gebruik van de extreem hete instrumenten die nodig zijn voor het solderen. Soldeer in goed geventileerde ruimtes en Draag geschikte oog-en huidbescherming. Knip een stuk van 0,38 in (~ 10 mm) Krimpkous die 1 cm langer is dan de afstand van waar de kabelmantel aan het einde van de vertinde draden werd gestript. Plaats deze buis over beide draden en schuif deze terug over de kabelmantel om deze in een latere stap op zijn plaats te bevestigen. Snijd twee 1,5 cm stuks van 0,13 in (~ 3,3 mm) vocht Afdicht krimp slangen en plaats er een over elke draad. Verwarm deze niet totdat u de draad hebt gesoldeerd aan de twee-prong socket strip. Breng de soldeer flux aan op de uitsteeksels van de twee-prong socket strip. Soldeer de vertinde uiteinden van de draad aan de uiteinden van de twee-prong socket strip. Wees voorzichtig om de twee uiteinden gescheiden te houden, zodat ze niet aanraken. Verplaats de twee stukken van 0,13 in (~ 3,3 mm) vocht Afdicht Krimpkous naar de basis van de twee-prong socket strip zodat alle metalen onderdelen bedekt zijn. Gebruik het hitte pistool om de Krimpkous te hechten, zorg dat u het soldeer onder de buizen niet oververhit en smelt. Verplaats de 0,38 in (~ 10 mm) vocht Afdicht Krimpkous tot 1 mm van het uiteinde van de twee-prong socket strook zodat deze de socket strip, de draden met een kleine diameter en een deel van de kabelmantel bedekt. Gebruik het hitte pistool om deze Krimpkous op zijn plaats te bevestigen. Wijzig de klemmenstrook voor de sensorkop. Om de acht-Prong klemmenstrook te wijzigen, oriënteer je de strook zodat de bovenste uitsteeksels weg zijn van het zicht. Gebruik draad knipsels om de tweede, vierde en zevende uitsteeksels van links af te snijden net onder de zwarte plastic contact strip (Figuur 2). Meet 5 mm onder de zwarte plastic contact strip en markeer de derde, vijfde en zesde uitsteeksels van links op 5 mm. Knip deze uitsteeksels bij de markering van 5 mm. Deze lengte kan aangepast worden aan verschillende onderzoeksvragen. Monteer de sensorkop. Snijd twee 1 cm stuks van 0,5 in (~ 13 mm) vocht Afdicht Krimpkous en schuif één over elk van de thermokoppel en bodemvocht kabels. Beweeg het Arc-gelaste uiteinde van de thermokoppel draden over de bovenkant van de derde geknipte Prong zodat de punt van het thermokoppel is georiënteerd met het uiteinde van de geknipte Prong. Buig de draden zodat ze de bovenste curve van de Prong volgen. Schuif de 0,13 in (~ 3,3 mm) vocht Afdicht Krimpkous (vanaf stap 1.2.6) over het gebogen deel van de Prong en de thermokoppel draden. Controleer of de Krimpkous ook een deel van de thermokoppel kabelmantel bedekt en gebruik een hitte pistool om de Krimpkous in de plaats te houden. Knijp het deel van de Krimpkous over de gebogen Prong met de vingers om het te beveiligen. Steek de bovenste gebogen uiteinden van de uitsteeksels 5 en 6 in de twee-prong socket strip (Figuur 2). Verplaats de bovenste 0,5 in (~ 13 mm) stukje vocht Afdicht Krimpkous naar de sensorkop zodat deze ongeveer 1 cm van het hoofd wordt gepositioneerd. Gebruik een hitte pistool om het op zijn plaats te houden, zorg ervoor dat de socket strip stevig is aangesloten op de uitsteeksels 5 en 6 en op de thermokoppel draad op Prong 3. Gebruik een hitte pistool te hechten aan de andere 0,5 in (~ 13 mm) stukje vocht Afdicht Krimpkous buizen een paar centimeter achter de vorige stuk van Krimpkous buizen. Breng vloeibare elektrische tape aan alle zijden van de thermokoppel draad en Prong 3. Breng vloeibare elektrische tape aan alle zijden van de socket strip verbinding, zodat alle blootgestelde metaal bedekt is. Echter niet bedekken de 5 mm geknipte uitsteeksels gekoppeld aan deze verbinding (Figuur 3). 2. sensoren verbinden met datalogger en multiplexer Opmerking: deze sensoren moeten worden gebruikt met een multiplexer die is verbonden met een datalogger. Alle stappen in dit protocol zijn voor gebruik met de datalogger en multiplexer vermeld in de tabel met materialen (andere dataloggers zou ook werken). Bij elke meet tijd opent de datalogger de communicatie met de multiplexer, die op zijn beurt als een relais fungeert en de stroom naar de weerstand-sensor laat stromen. Verbind de multiplexer met de datalogger met behulp van audio draden. Verbind de COM-poort op de datalogger met de RES-poort op de multiplexer. Sluit de afzonderlijke COM-poort op de datalogger aan op de CLK-poort van de multiplexer. Sluit de G-en 12 V-poorten op de datalogger aan op de GND-en de 12 V-poorten van de multiplexer. Maak een spannings verdeler op de datalogger door een door-hole 1 kΩ ± 0,1% weerstand tussen een VX poort en een H DIFF poort op de datalogger aan te sluiten. Verbind twee audio draden met een massa van deze spannings verdeler naar de multiplexer. Sluit een draad van dezelfde H DIFF-poort aan dat de spannings verdeler op de datalogger is aangesloten op de COM ODD L-poort op de multiplexer. Zorg ervoor dat de andere kabel een grond poort op de datalogger verbindt met de COM ODD H-poort op de multiplexer. Zorg ervoor dat een massadraad een massa van de datalogger verbindt met een massa op de multiplexer. Verbind een type E thermokoppel draad met de datalogger en de multiplexer. De paarse draad verbindt de DIFF 1 H-poort op de datalogger met de COM EVEN H-poort op de multiplexer. De rode draad verbindt de DIFF 1 L-poort op de datalogger met de COM EVEN L-poort op de multiplexer. Zorg ervoor dat de Ground Wire verbinding maakt met een grond op zowel de datalogger als de multiplexer. Wijzig de multiplexer in de modus 4 x 16. Verbind de sensoren met de multiplexer. Bodemvocht audiokabels verbinden met oneven poorten met de zwarte draad naar H en de rode draad naar L. thermokoppel draden verbinden met zelfs poorten met de paarse draad naar H en de rode draad naar L. De volgorde van de thermokoppel draden is cruciaal voor de juiste metingen. 3. testen sensoren Soldeer de uiteinden van een film weerstand om de uitsteeksels op een twee-prong socket connector met lood soldeer en soldeer flux. Verbind alle sensoren die moeten worden getest met de multiplexer. Pas het programma voor gegevensregistratie aan om elke 30 s te scannen, of naar een voorkeurs frequentie voor het scannen van meerdere sensoren. Voor vochtsensoren, plaats de socket connector met film weerstand op uitsteeksels 5 en 6 van de sensor en noteer de gegevens van de datalogger. Plaats de weerstand op elke sensor om ervoor te zorgen dat ze allemaal dezelfde lezing geven. Bewaak de thermokoppel gegevens om ervoor te zorgen dat ze soortgelijke temperaturen meten. Voor temperatuursensoren, plaats het thermokoppel uiteinde tussen twee vingers om ervoor te zorgen dat de temperaturen dienovereenkomstig veranderen. 4. sensoren kalibreren Opmerking: deze sectie beschrijft het proces voor de betreffende sensor uitvoer naar bodemvocht. Vervaardiging van de ijksensorkop. Strip 12 cm van de jas van de bodemvocht kabel. Verwijder de folie afscherming van de draden. Snijd een 10 cm lengte van beide binnenste bodemvocht draden met kleine diameter. Strip ongeveer 1 cm van de mantel van beide uiteinden van elke draad. Draai de kleine draden aan elk van de uiteinden en tin ze met een soldeerbout. Wijzig een Terminal strook met acht pinnen volgens dezelfde specificaties als de stappen 1.4.1 en 1.4.2. Breng de soldeer flux aan op de topcurves van de uitsteeksels 5 en 6. Soldeer de draden op de bovenste curven van de uitsteeklengten 5 en 6 op de acht-Prong klemmenstrook. Knip de twee buitenste uitsteeksels van de aansluit stroken van acht pinnen op 5 mm. Plaats een 2 cm-stuk 0,13 in (~ 3,3 mm) Krimpkous voor vocht op beide draden. Bevestig de krimp stukken zo dicht mogelijk bij de gemodificeerde sensorkop. Plaats twee 2 cm stuks van 0,13 in (~ 3,3 mm) moisture-Seal warmte krimp slang op beide draden, één op elke draad. Wacht om ze in een latere stap op hun plaats te houden. Snijd de twee lange middenuitsteeksels van een klemmenstrook van vier pinnen tot 1 cm. Breng de soldeer flux aan op de bovenste gebogen uiteinden van de middelste uitsteeksels op de vier-Prong klemmenstrook. Soldeer de vrije uiteinden van beide draden aan de snijtanden van de klemmenstrook met vier pennen, zodat de bovenste vier gebogen uitsteeksels worden weggeknipt van de gemodificeerde sensorkop (Figuur 4). Verplaats de eerder geplaatste Heat-Seal warmte krimp tot aan de basis van de vier-Prong klemmenstrook en verwarm deze op zijn plaats. Bereid de bodemvocht kabel voor op kalibratie. Snijd een bodemvocht kabel die even lang is als de sensoren die in het veld worden gebruikt. Strip de jas van de kabel op 5 cm van het einde. Snijd de aarddraad (geen mantel) uit bij de kabelmantel, zodat deze niet buiten de jas wordt blootgesteld. Strip 1 cm van de draad omhulsels met kleine diameter van de uiteinden van de bodemvocht draden. Draai het blootgestelde metaal van elke draad om de kleine strengen te consolideren. Tin de kleine gedraaide strengen door het toepassen van soldeer op het blootgestelde metaal aan elke draad uiteinde. Snijd een 6 cm stuk van 0,38 in (~ 10 mm) vocht Afdicht Krimpkous, plaats het over beide draden en schuif het terug over de kabelmantel om het in een latere stap te hechten. Snijd twee 1,5 cm stuks van 0,13 in (~ 3,3 mm) Krimpkous en plaats er een over elke draad. Breng geen warmte aan totdat de draad is gesoldeerd op de twee-prong socket strip. Breng de soldeer flux aan op de uitsteeksels van de twee-prong socket strip. Soldeer de vertinde uiteinden van de draad aan de uiteinden van de twee-prong socket strip. Wees voorzichtig om de twee uiteinden gescheiden te houden, zodat ze niet aanraken. Verplaats de twee stukken van 0,13 in (~ 3,3 mm) vocht Afdicht Krimpkous naar de basis van de twee-prong socket strip zodat alle metalen onderdelen bedekt zijn. Gebruik de hitte pistool te hechten van de Krimpkous buizen op zijn plaats, het verzorgen van niet te oververhitten en smelt het soldeer onder de buizen. Verplaats de 0,38 in (~ 10 mm) vocht Afdicht Krimpkous (van stap 4.2.7) tot 1 mm van het uiteinde van de twee-prong socket strook zodat deze de socket strip, de draden met een kleine diameter en een deel van de kabelmantel bedekt. Gebruik het hitte pistool om de Krimpkous op zijn plaats te houden. Maak de bodem container voor de kalibratie (Figuur 5). Snijd een 50 mL polypropyleen wegwerp centrifugebuis 4 cm van de bovenkant van het deksel. Dit zal een buis maken met een opening aan de ene kant en een afneembaar deksel aan de andere. Gebruik een boorbit om een gat van 2,5 cm in het midden van het deksel te boren. Een Step Drill bit is makkelijk te gebruiken en effectief. Knip twee verticale spleten 6 mm uit elkaar, beginnend bij het open uiteinde van de buis en uit te breiden tot de onderkant van het deksel. Gebruik een loodrechte snede aan de onderkant van het deksel om de twee spleten aan te sluiten en de plastic strip te verwijderen (Figuur 5). Dit zal een groot genoeg gat creëren om de draden van de sensorkop in te voegen. Snijd een 6 cm diameter cirkelvormig stukje polypropyleen mesh doek. Plaats het gaas tussen de deksel en de buis en schroef het deksel op. Plaats de acht-Prong klemmenstrook van de ijksensorkop in de buis zodat de draden de opening verschuiven die in stap 4.3.3 is gecreëerd. Plak de langere uitsteeksels van de klemmenstrook met vier pinnen aan de zijkant van het open uiteinde van de buis, zodat de bovenste uitsteeksels van de buis worden afgemaakt en gemakkelijk kunnen worden aangesloten op de twee-prong socket strook van de kalibratie kabel (Figuur 5). Plaats de container met de bijgevoegde sensorkop in een 60 °C droogoven voor 48 h om vocht te verwijderen. Kalibreer sensor en bodem.Weeg de lege, in de oven gedroogde kalibratie containers samen met een kalibratie sensorkop op een balans met een precisie van 0,0001 g. Deze meting wordt gebruikt om gravimetrische water inhoud (GWC) op een latere stap te berekenen. Voer kalibraties uit in een omgeving die een constante temperatuur kan behouden. Bereid biocrust grond voor kalibratie. Verwijder de deksel van de kalibratie buis en gebruik het schroefdraad uiteinde als een mal om een stukje biocrust van dezelfde diameter uit te knippen. De biocrust moet in de buis blijven wanneer ze omhoog worden getrokken, maar kan enige hulp nodig hebben om het in de buis te houden. Duw met een vinger het biocrust-monster van het snij uiteinde van de buis, zodat 3-5 mm van de bovenkant van de biocrust in de buis blijft. Schraape de overtollige grond die uit het draad uiteinde van de buis wordt geduwd af, zodat de bodem van de biocrust met de onderkant van de buis is uitgelijnd. Plaats het polypropyleen gaas van 6 cm diameter op het schroefdraad uiteinde, onder de biocroest, en schroef het deksel strak. Bevochtig het biocrust monster en bevestig de sensorkop voorzichtig aan de bovenkant van het substraat zodat de uitsteeksels volledig begraven zijn. De draden moeten mogelijk worden gebogen om ervoor te zorgen dat de sensorkop op zijn plaats blijft en niet beweegt tijdens de kalibratie. Bereid minerale grond voor kalibratie. Vang bodems op van de bovenste 5 mm in het gebied waar de sensoren zullen worden geplaatst. Gebruik een zeef van 2 mm om grote rotsen en organisch materiaal uit de bodem te verwijderen. Zorg ervoor dat het deksel strak vastgeschroefd is met het polypropyleen gaas van 6 cm diameter dat tussen het deksel en de buis is bevestigd. Plaats de gezeefde grond in de kalibratie container, zodat deze de bodem van de container bedekt met een diepte van 6 mm. Bevochtig het bodemmonster en bevestig de sensorkop voorzichtig aan de bovenkant van het substraat, zodat de uitsteeksels volledig begraven zijn. De draden moeten mogelijk worden gebogen om ervoor te zorgen dat de sensorkop op zijn plaats blijft en niet beweegt tijdens de kalibratie. Verzadigde het substraat (biocrust of bodem) met gedeïoniseerd water tot een glanzende waterlaag zichtbaar is aan het oppervlak. Laat het verzadigde substraat ‘s nachts drogen. Controleer voordat u begint met metingen of de sensorkop nog op zijn plaats staat en of de uitsteeksels volledig zijn begraven in de ondergrond. Verzadigde het substraat met gedeïoniseerd water tot een glanzende laag zichtbaar is aan het oppervlak. Droog het substraat 15 min. Sluit de twee-prong socket strook van de kalibratie bodemvocht kabel aan op de binnenste twee uitsteeksels van de vier-Prong klemmenstrook. Program meer de datalogger om metingen per minuut te registreren. Schakel de datalogger in om te beginnen met het verzamelen van weerstandsmetingen. Plaats een ventilator om zachtjes lucht over de kalibratie container te blazen wanneer er geen gewichten worden opgenomen om het drogen te bevorderen. Bevochtig het substraat met gedeïoniseerd water totdat er een glans zichtbaar is aan het oppervlak. Plaats de kalibratie container met natte grond op een papieren handdoek om druipend water te absorberen. Koppel de vochtigheids draad van de kalibratie bodem los van de klemmenstrook met vier pinnen. Tik lichtjes op de container om druipend water te verdrijven. Schakel de ventilator uit voordat u de kalibratie container op de weegschaal plaatst. Plaats de container op de balans en noteer het gewicht en het tijdstip van meting. Sluit de vocht draad van de bodem opnieuw aan op de klemmenstrook met vier pinnen. Plaats de kalibratie container weer op de papieren handdoek. Zet de ventilator aan om het drogen te versnellen. Record gewichten elke 15 min totdat het substraat volledig is gedroogd. Volledige droging wordt aangegeven door weinig of geen verandering in het gewicht van de kalibratie container tussen metingen. Plaats de kalibratie container, de kalibratie sensorkop en de ondergrond in een 60 °C droogoven voor 48 uur. Weeg de oven-gedroogde ondergrond, container en sensorkop af. Sensor kalibratiegegevens analyse. Bereken het gewicht van de droge ondergrond door het gewicht van de droge kalibratie container, bepaald in stap 4.4.1, af te trekken van het gewicht van de droge kalibratie container met substraat bepaald in stap 4.4.34. Bereken het water gewicht voor elk tijdspunt van 15 minuten of de kalibratie door het gewicht van de droge kalibratie container af te trekken met substraat (stap 4.4.34) van de gewichten die elke 15 minuten zijn opgenomen. Bereken de GWC voor elk tijdpunt van 15 minuten door de water gewichten (stap 4.5.2) te delen door het droge bodem gewicht (4.5.1). Match weerstand meet tijden aan de GWC van elke 15-min tijdpunt bepaald in stap 4.5.3. Bepaal de kalibratiecurve van regressieanalyse met GWCs als afhankelijke variabelen en Siemens als onafhankelijke variabelen (Figuur 6). Verschillende curve types (lineair, vermogen, logaritmisch) kunnen het meest geschikt zijn voor de kalibratie van verschillende ondergronden.

Representative Results

De beoordeling van het microklimaat van het bodemoppervlak is essentieel voor het begrijpen en voorspellen van de biologische, chemische en fysische processen die daar plaatsvinden. Deze sondes bieden krachtige mogelijkheden om het microklimaat op de oppervlaktelaag van het bodemprofiel te monitoren en zijn daarom waardevol voor de beoordeling van biologische activiteit die zich voordoet in de Top enkele millimeter van de bodem11,12. Deze sondes werden ontwikkeld en verfijnd om controles op biologische bodem korst activiteit te beoordelen, omdat temperatuur en vocht in biocrust kritisch kunnen zijn voor zijn functie2,8,10,12,15. Hoewel deze sondes werden ontwikkeld voor fotosynthetische bodems in droge gebieden, is er een sterk potentieel voor het implementeren ervan in een breed scala van systemen, evenals om te beoordelen hoe temperatuur en vocht variëren langs bodem diepte profielen. Deze sensoren zijn bijvoorbeeld ingezet in een warm experiment met tropisch bos om na te gaan hoe verwarmende behandelingen en natuurlijke variatie in het klimaat samenwerken om de covariaties in bodem processen, temperatuur en vocht te bepalen. Niettemin zijn er enkele belangrijke overwegingen voor het implementeren van bodemoppervlak sensoren. Kalibratie curven moeten bijvoorbeeld worden ontwikkeld om eenheden van weerstand te converteren naar meer veelgebruikte metrische gegevens van bodemvocht, zoals GWC. De bodemoppervlak sensor meet de weerstand tussen de metalen uitsteeksels en uitgangen geleidingsvermogen (de inverse van weerstand) waarden in Siemens (1/Ohm). Zo moet de omzetting van Siemens naar bodemvocht worden uitgevoerd. Een aantal chemische en fysische eigenschappen van het bodemsubstraat kan invloed hebben op de relatie tussen de geleidingswaarden van de sensor in Siemens en het bodemvocht. Het is daarom van cruciaal belang om substraat-specifieke kalibraties uit te voeren om sonde metingen om te zetten in bodemvocht waarden. Kalibratiegegevens van drie substraten die deze verschillen aantonen, worden weergegeven. Figuur 6 toont droge kalibratiegegevens voor twee monsters van elk van de drie bodem substraten, elk met een eigen sonde. De ondergrond was volledig verzadigd tot een kleine hoeveelheid water zichtbaar was aan het oppervlak. Sonde resistenties en bodem gewichten werden elke 15 minuten gemeten totdat alle monsters droog waren. De bodem massa werd vervolgens gebruikt om GWC te berekenen. Figuur 6 toont regressies van conductiviteit en gwc voor elk monster. De substraten die voor deze kalibraties worden gebruikt, zijn onder andere slib leem-bodems (23% zand, 64% slib en 13% klei) verzameld op een experimenteel veld station in El Yunque National Forest, Puerto Rico; door mos gedomineerde biocrusten verzameld in de buurt van Castle Valley, Utah; en fijne zandgrond (92% zand, 3% slib, en 5% klei) uit experimentele opwarming plots in de buurt van Moab, Utah. De behoefte aan substraat-specifieke sensor kalibraties wordt aangetoond door de variatie in sonde geleiding en bodemvocht voor elke ondergrond. Zo waren de regressies voor de slib leem-bodemmonsters (Figuur 6a) verschillend van de andere twee bodem substraten. Daarom zou het toepassen van de regressievergelijking van de slib-leem-bodem op mos biocrust, of omgekeerd, leiden tot dramatisch verschillende waarden. Aan de andere kant waren de verhoudingen tussen gwc en sonde weerstand voor de fijne zandgrond (Figuur 6c) en mos biocrust (Figuur 6b) vergelijkbaar. Echter, de fijne zandgrond was niet in staat om zoveel water te houden als het mos en kwam dienovereenkomstig veel sneller drogen. Aangezien er variatie is binnen substraten, is het belangrijk om een groot genoeg samplegrootte te hebben om een nauwkeurige kalibratiecurve te produceren en om individuele kalibratie curves voor alle locaties te creëren. In een experimentele setting werden deze bodemoppervlak sensoren gebruikt om de behandelingseffecten van een klimaat manipulatie studie bij Moab (Utah, VS) te evalueren. Deze studie gebruikte infraroodlampen om de omgevingstemperatuur van percelen met 4 °C te verhogen op dezelfde locatie en met vergelijkbare methoden zoals beschreven door Wertin et al.17. Figuur 7 toont de gemiddelde temperatuur en gwc van verwarmde en controle percelen voor twee aparte regen gebeurtenissen die plaatsvonden in begin mei 2018. De gemiddelde temperaturen in de verwarmde percelen waren consistent hoger dan de gemiddelde temperaturen van de controlepunten (Figuur 7a). In de loop van deze twee regen gebeurtenissen registreerde de weerstand sensoren in de verwarmde percelen minder bodemvocht dan de bedieningsorganen en werden de verwarmde percelen sneller gedroogd (Figuur 7b). Opgemerkt moet worden dat stijgingen van de temperatuur kunnen leiden tot een hogere geleidbaarheid van bodems die voor19moeten worden gerekend. De gevoeligheid van zowel de temperatuur-als de vocht bestanddelen van deze bodemoppervlak sensoren lieten ons toe om niet alleen temperatuurverschillen van de verwarmende behandeling te observeren, maar ook hoe het de vocht dynamiek in de percelen beïnvloede. De interacties van temperatuur en vocht werden verder onderzocht in een Observationele studie met behulp van deze bodemoppervlak sensoren om de timing van de beschikbaarheid van vocht aan biocrusten te analyseren tijdens vries-dooi condities op het Colorado Plateau in de Verenigde Staten. Sensoren werden in de top 5 mm van biocrusts geplaatst die voornamelijk waren samengesteld uit het Moss Syntrichia caninervis, en de oppervlaktetemperatuur en het vocht werden geregistreerd tijdens de maanden januari en februari 2018. Bij temperaturen onder de 0 °C was vocht aan het oppervlak van het mos bevroren, en de uitgangs geleidingswaarden van de sensor correspondeerde met 0% GWC (Figuur 8). Echter, omdat de temperaturen meer dan 0 °c, de vorst gesmolten op het mos oppervlak en het vloeibare water geregistreerd op de weerstand sensor. In dit geval toonden gelijktijdige metingen van temperatuur en vocht aan hoe de variabelen interactie hebben gehad om mogelijk invloed te hebben op de biologische processen van organismen die op het bodemoppervlak bestaan. Figuur 1: Biocrusted interspaces op het Colorado Plateau in de Verenigde Staten. In veel woestijn ecosystemen zijn de ruimten tussen planten vaak bedekt met biocrust-Gemeenschappen, bestaande uit korstmossen, kreten en cyanobacteriën. Twee bodemtemperatuur-en vochtsensoren werden in het oppervlak van het mos biocrust geplaatst. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 2: de klem strook met acht pinnen clippen. De vergulde klemmenstrook is gericht op de bovenste gebogen uitsteeksels. De uitsteeksels worden genummerd van 1 tot en met 8, beginnend aan de linkerzijde en naar rechts verplaatst. De uitsteeksels 2, 4 en 7 worden met de onderkant van het zwarte plastic afgesneden. De uitsteeksels 3, 5 en 6 worden op 5 mm onder het zwarte plastic gesneden. Prong 3 stabiliseert de Arc-gelaste thermokoppel draden, terwijl de weerstand wordt gemeten tussen de uitsteeksels 5 en 6. Deze functie als de bodemvocht sensor. De uitsteeksels 1 en 8 dienen als holdfasts in de bodem. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 3: afgewerkte sensorkop. De gemodificeerde sensorkop en thermokoppel kabel zijn bedekt met vloeibare elektrische tape. Het is belangrijk om de tanden 5 en 6 (de vochtsensor) schoon te houden en niet gecoat met vloeibare elektrische tape om er zeker van te zijn dat er geen verontreiniging is die de weerstandsmetingen beïnvloedt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 4: ijksensorkop. De klemmenstrook met vier pinnen wordt aan de draden gesoldeerd zodat deze uit de buurt van de gemodificeerde sensorkop wordt geconfronteerd. Vocht Afdicht warmte krimp is bevestigd op zijn plaats dicht bij de klemmenstroken om Overspraak tussen de draden te voorkomen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 5: kalibratie container en sensorkop. De vier-Prong klemmenstrook is geplakt naar de container en georiënteerd zodat het gemakkelijk kan worden aangesloten op een twee-prong socket strip. Door deze plaatsing kan de sensorkop in de gesneden gleuf worden geplaatst en in het substraat van belang worden bevestigd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 6: sensor kalibraties voor drie bodem substraten. Berekende gravimetrische water inhoud (GWC) percentages, bepaald door het meten van de bodem massa tijdens drooglaag van de ondergrond, werden vergeleken met de waarden van de bodemsensor geleiding van de sondes (gemeten in Siemens). De getoonde gegevens zijn voor twee monsters van elk van de drie verschillende bodem substraten. Bodem substraten waren (a) een slib bodem, (b) een MOS biocrust, en (c) een fijne zandgrond. a) de verhouding tussen de gwc-en geleidingswaarden in overwegend slib-leem bodems werd het best vertegenwoordigd door een machts regressie. b) er werd een sterke lineaire relatie van gwc en sensor geleiding waargenomen voor biocrusten die gedomineerd werden door het mos syntrichia caninervis. c) een lineaire regressie vertegenwoordigde de relatie tussen de metingen van de gwc en de sensor geleiding in fijne zandbodems. Bij hoge GWC-waarden verschillen de geleidingswaarden van de ijkcurve, wat duidt op een mogelijke beperking van de sensoren wanneer de bodems verzadigd zijn. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Afbeelding 7: temperatuur en gravimetrische watergehalte met veld infrarood verwarmende behandelingen. Uurgemiddelde oppervlaktetemperatuur en GWC opgenomen met 10 min intervallen in 5 opgewarmde en 5 controle plots over 4 dagen. Gegevens zijn afkomstig van een wereldwijd veranderings experiment in een semi-Arid-steppe ecosysteem op het Colorado Plateau, USA17. Gegevens tonen aan dat de bodemoppervlak sensoren behandelingseffecten hebben vastgelegd. a) de gemiddelde temperaturen op het bodemoppervlak waren consistent hoger in de opgewarmde percelen. b) de effecten van opwarming waren ook duidelijk in de gwc-waarden, waaruit bleek dat de bodem van het verwarmde perceel snellere droogtijden onderhield. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 8: Mos biocrust temperatuur en gravimetrische watergehalte tijdens vorst gebeurtenissen. Gemiddelde oppervlaktetemperatuur en GWC van vier replicaten van Syntrichia caninervis Moss biocrusts opgenomen op 10 min intervallen van 9:50 am januari 24, 2018 tot 11:20 am 25 januari 2018. Nachtelijke uren worden weergegeven in het grijs gearceerde gebied en overdag in de niet-gearceerde gebieden. Toen water bevroren was in de vorm van vorst op het mos oppervlak, was er geen conductiviteit gemeten door de sensor. De GWC was dus 0. Vries condities traden kort na het vallen van de nacht op als bodemtemperatuur gedaald onder 0 °C. Ontdooien trad kort na zonsopgang op omdat de temperaturen boven 0 °C stegen, toen de vorst smolt en het vloeistof water door de sensoren werd gedetecteerd. Deze resultaten tonen de effectiviteit van de sensoren bij het onderscheiden van vloeibaar water en ijs, wat belangrijke implicaties kan hebben voor een reeks biologische processen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

De temperatuur van het bodemoppervlak en de vochtigheids voelers kunnen effectieve hulpmiddelen zijn voor het analyseren van temperatuur-en watergehalte op het bodemoppervlak. Met uitzondering van de biocrust-nattigheid (BWP), ontwikkeld door Weber et al.11, meten gemeenschappelijke bodemtemperatuur-en Vochtigheidssensoren deze omgevingsvariabelen niet expliciet op de bovenste millimeter van het bodemoppervlak. Op het moment van ontwikkeling, de BWPs alleen geschat bodemvocht aan de oppervlakte en niet de temperatuur20. Met het originele BWP-ontwerp dat als leidraad werd gebruikt, werden de in dit manuscript beschreven sondes ontwikkeld om tegelijkertijd temperatuur en vocht te meten om te beoordelen hoe deze omgevingsvariabelen met elkaar omgaan, evenals met biologische, chemische en fysische processen op het bodemoppervlak.

Er zijn een aantal overwegingen om te zorgen voor een optimale werking van deze tests. Tijdens het bouwen van de sensor is het belangrijk om voorzichtig te zijn om niet door de binnenste omhulsels te snijden en de onderliggende metalen draden bloot te leggen. Dit kan leiden tot variatie in geleiding en overspraak tussen de draden. Het is ook van cruciaal belang om zowel de thermokoppels als de resistiviteits sensoren voor elke sonde in dezelfde omgeving te testen, om te bevestigen dat ze goed zijn geconstrueerd en dat variaties in metingen te wijten zijn aan fysische en chemische verschillen in het bodemsubstraat Gemeten. Tijdens het kalibratieproces is een groot genoeg sample aantal weerstand en GWC kalibraties van cruciaal belang voor de juiste rekening voor variatie in bodem of biocrust substraten. Ook, het is het beste om te testen dezelfde sonde en substraat combinatie tweemaal, van NAT tot droog, zoals het gebruikelijk is voor deze sondes te ‘ drift ‘ na verloop van tijd als gevolg van elektrolyse of corrosie. Bovendien is het tijdens de kalibratie belangrijk om ondiepe substraat monsters te gebruiken die alleen diep genoeg zijn voor de sonde lengte (d.w.z. tussen 6 en 7 mm), zodat gemeten water gewichten uit water komen, voornamelijk op het gebied van de geleidings metingen (tussen en rond de sondes). Dit zorgt ervoor dat veranderingen in de watermassa in de bodems rechtstreeks verband houden met veranderingen in de weerstandsmetingen van de sondes. Tot slot, bij het inzetten van deze sondes in het veld, is het belangrijk om de sondes goed te beveiligen tegen het bodemoppervlak (bijv. met niet-geleidende tuin stakes), die interferentie in geleidings metingen zal beperken, maar kan ervoor zorgen dat de sensoren niet verschuiven positie en de kwaliteit van metingen op lange termijn te verminderen.

Het is ook belangrijk om enkele beperkingen van deze sensoren op te merken. Omdat de weerstand sondes slechts 5 mm lang zijn, kunnen de metingen sterk worden beïnvloed door grote lucht gevulde poriën in substraten. Grote luchtopeningen langs de sondes verminderen de connectiviteit van het substraat en leiden over het algemeen tot een lagere gemeten geleidbaarheid en daarom een lager geschat watergehalte, wat mogelijk geen afspiegeling is van het werkelijke bodemvocht over grotere weegschalen. Evenzo kan de chemische samenstelling van bodems de bodemvocht aflezingen beïnvloeden. Hoger zoutgehalte verhoogt de geleiding en leiden tot hogere Siemens-waarden21. Beide problemen moeten worden opgelost met de juiste substraat-specifieke kalibraties. Sommige bodems kunnen echter chemische verschillen handhaven of grote porie ruimte architectuur hebben waardoor ze een slechte omgeving voor deze sensoren kunnen maken. De temperatuur beïnvloedt ook de elektrische geleiding van de bodem en moet dus als15worden beschouwd. In de toekomst moeten temperatuur kalibraties met deze sensoren worden uitgevoerd om te bepalen hoe temperaturen de weerstand van gemeten substraten veranderen.

Net als de Biocrust-Wetness-sondes ontwikkeld door Weber et al.11, laten deze sensor kalibraties zien dat de weerstandsmetingen betrouwbaar zijn bij middelmatige water inhoud, maar dat ze enkele afwijkingen ondervinden bij zeer hoge en lage water gehalten (Figuur 6). Bovendien lezen de weerstandswaarden tijdens droge kalibraties af en toe nul wanneer er nog wat water aanwezig was in het substraat monster. Dit kan het gevolg zijn van de hoeveelheid substraat in de kalibratie container die iets groter is dan het door de sensor gemeten gebied. Als er water buiten het weerstand gebied aanwezig was, zou de sensor nul lezen terwijl de ondergrond nog vocht aanwezig was. Er werd zorg besteed aan het verkleinen van de substraat grootte zonder afbreuk te doen aan weerstandsmetingen. Naarmate het watergehalte toeneemt, daalt de weerstandswaarden binnen het substraat, wat leidt tot hogere Siemens-uitgangen. Bij de hoogste water inhoud neemt de weerstandswaarde echter toe met een toenemend watergehalte. Dit leidt tot een “haak” in de kalibratiegegevens zoals te zien in Figuur 1C. Deze haak was aanwezig in elke ondergrond die werd gebruikt voor kalibraties, maar was het meest prominent in de fijne zandbodems (Figuur 6). Weber et al.11 suggereert dat een mogelijke oorzaak voor abnormale weerstand toeneemt bij hoge water gehalten, is dat extra water verdunt met ionen in verzadigde bodems, waardoor de weerstand toeneemt.

Deze sensoren zijn op dit moment afhankelijk van het gebruik van bestaande multiplexer en datalogger technologieën. De multiplexer kan de sensoren worden “uitgeschakeld” en stuurt alleen een stroom naar de sensoren op een geprogrammeerde tijd. Dit voorkomt dat de bodemvocht sensor klemmen corroderen. Andere elektronische bedrijven bieden datalogger en multiplexer alternatieven voor de sondes, en programmeerbare printplaten en computers kunnen ook worden ingebouwd voor een draadloos ontwerp van de bodemtemperatuur en vochtsensoren, die een spannende voorschot.

Het ontwerpen en bouwen van sensoren stelt de onderzoeker in staat om de probes aan te passen. De lengte en richting van de uitsteeksels kunnen worden gemanipuleerd om een betere beoordeling van vocht in verschillende mediums of op verschillende diepten. Aangepaste bedrading kan worden besteld om toe te staan voor ontwerpen met meerdere sensorkoppen afkomstig van dezelfde kabel. Met de toevoeging van goedkope data logging en multiplexer opties, bieden deze sensoren een goedkope en toegankelijke optie voor onderzoekers om temperatuur en bodemvocht op het bodemoppervlak te meten. Dit omvat het meten van moeilijk te vangen gebeurtenissen, zoals vorst-en dauw vorming (Figuur 8), en experimentele behandelingseffecten zoals opwarming (Figuur 7). Dit artikel bevat een stapsgewijze handleiding voor het bouwen van bodemoppervlak sensoren die tegelijkertijd temperatuur en vocht meten, die kunnen worden gebruikt en verfijnd door iedereen die geïnteresseerd is in het beoordelen van het milieu van biocrust Gemeenschappen en de bovenbouw van vele andere bodemtypes.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We danken Robin Reibold voor zijn zorgvuldige booglassen en Cara Lauria voor haar nauwkeurigheid tijdens kalibraties. We zijn Dr. Steve Fick en drie anonieme reviewers dankbaar voor hun nuttige opmerkingen over een eerder ontwerp van dit manuscript. Dit werk werd ondersteund door het Amerikaanse geologische onderzoek land Change Science Program en het Amerikaanse ministerie van energie, Bureau voor biologische en milieu onderzoek terrestrische ecosysteem Wetenschappen (Awards 89243018SSC000017 en DESC-0008168). Het werk van BW werd gesteund door de Duitse Stichting voor onderzoek (Grants WE2393/2-1, 2-2), de Max Planck Society en de Universiteit van Graz. Elk gebruik van handels-, firma-of productnamen is alleen voor beschrijvende doeleinden en impliceert geen goedkeuring door de Amerikaanse overheid.

Materials

Single sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004848 Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR
Double sensor audio cable alliedelec.com Allied Stock #: 70004635 Cable; 2Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black LSZH jkt; CMG-LS
Thermocouple cable Omega.com Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error
Eight prong terminal strip Samtec.com MTSW-108-21-G-S-1130-RA
Four prong terminal strip Samtec.com MTSW-104-21-G-S-1130-RA
Two prong socket strip Samtec.com SSW-102-03-G-S
0.13" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K51
0.25" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K53
0.38" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K54
0.5" moisture-seal heat shrink tubing McMaster.com Part #: 7861K55
Liquid electrical tape McMaster.com Part #: 76425A23
Metal film resistor Newark.com Part #: RN55C1001BB14
Voltage divider resistor Newark.com Part #: 83F1210
16- or 32-Channel Relay Multiplexer campbellsci.com AM16/32B This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly
CR1000X Measurement and Control Datalogger campbellsci.com CR1000X
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Phillipot, L., Hallin, S., Schloter, M., Sparks, D. L. Ecology of denitrifying prokaryotes in agricultural soil. Advances in Agronomy. 96, 249-330 (2007).
  2. Grote, E. E., Belnap, J., Housman, D. C., Sparks, J. P. Carbon exchange in biological soil crust communities under differential temperatures and soil water contents: implications for global change. Global Change Biology. 16 (10), 2763-2774 (2010).
  3. Thompson, K., Grime, J. P., Mason, G. Seed Germination in response to diurnal fluctuations in temperature. Nature. 267, 147-149 (1977).
  4. Doneen, L. D., MacGillivray, J. H. Germination (emergence) of vegetable seed as affected by different soil moisture conditions. Plant Physiology. 18 (3), 524-529 (1943).
  5. Kirshbaum, M. U. F. The temperature dependence of soil organic matter decomposition, and the effect of global warming on soil organic C storage. Soil Biology and Biochemistry. 27 (6), 753-760 (1995).
  6. Garcia-Pichel, F., et al. Small-scale vertical distribution of bacterial biomass and diversity in biological soil crusts from arid lands in the Colorado Plateau. Microbial Ecology. 46, 312 (2003).
  7. Belnap, J., Büdel, B., Lange, O. L., Belnap, J., Lange, O. . Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. , 263-279 (2003).
  8. Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Observations of net soil exchange of CO2 in a dryland show experimental warming increases carbon losses in biocrust soils. Biogeochemistry. 126, 363-378 (2015).
  9. Rutherford, W. A., et al. Albedo feedbacks to future climate via climate change impacts on dryland biocrust. Scientific Reports. 7, 44188 (2017).
  10. Maestre, F. T., et al. Changes in biocrust cover drive carbon cycle responses to climate change in drylands. Global Change Biology. 19 (12), 3835-3847 (2013).
  11. Weber, B., et al. Development and calibration of a novel sensor to quantify the water content of surface soils and biological soil crusts. Methods in Ecology and Evolution. 7, 14-22 (2016).
  12. Tucker, C. L., et al. The concurrent use of novel soil surface microclimate measurements to evaluate CO2 pulses in biocrusted interspaces in a cool desert ecosystem. Biogeochemistry. 135 (3), 239-249 (2017).
  13. Pierson, F. B., Wight, J. R. Variability of near-surface soil temperature on sagebrush rangeland. Journal of Range Management. 44 (5), 491-497 (1991).
  14. Jin, M., Dickenson, R. E. Land surface skin temperature climatology: benefitting from the strengths of satellite observations. Environmental Research Letters. 5 (4), 044004 (2010).
  15. Lange, O. L., Belnap, J., Lange, O. Photosynthesis of soil-crust biota as dependent on environmental factors. Biological soil crusts: characteristics and distribution. Biological Soil Crusts: Structure, Function, and Management. 18, 217-240 (2003).
  16. Davidson, E. A., Janssens, I. A., Luo, Y. On the variability of respiration in terrestrial ecosystems: moving beyond Q10. Global Change Biology. 12 (2), 154-164 (2005).
  17. Wertin, T. M., Belnap, J., Reed, S. C. Experimental warming in a dryland community reduced plant photosynthesis and soil CO2 efflux although the relationship between the fluxes remained unchanged. Functional Ecology. 31, 297-305 (2017).
  18. Darrouzet-Nardi, A., Reed, S. C., Grote, E. E., Belnap, J. Patterns of longer-term climate change effects on CO2 efflux from biocrusted soils differ from those observed in the short term. Biogeosciences. 15 (14), 4561-4573 (2018).
  19. McNeill, D. J. Rapid, Accurate Mapping of Soil Salinity by Electromagnetic Ground Conductivity Meters. Soil Science Society of America. 30, 209-229 (1992).
  20. Scholz, S., Ruckteschler, N., Gypser, S., Weber, B. Determination of drying and rewetting cycles of moss-dominated biocrusts using a novel biocrust wetness probe. Poster session presented at GfÖ Annual Meeting. , (2018).
  21. Rhoades, J. D., Ingvalson, R. D. Determining Salinity in Field Soils with Soil Resistance Measurements. Soil Science Society of America. 35 (1), 54-60 (1971).

Tags

Soil Surface Temperature SensorSoil Moisture SensorSoil Surface MicroclimateSoil Surface BiotaThermocoupleHeat Shrink TubingARC WeldingLiquid Electrical TapeSoil Moisture CableTemperature And Moisture Measurement

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Howell, A., Tucker, C., Grote, E. E., Veste, M., Belnap, J., Kast, G., Weber, B., Reed, S. C. Manufacturing Simple and Inexpensive Soil Surface Temperature and Gravimetric Water Content Sensors. J. Vis. Exp. (154), e60308, doi:10.3791/60308 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image